Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM MŨ BẢO HIỂM THEO QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE THE TESTING EQUIPMENT FOR HELMET ACCORDING TO NATIONAL TECHNICAL STANDARDS Trần Đức Đạt1a, Vương Anh Khôi1b, Lê Thành Nhân2c, Nguyễn Vinh Dự1d, Phạm Sơn Minh3e Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Công nghệ TP HCM Trường Cao Đẳng Kinh tế Kỹ thuật TP HCM Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM a tddat.skhcn@tphcm.gov.vn, bvuonganhkhoi10@gmail.com c lethanhnhan@hotec.edu.vn, dnvdu.skhcn@tphcm.gov.vn, eminhps@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Hiện nay, nhiều nước giới phải đối mặt với vấn đề số lượng người bị thương hay bị chết tai nạn lái xe bánh tăng lên Phần lớn tỷ lệ tử vong tai nạn thương tích nghiêm trọng hậu chấn thương đầu Việc kiểm soát chất lượng mũ bảo hiểm nâng cao hiệu cho việc giảm chấn thương đầu tai nạn thương tích nghiêm trọng Chính lẽ việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị thử nghiệm mũ bảo hiểm theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cần thiết Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng thiết kế LAP kết hợp thử nghiệm ảo tượng va đập nón bảo hiểm máy tính: dùng Visual Basic.NET để lập trình tính toán, mô tối ưu nón bảo hiểm Từ khóa: thiết bị thử nghiệm, nón bảo hiểm, quy chuẩn kỹ thuật ABSTRACT Nowardays, many countries in the world face up to the problem of injured or died people because of motorbike accidents which is increasing Most of mortality and serious accidents cause by head injury The quality control of helmets will enhance efficiency for reducing head injuries as well as serious injuries Therefore, the study, design and manufacture the testing equipment for helmet according to the national technical standard is essential In this article, the authors use the design on LAP combining virtual test of collision helmet; on the computer: using Visual Basic.NET to programme, calculate, simulate and optimize the helmet Keywords: testing equipment, helmet, technical standard GIỚI THIỆU Theo [6]: Tai nạn giao thông đường vấn đề sức khỏe cộng đồng nguyên nhân hàng đầu gây tử vong thương tích giới Mỗi năm có gần 1,2 triệu người chết nhiều triệu người bị thương tích hay tàn tật bị tai nạn xe, mà tập trung hầu hết nước có thu nhập thấp trung bình Trong số tai nạn liên quan đến xe máy chiếm đến 70%, số vụ gây chấn thương sọ não chiếm đến 2/3 Tai nạn giao thông đường đặt gánh nặng sức khỏe kinh tế Chi phí chiếm từ 1-2% tổng sản phẩm quốc gia Tại nước ta, với gia tăng đáng kể phương tiện lại cá nhân, xe gắn máy, ý thức luật lệ giao thông hạn chế nên tai nạn giao thông đường gia tăng đột ngột với hầu hết khu vực, hai thập kỷ tới Việc tìm biện pháp ngăn ngừa, giảm thiểu nguy chấn thương nghiêm trọng tai nạn đòi hỏi nhà nước phải có biện pháp thích hợp, quy định kiểm soát chất lượng loại mũ bảo hiểm cho xe gắn máy, xe điện sản xuất vấn đề nhà nước quan tâm 137 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hàng năm, Việt Nam 22.000 mạng sống nạn giao thông đường bộ, điều cho thấy việc cải thiện chất lượng mũ bảo hiểm việc làm thật cần thiết có ý nghĩa Đội mũ bảo hiểm tai nạn xảy chứng minh làm giảm nguy chấn thương nghiêm trọng đến 69% giảm nguy tử vong đến 42% theo nghiên cứu gần Tổ chức y tế giới [5] Do đó, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị thử nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam, kiểm tra tiêu quan trọng quy định quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam mũ bảo hiểm cho người mô tô, xe máy vấn đề cấp thiết cần khuyến khích thời điểm NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Để kiểm soát toàn diện chất lượng loại mũ bảo hiểm, quy trình thử nghiệm với thiết bị cần thiết nghiên cứu triển khai khắp giới Theo QCVN2:2008/BKHCN việc thử nghiệm mũ bảo hiểm bao gồm bước sau: - Thử độ bền va đập hấp thụ xung động mũ bảo hiểm - Thử độ bền đâm xuyên mũ bảo hiểm - Thử kiểm tra độ bền quai đeo mũ bảo hiểm - Thử kiểm tra góc nhìn mũ bảo hiểm - Thử độ ổn định mũ bảo hiểm Trong đó, hai công đoạn thử độ bền thử va đập-hấp thụ xung động thử độ bền đâm xuyên quan trọng Theo[2]: thiết kế thiết bị kiểm tra nón bảo hiểm theo Quy chuẩn Việt Nam phục vụ cho công tác quản lý nhà nước hàng hóa đặc chủng Ứng dụng chương trình HCC việc thử nghiệm ảo tượng va đập nón bảo hiểm máy tính: Thiết kế, mô phỏng, chế tạo máy tích hợp kiểm tra độ bền va đập độ thử đâm xuyên nón bảo hiểm theo Quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam (QCVN2:2008/BKHCN) mũ bảo hiểm cho người mô tô, xe máy ban hành theo Quyết định số 04/2008/QĐ-BKHCN ngày 28 tháng năm 2008 Bộ trưởng Bộ KHCN hệ thống xử lý số liệu hiển thị Thiết bị sau hoàn chỉnh phải đạt mục tiêu yêu cầu sau: - Mô trình kiểm tra tiêu theo quy chuẩn Việt nam - Có thể kiểm tra tích hợp tiêu chính: độ va đập độ đâm xuyên nón bảo hiểm - Đơn giản vận hành, dễ sử dụng vệ sinh bảo dưỡng, an toàn cho người vận hành, công nhân vận hành không cần phải có tay nghề cao - Kết cấu hợp lý, gọn nhẹ, đảm bảo độ cứng vững mỹ quan công nghiệp PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Thử bền va đập hấp thụ xung động 3.1.1 Đối với nón cỡ nhỏ Theo [1] [4]: Nón thử đội chặt lên dạng đầu thử khối va đập Buộc chặt quai đeo (hoặc dùng dây buộc bên cho cố định mũ thử với dạng đầu thử không ảnh hưởng đến vị trí va đập nón) Khối va đập thả rơi tự từ vị trí thẳng đứng qua tâm đe, khoảng cách từ điểm thấp mũ đến điểm cao đe phẳng 1500 +05 mm, đe cầu 1200 +05 mm Ghi nhận gia tốc va đập tức thời xem xét tình trạng nón sau thử 138 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Điều chỉnh khớp cầu khối va đập để tiến hành thử bốn vùng nón Mỗi vùng thử vị trí Các vùng nằm phạm vi che chắn, bảo vệ mũ tâm điểm thử nằm phía đường bảo vệ 20 mm Tâm vị trí thử cách 72 mm Hai vùng thử đe cầu, hai vùng thử đe phẳng 3.1.2 Đối với nón cỡ trung cỡ lớn Theo[1], [3]: Nón thử đội chặt lên dạng đầu thử khối va đập Buộc chặt quai đeo (hoặc dùng dây buộc bên cho cố định mũ thử với dạng đầu không ảnh hưởng đến vị trí va đập nón) Khối va đập thả rơi tự từ vị trí thẳng đứng qua tâm đe, khoảng cách từ điểm thấp mũ đến điểm cao đe phẳng 1830 +05 mm, đe cầu 1385 +05 mm Ghi nhận gia tốc va đập tức thời, gia tốc dư sau miligiây miligiây xem xét tình trạng mũ sau thử Điều chỉnh khớp cầu khối va đập để tiến hành thử bốn vùng nón Các vùng nằm phạm vi che chắn, bảo vệ mũ, cách 1/5 chu vi vòng đầu Mỗi vùng thử hai vị trí cho tâm hai vị trí cách không mm Hai vùng thử đe cầu, hai vùng thử đe phẳng 3.2 Thử đâm xuyên Dạng đầu thử kim loại gỗ cứng có gắn kim loại, mô tả hình Phần chỏm cầu dạng đầu thử có bán kính cầu 82,5 mm ± 0,5 mm, chiều cao nhỏ 133 mm Phía đỉnh dạng đầu thử có gắn lõi chì Đầu đâm xuyên lõi chì liên kết hệ thống tín hiệu điện cho có tiếp xúc chúng nhận tín hiệu báo (đèn báo chuông báo,…) Dạng đầu thử gắn chặt lên giá đỡ cứng vững Đầu đâm xuyên có dạng hình côn phần phía dưới, phần có thông số theo quy định sau [7]: -Khối lượng : 3,0 kg± 0,045 kg; -Góc côn : 60 0± 0,5 0; -Bán kính đầu : 0,5 mm ± 0,1 mm; -Độ cứng đầu : 45 HRC đến 50 HRC; -Chiều cao nhỏ phần côn : 40 mm; Mũ thử đội chặt lên dạng đầu thử, buộc chặt quai đeo (hoặc dùng dây buộc bên cho cố định mẫu thử với dạng đầu thử không ảnh hưởng đến vị trí thử đâm xuyên đỉnh nón) Đầu đâm xuyên thả rơi tự từ vị trí thẳng đứng cách điểm thử đâm xuyên đỉnh nón thử khoảng cách 2000 mm ± mm Phạm vi thử đâm xuyên giới hạn bán kính 30 mm ± mm xung quanh đỉnh mũ Ghi nhận có hay không tiếp xúc đầu đâm xuyên với dạng đầu thử Khi có nghi ngờ, phải tiến hành thử lần thứ hai nón thử vị trí khác phạm vi thử TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 4.1 Cơ sở thiết lập phương trình dao động Cơ sở để thiết lập phương trình chuyển động nói chung, dao động nói riêng, nguyên lý, định luật, định lý học Định luật II Newton: Định luật II Newton dùng hệ khảo sát coi chất điểm, hay vật rắn tuyệt đối chuyển động tịnh tiến mà hệ lực tác dụng lên vật rắn đồng quy khối tâm khối tâm vật Ta viết phương trình dạng vi phân [2]: 139 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV d 2r m = ∑ Fk dt k Trong đó: r - véctơ định vị điểm (cuả khối tâm vật) khảo sát Fk - lực tác dụng thứ k (1) t - thời gian Nguyên lý D’Alamber: Nguyên lý D’ Alamber có dạng sau: - Cơ hệ chất điểm: F e + F i + F qt = Trong đó: F qt = −mω - lực quán tính điểm khảo sát ω - vectơ gia tốc điểm (2) Phương trình Lagrange: Kí hiệu q , q , q ,…, q n toạ độ suy rộng hệ có nhiều bậc tự Phương trình vi phân chuyển động hệ toạ độ suy rộng gọi phương trình lagrange, có dạng sau: d ∂K ∂K = Q1 − dt ∂q1 ∂q1 d ∂K ∂K = Q2 − dt ∂q2 ∂q2 d ∂K ∂K = Qn − dt ∂qn ∂qn Trong đó: ∂r Q1 = ∑ Fk k ∂q1 k ∂rk Q2 = ∑ Fk ∂q2 k ∂r Qn = ∑ Fk k ∂qn k (3) (4) Các Q , Q , , Q n gọi lực suy rộng, tương ứng với toạ độ suy rộng q , q , …, q n 4.2 Tính toán thiết kế 4.2.1 Phân tích sơ đồ - Theo quy chuẩn [1], cấu máy thử va đập thiết kế cáp treo dẫn hướng, kéo thả hệ thống nam châm điện, khối rơi nghiêng theo góc va chạm, điều chỉnh khối rơi cho va chạm vị trí thử - Có hai hệ thống sử dụng phổ biến để biểu diễn chế trượt gồm: trượt theo ray dẫn hướng, cáp treo 140 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Sơ đồ nguyên lý thử độ bền va đập hấp thụ xung động -Cơ cấu máy thử va đập thiết kế cáp treo dẫn hướng, kéo thả hệ thống nam châm điện khí, khối rơi nghiêng theo góc va chạm, điều chỉnh khối rơi cho va chạm vị trí thử 4.2.2 Cơ chế trượt - Cấu tạo: gồm hai trượt tròn có bọc ø 16mm, hai vòng bi lăn ø 10 mm, thép kích thước 44 × 150 ×5 mm gia công thêm ống sắt ø 25 mm nghiêng góc 250 hình - Chức năng: chi tiết gắn tay giữ đầu thử trượt ray theo phương thẳng đứng Hình Hình vẽ trượt 4.2.3 Các chi tiết mô hình thiết kế cần cho mô Cấu tạo hệ thống trượt: gồm ray trượt tròn vòng bi đỡ tròn khuyết trượt ray 4.2.4 Tay giữ đầu thử Cấu tạo: ống thép C45 gồm miếng đặt song song bên Chức năng: gắn mũi đâm xuyên, gắn bi cân Hình Tay cầm 141 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 4.2.5 Dạng đầu thử Theo Quy Chuẩn [1] dạng đầu thử làm hợp kim magie (hợp kim chứa 0.5% zircon lại magie) hay vật liệu khác cho tần số riêng dạng đầu thử không kHz - Cấu tạo: Dạng đầu thử kim loại gỗ cứng có gắn kim loại, mô tả hình Phần chỏm cầu dạng đầu thử có bán kính cầu 82,5 mm± 0,5 mm, chiều cao nhỏ 133 mm Phía đỉnh dạng đầu thử có gắn lõi chì Dạng đầu thử gắn chặt lên giá đỡ cứng vững - Chức năng: Đầu đâm xuyên lõi chì liên kết hệ thống tín hiệu điện cho có tiếp xúc chúng nhận tín hiệu báo (đèn báo chuông báo,…) Hình Dạng đầu thử đâm xuyên theo [1] 4.3 Quy trình mô Bước 1: Đưa mô hình từ SolidWork vào ADAMS Bước 2: Thực gán vật liệu cho chi tiết Mô hình máy thử có nhiều chi tiết với nhiều loại vật liệu khác phần đế làm từ thép, hợp kim nhôm, hợp kim magie lấy từ chương trình ADAMS Bảng Thông số vật liệu chi tiết máy va đập Thép Thông E = 207 GPa số vật Poisson = 0.29 liệu Density = 7801 kg/m3 Hợp kim nhôm E = 71.7 GPa Hợp kim magiê E = 44.8 GPa ABS EPS Poisson = 0.33 Poisson = 0.35 E = 1.7 GpaPoisson = 0.35 E = 2480 kPa Density = 2740 Density = 1795 kg/m3 kg/m3 Density = 15 Density = 1030 kg/m3 kg/m3 Poisson = 0.0864 Bước 3: Liên kết chi tiết Bước 4: Thiết lập gia tốc va chạm Bước 5: Thực hiên mô KẾT QUẢ Trong ADAMS thực mô với môi trường lí tưởng, chuyển động liên kết không chịu ma sát hay lực cản không khí Khi đó, giá trị vận tốc gia tốc đo cao cao so với thực nghiệm Nếu kết thỏa mãn tiêu chuẩn kết trường hợp có ma sát thỏa mãn Vì vậy, mô này, hướng tới kết ma sát 142 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV a Quy chuẩn QCVN 2:2008/BKHCN Gia tốc dội lại tức thời đối Gia tốc dư sau ms với mũ có chu vi vòng đầu mũ có chu vi vòng đầu Gia tốc dư sau ms mũ có chu vi vòng đầu ... theo nghiên cứu gần Tổ chức y tế giới [5] Do đó, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị thử nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam, kiểm tra tiêu quan trọng quy định quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam mũ bảo. .. nghiên cứu triển khai khắp giới Theo QCVN2:2008/BKHCN việc thử nghiệm mũ bảo hiểm bao gồm bước sau: - Thử độ bền va đập hấp thụ xung động mũ bảo hiểm - Thử độ bền đâm xuyên mũ bảo hiểm - Thử kiểm... đeo mũ bảo hiểm - Thử kiểm tra góc nhìn mũ bảo hiểm - Thử độ ổn định mũ bảo hiểm Trong đó, hai công đoạn thử độ bền thử va đập-hấp thụ xung động thử độ bền đâm xuyên quan trọng Theo[ 2]: thiết