Nghiên cứu độ bền khung sát xi xe chữa cháy rừng đa năng tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP LƯƠNG VĂN VẠN NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN KHUNG SÁT XI XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, 2020 Luận án hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP Người Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Quang TS Trần Văn Tưởng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại: Trường Đại học Lâm Nghiệp Vào hồi ……giờ ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc gia Thư viện trường Đại học Lâm nghiệp MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Năm 2013, Trường Đại học Lâm nghiệp chủ trì thực đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: "Nghiên cứu công nghệ thiết kế chế tạo thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng", mã số KC07.13/06-10 Kết đề tài thiết kế chế tạo xe chữa cháy rừng (CCR) đa năng, xe đáp ứng nhu cầu chữa cháy rừng phạm vi thử nghiệm mẫu Tuy nhiên, xe hoạt động chữa cháy khu rừng khơng có đường, tác động mấp mô mặt đất rừng, vật cản đường đi, tác động hệ thống chữa cháy xe làm khung sát xi bị biến dạng lớn, ảnh hưởng đến độ bền khung xe dẫn đến ảnh hưởng đến ổn định làm việc xe thiết bị xe Để có cở sở khoa học cho việc hoàn thiện xe CCR đa cần thiết phải tiến hành nghiên cứu đảm bảo độ bền khung sát xi (khung xe) có nghiên cứu chế độ tải trọng tác dụng lên khung xe, nghiên cứu ứng suất biến dạng, từ đưa giải pháp kỹ thuật hồn thiện thiết kế xe Đó lý NCS chọn thực đề tài: “Nghiên cứu độ bền khung sát xi xe chữa cháy rừng đa năng” Mục tiêu của luận án Nghiên cứu đánh giá độ bền khung sát xi làm sở khoa học cho việc hoàn thiện kết cấu khung sát xi xe CCR đa Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án khung sát xi xe CCR đa sản xuất, lắp ráp Việt Nam sở xe Ural 4320 Phạm vi nghiên cứu Đánh giá độ bền tĩnh bền mỏi khung sát xi xe tác dụng tải trọng thẳng đứng xe chuyển động đường qua mấp mô đơn định dạng chuyển động đường với mấp mô ngẫu nhiên Những kết của luận án - Đã xây dựng mơ hình tính tốn tải trọng tĩnh, tải trọng động tác động lên khung sát xi trình hoạt động chữa cháy - Đã thiết lập hệ phương trình vi phân, khảo sát xác định tải trọng động tác động lên khung sát xi xe chữa cháy rừng đa - Đã đánh giá độ bền tĩnh độ bền mỏi khung sát xi xe chữa cháy rừng đa xe chịu tải trọng cực đại, chuyển động qua mấp mô định dạng xe chuyển động đường ngẫu nhiên - Đã thí nghiệm (TN) xác định tải trọng trọng động lên khung sát xi chuyển vị khung vị trí khảo sát xe chuyển động đường thực Kết so sánh TN mơ phỏng có giá trị sai số chấp nhận Ý nghĩa khoa học thực tiễn của luận án 6.1 Ý nghĩa về khoa học Luận án đánh giá độ bền khung sát xi xe chữa cháy rừng đa Kết nghiên cứu luận án làm sở khoa học cho việc hoàn thiện kết cấu khung sát xi xe chữa cháy rừng đa 6.2 Ý nghĩa về thực tiễn Luận án xây dựng phương pháp xác định tải trọng động tác động lên khung sát xi mơ hình, xây dựng phương pháp đánh giá độ bền khung sát xi, làm sở khoa học để xây dựng mô hình đánh giá độ bền sản phẩm thiết kế, chế tạo nước, góp phần hồn thiện qui trình thiết kế chi tiết, cụm chi tiết ô tô Luận án sử dụng làm tài liệu tham khảo cho nhà sản xuất ô tơ tải Việt Nam q trình nghiên cứu phát triển thiết kế đánh giá độ bền chi tiết ô tô tải loại Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu về xe chữa cháy rừng đa Xe chữa cháy rừng đa Việt Nam chế tạo loại thiết bị tích hợp nhiều cơng chữa cháy rừng gồm: Cắt cây, làm cỏ rác, mở đường tạo hành lang cách ly đám cháy; phun nước chữa cháy có vùng phun rộng; tạo sức gió có áp suất cao phun vào đám cháy; sử dụng đất cát chỗ dập tắt đám cháy 1.2 Tổng quan về khung sát xi xe CCR Khung sát xi xe CCR đa phần tử chịu lực xe, lắp đặt: động cơ, cụm hệ thống truyền lực, phần vận hành, cấu điều khiển, cabin, tải trọng Khi chế tạo thành xe chữa cháy rừng đa từ xe sở, khung xe chịu thêm tải trọng từ tập hợp thiết bị CCR máy bơm nước áp lực cao, máy cắt tạo hành lang cách ly đám cháy, máy hút chân khơng thổi gió vận tốc cao, máy cuốc đất phun cát dập tắt đám cháy, … Khung xe chữa cháy rừng đa có chiều dài tổng cộng 7370mm, rộng 832mm (tính từ hai mép ngồi khung), gồm ngang Kết cấu (dầm dọc) số bên gồm hai có chiều dày 8mm lồng vào nhau, ngồi có chiều dài 7370mm, có chiều dài 5760mm tính từ phía sau khung xe 1.3 Các phương pháp nghiên cứu độ bền khung sát xi 1.3.1 Nghiên cứu độ bền theo tải trọng cực đại Đây phương pháp đánh giá truyền thống, độ bền khung sát xi đánh giá dựa vào giá trị lớn lực thẳng đứng theo phương Z tính thơng qua hệ số tải trọng động xe đầy tải 1.3.2 Nghiên cứu độ bền điều kiện tải trọng động Phương pháp tính bền tĩnh nêu chỉ phù hợp với xe chuyển động vận tốc thấp khối lượng không lớn Khi xe chuyển động với vận tốc lớn qn tính phận có khối lượng lớn sinh tải trọng động, ảnh hưởng đến độ bền phá hủy độ bền lâu khung sát xi 1.3.3 Nghiên cứu độ bền mỏi khung sát xi 1.3.3.1 Tải trọng từ mấp mơ mặt đường Kích thích từ mặt đường gây nên tải trọng động biến thiên liên tục theo thời gian tác dụng lên khung sát xi Hiện phương pháp mô tả mấp mô mặt đường hàm ngẫu nhiên chuẩn hoá theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 1.3.3.2 Nghiên cứu độ bền mỏi khung sát xi Để đánh giá độ bền lâu chi tiết chịu tải trọng lặp có chu kỳ, người ta thường sử dụng đường cong mỏi đo thực nghiệm (còn gọi đường cong S – N) Các kết nghiên cứu thực nghiệm khác cho thấy số chu kỳ tải tác động tương ứng giới hạn mỏi thép gang có giá trị khoảng từ 106 ÷ 108 Do đó, chấp nhận giả thiết chi tiết không bị hỏng mỏi sau chịu 106 chu kỳ 1.4 Tình hình nghiên cứu sát xi thế giới Việt Nam 1.4.1 Tình hình nghiên cứu thế giới về thiết kế, chế tạo sát xi Các cơng trình nghiên cứu khung sát xi ô tô thường tập trung hãng sản xuất, nhà máy, xí nghiệp chế tạo Do việc cơng bố kết cơng trình nghiên cứu thường bị hạn chế liên quan đến bí cơng nghệ, quyền tính cạnh tranh Các cơng trình nghiên cứu giới khung sát xi chủ yếu dạng công bố kết nghiên cứu lý thuyết loại khung sát xi xe tải, xe khách, … Tác giả nhận thấy chưa có cơng trình nghiên cứu đề cập đến độ bền khung sát xi xe chữa cháy rừng đa Việt Nam chế tạo 1.4.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam về thiết kế, chế tạo sát xi Các nghiên cứu chỉ mức sơ khai chủ yếu trình bày giáo trình cấu tạo thiết kế giảng dạy trường đại học kỹ thuật mức hạn chế 1.5 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án khung sát xi xe chữa cháy rừng đa sản xuất, lắp ráp Việt Nam sở xe Ural 4320 1.6 Nội dung của luận án Với phân tích trình bày trên, nghiên cứu sinh lựa chọn thực đề tài “Nghiên cứu độ bền khung sát xi xe chữa cháy rừng đa năng” nhằm hoàn thiện kết cấu xe CCR đa 1.6.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đánh giá độ bền khung sát xi làm sở khoa học cho việc hoàn thiện kết cấu khung sát xi xe chữa cháy rừng đa 1.6.2 Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm gồm nội dung: - Xây dựng mơ hình động lực học xe CCR đa để xác định tải trọng động tác dụng lên khung xe chuyển động điều kiện đặc trưng; - Xây dựng mơ hình 3-D khung sát xi xe CCR đa khảo sát đánh giá độ bền phần mềm chuyên dụng Đề xuất kết cấu khung sát xi xe chữa cháy rừng đa đảm bảo điều kiện bền hoạt động chữa cháy; - TN kiểm chứng mơ hình động lực học tơ mơ hình phần tử hữu hạn thông qua việc xác định tải trọng động lên khung sát xi chuyển vị điểm khung xe chuyển động qua mấp mô định dạng 1.6.3 Phạm vi nghiên cứu Đánh giá độ bền tĩnh bền mỏi khung sát xi tác dụng tải trọng thẳng đứng xe chuyển động đường qua mấp mô đơn định dạng chuyển động đường với mấp mô ngẫu nhiên 1.6.4 Nội dung nghiên cứu Từ mục tiêu nghiên cứu đề ra, luận án gồm nội dung nghiên cứu: - Tổng quan; - Xây dựng mơ hình nghiên cứu độ bền khung sát xi xe CCR đa năng; - Khảo sát đánh giá độ bền khung sát xi; - Thí nghiệm xác định tải trọng động tác động lên khung chuyển vị khung sát xi; - Kết luận Kết luận chương Ngày nay, với phát triển mạnh cơng nghệ phần mềm, cơng cụ tính toán chủ yếu nhà khoa học sử dụng phần mềm phân tích kết cấu Việc ứng dụng phần mềm phân tích kết cấu cho ta kết đáng tin cậy tốn thời gian lẫn chi phí, có nhiều cơng trình tập trung nghiên cứu độ bền tĩnh bền mỏi khung sát xi tác dụng tải trọng động từ mấp mô mặt đường Từ yếu tố phân tích trên, đề tài nghiên cứu độ bền khung sát xi xe chữa cháy rừng đa cần thiết phục vụ hoàn thiện thiết kế kết cấu xe chữa cháy rừng đa CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN KHUNG SÁT XI XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG 2.1 Các phương pháp đánh giá độ bền khung sát xi 2.1.1 Ứng suất tương đương (Von Mises) Ứng suất tương đương (Von Mises) xác định dựa lý thuyết lượng biến dạng Hiện phần mềm chuyên dụng cho phép xuất kết ứng suất dạng Von Mises Do đó, để đánh giá độ bền khung sát xi xe CCR đa năng, luận án sử dụng ứng suất tương đương 2.1.2 Đánh giá theo độ bền mỏi khung sát xi 2.1.2.1 Tải trọng biến thiên và giới hạn mỏi Theo [48,63], giới hạn bền mỏi tính theo ứng suất giới hạn vật liệu Su: Se'  0,5Su , với Su ≤ 1400 MPa; Se'  700 , với Su > 1400 MPa Đối với vật liệu gang, S e' có giá trị: Se'  0, 4Su [45,63] 2.1.2.2 Phương pháp đánh giá bền mỏi Tuổi thọ chi tiết phụ thuộc chủ yếu vào thông số tải trọng tác động, a m Vì vậy, để đánh giá độ bền mỏi chi tiết, người ta thường sử dụng mối quan hệ hai thông số để đánh giá độ bền mỏi thông qua đường đồng tuổi thọ giới hạn bền mỏi Mối quan hệ a m tạo thành tiêu chuẩn đánh giá độ bền mỏi Luận án sử dụng phần mềm Ansys để tính tốn, ứng suất gây mỏi e xác định theo tiêu chuẩn Goodman: a m    e Su n 2.2 Xây dựng mô hình xe chữa cháy rừng đa 2.2.1 Xây dựng mơ hình 3-D xe chữa cháy rừng đa Việc xác định khối lượng, mơ men q tính cụm chi tiết xe chữa cháy rừng phương pháp thực nghiệm khó khăn tốn Do đó, xây dựng mơ hình 3-D để xác định khối lượng, mơ men qn tính chi tiết, làm thơng số đầu vào cho tốn dao động xe 2.2.2 Xây dựng mơ hình tính toán độ bền khung sát xi xe CCR đa 2.2.2.1 Mơ hình 3-D khung sát xi Do khung sát xi có kết cấu tương đối phức tạp, đồng thời mơ hình 3-D cần thiết phải xây dựng xác Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng Hình 2.6: Mơ hình 3-D khung sát xi xe chữa phần mềm Solidworks để xây cháy rừng đa dựng mô hình 3-D 2.2.2.2 Nhập mơ hình vào Ansys Sau thiết kế mơ hình 3-D Solidworks, ta tiến hành nhập mơ hình khung sát xi vào mơi trường Ansys Workbench 2.2.2.3 Gán vật liệu Trong Ansys Workbench cung cấp kho vật liệu lớn kiểm chứng với thực tế 2.2.2.4 Chia lưới mơ hình Trong nghiên cứu này, phương pháp chia lưới chọn kiểu tự động kết hợp với điều chỉnh lưới tay Mơ hình bao gồm 174223 phần tử 376982 nút Hình 2.10: Mơ hình phần tử hữu hạn khung xe CCR đa 2.2.2.5 Điều kiện biên Các mấu nhíp có vai trò hạn chế chuyển vị khung theo phương tịnh tiến mặt phẳng xyz phương quay Do ta chọn ngàm vị trí mấu bắt nhíp Các lực tác dụng lên khung xe, ta quy vị trí riêng theo khối lực tác dụng Để đơn giản ta đưa khối lực tác dụng sau: - Khối động cơ: Có giá trị trọng lượng 12258N (hình 2.12) - Khối cụm cabin: Có trọng lượng 8340N phân bố lên khung xe theo điểm mơ tả hình 2.13 Hình 2.12: Phân bổ trọng lượng cụm động tác dụng lên khung Hình 2.13: Phân bổ trọng lượng cụm cabin tác dụng lên khung - Khối thùng hàng: Bao gồm toàn khối lượng thùng hàng, có giá trị tải trọng 118500N - Ngoài trọng lượng khối trên, xe CCR đa còn có trọng lượng cụm cắt phía trước có giá trị 9810N, cụm cắt cỏ cuốc đất phía sau có giá trị 7848 N 2.2.2.6 Xuất kết quả Sau tiến hành tính toán xong phần mềm ta thu ứng suất tương đương, biến dạng, chuyển vị dạng phổ màu Ngồi kết phân tích tốn tĩnh, ta còn đưa tốn bền mỏi kết theo thời gian 2.3 Xây dựng mơ hình xác định tải trọng động tác dụng lên khung sát xi 2.3.1 Phương pháp xây dựng mô hình Để xây dựng mơ hình động lực học xe chữa cháy rừng đa theo phương pháp này, gồm bước sau: - Đặt giả thiết ban đầu; - Định nghĩa hệ quy chiếu; - Thiết lập hệ phương trình vi phân; - Giải hệ phương trình vi phân phần mềm (phương pháp số) Sau giải hệ phương trình vi phân, ta xác định gia tốc cầu xe theo phương thẳng đứng Lấy gia tốc nhân với khối lượng cầu xe 11 2.4 Tính tốn xác định tải trọng động Các tải trọng động từ mặt đường tác dụng khung sát xi thông qua lốp xe vỏ cầu xác định từ mơ hình động lực học tơ Khảo sát tải trọng động bao gồm trường hợp: - Xe chuyển động thẳng đường qua mấp mơ có định dạng; - Xe chuyển động thẳng đường qua mấp mô theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 2.4.1 Xe chuyển động thẳng đường gặp phải mấp mô có định dạng Gọi Fz11, Fz12, Fz21, Fz22, Fz31, Fz32 phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu trước trái, trước phải, cầu trái, cầu phải, cầu sau trái, cầu sau phải theo phương thẳng đứng Các trường hợp khảo sát với mấp mô định dạng bao gồm: Mấp mô đơn bánh trước; mấp mô đơn đặt bên bánh xe trước, sau; Mấp mô đơn đặt lệch bên bánh xe Các kết khảo sát thành phần đặt lên khung sát xi Các kết làm đầu vào cho toán khảo sát độ bền khung sát xi (chương 3) so sánh với mô hình thí nghiệm kiểm chứng (chương 4) Hình 2.31a: Tải trọng động Fz1 bánh trước trái, sau phải gặp mấp mô (v = 20 km/h, chiều cao mấp mô 0,4m) Hình 2.31b: Tải trọng động Fz3 bánh trước trái, sau phải gặp phải mấp mô (v = 20 km/h, chiều cao mấp mô 0,4m) 2.4.2 Xe chuyển động thẳng đường mấp mô theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 12 Hình 2.34a: Mấp mơ mặt đường D-E (v = 20 km/h) Hình 2.34b: Mấp mơ mặt đường E-F (v = 20 km/h) Hình 2.35a: Tải trọng động cầu trước FZ1 (v = 20 km/h, đường D-E) Hình 2.35b: Tải trọng cầu sau FZ3 (v = 20 km/h, đường D-E) Hình 2.36a: Tải trọng động cầu trước FZ1 (v = 20 km/h, đường E-F) Hình 2.36b: Tải trọng động cầu sau FZ3 (v = 20 km/h, đường E-F) Khi xe chạy với vận tốc v = 20 km/h đường E-F (đường xấu), giá trị cực đại lực thẳng đứng cầu trước lớn Fz1max đạt 42762,9 N, giá trị lực thẳng đứng cực đại mức 1,412 lần so với trường hợp tải tĩnh (xe đứng yên) Đối với cầu sau, giá trị cực đại lực thẳng đứng cầu lớn Fz3max đạt 40852,1 N Giá trị lực thẳng đứng cực đại gấp 1,60 lần so với trường hợp tải tĩnh (xe đứng yên) 13 Kết luận chương Chương xây dựng mơ hình 3-D khung sát xi phần mềm Solidworks xây dựng mơ hình nghiên cứu độ bền khung sát xi phương pháp phần tử hữu hạn dựa phần mềm chuyên dụng Ansys Đã xây dựng mơ hình xác định tải trọng động lên khung sát xi dựa mơ hình phân tích động lực học xe chuyển động đường Đã thiết lập hệ phương trình vi phân, từ xác định tải trọng thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên khung sát xi xe chuyển động đường bánh xe bị mấp mô định dạng chuyển động loại đường xấu (đường D-E) xấu (đường E-F) theo tiêu chuẩn ISO 8608 :1995 tương ứng với tốc độ khác CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘ BỀN KHUNG SÁT XI XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG 3.1 Các chế độ tính bền theo tải trọng Trong nghiên cứu khảo sát này, tải trọng tác dụng lên khung sát xi gồm trường hợp: - Trường hợp 1: Khung sát xi chịu tải trọng cực đại trạng thái tĩnh; - Trường hợp 2: Xe chuyển động đường chịu phản lực thẳng đứng cực đại từ mặt đường tác dụng lên khung sát xi bánh xe trước, hai bánh trước, bánh sau hai bánh chéo gặp phải mấp mô mặt đường; - Trường hợp 3: Xe chuyển động đường mấp mô ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 (đường D-E đường E-F) chịu phản lực thẳng đứng tác dụng lên khung sát xi 3.2 Phân tích dao động riêng của khung Phân tích dao động riêng khung phương thức phân tích tuyến tính nhằm xác định tần số dao động riêng khung [11,41] Mục đích xác định tần số dao động riêng khung nhằm tránh tượng cộng hưởng xảy xe hoạt động 14 Trong phân tích dao động riêng khung, ma trận khối lượng [M] ma trận độ cứng [C] khơng đổi giá trị lực tác dụng lên khung Phương trình tuyến tính toán dao động tự nhiên để xác định tần số rung động sau [11, 58]:  M u  C u  Kết phân tích dao động tần số dao động riêng khung phần mềm Ansys khung sát xi thể bảng 3.1 Bảng 3.1: Dạng tần số dao động riêng khung sát xi xe CCR đa Mode Tần số Chuyển vị Mode Tần số Chuyển vị (Hz) (mm) (Hz) (mm) 17,812 3,4996 11 100,58 4,6058 31,436 2,4011 12 103,55 8,8978 54,127 4,1007 13 111,42 13,564 63,506 2,347 14 114,53 2,8216 64,404 4,5987 15 115,75 14,297 76,248 5,0434 16 124,61 6,1435 77,961 4,4542 17 129,88 6,6524 82,337 0,3608 18 133,73 6,9162 98,081 3,1975 19 138,64 15,304 10 100,21 3,2097 20 140,1 14,795 3.3 Đánh giá độ bền phá hủy của khung sát xi xe CCR đa 3.3.1 Các trường hợp chịu tải trọng lớn nhất 3.3.1.1 Trường hợp khung sát xi chịu tải trọng tĩnh lớn Bảng 3.2: Chuyển vị, ứng suất lớn khung sát xi chịu tải trọng tĩnh cực đại Giá trị Hình 3.8: Ứng suất Von Mises khung sát xi vị trí có giá trị lớn Chủn vị (mm) Ứng suất (MPa) 3,2138 191,41 lớn Kết phân tích cho thấy ứng suất lớn đạt giá trị 191,41 MPa, thấp giá trị giới hạn chảy phá hủy vật liệu 785 MPa 980 MPa nên khung sát xi đảm bảo điều kiện bền phá hủy trường hợp 3.3.1.2 Trường hợp bánh trước phải gặp phải mấp mơ 15 Hình 3.18: Chuyển vị max khung sát xi bánh trước phải gặp phải mấp mô, chiều cao mấp mô mặt đường thay đổi Hình 3.19: Ứng suất Von Mises max khung sát xi bánh trước phải mấp mô, chiều cao mấp mô mặt đường thay đổi Kết phân tích bánh trước phải gặp phải mấp mô mặt đường (chiều cao mặt đường thay đổi) cho thấy ứng suất lớn lớn giá trị giới hạn chảy vật liệu 785 MPa nên khung sát xi không đảm bảo điều kiện bền phá hủy trường hợp Do cần lồng thêm sát xi giống phía sau, đồng thời tăng chiều dày phía phía ngồi 10mm để đảm bảo độ bền Kết khảo sát độ bền khung sát xi cải tiến có kích cỡ 10+10 cho thấy giá trị ứng suất tương đương lớn bánh trước phải gặp phải mấp mơ có giá trị 470,69 MPa, nhỏ giá trị giới hạn chảy vật liệu 785 MPa 3.3.1.3 Trường hợp hai bánh trước gặp phải mấp mô Bảng 3.4: Chuyển vị ứng suất tương đương lớn khung sát xi hai bánh trước gặp phải mấp mơ Hình 3.26: Ứng suất tương đương khung sát xi hai bánh trước gặp phải mấp mô, chiều cao mấp mô 0,4m Chiều cao mấp mô Chuyển vị (mm) 0,1m 0,2m 0,3m 0,4m 118 232,79 321,92 422,77 Ứng suất (MPa) 879,67 1850,2 2628,7 3481,4 Kết phân tích cho thấy ứng suất lớn lớn giá trị giới hạn chảy vật liệu 785 MPa Khi chiều cao mấp mô mặt đường 0,1m 16 ứng suất tương đương có giá trị 879,67 MPa gần giới hạn phá hủy 980 MPa nên khung sát xi không đảm bảo điều kiện bền phá hủy trường hợp Do đó, để giảm ứng suất trường hợp cần phải tăng chiều dày Khi tăng chiều dày lên 10mm, kết khảo sát cho thấy giá trị ứng suất tương đương lớn xuất khung nhỏ nhỏ giới hạn chảy phá hủy vật liệu 3.3.1.4 Trường hợp bánh sau phải gặp phải mấp mơ Hình 3.38: Chuyển vị max khung sát xi bánh sau phải gặp phải mấp mô, chiều cao mấp mô mặt đường thay đổi Hình 3.39: Ứng suất tương đương max khung sát xi bánh sau phải gặp phải mấp mô, chiều cao mấp mô mặt đường thay đổi 3.3.1.5 Trường hợp mấp mô hai bánh chéo (trước trái sau phải) Bảng 3.6: Chuyển vị ứng suất tương đương lớn khung sát xi hai bánh chéo gặp phải mấp mơ Hình 3.46: Ứng suất tương đương khung sát xi hai bánh chéo gặp phải mấp mô, chiều cao mấp mô 0,4m 0,1m 0,2m 0,3m 0,4m mô Chiều cao mấp Chuyển vị (mm) 134,96 175,61 255,51 335,41 Ứng suất (MPa) 612,04 1927 2817 3707 Bảng 3.7: So sánh giá trị điểm tập trung ứng suất tương đương chuyển vị lớn lên khung sát xi nguyên Trường hợp khảo sát Ứng suất tương đương max (MPa) Chiều cao mấp mô mặt đường (m) 0,1 0,2 0,3 0,4 Mấp mô bánh trước phải 928,93 1190,5 1735,9 2280,9 Mấp mô hai bánh trước 879,67 1850,2 2628,7 3481,4 Mấp mô bánh sau phải 304,65 830,62 1533,6 2236,5 Mấp mô hai bánh chéo 612,04 1927 2817 3707 17 3.3.2 Đánh giá độ bền khung sát xi tác động của tải trọng động Các điều kiện ràng buộc tải trọng ngàm tác dụng giống toán tĩnh trường hợp khung sát xi chịu tải trọng cực đại Hình 3.60: Ứng suất tương đương động phân bổ khung sát xi (đường E-F) Kết phân tích tốn tải trọng động khung sát xi xe chữa cháy rừng đa cho thấy ứng suất phân bố tương đối toàn bề mặt chi tiết Khi chuyển động đường xấu (E-F) ứng suất sinh khung sát xi có giá trị lớn xe chuyển động đường xấu (D-E) Giá trị lớn ghi nhận 357,26 MPa nhỏ ứng suất giới hạn cho phép, trường hợp đảm bảo điều kiện bền phá hủy khung sát xi 3.4 Đánh giá độ bền mỏi của khung sát xi xe chữa cháy rừng đa Trong nội dung khảo sát này, đánh giá độ bền mỏi khung sát xi trường hợp khung sát xi chịu tải trọng động với chế độ hoạt động thường xuyên xe di chuyển đường xấu Hình 3.63: Số chu kỳ mỏi khung sát xi chuyển động đường E-F Tải trọng động tác dụng lên khung sát xi xe di chuyển đường DE E-F theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 với vận tốc di chuyển 20 km/h xác định từ mơ hình động lực học Trên đường E-F, số chu kỳ mỏi nhỏ có giá trị 6349,9 chu kỳ Ta thấy số chu kỳ mỏi khung sát xi hai loại đường nhỏ 106, khung sát xi không bảo bảo điều kiện bền mỏi làm việc Đối với khung sát xi sau cải tiến cách tăng tiết diện có kích thước 10+10mm, đồng thời tăng tiết diện ngang số 20 (hình 1.10) dày 12mm đảm bảo điều kiện bền phá hủy trường hợp khảo 18 sát Sau cải tiến cho thấy xe chuyển động đường E-F số chu kỳ mỏi nhỏ có giá trị 106, khung sát xi đảm bảo điều kiện bền mỏi Sau cải tiến khối lượng khung sát xi nặng 1361kg, tăng thêm 346,6 kg so với khối lượng ban đầu (1014,4kg) Kết luận chương Đã khảo sát ứng suất, chuyển vị khung sát xi trường hợp chịu tải trọng tĩnh cực đại Các kết khảo sát cho thấy ứng suất lớn xuất khung sát xi đạt giá trị 190,73MPa thấp giá trị giới hạn chảy giới hạn phá hủy vật liệu 785MPa 980 MPa nên khung sát xi đảm bảo điều kiện bền phá hủy trường hợp Đã khảo sát ứng suất, chuyển vị khung sát xi trường hợp bánh xe chịu lực kích động từ mấp mơ mặt đường Đã đánh giá độ bền phá hủy độ bền mỏi khung sát xi chịu tải trọng từ mấp mô mặt đường D-E E-F theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 với vận tốc 20 km/h Đã khảo sát độ bền phá hủy độ bền mỏi khung sát xi cải tiến cho thấy tăng tiết diện phía phía ngồi dày 10mm, đồng thời ngang số 20 (hình 1.10) có chiều dày 12mm khung sát xi thỏa mãn điều kiện làm việc Các chi tiết khác khung sát xi với kích cỡ vị trí khơng thay đổi CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích, đối tượng thí nghiệm 4.1.1 Mục đích thí nghiệm Mục đích thí nghiệm gồm xác định phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe xe di chuyển qua mấp mô định dạng, xác định biến dạng uốn vị trí khung sát xi Kết thí nghiệm so sánh với kết tính tốn lý thuyết để kiểm chứng mơ hình mơ phỏng luận án 19 4.1.2 Đối tượng thí nghiệm Đối tượng thí nghiệm xe chữa cháy rừng đa sản xuất lắp ráp Việt Nam Trên xe có lắp thiết bị chữa cháy đầy tải 4.2 Các thông số đo Các thông số cần đo thí nghiệm bao gồm: - Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe theo phương thẳng đứng Fz (kN); - Chuyển vị điểm khung sát xi theo phương Z (mm) 4.3 Lựa chọn phương pháp thiết bị đo Thí nghiệm xác định phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe chuyển vị điểm khung sử dụng phương pháp đo đại lượng không điện điện với việc ứng dụng chuyển đổi tenzo với tải trọng uốn dầm bất kỳ Hệ thống đo bao gồm cảm biến phận tiếp nhận, khuếch đại, chuyển đổi, xử lý, hiển thị lưu trữ kết đo 4.4 Các phương pháp thiết bị thí nghiệm 4.4.1 Thí nghiệm xác định phản lực pháp tuyến Để đo phản lực pháp tuyến theo phương thẳng đứng, NCS sử dụng cầu điện trở Bốn điện trở tenzo dán song song bố trí đối xứng mặt mặt cầu vị trí 12 (mặt 02 lá, mặt 02 lá) Hình 4.4: Tenzo dán vỏ cầu TN 4.4.2 Thí nghiệm xác định chuyển vị điểm khung sát xi Thí nghiệm xác định chuyển vị điểm khung sát xi, nghiên cứu sinh sử dụng cầu điện trở, gồm điện trở tenzo dán đối xứng phía phía khung sát xi (mặt 02 điện trở, mặt 02 điện trở) Hình 4.6: Vị trí dán tenzo lên khung sát xi 20 Vị trí dán điện trở khung sát xi phía bên phải, điện trở dán lên khung vị trí cabin thùng hàng, cách đầu phía trước thùng hàng 60mm 4.4.3 Các thiết bị, cảm biến phần mềm dùng thí nghiệm 4.4.3.1 Thiết bị thí nghiệm Để thu thập, khuếch đại chuyển đổi thông tin đo lường sang tín hiệu số, nghiên cứu sinh dùng thiết bị Spider8 hãng HBM Cộng hòa Liên Bang Đức (CHLB) chế tạo 4.4.3.2 Các cảm biến Để xác định mối liên hệ điện áp sinh thay đổi điện trở điện trở với tải trọng tác động lên cầu xe Nghiên cứu sinh sử dụng cảm biến lực Z4 trình hiểu chuẩn giá trị đo Để đo dịch chuyển sát xi hiệu chuẩn ta dùng cảm biến dịch chuyển WSF CHLB Đức 4.5 Hiệu chuẩn giá trị đo 4.5.1 Hiệu chuẩn giá trị đo giá trị phản lực pháp tuyến Hiệu chuẩn giá trị đo phản lực pháp tuyến nhằm xác định mối quan hệ điện áp đo cầu điện trở lực tác dụng lên vỏ cầu, từ xác định giá trị phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng tác dụng lên bánh xe theo đơn vị đo N Hình 4.11: Hiệu chuẩn giá trị đo phản lực pháp tuyến Bảng 4.3: Kết lấy chuẩn thiết bị đo lực thẳng đứng Lực ép [kN] Điện áp [mV] 10 15 20 25 30 35 40 4,7 9,5 13,8 18,3 22,6 27,1 31,2 35,5 4.5.2 Hiệu chuẩn giá trị đo chuyển vị khung 45 50 39,8 44,2 21 Cũng giống hiệu chuẩn giá trị đo phản lực pháp tuyến, hiệu chuẩn giá trị đo chuyển vị khung nhằm xác định mối quan hệ điện áp đo cầu điện trở dán lên khung chuyển vị khung vị trí dán Tenzo Bảng 4.4: Kết lấy chuẩn chuyển vị khung sát xi Điện áp [mV] 2,75 5,06 7,53 10,12 12,72 15,02 17,03 19,54 Chuyển vị (mm) 1,13 5,36 10,64 15,79 21,11 25,68 30,232 36,23 4.6 Tiến hành thí nghiệm đường Thí nghiệm tiến hành đường nhựa bên bánh xe qua mấp mô mặt đường tiến hành đường lâm nghiệp núi Luốt thuộc trường Đại học Lâm Nghiệp Các phương án thí nghiệm gồm: - Thí nghiệm 1: Xe di chuyển đường bằng, mấp mô bánh xe trước phải, thực tốc độ 10, 15 20 km/h; - Thí nghiệm 2: Xe di chuyển đường bằng, mấp mô bánh xe sau phải, thực tốc độ 10, 15 20 km/h 4.7 Kết thí nghiệm 4.7.1 Kết đo phản lực pháp tuyến Kết TN so sánh với kết mô phỏng cùng điều kiện (khi xe chạy đường bánh sau phải bị mấp mô định dạng, tốc độ 10, 15, 20 km/h) để đánh giá tính Hình 4.21: So sánh kết mơ TN bánh xe phải va vào mấp mơ, vận tốc 20 km/h xác mơ hình Bảng 4.5: So sánh kết lực thẳng đứng mơ thí nghiệm Fz32max (kN) Fz32min (kN) V = 10 km/h Mơ Thí Sai phỏng nghiệm số (%) V = 15 km/h Mơ Thí Sai phỏng nghiệm số (%) V = 20 km/h Mơ Thí Sai phỏng nghiệm số (%) 44,86 45,89 2,23 67,15 62,44 7,02 76,36 74,94 1,87 4,99 6,01 16,8 -15,4 -14,41 6,49 -28,8 -25,41 11,84 22 So sánh mô phỏng thực nghiệm, kết thấy quy luật biến thiên lực thẳng đứng theo tính tốn lý thuyết đo thực nghiệm giống Tiến hành so sánh sai lệch giá trị lớn lý thuyết thực nghiệm thực cách lấy giá trị lớn, trừ giá trị nhỏ chia cho giá trị lớn Sai lệch lớn kết tính tốn mơ phỏng kết thí nghiệm 16,8% 4.7.2 Kết đo chuyển vị khung sát xi b Thực nghiệm a Mơ phỏng Hình 4.26: Chuyển vị khung sát xi bánh trước gặp phải mấp mô, vận tốc 20 km/h Bảng 4.6: So sánh kết chuyển vị khung mô TN V = 10 km/h Mơ Thí Sai phỏng nghiệm số (%) Chuyển vị (mm) 8,72 7,58 15,1 V = 15 km/h Mơ Thí Sai phỏng nghiệm số (%) 22,01 18,25 20,5 V = 20 km/h Mơ Thí Sai phỏng nghiệm số (%) 20,9 26,5 26,1 Kết luận chương - Trong chương 4, lựa chọn phương án, thiết bị, đối tượng quy trình thí nghiệm phù hợp với điều kiện có Việt Nam, thí nghiệm xác định tải trọng động tác dụng lên khung sát xi chuyển vị khung sát xi vị trí đo Đã sử dụng cảm biến tenzo theo nguyên lý cầu đo Wheatstone để tải trọng động tác dụng lên khung sát xi chuyển vị khung sát xi vị trí đo Kết thí nghiệm phong phú đáng tin cậy Việc so sánh giá trị lớn lực thẳng đứng, chuyển vị kết mô phỏng thí nghiệm cho thấy sai lệch tối đa 16,8% 26,1% 23 KẾT LUẬN Luận án xây dựng phương pháp đánh giá độ bền khung sát xi xe chữa cháy rừng đa phần mềm Ansys Đã xây dựng mơ hình động lực học xe chữa cháy rừng, thiết lập hệ phương trình vi phân, xây dựng sơ đồ thuật toán Matlab Simulink để xác định tải trọng động từ mặt đường tác dụng lên khung sát xi với điều kiện cản mặt đường vận tốc khác Luận án đánh giá độ bền phá hủy thực với trường hợp khung sát xi chịu tải trọng cực đại, khung sát xi chịu tải trọng bánh xe gặp phải mấp mơ có chiều cao khác Với trường hợp đánh giá cho thấy bánh xe gặp phải mấp mơ mặt đường ứng suất lớn xuất khung sát xi đa phần lớn ứng suất giới hạn chảy phá hủy vật liệu 785 MPa 980 MPa, khung sát xi không đảm bảo điều kiện bền Luận án đánh giá độ phá hủy khung sát xi chịu tải trọng từ mấp mô mặt đường D-E E-F theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 với vận tốc 20 km/h Kết khảo sát độ bền phá hủy cho thấy chuyển động đường xấu (E-F) ứng suất sinh khung sát xi có giá trị lớn xe chuyển động đường xấu (D-E) Giá trị lớn ghi nhận đường DE 314,1 MPa đường E-F 357,26 MPa, nhỏ ứng suất giới hạn cho phép nên khung sát xi đảm bảo điều kiện bền phá hủy Luận án đánh giá độ bền mỏi khung sát xi nguyên khung sát xi cải tiến phần mềm Ansys với tải trọng động xác định từ mơ hình động lực học, mấp mơ mặt đường D-E E-F theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 với vận tốc 20 km/h Kết khảo sát cho thấy với khung sát xi ngun khơng đảm bảo điều kiện bền mỏi làm việc, khung sát xi cải tiến đảm bảo điều kiện bền mỏi Luận án xác định đề xuất kết cấu khung sát xi xe chữa cháy rừng đa đảm bảo điều kiện bền xe chuyển động đường hoạt động chữa cháy 24 Luận án lựa chọn phương pháp, thiết bị thí nghiệm xây dựng quy trình thí nghiệm phù hợp với điều kiện nghiên cứu Việt Nam để đo tải trọng động tác dụng lên khung sát xi đo chuyển vị điểm khung, sử dụng cảm biến tenzo theo nguyên lý cầu đo Wheatstone để tải trọng động tác dụng lên khung sát xi chuyển vị khung sát xi vị trí đo Kết thí nghiệm phong phú đáng tin cậy Để so sánh kết tính tốn với kết đo, thí nghiệm thực điều kiện giống với điều kiện tính tốn mơ phỏng lý thuyết Kết thí nghiệm cho quy luật tương đồng với quy luật thu từ tính tốn khảo sát mơ hình lý thuyết Việc so sánh giá trị lớn lực thẳng đứng, chuyển vị kết mô phỏng thí nghiệm cho thấy sai lệch tối đa 16,8% 26,1%.% Kết sai lệch chấp nhận Một số hạn chế luận án hướng nghiên cứu tiếp theo: - Luận án chỉ sử dụng biên dạng mấp mơ mặt đường hình sin để đánh giá xác định tải trọng tác dụng lên khung sát xi bánh xe bị mấp mô mà chưa có khảo sát biên dạng mấp mơ khác Khảo sát độ bền mỏi khung sát xi chỉ khảo sát trường hợp tải trọng động tác dụng lên khung xe di chuyển đường theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 mà chưa khảo sát đến trường hợp xe chịu tải trọng động di chuyển đường lâm nghiêp Do đó, cần có nghiên cứu vấn đề DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ [1] Lương Văn Vạn, Trần Văn Tưởng, Nguyễn Thanh Quang (2017) Phân tích cấu trúc tính tốn kiểm nghiệm thơng số động lực học xe chữa cháy rừng đa Tạp Chí Cơ khí Việt Nam ISSN 0866-7056, số năm 2017, trang 117-125 [2] PGS.TS Nguyễn Thanh Quang, TS Trần Văn Tưởng, ThS.NCS Lương Văn Vạn (2018) Phân tích cấu trúc tổng quan xe chữa cháy rừng đa Tạp Chí Cơ khí Việt Nam ISSN 0866-7056, số đặc biệt tháng 10 năm 2018, trang 114-119 [3] PGS.TS Nguyễn Thanh Quang, TS Trần Văn Tưởng, ThS.NCS Lương Văn Vạn, ThS Đào Trọng Cường (2018) Phân tích thiết kế sát xi xe chữa cháy rừng đa phần mềm Ansys Workbench Tạp Chí Cơ khí Việt Nam ISSN 0866-7056, số đặc biệt tháng 10 năm 2018, trang 206-221 [4] Van Van Luong, Quang Thanh Nguyen, Tuong Van Tran (2018) Study on Development of 3D for Consider the Response of Multifunction Forest Fire Fighting Vehicle, Proceeding of The 9th TSME International Conference on Mechanical Engineering (ICoME 2018, AME009, Page 182 – 196) ... thiện thiết kế kết cấu xe chữa cháy rừng đa 6 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN KHUNG SÁT XI XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG 2.1 Các phương pháp đánh giá độ bền khung sát xi 2.1.1 Ứng suất tương... sát xi xe chữa cháy rừng đa năng nhằm hoàn thiện kết cấu xe CCR đa 1.6.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đánh giá độ bền khung sát xi làm sở khoa học cho việc hoàn thiện kết cấu khung sát xi xe. .. tập trung nghiên cứu độ bền tĩnh bền mỏi khung sát xi tác dụng tải trọng động từ mấp mô mặt đường Từ yếu tố phân tích trên, đề tài nghiên cứu độ bền khung sát xi xe chữa cháy rừng đa cần thiết