Nghiên cứu tính ổn định tĩnh xe cứu hỏa có tích hợp thang cứu hộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THÀNH CÔNG NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH XE CỨU HỎA CĨ TÍCH HỢP THANG CỨU HỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THÀNH CÔNG NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH XE CỨU HỎA CĨ TÍCH HỢP THANG CỨU HỘ Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀM HỒNG PHÚC Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan kết đề tài: “Nghiên cứu tính ổn định tĩnh xe cứu hỏa có tích hợp thang cứu hộ” cơng trình nghiên cứu cá nhân chƣa đƣợc công bố cơng trình khoa học khác thời điểm Hà Nội, Ngày 30 tháng 09 năm 2017 Tác giả luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Thành Công i LỜI CẢM ƠN Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn trân trọng tới thầy Đàm Hoàng Phúc, thầy Trịnh Minh Hoàng thầy mơn Ơ tơ Xe chun dụng, bạn lớp 16AKTOT với lớp 15BKOT tận tình giúp đỡ Đề tài đƣợc hồn thành, song bên cạnh cịn thiếu sót mong đƣợc bạn đọc đóng góp để tơi hồn thiện cách tốt Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÝ HIỆU v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii LỜI MỞ ĐẦU ix CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ XE CỨU HOẢ VÀ CỨU HỘ 1.1.1 Xe cứu hoả 1.1.2 Xe cứu hộ: 10 1.1.3 Xe cứu hỏa kết hợp cứu hộ: 11 1.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC CỤM HOẠT ĐỘNG CHÍNH TRÊN XE THANG CỨU HỎA KẾT HỢP CỨU HỘ 14 1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG KÉO RÚT THANG DẪN ĐỘNG BẰNG DÂY CÁP, CỤM RÒNG RỌC VÀ XYLANH THỦY LỰC 15 1.3.1 Nguyên lý kéo rút thang: 15 1.3.2 Nguyên lý dẫn động thang thang 2: 16 1.3.3 Nguyên lý dẫn động thang 3: 18 1.4 CỤM XY LANH VÀ BƠM 20 1.5 CÁP VÀ RÒNG RỌC 21 1.5.1.Dây cáp: 21 1.5.2 Ròng rọc: 22 1.6 CỤM DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ 23 1.6.1 Các kết cấu dẫn động khí: 23 1.6.2 Biện pháp xử lý vấn đề dây cáp không đồng phẳng: 30 1.6.3 Hiện tƣợng không đồng phẳng dây cáp thang thang 2: 30 1.6.4 Hiện tƣợng không đồng phẳng dây cáp cụm ròng rọc: 31 1.7 CỤM CƠ CẤU AN TOÀN CỦA HỆ THỐNG 31 1.8 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 34 1.8.1 Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài: 34 1.8.2 Mục đích đề tài (các kết cần đạt đƣợc): 34 1.9 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 34 iii CHƢƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH XE CỨU HỎA CĨTÍCH HỢP THANG CỨU HỘ 35 2.1 Đặt vấn đề: 35 2.2 Mô hình tính tốn ổn định xe 35 2.3 Khảo sát ổn định xe có tác động gió 39 CHƢƠNG THIẾT KẾ CƠ CẤU CẢNH BÁO LỰC CẢN GIÓ CHO XE 44 3.1 Tổng quan: 44 3.1.2 Cảm biến gió: 45 3.1.3 Cảm biến chiều dài: 48 3.1.4 Arduino Uno: 49 3.1.5 Còi báo động: 50 3.1.6 Lập trình cho cấu: 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 56 iv DANH MỤC KÝ HIỆU WT: Bồn chứa nƣớc FT: Bồn chứa bọt PT: Cụm máy bơm chữa cháy AP: Hệ thống điều khiển khí n n LGM: Cụm lăng tay triển khai b n trái RGM: Cụm lăng tay triển khai b n phải MT: Cụm lăng giá LHR: Cụm tang quấn ống cao áp b n trái RHR: Cụm tang quấn ống cao áp b n phải  αlà góc xoay cụm thang  β góc nâng thang  ƺ góc quay so với trục lật  L chiều dài thời điểm x t cụm thang  a khoảng cách từ trụ quay đến điểm lật  Gt trọng lực cụm thang Gt = 7000 (N)  Q lực gió tác dụng l n thang thời điểm x t, đƣợc đặt trung điểm đoạn L (đã trình bày phần tr n) v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Chiều dài giới hạn thang khơng có gió (mét): .42 Bảng 2.2 Chiều dài giới hạn thang có gió (mét): .43 Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật KIT Arduino Uno R3 CH340G: 50 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Xe thang nâng chữa cháy cao giới MERCEDES 112 mét Hình 1.2 Xe bơm Hình 1.3 Xe thang Hình 1.4 Sơ đồ đƣờng ống nƣớc foam xe cứu hỏa Hình 1.5 Cấu tạo bồn chứa nƣớc Hình 1.6 Bơm .7 Hình 1.7 Cuộn vịi Hình 1.8 Lăng phun, bình chữa cháy xách tay, bình trợ thở .8 Hình 1.9 Tang rulo, đầu tiếp nƣớc… Hình 1.10 Bản vẽ tổng thể xe 12 Hình 1.11 Xe cứu hộ 3,5 .13 Hình 1.12 Xe cứu hỏa kết hợp cứu hộ 13 Hình 1.13 Sơ đồ tổng thể nguyên lý kéo rút thang chữa cháy 15 Hình 1.14 Nguyên lý dẫn động thang 16 Hình 1.15 Kết cấu cụm ròng rọc kép trƣợt 17 Hình 1.16 Bố trí ròng rọc mặt bên thang .18 Hình 1.17 Nguyên lý kéo rút thang số 19 Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý kéo rút thang trạng thái thang bị đẩy lên 20 Hình 1.19 Xy lanh kéo rút thang 21 Hình 1.20 Rịng rọc động 22 Hình 1.21 Ròng rọc cố định 22 Hình 1.22 Kết cấu bắt ròng rọc 23 Hình 1.23 Rãnh trƣợt 24 Hình 1.24 Bố trí cụm rịng rọc tr n đỉnh thang .24 Hình 1.25 Kết cấu cụm 25 Hình 1.26 Kết cấu bao kết cấu chữ U 25 Hình 1.27 Kết cấu trƣợt 26 Hình 1.28 Các chi tiết trƣợt 26 Hình 1.29 Cụm bắt xy lanh 27 vii Hình 1.30 Bố trí cụm rịng rọc phía dƣới 27 Hình 1.31 Các chi tiết cụm bắt ròng rọc dƣới 28 Hình 1.32 Kết cấu không đối xứng tai bắt xy lanh .29 Hình 1.33 Các chi tiết cụm ròng rọc 29 Hình 1.34 Nguyên lý cấu bánh cóc 32 Hình 1.35 Van chiều có điều khiển 33 Hình 1.36 Nguyên lý hoạt động van chiều 33 Hình 2.1 Kí hiệu chiều dài thang 36 Hình 2.2 Lực cản gió tác dụng lên cụm thang 38 Hình 2.3 Khoảng cách từ trọng tâm xe tới cạnh lật 39 Hình 2.4 Sơ đồ khoảng cách từ trọng tâm đến cạnh lật 40 Hình 3.1 Sơ đồ khối cấu cảnh báo lực cản gió .44 Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động encoder 45 Hình 3.3 Encoder cánh quạt 46 Hình 3.4 Động encoder 334 xung 47 Hình 3.5 Các chân cắm động encoder .48 Hình 3.6 KIT Arduino Uno R3 CH340G 49 Hình 3.7 Cịi báo động thạch anh SFM-20-C DC 3-24V .50 Hình 3.8 Kết nối mạch với máy tính 51 Hình 3.9 Hai tín hiệu đo đƣợc .52 viii - Cơ cấu cảnh báo gồm có:  Cảm biến gió  Cảm biến chiều dài  Mạch điều khiển Arduino Uno  Còi báo động 3.2 Cảm biến gió: Hình 3.2.Ngun lý hoạt động encoder - Có cấu tạo encoder gắn thêm cánh quạt - Encoder có tác dụng đo số vịng quay trục động hay chi tiết quay thơng qua việc đếm số xung đơn vị thời gian Nó có cấu tạo cặp diot thu phát, tr n đĩa quay có đục lỗ bánh răng, ánh sáng cặp diot qua lỗ xung đƣợc đếm Nhờ ta biết đƣợc vận tốc góc tính đƣợc vận tốc dài gió Số lỗ hay số tr n đĩa nhiều độ 45 xác cao Ta c ng biết đƣợc chiều quay đĩa nhờ việc bố trí vòng lỗ lệch khoảng - Trục cánh quạt đƣợc gắn vào trục encoder Cánh quạt đƣợc thiết kế thêm vịng chắn b n ngồi để đảm bảo đo gió theo phƣơng diện với cánh quạt, khơng bị ảnh hƣởng gió ngang Hình 3.3 Encoder cánh quạt - Trên lý thuyết, ta bố trí cảm biến đo gió mặt mặt bên thang, nhƣng thực tế diện tích mặt bên thang nhỏ nên ảnh hƣởng gió khơng lớn Bởi vậy, ta dùng cảm biến mặt thang - Cảm biến gió sử dụng cho mơ hình xe thang động Encoder 334 xung 46 Hình 3.4 Động encoder 334 xung - Ở đây, thay dùng cánh quạt để đo gió, ta thay động Động thay đổi tốc độ thông qua nguồn tƣơng ứng với thay đổi vận tốc gió - Thơng số kĩ thuật:  Điện áp hoạt động: DC 3-24V  Tốc độ: + DC12V: 8200 v/ph + DC24V: 16800 v/ph + Hỗ trợ kênh A,B có tác dụng đo tốc độ xác định chiều quay động 47 Hình 3.5 Các chân cắm động encoder - Bảng mạch động encoder gồm chân cắm:  Chân A B chân dùng để đo tốc độ động cơ, chân dùng để đo chiều quay động Với cảm biến gió ta không cần sử dụng chân B  Chân VCC GND chân nguồn đất  chân motor để quay motor 3.3 Cảm biến chiều dài: - Để biết đƣợc chiều dài thang thời điểm tại, ta dùng nhiều loại cảm biến khác Ví dụ cảm biến đo khoảng cách sóng siêu âm, dùng cơng tắc hành trình, Nhƣng đây, chọn encoder tính đơn giản tin cậy - Chúng ta sử dụng động encoder 334 xung nhƣ trình bày phần cảm biến gió 48 - Ta thiết kế nhỏ gắn dọc theo chiều dài thang (thực tế cần nửa thang 2) Thanh ăn khớp với bánh trục encoder Do vậy, thang di chuyển ta đo đƣợc khoảng dịch chuyển thông qua số vịng quay encoder Nhờ biết đƣợc xác vị trí thang, kết hợp với cảm biến gió đƣa đƣợc mức cảnh báo hợp lý - Do dịch chuyển thang bao gồm lên xuống nên encoder dùng trƣờng hợp c ng phải encoder chiều - So với cảm biến gió, khơng sử dụng chân motor mạch mà sử dụng th m chân B để biết đƣợc chiều quay encoder 3.4 Arduino Uno: - Bộ vi điều khiển sử dụng KIT Arduino Uno R3 CH340G Hình 3.6 KIT Arduino Uno R3 CH340G - Bộ KIT đƣợc sử dụng nhiều mạch điện tử Đƣợc ứng dụng để làm sản phẩm điện tử nhƣ mạch LED, mạch đ n giao thông,… 49 - Arduino Uno R3 sản phẩm đƣợc thiết kế ARDUINO.CC Đây phi n dành cho ngƣời muốn tiếp cận với lĩnh vực điện tử Bộ KIT Arduino Uno R3 CH340G phù hợp với ngƣời bắt đầu làm quen với lĩnh vực - Sử dụng chip nạp CH340 Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật KIT Arduino Uno R3 CH340G: 3.5 Còi báo động: - Ta sử dụng còi báo động thạch anh SFM-20-C DC 3-24V Hình 3.7.Cịi báo động thạch anh SFM-20-C DC 3-24V - Thông số kĩ thuật:  Điện áp tiêu thụ: 12V 50  Vùng điện áp: 3-24V  Cƣờng độ dòng điện: < 10mA  Cƣờng độ âm: > 90 dB  Tần số vang: 3000 500 Hz  Kích thƣớc: + Đƣờng kính: 23mm + Chiều cao: 15mm + Kích thƣớc chân: 14mm 3.6 Lập trình cho cấu: - Phầm mềm lập trình đƣợc sử dụng Arduino IDE - Các cảm biến loa đƣợc đấu nối với Arduino, sau ta cắm Arduino vào máy tính Máy tính Arduino giao tiếp với nhờ phần mềm Arduino IDE thông qua cổng giao tiếp gọi cổng COM Hình 3.8 Kết nối mạch với máy tính - Cơ cấu đƣợc điều khiển thơng qua code viết phần mềm Arduino IDE 51 Hình 3.9 Hai tín hiệu đo đƣợc - Từ tín hiệu này, ta thiết lập cơng thức để tính mơ men lật cho xe Sau so sánh với mơ men chống lật để định có đƣa cảnh báo cịi hay khơng 52 KẾT LUẬN Sau gần tháng nghiên cứu thực hiện, với giúp đỡ nhiệt tình thầy bạn, tơi hồn thành đƣợc đề tài“nghiên cứu tính ổn định tĩnh xe cứu hỏa có tích hợp thang cứu hộ”đúng tiến độ Phần thuyết minh bao gồm nội dung cấu tạo ngun lý hoạt động, tính tốn thiết kế cấu để đảm bảo cho xe cứu hỏa kết hợp cứu hộ hoạt động an toàn trƣờng hợp nguy hiểm - Tính thực tế đề tài: luận văn phân tích tìm hiểu xe cứu hỏa tích hợp thang cứu hộ đƣợc tính tốn y u cầu thực tế đƣờng phố chật hẹp đô thị Việt Nam, nhu cầu thiết yếu chữa cháy thủ đô Xe cứu hoả cứu hộ đƣợc thiết kế tảng xe sởHINO FJ8JJSP Đây loại xe công ty liên doanh Hino Motor Việt Nam sản xuất - Tính khoa học đ tài: học vi n nghi n cứu thang đƣợc thiết kế hệ cân bằng, vƣơn cao tối đa nhƣng đảm bảo độ ổn định chắn chịu đƣợc sức gió cấp hoạt động, sử dụng số cảm biến để đảm bảo an toàn cho xe thực nhiệm vụ Kết thu đƣợc kết phù hợp với mục ti u đề tài đề - Tính đề tài: Hệ thống thang tự động tính tốn đƣa racảnh báo để ngƣời điều khiển điều chỉnh tầm hoạt động phù hợp với độ mở góc nâng thang, vận tốc gió, chiều dài thang, phục vụ công tác chữa cháy ngõ phố nhỏ, động với khu vực chật hẹp nơi mà xe chữa cháy thông thƣờng phải th m thời gian để di chuyển vào trƣờng, đảm bảo an tồn q trình cứu hỏa cứu hộ trƣờng hợp nguy hiểm Một số hạn chế luận văn: Ngoài kết đạt đƣợc luận văn số hạn chế nhƣ sau: + Hệ thống thang khơng tự động tính tốn để điều chỉnh tầm hoạt động phù hợp với độ mở chân chống cảm biến trọng lƣợng chân chống 53 + Chỉ nghiên cứu khảo sát xe hoạt động đƣờng phẳng, xe đứng yên, nhiên thự tế xe cứu hỏa kết hợp cứu hộ làm việc chuyển động dƣờng có độ nghiên khác + Thang cứu hộ chƣa vƣơn đƣợc xa + Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: nghi n cứu nhiều cảm biến để tối ƣu hóa y u cầu nhiệm vụ để hệ thống thang tự động tính tốn để điều chỉnh tầm hoạt động phù hợp với độ mở chân chống cảm biến trọng lƣợng chân chống 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trịnh Chất, L Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 2Đại học Bách Khoa, 2000 Lƣu Văn Tuấn, Tập giảng Lý thuyết ô tô, Hà Nội, 2015 3.Nghiêm Hùng, Sách tra cứu Thép, Gang thông dụng, Hà Nội, 1997 PGS Hà Văn Vui, Sổ tay thiết kế khí tập 1,2,3, Hà Nội, 2006 Trịnh Đồng Tính, Máy nâng chuyển, Đại học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Văn Thƣờng ĐATN ĐHBKHN 2016 55 PHỤ LỤC Dƣới code điều khiển cấu: // Cách nối chân Encoder quay #define encoderPinA // Tương ứng chân DT Encoder quay // Tương ứng chân CLK Encoder quay // Chân + nối nguồn 5V chân GND nối cực âm volatile unsigned int encoderPos = 0; // Cho vị trí đầu unsigned int lastReportedPos = 1; // Vị trí cuối static boolean rotating=false; // Quản lý debounce (giống chống nhiễu) // biến cho trình phục vụ ngắt interrupt service routine vars boolean A_set = false; //Đo tốc độ unsigned int newposition; unsigned int oldposition=0; unsigned long newtime; unsigned long oldtime=0; float vantoc; const int interrupt0 = 1; const int phase_a = 3; const int phase_b = 4; int pulse = 0; void setup() { pinMode(encoderPinA, INPUT_PULLUP); // INPUT-PULLUP tương đương Mode INPUT tự động nhận trạng thái HIGH LOW 56 pinMode (phase_a, INPUT_PULLUP); pinMode (phase_b, INPUT_PULLUP); // Chân encoder ngắt (chân 2) attachInterrupt(0, doEncoderA, CHANGE); attachInterrupt (interrupt0, int_, FALLING); Serial.begin(9600); // chuyển liệu lên cổng Serial Port } // Vịng lặp chính, cơng việc thực trình phục vụ ngắt void loop() { rotating = true; // Khởi động debounce (có thể hiểu chống nhiễu) newtime=millis(); newposition=encoderPos; if (newtime-oldtime==1000){ detachInterrupt(0); detachInterrupt(1); vantoc=(newposition-oldposition)*60/344; Serial.print("vantoc="); Serial.print(vantoc,DEC ); oldposition=newposition; oldtime=newtime; attachInterrupt(0, doEncoderA, CHANGE); Serial.print("\t\tchieucao="); Serial.println(pulse,DEC); attachInterrupt (interrupt0, int_, FALLING); 57 if (vantoc - pulse