Ngày nay cùng với đà phát triển của kỹ thuật việc nghiên cứu thiết kế, cải tiến ô tô, máy kéo nói chung đều theo hướng tăng vận tốc làm việc của chúng. Cùng với sự nâng cao tốc độ làm việc của các liên hợp máy sẽ dẫn đến tăng đáng kể lực
kích động lên người điều khiển và cao hơn mức chịu đựng của con người. Công trình nghiên cứu [38] cho thấy: Người điều khiển máy không thể sử dụng được tối đa tốc độ của máy trong miền giới hạn của nó, nghĩa là không phát huy được hết công suất theo thiết kế, một trong những nguyên nhân chính là do mức độ kích động tác động đáng kể lên ghế ngồi của người lái. Ở Mỹ trên 85% người lái máy kéo do ảnh hưởng của lực kích động chỉ sử dụng được 65% công suất của máy.
Dao động của cơ thể con người hoặc một bộ phận của cơ thể là những tác động sinh học phức tạp chúng có thể gây ra một loạt các thay đổi trong cơ thể và ảnh đến sức khoẻ của người lái, gây ra các bệnh lý.
Tác động của dao động lên con người phụ thuộc vào tần số, thời gian, hướng và cường độ tác động. Sự kích thích nguy hiểm nhất ở giải tần số dao động riêng của cơ thể con người. Cũng theo [16] thì tần số từ 6 - 11 Hz sẽ dẫn đến cộng hưởng ở một số bộ phận của cơ thể riêng biệt của con người, dải tần số từ 11 - 45Hz có thể dẫn đến sự phân tán các chức năng của hàng loạt bộ phận bên trong, làm giảm tầm nhìn, giảm tính linh hoạt trong các hoạt động điều khiển máy. Nếu dao động tác động lên người lái trong thời gian 1 ngày và liên tục từ năm này sang năm khác thì không chỉ làm giảm năng suất lao động mà còn làm xuất hiện các bệnh nghề nghiệp.
Mức độ ảnh hưởng của dao động đến cơ thể con người lần đầu tiên được nghiên cứu theo quan điểm về sự thoải mái và thuận tiện cho người điều khiển tàu hoả và ôtô. Vấn đề này được đưa ra với nội dung về tính êm dịu chuyển động của ô tô, máy kéo, mà chúng được đánh giá bằng các chỉ tiêu như: tần số dao động, gia tốc dao động và độ êm dịu [13].
Tần số dao động (f) của một hệ dao động là số dao động toàn phần trong một giây, đơn vị là Hertz (1dao động/s= 1 Hz).
Gia tốc dao động (z’’ ) là gia tốc dịch chuyển của hệ dao động (m/s2 ), nó kể đến ảnh hưởng đồng thời của biên độ và tần số dao động.
Độ êm dịu chuyển động được đánh giá theo hệ số độ êm dịu K. Hệ số K phụ thuộc vào tần số dao động (f ) và gia tốc dao động (z’’ ), khi f < 5 Hz; hoặc phụ thuộc vận tốc (z’ )- khi f > 5 Hz.
Hệ số K xác định theo trị số của biên độ gia tốc /z’’ /, hoặc theo gia tốc bình phương trung bình /zc’’ /, theo biểu thức sau :
c z f f K . 01 , 0 1 18 z . 01 , 0 1 5 , 12 2 2 Để xác định K ta phải tính được z’’ và zc’’ .
Hệ số K càng nhỏ thì càng dễ chịu đựng dao động và độ êm dịu của ô tô, máy kéo càng cao. Giá trị K=0,1 tương ứng với ngưỡng kích thích. Khi đi lâu trên xe cho phép K=10, còn khi đi ngắn hoặc trên xe tự hành K= 25—63.
Ở Việt Nam qua một số nghiên cứu cho thấy đối với các ô tô, máy kéo nhập từ nước ngoài, hệ thống giảm xóc cho ghế đã được tính toán từ khi thiết kế, tuy nhiên các thông số thiết kế được tính toán theo tiêu chuẩn của người nước ngoài. Do có sự khác nhau về hằng số nhân trắc, chỉ tiêu tâm sinh lý giữa người Việt Nam và người nước ngoài, nên khi sử dụng hiệu quả giảm rung thực tế bị thay đổi, không còn phù hợp và đáp ứng được yêu cầu đối với người Việt Nam [16], [29]. Đối với một số máy, khi thay đổi điều kiện làm việc thì tác động kích động lên người lái cũng sẽ thay đổi, vì vậy vần phải khảo nghiệm tính toán cải tiến hệ thống giảm xóc cho ghế ngồi lái theo từng điều kiện làm việc cụ thể.
Một số nghiên cứu về chống rung đối với người Việt Nam đã được công bố trong công trình của Triệu Quốc Lộc [16] về dao động trong bảo hộ lao động; Nguyễn Văn Khang, Đỗ Sanh [13] - về ngăn chặn rung động trên đường lan truyền đối với công nhân lái máy kéo và công nhân của các gian chế biến lâm sản; Lê Thanh Thủy [22]- Thiết kế ghế giảm rung cho máy kéo.
Nhìn chung các công trình nghiên cứu về chống rung theo 3 hướng: Nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu ứng dụng. Các công trình
nghiên cứu đã đưa ra cơ sở lý thuyết của kỹ thuật chống rung, các phương pháp đo đạc, tính toán, đánh giá. Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm, người ta đã tiến hành xây dựng các tiêu chuẩn, định mức rung cho phép đối với cơ thể con người. (phụ lục 01)
Trong công trình nghiên cứu của trung tâm giám định máy móc, thiết bị cơ điện nông nghiệp về hệ thống các tiêu chuẩn khảo nghiệm, giám định chất lượng máy kéo, máy canh tác dùng trong sản xuất nông - lâm nghiệp [40], đã đưa ra phương pháp khảo nghiệm xác định dao động của ghế ngồi lái máy kéo và chỉ tiêu an toàn đối với điều kiện làm việc của người lái máy kéo là gia tốc dao động, vận tốc dao động ứng với các tần số dao động của ghế người lái theo tiêu chuẩn quốc gia (TCVN).
Nhìn chung các công trình nghiên cứu chưa nhiều, nhưng kết quả nghiên cứu có ý nghĩa rất lớn đối với một số ngành sản xuất ở nước ta.
Riêng với xe chữa cháy rừng đa năng đến nay vẫn chưa có công trình nào nghiên cứu về điều kiện làm việc của người điều khiển. Để bổ xung vào nội dung nghiên cứu dao động của xe CCR, chúng tôi thực hiện đề tài “ Nghiên cứu dao động ghế ngồi người lái trên xe CCR khi làm việc”.
CHƯƠNG 2
MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Từ mục tiêu chung đã nêu trong phần mở đầu, đề tài còn xác định hai mục tiêu cụ thể sau:
- Tìm các đặc trưng dao động của ghế ngồi trên xe CCR . Từ đó đánh giá ảnh hưởng của dao động này đến điều kiện làm việc của người lái.
- Xác định các thông số của hệ giảm xóc cho ghế ngồi người lái trên xe CCR để đảm bảo các chỉ tiêu an toàn cho người điều khiển theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5126 - 90).
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là xe chữa cháy rừng đã được chế tạo trong đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10 (hình 1,11), khi di chuyển trên mặt đất rừng tự nhiên để tạo băng cản lửa.
* Các thông số kỹ thuật cơ bản của liên hợp máy (LHM) được ghi ở bảng 2.1. - Hệ thống chặt hạ cây: đĩa cưa – 4 đĩa; đường kính đĩa cưa – 500mm. Tốc độ quay của đĩa cưa – 3000 Vòng/phút; trọng lượng của hệ thống – 300 kg.
- Hệ thống cắt đất: đường kính đĩa thép - 300 mm; số đĩa thép - 2 đĩa; số dao cắt - 4 dao; chiều dài dao cắt -170 mm; chiều rộng lưỡi dao cắt - 50 mm; số vòng quay của đĩa thép - 1200 v/p; trọng lượng của dao - 0,5 kg; trọng lượng của toàn bộ hệ thống cắt đất - 150 kg.
- Hệ thống làm sạch cỏ rác: đường kính trống dao – 450 mm; số đĩa thép – 10 đĩa; số dao cắt – 20 dao; chiều dài dao cắt – 120 mm; chiều rộng lưỡi dao cắt – 50 mm; số vòng quay của đĩa thép – 1000 v/ph; trọng lượng của dao – 0,3 kg; trọng lượng của toàn bộ hệ thống làm sạch cỏ rác – 600 kg.
Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của xe chữa cháy rừng đa năng
TT Đặc tính kỹ thuật của xe Đơn vị Chỉ tiêu kỹ thuật
1 Công suất động cơ kW 132
2 Mô men xoắn cực đại N.m 667
3 Số cầu chủ động cầu 03
4 Dung tích bồn chứa nước m3 5,1
5 Lưu lượng máy bơm nước lít/phút 400
6 Áp lực bơm tối đa N/cm2 150
7 Chiều dài ống bơm nước m 100
8 Lưu lượng bơm khí m3/phút 600
9 Áp lực bơm tối đa bơm khí N/cm2 68
10 Công suất cắt đất kW 8
11 Vận tốc dao cắt đất m/s 80
12 Khối lượng đất cát phun m3/phút 0,1
13 Chiều dài ống phun đất cát m 40
14 Chiều rộng băng cắt thực bì m 2
15 Vận tốc dao cắt thực bì m/s 25
16 Đường kính đĩa cắt cây mm 500
17 Số vòng quay đĩa cắt cây vòng/phút 3200 18 Công suất chặt cây, cắt cây bụi kW 8
19 Tốc độ dập lửa m/phút > 10
20 Chiều cao ngọn lửa dập được m ≤ 10
21 Độ dốc xe di chuyển được độ ≤ 15
22 Tốc độ cắt cây, cắt thực bì km/h > 1,5
Để giải bài toán dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi làm việc trên mặt đất rừng cần xác định các thông số đầu vào của mô hình. Việc xác định các thông số đó có thể được tiến hành bằng lý thuyết, thực nghiệm hay thừa kế kết quả nghiên cứu của một số công trình trước đó. Nội dung này được trình bày cụ thể ở chương sau.
2.3. Nội dung nghiên cứu
2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Xây dựng mô hình tính toán dao động của ghế ngồi người lái trên xe CCR khi tạo băng cản lửa có tính đến ảnh hưởng của sự mấp mô mặt đường và kích động động lực từ hệ thống phay cỏ rác.
- Giải hệ PTVP dao động, khảo sát các thành phần dao đông của trọng tâm xe và điểm đặt ghế ngồi.
- Xác định các giá trị tần số ω và gia tốc z,, của ghế ngồi làm cơ sở đánh giá ảnh hưởng của dao động đó đến người lái và phương án thiết kế, cải tiến ghế ngồi (Xác định các thông số của hệ giảm xóc lắp cho ghế).
2.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm
Mục đích nghiên cứu thực nghiệm là kiểm chứng kết quả tính toán dao động của ghế ngồi người lái theo mô hình lý thuyết.
Nội dung thực nghiêm là đo tần số và biên độ gia tốc rung tại vị trí đặt ghế ngồi. Đối chiếu với kết quả tính toán lý thuyết để đưa ra kết luận về tính chính xác của mô hình dao động đã lập được.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Sử dụng phương pháp cơ học giải tích để xây dựng mô hình dao động của xe CCR và của ghế ngồi. Việc giải phương trình vi phân dao động của ghế được tiến hành bằng phương pháp giải tích kết hợp với phần mềm Maple 10 và phần mềm Matlab-Simulink.
Trên cơ sở tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5126 - 90 "Rung giá trị cho phép tại chỗ làm việc", đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động đến sự an toàn cho người lái xe, đồng thời thiết lập biểu thức xác định các thông số về độ cứng lò xo và hệ số giảm chấn thuỷ lực của ghế ngồi.
2.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Các nội dung thực nghiệm được tiến hành bằng phương pháp đo các đại lượng không điện bằng điện với việc dùng thiết bị DMC Plus và phần mềm DMC Laplus để xác định gia tốc dao động thẳng đứng của xe chữa cháy rừng đa năng khi làm việc trên mặt đất rừng.
Phân tích kết quả thực nghiệm để so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết, làm cơ sở để đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động của xe chữa cháy rừng đa năng.
CHƯƠNG 3
DAO ĐỘNG CỦA XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG KHI LÀM VIỆC TRÊN MẶT ĐẤT RỪNG
Xe chữa cháy rừng đa năng (xe CCR) được thiết kế (hình 3.1a) có các chức năng chình là tạo băng cản lửa, khoanh vùng đám cháy và dập tắt các đám cháy rừng.
Trong đề tài “ Nghiên cứu dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi làm việc trên mặt đất rừng” [21], tác giả Nguyễn Văn Thế đã khẳng định trong giai đoạn dập lửa các đám cháy rừng thì dao động của xe rất nhỏ, không ảnh hưởng đến khả năng làm việc của nó. Vì thế đề tài này chỉ nghiên cứu dao động của xe CCR trong quá trình tạo băng cản lửa.
Mặt khác theo kết luận của Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Hữu Cẩn [2] thì trong các dao động của ô tô, máy kéo chỉ có dao động theo phương thẳng đứng (OZ) là có ảnh hưởng chính đến con người, dao động theo phương ngang (OY) và phương dọc (OX) ảnh hưởng không đáng kể, nên có thể bỏ qua. Do đó trong đề tài này chúng tôi cũng chỉ xét dao động thẳng đứng của xe CCR.
Khi tạo băng cản lửa xe di chuyển trên mặt đất rừng để khoanh vùng đám cháy. Trong lúc di chuyển các cưa đĩa đặt phía trước xe làm việc cắt các cây bụi, các đĩa dao phay ở phía sau có nhiệm vụ làm dập nát cây bụi đã cắt và cỏ rác, trộn lẫn đất tạo ra băng cản lửa. Do tác dụng của độ mấp mô mặt đất rừng và các xung lực kích động của cây bụi, cỏ rác đến hệ thống cắt và hệ thống làm sạch cỏ rác nên xe CCR sẽ có dao động phức tạp. Để nghiên cứu dao động của xe CCR trong trạng thái này cần nghiên cứu xác định các đặc trưng của các nguồn kích động nói trên.
3.1. Xác định các đặc trưng của các nguồn kích động
3.1.1. Xác định hàm kích động động học từ mặt đất rừng
Dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi làm việc trên mặt đất rừng do rất nhiều yếu tố gây nên, trong đó kích động động học của mấp mô mặt đất rừng lên các bánh xe là yếu tố cơ bản và quyết định tới quá trình làm việc của xe. Vì vậy mấp mô mặt đất rừng là yếu tố đầu vào hết sức quan trọng khi nghiên cứu dao động
của xe chữa cháy rừng đa năng khi tạo băng cản lửa. Để nghiên cứu dao động của xe CCR, việc điều tra khảo sát, phân loại các dạng mặt đất rừng mà xe di chuyển trên đó là vấn đề cần thiết.
Do thời gian có hạn và việc khảo sát dạng mấp mô mặt đất rừng chưa thực hiện được ở nhiều địa điểm, nên trong đề tài này chúng tôi dùng kết quả xác định dạng mặt đất rừng của TS. Nguyễn Tiến Đạt [4] để khảo sát dao động của xe CCR. với hàm kích động của mặt đất rừng là: 0 0 2 sin( . ) h h vt s (3.2)
Trong đó h0- biên độ mấp mô (m); s0- bước sóng (m); v - vận tốc di chuyển của xe (m/s).
3.1.2. Xác định các đặc trưng kích động động lực
a. Xung lực của hệ thống cắt cây bụi.
Hệ thộng cắt cây bụi gồm các lưỡi cưa đĩa bố trí ở phía trước của xe (hình 3.1). Động cơ thủy lực truyền chuyển động quay cho đĩa cưa thông qua bộ truyền dây đai. Khi xe CCR di chuyển các đĩa cưa chạm vào thân cây bụi, quá trình cắt được thực hiện. Do số răng trên mỗi đĩa cưa lớn (z = 60) và đĩa quay với tốc độ rất cao (n = 3000 v/p) nên xung lực cắt từ cây bụi lên đĩa cưa thay đổi với chu kỳ rất nhỏ, gần như một hằng số theo thời gian. Ngoài ra xung lực này tác dụng vào hệ thống cắt theo phương nằm ngang. Theo kết quả phân tích, đánh giá của Th.s. Đặng Thị Tố Loan [15] thì xung lực này không gây ra dao động đáng kể cho hệ thống cắt cây bụi ở phía trước xe.
Do đó để lập mô hình dao động của xe CCR trong mặt phẳng thẳng đứng dọc ta có thể bỏ qua tác dụng của xung lực nói trên.
b. Xung lực của hệ thống phay cỏ rác.
Hệ thống phay cỏ rác được đặt ở phía sau xe, gồm 20 đĩa, mỗi đĩa có 2 dao, cắt cây bụi theo nguyên lý va đập (dạng búa).
Theo tính toán trong đề tài cấp nhà nước – Báo cáo kết quả khoa học công