Để xác định khối lượng đất phun vào đám cháy luận án tiến hành như sau: Đồng thời với đo áp lực đất phun thì thu lại đất phun ra, đo thời gian phun, sau đó sử dụng cân để xác định khối lượng đất phun được trong một đơn vị thời gian.
4.3.5. Thiết bị, dụng cụ đo áp lực và khối lượng của đất phun vào đám cháy 4.3.5.1. Thiết bị khuếch đại
Luận án sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu DMC-Plus của Cộng hịa Liên bang Đức. Thiết bị này là bộ thu thập và khuếch đại thông tin đo lường kết nối với máy tính như hình 4.9. Thiết bị này thay thế cho bộ khuếch đại K và bộ chuyển đổi A/D (Analog/Digital) trong sơ đồ nguyên lý của phương pháp thí nghiệm. Thiết bị DMC Plus có các modul được chế tạo theo các kênh:
+ Modul DV01: Là modul khuếch đại kiểu dòng một chiều DC, dùng để đo nhiệt độ, nối với cặp nhiệt, các dịng một chiều. Modul này có thể đo được nguồn điện áp với dải đo rất rộng (±0,1V ; ±1V; ±10V; ±200V), dải tần 2,2 kHz. + Modul DV10: Kiểu khuếch đại dòng một chiều DC, để nối các cầu đủ và bán cầu điện trở, có thể đo điện thế, nguồn điện áp DC, dải tần 4,4 Hz.
+ Modul DV30: Kiểu khuếch đại là tần số 600Hz, dùng để đo các cầu đủ và bán cầu điện trở, đo điện thế, nguồn điện áp DC, dải tần 250 Hz.
+ Modul DV35: Kiểu khuếch đại là tần số, thích hợp để đo điện trở , nguồn điện áp DC, dải tần 250 Hz.
+ Modul DV55: Kiểu khuếch đại là tần số, khoảng khuếch đại là 4,8 kHz, rất thông dụng. Dùng để nối với các cầu đủ và bán cầu điện trở, đo điện áp các nguồn áp DC, dải tần 2,2 kHz.
+ Modul DZ65: Dùng cho việc nối các cảm biến đo mô men và tốc độ, cơng suất.
4.3.5.2 Dụng cụ đo áp lực đất phun
Để đo áp lực đất phun trong các thí nghiệm, luận án sử dụng đầu đo lực nén tiêu chuẩn của hãng HBM của Cộng hịa Liên bang Đức hình 4.10, dải đo lực từ 0 đến 5 KN.
Hình 4.10: Đầu đo lực nén HBM
4.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mơ hình tính tốn lý thuyết
4.4.1. Chuẩn bị thí nghiệm
- Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo
Các thí nghiệm đo mơ men xoắn và gia tốc rung hệ thống cắt đất được thực hiện tại khu rừng thực nghiệm trường Đại học Lâm nghiệp. Tại đây các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm được thiết kế, chế tạo và lắp ráp, chạy thử đảm bảo các yêu cầu chính xác và độ bền. Sau đó kiểm tra và hiệu chỉnh trên dụng cụ chuẩn đảm bảo độ chính xác cho phép.
- Chuẩn bị cánh quạt hút, đĩa thép lắp dao cắt đất, chuẩn bị hệ thống cắt đất, máy hút và phun đất, các dụng cụ thí nghiệm được thể hiện trên hình 4.11.
4.4.2. Tổ chức và tiến hành thí nghiệm
4.4.2.1. Đo mô men xoắn trên trục lắp đĩa đĩa thép
Các thí nghiệm đo mơ men xoắn trục trên trục lắp đĩa thép được thực hiện tại rừng thực nghiệm Trường Đại học Lâm nghiệp với các thông số sau:
-Đất thí nghiệm: Là đất tự nhiên ở trong rừng, loại đất là đất thịt có lẫn sỏi, rẽ cây, độ ẩm của đất 30%, độ chặt của đất 15kg/cmThiết bị thí nghiệm: Khối lượng dao cắt m = 50g , bán kính đĩa thép R0 thay đổi như sau: R0 = 6cm; R0 = 7cm; R0 = 8cm; R0 = 9cm; R0 = 10cm, chiều
dài dao cắt lấy giá trị cố định: l = 7cm, số vòng quay của trục lắp dao cắt đất n = 1500 vòng/ phút.
Để bảo đảm độ tin cậy của các số liệu thí nghiệm đạt được 95%, theo phương pháp đã biết, luận án đã xác định số lần lặp lại của mỗi thí nghiệm là 3. Hình 4.12 là biểu đồ của mơ men xoắn trục lắp đĩa thép. Số liệu thí nghiệm sau thi thu được từ thiết bị đo thay vào công thức 4.2, xác định được công suất cắt - kéo văng đất, công suất cắt - kéo văng đất được ghi ở bảng 4.1. Q trình thí nghiệm được thể hiện trên hình 4.11.
Hình 4.11: Thực nghiệm đo mô men, gia tốc rung động của hệ thống cắt đất
Hình 4.12: Biểu đồ mơ men xoắn của trục đĩa thép lắp dao cắt theo thời gian cắt
4.4.2.2. Đo gia tốc rung của máy cắt đất
Đồng thời với đo mô men xoắn trên trục lắp đĩa thép, luận án tiến hành đo gia tốc rung động của máy. Để đảm bảo tin cậy của các số liệu thí nghiệm là 95%, theo các số liệu của thí nghiệm thăm dị ban đầu, xác định được số lần lặp lại cho mỗi thí nghiệm là 3. Q trình thí nghiệm theo phương pháp thống kê toán học, các tham số đầu vào thay đổi ở các giá trị khác nhau theo chiều tăng dần. Kết quả thí nghiệm xử lý bằng phần mềm Tcwin và Catman, hình
4.13 là biểu đồ gia tốc rung động hệ thống cắt đất.
Hình 4.13: Biểu đồ gia tốc rung động của hệ thống cắt đất
4.4.2.3. Xử lý kết quả thí nghiệm
Để kết quả thí nghiệm chính xác chúng tơi tiến hành thí nghiệm theo từng lơ, mỗi lơ có ba thí nghiệm. Theo định luật số lớn thì phân bố xác suất trung bình mẫu tiệm cận chuẩn [6], [9], [11].
Công thức ước lượng mẫu tổng thể là:
P X − uα /2 . ≤ µm ≤ X + uα /2 . = 1 − α
Trong đó: X - trị số trung bình mẫu tổng thể;
S - tiêu chuẩn mẫu; α- mức ý nghĩa;
Nếu gọi ∆ là sai số tuyệt đối của ước lượng, ta có:
∆ = u . ⇒ P.( X − ∆ ≤
µ ≤ X + ∆) = 1 − α
α /2 m
Dung lượng mẫu cần thiết là: n =
uα.S 2 .
2.10 (4.4)
ct ( X )2 .(∆ %)2
Trong đó ∆c% sai số tương đối của ước lượng, lấy ∆c% = 5%.
Kết quả từ các thí nghiệm đo mơ men xoắn, đo gia tốc rung động của máy cắt đất được đưa vào xử lý theo phương pháp "THKU 53X" [11] và phần mềm Tcwin để xác định các đặc trưng động lực học, các bước xử lý số liệu bao gồm:
- Loại bỏ các gia tốc bất thường;
- Xác định các giá trị theo thời gian bằng phương pháp tung độ điểm. Theo [24], hàm tương quan được tính theo cơng thức sau:
R (∆tj ) = 1 N−j X' .X' (4.5) x . ∑ i i=1 i+j
Trong đó: ∆t - số gia thời gian; j - bước nhảy;
N - số số
liệu X' ; i - số hạng tương ứng X' .
Kết quả đo gia tốc của máy cắt đất được thay vào cơng thức (4.3), sau khi tính tốn được gia tốc rung động của máy ghi ở bảng 4.2.
4.4.3. Kiểm chứng mơ hình tính tốn lý thuyết
4.4.3.1. Kiểm chứng mơ hình tính tốn cơng suất cắt- kéo văng đất
Để so sánh giữa kết quả tính theo lý thuyết với thực nghiệm, trong bảng 4.1 trình bày kết quả tính theo lý thuyết tương ứng với các đại lượng được xác định bằng thực nghiệm (các thông số của q trình khảo nghiệm có cùng giá trị với thơng số tính theo mơ hình lý thuyết). Kết
/2
N −
i i
quả tính cơng suất cắt- kéo văng đất bằng lý thuyết và bằng thực nghiệm được ghi trong bảng so sánh 4.1.
Bảng 4.1. So sánh lực cắt đất tính tốn theo lý thuyết với kết quả thực nghiệm
Bán kính đĩa thép (cm)
Cơng suất cắt - kéo văng đất (KW)
Lý thuyết Thực nghiệm Sai số (%)
6 2,46 2,72 9,6 7 2,75 3,02 8,9 8 2,93 3,22 9,0 9 3,37 3,66 7,9 10 3,93 4,31 8,8 Từ kết quả bẳng 4.1 có nhận xét sau:
- Sai lệch giữa kết quả xác định công suất cắt - kéo văng đất bằng thực nghiệm so với tính theo lý thuyết nằm trong phạm vi cho phép và chấp nhận được, như vậy mơ hình tính tốn cơng suất cắt - kéo văng đất theo lý thuyết là có thể tin cậy được. Có sự sai lệch giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết là do trong quá trình thực nghiệm giữa các yếu tố ảnh hưởng tác động lẫn nhau mà trong nghiên cứu lý thuyết chưa kể đến tác động này. Để nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố đến công suất cũng như tác động giữa các yếu tố với nhau luận án sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để nghiên cứu, nội dung và kết quả nghiên cứu được trình bày ở phần tính tốn tối ưu một số thơng số của máy.
4.4.3.2. Kiểm chứng mơ hình tính tốn rung động của máy cắt đất
Luận án đã tiến hành xác định gia tốc rung động của máy cắt đất khi thay đổi bán kính đĩa thép lắp dao cắt đất, kết quả thu được ở dạng biểu đồ (hình 4.13) sử dụng các phần mềm DMC-Plus, Catman xác định được gia tốc rung cực đại ứng với bán kính đĩa thép lắp dao cắt khác nhau. Để đánh giá độ tin cậy của
mơ hình lý thuyết tính tốn dao động của hệ thống cắt đất, luận án so sánh kết quả tính tốn theo mơ hình lý thuyết với kết quả thực nghiệm ở bảng 4.2.
Bảng 4.2. Bảng so sánh gia tốc rung động cực đại của hệ thống cắt đất giữa mơ hình tính tốn lý thuyết và kết quả thực nghiệm
Bán kính đĩa thép lắp dao
cắt đất (cm)
Gia tốc rung động cực đại tính theo mơ
phỏng lý thuyết (m/s2) Gia tốc rung động cực đại xác định bằng thực nghiệm (m/s2) Sai số (%) 6 6,2 6,8 8,82 8 8,5 9,3 8,60 10 10,2 11,3 9,73 Nhận xét: Từ kết quả bảng 4.2 có nhận xét sau:
- Đồ thị gia tốc rung động của hệ thống cắt đất giữa lý thuyết và thực nghiệm là tương tự như nhau, phù hợp với qui luật thay đổi của lực kích động do xung lực cắt đất gây ra.
- Gia tốc rung động cực đại của hệ thống cắt đất đồng biến với bán kính của đĩa thép lắp dao cắt đất, khi bán kính đĩa thép tăng lên, xung lực va đập tăng lên, lực cắt tăng lên, từ đó gia tốc rung động tăng lên.
- Sai số giữa gia tốc rung động của hệ thống cắt đất, cắt đất tính theo kết quả mô phỏng lý thuyết với kết quả xác định bằng thực nghiệm nằm trong phạm vi cho phép, như vậy mơ hình tính tốn rung động của máy cắt đất đã lập ở chương 2 là tin cậy được.
4.5. Xác định một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát
4.5.1. Chọn phương pháp nghiên cứu
4.5.1.1. Chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Q trình xác định các thơng số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát là rất phức tạp, chịu nhiều yếu tố tác động. Việc khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố đến các hàm mục tiêu được nghiên cứu ở lý thuyết tính tốn
hệ thống cắt đất ở dạng búa và cơ sở tính tốn quạt gió cao áp, song việc nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời nhiều yếu tố đến hàm mục tiêu chưa được phân tích nghiên cứu. Để xác định ảnh hưởng của nhiều yếu tố đến chỉ tiêu nghiên cứu, luận án chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm.
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm là cơ sở lý luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại có nhiều ưu điểm, trong đó cơng cụ tốn học giữ vai trị tích cực. Cơ sở tốn học của lý thuyết quy hoạch thực nghiệm là toán học thống kê với 2 lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi quy. Nội dung của phương pháp quy hoạch thực nghiệm được trình bày trong các tài liệu [6]; [13]. Dưới đây chỉ ứng dụng phương pháp này vào bài toán cụ thể.
4.5.1.2. Chọn hàm mục tiêu nghiên cứu
Để đánh giá chất lượng và hiệu quả dập lửa của máy chữa cháy rừng bằng đất cát có nhiều chỉ tiêu nghiên cứu bao gồm các chỉ tiêu sau:
- Khối lượng đất cát phun vào đám cháy càng lớn thì hiệu quả dập lửa càng cao, khối lượng đất phun vào đám cháy là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả dập lửa;
- Áp lực đất phun vào đám cháy càng cao hiệu quả dập lửa càng lớn, áp lực phun của đất cao bắn phá nguồn nhiệt cắt nguồn nhiệt ra khỏi vật cháy, từ đó hiệu quả dập lửa cao;
- Vận tốc khơng khí và đất cát phun vào đán cháy cũng ảnh hưởng đến hiệu quả và năng suất dập lửa, vận tốc khơng khí và đất cát lớn thì áp lực phun lớn, vận tốc khơng khí và đất cát tỷ lệ thuận với áp lực của đất cát và khơng khí phun vào đám cháy;
- Rung động của của máy cũng là chỉ tiêu ảnh hưởng đến sức khỏe người vận hành, rung động lớn ảnh hưởng đến độ bền các chi tiết của máy;
- Trọng lượng của máy cũng ảnh hưởng đến khả năng cơ động của máy trên địa hình phức tạp.
Tóm lại: Có nhiều chỉ tiêu đánh giá chất lượng và hiệu quả dập lửa của máy, trong luận án chọn hai hàm mục tiêu quan trọng đó là hàm khối lượng
đất phun vào đám cháy ký hiệu Q đơn vị tính (kg/phút) và hàm mục tiêu áp lực đất phun vào đám cháy, ký hiệu P đơn vị tính (N).
4.5.1.3. Chọn tham số ảnh hưởng đến hàm mục tiêu
Từ kết quả nghiên cứu ở chương 3 ta nhận thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu, chúng phân ra các nhóm chính sau:
- Nhóm yếu tố thuộc về đất: Đó là những đại lượng ngẫu nhiên, loại
đất, độ ẩm của đất là yếu tố ảnh hưởng lớn đến quá trình cắt đất, hút đất, kết quả nghiên cứu thăm dò cho thấy ảnh hưởng của loại đất cứng hay đất mềm, đất khô hay đất ướt vào quá trình cắt đất đều tuân theo một quy luật. Do vậy, chỉ cần thí nghiệm ở một loại đất, một loại độ ẩm nhất định cũng có thể suy ra ở các loại đất, các loại độ ẩm khác. Trong nghiên cứu này chúng tôi chọn một loại đất là đất sỏi có độ ẩm 30% để làm thí nghiệm.
- Nhóm yếu tố thuộc về thơng số của hệ thống cắt đất
+ Đường kính động học của đĩa thép lắp dao cắt: Theo kết quả thí nghiệm thăm dị cho thấy đường kính đĩa thép có ảnh hưởng lớn đến chi phí năng lượng riêng. Nếu đường kính đĩa thép lớn thì vận tốc cắt tăng, năng suất cắt tăng, khi đường kính đĩa tăng quá lớn trọng lượng máy nặng, lực cản cắt tăng lên từ đó cơng suất cắt tăng, ảnh hưởng đến năng suất cắt. Do vậy đường kính đĩa thép là tham số cần phải nghiên cứu.
+ Chiều dài dao cắt ảnh hưởng lớn đến quá trình cắt đất. Chiều dài càng lớn thì lực cắt nhỏ, dẫn đến năng suất cắt đất giảm đi, chiều dài dao cắt thay đổi rẽ ràng, nên tham số này cần phải nghiên cứu.
+ Trọng lượng của dao cắt đất cũng ảnh hưởng đến lực cắt đất, trọng lượng dao cắt lớn thì lực cắt lớn, nhưng rung động của hệ thống cắt lớn, do vậy trọng lượng của dao cắt cũng là yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt đất.
+ Các thơng số về góc cắt của dao cắt bao gồm: Góc sau α; góc mài β; góc cắt δ ; bề rộng br. Trong các thơng số trên thì góc mài càng nhỏ càng tốt nhưng độ cứng vững thấp, thơng thường góc mài β lấy bằng 204
cắt lớn thì năng suất cao, như chi phí năng lượng lớn, bề rộng lấy ở một giá trị nhất định. Góc cắt δ ảnh hưởng đến quá trình cắt đất, trong q trình cắt góc cắt ln thay đổi do vậy góc cắt δ lấy ở giá trị nhất định.
- Nhóm yếu tố thuộc về thơng số của quạt gió cao áp
+ Theo kết quả phân tích ở chương 3, góc lắp đầu ra của cánh quạt β2
ảnh hưởng lớn đến áp lực hút và phun đất, tham số này có thể thay đổi được, do vậy luận án chọn tham số này là tham số để nghiên cứu.
+ Số lượng cánh quạt gió cũng là tham số ảnh hưởng đến áp lực hút, áp