4.3. Phương pháp xác định các đại lượng nghiên cứu
4.3.1. Phương pháp xác định công suất cắt - kéo văng đất
Việc xác định công suất cắt - kéo văng đất rất phức tạp, do vậy luận án xác định công suất cắt - kéo văng đất thông qua mô men xoắn của trục lắp đĩa thép. Quá trình đo mô men được thực hiện bằng đầu đo T4 do Cộng hòa Liên bang Đức chế tạo, sơ đồ bố trí thiết bị đo mô men được trình bày trên hình 4.2.
Hình 4.2: Sơ đồ bố trí thiết bị đo mô men
Mô men cắt được xác định như sau:
Mc = MT - M0 (4.1)
Trong đó: Mc - mô men cắt, N.m; MT - mô men có tải, N.m; M0 - mô men không tải, N.m.
Công suất cắt- kéo văng đất được tính theo công thức: Nc-kv = Mc ω
Trong đó: Nc-kv – Công suất cắt – kéo văng đất, KW;
ɷ - Vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt, rad/s.
(4.2)
Mô men xoắn của trục lắp đĩa thép được đo theo phương pháp đo lường các đại lượng không điện bằng điện đã được trình bày trong các tài liệu [9], sơ đồ tổng quát của quá trình đo được thực hiện như sau:
X
Tín hiệu X được đưa vào bộ phận chuyển đổi, ở đây các tín hiệu không điện được chuyển thành điện theo nguyên tắc chuyển đổi tenzô với cầu đủ điện trở, qua dây dẫn các tín hiệu này được chuyển đến bộ phận khuếch đại,
Động cơ cưa xăng Đầu do mô men T4 Trục lắp đĩa thép lắp dao cắt đất Hệ thống cắt đất Bộ khuếch đại Spider -8 Thiết bị ghi ( máy tính)
Thiết bị ghi (máy tính và phần mềm Bộ phận khuếch đại
Spider - 8 Bộ phận chuyển
sau đó được truyền đến thiết bị ghi và được ghi lại dưới dạng biểu đồ. Đầu đo mô men T4 và sơ đồ cầu điện trở trong đầu đo mô men được trình bày trên hình 4.3.
Hình 4.3: Sơ đồ cầu điện trở và đầu đo mô men T4
Trong sơ đồ trên: R1 ; R2 ; R3 ; R4 - các tenzô điện trở; U0 - điện áp nuôi; UR - điện áp đầu ra.
Để đo mô men xoắn trục lắp đĩa thép lắp dao cắt luận án tiến hành như sau:
- Cắt đôi trục lắp đĩa thép;
- Lắp đầu đo mô men T4 hình trên hình 3.5 vào giữa trục lắp đĩa thép đã được cắt đôi;
- Cố định đầu đo mô men T4 khung máy;
- Kết mối đầu dây tín hiều ra với bộ khuếch đại DMC;
- Sơ đồ bố trí đầu đo mô men được thể hiện trên hình 4.4.
Hình 4.4: Sơ đồ lắp ráp đầu đo mô mem T4 vào trục lắp đĩa thép lắp dao cắt đất
1- Pu ly lắp dây đai truyền chuyển động từ động cơ cho trục lắp đĩa thép
2- Gối đỡ trục lắp đĩa thép; 3- Trục lắp đĩa thép đã được cắt đôi và lắp vào 2 đầu của đầu đo mô men; 4- Đầu đo mô men T4 Cộng hòa Liên bang Đức; 5- Ốp giữ đĩa thép; 6- Đĩa thép để lắp dao cắt; 7- Dao cắt đất,
8- Chốt lắp dao cắt vào đĩa thép.
4.3.2. Phương pháp đo gia tốc rung của hệ thống cắt đất
Để đo gia tốc rung động của máy, luận án sử dụng đầu đo gia tốc B12/1000 lên tay cầm của máy đào theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang, khi máy làm việc tín hiệu đo được truyền về thiết bị đo nhiều kênh Spider-8, sau đó được máy tính ghi lại. Đồng thời với đo gia tốc rung chúng tôi còn đo mô men xoắn trục lắp đĩa thép. Thiết bị đo gia tốc B12/1000 được trình bày trên hình 4.5.
Hình 4.5: Thiết bị đo gia tốc rung B12/1000
.
Kết quả thí nghiệm đo gia tốc rung động của hệ thống cắt đất được ghi lại dưới dạng mã ASCII, sử dụng phần mềm Catman xác định các đặc trưng của gia tốc.
Gia tốc cực đại được xác định bằng phương pháp tung độ và điểm, gọi các giá trị đo được là: a1, a2, a3…..an (n số lần đo), gia tốc rung trung bình (atb) được xác định như sau:
atb n ∑ai = i = 1 n (4.3) 4.3.3. Phương pháp xác định áp lực đất phun
Việc bố trí thí nghiệm xác định các đại lượng nghiên cứu được tiến hành trên đối tượng nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường, áp dụng phương pháp đo các đại lượng không điện bằng điện thông qua một số loại cảm biến đo lực tiêu chuẩn của Cộng hòa Liên Bang Đức cảm biến đo lực được kết nối với bộ chuyển đổi. Kết quả thí nghiệm được ghi lại dưới dạng mã ASCII và được xử lý bằng các phần mềm Catman, Excel....
X Xe Y
Hình 4.7: Sơ đồ cấu trúc dạng khối của thiết bị thí nghiệm
Đại lượng X là đại lượng đo không điện qua chuyển đổi sơ cấp được kết quả Xe, qua biến đổi điện - điện cho đại lượng đầu ra Y dưới dạng điện áp, sau đó qua bộ chuyển đổi tương tự số A/D (Analog Digital Converter) đưa vào bộ chỉ thị, đưa ra bộ nhớ ghi ở dạng mã ASCII và hiển thị trên màn hình.
a) Mô hình thiết bị đo áp lực đất phun
Để xác định áp lực đất phun vào đám cháy luận án tiến hành mô hình thí nghiệm như sau:
Chuyển đổi điện - điện Chuyển đổi không
Hình 4.8: Sơ đồ đo áp lực của đất phun vào đám cháy1- Đất rừng 1- Đất rừng 2- Đĩa thép 3- Dao cắt đất 4- Bao che 5- Đất sau cắt 6- Ống hút đất 7- Quạt hút và phun 8- Ống phun đất 9- Buồng hút 10- Ống hút
11- Đất phun vào đầu đo lực 12- Đầu đo lực
13 - Thiết bị khuếch đại 14- Máy vi tính
Hoạt động của mô hình thiết bị thí nghiệm: Cho máy cắt đất hoạt động, đất được cắt ra và tung lên, cho máy hút và phun hoạt động đất được hút và phun vào đầu đo lực, đầu đo lực đặt cách miệng ống thổi một khoảng cách nhất định là 0,3m và được kết nối với thiết bị khuếch đại, thiết bị khuếch đại được kết nối máy tính và ghi lại kết quả đo.
4.3.4. Phương pháp xác định khối lượng đất phun
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 hòa 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 dòng 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, công 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 hòa 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 mô hình tính toán lý thuyết
4.4.1. Chuẩn bị thí nghiệm
- Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo
Các thí nghiệm đo mô 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 mô 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 mô 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. Quá 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 mô 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 dò ban đầu, xác định được số lần lặp lại cho mỗi thí nghiệm là 3. Quá 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 tôi tiến hành thí nghiệm theo từng lô, mỗi lô 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 mô 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 công 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 công thức (4.3), sau khi tính toán được gia tốc rung động của máy ghi ở bảng 4.2.
4.4.3. Kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết
4.4.3.1. Kiểm chứng mô hình tính toán công 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 quá trình khảo nghiệm có cùng giá trị với thông số tính theo mô hình lý thuyết). Kết
/2
N −
i i
quả tính công 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 toán theo lý thuyết với kết quả thực nghiệm
Bán kính đĩa thép (cm)
Công 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 mô hình tính toán công 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 toán tối ưu một số thông số của máy.
4.4.3.2. Kiểm chứng mô hình tính toán 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
mô hình lý thuyết tính toán dao động của hệ thống cắt đất, luận án so sánh kết quả tính toán theo mô 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 mô hình tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm
Bán kính đĩa thép lắp dao
cắt đất (cm)
Gia tốc rung động cực đại tính theo mô
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.