Đường 1: Qui luật thay đổi vận tốc tuyến tính phương trình (3.8) Đường 2: Qui luật thay đổi vận tốc phi tuyến phương trình (3.9)
Khảo sát với khối lượng cụm thiết bị mM =90kg trên hai loại đường bằng phẳng khơng gờ cản và có gờ cản với hai cách thức thay đổi vận tốc (1), (2) ở hình 3.3, khi cho giá trị xM thay đổi đã cho kết quả về trị df như sau:
Hình 3.3: Đồ thị df ứng với vận tốc theo qui luật (3.8) không gờ cản: f(x) = 0
Hình 3.5: Đồ thị df ứng với vận tốc theo qui luật (3.8) có gờ cản : f(x) > 0
Hình 3.6: Đồ thị df ứng với vận tốc theo qui luật (2.9) có gờ cản : f(x) > 0
Từ kết quả khảo sát thu được trên các hình 3.3 đến hình 3.6, dẫn đến một số nhận xét sau:
1. Trên mặt đường khơng có gờ cản ở đồ thị hình 3.3 và hình 3.4
+ Khả năng bám mặt đường của xe giảm đi khi trị xM nhỏ đi (tức là cụm phương tiện càng lắp lùi về phía sau).
+ Với cách thức thay đổi vận tốc theo qui luật (3.8) (đường (1) hình 3.2) cho khả năng xe bám đường tốt hơn cách thức thay đổi vận tốc theo qui luật (3.9) (đường (2) hình 3.2). Với quy luật thay đổi vận tốc (3.8), xe bám mặt
đường ở mọi vận tốc khi xM 0 (hình 3.3), nhưng với quy luật thay đổi vận tốc (3.9) với xM 0, bánh trước không bám mặt đường khi xe ở vận tốc v 50 km / h (hình 3.4). Điều này do nguyên nhân thay đổi vận tốc theo quy luật (3.9) có gia tốc lớn hơn gia tốc khi vận tốc thay đổi theo quy luật (3.8) (hình 3.2), qui luật thay đổi vận tốc tuyết tính lực đẩy bánh xe chủ động tăng từ từ nên bánh xe phía trước bám đường tốt, cịn qui luật thay đổi vận tốc phi tuyến thì lực đẩy bánh sau xe tăng lên tức thì dẫn đến bánh trước của xe bị nâng lên khởi mặt đường, dẫn đến khả năng bám đường của bánh trước xe giảm đi.
2. Trên mặt đường có mấp mơ cao 30cm, rộng 0,5m (hình 3.1) thì xe đều vượt qua với vận tốc lớn hơn 25 km/h (hình 3.5 - hình 3.6).
b) Khảo sát với sự thay đổi khối lượng của cụm thiết bị chữa cháy lắp trên xe
Khảo sát mơ hình với khối lượng cụm thiết bị khác nhau: Thay đổi vận tốc theo cách quy luật đường (1) trên hình 3.2, xe chạy trên đường phẳng khơng có gờ cản, khối lượng cụm thiết bị mM= 90, 110, 130 (kg);xM 0 ( m ) và
M
x 0,15 ( m )
Hình 3.7: Đồ thị df ứng với khối lượng mM khác nhau, với vận tốc theo qui luật (3.8), xM 0 ( m )và khơng có gờ cản : f(x) =0
Hình 3.8: Đồ thị df ứng với khối lượng mM khác nhau, với vận tốc theo qui luật (3.8), xM 0,15 ( m )và khơng có gờ cản: f(x) =0 Nhận xét: Khi xM 0,15 ( m )thì bánh trước của xe vẫn bám đường ở mọi vận tốc 70 km/h mà khối lượng cụm thiết bị có thể mang tới 130 kg, trong khi
M
x 0 ( m )thì bánh trước của xe chỉ bám đường với khối lượng 90 kg.
Từ kết quả khảo sát thu được có thể nhận thấy rằng qui luật thay đổi vận tốc khi khởi hành theo công thức (3.8) cho xe hoạt động không bị mất lái (bốc đầu), tọa độ trọng tâm của xe sau khi lắp các hệ thống chữa cháy trên xe
M
x 0,15 ( m ) là hợp lý nhất, xe bám đường khi khởi hành cũng như khi di chuyển qua gờ cản, đồng thời vẫn đảm bảo không gian để lắp đặt các hệ thống chữa cháy trên xe.
3.2. Tính tốn vận tốc của xe máy chữa cháy khi quay vòng chuyển hướng
Giả sử hệ số ma sát trượt giữa lốp xe và mặt đường là µ, khi đó theo (2.48), nếu xe di chuyển vịng theo đường cua bán kính Rc thì vận tốc xe phải
thỏa mãn :
Nếu vịng cua trên đường có độ rộng là a thì bán kính cua vịng Rc< a. Bảng 3.2 cho một số vận tốc tối đa của xe khi quay vòng qua các khúc cua có bán kính Rc ứng với các trị của hệ số ma sát trượt µ.
Bảng 3.2. Vận tốc xe tối đa vmax (km/h) khi qua khúc cua có bán kính Rc
(m) ứng với các hệ số ma sát trượt µ
Hệ số µ
Vận tốc quay vịng tối đa của xe
Ghi chú Rc =2(m) Rc =3 (m) Rc =5 (m) Rc =6 (m)
0.3 8.7 km/h 10.7 km/h 12.8 km/h 15.1 km/h Đường bê tông asphalt ướt 0.4 21.1 km/h 22.3 km/h 26.5 km/h 27.7 km/h Đường bê tông
asphalt khô 0.5 36.6 km/h 38.5 km/h 41.0 km/h 42.0 km/h Đường bê tông
xi măng
3.3. Khảo sát phương trình động học của xe khi chuyển động trong ngõ ngách nhỏ hẹp ngách nhỏ hẹp
Thiết lập phương trình động học di chuyển xe qua ngõ ngách nhỏ hẹp trong chương 2 dẫn đến bài tốn tìm trị nhỏ nhất của hàm :
2 1 1 2 2 AB b a 1 1 R b( y b ) a(x a ) L x y R ( y b )( x a ) (3.11) với ràng buộc : 1 1 2 2 2 1 1 a R x a ( a ) b R y b ( b ) ( x a ) ( y b ) R ( c ) (3.12)
Từ (3.11) đặt: 2 1 1 AB 1 1 R b( y b ) a(x a ) L L R ( y b )( x a ) (3.13) Đặt : 1 1 a b x a y a A , B , t , u R R R R (3.14)
Khi đó, theo (3.12) có được:
A > 1, B > 1 , t2 + u2 = 1, -1 < t < 0; -1 < u < 0 (3.15) Thay (3.14) vào (3.13) có được:
1 Bu At L ut (3.16) Do (3.15) nên u 1 t 2 , dẫn đến 2 2 1 B 1 t At L t 1 t (3.17)
Hình 3.9: Mơ hình động học của bài tốn xe di chuyển qua cua vng góc
Chú ý đến các điều kiện (3.15) có được:
2 2 At B 1 t 1 L t 1 t với -1 < t < 0 (3.18) Khảo sát hàm L với t trong khoảng (-1 , 0) ta được:
2 2 3 2 2 2 2 B Bt 1 t At 2t 1 dL dt t ( 1 t ) 1 t (3.19) Hàm L là hàm có đạo hàm liên tục trong khoảng (-1, 0). Biểu thức của dL
dt có
dạng phân thức với tử thức là:
2 2 3 2
T( t ) BBt 1 t At 2t 1
và mẫu thức là M ( t ) t ( 1 t ) 1 t 2 2 2 Nhận thấy M(t) > 0 với mọi t ( 1, 0 ) và
t 1 lim M ( t ) 0 , t 0 lim M ( t ) 0 Có tlim T( t )1 A 2 1 1 A 0 (3.20) Do vậy t 1 t 1 t 1 lim T( t ) dL lim dt lim M ( t ) (3.21) Có t 0 limT( t ) B 1 0 (3.22) Do vậy t 0 t 0 t 0 lim T( t ) dL lim dt lim M ( t ) (3.23)
Theo tính chất của hàm liên tục, chắc chắn có nghiệm của phương trình
dL 0
dt trên khoảng (-1, 0). Để tìm nghiệm phương trình dL 0
dt ta có thể giải gần đúng bằng phương pháp chia đôi liên tiếp đoạn 1 , , trong đó
0 1. Khi tìm được trị t0 là nghiệm của dL 0
dt , ta thay t0 vào (2.18) để tính L, khi đó tính được độ dài xe tối đa LAB = L.R .
Bảng 3.3. Chiều dài tối đa của xe máy chữa cháy LAB (m) quay vịng vng góc trong ngõ ngách có chiều rộng a, b tương ứng. Bề rộng ngõ
b (m)
Chiều dài tối đa của xe máy chữa cháy LAB (m) a=1,5m a=1,7m a=2m a=2,2m a=2,5m
1,5 2,2 2,5 2,9 3,2 3,5
1,7 2,5 2,8 3,2 3,5 3,9
2 2,9 3,2 3,7 3,9 4,3
2,2 3,2 3,5 3,9 4,2 4,6
2,5 3,5 3,9 4,3 4,6 5,1
Như vậy, với chiều rộng 1,0 (m) và chiều dài 2,2 (m) thì xe đều có thể di chuyển qua cua vng góc của các ngõ có chiều rộng 1,5( m ).
3.4. Tính độ lệch ngang tối đa của trọng tâm cụm thiết bị để phù hợp độ thoải mái của người lái khi tác nghiệp thoải mái của người lái khi tác nghiệp
Theo công thức (2.61), khoảng lệch ngang ym tối đa của trọng tâm cụm thiết bị được tính theo trọng lượng của thân trên người Pn và trọng lượng cụm thiết bị Pm cùng với khoảng cách Ln từ xương chậu lên trọng tâm phần thân trên người, góc lệch xương sống r và độ lệch ngang xương chậu yr. Dựa theo phương pháp đo đạc thực nghiệm trong [83] (được trình bầy trong chương 4) cho kết quả để người lái cảm thấy thoải mái khi lái xe thì 0
r 40
Hình 3.10: Trạng thái người lái khi xe giữ thăng bằng khi di chuyển thẳng trong trường hợp trọng tâm cụm thiết bị có sự lệch ngang Bảng 3.4. Khoảng lệch ngang tối đa ym (cm) ứng với r40 , y0 r 2cm
và các thông số Ln , Pm , Pn (Chiều cao, cân nặng người lái) (cm, kG) Ln (cm) Pm (kG) Pn (kG) 90 100 110 120 130 (165 , 65) 30 33 6,3 5,7 5,2 4,8 4,4 (169 , 70) 31 35 7,0 6,3 5,7 5,2 4,8 (172, 75) 33 37 7,9 7,1 6,5 5,9 5,5 (176 , 80) 35 40 9,1 8,2 7,5 6,8 6,3 Kết quả tính tốn khoảng lệch ngang tối đa ym (cm) ứng với 0
r 40 ,
r
y 2 cm và các thông số Ln (cm) , Pm (kG), Pn (kG) tương ứng. Chẳng hạn, nếu người lái xe cao 172cm, nặng 75(kG) và cụm thiết bị có trọng lượng 90(kG) thì độ lệch ngang tối đa là 7,9cm. Với độ lệch ngang tối đa này, người lái vẫn có sự thoải mái khi lái xe chạy thẳng.
3.5. Xác định một số thông số hợp lý của xe máy chữa cháy phố cổ
Từ kết quả khảo sát thu được ở phần trên, luận án phân tích, xác định một số thơng số hình học, động học của xe máy chữa cháy để phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm cũng như phục vụ cho thiết kế chế tạo, hoàn thiện và sử dụng xe máy chữa cháy.
3.5.1. Các thông số kết cấu của xe máy chữa cháy
Từ kết quả xây dựng mơ hình, thiết lập phương trình động lực học, kết quả khảo sát các phương trình động lực học, luận án đề xuất thông số hợp lý về kết cấu của xe máy chữa cháy như sau:
Xe máy cơ sở nói chung đã được nghiên cứu tính tốn tối ưu về kết cấu, trong đó có vị trí trọng tâm của xe. Song khi chế tạo, lắp ráp các hệ thống thiết
bị cứu nạn và chữa cháy lên xe, dẫn đến cấu trúc của xe thay đổi, tọa độ trọng tâm thay đổi, từ đó động lực học chuyển động cũng như độ bám đường của xe thay đổi. Với các thông số kỹ thuật của xe cơ sở là đầu vào cho khảo sát lý thuyết, kết quả sẽ cho các thông số hợp lý để lắp ráp các hệ thống chữa cháy lên xe, đảm bảo yêu cầu để xe không bị mất lái khi khởi hành, khi di chuyển qua gờ cản và cân bằng khi quay vòng.
Với các thông số kỹ thuật của xe cơ sở là xe Kawasaki W175 SE cùng trọng lượng người lái là 80kG, kết quả khảo sát động lực học chuyển động thẳng của xe, cho thấy khi đặt độ cao tọa độ trọng tâm cụm thiết bị Zm= 75cm (cao ngang bằng trọng tâm khối treo có người lái) thì tọa độ trọng tâm của cụm thiết bị theo trục X là Xm 15cm sẽ hợp lý nhất, khi đó bánh trước xe ln bám đường với mọi vận tốc 70 km / h với tải trọng cụm thiết bị đạt tới 130kG.
3.5.2. Vận tốc hợp lý của xe máy chữa cháy khi sử dụng
Từ kết quả khảo sát thu, luận án đua ra các vận tốc hợp lý khi sử dụng xe cơ sở là xe Kawasaki W175 SE như sau:
- Khi khởi hành, vận tốc khởi hành theo qui luật phương trình (3.8). - Khi chuyển động trên đường thẳng vận tốc của xe V ≤ 70km/h
- Khi quay vịng chuyển hướng, rẽ trái, rẽ phải thì vận tốc theo kết quả tính tốn ở bảng 3.2
3.5.3. Kích cỡ hình học của xe máy chữa cháy phù hợp độ rộng ngõ ngách, góc cua để di chuyển được góc cua để di chuyển được
Với chiều rộng xe R = 1,0(m), bảng 3.3 cho kích thước chiều dài mặt chiếu bằng xe di chuyển được qua các góc cua có các kích thước rộng tương ứng. Kết quả này giúp cho việc lập phương án di chuyển để cứu hộ và chữa cháy trên các địa bàn cụ thể.
Để độ nghiêng người trong giới hạn người lái cảm thấy vẫn thoải mái khi lái xe, bảng 3.4 cho các giá trị lệch ngang tối đa ym trọng tâm cụm thiết bị ứng với chiều cao, cân nặng của người lái và khối lượng cụm thiết bị. Kết quả này giúp cho việc thiết kế phần gá lắp cụm thiết bị chữa cháy trên xe đạt các thông số tối ưu, cùng với độ nghiêng trong giới hạn thoải mái của người lái sẽ giúp cho xe cân bằng trong quá trình di chuyển.
Kết luận chương 3
Từ kết quả khảo sát thu được ở phần trên, luận án có rút ra một số kết luận sau: 1. Đã khảo sát phương trình động lực học chuyển động thẳng của xe máy chữa cháy, kết quả khảo sát là cơ sở khoa học để tính tốn xác định giá trị hợp lý thơng số hình học và kết cấu của hệ thống công tác lắp trên xe máy chữa cháy. Kết quả khảo sát động lực học chuyển động thẳng của xe, cho thấy khi sử dụng xe cơ sở là xe Kawasaki W175 SE và đặt độ cao tọa độ trọng tâm cụm thiết bị Zm= 75cm (cao ngang bằng trọng tâm khối treo có người lái) thì tọa độ trọng tâm của cụm thiết bị theo trục X là Xm 15cm sẽ hợp lý nhất, khi đó bánh trước xe ln bám đường với mọi vận tốc ≤ 70km/h và tải trọng cụm thiết bị đạt có thể tới 130kG.
2. Từ phương trình động học khi xe quay vòng chuyển hướng , đưa ra được bảng các vận tốc an toàn ứng với hệ số ma sát trượt và bán kính vịng quay (bảng 3.2).
3. Khảo sát phương trình động học của xe di chuyển qua các khúc cua nhỏ hẹp, đưa ra được bảng kích thước chiều dài xe ứng với chiều rộng xe bằng 1,0(m). Qua kết quả này cho thấy: với xe có chiều rộng 1,0m, chiều dài
L 2,2( m )đều đi qua được các cua vng của đường ngõ ngách có chiều rộng 1,5(m). Bảng 3.3 sẽ làm cơ sở cho việc lập phương án cứu hộ và chữa cháy ở các địa bàn khu phố cổ, ngõ ngách nhỏ hẹp.
4. Xây dựng được mơ hình và các thơng số cần đo đạc để kết nối mối liên hệ giữa độ lệch ngang của trọng tâm cụm thiết bị và độ nghiêng người trong sự thoải mái của người lái. Từ đó cho các giá trị lệch ngang tối đa ym trọng tâm cụm thiết bị ứng với chiều cao, cận nặng của người lái và khối lượng cụm thiết bị. Kết quả này giúp cho việc thiết kế phần gá lắp cụm thiết bị chữa cháy trên xe đạt các thông số tối ưu, giúp cho người lái thoải mái trong quá trình giữ cân bằng xe khi di chuyển.
Chương 4
THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA XE MÁY CHỮA CHÁY, KIỂM CHỨNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN LÝ THUYẾT
Luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với các lý do sau:
Thứ nhất: Xe máy chữa cháy là thiết bị chuyên dụng, đặc thù, việc nghiên cứu động lực học của xe máy chữa cháy bằng lý thuyết phức tạp, để đánh giá độ tin cây của mơ hình nghiên cứu lý thuyết cần phải được kiểm chứng bằng thực nghiệm, do vậy cần tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng mơ hình tính tốn lý thuyết trong chương 2 và kết quả khảo sát trong chương 3.
Thứ hai: Trong phương trình động lực học chuyển động trên đường thẳng có gờ cản (hoặc khơng có gờ cản) của xe máy chữa cháy có chứa nhiều tham số động học, động lực học. Ngồi các thơng số kỹ thuật của xe cơ sở đã được biết, cũng cần phải xác định giá trị của một số thơng số cịn lại để phục vụ cho q trình khảo sát mơ hình tính tốn theo lý thuyết. Việc xác định các giá trị của chúng nhận được qua kết quả thực nghiệm.
Xuất phát từ lý do trên luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với mục tiêu và nhiệm vụ sau:
4.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm
- Xác định giá trị bằng số của một số đại lượng, một số hệ số trong các hệ phương trình động lực học chuyển động thẳng và chuyển hướng của xe máy chữa cháy, để phục vụ cho việc khảo sát mơ hình lý thuyết đã thiết lập ở trong