1.8.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết sử dụng trong đề tài là áp dụng phương pháp nghiên cứu của cơ học lý thuyết, lý thuyết động lực học ô tô xe máy. Nội dung của phương pháp này có thể tóm tắt như sau:
Từ q trình chuyển động của xe máy chữa cháy, luận án lập ra mơ hình tính tốn động lực học của xe máy chữa cháy khi chuyển động trên đoạn đường thẳng và trong quá trình quay vịng chuyển hướng, vận dụng phương pháp tốn cơ để lập ra hệ phương trình vi phân chuyển động của xe máy chữa cháy, từ đó khảo sát sự phụ thuộc của các đại lượng nghiên cứu vào các thông số ảnh hưởng để rút ra kết luận cần thiết. Nội dung của phương pháp này được trình bày trong các tài liệu [1]; [4]; [7], [8].
1.8.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Phương pháp đo các đại lượng nghiên cứu trong luận án được thực hiện theo phương pháp đo lường các đại lượng không điện bằng điện. Nội dung của phương pháp cũng như việc xử lý các kết quả được trình bày trong các tài liệu [12], [18].
Việc tổ chức và tiến hành thí nghiệm xác định vận tốc, gia tốc, phản lực pháp tuyến của bánh xe lên mặt đường, góc lắc, góc nghiêng của xe được tiến hành theo phương pháp thống kê toán học và phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm, việc lập kế hoạch và tổ chức thực nghiệm cũng như xử lý các số liệu thí nghiệm được trình bày rõ trong các tài liệu [5], [6], [13], [13], [17], [21], [26]. Do vậy, ở đây cũng chỉ trình bày việc áp dụng các kết luận đó vào các bài tốn cụ thể. Việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu nêu trên sẽ được trình bày cụ thể ở các chương tiếp theo khi tiến hành nghiên cứu từng nội dung.
31
Sau khi nghiên cứu các nội dung đã trình bày ở phần trên luận án rút ra một số kết luận sau:
- Xe máy chữa cháy phổ cổ, ngõ ngách nhỏ hẹp và xe máy chữa cháy đã được sử
dụng ở Việt Nam, bước đầu cho hiệu quả chữa cháy cao, tuy nhiên cácxe chữa cháy này cịn nhiều tồn tại cần nghiên cứu hồn thiện.
- Trên thế giới đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về động lực học của xe máy, các
cơng trình này có thể ứng dụng trong nghiên cứu động lực học xe máy chữa cháy.
- Ở Việt Nam đã có một số cơng trình nghiên cứu về xe máy chữa cháy, song các
cơng trình này chủ yếu tập trung vào khâu thiết kế chế tạo, chưa có nghiên cứu về động lực học của xe máy chữa cháy.
-Trên thế giới cũng như ở Việt Nam chưa có cơng trình nghiên cứu về động lực học
của xe máy chữa cháy được công bố.
Như vậy việc luận án thực hiện đề tài: "Nghiên cứu động lực học của xe máy chữa
cháy cho các khu phố cổ trên địa bàn thành phố Hà Nội " là cần thiết và mang tính thời sự
nhằm tạo ra cơ sở khoa học để thiết kế chế tạo và hoàn thiện xe máy chữa cháy đang được sử dụng ở một số địa phương nhằm nâng cao tính cơ động, ổn định và hiệu quả chữa cháy, góp phần hạn chế thiệt hại do sự cố cháy nổ gây ra.
32
Chương 2
CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE MÁY CHỮA CHÁY
Nhiệm vụ của xe máy chữa cháy là chở người và các thiết bị chữa cháy, cứu hộ tiếp cận nhanh đến đám cháy. Do vậy, xe máy phải di chuyển trên các đoạn đường với tốc độ khác nhau: di chuyển thẳng với tốc độ cao (≤ 70km/h) trên đường có (hoặc khơng có) mấp mơ, trên vịng cua với bán kính từ (2 ÷ 6m), trên góc cua vng rộng từ (1 ÷ 2m). Để đáp ứng được các yêu cầu này, chương 2 sẽ thực hiện các nội dung nghiên cứu:
+ Xây dựng mơ hình động lực học của xe máy chữa cháy khi chuyển động trên đường thẳng và trên đường vịng, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của xe máy, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển động và ổn định lật của xe. Các hệ phương trình vi phân chuyển động của xe máy sẽ làm cơ sở để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng chuyển động và ổn định của xe trong chương 3;
+ Xây dựng phương trình động học của xe khi di chuyển qua góc cua vng nhỏ hẹp. Kết quả nghiên cứu của nội dung này làm cơ sở cho các phương án tiếp cận đám cháy theo địa bàn cụ thể;
+ Tính khoảng cách lệch ngang tối đa của trọng tâm cụm thiết bị (được gá lắp) so với mặt phẳng thẳng đứng đối xứng ở giữa dọc thân xe, để phù hợp với độ nghiêng người cho phép khi vận hành xe chạy trên đường thẳng.
2.1.Bố trí chung và trang thiết bị, dụng cụ trên xe máy chữa cháy
2.1.1. Tính năng tác dụng của xe máy chữa cháy
a)Chức năng chữa cháy
- Đối với công nghệ chữa cháy hiện nay có thể sử dụng chữa cháy bằng nước, chữa
cháy bằng bọt, chữa cháy bằng bột, trong đó chữa cháy bằng nước là thông dụng nhất, dễ sử dụng. Do vậy đề tài lựa chọn công nghệ chữa cháy bằng nước để thiết kế trên xe máy chữa cháy;
-Để thực hiện được cơng nghệ chữa cháy bằng nước thì phải có nguồn nước, máy
bơm chữa cháy, ống hút nước, vòi đẩy chữa cháy và lăng phun. Như vậy trên xe máy chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ đa năng này phải được trang bị máy bơm chữa cháy, ống hút nước, vòi đẩy chữa cháy và lăng phun nước đa năng;
- Để thực hiện được cơng nghệ chữa cháy thì cịn thiếu nguồn nước. Nguồn nước
phục vụ cho cơng nghệ chữa cháy có thể được thiết kế trên xe, có thể do xe cấp nước đảm nhận hoặc sử dụng họng nước có sẵn tại chỗ, bể nước ngầm, ao hồ. Đối với xe máy chữa cháy này do trọng lượng của xe bị hạn chế, không thể thiết kế thùng nước lớn ở trên xe được, với tải trọng cho phép của xe thì có thể thiết kế một thùng chứa nước khoảng 120lít, với lượng nước này không đủ phục vụ cho yêu cầu công nghệ chữa cháy. Để giải quyết
33
được nguồn nước cho công nghệ chữa cháy, đề tài lựa chọn phương án sử dụng nguồn nước sẵn có, tại chỗ ở nơi xảy ra cháy như sau:
+ Trên xe được trang bị một bể chứa nước trung gian di động, loại bể này được thiết kế gấp lại và mở ra nhanh, khi gấp lại gọn, khung bằng thép inox nhẹ, phần chứa nước được thiết kế bằng vải bạt ép nhiệt thành bể hình vng có kích thước 60x60x60cm, trọng lượng của bể chứa nước trung gian khoảng 5kg, dung tích chứa 200 lít, thời gian lắp ráp triển khai từ 1 đến 2 phút. Bể chứa nước trung gian di động này được vận chuyển đến cạnh vòi nước sinh hoạt của các hộ gia đình cạnh nơi xảy ra cháy, sau đó lắp ráp thành bể, xả vịi nước sinh hoạt của hộ gia đình vào bể trung gian, nguồn nước trong bể trung gian này chính là nguồn nước phục vụ cho công tác chữa cháy;
+ Trên xe được trang bị ống hút nước di động chiều dài 8m để sử dụng bể nước ngầm của các nhà dân cạnh nơi xảy ra cháy, nước ao hồ;
+ Máy bơm chữa cháy được trang bị trên xe được thiết kế có thể hoạt động khi đặt trên xe, hoặc tháo ra di chuyển đến cạnh bể chứa nước trung gian hoặc di chuyển đến gần bể chứa nước ngầm, ao hồ;
+ Vòi đẩy chữa cháy được thiết kế loại d=40cm, chiều dài 45m đủ phục vụ cho công nghệ chữa cháy.
- Như vậy với phương án thiết kế như trình bầy ở trên xe máy chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ đa năng hoàn tồn thực hiện được u cầu về cơng nghệ chữa cháy sử bằng nước. Ngoài ra trên xe cịn trang bị một bình bột chữa cháy 4kg để phục vụ cho chữa cháy ban đầu.
b)Chức năng cứu nạn, cứu hộ
- Để thực hiện một chức năng nữa trên xe máy chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ đa năng
đề tài thiết kế, trang bị trên xe một số dụng cụ, thiết bị phục vụ cho công tác cứu nạn, cứu hộ như sau:
+ Trên xe được trang bị một máy phát điện để tạo ra nguồn điện tại chỗ phục vụ cho đèn chiếu sáng, máy cắt, đục phá, máy hút khói, máy thổi gió, máy bơm hơi…
+ Trên xe trang bị máy cắt điện, dụng cụ phá dỡ đa năng, mặt nạ phòng độc, đèn chiếu sáng, búa… để cắt khóa cửa, cắt cửa sắt, phá cửa phục vụ cho công tác cứu nạn, cứu hộ nạn nhân trong khi xảy ra cháy.
-Như vậy với trang bị thiết bị và dụng cụ như trình bầy ở trên chức năng cứu nạn,
cứu hộ hồn tồn có thể thực hiện được trong điều kiện nhất định.
1.2.2. Bố trí chung xe máy chữa cháy
Sau khi đã xác định được tính năng, tác dụng của xe đã trình bầy ở phần trên, sau khi đã lựa chọn được các trang thiết bị, cụ dụng để phục vụ cho nghiên cứu chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ, luận án tiến hành thiết kế bố trí tổng thể các trang thiết bị, dụng cụ trên xe, yêu cầu của việc bố trí tổng thể như sau:
34
- Các thiết bị được bố trí trên xe phải đảm bảo cho xe được cân bằng, ổn định, kéo bám của xe trong quá trình di chuyển trên đường thẳng, ổn định trên đường vòng và quay đầu, chuyển hướng;
- Các thiết bị được lắp đặt trên xe hoạt động ổn định, dễ thao tác, khơng ảnh hưởng đến tính năng của thiết bị;
- Các thiết bị, dụng cụ được bố trí sao cho gọn để ảnh hưởng thấp nhất đến khả năng điều khiển của người lái;
-Kết cấu, giá đỡ phải gọn nhẹ đủ độ bền để giảm trọng lượng tổng thể của xe;
- Các hộp chứa dụng cụ phải được tính tốn thiết kế để khi lấy ra sử dụng nhanh nhất,
dễ dàng nhất, thuận tiện nhất;
- Việc bố trí thiết kế các trang thiết bị, dụng cụ trên xe không làm thay đổi kết cấu của
xe cơ sở, khơng ảnh hưởng đến tính năng lái, tính năng phanh, đảm bảo cho xe hoạt động an tồn trên đường. Mơ hình thiết kế chung cho xe chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ đa năng được thể hiện trên hình 2.1.
Hình 2.1: Sơ đồ bố trí chung của xe máy chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ đa năng
1- Còi hú ưu tiên; 2- Đèn nháy ưu tiên; 3- Xe cơ sở (Kawasaki W175); 4- Thùng đựng dụng cụ chữa cháy; 5- Chân chống điện giữ xe cân bằng khi hoạt động chữa cháy; 6- Máy phát điện; 7- Thùng chứa vòi đẩy chữa cháy; 8- Máy bơm chữa cháy động cơ Honda GX160 T2; 9- Đèn cột ưu tiên; 10– Bình bột chữa cháy; 11- Bể chứa nước trung gian di động; 12- Rulo cuộn ống hút nước; 13- Khung giá đỡ; 14- Hộp chứa dụng cụ phá dỡ đa năng, máy khoan, đèn chiếu sáng, mặt nạ phịng độc.
35
Từ mơ hình kết cấu chung của xe máy chữa cháy trên hình 2.1, luận án tiến hành xây dựng mơ hình động lực học của xe máy khi chuyển động trên đường thẳng và trong ngõ ngách nhỏ hẹp
2.2. Xây dựng mơ hình, thiết lập phương trình động lực học của xe máy khi di
chuyển trên đường thẳng
Xe máy chữa cháy và cứu hộ do Việt Nam sản xuất được lắp đặt trên xe cơ sở Kawasaki W175 hoạt động chủ yếu trong khu phổ cổ, đường phố nhỏ, chật hẹp. Trên xe có lắp thêm các thiết bị chữa cháy và cứu hộ vào phần treo của xe nên trọng tâm của xe thay đổi, ảnh hưởng đến sự ổn định của xe trong quá trình di chuyển để tiếp cận nhanh đến khu vực hỏa hoạn.
Một chiếc xe máy, khi thiết kế bao giờ cũng đảm bảo cho trọng tâm của xe nằm trên mặt phẳng thẳng đứng đối xứng ở giữa của xe. Do vậy, khi lắp gá thêm cụm thiết bị chữa cháy và cứu hộ cũng phải đảm bảo nguyên tắc này. Đó cũng là lý do đưa ra mơ hình nghiên cứu chuyển động phẳng của xe trong luận án.
Trong trường hợp gá lắp trọng tâm cụm thiết bị có sự lệch ngang, thì người lái ln phải nghiêng người trong quá trình vận hành khi xe chạy thẳng, có như thế thì mới đảm bảo trọng tâm xe nằm trong mặt phẳng đối xứng. Đối với trường hợp này, luận án sẽ tính tốn khoảng cách lệch ngang tối đa của cụm thiết bị để phù hợp với sự thoải mái của người lái khi lái xe chạy thẳng.
Do lắp thêm các thiết bị chữa cháy và cứu hộ (sau này ta gọi là cụm thiết bị) nên trọng tâm bị dịch chuyển về phần sau xe; cùng với sự tác động của vật cản trên đường nên khi di chuyển xe có hiện tượng rung lắc và bốc đầu xe (hiện tượng bánh trước không tiếp xúc với mặt đường) khi di chuyển với vận tốc cao. Động lực học của các phương tiện đường đơn như xe máy là một chủ đề tổng hợp. Các tác giả như Cossalter V. [61] và Sharp R.S. [62-68] giải thích các phương trình cân bằng động và tầm quan trọng của hình học lái. Mơ tả sự phát triển của hệ thống treo của xe máy qua nhiều năm và giải thích ưu, nhượcđiểm của phuộc như một hệ thống giảm xóc trước. Nghiên cứu về giảm xóc: Mavroudakis B. et al. [72]. Nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động trong q trình di chuyển của xe: Marchesin F.P. et al. [75] , Amrit Sharma et al. [79]. Phân tích tần số của xe máy trong chuyển động phẳng : Zanarini A., Brugnoni E [70]. Nghiên cứu chuyển động của xe máy có tính đến tác động của người lái: Shaopeng Zhu et al. [80].
Với mỗi tác giả, đều sử dụng mơ hình động lực học phù hợp với mục đích nghiên cứu. Chẳng hạn như trong [61], Cossalter đưa ra quan điểm động học bằng cách coi hệ thống treo là khối cứng, xe máy có thể được định nghĩa là một cơ chế khơng gian bao gồm bốn phần cứng: cụm phía sau (khung, n xe, thùng và nhóm hệ thống truyền động mοtοr), cụm phía trước (phuộc, đầu lái và ghi đơng), bánh trước, bánh sau. Các khối cứng này
36
được nối với nhau bằng ba khớp quay (trục lái và hai trục bánh xe) và tiếp xúc với mặt đất tại hai điểm ở các bánh xe. Với mơ hình trên, cùng với giả định rằng lốp xe quay không bị trượt nên xe có 3 bậc tự do ứng với ba chuyển động chính: chuyển động tịnh tiến của xe máy (thể hiện bằng chuyển động quay của bánh sau); chuyển động lăn quanh đường thẳng nối các điểm tiếp xúc của lốp trên mặt phẳng đường; chuyển động quay lái.
Trong nghiên cứu của mình, Zanarini A., Brugnoni E. [70] đã đưa ra mơ hình chuyển động phẳng của xe máy được mơ phỏng bằng 5 phần cứng: Khối treo (gồm khung xe, động cơ, người lái, thanh trượt của phuộc trước), càng dưới của phuộc trước, càng sau, bánh trước, bánh sau. Các bộ phận này được liên kết với nhau qua các khớp quay, khớp tịnh tiến. Với giả thiết xe được di chuyển với vận tốc không đổi và lốp không bị trượt nên xe có 4 bậc tự do ứng với bốn chuyển động chính: ba chuyển động theo phương đứng của các trọng tâm hai bánh và trọng tâm khối treo, một chuyển động quay quanh trục ngang (vng góc với phương thẳng đứng và phương tiến của xe) đi qua trọng tâm của khối treo.
Trong luận án này, với nội dung nghiên cứu độ bám mặt đường của bánh xe trong khi xe di chuyển thẳng, nên sử dụng mơ hình chuyển động phẳng với
37
4 bậc tự do. Tuy nhiên, để đạt mục đích nghiên cứu, bốn bậc tự do ở đây sẽ ứng với bốn chuyển động chính: hai chuyển động theo phương thẳng đứng của trọng tâm khối treo và trọng tâm bánh trước, hai chuyển động quay quanh trục ngang đi qua trọng tâm của khối treo và trục ngang đi qua trọng tâm càng sau; ngoài ra xe chuyển động với vận tốc bánh sau theo một quy luật đã biết. Trong mơ hình này, với giả thiết xe máy có khung cứng, cơ cấu hệ thống treo, bộ giảm xóc và lốp có đặc tính đàn hồi và lực hấp thụ phi tuyến, hiệu ứng khí động học cũng được tính đến.
Dấu hiệu để xét sự bốc đầu xe khi di chuyển là khoảng cách từ tâm bánh trước đến mặt đường lớn hơn hoặc bằng bán kính ngồi của bánh trước.
Theo thiết kế, cụm thiết bị được lắp đặt gắn với khối treo của xe máy. Do kết cấu của xe và phải dành chỗ ngồi cho người lái, nên vị trí lắp đặt cụm thiết bị chỉ được ở trong một vùng nhất định. Việc thiết lập và khảo sát hệ phương trình động lực học nhằm mục đích tìm vị trí hợp lý để lắp đặt cụm thiết bị, cùng với việc tìm khoảng giá trị trọng lượng