Chương 2 CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XEMÁY CHỮACHÁY
2.1. Bố trí chung và trang thiết bị, dụng cụ trên xemáy chữacháy
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 của cụm thiết bị có thể mang theo mà xe vẫn ổn định khi di chuyển thẳng với tốc độ v ≤ 70 km/h.
2.2.1. Mơ hình chuyển động phẳng của xe máy chữa cháy
Mơ hình chuyển động phẳng của xe máy được mô phỏng bằng 5 phần cứng: Khối treo (gồm khung xe, động cơ, người lái , cụm phương tiện chữa cháy và cứu hộ, 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. Hệ số đàn hồi và hệ số giảm chấn: Cbr , kbr cho bánh sau
và Cbf ,
kbf cho bánh trước. Các giảm xóc phía sau, trước có hệ số đàn hồi và
hệ số giảm chấn tương ứng : Cr , kr và C f , k f . (hình 2.2).
Chọn hệ tọa độ tổng thể O1xyz, có gốc O1 nằm ở vị trí tiếp xúc giữa lốp sau và mặt đường, trục x hướng theo chiều tiến của xe, trục z hướng lên.
Với hệ tọa độ được chọn như trên, ta có bảng 2.1 - ký hiệu các điểm trọng tâm các cụm và tọa độ của chúng tại thời điểm ban đầu (t=0) và tại thời điểm đang xét t.
Hình 2.2: Mơ hình chuyển động phẳng của xe chữa cháy Bảng 2.1. Ký hiệu các điểm trọng tâm, khối lượng, tọa độ ban đầu
và tọa độ tại thời điểm t của các khối
Nội dung Ký hiệu Khối lượng Tọa độ ban đầu Tọa độ tại t
Trọng tâm khối bao gồm: khung xe, động cơ, người lái, thanh trượt của phuộc trước
Gn mGn (x0 , z0
)
Gn Gn (xGn , zGn )
Trọng tâm cụm phương tiện chữa
cháy và cứu hộ M mM (x0 , z0
)
M M (xM , zM
)
Trọng tâm khối treo (bao gồm khung xe, động cơ, người lái , cụm phương tiện chữa cháy và cứu hộ, thanh trượt
của phuộc trước)
G mG
(x0 , z0
)
G G (xG , zG )
Trọng tâm cụm dưới phuộc trước Gf mGf (x0 , z0 )
Gf Gf (xGf , zGf ) Trọng tâm càng sau Gr mGr (x0 , z0 ) Gr Gr (xGr , zGr ) Trọng tâm bánh sau R mR (x0 , z0 ) R R (xR , zR ) Trọng tâm bánh trước F mF (x0 , z0 ) F F (xF , zF )
Mơ men qn tính đối với trục song song với Oy và đi qua trọng tâm
của các khối quay: Khối treo IG , càng sau I
G r
, cụm dưới phuộc trước IGf .
Gọi bán kính ngồi của bánh sau, trước là Rr và Rf.
Nếu trong mặt phẳng tọa độ O1xz, mặt đường có phương trình là z = f(x) và trục bánh sau R, trục bánh trước F có tọa độ là hiệu:
( xR ,zR ) và ( xF ,zF ) thì ký dr = zR −f ( xR ) − Rr và d f = zF −f ( xF ) − Rf (Hình 2.2)
Phương trình mặt đường Z = f(X) được sử dụng trong tính tốn, trong trường hợp
mặt đường có độ dốc α thì phương trình mặt đường sẽ là : Z = X .tanα .
Ý nghĩa vật lý của các đại lượng dr , df :
+ Là độ biến dạng của lốp sau, trước (theo hướng bán kính bánh xe) nếu chúng có giá trị âm;
+ Là khoảng cách từ mặt đường đến mặt ngoài của lốp sau, trước nếu chúng mang giá trị không âm.
Như vậy, bánh trước tiếp xúc với mặt đường khi đại lượng d f có giá trị âm.
Giả thiết xây dựng mơ hình động lực học trong chuyển động phẳng của xe chữa cháy như sau:
+ Xe chuyển động trong mặt phẳng đối xứng;
+ Xe di chuyển thẳng với vận tốc bánh sau theo một quy luật đã biết, tức
là biết quy luật thay đổi vận tốc vR = vR (t)
của bánh sau;
+ Lực cản khơng khí tác động lên trọng tâm khối treo theo phương x; + Bỏ qua các lực ma sát tại các trục bánh;
+ Bỏ qua lực cản lăn (lực cản lăn nhỏ) + Mặt đường được giả thiết cứng tuyết đối.
Với các giả thiết trên cùng với kết cấu các chi tiết, động học của xe chữa cháy trong chuyển động phẳng có thể được phân tích bằng 4 bậc tự do: Dịch chuyển của G (trọng tâm khối treo) theo phương thẳng đứng z , góc nghiêng
θ của khối treo theo phương dọc, dịch chuyển theo phương z của bánh trước
và góc quay ϕ của càng sau. Tại thời điểm ban đầu: càng sau OR lập với trục
x góc ϕ0 , phuộc trước lập với trục z góc ban đầu ψ0 và đoạn OS lập với
OR góc ban đầu γ0 .
Như vậy, cơ hệ có 4 tọa độ suy rộng
θ, ϕ , zG , zF để tính tốn. Hàm biến dạng mặt đường
z = f (x) .
2.2.2. Chuyển vị, động năng, thế năng và hàm hao tán
Từ các ký hiệu trong bảng 2.1 ta có khối lượng của khối treo
mG
= mGn
+
mM và đã biết quy luật vận tốc chuyển động vR của bánh sau: