Nghiên cứu thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

HOÀNG MINH HÒA

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

---------------------------

HOÀNG MINH HÒA

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Mã số : 9.52.01.03

Người hướng dẫn khoa học 1: PGSTS. Dương Văn Tài

Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Trần Văn Tưởng

HÀ NỘI, NĂM 2022

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng

dẫn khoa học của PGS.TS. Dương Văn Tài và TS. Trần Văn Tưởng. Các kết quả

nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng

được công bố ở bất kỳ công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm

ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày…..tháng……năm 2022

LỜI CAM ĐOAN

Hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PGS.TS. Dương Văn Tài TS. Trần Văn Tưởng

Hoàng Minh Hòa

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các cơ quan đã nhiệt tình giúp đỡ tôi

hoàn thành bản luận án khoa học này.

Trước hết xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Dương Văn Tài và TS.

Trần Văn Tưởng với những ý kiến đóng góp quan trọng và chỉ dẫn khoa học quý

giá trong quá trình thực hiện công trình nghiên cứu.

Trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp, Phòng Đào

tạo sau đại học đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án.

Trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Đồng Nai đã tạo điều kiện thuận

lợi để tôi hoàn thành luận án này.

Trân trọng cảm ơn Khoa Cơ điện và Công trình, Bộ môn Công nghệ và máy

chuyên dùng Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi

hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.

Trân trọng cảm ơn các nhà khoa học của Trường Đại học Lâm nghiệp, Học

viện Nông nghiệp Việt Nam, Học viện Kỹ thuật quân sự đã đóng góp ý kiến quý

báu để tôi hoàn thành luận án này.

Hà Nội, ngày…..tháng……năm 2022

Tác giả luận án

Hoàng Minh Hòa

iii

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii

MỤC LỤC .....................................................................................................................iii

DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................vii

DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ......................................................... xi

MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 4

1.1. Tình hình cháy rừng trên thế giới và ở Việt Nam ................................................ 4

1.1.1. Tình hình cháy rừng trên thế giới ....................................................................... 4

1.1.2. Tình hình cháy rừng ở Việt Nam ....................................................................... 5

1.2. Khái quát về công nghệ chữa cháy rừng .............................................................. 8

1.3. Các công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng trên thế giới ................ 10

1.4. Các công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng ở Việt Nam ................. 14

1.5. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ........................................................................ 19

1.6. Nội dung nghiên cứu của luận án ........................................................................ 19

1.6.1. Nghiên cứu lý thuyết ......................................................................................... 19

1.6.2. Nghiên cứu thực nghiệm ................................................................................... 20

1.7. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................... 20

1.7.1. Cấu tạo của máy phun đất cát chữa cháy rừng ................................................. 20

1.7.2.Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 21

1.7.3. Thông số kỹ của máy chữa cháy rừng bằng đất cát ....................................... 22

1.7.4. Một số tồn tại của máy chữa cháy rừng bằng đất cát ..................................... 23

1.8. Khái quát về đất ở trong rừng phục vụ cho chữa cháy ....................................... 23

1.8.1. Đặc điểm của đất rừng ...................................................................................... 23

1.8.2. Phân loại đất rừng: ............................................................................................. 24

1.8.3. Thành phần của đất rừng ................................................................................... 25

1.8.4. Một số tính chất cơ lý của đất rừng .................................................................. 26

1.9. Nguyên lý của quá trình chữa cháy [5]; [22]...................................................... 29

1.9.1. Bản chất của quá trình cháy .............................................................................. 29

1.9.2. Các điều kiện của quá trình cháy ..................................................................... 29

1.9.3. Các cơ chế lý, hoá dập tắt đám cháy rừng ........................................................ 31

1.10. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 35

1.10.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ................................................................. 35

1.10.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ........................................................... 35

Kết luận chương 1 ....................................................................................................... 36

Chương 2 CƠ SỞ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY CHỮA

CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT ............................................................................. 37

2.1. Đặc điểm và yêu cầu của hệ thống cắt đất .......................................................... 37

2.1.1. Đặc điểm của quá trình cắt đất ......................................................................... 37

2.1.2. Yêu cần kỹ thuật của đất sau khi cắt phục vụ cho chữa cháy........................ 38

2.2. Xây dựng mô hình tính toán hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất vào đám

cháy ................................................................................................................................ 38

2.2.1. Mô hình tính toán hệ thống cắt đất, hút và phun đất vào đám cháy ............. 38

2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống cắt đất .................................... 40

2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống cắt đất .......................................................... 41

2.3.1. Nguyên lý cắt đất dạng búa .............................................................................. 42

2.3.2. Quan hệ động học của qua trình cắt đất........................................................... 44

2.3.3. Quan hệ động lực học của quá trình cắt đất .................................................... 45

2.3.4. Lực cắt đất. ......................................................................................................... 46

2.3.5. Thiết lập hệ phương trình chuyển động của cơ hệ: Đĩa – dao cắt kéo văng

đất................................................................................................................................... 48

2.4. Tính toán rung động của hệ thống cắt đất .......................................................... 60

2.4.1. Xây dựng mô hình tính dao động của cơ hệ máy cắt đất dạng búa .............. 60

2.4.2. Thiết lập hệ phương trình dao động ................................................................. 61

2.4.3. Phân tích lực kích động tác dụng lên trục đĩa thép ......................................... 63

2.5. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống hút và phun đất vào đám cháy .................. 68

2.5.1. Xác định vận tốc của dòng không khí trong đường ống thẳng đứng ........... 68

2.5.2. Xác định vận tốc của dòng không khí trong ống dẫn nằm ngang ................. 70

2.5.3. Tính toán quạt hút và phun đất ......................................................................... 71

2.5.4 Tính toán hệ thống hút đất ................................................................................. 78

2.5.5. Tính toán hệ thống phun đất ............................................................................. 82

Kết luận chương 2 ........................................................................................................ 84

Chương 3 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC

CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT .......................................... 85

3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến công suất cắt- kéo văng đất ..................... 85

3.1.1. Ảnh hưởng của bán kính động học của đĩa thép đến công suất cắt -kéo văng

đất................................................................................................................................... 86

3.1.2. Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt đất đến công suất cắt- kéo văng đất ....... 87

3.1.3. Ảnh hưởng của mật độ khối lượng dao cắt đến công suất cắt - kéo văng đất

........................................................................................................................................ 88

3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc góc đĩa thép lắp dao cắt đến đến công suất

cắt - kéo văng đất .......................................................................................................... 89

3.2. Khảo sát rung động của hệ thống cắt đất ............................................................ 90

3.2.1. Xác định thông số đầu vào để khảo sát rung động của hệ thống .................. 90

3.2.2. Giải và mô phỏng phương trình vi phân dao động của hệ thống cắt đất ... 91

3.2.3. Giải pháp giảm rung cho hệ thống cắt đất ....................................................... 97

3.3. Khảo sát thông số ảnh hưởng đến vận tốc và áp lực của quạt hút và phun đất

........................................................................................................................................ 98

3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến vận tốc của quạt hút và phun

đất................................................................................................................................... 98

3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến áp lực phun của quạt hút .. 99

3.4. Xác định một số thông số hợp lý của máy chữa cháy rừng bằng đất cát ........... 99

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH TÍNH

TOÁN LÝ THUYẾT VÀ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA

MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT ..................................................102

4.1. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm ..................................................102

4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm .................................................................102

4.1.2. Nhiệm vụ nghiên cứu ......................................................................................103

4.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ..................................................................103

4.3.4. Phương pháp xác định khối lượng đất phun .................................................108

4.3.5. Thiết bị, dụng cụ đo áp lực và khối lượng của đất phun vào đám cháy .....109

4.3.5.1. Thiết bị khuếch đại .......................................................................................109

4.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết ..110

4.4.1. Chuẩn bị thí nghiệm ........................................................................................110

4.4.2. Tổ chức và tiến hành thí nghiệm ....................................................................110

4.5. Xác định một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát .......115

4.5.1.Chọn phương pháp nghiên cứu .......................................................................115

4.5.2. Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm ..........................................................118

4.5.3. Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố .......................................................................123

4.5.4. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố .......................................................................133

4.6. Xác định giá trị tối ưu của tham số ảnh hưởng ...............................................140

4.6.1. Phương pháp tìm giá trị tối ưu của thông số đầu vào ...................................140

4.6.2. Kết quả giải bài toán tối ưu theo phương pháp hàm tỷ lệ tối ưu tổng quát 142

4.7. Xác định công suất động cơ ...............................................................................143

4.7.1. Xác định công suất của động cơ của hệ thống cắt đất ..................................143

4.7.2. Tính toán công suất động cơ của hệ thống hút và phun đất.........................143

4.8. Thông số kỹ thuật của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đã được tính toán tối

ưu và hoàn thiện .........................................................................................................144

Kết luận chương 4 ......................................................................................................146

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................147

1. Kết luận ...................................................................................................................147

2. Kiến nghị .................................................................................................................148

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................149

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Tổng hợp tình hình cháy rừng ở Việt Nam từ năm 2010 - 2020 ............. 6

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của máy chữa cháy rừng bằng đất cát ....................... 22

Bảng 1.3: Trạng thái độ chặt của đất, ứng với độ ẩm của nó ................................... 27

Bảng 2.1. Khả năng chịu tải trên các loại đất khác nhau .......................................... 52

Bảng 4.1. So sánh lực cắt đất tính toán theo lý thuyết với kết quả thực nghiệm 114

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 .....................................................115

Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của đường kính đĩa thép D đến khối lượng đất phun ............................................................................................................124

Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của đường kính đĩa thép D ..................125

Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của chiều dài dao cắt L đến hối lượng đất phun .......................................................................................................................126

Bảng 4.6: Kết quả thí nghiệm Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt L đến áp lực phun .............................................................................................................................127

Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 đến

khối lượng đất phun .................................................................................................128

Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 .....................130 Bảng 4.9: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của số lượng cánh của quạt gió đến khối lượng đất phun ...................................................................................................131

Bảng 4.10: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của số lượng cánh Z của quạt gió đến áp lực phun ..................................................................................................................132

Bảng 4.11. Mức thí nghiệm của các thông số đầu vào ...........................................134

Bảng 4.12. Ma trận thí nghiệm theo kế hoạch Boks - Benken ..............................135

Bảng 4.13: Kết quả ảnh hưởng của các tham số đến hàm .....................................136

khối lượng đất phun ...................................................................................................136

Bảng 4.14: Kết quả ảnh hưởng của các tham số đến hàm .....................................137

áp lực phun ..................................................................................................................137

Bảng 4.15: Thông số kỹ thuật của máy phun đất cát chữa cháy rừng đã được chế

tạo theo kết quả tính toán thông số tối ưu ................................................................145

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Cháy rừng ở Tây nguyên .............................................................................. 7

Hình 1.2: Chữa cháy rừng bằng máy phun đất cát...................................................... 8

Hình 1.3: Máy thổi gió chữa cháy rừng ..................................................................... 12

Hình 1.4: Xe chữa cháy được cải tiến từ xe Uoát ..................................................... 17

Hình 1.5: Các thiết bị chữa cháy rừng do đề tài trong điểm cấp nhà nước mã số

KC07.13/06-10 thiết kế chế tạo .................................................................................. 18

Hình 1.6: Máy chữa cháy rừng bằng đất cát .............................................................. 21

Hình 1.7: Hoạt động của máy cắt đất và hút phun đất .............................................. 21

Hình 1.8: Sơ đồ tam giác cháy ................................................................................... 32

Hình 2.1: Sơ đồ tính toán hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất .............................. 39

Hình 2.2: Mô hình hệ thống cắt đất ............................................................................ 40

Hình 2.3: Cấu tạo của hệ thống cắt đất dạng búa ...................................................... 42

Hình 2.4: Nguyên lý cắt đất dạng búa ........................................................................ 43

Hình 2.5: Sơ đồ động học của hệ thống cắt đất ......................................................... 44

Hình 2.6: Sơ đồ tính môn men động lượng ............................................................... 45

Hình 2.7: Sơ đồ tính toán động lực học của hệ thống cắt đất dạng búa .................. 45

Hình 2.8 Mô hình động lực học của cơ hệ: Đĩa - dao cắt kéo văng đất ................ 48

Hình 2.9 Hệ tọa độ tính toán ứng suất trong lòng đất khi chịu tải tập trung ........ 53

Hình 2.10 : Mô hình dao động của máy cắt đất dạng búa ........................................ 61

Hình 2.11. Phân tích xung lực tác dụng lên trục đĩa khi cắt kéo văng đất .............. 64

Hình 2.12. Dạng xung lực va đập lên trục đĩa. ......................................................... 66

Hình 2.13 Đồ thị biểu diễn hàm F(t) ......................................................................... 66

Hình 2.14: Lực tác dụng lên hạt đất, cát trong dòng khí chuyển động ................... 68

Hình 2.15: Chuyển động của hạt vật liệu trong ống nằm ngang ............................. 70

Hình 2.16: Các tham số kết cấu của quạt gió ............................................................ 72

Hình 2.17: Mô hình động lực học tính toán áp lực quạt hút và phun đất ............... 73

Hình 2.18: Sơ đồ tính toán vận tốc không khí đầu ra quạt hút và phun đất ......... 75

Hình 3.1: Ảnh hưởng của bán kính đĩa thép lắp dao cắt đến công suất cắt- kéo

văng đất ......................................................................................................................... 87

Hình 3.2: Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt đến công suất cắt - kéo văng đất ....... 88

Hình 3.3: Ảnh hưởng của mật độ khối lượng dao đến công suất cắt- kéo văng đất ........ 89

Hình 3.4: Ảnh hưởng của vận tốc góc đến công suất cắt - kéo văng đất ................ 89

Hình 3.5. Sơ đồ khối mô phỏng phương trình vi phân dao động của hệ thống cắt

đất................................................................................................................................... 92

Hình 3.6: Gia tốc rung động của máy ứng với ɷ1= 125 rad/s ................................. 93

Hình 3.7: Gia tốc rung động của máy ứng với ɷ2= 165rad/s .................................. 93

Hình 3.8: Gia tốc rung động của máy ứng với ɷ3= 205rad/s ................................. 94

Hình 3.9: Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ứng với ...................................... 95

Hình 3.10: Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ứng với .................................... 95

Hình 3.11: Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ứng với .................................... 95

Hình 3.12. Đồ thị ảnh hưởng của độ cứng C1 đến biên độ dao động cực đại theo

phương đứng của trục đĩa ............................................................................................ 97

Hình 3.13. Đồ thị ảnh hưởng của độ cứng C1 đến phản lực cực đại trên tay cầm

trên của máy .................................................................................................................. 97

Hình 3.14: Ảnh hưởng của góc β2 đến vận tốc của quạt hút và phun đất ............... 98 Hình 3.15: Ảnh hưởng của góc β2 đến áp lực quạt hút, phun đất ........................... 99

Hình 4.1: Thí bị nghiên cứu thực nghiệm ................................................................103

Hình 4.2: Sơ đồ bố trí thiết bị đo mô men ...............................................................104

Hình 4.3: Sơ đồ cầu điện trở và đầu đo mô men T4 ................................................105 Hình 4.4: Sơ đồ lắp ráp đầu đo mô mem T4 vào trục lắp đĩa thép lắp dao cắt đất

......................................................................................................................................105

Hình 4.5: Thiết bị đo gia tốc rung B12/1000 ...........................................................106

Hình 4.6: Đầu đo gia tốc được lắp trên máy cắt đất ...............................................106

Hình 4.7: Sơ đồ cấu trúc dạng khối của thiết bị thí nghiệm ..................................107

Hình 4.8: Sơ đồ đo áp lực của đất phun vào đám cháy ..........................................108

Hình 4.9: Thiết bị DMC Plus ....................................................................................109

Hình 4.10: Đầu đo lực nén HBM .............................................................................110

Hình 4.11: Thực nghiệm đo mô men, gia tốc rung động của hệ thống cắt đất .......111

Hình 4.12: Biểu đồ mô men xoắn của trục đĩa thép lắp dao cắt theo thời gian cắt

......................................................................................................................................111

Hình 4.13: Biểu đồ gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ...................................112

Hình 4.14. Ảnh hưởng của đường kính đĩa thép đến khối lượng đất phun ..........125 Hình 4.15. Ảnh hưởng của đường kính đĩa thép đến áp lực đất phun ..................126

Hình 4.16. Ảnh hưởng chiều dài dao cắt đến khối lượng đất phun .......................127

Hình 4.17. Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt đến áp lực phun ..............................128

Hình 4.18. Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến khối lượng đất phun ..............129

Hình 4.19. Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 đến áp lực đất phun ..................130 Hình 4.20.Ảnh hưởng số lượng cánh Z đến khối lượng đất phun .........................131

Hình 4.21. Ảnh hưởng của số lượng cánh quạt đến áp lực đất phun ....................132

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

A cm Độ mở rộng của quạt gió

a Hệ số nhiễu loạn

Mật độ cánh quạt a0

Độ rộng cánh quạt cm b1, b2

Tốc độ tuyệt đối của dòng không khí tại đầu m/s C ra

Tốc độ tuyệt đối của dòng không khí tại đầu m/s Cv vào

Tốc độ dài của đầu ra của không khí m/s C2u

Độ cứng qui đổi của lò xo liên kết giữa N/m C1

khung máy với tay cần phía trên

N/m Độ cứng qui đổi của lò xo liên kết tay cầm C2

ngang

d Đường kính ống thổi cm

Đường kính trong cánh quạt cm D1

Đường kính ngoài cánh quạt cm D2

Góc lắp ráp đầu vào cánh quạt độ β1

Góc lắp ráp đầu ra của cánh quạt độ β2

Z Số cánh quạt

µ Hệ số Poatxong

α Góc sau độ

β Góc mài độ

Góc cắt độ 

n Vòng/phút Số vòng quay

Rad/s Vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt đất 

xii

N.s Xung lượng va chạm tại mũi dao SA

m kg Khối lượng của dao

Rad/s Vận tốc góc của dao sau và trước va chạm;

kgm2 Mômen quán tính khối lượng dao đối với

điểm O1.

v m/s Vận tốc va chạm

Thời gian va chạm s t1

Biến dạng tại điểm va chạm m

Độ lún của đất do áp lực m

Áp lực tĩnh do tải trọng gây ra N

F Diện tích dao cắt tiếp xúc đất m2

h Chiều sâu lưỡi cắt đi xuống đất m

Khối lượng qui đổi của hệ thống cắt đất kg m2

R Bán kính đĩa thép m

L Chiều dài dao cắt m

γ KG/m3 Trọng lượng riêng của đất

KW Công suất cắt- kéo văng đất Nc-kv

f Hệ số ma sát giữa lưỡi cắt với đất

B Bề rộng dao cắt m

N/m2 Ứng suất nén của đất, n

f Hệ số ma sát giữa đất và lưỡi dao cắt

E N/m2 Mô đun đàn hồi của đất khi bị nén

Khối lượng qui đổi của khung và động cơ kg m1

Tần số dao động riêng của hệ Rad/s i

Công suất động cơ KW Nc

Công suất cắt đất N Ncd

Công suất bẩy đất N Nb

KW Công suất để kéo đất Nk

xiii

N Lực quán tính Fqt

Số trung bình mẫu của tổng thể.

S Tiêu chuẩn mẫu.

Mức ý nghĩa αt

Dung lượng mẫu Nm

∆ Sai số tuyệt đối

t s Thời gian cắt

m Số lần lặp lại cho mỗi thí nghiệm

m/s Tốc độ đẩy ud

Chỉ tiêu student tra bảng 1

Phương sai của thí nghiệm Sp

K Hệ số dự trữ

Hệ số hồi qui b0, bi, bij, bii

Số thí nghiệm Ntn

S2 Phương sai lớn nhất trong tổng số thí nghiệm

S2 Phương sai thực nghiệm thứ n với số lần lặp lại

m Hệ số liên tục

Giá trị của thông số ra ở điểm u

Giá trị trung bình thông số ra tại điểm u

Xi Giá trị thực của tham số đầu vào

q Cường độ lực ép

Động năng của hệ Td

F m2 Tiết diện, diện tích

N Lực quán tính Fqt

f Hệ số ma sát

G kG Trọng lượng thiết bị

xiv

Khối lượng đất hút trong đường ống kg/s Gm

Hệ số cản cắt của đất N/mm2 Kc

Công suất động cơ KW Nđc

Công suất cần thiết KW Nct

Công suất tính toán KW Ntt

Lực cắt lớn nhất N Pmax

Tổn thất áp lực toàn phần của hệ thống hút kG/m2 Ptp

Tổn thất áp lực đoạn ống ngang hút đất kG/m2 Pn

Tổn thất áp lực đường ống kG/m2 Po

Tổn thất áp lực đường ống cong kG/m2 Pcong

Tổn thất áp lực do độ cao kG/m2 Ph

Lực cắt đất N Pc

Q Thể tích không khí m3

Năng suất hút của hệ thống hút đất m3/h Qm

Lưu lượng không khí cần thiết trong hệ Q’ m3/s thống hút

b Khoảng cách từ điểm O đến điểm A m

g mG Khối lượng của đất kéo và văng

kg/m2 J1 Mô men quán tính của đĩa thép lắp dao cắt

ρ kg/m Mật độ khối lượng trên chiều dài của dao cắt

kg/m3 ρ kk Mật độ khối lượng riêng của không khí

Độ γi Góc hợp bởi đường thẳng (OO1) với dao cắt

(Si)

Mô men xung lượng cắt đất, kéo văng đất N.m.s Moz

Mô men động lượng với trục Oz N.m.s Lz(0)

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

Việt Nam có khoảng 14,8 triệu ha rừng, trong đó rừng chủ yếu tập trung

ở những nơi có địa hình phức tạp, độ dốc cao, hàng năm tài nguyên rừng ngoài

cung cấp một khối lượng lớn lâm đặc sản cho các ngành kinh tế xã hội, tài

nguyên rừng còn giúp điều hòa khí hậu, bảo vệ nguồn nước, chống sói mòn

đất, song tài nguyên rừng của nước ta có nguy cơ bị suy giảm, một trong những

nguyên nhận là do tình hình cháy rừng ngày càng trở nên nghiêm trọng [1].

Theo thống kê của cục Kiểm lâm [1], trong vòng 10 năm (2010 - 2020)

ở Việt Nam đã xảy ra vài nghìn vụ cháy rừng làm thiệt hại hàng trăm nghìn ha

rừng. Trung bình mỗi năm bị thiệt hại khoảng 15.000 ha. Không những bị tổn

thất về mặt tài nguyên mà còn ảnh hưởng đến tính mạng con người, của cải

vật chất và môi trường sinh thái.

Đứng trước những hiểm hoạ do cháy rừng gây ra, các nhà khoa học

trên thế giới không ngừng nghiên cứu, cải tiến các thiết bị phòng và chữa

cháy rừng, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra.

Hiện nay việc chữa cháy rừng ở Việt Nam chủ yếu chữa cháy bằng thủ

công (dùng cành cây, cào, cuốc… đập trực tiếp vào đám cháy), nên hiệu quả

thấp, nguy hiểm đối với người tham gia chữa cháy, từ đó mà diện tích cháy

rừng ngày càng tăng. Một số vườn quốc gia và cơ sở chữa cháy đã trang bị

một số thiết bị để chữa cháy rừng, nhưng các thiết bị này không phù hợp với

địa hình, điều kiện rừng, điều kiện chất chữa cháy nên hiệu quả chữa cháy

rừng không cao.

Do đặc điểm của cháy rừng thường là nơi xa nguồn nước, điều kiện vận

chuyển nước không thuận lợi, độ dốc lớn, địa hình phức tạp nên các thiết bị

chữa cháy lớn như xe ôtô cứu hoả khó có thể áp dụng được. Để tăng hiệu quả

cho việc chữa cháy rừng thì cần phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ra các thiết

bị chữa cháy rừng sử dụng tác nhân chữa cháy tại chỗ, thiết bị gọn nhẹ dễ

mang vác di dộng trên địa hình dốc, hiệu quả dập lửa lớn, dễ sử dụng, phù

hợp với điều kiện địa hình và điều kiện kinh tế ở Việt Nam, để trang bị rộng

rãi cho các cơ sở sản xuất lâm nghiệp, để từ đó toàn dân có thể tham gia vào

công tác chữa cháy rừng, góp phần hạn chế diện tích rừng bị cháy.

Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết về thiết bị chữa cháy rừng, năm 2008 Bộ

Khoa học và Công nghệ đã giao cho Trường Đại học Lâm nghiệp thực hiện

đề tài trọng điểm cấp nhà nước: "Nghiên cứu công nghệ, thiết kế chế tạo các

thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng" mã số: KC07.13/06-10. Kết quả của đề

tài đã thiết kế chế tạo được máy chữa cháy rừng bằng đất cát, thiết bị đã được

sử dụng ở nhiều địa phương mang lại hiệu quả chữa cháy rừng cao. Song thiết

bị còn nhiều tồn tại như rung động của máy lớn, khối lượng và áp lực đất cát

phun vào đám cháy chưa cao.

Nguyên nhân của những tồn tại nêu trên đó là đề tài trọng điểm cấp nhà

nước chỉ tập trung vào tính toán thiết kế chế tạo, chưa có nghiên cứu tính toán

tối ưu, chưa có nghiên cứu sâu về động lực học của máy. Để có cơ sở khoa

học cho hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng đất cát cần thiết phải tiến hành

nghiên cứu sâu về động lực học, nghiên cứu tính toán tối ưu một số thông số

của máy. Xuất phát từ những lý do trên luận án tiến hành nghiên cứu với tên

đề tài: "Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của máy chữa cháy

rừng bằng đất cát” .

2. Mục đích nghiên cứu của luận án

Xây dựng cơ sở khoa học để phục vụ cho việc tính toán xác định giá trị

tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng đất cát nhằm nâng cao

khối lượng và áp lực đất phun vào đám cháy, giảm rung động của máy, từ đó

nâng cao hiệu quả dập lửa chữa cháy rừng.

3. Những đóng góp mới của luận án

1. Luận án đã xây dựng mô hình động lực học, thiết lập được phương

trình tính toán lực cắt đất, công suất cắt - kéo văng đất, phương trình vi phân

rung động của máy cắt đất, kết quả khảo sát công suất cắt - kéo văng đất,

phương trình rung động của hệ thống cắt đất làm cơ sở khoa học cho việc xác

định giá trị tối ưu các thông số của hệ thống cắt đất và đề xuất giải pháp giảm

rung động của máy cắt đất chữa cháy rừng.

2. Đã xây dựng được mô hình tính toán động lực học của quạt hút và

phun đất chữa cháy rừng, đã khảo sát áp lực và vận tốc của quạt hút và phun

đất, kết quả khảo sát làm cơ sở khoa học để tính toán tối ưu quạt hút và phun

đất chữa cháy rừng.

3. Bằng nghiên cứu thực nghiệm luận án đã xác định được giá trị tối ưu

một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đó là: Đường kính đĩa

thép D=15 cm; chiều dài dao cắt đất L = 6 cm; góc lắp ráp đầu ra của quạt hút và

phun đất là β2 = 100 độ; số cánh của quạt hút và phun đất Z = 18, các thông số

trên là căn cứ khoa học để hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng đất cát.

4. Ý nghĩa khoa học của luận án

Kết quả nghiên cứu của luận án đã xây dựng được cơ sở khoa học để tính

toán các thông số động lực học của máy chữa cháy rừng bằng đất cát, đồng

thời luận án đã xây dựng được phương pháp thực nghiệm xác định một số

thông số động lực học của máy. Từ kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực

nghiệm có thể làm tài liệu khoa học cho tính toán thiết kế, hoàn thiện các thiết

bị chuyên dụng chữa cháy rừng.

5. Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Kết quả nghiên cứu của luận án được sử dụng cho việc thiết kế chế tạo

và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng đất cát do đề tài trọng điểm cấp nhà

nước thiết kế chế tạo, ngoài ra còn sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho việc

nghiên cứu thiết kế chế tạo các thiết bị có hệ thống cắt đất dạng búa như máy

đào hố trồng cây trên đất dốc, hệ thống đào đất và hút, phun đất trên xe chữa

cháy rừng đa năng.

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tình hình cháy rừng trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1. Tình hình cháy rừng trên thế giới

Trước cách mạng công nghiệp, rừng trên thế giới chiếm khoảng 50%

diện tích các lục địa, đến năm 1955 diện tích rừng này đã bị giảm đi một nửa.

Tới năm 2020 diện tích rừng của thế giới còn khoảng 2,2 tỷ ha (bằng 1/6 diện

tích bề mặt của trái đất).

Một trong những nguyên nhân cơ bản của sự mất rừng chính là do cháy

rừng gây ra. Số liệu thống kê cho thấy, hàng năm trên thế giới trung bình có

khoảng từ 10 - 15 triệu ha rừng bị cháy, có những năm con số này còn tăng

gấp đôi. Những đám cháy rừng điển hình đã xảy ra ở một số nước như sau:

- Ở Mỹ: Tại Miramichi và Maine (10/1825) cháy rừng đã thiêu huỷ

30.000 ha, số người thiệt mạng không xác định được;

Tại Great Idaho (8/1911) cháy rừng đã thiêu huỷ 30.000 ha và 85 người

thiệt mạng. Vụ cháy năm 1947 có 1.200.000 ha và có ít nhất 60 người thiệt mạng.

Trong hai năm 1993 - 1994 hàng nghìn vụ cháy rừng đã thiêu huỷ

khoảng 1.590.000 ha. Riêng năm 2000 ở Mỹ đã bị cháy 2,8 triệu ha, đã phải

chi phí tới 15 triệu USD/ngày trong vòng hơn 2 tháng [30].

- Ở Hy Lạp: Những đám cháy liên tục tại nước này từ năm 1998 tới

tháng 7 năm 2000 đã gây nên sự quan tâm của thế giới. Riêng tháng 7 và

tháng 8/1998 có tới 9.000 vụ cháy lớn nhỏ, thiêu huỷ khoảng 1.500.000 ha

rừng và hàng trăm ngôi nhà bao quanh bao gồm cả bệnh viện, tiệm ăn, nhà

máy, trường học…. Trong vòng vài tuần của tháng 7/2000 đã có tới 70.000 ha

rừng bị cháy. Tháng 9 đến tháng 10 năm 2007, Hy Lạp đã xảy ra vụ cháy

rừng kéo dài hơn một tháng làm thiệt hại khoảng 120.000 ha rừng làm 60

người chết, thiệt hại về kinh tế khoảng 60 tỷ đô la [34].

- Ở Australia: Năm 1976 cháy rừng đã thiêu huỷ 1,7 triệu ha. Ngày 16/2/1983, một vụ cháy đã thiêu huỷ hơn 335.000 ha rừng và đồng cỏ ở Bang

- Ở Trung Quốc: Năm 1987 có khoảng 3 triệu ha rừng đã bị cháy làm

Victoria, làm chết 73 người, hơn 1.000 người bị thương và gây thiệt hại khoảng 450 triệu USD [27]. thiệt hại hàng tỷ đô la, 150 người thiệt mạng [45]. - Tại Khu vực Đông Nam Á: Theo số liệu thống kê của FAO, từ năm 2010 đến đầu năm 2020 có trên 10 triệu ha rừng và đất rừng trong khu vực bị cháy. Trong đó, In đô nê xia là nước thường xảy ra cháy rừng với thiệt hại lớn nhất. Cháy rừng tại In đô nê xia năm 2018 làm ô nhiễm không khí cả các nước trong khu vực [29].

Một số vụ cháy rừng điển hình và gây thiệt hại do cháy rừng gây ra ở

1.1.2. Tình hình cháy rừng ở Việt Nam Theo báo cáo thông kê diễn biến tài nguyên rừng năm 2020 [1], Việt Nam có trên 14,8 triệu ha rừng (độ che phủ tương ứng là 43,8%), với 10,8 triệu ha rừng tự nhiên và 4 triệu ha rừng trồng. Trong những năm gần đây diện tích rừng tăng lên, nhưng chất lượng rừng còn suy giảm, rừng nguyên sinh chỉ còn khoảng 15%, trong khi rừng thứ sinh nghèo kiệt chiếm gần 70% tổng diện tích rừng trong cả nước, đây là loại rừng dễ xảy ra cháy, hiện nay Việt Nam có khoảng 6 triệu ha rừng dễ cháy bao gồm: rừng thông, rừng tràm, rừng tre nứa, rừng khộp, rừng non khoanh nuôi tái sinh tự nhiên và rừng đặc sản…, Do diễn biến thời tiết ngày càng phức tạp và càng khó lường từ đó dẫn đến nguy cơ tiềm ẩn cháy rừng rất cao. Việt Nam trong những năm qua như sau [1]: Năm 2002, vụ cháy rừng Tràm ở vườn quốc gia U Minh Thượng (Kiên

Giang) vườn quốc giaU Minh Hạ (Cà Mau) làm thiệt hại 6.703 ha rừng, chưa

kể đến những tổn thất về tài nguyên, môi trường… chỉ tính riêng cho công tác

chữa cháy đã lên tới 20 tỷ đồng.

Năm 2016, đã xảy ra 1.198 vụ cháy rừng, thiệt hại 15.548 ha rừng (4.125 ha rừng tự nhiên và 11.423 ha rừng trồng), giá trị lâm sản thiệt hại ước tính khoảng 290 tỷ đồng, chưa kể hàng chục tỷ đồng chi phí chữa cháy và chi phí để phục hồi phục hồi rừng. Ngày 27/3/2006, tại Mù Cang Chải (Yên Bái), cháy 21,5 ha rừng trồng, thiệt hại 100%. Ngày 17/3/2006, tại Thanh Thuỷ (Hà Giang) cháy 25,1 ha rừng đặc dụng, thiệt hại 100% [1].

Năm 2007, Vụ cháy rừng tự nhiên ở Trạn Tấu- Yên Bái, đã thiêu trụi

Năm 2017, đã xẩy ra 10 vụ cháy rừng ở Công ty rừng nguyên liệu giấy Miền Nam tại 3 huyện Sa Thầy, Ngọc Hồi và Đắc Tô tỉnh Kon Tum, đã làm cháy 15.000 ha rừng trồng đã 5 năn tuổi, tổng thiệt hại hàng nghìn tỷ đồng. khoảng 1200 ha rừng nguyên sinh quí hiếm. Mùa khô cuối năm 2018 đầu năm 2019, cả nước đã xẩy ra 600 vụ cháy rừng lớn nhỏ, có ngày xẩy ra 34 vụ cháy ở cả ba miền Bắc - Trung - Nam, điển hình là vụ cháy vườn quốc gia Hoàng Liên Sơn làm thiệt hại 1000 ha rừng, cháy rừng thường xẩy ra nhiều tỉnh miền núi phía bắc như: Hà Giang, Yên Bái, Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Bắc Cạn, ngoài ra cháy rừng còn xẩy ra ở các tỉnh Miền Trung-Tây Nguyên như: Tỉnh Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Bình, Kon Tum. Thiệt hại do cháy rừng mùa khô cuối năm 2018 và đầu năm 2019 khoảng 12.000 ha. Tổng hợp tình hình cháy rừng ở Việt Nam trong một số năm gần đây được thống kê ở bảng 1.1 [1].

Bảng 1.1: Tổng hợp tình hình cháy rừng ở Việt Nam từ năm 2010 - 2020

TT Năm Tổng số vụ cháy Cháy rừng tự nhiên (ha)

4523 1 2010 3.421 Tổng cháy diện tích rừng kinh tế (ha) 6723 Cháy rừng trồng (ha) 2200

1136 2 2011 1.234 1598 462

574 3 2012 1.367 1134 560

784 4 2013 1.461 1156 372

2573 5 2014 2.579 3157 584

748 6 2015 1.135 1076 328

7 2016 2.248 2049 3320 1271

348 8 2017 623 471 123

9 2018 972 486 739 253

1354 10 2019 1.932 2716 1362

11 2020 1.741 896 1374 478

7.993 23.464 Tổng 18.713 15.471

Hình 1.1: Cháy rừng ở Tây nguyên

Từ bảng số liệu (1.1) ta có thể thấy trung bình mỗi năm ở Việt Nam

xảy ra 1.871 vụ cháy rừng, gây thiệt hại 1.547 ha rừng tự nhiên và 799 ha

rừng trồng.

Hiện nay, nạn cháy rừng đang trở thành vấn đề nghiêm trọng đối với

mọi quốc gia trên thế giới, đặc biệt những nước có diện tích rừng lớn. Vì vậy,

hạn chế nạn cháy rừng và bảo vệ môi trường sống của cả nhân loại là nhiệm

vụ cấp bách không phải chỉ của một quốc gia nào mà của toàn thế giới.

1.1.3. Đặc điểm và điều kiện hoạt động của các thiết bị chữa cháy rừng

Cháy rừng thường xảy ra vào mùa khô, nên nguồn nước phục vụ cho

công tác chữa cháy rừng là rất hạn chế, từ đó các thiết bị chữa cháy rừng sử

dụng tác nhân chữa cháy là nước không phù hợp, không phát huy được hiệu

quả chữa cháy. Từ đặc điểm này cần thiết phải có thiết bị chữa cháy rừng với

tác nhân chữa cháy tại chỗ như không khí, đất cát.

Cháy rừng diễn ra trên diện tích rộng lớn, đòi hỏi các thiết bị chữa cháy

rừng phải có tính cơ động cao dễ di chuyển để phục vục cho công tác khi dập

lửa, mặt khác rừng bị cháy chủ yếu là rừng có độ dốc lớn, địa hình phức tạp,

không có đường giao thông. Từ đặc điểm này cần thiết phải có thiết bị chữa

cháy rừng có tính cơ động cao, gọn nhẹ, có thể di chuyển, mang vác trên địa

hình độ dốc lớn, phức tạp, không có đường giao thông.

Nguồn nhiệt do đám cháy rừng tạo ra lớn, chiều cao ngọn lửa lớn, bức

xạ nhiệt lớn, tốc độ lan tràn đám cháy nhanh. Những đặc điểm này đòi hỏi

thiết bị chữa cháy rừng phải đáp ứng được yêu cầu là hiệu quả dập lửa cao,

năng suất dập lửa lớn, giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe của người vận

hành thiết bị.

Hình 1.2: Chữa cháy rừng bằng máy phun đất cát

1.2. Khái quát về công nghệ chữa cháy rừng

Cháy rừng là một thảm họa thiên nhiên mà bất cứ quốc gia nào trên

thế giới đều phải quan tâm, chú trọng đầu tư nghiên cứu, ứng dụng các kỹ

thuật phòng, chữa cháy và chế tạo các thiết bị chuyên dụng để chữa cháy rừng

nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra.

Đặc điểm của cháy rừng là xảy ra trên một diện tích rộng lớn, điều kiện

địa hình phức tạp, xa nguồn nước, tốc độ lan tràn của ngọn lửa lớn, do vậy

việc chữa cháy rừng có đặc điểm riêng khác với chữa cháy dân dụng và công

nghiệp. Việc áp dụng các thiết bị chữa cháy công nghiệp và dân dụng vào

chữa cháy rừng là không có hiệu quả và không phù hợp [4].

Có nhiều công trình nghiên cứu công nghệ chữa cháy rừng trên thế

giới, theo tài liệu [5], căn cứ vào đặc điểm của vật liệu cháy trong rừng người

ta chia cháy rừng thành 3 loại: Cháy trên mặt đất (cháy thảm cỏ cây bụi, lá

khô), cháy trên tán cây (cháy dây leo, cành lá trên cây), cháy ngầm (cháy lớp

than bùn). Với mỗi một loại cháy rừng, mỗi một loại địa hình thì cần có các

công nghệ và thiết bị chữa cháy cho phù hợp.

Theo tài liệu [37], hiện nay các nước trên thế giới đang sử dụng công

nghệ chữa cháy rừng trực tiếp và gián tiếp như sau:

* Công nghệ chữa cháy rừng trực tiếp

Ngăn không cho ôxy tiếp xúc với vật cháy, kỹ thuật sử dụng phương

pháp này là dùng nước, hoá chất hoặc dùng đất cát phủ lên vật cháy, phương

pháp này thích hợp ở giai đoạn đầu của quá trình cháy.

Hạ nhiệt độ của đám cháy xuống dưới điểm cháy, kỹ thuật sử dụng là

dùng nước, không khí thu nhiệt của đám cháy để hạ nhiệt độ của đám cháy

xuống dưới điểm cháy thì đám cháy bị dập tắt.

* Công nghệ chữa cháy rừng gián tiếp

Cách ly vật liệu cháy: Mục đích của phương pháp này là cách ly triệt để

giữa vật liệu đã cháy với vật liệu chưa cháy để cho đám cháy không cháy lan ra

xung quanh. Kỹ thuật thực hiện phương pháp này là làm các băng trắng hoặc

phun nước, hoá chất làm cho vật liệu cháy khó cháy hoặc không cháy được.

Căn cứ vào địa hình, loại rừng, loại thực bì, tác nhân chữa cháy,

phương pháp dập lửa, điều kiện kinh tế của các nước khác nhau mà áp dụng

các công nghệ và thiết bị chữa cháy khác nhau. Hầu hết các nước trên thế giới

việc chữa cháy rừng do lực lượng chữa cháy chuyên nghiệp đảm nhận, có

trang thiết bị chuyên dụng, được đào tạo về công nghệ, kỹ thuật và chiến thuật

chữa cháy rừng.

1.3. Các công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng trên thế giới

Căn cứ vào điều kiện địa hình, điều kiện kinh tế của mỗi nước mà các

nước sử dụng các thiết bị chữa cháy rừng khác nhau. Ở các nước công nghiệp

phát triển như Mỹ, Úc, Nhật Bản, Canada thì sử dụng các thiết bị chữa cháy

rừng hiện đại như máy bay chữa cháy, xe ôtô chữa cháy,… còn ở các nước

công nghiệp đang phát triển như Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ thì kết hợp các

thiết bị chữa cháy hiện đại với các thiết bị chữa cháy nhỏ cầm tay như máy thổi

gió, máy bơm nước [30].

Việc nghiên cứu thiết bị chữa cháy rừng chuyên dùng đã được các nước

quan tâm và tương đối hoàn thiện về công nghệ và thiết bị như máy bay chữa

cháy rừng của cảnh sát phòng cháy chữa cháy rừng thuộc liên bang Mỹ, thiết

bị này sử dụng ở mọi địa hình, hiệu quả chữa cháy rất cao [34].

Theo tài liệu [30], Công ty Cavan của Pháp, đã nghiên cứu ra xe

chuyên dụng chữa cháy rừng với nguồn động lực là xe xích, sử dụng chất chữa cháy là nước, xe có thể hoạt động ở nơi có địa hình độ dốc < 150.

Công ty Morita của Nhật Bản đã nghiên cứu ra nhiều loại xe chữa cháy

sử dụng nước, hoá chất để chữa cháy, đó là các loại xe MVCA - 40H, MVCA -

60H, các loại xe này chỉ sử dụng để chữa cháy được ở nơi địa hình rừng bằng

phẳng, có đường giao thông thuận lợi, không hoạt động được ở nơi có địa hình

phức tạp [29].

Công ty Kanglim của Hàn Quốc đã có nhiều nghiên cứu về xe chữa

cháy rừng, nhưng chủ yếu phục vụ ở những nơi có địa hình bằng phẳng, có

mạng lưới đường thuận lợi.

Wybo và một số tác giả trong tài liệu [34] đã giới thiệu các công trình

nghiên cứu về công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng của Mỹ và một số nước,

theo tài liệu này thì các công trình nghiên cứu về xe chữa cháy, máy bơm

nước chữa cháy đã đạt được kết quả rất tốt và hiện nay đã được ứng dụng vào

thực tế.

Hãng Tohatsu và hãng Rabbit của Nhật Bản đã có nhiều nghiên cứu về

máy bơm nước chữa cháy. Kết quả nghiên cứu đã tạo ra các loại máy bơm nước

chuyên dụng cho chữa cháy có áp lực cao, lưu lượng bơm lớn, chiều dài ống đẩy

lớn, loại máy bơn nước chuyên dùng này đã được sử dụng trong chữa cháy các

công trình dân dụng.

Một số nước phát triển đã sử dụng công nghệ thông tin, hệ thống định

vị vệ tinh trong việc phòng và chữa cháy rừng [31]. Với việc ứng dụng công

nghệ thông tin này cho phép quản lý tốt tình hình cháy rừng, phát hiện kịp

thời đám cháy và phối kết hợp các thiết bị chữa cháy rừng có hiệu quả.

Các nước đang phát triển như Inđônêxia, Philippin, Malaysia, chủ yếu

tập trung nghiên cứu các thiết bị chữa cháy rừng cầm tay. Theo tài liệu [29], ở

Inđônêxia đã có một số công trình nghiên cứu là vỉ dập lửa thủ công, bình

bơm nước đeo vai, kết quả nghiên cứu đã tạo ra được vỉ dập lửa thủ công bộ

phận dập lửa bằng thép lá.

Trung Quốc là nước có nhiều nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng,

theo các tài liệu [37], [40], [48], [49], Trung Quốc đã nghiên cứu ra nhiều

thiết bị chữa cháy rừng như xe chữa cháy rừng có nguồn động lực là máy kéo

bánh xích, chất chữa cháy là nước, súng bắn hoá chất vào đám cháy, dùng

mìn để dập lửa.

Xuất phát từ thực tế chữa cháy rừng ở tỉnh Hoắc Long Giang, cục Lâm

nghiệp Đại Phong thuộc tỉnh Hoắc Long Giang - Trung Quốc đã sáng chế ra

máy dập lửa bằng sức gió. Ban đầu người ta cải tiến từ động cơ cưa xăng, máy

cắt cỏ. Sau đó từng bước nghiên cứu để tạo thành máy dập lửa bằng sức gió

chuyên dùng. Hiện nay ở Trung Quốc đang sử dụng máy dập lửa bằng sức gió

cầm tay loại: CF 2 - 20; CF - 22; 6MF - A do nhà máy cơ khí Lâm nghiệp Tây

Bắc chế tạo, máy dập lửa MBH - 29 do nhà máy cơ khí Lâm nghiệp Thái Sơn

chế tạo [40]. Hình 1.3 là máy dập lửa bằng sức gió do Trung Quốc chế tạo.

Hình 1.3: Máy thổi gió chữa cháy rừng

Năm 2000 giáo sư Châu Hồng Bình khoa Cơ điện - Tự động Trường

Đại học Nam Kinh Trung Quốc đã thực hiện đề tài nghiên cứu máy dập lửa

bằng sức gió [37], kết quả nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo ra được máy dập lửa

với các thông số kỹ thuật của máy là: Vận tốc gió: 26 m/s ; lưu lượng gió: 30 m3/phút; chiều dài ống thổi: 0,7 m. Sau đó đã chuyển giao công trình nghiên

cứu này cho nhà máy cơ khí Lâm nghiệp Lâm Hải chế tạo. Tồn tại của công

trình trên đó là vận tốc của không khí thấp, lưu lượng nhỏ, chiều dài ống thổi

ngắn.

Theo các tài liệu [40], Học viện cảnh sát phòng cháy, chữa cháy rừng

Trung Quốc đã có một số công trình nghiên cứu về máy chữa cháy rừng bằng

sức gió nhằm cải tiến máy hiện có, để tăng vận tốc và lưu lượng khí thổi. Kết

quả nghiên cứu đã nâng cao được công suất của máy từ 3,4 KW lên 4,7 KW vận tốc không khí đạt 35 m/s, lưu lượng không khí 38m3/phút, nhưng chiều

dài ống thổi không tăng (0,7 m).

Năm 2004, Zheng Huaibing và Zhang Nanqun thuộc Học viện cảnh sát

chữa cháy rừng Trung Quốc [50] đã nghiên cứu cải tiến máy dập lửa bằng sức

gió với bình nước đeo sau lưng người sử dụng, với chất chữa cháy là nước ở

dạng sương và không khí để nâng cao hiệu quả dập tắt đám cháy. Tồn tại của

công trình nghiên cứu này là bình nước rất nhỏ (10 lít) nên sau một thời gian

hoạt động là hết nước, mặt khác khối lượng cần phải mang vác của người sử

dụng máy là rất nặng nên ảnh hưởng đến sức khoẻ và năng suất làm việc của

người chữa cháy.

Theo các tài liệu [43], [46], [47], [48], hiện nay ở Trung Quốc có rất

nhiều cơ sở nghiên cứu và chế tạo máy chữa cháy rừng bằng sức gió, song các

thiết bị chữa cháy vẫn chưa hoàn thiện về kết cấu, về vận tốc và lưu lượng

không khí, chiều dài ống thổi. Mong muốn của các nhà khoa học là càng nâng

cao vận tốc và lưu lượng không khí càng tốt. Mặt khác trọng lượng của thiết

bị phải gọn nhẹ.

Theo các tài liệu [42], [46], các thiết bị chữa cháy rừng bằng sức gió

của Trung Quốc chỉ hoạt động có hiệu quả khi chiều cao ngọn lửa nhỏ, cường

độ cháy thấp, chủ yếu chữa cháy mặt đất, cháy đồng cỏ. Việc nâng cao khả

năng chữa cháy của thiết bị vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu.

Tác giả Huang Renchu trong công trình [36] đã đưa ra lý thuyết tính

toán máy và thiết bị lâm nghiệp, trong đó có nội dung về cơ sở lý thuyết tính

toán máy chữa cháy rừng bằng sức gió, máy phun nước chữa cháy rừng, trong

tài liệu chưa đề cập đến máy chữa cháy rừng bằng đất cát.

Tác giả Pan Guoqing, zhou Yongzhao đã công bố kết quả nghiên cứu

về thử nghiệm để nâng cao hiệu suất của máy chữa cháy rừng bằng sức gió

[40], công trình đã đề xuất một số giải pháp nâng cao vận tốc và lưu lượng

không khí thổi vào đám cháy như tăng số vòng quay của động cơ, tăng đường

kính quạt gió.

Tác giả Qi Zi trong công trình [41] đã công bố kết quả nghiên cứu phát

triển xe chữa cháy rừng 5 bánh, kết quả nghiên cứu của tác giả đã tính toán

động lực học xe chữa cháy rừng 5 bánh di chuyển ổn định trên độ dốc 10 độ.

Tác giả Zou Guoli đã công bố công trình [44] về chiến thuật, công nghệ

chữa cháy rừng đồng cỏ, trong đó đã giới thiệu công nghệ và thiết bị chữa

cháy rừng cầm tay như máy chữa cháy rừng bằng sức gió, bình phun nước

đeo vai.

Tài liệu chữa cháy rừng [45] của tác giả Dong Binxing đã giới thiệu

một số thiết bị chữa cháy rừng do Trung Quốc nghiên cứu như máy thổ gió,

xe ô tô chữa cháy, máy bơm nước chữa cháy rừng, súng bắn đạn chữa cháy

rừng, máy bay chữa cháy rừng, song chưa đề cập đến máy chữa cháy rừng

bằng đất cát.

Tác giả Gorte R.W trong công trình: “ Phòng cháy chữa cháy rừng”

[30], đã phân tích lựa chọn một số thiết bị chữa cháy phù hợp cho một số loại

rừng, các thiết bị đưa ra chủ yếu là xe ô tô chữa cháy rừng chuyên dụng, máy

bay trực thăng, các thiết bị cầm tay chưa được đề cập đến.

Tóm lại: Chữa cháy rừng là vấn đề được chính phủ các nước rất quan

tâm, các công trình nghiên cứu về công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng trên

thế giới rất phong phú và đã thu được nhiều thành tự to lớn, các nghiên cứu đã

tương đối hoàn thiện, từ kết quả nghiên cứu đã tạo ra các thiết bị sử dụng

ngoài thực tế. Một tồn tại lớn nhất của các nghiên cứu trên đó là sử dụng chất

chữa cháy là nước, nên phạm vi hoạt động của thiết bị còn hạn chế. Trong

thực tế cháy rừng chủ yếu xảy ra vào mùa khô nên không có nguồn nước dẫn

đến thiết bị không hoạt động được. Do vậy, cần phải nghiên cứu tìm ra các

chất chữa cháy sẵn có tại chỗ như không khí và đất cát.

Trung Quốc là nước đi đầu trong nghiên cứu máy dập lửa bằng sức gió,

đã có nhiều công trình nghiên cứu về máy này, có nhiều nhà máy, công ty sản

xuất ra máy chữa cháy bằng sức gió. Nhưng máy dập lửa bằng sức gió vẫn

còn nhiều tồn tại cần phải nghiên cứu hoàn thiện như tăng vận tốc và lưu

lượng không khí, giảm trọng lượng máy. Hiện nay, các công trình công bố về

nghiên cứu tối ưu máy chữa cháy rừng bằng sức gió, cũng như máy chữa cháy

rừng bằng đất cát trên thế giới rất hạn chế.

1.4. Các công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, hiện nay có khoảng 1 triệu người sống du canh du cư đốt

nương làm rẫy, khí hậu khô hanh kéo dài, nên hàng năm đã xảy ra hàng nghìn

vụ cháy rừng gây thiệt hại hàng nghìn tỷ đồng. Cháy rừng làm thiệt hại rất lớn

về kinh tế, tác động rất xấu đến môi trường, tạo ra tâm lí không an tâm cho

các nhà đầu tư sản xuất kinh doanh lâm nghiệp trong và ngoài nước. Nhận

thức rõ tác hại của cháy rừng gây ra, Chính phủ, các bộ, ban ngành, các tỉnh

thành phố và các địa phương đã có nhiều văn bản pháp qui về phòng chống và

chữa cháy rừng như: Thông báo số 129-TB/TW ngày 22/4/1998 của Thường

vụ Bộ Chính trị, Nghị định 22/CP; Chỉ thị 19/TTg; 177/TTg của Thủ Tướng

Chính Phủ về công tác phòng và chữa cháy rừng [1].

Quyết định 02/QĐ-TTg ngày 2 tháng 1 năm 2007 của Thủ tướng Chính

phủ về phê duyệt Đề án " Nâng cao năng lực phòng cháy chữa cháy rừng cho lực

lượng kiểm lâm" giai đoạn 2007 - 2010, tổng vốn đầu tư cho đề án là 502 tỷ đồng,

trong đó 50% kinh phí đầu tư cho thiết bị chữa cháy rừng. Một nội dung quan

trọng của đề án là nghiên cứu phương tiện và thiết bị phòng cháy, chữa cháy rừng

tiên tiến phù hợp với điều kiện tự nhiên của từng vùng.

Chính phủ đã thành lập Ban phòng chống và chữa cháy rừng từ Trung

ương đến địa phương, hàng năm có tập huấn, diễn tập, nhưng số vụ cháy và diện

tích rừng bị cháy không giảm được nhiều. Nguyên nhân có nhiều nhưng một

nguyên nhân quan trọng đó là thiếu các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng.

Đối với những vụ cháy rừng khi mới phát hiện nếu có thiết bị chuyên dụng chữa

cháy thì hoàn toàn có thể dập tắt được dẫn đến giảm được diện tích rừng bị cháy.

Trong những năm qua đã có một số công trình nghiên cứu về phòng cháy

và chữa cháy rừng. Hầu hết các công trình chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các

giải pháp phòng chống cháy, dự báo cháy rừng, còn nghiên cứu về công nghệ

chữa cháy rừng, các thiết bị chữa cháy chuyên dụng là rất ít.

Năm 1985, Cục kiểm lâm đã chủ trì đề tài cấp nhà nước mã số

04.01.01.07, về các biện pháp phòng cháy chữa cháy rừng Thông và rừng

Tràm. Kết quả của đề tài đã đưa ra một số giải pháp phòng chống cháy rừng

Thông và rừng Tràm, về thiết bị chữa cháy chuyên dụng thì đề tài chưa đề cập

đến nhiều.

Tác giả Phan Thanh Ngọ trong công trình “Nghiên cứu một số biện

pháp phòng cháy, chữa cháy rừng Thông ba lá, rừng Tràm ở Việt Nam” [16],

đã nghiên cứu tạo ra được bình bơm nước đeo vai để chữa cháy rừng, thiết bị

này đã được Cục sở hữu công nghiệp cấp giấy chứng nhận kiểu dáng công

nghiệp, hiện nay đang được một số đơn vị sử dụng.

Một số cơ sở sản xuất kinh doanh rừng, một số trung tâm bảo vệ rừng,

một số vườn quốc gia đã tự nghiên cứu, tự thiết kế chế tạo và nhập về một số

máy và thiết bị chữa cháy rừng, nhưng các thiết bị này sử dụng không có hiệu

quả, năng suất và khả năng dập lửa thấp, không phù hợp với địa hình và thực

bì rừng bị cháy.

Một số đơn vị ở Đồng Nai, Tây Nguyên đã sử dụng máy thổi gió của

Trung Quốc (nhãn hiệu Linhua), loại thiết bị này có trọng lượng nặng, độ

rung lớn ống thổi ngắn và chất lượng động cơ thấp, nên hiệu quả chữa cháy

rừng thấp, thiết bị này chỉ chữa đám cháy rừng nhỏ.

Một số đơn vị chữa cháy rừng đang sử dụng xe chữa cháy rừng do

Công ty cơ khí ôtô xe máy Thanh Xuân cải tiến từ xe UAZ, xe tải IZUZU ,

thiết bị này bao gồm hệ thống téc nước, bơm nước đặt trên thùng xe. Khi có

đám cháy xảy ra xe sẽ dùng hệ thống bơm nước từ téc nước để chữa cháy.

Nhược điểm của thiết bị này là không tiếp cận được với những đám cháy ở

vùng sâu vùng xa, nơi không có đường giao thông.

Hình 1.4: Xe chữa cháy được cải tiến từ xe Uoát

Từ năm 2003 đến năm 2005, PGS.TS Vương Văn Quỳnh Trường Đại học

Lâm Nghiệp đã chủ trì đề tài nghiên cứu cấp nhà nước: “Nghiên cứu, xây dựng các

giải pháp phòng chống và khắc phục hậu quả cháy rừng cho vùng U Minh và Tây

Nguyên” [19]. Kết quả của đề tài đã xây dựng được các giải pháp phòng chống và

khắc phục hậu quả do cháy rừng, trong đó đề tài đã đưa ra giải pháp chữa cháy rừng

bằng máy thổi gió.

Từ năm 2006 đến năm 2007, TS. Dương Văn Tài Trường Đại học Lâm

nghiệp đã thực hiện đề tài cấp Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn:

“Nghiên cứu khảo nghiệm và cải tiến các thiết bị chữa cháy rừng sử dụng đất

cát, không khí và nước ở dạng sương” [18], kết quả của đề tài đã thiết kế chế

tạo được mẫu máy chữa cháy rừng bằng đất cát, đề tài cũng chưa có nghiên

cứu toàn diện và sâu về máy chữa cháy bằng đất cát mà chỉ tập trung vào

phần thiết kế, cải tiến.

Năm 2010, tác giả Dương Văn Tài đã công bố kết quả nghiên cứu đề

tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 [19]: “Nghiên cứu công

nghệ và thiết kế chế tạo các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng”, kết quả

của đề tài đã thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm máy chữa cháy rừng bằng đất

cát. Máy chữa cháy rừng bằng đất cát đã được Cục sở hữu trí tuệ cấp bằng

độc quyền giải pháp hữu ích số 936. Song đề tài chưa nghiên cứu về động lực

học của hệ thống đào đất, chưa nghiên cứu tính toán tối ưu hệ thống đào đất,

hệ thống hút và phun đất đề tài chủ yếu tập trung vào khâu thiết kế chế tạo và

khảo nghiệm.

Hình 1.5: Các thiết bị chữa cháy rừng do đề tài trong điểm

cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 thiết kế chế tạo

Luận án tiến sỹ của tác giả Nguyễn Xã Hội: “ Nghiên cứu dao động của

xe chữa cháy rừng đa năng” [12], kết quả nghiên cứu của luận án đã xây dựng

được mô hình không gian dao động của xe, thiết lập và khảo sát phương trình

vi phân dao động của xe chữa cháy đa năng, luận án chưa nghiên cứu về hệ

thống cắt đất, hút phun đất trên xe chữa cháy rừng đa năng.

Luận án tiến sỹ của tác giả Lương Văn Vạn: “ Nghiên cứu độ bền

khung sắt xi xe chữa cháy rừng đa năng [26], kết quả nghiên cứu của luận án

đã xây dựng mô hình, thiết lập được phương trình tính toán độ bền khung sắt

xi xe chữa cháy rừng đa năng, luận án chưa đề cấp đến hệ thống hút đất, cắt

đất trên xe chữa cháy rừng đa năng.

Tóm lại: Cháy rừng là một vấn đề được Chính phủ, các cấp, các ngành và

toàn xã hội quan tâm, nhưng diện tích rừng bị cháy hàng năm vẫn chưa giảm,

nguy cơ cháy rừng rất cao do biến đổi khí hậu, nhưng các công trình nghiên

cứu về thiết bị chuyên dùng để chữa cháy rừng ở nước ta còn rất ít. Đã có một

số công trình nghiên cứu về dự báo cháy rừng, phòng chữa cháy mang lại hiệu

quả rất lớn, còn các công trình nghiên cứu về thiết bị chuyên dụng chữa cháy

rừng còn hạn chế. Việc nghiên cứu tạo ra các thiết bị chữa cháy rừng chuyên

dụng phù hợp với điều kiện địa hình, loại rừng, loại thực bì, phù hợp với tác

nhân chữa cháy tại chỗ là hết sức cần thiết và kịp thời trong giai đoạn hiện nay,

do vậy đề tài: “Nghiên cứu một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng

đất cát” là rất cần thiết có tính thời sự.

1.5. Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Từ kết quả nghiên cứu thu được ở phần tổng quan, luận án đặt ra mục

tiêu nghiên cứu như sau:

Xây dựng cơ sở khoa học để từ đó tính toán xác định được giá trị tối ưu

một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng đất cát, bảo đảm khối lượng và

áp lực đất cát phun vào đám cháy, nhằm nâng cao hiệu quả dập lửa chữa cháy

rừng, giảm rung động của máy.

1.6. Nội dung nghiên cứu của luận án

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã nêu trên, luận án thực hiện các nội

dung nghiên cứu như sau

1.6.1. Nghiên cứu lý thuyết

- Xây dựng mô hình tính toán hệ thống cắt đất, hút và phun đất vào

đám cháy;

- Thiết lập phương trình chuyển động của cơ hệ: Đĩa- Dao cắt kéo văng đất;

- Xây dựng mô hình, thiết lập phương trình vi phân rung động của máy

cắt đất dạng búa;

- Xây dựng mô hình động học tính toán quạt hút và phun đất;

- Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống hút và phun đất;

- Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến công suất cắt - kéo văng đất,

- Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến gia tốc rung động của máy

cắt đất;

- Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến áp lực và vận tốc phun của

quạt hút và phun đất cát.

1.6.2. Nghiên cứu thực nghiệm

- Xác định công suất cắt- kéo văng đất, gia tốc rung động của máy cắt

đất để kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết;

- Xác định ảnh hưởng của một số thông số đến áp lực đất phun và khối

lượng đất cát phun;

- Thiết lập phương trình hồi qui thực nghiệm;

- Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu để xác định một số thông số tối ưu

của máy.

1.7. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu được đề tài luận án lựa chọn là máy chữa cháy

rừng bằng đất cát do đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10

thiết kế chế tạo được cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 936.

1.7.1. Cấu tạo của máy phun đất cát chữa cháy rừng

Máy chữa cháy rừng bằng đất cát do đề tài trọng điểm cấp nhà nước

thiết kế chế tạo có cấu tạo như hình 1.6. Cấu tạo của máy gồm có máy cắt đất

và máy hút và phun đất, hai máy nối với nhau bằng ống mềm. Máy cắt đất

hoạt động độc lập với máy hút và phun đất, máy cắt đất có nhiệm vụ cắt đất

văng đất lên trong buồng hút, máy hút đất có nhiệm vụ hút đất đã được cắt ra

sau đó phun đất vào đám cháy với vận tốc và áp lực cao.

Hình 1.6: Máy chữa cháy rừng bằng đất cát

1- Máy cắt đất; 2 - Ống mềm hút đất; 3 - Máy hút và phun đất

Hình 1.7: Hoạt động của máy cắt đất và hút phun đất

1.7.2.Nguyên lý hoạt động

Máy cắt đất (1), cắt đất làm cho đất tung lên, dưới áp lực hút của không

khí, đất cát đi vào trong ống hút (2), đất được máy hút và phun ra khỏi miệng

ống phun và bắn phá đám cháy, dưới áp lực của không khí và đất cát đám

cháy bị dập tắt.

1.7.3. Thông số kỹ của máy chữa cháy rừng bằng đất cát

Thông số kỹ của máy chữa cháy rừng bằng đất cát hiện đang được sử

dụng trong thực tế được ghi ở bảng 1.2.

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của máy chữa cháy rừng bằng đất cát

TT Các chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị

Đơn vị tính I Máy cắt đất chữa cháy rừng

1 Loại động cơ cưa xăng Husqvarna 365

2 Công suất động cơ 3 Khối lượng đất đào được và tung lên 4 Vận tốc dao cắt đất 5 Đường kính lắp đĩa thép lắp dao cắt đất 6 Chiều dài dao cắt đất 7 Loại đất đào kW kg/ph vòng/ph cm cm

m/s2 kG Kw m/phót 3,4 1,5 3000 13 8 Đất, đất lẫn đá, rễ cây... 7,2 11 4,8 5,5

Chiều cao ngọn lửa được dập tắt m ≤ 4

kG 10

Khối lượng đất cát phun vào đám cháy kg/ phút 1,3

N 65

8 Gia tốc rung động tay cầm của máy 9 Trọng lượng máy II Máy hút và phun đất chữa cháy rừng 1 Loại động cơ: cưa xăng Husqvarna 376 2 Công suất động cơ 3 Tốc độ dập lửa 4 5 Trọng lượng của máy 6 7 Áp lực đất cát phun vào đám cháy 8 Góc lắp ráp đầu ra của cánh quạt hút và Độ 115

phun đất

9 Số cánh của guồng quạt hút phun đất cánh 20

Chiều dài ống phun đất m 0,8

m 5

0 ≤ 40

10 11 Chiều dài ống hút đất 12 Độ dốc địa hình máy hoạt động có hiệu quả độ

1.7.4. Một số tồn tại của máy chữa cháy rừng bằng đất cát

Máy chữa cháy rừng bằng đất cát do đề tài trọng điểm cáp nhà nước mã số

KC07.13/06-10 đã được sử dụng ở một số địa phương như : Chi cục kiểm lâm Kon

Tum, Chi cục Kiểm lâm Bình Phước, Chi cục Kiểm lâm Huế, Ban chỉ huy Quân sự

tỉnh Quảng Ninh, Thành phố Hạ Long tỉnh Quảng Ninh, Ban quản lý rừng phòng

hộ đặc dụng Hà Nội, loại máy này cho hiệu quả chữa cháy rừng cao, phù hợp với

điều kiện địa hình ở Việt Nam và được các đơn vị sử dụng đánh giá cao về tác nhân

chữa cháy rừng là đất cát lấy tại chỗ. Song máy chữa cháy rừng bằng đất cát đang

sử dụng hiện còn một số những tồn tại như sau:

- Khối lượng đất cắt và tung lên của máy đào còn ít, từ đó ảnh hưởng đến

khối lượng đất hút và phun vào đám cháy ;

- Khối lượng đất cát phun vào đám cháy còn ít, từ đó ảnh hưởng đến hiệu

quả dập lửa của máy;

- Áp lực của đát cát phun vào đám cháy còn nhỏ nên ảnh hưởng đến hiệu

quả dấp lửa ;

- Rung động của hệ thống cắt đất lớn, từ đó ảnh hưởng đến sức khỏe và độ

bền của hệ thống cắt đất ;

- Trọng lượng của máy nặng, từ đó ảnh hưởng đến quá trình di chuyển của

thiết bị trên khu rừng có độ dốc lớn.

Với những tồn tại nêu trên cần thiết phải có những nghiên cứu tối ưu hệ

thống cắt đất, cắt đất để tăng khối lượng đất đào và tung lên, nghiên cứu tối ưu hệ

thống quạt hút và phun đất để tăng khối lượng đất cát phun vào đám cháy để tăng

hiệu quả dập lửa, nghiên cứu hoàn thiện hệ thống giảm rung động của hệ thống cắt

đất để giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe cho người vận hành máy.

1.8. Khái quát về đất ở trong rừng phục vụ cho chữa cháy

1.8.1. Đặc điểm của đất rừng

- Đối với đất rừng tự nhiên: Theo thống kê của viện điều tra quy hoạch

rừng thì hiện nay cả nước có khoảng 6 triệu ha rừng có nguy cơ cháy rừng cao

đặc điểm của các loại đất này là:

+ Độ dốc lớn, trung bình từ 30-500 độ;

+ Thực bì chủ yếu là cây bụi, lau lách , giang nứa, sim mua;

+ Độ cứng của đất lớn, theo kết quả trong tài liệu [7] trị số độ chặt của

đất khoảng 25-30Kg/cm2 ứng với độ ẩm của đất 10-15%;

+ Loại đất chủ yếu là đất thịt lẫn sỏi đá, trong đất có nhiều rễ cây.

Với những đặc điểm đã nêu trên thì việc cắt đất là khó khăn, do vậy cần

phải cơ giới hoá khâu cắt đất này.

- Đối với đất rừng trồng: Tính chất của đất rừng trồng phụ thuộc vào

loài cây trồng. Hiện nay ở Việt Nam rừng sản xuất kinh doanh chủ yếu được

trồng hai loại cây đó là loài Keo và Bạch Đàn. Đối với đất trồng loài Keo thì

trong quá trình sinh trưởng và phát triển lá Keo rụng xuống có tác dụng cải

tạo đất , làm cho đất xốp hơn, độ ẩm của đất cao hơn. Do vậy độ chặt của đất

ở mức độ trung bình từ 15-20Kg/cm2 độ ẩm trung bình 20-30%. Đối với đất

rừng trồng là cây Bạch Đàn thì độ cứng của đất cao hơn, độ phì của đất thấp

hơn.

Đặc điểm của đất rừng trồng là:

+ Đất đã được cải tạo nên độ chặt trung bình từ 15-20Kg/cm2;

+ Độ ẩm của đất cao, tầng đất mầu cao;

+ Có nhiều rễ cây, gốc cây;

+ Độ dốc trung bình 30-400.

1.8.2. Phân loại đất rừng:

Hiện nay có nhiều cách phân loại đất khác nhau, tùy thuộc vào mục

đích yêu cầu của việc phân loại và sử dụng, nhìn chung có thể phân loại đất

như sau:

Theo đặc điểm của quá trình hình thành, quá trình phong hóa các loại đá

gốc để tạo thành đất. Tùy thuộc vào đặc điểm, tính chất của quá trình phong

hóa mà ta có thể phân loại đất thành các loại sau:

- Đất vụn rời (đá dăm, sỏi, cuội, cát): Các loại đất này là kết quả của quá

trình phong hóa lý học của các loại đá gốc sinh ra. Các tác nhân chủ yếu của

quá trình phong hóa ở đây là sự thay đổi nhiệt độ, áp suất, độ ẩm khí quyển

tạo nên các dạng ứng suất phức tạp trong lòng các đá gốc dẫn đến phá vỡ

chúng thành các loại hạt vụn rời, không dính, không dẻo. Thành phần và tính

chất của chúng gần giống với đá gốc nên khá ổn định. Kích thước hạt của các

loại đất này thường lớn, dễ nhận thấy bằng mắt thường.

- Đất dính, dẻo (các loại đất sét): Đất sét được hình thành chủ yếu do

phong hóa hóa học các đá gốc. Tác nhân chủ yếu trong quá trình hóa học là

ôxy, nước, các chất hóa học và các dung dịch của chúng. Trong quá trình

phong hóa các loại đá gốc bị phân hủy, thay đổi tính chất, thành phần hóa học

và tính chất của đất sét khác hẳn so với các loại đá gốc. Kích thước các hạt

đất sét thường rất nhỏ ( < 0,005 mm) và thường chứa các hạt keo nên chúng

có khả năng liên kết tốt với nước. Khi bị ẩm thì dính dẻo đồng thời khả năng

chịu tải giảm rất nhanh.

- Đất bột: Đất bột được hình thành do quá trình phong hóa, lý - hóa hỗn

hợp rất phức tạp. Tác nhân của quá trình phong hóa này vừa là các tác nhân lý

học: nhiệt độ, áp suất… vừa là các tác nhân hóa học: oxy, nước, các dung

dịch hóa học…dẫn đến các tính chất lý, hóa học của đất bột rất khác biệt so

với đá gốc.

Từ các cách phân loại trên căn cứ vào tính chất cơ lý của một số loại đất,

trong phạm vi nghiên cứu luận án phân ra theo 3 dạng đất cơ bản và chủ yếu

nhất của đất rừng là:

- Đất sỏi đá;

- Đất thịt;

- Đất cát pha.

1.8.3. Thành phần của đất rừng

- Đất sỏi đá: Đại bộ phận là các mảnh vỡ vụn của đá mắc ma, đá biến

chất, đá trầm tích tạo thành. Chúng có hình dạng khác nhau. Nếu tích tụ tại

chỗ gần nơi đá gốc bị phá vỡ thì có dạng sắc cạnh nhưng trong thực tế thường

gặp loại đất này ở dạng tròn cạnh tích tụ thành từng lớp. Tính co ép của loại

đất này nhỏ, giữa các hạt không hình thành nước mao dẫn nhưng có tính thấm

nước lớn.

- Đất cát pha: Có chứa lượng sét từ 3- 12%, thành phần chủ yếu là thạch

anh SiO2, manhetit, mica, fenpat…đường kính hạt càng nhỏ thì hàm lượng

thạch anh càng lớn. Ngoài ra còn chứa các loại hạt sét, hạt keo các hạt này có

kích thước nhỏ hơn 0,005 mm.

- Đất thịt: Có hàm lượng các hạt sét từ 12 – 25%, có tính dính của các

hạt sét ở mức độ tương đối cao, tính dẻo của chúng tương đối lớn.

1.8.4. Một số tính chất cơ lý của đất rừng

Tính chất chung của đất là một kết cấu như là một môi trường rời rạc

và không đồng nhất. Chúng có tính rời rạc vì các hạt cứng liên kết với nhau

rất yếu so với sức bền của bản thân các hạt cứng, giữa các hạt còn có các

khoảng trống. Tính không đồng nhất còn thể hiện ở các mặt: Kích thước và sự

phân bố các hạt cứng không đồng đều nhau; tính chất các hạt cứng cũng rất

khác nhau ngoài ra trong đất chứa các xác động, thực vật phân bố khác nhau.

Sự liên kết của đất chủ yếu do ma sát nội hạt, lực hấp dẫn phân tử giữa các hạt

cứng, sức căng màng nước và sự dính kết của các hạt vi nhỏ có trong đất.

Khi ta tác dụng các lực cơ học vào đất, thông qua bộ phận làm việc của

bộ phận canh tác thì xảy quá trình tác dụng tương hỗ giữa lưỡi cắt và đất, qua

quá trình tương tác rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Sự tác dụng có

thể chia ra làm 3 hiện tượng sau:

+ Phá vỡ kết cấu đất nơi tiếp xúc lưỡi cắt- đất;

+ Lực ma sát nơi tiếp xúc giữa lưỡi cắt với đất và giữa các hạt đất;

+ Các ứng suất trong đất chống lại sự dịch chuyển khi có tác động lưỡi cắt

vào đất.

Khả năng di chuyển hay hiệu quả làm việc của các lưỡi cắt với đất phụ

thuộc vào các tính chất cơ lý của đất.

a) Độ ẩm của đất: Độ ẩm của đất có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tác

dụng đất lên lưỡi cắt của máy. Độ ẩm có thể tính theo 3 cách: Độ ẩm tuyệt

đối; độ ẩm tương đối; độ ẩm toàn phần. Độ ẩm của đất càng thấp thì lực cản

cắt của đất lên lưỡi cắt càng cao.

b) Độ chặt của đất: Độ chặt của đất chỉ trạng thái sắp xếp các hạt đất ở mức

độ xa hay sít nhau (mật độ các hạt đất). Độ chặt có thể được đánh giá bằng

ứng suất pháp tuyến  và độ biến dạng pháp tuyến h (độ sâu của đầu đo), đất

càng chặt thì  càng lớn, độ chặt của đất thể hiện ở bảng 1.2.

Bảng 1.3: Trạng thái độ chặt của đất, ứng với độ ẩm của nó

Mức độ chặt của Trị số độ Tình trạng đất Trị số độ ẩm của đất

đất chặt (%)

(kG/cm2)

Cao 25-30 Khô cứng 10-15

Trung bình 15-20 Ẩm 20-30

Thấp 6-9 Ướt 40-50

c) Khả năng chống nén của đất: Khả năng chống nén của đất là khả năng

chống biến dạng theo phương pháp tuyến. Tính chống nén phụ thuộc vào ma

sát trong và ma sát giữa các hạt đất.

d) Khả năng chống cắt đất: Là khả năng được tạo bởi lực dính và nội lực

giữa các hạt cứng (do lực hút phân tử giữa các hạt và sức căng bề mặt giữa

các hạt đất). Lực cản cắt được xác định theo các điều kiện cụ thể, còn lực cản

cắt cực đại tính theo định luật Culông:

( 1.1 ) T=T0 + N.tg

Trong đó: T - lực cản của đất;

N - lực pháp tuyến;

 - hệ số ma sát;

T0 - lực dính.

Khi gia công cơ giới ta thấy có các dạng tác động của máy đối với đất

điển hình là: Cắt, kéo, nén, tách, uốn, đập và di chuyển. Tùy theo tính chất

của đất, dạng cấu tạo và chuyển động của bộ phận làm việc mà các nguyên

tắc đó xẩy ra ở mức độ nào mà hiệu quả sẽ khác nhau. Việc xử lý các nguyên

tắc tác động bằng cách thay đổi cấu tạo dụng cụ tác động, chế độ tác động của

dụng cụ sẽ dẫn đến hiệu quả chi phí năng lượng khác nhau (lực cản khác

nhau) và đảm bảo tính chất, độ tơi xốp của đất khác nhau.

Lưỡi cắt tác dụng vào đất khi cắt, cũng như một số dạng cắt cơ bản của

quá trình liên hợp máy tác động vào đất, thành phần cơ bản tác dụng vào đất

có dạng như một cái nêm. Nêm là một vật thể hình học được cấu thành từ các

yếu tố: Mũi nhọn, cạnh sắc, bề mặt làm việc. Khi tính toán thiết kế các bộ

phận tác động vào đất sao cho tận dụng tối đa sự phá hủy đất do kéo vì đất

bình thường ta thấy:

[k] < [] < [N] (1.2)

Trong đó: [k] - giới hạn ứng suất cho phép kéo của đất;

[] - giới hạn ứng suất cho phép kéo cắt của đất;

[N] - là giới hạn ứng suất cho phép nén của đất.

Qua đây ta thấy sự phá hủy đất do nén vừa tốn năng lượng, mặt khác vừa

gây mất cấu trúc và tăng dung trọng của đất. Do vậy, khi tác động của lưỡi cắt vào

đất nên tránh tạo ra ứng suất nén, lợi dụng ứng suất kéo rất nhỏ của đất.

e) Mô đun biến dạng

Để biểu thị tính biến dạng của đất, sử dụng các chỉ tiêu: Môđun biến

dạng Ebd, môđun đàn hồi Eđh. Môđun biến dạng Ebd. được tính theo công thức

(N/cm2). ( 1.3 ) Ebd =

Môđun đàn hồi Eđh được tính theo công thức

(N/cm2). ( 1.4 ) Eđh =

Trong đó: P- áp suất của khuôn lên đất (N/cm2);

D - đường kính của khuôn thử (cm);

I - độ biến dạng toàn phần (cm);

Iđ - độ biến dạng đàn hồi (cm);

µ - hệ số Poatxong. Đất hạt nhỏ µ = 0,35; Đất hạt lớn µ = 0,25.

1.9. Nguyên lý của quá trình chữa cháy [5]; [22]

1.9.1. Bản chất của quá trình cháy

Quá trình cháy là những quá trình hoá - lý phức tạp của phản ứng oxy

hoá khử giữa chất cháy và chất oxy hoá tạo thành sản phẩm cháy.

Phương trình phản ứng cháy của cellulose:

(C6H10O5)n + O2 + Nhiệt gây cháy CO2+ H2O + Nhiệt lượng

Như vậy, cháy là những phản ứng hoá học có toả nhiệt và phát sáng.

Bản chất bên trong của sự cháy chính là những phản ứng hoá học của chất

cháy và chất oxy hoá, chúng khác với các phản ứng oxy hoá khác là tốc độ

phản ứng xảy ra rất nhanh và giải phóng ra một lượng nhiệt lớn. Lượng nhiệt

này nung nóng các sản phẩm phân huỷ nhiệt của chất cháy và sản phẩm cháy

đến nhiệt độ cao làm chúng bức xạ ánh sáng, nhiệt và ánh sáng chỉ là kết quả

biểu hiện bên ngoài của phản ứng.

1.9.2. Các điều kiện của quá trình cháy

Phản ứng cháy muốn xảy ra và tồn tại phải có đủ 3 yếu tố đó là: Chất

cháy, chất oxy hoá và nguồn nhiệt. Trong đó chất cháy và chất oxy hoá đóng

vai trò là những chất tham gia phản ứng, còn nguồn nhiệt là tác nhân cung cấp

năng lượng cho phản ứng xảy ra. Dưới đây ta xem xét cho từng yếu tố:

- Chất cháy (vật liệu cháy): Là những chất có khả năng tham gia phản

ứng cháy với chất oxy hoá. Vật liệu cháy là chất có khả năng bén lửa và bốc

cháy trong điều kiện có đủ nguồn nhiệt và oxy. Đối với vật liệu cháy ở rừng

gồm: Cành lá, thảm thực vật, cây bụi…. Vật liệu cháy là yếu tố quan trọng

nhất ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình cháy rừng. Trong vật liệu cháy thì

thành phần hoá học và độ ẩm là hai thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến

quá trình cháy rừng. Độ ẩm của vật liệu cháy càng cao thì phản ứng cháy càng

khó thực hiện.

- Chất oxy hoá: Chất oxy hoá là những chất tham gia phản ứng hoá học

với chất cháy tạo nên sự cháy. Chất oxy hoá trong phản ứng cháy có thể là

oxy nguyên chất, oxy của không khí, oxy sinh ra do các hợp chất chứa oxy bị

phân huỷ. Trong không khí có khoảng 21 - 23% oxy, tỷ lệ này thuận lợi cho

quá trình cháy. Khi nồng độ oxy giảm xuống dưới 15% thì không còn khả

năng duy trì sự cháy.

- Nguồn nhiệt: Nguồn nhiệt là nguồn cung cấp năng lượng cho phản

ứng cháy xảy ra, nó là một yếu tố cần thiết không thể thiếu để sự cháy phát

sinh và tồn tại. Để quá trình cháy xảy ra cần phải có nguồn nhiệt ban đầu (gọi

là điểm bén lửa) thông thường đối với vật liệu ở trong rừng điểm bén lửa

trong khoảng 220 - 2500C (ở độ ẩm 15 - 20%). Nguồn nhiệt của sự cháy có

thể là: Ngọn lửa của những vật đang cháy, tia lửa điện, vật thể được nung

nóng, hoặc có thể là nhiệt của phản ứng hoá học, của quá trình vật lý (hấp thụ,

hoà tan), nhiệt của quá trình sinh hoá (phân huỷ, lên men) và cũng có thể

chính là nhiệt độ của môi trường (trường hợp tự cháy). Với mỗi hỗn hợp của

chất cháy và chất oxy hoá khác nhau để có sự cháy xảy ra thì yêu cầu năng

lượng và nguồn nhiệt là khác nhau.

Khi có đủ 3 yếu tố cần thiết cho sự cháy nói trên, sự cháy chưa chắc đã

xảy ra mà cần có các điều kiện khác kèm theo đó là:

- Các yếu tố cần thiết tiếp xúc trực tiếp với nhau, nếu không có sự tiếp

xúc thì không có sự tương tác hoá học giữa chất cháy và chất oxy hoá xảy ra

và do đó sẽ không có phản ứng cháy.

- Nồng độ của chất cháy và chất oxy hoá phải ở trong phạm vi giới hạn

nồng độ bốc cháy. Ta đã biết rằng tốc độ của phản ứng hoá học phụ thuộc vào

nồng độ các chất tham gia phản ứng, nếu nồng độ của chất cháy hoặc chất oxy

hoá nằm ngoài phạm vi giới hạn nồng độ bốc cháy thì tốc độ của phản ứng hoá

học không đủ lớn để tạo ra lượng nhiệt làm hỗn hợp bốc cháy đó chỉ là phản ứng

oxy hoá đơn thuần.

- Nguồn nhiệt phải nung nóng được hỗn hợp chất cháy và chất oxy hoá,

hỗn hợp cháy tới một nhiệt độ nhất định đó là nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn

hợp. Nghiên cứu những yếu tố cần thiết cho sự cháy là một trong những cơ sở

khoa học để từ đó đề ra biện pháp an toàn và chữa cháy phù hợp. Để sự cháy

không xảy ra hoặc làm ngưng sự cháy ta chỉ cần loại trừ một trong ba yếu tố

cần thiết cho sự cháy nói trên.

1.9.3. Các cơ chế lý, hoá dập tắt đám cháy rừng

Dập tắt đám cháy từ quan điểm lý học là làm ngừng quá trình cháy ở mọi hình

thức, nghĩa là tạo ra trong vùng cháy các điều kiện loại trừ khả năng tiếp diễn quá

trình phản ứng cháy ở các dạng (cháy ngầm, cháy thành ngọn lửa). Để hiểu rõ bản

chất vấn đề này ta bắt đầu từ việc phân tích các yếu tố cần và điều kiện đủ cho quá

trình cháy khuyếch tán. Thực chất của các yếu tố cần và đủ có thể minh hoạ bằng sơ

đồ tam giác cháy truyền thống bao gồm: Chất cháy (CC) - Chất oxy hoá (O2) -

Nguồn nhiệt (NN), hình 1.8.

Hình 1.8: Sơ đồ tam giác cháy

Từ sơ đồ này, ta thấy sự cháy không thể tồn tại nếu như loại bỏ một đỉnh

hoặc cắt đứt bất kỳ một cạnh nào của tam giác. Thực vậy, nếu như ta loại bỏ một

đỉnh là chất cháy, tức là cách ly chất cháy khỏi vùng cháy thì sự cháy sẽ tắt.

Hiện tượng này cũng lặp lại nếu ta loại bỏ nguồn nhiệt hoặc chất oxy hoá

của tam giác cháy. Ở đây cháy rừng là quá trình cháy mà vật liệu cháy là các

chất rắn nên để dập tắt đám cháy ta dùng cơ chế dập cháy bằng cách cắt bỏ đỉnh

thứ ba của tam giác mà ở đây là nguồn nhiệt. Để dập tắt ngọn lửa cháy khuyếch

tán bằng cách hạ nhiệt độ đám cháy bằng không khí, dùng không khí với vận tốc

và lưu lượng nhất định để giảm nhiệt độ của phản ứng cháy xuống dưới nhiệt độ

cần thiết thì đám cháy sẽ bị tắt (phương pháp này thực hiện theo nguyên lý làm

mát bằng không khí). Khi ta thổi một khối lượng không khí lớn vào đám cháy

không khí thu nhiệt của đám cháy toả ra môi trường, do vậy nhiệt độ của phản

ứng cháy giảm đi.

1.9.3.1.Cơ chế dập lửa vật lý

Cơ chế dập lửa vật lý là xuất phát từ hiệu ứng vật lý để nghiên cứu cơ

chế dập lửa, chủ yếu là:

- Cơ chế cách ly: Loại bỏ hoặc di chuyển vật cháy, làm cho nhiệt của

vật cháy đang cháy không thể lan truyền sang vật cháy ở lân cận.

- Cơ chế làm lạnh: Dùng nước hoặc hợp chất hóa học, hoặc sử dụng lưu

lượng không khí lớn làm cho nhiệt độ của vật đang cháy giảm xuống, giảm

đến khi thấp hơn điểm cháy của vật cháy thì nó sẽ tắt.

- Cơ chế cách nhiệt: Sử dụng tấm cách nhiệt để ngăn cản sự truyền

nhiệt, làm cho nhiệt độ của các vật cháy ở lân cận không đạt được nhiệt độ

bốc cháy.

- Cơ chế che phủ: Dùng chất không cháy hoặc không dễ cháy che phủ lên

bề mặt của vật đang cháy, làm cho lửa tắt. Thường dùng bùn, đất và cát để che phủ

hoặc dùng hợp chất hóa học hình thành lên một màng không cháy che phủ.

- Cơ chế làm loãng thể khí: Thể khí sinh ra từ vật cháy phải đạt đến một

nồng độ nhất định mới có thể cháy, tăng một lượng quá lớn không khí, làm

cho nồng độ thể khí giảm đi, từ đó mà quá trình cháy giảm đi và tắt. Thường

dùng luồng không khí dập lửa.

1.9.3.2. Cơ chế dập lửa hóa học

Cơ chế dập lửa hóa học là xuất phát từ phản ứng hóa học của quá trình

cháy để nghiên cứu cơ chế dập lửa.

- Cơ chế ngăn cắt ô xy: Cháy là một loại phản ứng ô- xy hóa mãnh liệt,

chỉ cần ngăn cản sự cung cấp khí ô-xy, hoặc dùng thể khí không cháy và khí

trơ, làm cho hàm lượng ô - xy trong không khí giảm xuống dưới mức 14-18%,

quá trình cháy ngọn lửa sẽ tắt.

- Cơ chế phản ứng dây chuyền: Quá trình cháy là một hệ thống các mắt

xích phản ứng hóa học cấu thành, là thông qua dây chuyền phản ứng hi - đrô

các - bon (Ro), hydroxyl (oH), gốc hy - đrô (Ho), gốc ô - xy (oO),... và các gốc

tự do khác. Một số chất hóa học như các gốc tự do của bromide, iodide có thể

làm cho quá trình cháy bị gián đoạn....

- Thay đổi con đường của phản ứng cháy: Chất sợi (cellulose) khi cháy

sinh ra khí và hình thành ngọn lửa sáng. Một số chất hóa học có thể làm cho

cellulose không hình thành ra các chất khí mà hình thành nên các bon và nước

nên không thể sinh ra quá trình cháy có ngọn lửa. Phương trình phản ứng mất

nước của chất sợi (cellulose) như sau:

(C6H10O5)n → 6nC + 5nH2O

- Căn cứ vào cơ chế và nguyên lý dập lửa, phương pháp chữa cháy rừng

còn chia thành phương pháp dập lửa trực tiếp và phương pháp dập lửa gián

tiếp, phương pháp cụ thể có: Phương pháp dập lửa bằng sức gió; phương pháp

dùng lửa dập lửa; phương pháp dùng nước dập lửa; phương pháp nổ mìn hoặc

nổ bộc phá dập lửa; phương pháp hóa học dập lửa; phương pháp dập lửa bằng

đường hàng không (bao gồm máy bay phun tưới dập lửa, nhảy dù dập lửa, đổ

bộ dập lửa, ...); phương pháp làm mưa nhân tạo dập lửa; phương pháp cách ly

dập lửa; phương pháp lấy đất dập lửa; phương pháp đập dập thủ công.

1.9.3.3. Cơ chế dập tắt đám cháy rừng bằng đất cát

Khi ta phun một lượng lớn đất cát và không khí vào đám cháy, đất cát

bao phủ lên bề mặt vật liệu cháy sẽ có tác dụng cách ly vật liệu cháy với ôxy,

ngăn chặn sự xâm nhập của ôxy mang đến cho chất cháy. Ngược lại, nó cũng

làm cho sự bay hơi của chất khí cháy không thoát ra ngoài được. Điều đặc

biệt là lớp đất cát bao phủ trên bề mặt chất cháy là lớp ngăn cản sự tác động

của dòng nhiệt bức xạ ngọn lửa đến, dẫn đến làm giảm sự đốt nóng bề mặt

chất cháy, giảm khí bay ra. Ngoài ra đất cát còn bắn phá đám cháy, phân tách

nguồn nhiệt.

Đồng thời khi đất cát phun vào đám cháy với một khối lượng và vận tốc

nhất định, do đất cát có khối lượng, nên bắn phá đám cháy, phân tách nguồn

nhiệt ra khỏi vật cháy làm cho nhiệt độ đám cháy giảm đi, từ đó làm cho quá

trình cháy bị dập tắt. Ngoài ra khi phun một lượng lớn đất cát và không khí vào

đám cháy, đất cát và không khí sẽ thu nhiệt của đám cháy, từ đó nhiệt độ của

đám cháy giảm đi rất nhanh dẫn đến đám cháy bị dập tắt nhanh.

Đất cát là vật liệu sẵn có trong rừng không phải mang vác, vận chuyển

nên rất tiện lợi cho quá trình chữa cháy, do vậy sử dụng cơ chế dập lửa bằng

đất cát để chữa cháy rừng là rất hiệu quả vì trong rừng không có nguồn nước,

không có hóa chất, phạm vi cháy rộng lớn. Vấn đề còn lại là phải có thiết bị

gọn nhẹ để thực hiện nhiệm vụ cắt đất, hút và phun vào đám cháy.

1.10. Phương pháp nghiên cứu

1.10.1. 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, nguyên lý va chạm, lý thuyết tính toán quạt

hút cao áp, lý thuyết vận chuyển vật liệu rời bằng sức gió. Nội dung của phương

pháp này có thể tóm tắt như sau:

Từ quá trình làm việc của máy lập ra mô hình tính toán, vận dụng

phương pháp toán cơ để lập ra các phương trình tính toán lực cắt đất, rung

động của máy, lưu lượng, vận tốc và áp lực hỗn hợp không khí và đất cát, 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 [2]; [8]; [10], [14]

1.10.2. 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 [6], [13].

Việc tổ chức và tiến hành thí nghiệm xác định khối lượng đất phun, áp lực,

vận tốc hỗn hợp không khí và đất cát, thời gian phun 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 [3], [6], [11], [13], [20], [21]. Do vậy, ở đây cũng chỉ trình bày

việc áp dụng các kết luận đó vào các bài toán 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.

Kết luận chương 1

Sau khi nghiên cứu các nội dung đã trình bày ở phần trên luận án rút ra

một số kết luận sau:

- Các công trình nghiên cứu về các thiết bị chữa cháy rừng trên thế giới đã

đạt được nhiều thành tựu, đã tạo ra nhiều thiết bị chữa cháy rừng được sử dụng

trong thực tế và cho hiệu quả chữa cháy cao.

- Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về thiết bị và công nghệ

chữa cháy rừng, song các công trình này chủ yếu tập trung vào khâu thiết kế chế

tạo, chưa có nhiều công trình nghiên cứu đầy đủ toàn diện sâu về máy phun đất

cát chữa cháy rừng.

- Trên thế giới cũng như ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu xác

định một số thông số tối ưu về máy chữa cháy rừng bằng đất cát được công bố.

Như vậy việc luận án thực hiện đề tài: "Nghiên cứu xác định một số

thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng nằng đất cát" là cần thiết và mang

tính thời sự nhằm tạo ra cơ sở khoa học để hoàn thiện thiết bị chữa cháy rừng

hiện đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều địa phương để nâng cao năng suất và

hiệu quả chữa cháy, góp phần hạn chế diện tích rừng bị cháy ở Việt Nam.

Chương 2

CƠ SỞ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY CHỮA

CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT

Trên máy chữa cháy rừng bằng đất cát có nhiều hệ thông công tác, để

tính toán tối ưu các hệ thống công tác của máy thì cần phải nghiên cứu xây

dựng cơ sở lý thuyết tính toán các hệ thống công tác của máy.

Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy chữa cháy rừng bằng đất

cát đã trình bầy ở chương 1, bài toán đặt ra trong chương 2 này là tiến hành

xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống cắt đất, hệ thống rung động của

máy cắt đất, tính toán quạt hút và phun đất để tăng năng khối lượng và áp lực

đất phun vào đám cháy, đề xuất giải pháp giảm rung động của máy.

2.1. Đặc điểm và yêu cầu của hệ thống cắt đất

2.1.1. Đặc điểm của quá trình cắt đất

Cắt đất là quá trình cắt phức tạp, trong đó nhờ lực tác dụng trực tiếp của lực cắt mà phôi (đất) được phân chia nhằm tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thước nhất định. Đất là vật liệu có cấu tạo phức tạp không đồng nhất và không đẳng hướng, nên trong quá trình cắt đất có một số đặc điểm sau: - Thành phần cấu tạo đất là không đồng nhất, trong đất có hạt sỏi to, hạt sỏi nhỏ, đất lẫn đá , cỏ, rễ cây... Với những đặc điểm này làm cho lực cắt thay đổi rất lớn dẫn đến công suất của động cơ tăng lên rất nhiều, từ đó động cơ có thể bị quá tải. Mặt khác khi lực cắt tăng lên tạo ra xung lực lớn tác động lên tay người điều khiển gây ra hiện tượng rung động. Từ đó làm cho công nhân vận hành thiết bị chóng bị mệt mỏi, làm ảnh hưởng đến năng suất lao động. Điều này cần phải nghiên cứu ra phương pháp cắt khi gặp đá, rễ cây mà lực cắt không tăng động cơ không bị quá tải. - Đất có cấu tạo hạt, tính kết dính thấp nên ứng suất kéo, ứng suất trượt rất nhỏ so với ứng suất nén, ứng suất cắt, điều này cần phải nghiên cứu ra phương pháp cắt lợi dụng được ứng suất kéo, ứng suất trượt của đất, hạn chế tạo ra ứng suất nén.

- Thành phần hoá học của đất có Ốxit Silich (SiO2) ở trong cát, có đá sỏi,...từ đó làm cho lưỡi cắt nhanh bị mài mòn, đặc điểm này ảnh hưởng đến việc tính toán thông số của góc mài, góc cắt, vật liệu chế tạo lưỡi cắt, độ cứng vững của lưỡi cắt.

Đất sau khi cắt để phục vụ cho quá trình chữa cháy rừng phải có yêu

2.1.2. Yêu cần kỹ thuật của đất sau khi cắt phục vụ cho chữa cháy cầu sau: - Đất sau khi cắt phải được đập nhỏ để thuận lợi cho hệ thống hút và phun đất, nếu đất sau khi cắt có đường kính lớn hơn 2cm có thể làm tắc hệ thống hút, do vậy yêu cầu là đất sau khi cắt có đường kính hạt tối đa <2cm. - Đất sau khi cắt được tung lên để thuận lợi cho quá trình hút đất trong đường ống hút, khi đất đã cắt nằm ở trên mặt đất khả năng hút khó khăn, còn khi đất sau khi cắt được tung lên thì quá trình hút thuận lợi. Từ yêu cầu kỹ thuật của đất sau khi cắt để phục vụ cho chữa cháy rừng, luận án sử dụng phương pháp cắt đất ở dạng búa cho hệ thống cắt đất, phương pháp cắt đất ở dạng búa sử dụng xung lực va chạm để cắt đất, nên đất sau khi cắt vỡ nhỏ, sau đó được dao cắt tung lên, từ đó thuận lợi cho quá trình hút.

2.2. Xây dựng mô hình tính toán hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất

vào đám cháy

2.2.1. Mô hình tính toán hệ thống cắt đất, hút và phun đất vào đám cháy

Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy chữa cháy rừng bằng đất

cát đã được trình bày trên hình 1.6, luận án xây dựng mô hình tính toán máy

chữa cháy rừng bằng đất cát được thể hiện trên hình 2.1.

- Nguyên lý hoạt động: Hệ thống cắt đất cắt theo nguyên lý cắt ở dạng

búa, dao cắt đất (3) được lắp với đĩa thép (2) bằng khớp (O’), khi hoạt động

dao cắt vừa quay quanh điểm O và điểm O’. Đĩa thép quay với vận tốc lớn

nên dao cắt dự trữ một động năng lớn, khi tiếp xúc với đất tạo ra xung lực va

chạm lớn, xung lực va chạm biến thành lực để cắt đất, với xung lực lớn này

đất được phá vỡ và tung lên cùng với dao cắt. Quạt hút (7) tạo ra trong đường

ống hút (6) một vận tốc không khí lớn, tại cửa hút (6) đất được hút vào ống

hút (6) và đi vào buồng hút (9); tại buồng hút (9) đất được cánh quạt hút (7)

phun ra ngoài qua ống phun (8) với vận tốc lớn để dập lửa. Nguyên lý làm

việc của hệ thống này là: Sử dụng máy cắt để cắt đất, tung đất lên, sử dụng

quạt hút và đẩy với áp lực hút và đẩy lớn để hút và phun đất vào đám cháy.

Thiết bị cắt đất và tung đất lên là máy cắt đất có hệ thống cắt đất ở dạng búa,

thiết bị tạo ra áp lực hút và phun cao là máy hút và phun đất có quạt hút và

phun cao áp.

Hình 2.1: Sơ đồ tính toán hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất

1- Đất rừng 5- Đất sau cắt 9- Buồng hút

2- Đĩa thép 6- Ống hút đất 10- Ống hút

3- Dao cắt đất 7- Quạt hút và phun

4- Bao che 8- Ống phun đất

Từ mô hình tính toán ở hình 2.1, luận án cần phải giải quyết ba bài toán

ra sau đây:

- Bài toán thứ nhất: Xây dựng mô hình động lực học để tính toán hệ

thống cắt đất của máy cắt đất để lực cắt đất là lớn nhất, chi phí năng lượng cắt

nhỏ nhất, khối lượng đất đào được và tung được lên là lớn nhất.

- Bài toán thứ hai: Xây dựng mô hình rung động của máy cắt đất để

thiết lập phương trình vi phân dao động của máy, từ đó đưa ra giải pháp giảm

rung cho máy.

- Bài toán thứ ba: Xây dựng mô hình tính toán hệ thống quạt hút và

phun đất để khối lượng đất, áp lực đất phun vào đám cháy là lớn nhất.

Sau đây luận án tiến hành nghiên cứu các bài toán đã nêu ở trên để đáp

ứng được yêu cầu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đó là: Khối lượng đất

và áp lực đất phun vào đám cháy là lớn nhất, rung động của máy là thấp nhất,

từ đó hiệu quả dập lửa của máy tăng lên, giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe

của công nhân vận hành máy.

2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống cắt đất

2.2.2.1. Cấu tạo của hệ thống cắt đất

Máy cắt đất có cấu tạo như hình 2.2.

Hình 2.2: Mô hình hệ thống cắt đất

1. Động cơ cưa xăng; 2. Bộ truyền đai; 3. Đĩa thép để lắp dao cắt;

4. Bu lông lắp dao; 5. Dao cắt đất; 6. Tấm tôn tạo buồng hút.

Từ mô hình của thiết bị đã được trình bày trên luận án cần giải quyết

- Xây dựng mô hình động học, động lực học của quá trình cắt đất dạng

2.2.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy cắt đất Nguồn động lực để cho hệ thống hoạt động là động cơ cưa xăng vì cưa xăng có công suất lớn nhưng trọng lượng nhẹ, tốc độ cắt lớn rất phù hợp với các thiết bị cầm tay. Mô men quay từ trục cơ của động cơ truyền qua côn và truyền chuyển động đến dây đai, qua bộ truyền dây đai làm đĩa thép quay. Trên đĩa thép có lắp các dao cắt, dao cắt này quay xung quanh trục của nó. Khi chuyển động dao cắt gồm hai chuyển động là quay cùng với đĩa thép và quay xung quanh trục của nó tạo ra xung lực. Khi cho dao tiếp xúc với đất thì xung lực của dao biến thành lực cắt, do thời gian va chạm ngắn nên lực cắt tăng lên rất lớn, trên dao cắt có lưỡi cắt hình nêm (giống lưỡi cuốc đất thủ công), với lực cắt lớn làm cho lưỡi cắt ăn sâu vào đất phá vỡ kết cấu của đất đồng thời cùng với chuyển động của đĩa thép lưỡi cắt của dao cắt tiến hành bẩy đất để phá vỡ kết cấu đất và kéo đất đi cùng dao cắt, một phần đất sau bị cắt tung lên cùng chuyển động của dao cắt. Mỗi một vòng quay của đĩa thép thực hiện một quá trình cắt. Tiếp tục cho dao cắt ăn sâu vào đất, dao cắt sẽ cắt đất và tung đất lên, đất sau khi bị cắt và được tung lên trong buồng hút, buồng hút được nối với quạt hút bằng ống hút, do đó đất được hút và phun vào đám cháy. các vấn đề sau: búa, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt; - Tính toán lực cắt, lực cản cắt; - Tính toán các thông số của hệ thống cắt đất; - Tính toán rung động của thiết bị trong quá trình cắt, ảnh hưởng của rung động tới sức khoẻ công nhân; - Tính toán công suất của động cơ.

Theo nguyên lý đã được trình bày ở phần trên, hệ thống cắt đất phải đạt

2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống cắt đất yêu cầu sau:

- Đất cắt ra phải nhỏ vụn và được hất tung lên trong buồng hút thì quá

- Do nguồn động lực được sử dụng cho quá trình cắt đất là động cơ





trình hút mới thực hiện được; xăng nên tiêu hao công suất cho cắt đất phải nhỏ nhất. Từ yêu cầu trên, căn cứ vào kết quả nghiên cứu của các công trình [18]; [19], luận án lựa chọn dạng cắt đất theo nguyên lý va đập (cắt đất dạng búa). Cắt đất theo nguyên lý dạng búa có nhiều ưu điểm đó là: Tiêu hao công suất thấp, đất sau khi cắt tung lên thuận lợi cho quá trình hút, khi gặp đá, gốc cây, rễ cây lực cắt không tăng, động cơ không bị quá tải.



(b)

(a)

2.3.1. Nguyên lý cắt đất dạng búa a) Cấu tạo của hệ thống cắt đất dạng búa D

Hình 2.3: Cấu tạo của hệ thống cắt đất dạng búa

1- Đĩa thép để lắp dao cắt; 2- Dao cắt; 3- Lưỡi dao cắt; α- Góc sau dao cắt; β- Góc mài dao cắt; - Góc cắt dao cắt.

b) Nguyên lý cắt đất ở dạng búa

Dựa vào cấu tạo và chuyển động của hệ thống, quá trình cắt đất được

chia thành 3 giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1: Dao cắt chuyển động ở trên không chưa tiếp xúc với đất; do lực ly tâm nên phương của dao cắt trùng với đường kính đi qua hai trục lắp

dao. Dao cắt chuyển động quanh điểm O, với số vòng quay n, vận tốc góc ,

dao cắt dữ trữ một động năng lớn (hình 2.4).

- Giai đoạn 2: Cắt đất : Dao cắt tiếp xúc với đất (cắt đất) khi cho dao cắt tiếp xúc với đất với động năng lớn tại mũi dao xảy ra xung lực va chạm lớn. Với kết cấu mũi dao có độ sắc nhất định, thời gian va chạm ngắn nên lực cắt rất lớn, mũi dao sẽ cắm sâu vào đất (hình 2.4a). Kết thúc giai đoạn này đất

trong nhát cắt bị vỡ kết cấu (do ứng suất tại mọi điểm trong nhát cắt đã vượt quá giới hạn cho phép).

- Giai đoạn 3: Kéo văng đất: Khi điểm O2 di chuyển đến O3 theo quan hệ động học thì dao cắt chuyển động tịnh tiến, trong qua trình chuyển động dao cắt kéo theo lượng đất máy vừa tạo ra. Như vậy, đất sau khi cắt ra được kéo văng lên (hình 2.4b).

Hình 2.4: Nguyên lý cắt đất dạng búa

Nhận xét: Từ quá trình phân tích nguyên lý cắt đất dạng búa ở trên có

một số nhận xét sau:

- Lợi dụng được động năng của dao cắt tạo ra xung lực lớn để phá vỡ kết cấu của đất. Từ đó chi phí năng lượng riêng cho quá trình cắt thấp, dẫn đến nguồn động lực không cần phải có công suất lớn, nên giảm trọng lượng của thiết bị và tăng năng suất của máy.

- Lợi dụng được cánh tay đòn của dao cắt để bẩy đất nên tốn rất ít lực. Mặt khác cũng lợi dụng được ứng suất tách rất nhỏ của đất để tách thỏi đất ra khỏi nền đất (giai đoạn 3 bẩy và tách đất).

- Năng suất cắt của hệ thống phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ, số dao lắp trên đĩa, càng nhiều dao thì năng suất càng lớn, để giảm công suất động cơ thì ta phải tính toán sao cho một thời điểm chỉ có một dao cắt làm việc.

- Khi gặp đá, gặp rễ cây, gốc cây thì lực cắt tăng lên đột ngột. Nếu lực cắt do dao cắt tạo ra nhỏ hơn lực cản cắt thì dao cắt không ăn vào đất, nhưng do dao cắt chuyển động quay quanh điểm O1 nên công suất của động cơ không ảnh hưởng. Đây là đặc điểm quan trọng của phương pháp cắt đất dạng

búa, nó đã giải quyết được khó khăn lớn nhất trong việc cắt đất tại chỗ để phun vào đám cháy, mặt khác khi cắt phải đất có đá, rễ cây thì động cơ không bị quá tải. Còn đối với các dạng cắt khác nếu gặp đá, gốc cây thì động cơ quá tải dẫn đến hỏng hệ thống cắt, hoặc hỏng động cơ.

- Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này đó là: Rung động của thiết bị lớn do va đập giữa dao cắt và đất. Để hạn chế lực kích động gây rung cần phải nghiên cứu các thông số hệ thống cắt đất sao cho lực cản cắt là nhỏ nhất, từ đó gia tốc rung là nhỏ nhất. Mặt khác để khắc phục nhược điểm này luận án đưa ra các giải pháp chống rung cho thiết bị.

2.3.2. Quan hệ động học của qua trình cắt đất.

Căn cứ vào nguyên lý cắt đã được trình bày ở trên chúng tôi thiết lập sơ

đồ động học của hệ thống cắt đất và được thể hiện trên hình 2.4. Trong quá

trình cắt, dao thực hiện hai chuyển động:

- Chuyển động tương đối quay quanh điểm chốt O1 với góc θ1

) (

, - Chuyển động theo cùng với chốt O1 quay quanh O với góc

trong đó: là vận tốc góc của đĩa, , với - góc giữa OO1 với

trục ngang song song với mặt đất ở thời điểm dao tiếp xúc với đất và thời







(d)



(c)

(b)

(a)

điểm dao ra khỏi đất (hình2.5a).

Hình 2.5: Sơ đồ động học của hệ thống cắt đất

Quan hệ động của dao:

Áp dụng định lý biến thiên mô men động lượng trong va chạm, ta có:







với:

Hình 2.6: Sơ đồ tính môn men động lượng

2.3.3. Quan hệ động lực học của quá trình cắt đất

Xét chuyển động của dao, tại thời điểm tiếp đất và quá trình va chạm

tại điểm A đầu mũi dao hình 2.7. Gọi xung lượng va chạm tại mũi dao là SA,

theo định luật biến thiên động lượng và mô men động lượng đối với dao cắt

(2.1)



v01

(a)

(b)

chuyển động quay điểm o ta có:

Hình 2.7: Sơ đồ tính toán động lực học của hệ thống cắt đất dạng búa

Trong đó: - vận tốc của khối tâm (C) trước và sau va chạm;

M - khối lượng của dao;

- vận tốc góc của dao trước và sau va chạm;

- mômen quán tính khối lượng dao đối với điểm O1.

m01(SA)- mô mem động lượng tại điểm A

Vận tốc góc của dao trước lúc va chạm:

Vận tốc góc của dao sau va chạm:

(suy ra từ điều kiện: )

Thay các đại lượng này vào công thức (2.1) và chiếu lên phương vuông

góc với OA, ta có:

(2.2)

Giải hệ phương trình (2.2) ta được:

(2.3)

2.3.4. Lực cắt đất.

Với xung lượng của dao khi va đập vào đất được xác định như biểu

thức (2.3) thì đất bị phá vỡ kết cấu do tải động. Có thể xem nền đất là tấm đàn

hồi đặt trên nền cố định chịu va chạm với tải trọng SA và vận tốc va chạm là

vận tốc đầu dao A ngay trước thời điểm va chạm: vA = (R0+l)ω.

Lực cắt đất trong va chạm này được xác định theo công thức tính tải

trọng động khi va chạm ngang:

(2.4)

Trong đó: /t1;

với: v - vận tốc va chạm:

t1: - Thời gian va chạm.

- biến dạng tại điểm va chạm, có thể tính theo lý thuyết độ lún của

nền đất. Độ lún có thể được xác định bằng thí nghiệm với các loại đất mặt

rừng

Từ đó, lực cắt đất khi va chạm là:

(2.5)

Thay xung lực SA tính theo công thức (2.3) vào công thức (2.5) ta có lực cắt

(2.6)

đất trong quá trình va chạm là:

.

Pmax =

Trong đó t1- thời gian va chạm. Thời gian va chạm được tính theo công

thức sau:

Trong đó: h- chiều sâu lưỡi cắt đi xuống đất;( m)

R- bám kín động học đĩa thép lắp dao cắt đất

- chiều dài dao cắt đất

Jo1- mô mem quán tính của dao cắt tại điểm O1

ω – Vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt

Nhận xét: Từ công thức (2.6) ta có nhận xét sau:

- Thời gian va chạm rất ngắn nên lực cắt Pmax là rất lớn, cùng với hệ số

động Kđ , từ đó làm cho lưỡi cắt đi sâu xuống đất, nên năng suất cắt rất cao,

từ đây cho thấy có thể giảm được công suất động cơ mà năng suất cắt vẫn lớn.

- Quá trình cắt dạng búa là rất phức tạp, có nhiều thông số đồng thời

tham gia vào quá trình cắt. Công thức tổng quát tính lực cắt theo phương pháp

cắt dạng búa (2.6) đã bao hàm các hệ số ảnh hưởng của các yếu tố, các hệ số

này khác nhau nên ảnh hưởng cũng khác nhau. Quy luật ảnh hưởng của các

yếu tố đến lực cắt được thể hiện trong công thức (2.6), kết quả tìm quy luật

ảnh hưởng là căn cứ để lựa chọn các thông só của hệ thống cắt và công suất

động cơ.

2.3.5. Thiết lập hệ phương trình chuyển động của cơ hệ: Đĩa – dao cắt kéo

văng đất

Việc thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ nhằm

mục đích: Qua việc khảo sát các phương trình này, có thể đưa ra được các

kích thước chi tiết máy hợp lý. Đối với đĩa: Độ dài bán kính và mô men quán

tính; đối với dao cắt: Độ dài, mô men quán tính, kiểu đầu dao cắt...

(b)

2.3.5.1. Thiết lập hệ phương trình chuyển động của đĩa - búa cắt kéo văng đất Trên cơ sở cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy cắt đất, ta có thể mô hình hóa về bài toán cơ học sau:

Hình 2.8 Mô hình động lực học của cơ hệ: Đĩa - dao cắt kéo văng đất

Đĩa thép để lắp dao cắt kéo văng đất có khối lượng M quay quanh trục

nằm ngang O với vận tốc góc không đổi

(rad/s), bán kính đĩa R. Trên đĩa gắn hai thanh búa có độ dài L, thanh búa cắt đất thứ i quay quanh điểm Oi

(gọi là thanh OiA) gắn trên đĩa có khoảng cách OOi = R. Thanh búa có khối

lượng riêng (theo chiều dài: kg/m).

Lập hệ trục tọa độ: Oxy như hình vẽ (Ox hướng xuống dưới, Oy nằm

ngang). Gọi góc lập bởi OOi và Ox là , góc lập bởi thanh búa OiA với Ox

, góc lập bởi thanh búa tại các điểm Oi với bán kính OOi là γi.

là

Như vậy, nếu lấy φ1 = φ thì φ2 = φ + π. Do vậy, trong trường hợp

tổng quát, cơ hệ đĩa - búa có 3 bậc tự do: các góc γi và góc φ.

Trong trường hợp đĩa quay đều vận tốc góc ω thì chỉ còn lại hai bậc tự

do, đó là các góc γ1 và γ2.

Gọi J1 là mô men quán tính của đĩa đối với trục Oz.

Động năng của đĩa : (2.7) TĐ =

là vận tốc góc của đĩa.

với

Gọi điểm N(x,y) trên đoạn OiA.

Chọn hệ tọa độ địa phương Oix’ trên thanh OiA, chiều dương Oix’ theo

hướng OiA. Có tọa độ O1(0), điểm A(L).

: Điểm N(x,y) cách Oi khoảng

x = R cos + cos (2.7a) ; y = R sin + sin

Do đó : ; (2.7b)

Động năng của đoạn thanh OiA :

(2.7c)

Thế năng của thanh búa OiA :

Ở đây g - gia tốc trọng trường (9,81 m/s2).

Nếu cơ hệ có 2 thanh có dạng như thanh O1A được gắn đều trên đĩa (đối

, do vậy: xứng nhau), khi đó góc lệch giữa các điểm O1 và O2 là

Theo (2.7c), ở thanh búa thứ i là :

Động năng (2.8)

Thế năng : (2.9)

Từ (2.7), (2.8) và (2.9) ta được hàm Lagrang:

(2.10) La = TĐ +

Hay :

(2.11)

Xét trường hợp trục đĩa quay với vận tốc góc ω (rad/s) không đổi

= hằng

Nếu đĩa lắp búa cắt đất quay đều với vận tốc góc , tức là

số, do vậy = 0 .

Do có

với là góc ban đầu tại t = 0 của thanh búa tại Ok. Trong tính

toán ta sẽ lấy = 0.

Gọi , khi đó góc là góc lập bởi đoạn thanh OiA với bán

kính OOi .

Ta có với dẫn đến

=> và

Do đó có được

(2.12)

a) Trường hợp không tải ( khi không có mô men cản và không va đập)

Hệ phương trình Lagrang II :

(2.13)

Có:

=> (2.14)

(2.15)

Thay vào (2.13) ta được

(2.16)

ở đây

Hệ 2 phương trình vi phân (2.16) cùng với các điều kiện đầu xác định 2 ẩn

khi không có cắt – kéo văng đất.

b) Trường hợp có tải ( khi có mô men cản và có va đập)

Gọi công A = AN + Ac - kv ,

Trong đó: AN - công do lực ngoài,

Ac - kv - công do lực cắt – kéo văng đất,

Hệ phương trình Lagrang II có dạng:

(2.17)

2.3.5.2 Tính công sinh ra trong quá trình vận hành

a) Tính lực phá hủy đất trong quá trình vận hành máy

Bảng 2.1. Khả năng chịu tải trên các loại đất khác nhau

Phân loại đất Khả năng chịu lực Khả năng chịu lực

( - kG/m2) ( - kN/m2)

Đất sét ẩm mềm, ướt (hoặc bùn) 5000 50

Đất sét dạng mềm dẻo 10 000 100

Cát mịn, khô 10 000 100

Đất đen 15 000 150

Đất sét ẩm và trộn cát 15 000 150

Sỏi lỏng 25 000 250

Cát vừa, khô, nhỏ 25 000 250

Đát sét dạng nhỏ 25 000 250

Cát dạng nhỏ 45 000 450

Soỉ nhỏ 45 000 450

Đất loại mềm 45 000 450

Đá có nhiều đá cát, đá vôi 165 000 1650

Để tính lực cắt đất của dao cắt, giả thiết đầu dao cắt tác dụng lực tập

trung lên nền đất và áp dụng bài toán Boussinesq: Tính ứng suất tại điểm

trong lòng đất khi chịu lực tập trung trên mặt đất, với giả thiết đất là một bán

không gian đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng có các đặc trưng biến dạng là E

và μ.

Chọn gốc tọa độ tại điểm đặt lực P, trục z hướng xuống. Ứng suất thẳng

đứng tại điểm M(x, y, z) bất kỳ được tính theo công thức Boussinesq:

với

Do vậy, tại điểm M(0,0,h) có z = R = h (h - chiều cao của lưỡi cắt đất) thì

ứng suất , do vậy lực cắt đất Pc của dao sẽ là :

(2.18)

với được tra theo bảng trên tùy theo loại đất.

Như vậy, lực cắt đất Pc phụ thuộc vào loại đất và độ sâu h lưỡi cắt.

Hình 2.9 Hệ tọa độ tính toán ứng suất trong lòng đất

khi chịu tải tập trung

b) Tính mô men xung lượng cắt đất và văng đất của dao cắt

Quá trình dao cắt làm việc với đất được thực hiện qua hai giai đoạn liên

tiếp: Cắt đất và kéo văng đất. Hai quá trình này được gọi là quá trình cắt - kéo

văng đất của dao cắt. Thời gian của quá trình cắt - kéo văng đất xảy ra rất

ngắn, vì vậy sử dụng ở đây lý thuyết va chạm để tính toán.

Theo định lý biến thiên mô men động lượng, ta nhận được

(2.19)

Trong đó - mô men động lượng của cơ hệ tại thời điểm

trước và sau khi cắt – kéo văng đất đối với tâm O , còn là tổng mô

men xung lượng cắt đất và kéo văng đất của các dao cắt đối với tâm O.

Chiếu (2.19) lên trục 0z ta được :

với Lz(0) và Lz(1) - mô men động lượng của toàn hệ đối với trục 0z tại

thời điểm trước và sau khi cắt văng đất của dao cắt, là tổng mô

men xung lượng cắt đất và kéo văng đất của các dao cắt đối với trục 0z.

Ta có , với L01 - mô men động lượng của đĩa đối với trục

Oz còn L02 tổng mô men động lượng của các dao cắt đối với trục Oz (trước

thời điểm bắt đầu cắt - kéo văng đất).

Ta có: L01 =J1. với J1 - mô men quán tính của trục đĩa đối với trục Oz,

còn là vận tốc quay của đĩa.

Giả sử điểm N(x,y) trên thanh dao cắt OiA, dao cắt có mật độ khối

lượng theo chiều dài là (kg/m) , khi đó mô men động lượng của dao cắt tại

Oi sẽ là :

L02i =

Ở đây : là bán kính , - vận tốc tại N(x,y)

là độ lớn véc tơ nhân có hướng của và .

do vậy: (2.20)

Thay (2.7a), (2.7b) vào (2.20) ta được :

(2.21)

Với n =2 dao cắt, nên mô men L02 sẽ là :

(2.22)

Dẫn đến :

(2.22)

- mô men quán tính đối với trục Oz và

, ở đây J và Lz(1) = J.

vận tốc góc (tức thời) của cơ hệ ngay sau thời điểm cắt - kéo văng đất.

Có J = J1+JBúa , trong đó J1 - mô men quán tính của trục và đĩa đối với

trục Oz,

, với - mô men quán tính đối với trục Oz của búa i . JBúa =

Có

Dẫn đến :

J = (2.23)

Do vậy:

Từ (2.18) ta có :

(2.24)

Ta có - tổng của mô men xung lượng cắt đất và mô men xung

lượng làm kéo văng đất đối với trục 0z :

(2.25)

Gọi khoảng cách OA là b.

Có xung lượng cắt đất Sc = Pc.tc , ở đây có Pc theo (2.16) và tc là thời

gian cắt đất. Có thể lấy với h độ sâu của nhát cắt (bằng độ cao lưỡi

cắt của dao), là vận tốc góc của đĩa quay.

Gọi khối lượng đất kéo văng là mG và vận tốc văng của nó là u, đây

cũng là vận tốc của điểm A khi dao cắt văng đất.

Gọi xung lượng kéo văng đất là Skv , do vận tốc ban đầu của mG (trước

khi kéo văng đất) bằng 0 nên mG.u = Skv. Gọi khoảng cách OA là b, khi đó

có:

(2.26)

Lz(1) - Lz(0) = = - (Sc + Skv).b = - (Pc.tc +mG u).b

, ta được Lz(1) - Lz(0) =

thay u = b.ω1 và

(2.27)

ɷ1=

Từ công thức (2.24) (2.26), nhận được :

(2.28)

Tính được u = .b

Do vậy xung lượng kéo văng đất Skv sẽ là : Skv = mG.u = mG. b

(2.29)

Thay , , =>

Khi đó nhận được:

(2.30)

c) Công sinh ra do xung lượng cắt – kéo văng đất (tính trung bình): Ac-v

Xét trường hợp có tải. Công được sinh ra do cơ hệ trong trường hợp đĩa

quay với vận tóc góc không đổi.

Gọi T = là chu kỳ quay của đĩa, khi đó thời gian giữa hai lần dao

(do số dao lắp trên đĩa bằng 2). Thời gian dao cắt cắt – kéo văng bằng Ttb =

, do vậy thời gian kéo văng đất là tkv = Ttb – tc , dẫn đến xung

đất là

lực kéo văng đất có trị trung bình là .

Công trung bình của xung lực cắt – kéo văng đất là:

(2.31)

Thay (2.30) vào (2.31) được: (2.32)

(2.33)

AMS =

Đặt : ATS =

(2.34)

Ta được:

(2.35)

Công do mô men ngoài sinh ra là:

(2.36) AN = MN .φ

Trong đó: MN - mô men do lực ngoài (động cơ cưa xăng) dẫn qua đai

(2.37)

truyền, dẫn đến

Do vậy (2.38)

2.3.5.3.Tính công suất để cắt – kéo văng đất

Từ các biểu thức tính được ở trên, có được hệ phương trình chuyển

động của cơ hệ đĩa và các dao cắt – kéo văng đất trong các trường hợp không

tải và có tải:

Thay (2.38) vào phương trình chuyển động (2.15) dẫn đến:

+ Trong trường hợp không tải:

(2.39)

+ Trong trường hợp có tải:

(2.40)

với: ATS và AMS được tính theo công thức (2.33) và (2.34).

Giá trị khoảng cách b trong các công thức trên được tính là:

(2.41) b2 = R2 + L2 - 2RL.cos(γi).

Giải các phương trình (2.39) và (2.40) cho ta các nghiệm γi là các hàm

dưới dạng γi = γi(ω,J1. R, L, ...,t), biểu diễn sự biến thiên của góc tạo bởi thanh

để thay vào (2.32) tính được

OiA của dao thứ i và phương bán kính OOi.

Sau khi xác định được các trị của γi và

trị của công Ac – kv sinh ra trong quá trình cắt - kéo văng đất, từ đó làm cơ sở

để tính công suất cần thiết của động cơ.

Công suất để cắt – kéo văng đất : (2.42)

Các ký hiệu trong công thức (242) như sau:

b- khoảng cách từ tâm đĩa thép lắp dao (điểm O) đến đầu dao (điểm A);

mG- khối lượng của đất kéo và văng;

J1- mô men quán tính của đĩa thép lắp dao cắt;

ρ – mật độ khối lượng trên chiều dài của dao cắt đất;

R- bán kính động học đĩa thép lắp dao cắt (tính từ tâm đến điểm lắp

dao);

L- chiều dài dao cắt đất;

ɷ - vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt đất;

Pc- lực cắt đất;

γ – góc hợp bởi đường thẳng (OO1) với dao cắt (O1A).

Nhận xét: Công suất của động cơ cắt đất phục thuộc vào nhiều yếu tố

như bán kính đĩa thép R1, chiều dài dao cắt đất L, vận tốc góc ɷ, khối lượng

dao cắt..., để xác định qui luật ảnh hưởng của các yếu tố này cầm khảo sát

phương trình tính công suất của động cơ (2.42).

2.4. Tính toán rung động của hệ thống cắt đất

2.4.1. Xây dựng mô hình tính dao động của cơ hệ máy cắt đất dạng búa

Khi vận hành tác nghiệp máy cắt đất dạng búa, người sử dụng đặt máy

nằm ngang trên mặt đất và giữ bằng hai tay tại hai tay nắm (hình 2.10), nối

giữa thân máy và hệ thống cắt đất với tay nắm trên là một lò xo độ cứng C1,

tay cầm ngang là lò xo độ cứng C2.

Phương trình dao động của cơ hệ máy cắt đất dạng búa được xây dựng

trên mô hình động lực học mô tả trong hình 2.10b.

Trong đó: m1- khối lượng qui đổi của động cơ và khung máy đặt tại

điểm O3, kG;

m2- khối lượng qui đổi của hệ thống cắt đất bao gồm đĩa thép, dao

cắt đất đặt tại điểm O, kG

m- Khối lượng của máy đặt tại O2 (m=m1+ m2)

C1- Độ cứng của lò xo nối giữa máy với tay cầm phía trên

C2- Độ cứng của lò xo nối giữa máy với tay cầm ngang

Trọng tâm của máy tại O2, khi cắt kéo văng đất, tạo phản lực liên kết

dạng xung lực tác dụng lên trục đĩa tại O. Mô hình tính toán rung động của máy cắt đất được thể hiện trên hình 2.10.

G

Hình 2.10 : Mô hình dao động của máy cắt đất dạng búa

2.4.2. Thiết lập hệ phương trình dao động

Khoảng cách BO2 = L2 ; BO3 = L3 ; BO = L1 + L2

Chọn hệ tọa độ Bxy như trong hình 2.10b. Lực kích động ngoài là lực

Ở trạng thái cân bằng, trọng tâm O2 có tọa độ (x,y). Nếu gọi φ là góc

lập bởi BO2 với By thì ta có gần đúng : x = y.φ. Đặt L2 – L3 = a .

Chọn tọa độ suy rộng là y và φ.

Có động năng:

hay (2.43)

Thế năng bao gồm tổng thế năng đàn hồi và thế năng hấp dẫn:

; với (2.44)

Công của ngoại lực: (2.45)

có xO = (y + L1).φ ; yO = y + L1 , do vậy:

và , thay vào (2.45) có được:

(2.46)

 lực suy rộng

(2.47)

Hàm Lagrange : L = T – П

(2.48)

Hệ phương trình vi phân dao động của máy cắt đất dạng búa:

Luận án tiến hành tính toán:



Dẫn đến hệ phương trình vi phân dao động của máy cắt kéo văng đất:

(2.49)

2.4.3. Phân tích lực kích động tác dụng lên trục đĩa thép

2.4.3.1. Xét lực tác động lên ổ trục đĩa khi không cắt đất

Khi máy chạy bình ổn thì gia tốc góc của trục máy bằng 0, và trục máy

quay với vận tốc không đổi ɷ (radian/s). Chính vì vậy không có mô men của

lực quán tính các dao cắt mà chỉ có lực quán tính li tâm làm dao cắt tác động

lên ổ trục dao cắt:

(2.50) Pq = MB. rs. ɷ2 = MB. rs. ɷ2 , (N)

trong đó: MB - Khối lượng dao cắt, (kg),

ɷ - Vận tốc góc của đĩa thép, ( radian/s),

rs - Khoảng cách từ trọng tâm dao cắt đến tâm quay trục máy, (m)

Có thể giả thiết rằng, trong giai đoạn không tải các thanh dao cắt thẳng

với bán kính OO1. Khi đó khoảng cách từ tâm dao cắt đến tâm O sẽ là:

Do đó, theo (2.50) ta được:

, (N) (2.51)

Như vậy, phản lực liên kết từ ổ trục dao cắt có giá trị bằng Pq và theo

hướng O1O.

2.4.3.2. Xét lực tác động lên ổ trục đĩa khi cắt kéo văng đất

Từ cấu tạo của cơ cấu cắt đất ở dạng búa, khi đĩa thép lắp dao cắt quay,

dao cắt sinh ra xung lực va chạm, sơ đồ phân tích xung lực được thể hiện trên

hình 2.11.

Hình 2.11. Phân tích xung lực tác dụng lên trục đĩa khi cắt kéo văng đất

Khi dao cắt thực hiện cắt kéo văng đất, xung lực xuất hiện với thời gian

τ rất ngắn. Nếu gọi lực va chạm là thì xung lực , (N.s).

=> , (N) (2.52)

và có hướng Đại lượng Ntb được gọi là lực va chạm trung bình, có giá trị bằng

vuông góc với bán kính OA theo chiều ngược với chiều quay của trục đĩa.

Theo tính toán ở (2.16), (2.30) và (2.31) có được :

Ntb = Pc + Pkv (2.53)

do đó : (2.54)

Trong đó: b – khoảng cách OA cho bởi công thức (2.41);

h – độ sâu nhát cắt đất;

Pc - lực cắt đất cho bởi (2.16);

Skv xung lượng kéo văng đất, cho bởi (2.30);

ω – vận tốc quay không đổi của đĩa, (rad/s).

Lực va chạm này tác động lên ổ trục dao cắt, nên tại ổ trục dao cắt sẽ

có phản lực liên kết có giá trị cũng bằng Ntb và có hướng vuông góc với OA,

cùng chiều với hướng quay của trục dao cắt.

Hợp hai phản lực trên cho ta phản lực tổng hợp của ổ trục dao cắt lên thanh

dao cắt. Do hai phản lực vuông góc với nhau, nên lực tổng hợp sẽ có trị là:

(2.55)

Chú ý rằng do tính đối xứng trục của các dao cắt quanh trục đĩa nên

không có lực và mô men khác tác động lên ổ trục đĩa.

Công thức tính lực va đập của dao cắt lên trục dao cắt:

1) Khi dao cắt chưa cắt đất : , (N)

đơn vị tính : R, L (m) ; MB , (kg)

2) Khi dao cắt cắt kéo văng đất:

+ Tính : ; (Pc theo (2.16) , Skv theo (2.30))

+ Tính tổng hợp lực của búa tác động lên trục đĩa:

, (N)

2.4.3.3. Biểu diễn Fourier hàm xung lực va đập lên trục đĩa

Do trục máy quay đều, nên các xung lực được tạo ra có tính chu kỳ.

Nếu máy có n trục dao cắt và trục máy quay với vận tốc ɷ (rad/s) thì chu kỳ

của xung lực sẽ là : , (s). Trong đề tài này số trục dao cắt n = 2.

Thời gian có xung lực xảy ra rất ngắn, nó bằng thời gian mà dao cắt đất

văng qua góc cắt văng đất β (hình 2.11).

Khoảng thời gian có xung lực là sẽ là (2.56)

Hình 2.12. Dạng xung lực va đập lên trục đĩa.

Với tốc độ quay của trục đĩa : 2500 vòng/phút (tức là ɷ = 262 rad/s),

góc cắt văng β = π/2, khi đó có được:

τ = 6. 10-3 (s) , T = 0.012 (s). Đặt .

Lực va đập P(t) lên trục đĩa được biểu diễn như hình 2.9.

Do xung lực va đập

(2.57) P0 = 2PT

nên Đặt hàm F(t) là hàm tuần hoàn chu kỳ T, thỏa mãn:

(2.58)

Hình 2.13 Đồ thị biểu diễn hàm F(t)

Trên cơ sở mô tả các xung lực như ở hình 2.9, có thể thấy hàm P(t) biểu

diễn lực va chạm sẽ trùng với P0. F(t) tại mọi t ≥ 0. Do vậy, nhân P0 với khai

triển Fourier của hàm F(t) sẽ là biểu diễn của P(t) tại các trị t ≥ 0 .

Do F(t) là một hàm chẵn nên khi triển Fourier của nó có dạng:

(2.59)

với:

(2.60)

(2.61)

Như vậy, ta có được biểu diễn Fourier của hàm lực va chạm P(t) :

(2.62)

với a0 và ak có được như (2.60) và (2.61).

Trong tính toán, khai triển (2.62) chỉ lấy đến một số hữu hạn N0 các số

hạng, do đó sau này ta tính toán với:

(2.63)

Các biểu thức về và trong (2.47) sẽ được tính với Px , Py theo công

thức:

Px = P(t). cosθ ; Py = P(t).sinθ

Đến đây, cùng với điều kiện đầu (tại t = 0) ta sẽ giải được hệ phương

trinh vi phân dao động của máy cắt kéo văng đất (2.49).

2.5. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống hút và phun đất vào đám cháy

Theo nguyên lý hoạt động của máy, đất sau khi được cắt ra tung lên

trong buồng hút của máy cắt đất, quạt gió cao áp tạo ra áp lực hút đất cát vào

đường ống, đất cát chuyển động trong đường ống đoạn thẳng đứng và đoạn

nằm ngang sau đó đi vào buồng hút của quạt gió, cánh quạt gió tạo ra áp lực

để phun đất cát vào đám cháy. Quá trình hút, phun đất cát vào đám cháy thực

chất là vận chuyển những hạt chất rắn lẫn trong dòng không khí bằng đường

ống (vận chuyển bằng sức gió). Phương pháp tính toán có nhiều điểm khác

với phương pháp tính hệ thống dẫn không khí thông thường.

2.5.1. Xác định vận tốc của dòng không khí trong đường ống thẳng đứng

Những hạt đất cát chuyển động được trong đường ống là do áp lực của

dòng không khí tác động vào, điều kiện để hạt đất chuyển động lên trên là áp

lực tác dụng của dòng không khí chuyển động từ dưới lên trên gây ra phải

bằng hoặc lớn hơn trọng lượng bản thân của hạt đất. Sơ đồ lực tác dụng của

dòng không khí trong đường ống tác dụng lên hạt đất được thể hiện trên hình

2.14.

Hình 2.14: Lực tác dụng lên hạt đất, cát trong dòng khí chuyển động

Lực tác dụng lên phần tử hạt gồm 2 thành phần:

- Lực tác dụng lên tiết diện ngang của hạt (còn gọi là tiết diện trực đối)

trực giao với chiều chuyển động của dòng không khí:

; kG (2.63)

- Lực tác dụng do ma sát giữa không khí và bề mặt xung quanh của hạt:

; kG (2.64)

Nếu gọi P là lực tác dụng lên hạt rắn từ dưới lên trên thì:

(2.65)

Trong đó: K0 - hệ số tỷ lệ kể đến ảnh hưởng của sự di chuyển các hạt

của dòng không khí, đối với hạt có hình thon , đối với hạt hình cầu có

hệ số K0 thay đổi theo chuẩn số Re.

F- tiết diện lớn nhất của hạt theo phương trục đối xứng, m2;

V- vận tốc của dòng không khí trong ống dẫn, m/s;

- hệ số ma sát;

S – bề mặt xung quanh của hạt, m2;

- trọng lượng đơn vị của không khí, kg/m3;

Điều kiện để hạt rắn ở trạng thái lơ lửng trong dòng không khí là:

(2.66)

Trong đó: G - trọng lượng hạt, kg.

Từ phương trình trên ta rút ra được v là vận tốc cân bằng:

; m/s (2.67)

+ Đối với hạt thon K0 = 1 và khi không khí ở điều kiện tiêu chuẩn

ta có:

Trong đó: đối với bề mặt nhẵn;

đối với bề mặt nhám.

+ Đối với hạt hình cầu có đường kính d, m và trọng lượng đơn vị , kg/m3

(2.68)

Thành phần của lực ma sát trong phương trình trên không đáng kể, có

thể bỏ qua, vận tốc cân bằng được tính theo công thức sau:

(2.69)

Đối với hệ thống hút và phun đất sử dụng sử dụng dòng khí có thể lấy

Re= (0,5-7).105 và ứng với trị số Re trong khoảng ấy ta có K0=0,5 ta có.

, m/s (2.70)

Như vậy để cho đất cát chuyển động được trong đường ống thẳng đứng

thì vận tốc không khí lớn hơn vận tốc cân bằng tính theo công thức ( 2.69) hoặc

(2.70).

2.5.2. Xác định vận tốc của dòng không khí trong ống dẫn nằm ngang

Lực P do áp lực của không khí tạo ra sẽ tác dụng trực giao với phương

của lực G, do đó hạt sẽ rơi xuống và lăn theo đường ống. Phần không khí bị

cuốn theo các hạt sẽ gây ra một lực đẩy P’ nào đó làm cho hạt lại được bốc trở

lên, rồi lại rơi xuống, cứ thế mà hạt được di chuyển đi theo dòng không khí.

Hình 2.15: Chuyển động của hạt vật liệu trong ống nằm ngang

Để xác định vận tốc lơ lửng trong trường hợp ống ngang, giáo sư V.N.

Lêvinxơn [35] đã đưa ra công thức tính vận tốc cân bằng cho hạt rắn có hình

kéo dài (hình lăng trụ).

(2.71)

Trong đó: - mật độ của không khí, kg.s2/m4;

l- chiều dài hạt hình lăng trụ, m;

d- đường kính của hạt lăng trụ, m;

- tỷ số của vận tốc tịnh tiến của hạt và vận tốc của

dòng không khí, theo số liệu thực nghiệm thì .

Trong thực tế, vận tốc làm việc của hệ thống vận chuyển bằng áp lực khí

phải lớn hơn vận tốc cân bằng, để dòng không khí có khả năng lôi cuốn được

những hạt vật liệu đọng lại dưới lòng ống nằm ngang khi hệ thống làm việc trở

lại.

Vận tốc làm việc của hệ thống phụ thuộc vào mật độ của vật liệu với

không khí trong đường ống, mật độ được tính theo công thức sau:

(2.72)

Trong đó: G- trọng lượng vật liệu;

L- lưu lượng không khí sạch trên đường ống, kg/s;

Khi : vận tốc làm việc ;

- vận tốc làm việc ;

. -vận tốc làm việc

2.5.3. Tính toán quạt hút và phun đất

Để đạt được theo yêu cầu của quạt hút và phun đất, thì việc tính toán

quạt cần giải quyết hai vấn đề sau:

- Vấn đề thứ nhất: Lựa chọn tham số kết cấu của bản thân quạt để quạt

tạo ra áp lực hút và phun lớn nhất;

- Vấn đề thứ hai: Sự phối hợp giữa quạt hút và hệ thống cắt đất, do vậy,

khi thiết kế quạt hút, phun cần lấy áp lực hút ở cửa vào và áp lực phun ở cửa

ra để tính toán.

Để tính toán quạt hút và phun cần căn cứ vào nguyên tắc sau:

- Lưu lượng đất, áp lực đất phun ở cửa ra lớn, tốc độ và hiệu suất của quạt cao;

- Công suất tiêu hao trên trục quạt hút và công suất hiệu dụng của động

cơ tương đối gần nhau, đồng thời nhỏ hơn công suất tiêu chuẩn của động cơ

từ đó để bảo đảm cho quạt hút và phun làm việc ổn định đáng tin cậy;

- Trọng lượng quạt nhẹ.

2.5.3.1. Các tham số kết cấu cơ bản của quạt hút và phun đất

Các tham số kết cấu chủ yếu quyết định tính năng của quạt, gồm:

Đường kính ngoài cánh quạt D2, đường kính trong cánh quạt D1, góc cửa vào

cánh quạt 1, góc cửa ra cánh quạt 2, số cánh quạt Z, độ rộng cánh quạt b1,

b2, độ rộng xoắn ốc, độ mở rộng A và diện tích vào của lồng bảo vệ, hình 2.16

là tham số kết cấu của quạt hút và phun đất chữa cháy rừng.

Hình 2.16: Các tham số kết cấu của quạt gió

2.5.3.2. Tính toán áp lực hút của quạt hút và phun đất

Từ hình 2.17 ta thấy, trong quạt li tâm dòng khí được hút vào qua cửa

hút đi vào trục chính trong quạt li tâm sau khi được cánh quạt nén lại và đẩy

qua cửa thoát khí. Do vậy, gọi phía đầu cánh quạt phần tiếp xúc với chất khí

là đầu hút khí, góc độ cánh quạt ở đầu hút khí được gọi là góc lắp ráp đầu

vào. Tương tự, đầu ra được gọi là đầu thoát khí, góc độ cánh quạt ở đầu thoát

khí được gọi là góc lắp ráp đầu ra.

Góc lắp ráp đầu vào của cánh quạt được tạo bởi đường tiếp tuyến tại

đường kính trong của quạt, với đường tiếp tuyết của cánh quạt tại điểm đầu

vào của cánh gọi tắt là góc vào ký hiệu β1 hình 2.17.

Góc lắp ráp đầu ra là góc tạo bởi đường tiếp tuyến của đường kính

ngoài của cánh với đường tiếp tuyến của cánh tại điểm đầu ra của cánh, gọi

tắt là góc ra, ký hiệu β2.

Đối với quạt li tâm, góc lắp ráp đầu vào β1 và góc lắp ráp đầu ra β2 là 2

chỉ tiêu quan trọng quyết định hình dạng cơ bản của cánh quạt. Căn cứ vào

hình dạng, căn cứ vào trị số lớn, nhỏ của góc β2 mà phân cánh quạt li tâm

thành 3 dạng:

- β2 > 900 gọi là cánh cong về phía trước (hình 2.17a);

- β2 < 900 gọi là cánh cong về phía sau (hình 2.17b);

- β2 = 900 gọi là cánh hướng kính (hình 2.17c).

Hình 2.17: Mô hình động lực học tính toán áp lực quạt hút và phun đất

a - Cánh cong trước; b - Cánh cong sau; c - Cánh hướng kính

Cv, C - tốc độ tuyệt đối của dòng khí tại đầu vào và đầu ra;

U1, U2 - tốc độ dài của dòng khí ở đường kính trong và đường kính

ngoài cánh quạt;

W1, W2 - tốc độ tương đối của dòng khí tại đầu vào và đầu ra của cánh quạt;

C2u - tốc độ dài tại đầu ra.

* Xét ảnh hưởng của hình dạng cánh quạt đối với tính năng quạt

- Cánh cong trước (hình 2.17.a): Có góc cửa gió ra β2 > 900, do đó mà

tạo nên tốc độ dòng khí tại đầu ra của cánh quạt C2u lớn hơn tốc độ dài do

đường kính ngoài cánh quạt tạo nên U2, tức C2u > U2. Như vậy, lưu lượng và

áp lực của chất khí tương đối cao. Nhưng do tốc độ tuyệt đối dòng khí tại đầu

ra của cánh quạt C rất lớn, dẫn đến dòng khí thổi ra mạnh tạo nên dòng xoáy,

từ đó hiệu suất tương đối thấp, đồng thời gây nên tiếng ồn lớn.

- Cánh cong sau (hình 2.17b): Do góc cửa gió ra β2 < 900, nên hiệu suất

cao, tiếng ồn nhỏ nhưng tốc độ dài C2u tại đầu ra của dòng khí nhỏ hơn tốc độ

dài do đường kính ngoài cánh quạt tạo nên U2, tức C2u < U2. Do đó tốc độ

tuyệt đối của dòng khí tại đầu ra C tương đối nhỏ, do vậy muốn đạt được áp

lực và lưu lượng như quạt cánh cong trước thì yêu cầu đường kính cánh quạt

phải tương đối lớn, từ đó kích thước của nó phải lớn hơn loại quạt cánh cong

trước.

- Cánh hướng kính (hình 2.17c): Do góc ra β2 = 900, nên tốc độ dài của

dòng khí tại đầu ra C2u bằng tốc độ dài do đường kính ngoài cánh quạt tạo nên

U2, tức là C2u = U2. Với loại cánh quạt này tại đường vào không gây nên tổn

thất va đập, tính năng của nó là trung gian của hai loại trên.

Áp lực của quạt gió là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến năng

suất và vận tốc của dòng đất cát phun vào đám cháy, áp lực của quạt tạo ra

chủ yếu phụ thuộc vào dạng cánh guồng, góc lắp ráp đầu vào và góc lắp ráp

đầu ra.

2.5.3.3. Tính toán vận tốc và áp lực của quạt hút và phun đất

a) Tính vận tốc của không khí đầu ra quạt hút và phun

Để tính toán vận tốc đầu ra của quạt hút và phun đất, luận án lập sơ đồ

β2

tính toán trên hình 2.18.

Hình 2.18: Sơ đồ tính toán vận tốc không khí đầu ra quạt hút và phun đất

Các ký hiệu trong sơ đồ tính toán tên hình 2.15 bao gồm:

- R1- bán kính đường tròn ngoài của guồng;

- R2 – bán kính đường tròn của cánh;

- Góc α được tạo bưởi bán kính R1 với đường nối tâm O và O1.

Với

Tốc độ tuyệt đối của dòng khí tại đầu ra được tính như sau:

Ta có α = 180 - β2

Vận tốc tuyệt đối của dòng khí đầu ra được tính như sau:

(2.73)

Nhận xét: Vận tốc tuyệt đối của dòng khí đầu ra phụ thuộc vào góc α,

bán kính đường tròn ngoài của guồng R1 và góc lắp ráp đầu ra β2. Để xác định

qui luật thay đổi vận tốc tuyệt đối đầu ra của quạt hút và phun đất cần khảo

sát công thức (2.73), từ kết quả khảo sát tìn ra thông số hợp lý của cánh quạt

hút, phun đất.

b) Tính toán áp lực của quạt hút và phun đất

Từ sơ đồ hình 2.15, áp lực của quạt hút và phun được tính theo công

thức sau:

(2.74) 𝜂k

Trong đó: Hk - Áp lực của quạt hút và phun, bar;

η - Hiệu suất;

k - Hệ số tổn thất trở lực, k được tính theo công thức sau:

Trong đó: Z - Số cánh quạt;

 - Hệ số ( = 0,8 – 1);

r1 - Bán kính bên trong của cánh quạt;

r2 - Bán kính bên ngoài của quạt.

Theo định lý hàm số Sin hình 2.15a ta có:

C = (2.75)

Thay các số liệu vào công thức (2.74) ta có:

(2.76) Hk =

Nhận xét: Từ công thức (2.76) áp lực của quạt hút và phun phụ thuộc

vào dạng cách quạt gió, góc lắp ráp đầu ra β2, hệ số trở lực k, vận tốc dài dòng

khí U2, khi vận tốc của cách quạt cao thì vận tốc dài cao, dẫn đến áp lực của

quạt hút, đẩy cao. Để tìm qui luật ảnh hưởng của góc β2 đến áp lực cần thiết

phải khảo sát phương trình (2.46), từ kết quả khảo sát tìm được góc lắp ráp

đầu ra hợp lý.

2.5.3.4. Tính toán số lượng cánh quạt

Số lượng cánh quạt có ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu về áp lực,

lưu lượng, hiệu suất của quạt. Số lượng quá ít, thường làm cho góc

khuyếch áp mở rộng dễ làm cho sự phân tầng ở đĩa ngoài của dòng khí,

lúc này áp lực, lưu lượng và hiệu suất đều giảm đi. Số lượng cánh càng

tăng, các chỉ tiêu trên đều tăng, nhưng sau khi số lượng cánh đã vượt quá

số nhất định lại làm cho các chỉ tiêu bị giảm đi. Bởi vì số cánh tăng lên

làm cho độ dài tương đối trong cánh tăng theo, làm giảm đi độ nghiêng

của dòng khí tại đầu ra của cánh quạt, làm tăng cơ hội truyền tải năng

lượng của cánh quạt đối với dòng khí. Do đó mà làm tăng áp lực và lưu

lượng của máy quạt. Nhưng khi số cánh quá nhiều sẽ làm cho ma sát giữa

cánh quạt với dòng khí và đất cát tăng lên. Như vậy, trở lực tăng dẫn đến

áp lực và lưu lượng giảm đi. Cho nên số lượng cánh quạt có một giá trị tối

ưu. Giá trị tối ưu của số cánh quạt có thể thông qua mật độ cánh quạt (a0)

để tính toán:

(2.77)

Trong đó: l1- độ dài cung của cánh;

- bước cánh trung bình;

(2.78)

Trong đó: D1- đường kính đầu vào cánh quạt;

D2 - đường kính đầu ra cánh quạt;

Z - số cánh quạt.

Thay công thức (2 .78) vào (2.77) ta được:

hay ( 2.79)

Mật độ cánh quạt (a0) có thể lấy giá trị từ 1,2 - 1,8.

Nhận xét: Số lượng cánh quạt được tính toán theo công thức lý

thuyết (2.79), tuy nhiên đối với quạt hút và phun đất số lượng cánh quạt

ảnh hưởng rất lớn đến khối lượng đất phun, số lượng cánh lớn, áp lực cao,

song va đập của cánh quạt với đất cát trong buồng quạt dẫn đến công suất

động cơ tăng lên, từ đó tốc độ vòng quay của cánh quạt giảm đi, dẫn đến

khối lượng và áp lực đất phun ra có thể bị giảm đi. Việc tính toán tối ưu số

lượng cánh quạt bằng lý thuyết là rất khó khăn. Trong luận án này sử dụng

phương pháp thực nghiệm để tính toán tối ưu số lượng cánh.

2.5.4 Tính toán hệ thống hút đất

Áp dụng nguyên lý tính toán vận chuyển sản phẩm rời bằng sức gió

trong tài liệu [35], từ sơ đồ tính toán máy chữa cháy rừng bằng đất cát hình 2.1,

luận án thiết lập công thức tính toán của hệ thống đường ống hút đất như sau:

2.5.4.1. Khối lượng đất hút trong đường ống

(2.80)

Trong đó: Gm – Khối lượng đất hút trong đường ống (kg/s);

Qm – Năng suất của hệ thống (m3/h);

– Trọng lượng riêng của đất (kg/m3);

m- Hệ số liên tục, m = 1,2.

2.5.4.2. Thể tích không khí cần thiết để hút đất

(2.81)

Trong đó: Q- Thể tích không khí (m3/s);

– Trọng lượng riêng của không khí (kg/m3);

- Hệ số đậm đặc của hỗn hợp đều và không khí ( =2 -5).

2.5.4.3. Đường kính ống hút được xác định theo công thức

(2.82)

Trong đó: D- Đường kính ống hút (m);

v – Vận tốc không khí trong ống hút, m/s;

- Trọng lượng riêng của không khí ở trong đường ống.

Trong đó: -Áp lực đường ống (kg/m2);

R- Hệ số (R = 29,27);

T – Nhiệt độ K.

Vận tốc v ở trong đường ống được tính theo công thức:

Trong đó: - Vận tốc cân bằng của hạt đất được tính theo công thức;

; với d – đường kính hạt đất.

2.5.4.4. Xác định vận tốc cần thiết của không khí trong ống

(2.83)

Trong đó: a- Hệ số cản trong ống (a = 1,23 – 1,25);

c – Hệ số (c = 0,25 – 0,4).

Tóm lại: Khi thiết kế hệ thống hút đất, khối lượng của đất cát tính theo

công thức (2.80), thể tích không khí cần thiết tính theo công thức (2.81),

đường kính ống hút được tính theo công thức (2.82), vận tốc của không khí

trong đường ống được tính theo công thức (2.83)

2.5.4.5. Tính tổn thất áp lực trong đường ống hút đất

Theo tài liệu [35], tổn thất áp lực toàn phần của hệ thống được xác định

như sau:

(2.84)

Trong đó: - Tổn thất áp lực toàn phần, kG/m2;

- Tổn thất áp lực đoạn ống nằm ngang, kG/m2;

- Tổn thất áp lực trong ống hút, kG/m2;

- Tổn thất áp lực đầu đường ống, kG/m2;

- Tổn thất áp lực đoạn đường ống cong, kG/m2;

- Tổn thất áp lực van phân phối, kG/m2;

- Tổn thất áp lực đoạn chênh cao, kG/m2.

a) Tổn thất cột áp trong đường ống nằm ngang

(2.85)

Trong đó: – Cột áp cần thiết trên đoạn nằm ngang; (kG/m2);

- Áp lực cần thiết để sạch đường ống;

- Hệ số cản cục bộ (=0,9);

- Hệ số cản đường ống;

L – Chiều dài ống dẫn;

D – Đường kính ống;

VB – Vận tốc không khí trong đường ống.

Hệ số cản được tính theo công thức:

Trong đó: ; ;

- Hệ số 0,01 – 0,08

b) Tổn thất áp lực trong ống hút

(2.86)

c) Vận tốc không khí ở đầu ống

(2.87)

d) Tổn hao áp lực ở đầu ống dẫn khí

(2.88)

e) Tổn hao áp lực ở đoạn ống cong

(2.89)

Trong đó: Km – Hệ số (Km = 1,8);

- Trọng lượng riêng của không khí ( = 1,2);

- Vận tốc của không khí ở chỗ cong;

; F – Diện tích ống dẫn (m2);

- Hệ số cản cục bộ.

f) Tổn hao áp lực ở đoạn chênh độ cao

(2.90)

Trong đó: Ph – Tổn hao áp lực do độ chênh cao;

vB- Vận tốc không khí trong ống (m/s);

vc- Vận tốc không khí cuối đường ống dẫn (m/s);

h- Độ chênh cao đầu và cuối (m).

g) Tổn thất toàn phần của hệ thống

Thay các công thức (2.85); (2.86); (2.87); (2.88); (2.89); (2.90); vào công

thức (2.84) ta xác định được công thức tính tổn hao cột áp toàn phần như sau:

+ (2.91)

2.5.4.6. Áp lực cần thiết cho quạt hút đất

(2.92)

Trong đó: Pct – Áp lực cần thiết của máy thổi khí;

C – Hệ số dự trữ (C = 1,05 – 1,1);

– Tổn hao toàn phần, kg/m2;

(2.93)

2.5.4.7. Công suất cần thiết cho quạt hút đất

Trong đó: N- Công suất cần thiết (kW );

k –Hệ số dự trữ (k= 1,2);

- Hiệu suất bộ truyền động ( = 0,9);

- Hệ số tổn thất do cánh quạt ( = 0,85);

- Lưu lượng cần thiết của máy hút khí.

2.5.5. Tính toán hệ thống phun đất

Hệ thống phun đất bao gồm có quạt phun đất, ống thổi, căn cứ vào cấu

tạo của máy ống thổi là ống sắt. Nguyên tắc tính toán hệ thống phun đất cũng

tương tự như tính toán hệ thống hút đất.

2.5.5.1. Tổn thất áp lực toàn phần của hệ thống phun đất

(2.94)

Trong đó: - Tổn thất áp lực toàn phần, kg/m2;

- Tổn thất áp lực đoạn ống nằm ngang, kG/m2;

- Tổn thất áp lực cần thiết trên đường ống, kG/m2;

- Tổn thất áp lực đầu đường ống, kG/m2;

- Tổn thất áp lực đoạn đường ống cong, kG/m2;

- Tổn thất áp lực van phân phối, kG/m2;

- Tổn thất áp lực đoạn chênh cao, kG/m2.

a) Tổn thất cột áp trong đường ống nằm ngang

; kG/m2 (2.95)

b) Tổn thất áp lực cần thiết trong đường ống vận chuyển đất cát

; (2.96)

Trong đó: K là hệ số tra bảng (K= 0,5).

c) Vận tốc không khí ở đầu ống

; m/s (2.97)

d) Tổn thất áp lực ở đầu ống dẫn

(2.98)

e) Tổn hao áp lực ở đoạn chênh độ cao

; kG/m2 (2.99)

Trong đó: Ph- Tổn hao áp lực do độ chênh cao;

vB – Vận tốc không khí trong ống;

vc – Vận tốc không khí cuối đường ống dẫn;

h- Độ chênh cao đầu và cuối;

- Trọng lượng riêng của hỗn hợp phun vào đám cháy.

f) Tổn hao áp lực toàn phần của hệ thống

Thay các công thức: (2.95); (2.96); (2.98); (2.99); vào công thức (2.94)

ta có công thức tính tổn hao áp lực toàn phần như sau:

(2.101)

Tóm lại: Vận tốc không khí trong đường ống được tính theo công thức

(2.97), tổn hao áp lực toàn phần được tính theo công thức (2.101).

2.5.5.2. Áp lực cần thiết của quạt phun đất

; kG/m2 (2.102)

Trong đó: Pct- Áp lực cần thiết của quạt thổi khí;

C- Hệ số dự trữ (C=1,05 – 1,1);

- Tổn hao toàn phần, kg/m2.

2.5.5.3. Công suất cần thiết cho phun đất cát

(2.103)

Trong đó: N- Công suất cần thiết (kw);

k –Hệ số dự trữ (K= 1,2);

- Hiệu suất bộ truyền động ( = 0,9);

- Hệ số tổn thất do cánh quạt ( = 0,55); - Lưu lượng cần thiết của máy hút khí, m3/s.

Kết luận chương 2

Từ kết quả thu được đã trình bầy trong chương 2, luận án rút ra một số

kết luận sau:

1. Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống cắt đất, luận án đã

xây dựng được mô hình động lực học quá trình cắt đất ở dạng búa, đã thiết lập

được công thức tính toán lực cắt đất, công suất cắt- kéo văng đất của máy cắt

đất, kết quả tính toán làm căn cứ khoa học để tính toán hệ thống cắt đất ở

dạng búa.

2. Đã xây dựng được mô hình tính toán rung động của hệ thống cắt đất,

thiết lập được phương trình vi phân dao động của máy. Kết quả nghiên cứu

này là cơ sở khoa học để tính toán tối ưu máy cắt đất.

3. Xây dựng được mô hình tính toán quạt hút và phun đất cát chữa cháy

rừng, đã thiết lập được công thức tính toán vận tốc, áp lực hút, áp lực phun, số

lượng cánh quạt hút và phun.

4. Luận án đã thiết lập được công thức tính toán vận tốc cân bằng trong

đường ống hút và phun, tính toán khối lượng đất hút, tổng lực cản trong

đường ống hút và đường ống phun, công suất động cơ của hệ thống hút và

phun, kết quả nghiên cứu này là cơ sở để tính toán thông số tối ưu của máy

chữa cháy rừng bằng đất cát.

Chương 3

KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA

MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT

3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến công suất cắt- kéo văng đất

Căn cứ vào kết quả thực nghiệm trong các tài liệu [18]; [19], luận án khảo

sát các yếu tố ảnh hưởng đến công suất cắt - kéo văng đất theo công thức (2.42).

Từ phương trình vi phân chuyển động của đĩa – dao cắt

(3.1)

(3.2)

với

AMS =

ATS =

(3.3)

(3.4) chú ý rằng lấy giá trị b = R + L

Giải ra ta được các và là các hàm của thời gian t . Quá trình giải được

thực hiện bằng Matlab (trong phần phụ lục). Các giá trị hàm và theo

thời gian t được ghi thành bảng. Tại mỗi thời gian t này tính được :

Công suất để cắt – kéo văng đất :

hay (3.5)

Sau khi có được các trị của Công suất để cắt – kéo văng đất Nc – kv theo thời

gian t, tìm trị lớn nhất của Nc – kv.

Các thông số được lấy giá trị trên bảng sau. Nếu có thông số nào thay

đổi thì các thông số khác được giữ nguyên giá trị trong bảng 3.1

Bảng 3.1. Các trị của các thông số được sự dụng trong quá trình khảo sát mô

hình

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị Giá trị

L Chiều dài búa m 0.08

R Bán kính đĩa m 0.1

h Độ sâu nhát cắt m 0.01

Khối lượng mẩu đất cắt kéo văng kg 0.003 mG

Ứng suất giới hạn của đất kPa 150

β Góc cắt của máy pi

Khối lượng riêng của đĩa kg/m^2 40 ρd

ω Vận tốc quay của đĩa rad/s 262

Khối lượng riêng của búa kg/m 0.78 ρb

3.1.1. Ảnh hưởng của bán kính động học của đĩa thép đến công suất cắt -

kéo văng đất

Do đặc điểm của máy cắt đất là máy cầm tay, hoạt động trên địa hình

rừng núi phức tạp, khi chữa cháy rừng người vận hành máy phải mang vác di

chuyển để thực hiện công tác chữa cháy rừng, do đó trọng lượng của máy

càng nhẹ càng tốt, mặt khác công suất của máy lại phải đáp ứng được yêu cầu

cắt được đủ khối lượng đất để cho máy hút phun vào đám cháy. Do vậy bài toán

đặt ra là khảo sát bán kính đĩa thép lắp dao cắt ảnh hưởng đến công suất động cơ

để từ đó tính toán lựa chọn được thông số hợp lý của hệ thống cắt đất.

Kết quả khảo sát công thức (2.42) trong trường hợp mật độ khối lượng dao

cắt ρ= 70 10-3 kg/m; bán kính đĩa thép R thay đổi như sau: R=6cm; R=7cm; R =

8cm; R = 9cm; R = 10cm, chiều dài dao cắt lấy giá trị cố định: l= 7cm; vận tốc góc

lấy ở giá trị =165 rad/s ; chiều sâu cắt h=1,5cm; khối lượng đất kéo văng mG=

20g; góc γ = 45 độ. Ảnh hưởng của bán kính đĩa thép lắp dao cắt đến công suất cắt-

kéo văng đất được thể hiện trên hình 3.1.

Hình 3.1: Ảnh hưởng của bán kính đĩa thép lắp dao cắt đến công suất

cắt- kéo văng đất

Từ kết quả nhận được trên đồ thị 3.1 có nhận xét sau:

- Công suất cắt- kéo văng đất đồng biến với bán kính đĩa thép, khi bán

kính tăng lên, vận tốc dài của dao cắt tăng lên, động năng của dao cắt tăng

lên, dẫn đến xung lực tăng lên, như vậy công suất cắt cũng tăng lên.

3.1.2. Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt đất đến công suất cắt- kéo văng đất

Kết quả khảo sát công thức (2.42) trong trường hợp mật độ khối lượng dao cắt ρ= 70 10-3 kg/m; bán kính đĩa thép; R=7cm; chiều dài dao cắt thay

đổi L1= 3cm; L2= 5cm; L3= 7cm; L4= 9cm; L5= 11cm; vận tốc góc lấy ở giá

trị =165 rad/s ; chiều sâu cắt h=1,5cm; khối lượng đất kéo văng

mG=20g; góc γ = 45 độ. Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt đến công suất

cắt - kéo văng đất được thể hiện trên hình 3.2.

Hình 3.2: Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt đến công suất

cắt - kéo văng đất

Từ kết quả nhận được có nhận xét sau: Quan hệ giữa công suất cắt- kéo

văng đất với chiều dài dao cắt là quan hệ đồng biến, trong trường hợp bán

kính đĩa thép lắp dao cắt cố định, khi chiều dài dao cắt tăng từ 3cm lên 11cm

thì công suất cắt tăng lên, khi chiều dài dao cắt lớn hơn 9cm thì công suất cắt

lớn hơn 3kW, từ kết quả khảo sát cho thấy, để công suất động cơ < 3kW thì

chiều dài dao cắt hợp lý từ 7-8cm, khi đó trong lượng động cơ nhỏ từ 5-6 kG.

Nếu công suất động cơ 3,5kW thì trọng lượng động cơ 8-9 kG, trọng lượng

động cơ lớn ảnh hưởng đến khả năng di động của máy trong rừng nơi có độ

dốc lớn.

3.1.3. Ảnh hưởng của mật độ khối lượng dao cắt đến công suất cắt - kéo

văng đất

Khảo sát bài toán trong trường hợp bán kính đĩa thép lấy ở giá trị

nhất định R = 7cm, chiều dài dao cắt lấy ở giá trị nhất định l = 7cm. Mật độ khối lượng thay đổi như sau: ρ1 = 50 10-3 kg/m ; ρ2 = 70 10-3 kg/m ; ρ3 = 90 10-3 kg/m ; ρ4 = 110 10-3 kg/m ; ρ5 = 130 10-3 kg/m ; vận tốc góc lấy ở

giá trị =165 rad/s ; chiều sâu cắt h=1,5cm; khối lượng đất kéo văng

mG=20g; góc γ = 45 độ. Sự ảnh hưởng của khối lượng dao đến công

suất cắt- kéo văng đất được thể hiện trên hành 3.3.

Hình 3.3: Ảnh hưởng của mật độ khối lượng dao đến công suất cắt- kéo văng đất

2 =145 rad/s;

4 =185rad/s;

Từ kết quả nhận được có nhận xét sau: Công suất cắt - kéo văng đất đồng biến với mật độ khối lượng dao cắt, khi mật độ khối lượng dao tăng, động năng tăng lên, xung lực va chạm tăng và lực cắt cũng tăng lên, công suất cắt tăng lên.

3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc góc đĩa thép lắp dao cắt đến đến công suất cắt - kéo văng đất Luận án tiến hành khảo sát phương trình (2.42) với các thông số khảo sát như sau: mật độ khối lượng dao cắt ρ= 70 10-3 kg/m; Bán kính đĩa thép R = 7cm; chiều dài dao cắt lấy giá trị cố định: l = 7cm; chiều sâu cắt h =1,5cm; khối 1 lượng đất kéo văng mG = 20g; góc γ = 45 độ. Vận tốc góc thay đổi như sau =125 rad/s; 5=205rad/s, các 3 =165 rad/s; thông số khác lấy theo các tài liệu kỹ thuật. Ảnh hưởng của vận tốc góc đến công suất cắt - kéo văng đất được thể hiện trên hình 3.4.

Hình 3.4: Ảnh hưởng của vận tốc góc đến công suất cắt - kéo văng đất

Nhận xét: Từ đồ thị hình 3.4 có nhận xét sau:

Khi vận tốc góc đĩa thép tăng, lực cắt tăng lên, công suất động cơ tăng

lên nhanh, từ kết quả khảo sát và tính toán cho thấy khi vận tốc góc ɷ =

165rad/s công suất động cơ dao động từ 2,5kw đến 3kw với công suất này thì

trọng lượng của động cơ 4 - 5kg phù hợp với thiết bị chữa cháy rừng cầm tay

khi di chuyển trên khu rừng có độ dốc cao.

3.2. Khảo sát rung động của hệ thống cắt đất

3.2.1. Xác định thông số đầu vào để khảo sát rung động của hệ thống

Phương trình vi phân dao động của hệ thống cắt đất được thiết lập theo

(2.49). Để khảo sát dao động đó cần xác định các hệ số trong phương trình vi

phân theo kết cấu cụ thể của hệ thống đã chế tạo.

Từ biểu thức của PTVP (2.49), ta thấy dao động theo 2 phương x và y

hoàn toàn độc lập nhau, nên ta xét một dao động trong chúng. Theo kết cấu

của máy rung động của máy theo trục X là lớn hơn trục Y, do vậy luận án

khảo sát rung động của máy theo trục X (theo phương thẳng đứng).

Các thông số đầu vào để khảo sát rung động của máy như sau:

C1y - Độ cứng theo phương thẳng đứng y của hệ thống, tính theo tài liệu

kỹ thuật của máy ta có: C1y= 200N.m;

C2y- Độ cứng của lò xo theo phương thẳng đứng của hệ thống theo tài

liệu kỹ thuật của máy ta có C2y= 50N.m;

R - Bán kính của đĩa thép lắp dao cắt đất, R = 0,08 (m);

L - Chiều dài của dao, L = 0,07 (m);

md - Khối lượng của dao cắt, m1 = 50 g;

ω - Vận tốc góc của trục đĩa lắp đĩa thép = 125 rad/s;

L1= 13cm , a=10cm , L3=17cm , L2= 27cm

Trọng lượng của toàn bộ máy Mm =9,5kG

k - Số dao cắt k = 2;

n - Số vòng quay của đĩa thép lắp dao cắt n = 1.200 (v/p).

Tần số va đập được tính như sau:

(1/s)

Chu kỳ va đập được tính như sau:

(s)

Lực kích động gây rung tính theo công thức (2.63), dạng kích động theo quy

luật trên hình 2.9, trong quá trình khảo sát lực kích động lấy ở giá trị nhất định.

3.2.2. Giải và mô phỏng phương trình vi phân dao động của hệ thống cắt đất

Sau khi lập được hệ phương trình vi phân mô tả dao động của hệ thống cắt đất, luận án tiến hành mô phỏng dao động của máy với sự hỗ trợ của phần mềm Matlab – Simulink.

(3.6)

Từ hệ phương trình vi phân dao động của máy cắt kéo văng đất:

Ta đưa về dạng :

(3.7)

Để giải được hệ (3.7) trước hết ta phải tính được xung lượng kéo văng đất (theo 2.30)

(3.8)

Giải hệ phương trình chuyển động của đĩa-búa (3.1), sau đó tính xung lượng va chạm trung bình theo (2.54)

(3.9)

Tính (theo 2.52)

(3.10)

Tính tổng hợp lực của búa tác động lên trục đĩa:

Tính các hệ số Fourier :

, với ,

Xác định được hàm

Từ đó có được các lực suy rộng

, .

Việc giải (3.7) được thực hiện trên Matlab. Hình 3.5 trình bày sơ đồ khối khảo sát hệ phương trình vi phân dao

động của hệ thống cắt đất dạng búa.

Hình 3.5. Sơ đồ khối mô phỏng phương trình vi phân dao động của hệ thống cắt đất

Sau khi mô phỏng tổng quát phương trình vi phân và theo rung động

của máy với sự trợ giúp của máy vi tính và phần mềm Matlab - Simulink luận

án đã thu được các kết quả thể hiện các giá trị như các đồ thị sau:

a) Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt đến gia tốc rung động của máy Luận án tiến hành khảo sát với tham số đầu vào khi thay đổi vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt ɷ1 = 125 rad/s, ɷ2 = 165rad/s, ɷ3 = 205rad/s, kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.6; 3.7; 3.8.

Hình 3.6: Gia tốc rung động của máy ứng với ɷ1= 125 rad/s

Hình 3.7: Gia tốc rung động của máy ứng với ɷ2= 165rad/s

Hình 3.8: Gia tốc rung động của máy ứng với ɷ3= 205rad/s

Từ những kết quả khảo sát thu được luận án đưa ra một số nhận xét sau: - Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất có dạng tuần hoàn, phụ thuộc

vào vận tốc góc của đãi thép lắp dao cắt đất

- Gia tốc rung động lớn hơn gia tốc rung động cho phép của máy, gia tốc rung động này ảnh hưởng đến kết cấu và độ bền của các chi tiết trong hệ thống cắt đất, đồng thời ảnh hưởng đến dao động của máy.

- Khi vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt đất ɷ1= 125 rad/s, thi gia tốc rung động của hệ thống lớn, khi vận tốc góc ɷ2= 165rad/s, thì gia tốc rung động của hệ thống nhỏ, khi tăng vận tốc góc của đĩa thép lên ɷ3= 205rad/s, thì gia tốc độ rung động của máy lại tăng lên nguyên nhân khi vận tốc góc nhỏ xung lực tại chốt lắp dao cắt (điểm O1) lớn, từ đó tác động lên hệ thống làm cho gia tốc rung của hệ thống lớn, khi vận tốc góc của đĩa thép đạt giá trị nhất định thì xung lực tại chốt lắp dao cắt nhỏ, từ đó làm cho gia tốc rung của hệ thống giảm đi. Khi vận tốc góc lớn thì xung lực va chạm lớn, lực cắt lớn, lực khích động gây rung lớn, dẫn đến gia tốc rung động lớn.

b) Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng lò xo giảm rung C1 đến gia tốc rung động của máy Luận án tiến hành khảo sát khi thay đổi đầu vào của chương trình mô phỏng với sự thay đổi độ cứng của lò xo giảm rung C1 = 200 N/m; C1 =300 N/m; C1=400N/m, C2 lấy giá trị cố định C2 = 50 N/m, kết quả mô phỏng được đồ thị hình 3.9; 3.10; 3.11.

Hình 3.9: Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ứng với

độ cứng lò xo giảm chấn C1 = 200N/m

Hình 3.10: Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ứng với

độ cứng lò xo giảm chấn C1 = 300N/m

Hình 3.11: Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ứng với

độ cứng lò xo giảm chấn C1 = 400N/m

Từ kết quả khảo sát thu được có nhận xét sau:

Gia tốc rung động của máy phục thuộc vào độ cứng của lò xo giảm

chấn liên kết giữa máy và tay cầm, khi độ cứng của lò xo C1 = 300N/m thì gia

tốc rung động là nhỏ nhất, kết quả khảo sát này là cơ sở khoa học để đưa ra

giải pháp chống rung động cho hệ thống cắt đất.

c) Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng C1 đến biên độ dao động của trục đĩa

thép lắp dao cắt đất

Bài toán khảo sát khi cho giá trị độ cứng C1 thay đổi, xác định được

các trị tương ứng về biên độ dao động cực đại theo phương thẳng đứng của

trục đĩa thép lắp dao cắt và phản lực tác dụng cực đại lên tay cầm trên của

máy cắt đất, các trị tương ứng này được ghi trên bảng 3.2. Kết quả khảo sát

được thể hiện trên hình 3.12 và 3.13

Độ cứng C1 ( kN/m)

Biên độ cực đại theo phương đứng của trục đĩa (mm) 13.8 Phản lực cực đại lên tay cầm trên của máy (kG) 116.9 200

250 11.3 120.3

300 9.4 119.4

350 7.7 114.9

400 6.6 112.6

450 5.9 112.8

500 5.5 116.0

550 4.8 113.2

600 4.5 113.6

650 4.1 112.5

700 3.8 111.8

750 3.5 111.8

800 3.3 112.0

850 3.1 111.1

Hình 3.12. Đồ thị ảnh hưởng của độ cứng C1 đến biên độ dao động cực

đại theo phương đứng của trục đĩa

Hình 3.13. Đồ thị ảnh hưởng của độ cứng C1 đến phản lực cực đại trên

tay cầm trên của máy

3.2.3. Giải pháp giảm rung cho hệ thống cắt đất

Đối với nguồn động lực đã được nghiên cứu tương đối hoàn thiện về cân

bằng máy, trong lượng máy, kết cấu của hệ thống giảm rung, do vậy ở phần

này luận án chỉ đề cập đến các giải pháp giảm rung do lực kích động gây ra

khi cắt đất. Để cho máy cắt đất có gia tốc rung nằm trong giá trị cho phép, đề

tài đề xuất giải pháp giảm rung là tiêu tán năng lượng trong môi trường cản,

bằng cách bổ sung thêm vào bộ phận giảm rung của hệ thống một phần tử

giảm rung có độ cứng được xác định bằng thực nghiệm hoặc bằng mô phỏng

lý thuyết C1= 300N/m, bộ phận giảm rung mới có thể sử dụng lò xo thép hoặc

đệm cao su. Để có S01 nhỏ nhất cần giảm ma sát ở chốt quay O1 của dao cắt

đất. Giải pháp này có tác dụng làm giảm được biên độ rung và lực quán tính

(hay gia tốc rung).

3.3. Khảo sát thông số ảnh hưởng đến vận tốc và áp lực của quạt hút và

phun đất

3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến vận tốc của quạt hút

và phun đất

Để tìm qui luật ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 đến vận tốc của

quạt hút, luận án tiến hành khảo sát phương trình (2.73). Phương pháp khảo

sát sử dụng phần mềm phần mềm Matlab – Simulink, thông số đầu vào cho

khảo sát gồm có: r1 = 10cm; r2 = 4cm, kết quả khảo sát được thể hiện trên hình

3.14.

Hình 3.14: Ảnh hưởng của góc β2 đến vận tốc của quạt hút và phun đất

Nhận xét: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra của quạt hút ở dạng phi

tuyến, với góc lắp ráp đầu ra β2 = 100-125 độ thì vận tốc tuyệt đối của không

khí đầu ra là lớn nhất, kết quả khảo sát này là cơ sở để xác định thông số hợp

lý của góc β2 khi thiết kế chế tạo quạt hút và phun đất chữa cháy rừng.

3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến áp lực phun của quạt

hút

Để xác định ảnh hưởng của góc β2 đến áp lực của quạt hút và phun đất,

luận án tiến hành khảo sát công thức (2.76). Phương pháp khảo sát sử dụng

phầm mềm phần mềm Matlab – Simulink, thông số đầu vào cho khảo sát gồm

có: r1 = 10cm; r2 = 4cm, kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.15.

Hình 3.15: Ảnh hưởng của góc β2 đến áp lực quạt hút, phun đất

Từ kết quả khảo sát thu được luận án có nhận xét sau:

- Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến áp lực của quạt hút là quan hệ

phi tuyến, khi góc lắp ráp đầu ra β2 thay đổi từ 100 - 125 độ cho áp lực hút và

phun là lớn nhất.

- Kết quả khảo sát trên là cơ sở khoa học để lựa chọn thông số hợp lý

của góc lắp ráp đầu ra khi tính toán thiết kế chế tạo quạt hút, phun đất cắt

chữa cháy rừng.

3.4. Xác định một số thông số hợp lý của máy chữa cháy rừng bằng đất cát

Từ kết quả tính toán thu được trong chương 2 và kết quả khảo sát thu

được trong chương 3, luận án tiến hành xác định một số thông số kỹ thuật

của máy chữa cháy rừng bằng đất cát để làm cơ sở cho công việc tính toán tối

ưu một số thông số của máy trong chương 4.

100

Căn cứ vào kết quả khảo sát thu được luận án tiến hành xác định một số

thông số hợp lý của máy cần phải nghiên cứu tính toán tối ưu như sau:

- Bán kính đĩa thép lắp dao cắt: Căn cứ vào kết quả khảo sát công suất cắt-

kéo văng đất hình 3.1, cho thấy để thỏa mãn yêu cầu về công suất động cơ của máy

thì bán kính đĩa thép lắp dao cắt hợp lý trong khoảng R = (7-8) cm;

- Chiều dài dao cắt hợp lý: Theo kết quả khảo sát trên hình 3.2 thì chiều

dài dao cắt hợp lý nhất khi l = 6 - 8cm, khi đó trọng lượng động cơ nhỏ;

- Mật độ khối lượng dao cắt hợp lý : Mật độ khối lượng dao cắt càng

lớn thì xung lượng va đập càng lớn, dẫn đến lực cắt càng lớn, song rung động

của máy lớn, để thỏa mãn yêu cầu về lực cắt và rung động thì mật độ khối

lượng dao cắt lấy khoảng ρ = 70 10-3kg/m;

- Vận tốc góc của đĩa thép: Theo kết quả khảo sát cho thấy vận tốc góc

nhỏ rung động lớn, vận tốc góc lớn cũng rung động lớn, vận tốc góc hợp lý

ɷ = 165rad/s;

- Độ cứng của lò xo giảm rung: Căn cứ vào kết quả khảo sát cho thấy

độ cứng hợp lý nhất C1 = 300 N/m cho gia tốc rung động nhỏ nhất;

- Góc lắp ráp đầu ra β2 hợp lý: Theo kết quả khảo sát hình 3.14; 3.15 thì

góc lắp ráp đầu ra hợp lý nhất β2 từ 100- 125 độ.

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 ảnh hưởng của bán kính đĩa thép lắp dao cắt, chiều dài

dao cắt, khối lượng dao cắt đất, vận tốc góc của đĩa thép đến công suất cắt -

kéo văng đất, kết quả khảo sát là cơ sở khoa học để tính toán xác định giá trị

hợp lý của chiều dài dao cắt, bán kính đĩa thép lắp dao cắt, vận tốc góc của

đĩa thép.

101

2. Đã khảo sát hệ phương trình vi phân rung động của hệ thống cắt đất,

kết quả khảo sát cho thấy gia tốc rung động của máy lớn hơn rung động cho

phép, từ kết quả khảo sát đã đưa ra giải pháp giảm rung động của máy bằng

cách lắp thêm phần tử giảm rung mới, độ cứng của phần tử giảm rung mới

được xác định theo kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

3. Đã tiến hành khảo ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra của quạt hút và

phun đất đến vận tốc và áp lực của quạt, kết quả khảo sát là cơ sở khoa học

cho việc tính toán thông số tối ưu của quạt hút và phun đất sử dụng cho máy

hút và phun đất cát chữa cháy rừng.

4. Luận án đã xác định được một số thông số hợp lý của máy chữa cháy

rừng bằng đất cắt đó là: Bán kính đĩa thép lắp dao cắt hợp lý trong khoảng

R = (7-8) cm, chiều dài dao cắt hợp lý nhất khi l = 6 - 8cm, vận tốc góc của

đĩa thép ɷ = 165 rad/s, độ cứng của lò xo giảm rung C1 = 300 N.m, góc lắp

ráp đầu ra hợp lý nhất β2 từ 100- 125 độ, kết quả này là sơ cở khoa học cho

tính toán tối ưu và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng đất cát.

102

Chương 4

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH TÍNH

TOÁN LÝ THUYẾT VÀ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU

CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT

Xuất phát từ lý do trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với

4.1. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm Luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với các lý do sau: Thứ nhất: Máy chữa cháy rừng bằng đất cát là một thiết bị gồm hai máy tích hợp lại, điều kiện làm việc của máy phức tạp, việc nghiên cứu lý thuyết tính toán tối ưu máy này bằng lý thuyết là khó khăn, nên luận án lựa chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác định các thông số tối ưu của máy này. Thứ hai: Trong quá trình hút đất có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hút đất, mà bài toán lý thuyết chưa đề cập đến, nên việc tính toán tối ưu quá trình hút đất là rất khó khăn. Do vậy luận án xác định giá trị tối ưu của hệ thống hút đất bằng thực nghiệm. Thứ ba: Trong quá trình phun đất vào đám cháy rất phức tạp có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phun đất, để nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình hút và phun cần nghiên cứu thực nghiệm để xác định thông số tối ưu của quạt gió cao áp. Thứ tư: Trong chương 2 đã xây dựng được mô hình tính toán hệ thống cắt đất, tính toán rung động của máy cắt đất, tính toán vận tốc và áp lực của quạt hút và phun đất, để đánh giá, kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết đã lập ở chương 2 thì cần thiết phải có nghiên cứu thực nghiệm. mục tiêu và nhiệm vụ sau:

4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Xác định được ảnh hưởng của một số thông số của hệ thống cắt đất đến công suất cắt - kéo văng đất, rung động của máy đào đất, ảnh hưởng của thông số quạt hút áp đến khối lượng đất phun và áp lực đất phun vào đám cháy, từ đó kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết đã lập trong chương 2 và giải bài toán tối ưu xác định được một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát.

103

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu trên nghiên cứu thực nghiệm phải

- Xác định công suất cắt - kéo văng đất, rung động của máy cắt đất; - Xác định vận tốc dòng khí và áp lực quạt hút, phun; - Xác định ảnh hưởng của đường kính đĩa thép của hệ thống cắt đất đến

- Xác định ảnh hưởng của chiều dài dao cắt đến khối lượng và áp lực đất phun; - Xác định ảnh hưởng của góc lắp đầu ra β2 của quạt gió đến khối lượng

- Xác định ảnh hưởng của số lượng cánh quạt gió cao áp đến khối

4.1.2. Nhiệm vụ nghiên cứu thực hiện các nhiệm vụ sau: khối lượng và áp lực đất phun; và áp lực đất phun; lượng và áp lực đất phun. - Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận án thiết lập được hàm hồi qui, sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu để xác định giá trị một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát.

4.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm

Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm là máy chữa cháy rừng bằng đất cát do đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/60-10 thiết kế chế tạo và được Công ty cổ phần thiết bị chuyên dùng Việt Nam sản xuất thương mại hóa. Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm được thể hiện trên hình 4.1.

Hình 4.1: Thí bị nghiên cứu thực nghiệm

104

Hệ thống

Trục lắp đĩa thép

Động cơ cưa xăng

Đầu do mô men T4

cắt đất

lắp dao cắt đất

4.3. Phương pháp xác định các đại lượng nghiên cứu 4.3.1. Phương pháp xác định công suất cắt - kéo văng đất

Thiết bị ghi

Bộ khuếch đại

( máy tính)

Spider -8

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

(4.1)

(4.2)

Mô men cắt được xác định như sau: Mc = MT - M0 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.

Bộ phận chuyển

Bộ phận khuếch đại

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

đổi tín hiệu đo

Spider - 8

Thiết bị ghi (máy tính và phần mềm Spider - 8 Control)

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,

105

URR

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

106

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

Hình 4.6: Đầu đo gia tốc được lắp trên máy cắt đất

107

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:

(4.3)

4.3.3. Phương pháp xác định áp lực đất phun

Bộ nhớ

Chuyển đổi

Chỉ thị

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....

điện - điện

Chuyển đổi A/D

Máy tính

Chuyển đổi không điện bằng điện

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:

108

Hình 4.8: Sơ đồ đo áp lực của đất phun vào đám cháy

1- Đất rừng 6- Ống hút đất 111- Đất phun vào đầu đo lực

2- Đĩa thép 7- Quạt hút và phun 112- Đầu đo lực

3- Dao cắt đất 8- Ống phun đất 113 - Thiết bị khuếch đại

4- Bao che 9- Buồng hút 14- Máy vi tính

5- Đất sau cắt 10- Ống hút

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.

109

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.

Hình 4.9: Thiết bị DMC Plus

110

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 cánh quạt hút, đĩa thép lắp dao cắt đất, chuẩn bị hệ thống cắt đất,

- 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. 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/cm2

- Thiết 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

111

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

112

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:

Trong đó: - trị số trung bình mẫu tổng thể;

S - tiêu chuẩn mẫu; - mức ý nghĩa;

 = 0,05 ; 1 -  = 0,95 tra bảng

113

Nếu gọi  là sai số tuyệt đối của ước lượng, ta có:

Dung lượng mẫu cần thiết là: (4.4)

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:

(4.5)

j - bước nhảy; Trong đó: t - số gia thời gian;

N - số số liệu ; i - số hạng tương ứng .

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

114

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

Công suất cắt - kéo văng đất (KW)

Thực nghiệm Sai số (%) Lý thuyết Bán kính đĩa thép (cm)

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

115

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

Sai số (%)

Gia tốc rung động cực đại xác định bằng thực nghiệm (m/s2)

Bán kính đĩa thép lắp dao cắt đất (cm) 6 Gia tốc rung động cực đại tính theo mô phỏng lý thuyết (m/s2) 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 mô hình tính toán 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

Quá trình xác định các thông 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 toán

116

hệ thống cắt đất ở dạng búa và cơ sở tính toán 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 công cụ toán học giữ vai trò

tích cực. Cơ sở toán 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 không khí và đất cát phun vào đán cháy cũng ảnh hưởng đến hiệu

quả và năng suất dập lửa, vận tốc không khí và đất cát lớn thì áp lực phun lớn, vận

tốc không khí và đất cát tỷ lệ thuận với áp lực của đất cát và không 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

117

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 thông số của hệ thống cắt đất

+ Đường kính động học của đĩa thép lắp dao cắt: Theo kết quả thí nghiệm

thăm dò 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

công 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 thông số về góc cắt của dao cắt bao gồm: Góc sau α; góc mài β;

góc cắt  ; bề rộng br. Trong các thông số trên thì góc mài càng nhỏ càng tốt

nhưng độ cứng vững thấp, thông thường góc mài β lấy bằng 200. Bề rộng dao

118

cắt lớn thì năng suất cao, như chi phí năng lượng lớn, bề rộng lấy ở một giá trị

nhất định. Góc cắt  ảnh hưởng đến quá trình cắt đất, trong quá trình cắt góc

cắt luôn thay đổi do vậy góc cắt  lấy ở giá trị nhất định.

- Nhóm yếu tố thuộc về thông 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 lực phun và khối lượng đất phun, khi số lượng cánh nhiều thì va đập của đất vào cánh làm giảm năng suất hút và phun, tăng áp lực hút, áp lực phun. Ngược lại, khi số lượng cánh ít thì khối lượng đất hút nhiều nhưng áp lực hút thấp. Từ kết quả nghiên cứu thăm dò trên cho thấy số lượng cánh quạt là tham số cần nghiên cứu. + Đường kính trong D1 đường kính ngoài D2 của cánh quạt, bề rộng của cánh quạt, số vòng quay của cánh quạt là tham số ảnh hưởng đến khối lượng đất hút và phun, theo lý thuyết thì ảnh hưởng của các tham số trên là tuyết tính, nên trong tính toán thiết kế lấy ở giá trị hợp lý. Tóm lại: Qua phân tích ở trên, theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm luận án chọn 4 yếu tố chính có ảnh hưởng lớn nhất đến khối lượng và áp lực đất phun vào đám cháy để nghiên cứu là: Đường kính đĩa thép ký hiệu là D, đơn vị tính (cm); chiều dài dao cắt ký hiệu L đơn vị tính (cm); góc lắp đầu ra của cánh quạt gió cao áp ký hiệu β2 đơn bị tính (độ); số lượng cánh của quạt gió ký hiệu là Z. Miền biến thiên của các thông số này được xác định từ điều kiện kỹ thuật, từ kết quả nghiên cứu ở chương 2 và kết quả khảo sát trong chương 3.

4.5.2. Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm

4.5.2.1. Thí nghiệm thăm dò, xác định số lần lặp lại cho các thí nghiệm

a) Thí nghiệm thăm dò

Để kiểm tra đánh giá sai số của dụng cụ đo, kiểm tra qui luật ảnh hưởng

của đại lượng ra và xác định số lần lặp lại tối thiểu cho mỗi thí nghiệm, luận

119

án tiến hành thí nghiệm thăm dò. Thí nghiệm thăm dò thực hiện ở mức cơ sở

với số thí nghiệm n = (30 50).

Để kiểm tra số liệu đo được có tuân theo qui luật chuẩn hay không

chúng tôi sử dụng chỉ tiêu Person (2), chia các số đo được của đại lượng đầu

ra (Y1) thành a nhóm sao cho mỗi nhóm có từ 5 đại lượng đầu ra (Y1) trở lên,

số nhóm được tính theo công thức:

a= 1 + 3,2 .Lg n

Trong đó: a- Số nhóm cần chia; n- Số thí nghiệm thăm dò n = 30.

Cự li nhóm

Giá trị giữa của nhóm:

Số quan trắc của từng nhóm mi được tính theo công thức :

( i = 1,2,..., m)

Giá trị trung bình mẫu:

Phương sai mẫu (bình phương sai số tiêu chuẩn S2):

Tính xác suất lý thuyết của các đại lượng ngẫu nhiên rơi vào từng

nhóm:

(4.6) Pi = Ф(z2) - Ф(z1)

tr - Giá trị lớn của nhóm.

; ; (4.7)

d - Giá trị nhỏ của nhóm;Yi

Trong đó:Yi

Hàm chuẩn Laplace :

120

(4.8)

Để tính hàm chuẩn Laplace, thay z = z1 và z = z2 vào (4.8) rồi tra bảng

được các giá trị Ф(z1) và Ф(z2), thay vào công thức (4.6) tính được Pi . Dựa

(4.9)

vào công thức sau để tính chỉ tiêu Person như sau:

Tra bảng để xác định chỉ tiêu Person tra bảng với mức ý nghĩa q = 0,05,

số bậc tự do f = k-3 theo tài liệu [56].

Nếu thì các thông số ngẫu nhiên đầu vào tuân theo qui luật phân

bố chuẩn.

Nếu thì cần phải xem xét lại dụng cụ và phương pháp đo.

b) Xác định số lần lặp cho các thí nghiệm theo chỉ tiêu Students “t”

Việc xác định số lần lặp cho các thí nghiệm là cần thiết để đảm bảo mức

độ chính xác của luật phân bố chuẩn, đồng thời giảm bớt khối lượng thực

nghiệm. Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm được tính theo kết quả của thí nghiệm

thăm dò và theo công thức sau:

(4.10)

Trong đó: m- Số lần lặp;

τ - Tiêu chuẩn Student tra bảng với mức ý nghĩa φ=0,05; t =1,96.

ε% - Sai số tương đối, ≤5%;

- Giá trị trung bình mẫu.

S - Độ lệch chuẩn mẫu

4.5.2.2.Xác định mô hình toán học

Hàm mục tiêu được biểu thị bằng mô hình toán học là phương trình hồi

quy bậc 2 dạng tổng quát như sau [6]; [13].

121

(4.11)

Các hệ số: b0

bi = e. ; bij =g.

bii = c.

Trong đó: K - số yếu tố ảnh hưởng; b0, bi, bij, bii - hệ số hồi quy;

j = i + 1; N - số thí nghiệm; i - chỉ số của yếu tố.

4.5.2.3. Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai.

Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kohren.

(4.12)

m - phương sai lớn nhất trong tổng số thí nghiệm;

Trong đó: S2

u - phương sai thực nghiệm thứ u với số lần lặp lại mu.

(4.13)

Trong đó: mu - số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm thứ u;

- giá trị của thông số ra ở điểm u;

- giá trị trung bình thông số ra tại điểm u.

(4.14)

Thay công thức (4.13); (4.14) vào (4.12), xác định được giá trị Kohren

theo tính toán Gtt, so sánh với giá trị Kohren tra bảng Gb.

122

Nếu Gtt < Gb thì giả thiết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm,

phương sai ở các thí nghiệm coi là đồng nhất cường độ nhiễu là ổn định khi

thay đổi các thông số thí nghiệm.

4.5.2.4. Kiểm tra giá trị có nghĩa của hệ số hồi quy

Các hệ số hồi quy b0; bi; bij; bii của phương trình (4.11) được kiểm tra

mức ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student: Ti = bi / Sbi.

Trong đó: Sbi - phương sai của hệ số hồi qui, các hệ số chỉ có nghĩa khi Ti >

Tb, trong đó Tb giá trị tra bảng theo tiêu chuẩn Student.

4.5.2.5. Kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi quy

Sau khi kiểm tra giá trị có ý nghĩa của hệ số hồi quy ta được phương

trình hồi quy thực nghiệm và chúng cần phải được kiểm tra theo tiêu chuẩn

Fisher:

(4.15)

Trong đó: S2 - phương sai tuyển chọn được tính theo công thức sau:

S2 =

- phương sai do nhiễu tạo nên và xác định theo công thức:

Sau khi xác định được tiêu chuẩn Fisher theo công thức (4.15) so sánh giá

trị tra bảng Fb, nếu Ftt < Fb, thì mô hình tương thích và ngược lại mô hình không

tương thích.

4.5.2.6. Kiểm tra khả năng làm việc của mô hình hồi quy

Mô hình hồi quy được xây dựng nhằm mục đích dự báo giá trị hàm Y tại các toạ độ được quan sát, phép kiểm tra để khẳng định mô hình có thực sự phản ánh ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm mục tiêu hay không. Mô hình có khả năng làm việc khi giá trị dự báo Y ở toạ độ nào đó là chính xác có sai số nhỏ hơn ít nhất hai lần so với việc gán cho toạ độ đó có giá trị trung bình

tính theo toàn bộ thí nghiệm.

123

Để đánh giá khả năng làm việc của mô hình dùng hệ số đơn định (R2)

và được tính theo công thức:

(4.16)

Mô hình có khả năng làm việc khi R2  0,75.

4.5.2.7. Chuyển phương trình hồi quy về dạng thực

Để mô tả sự ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến chỉ tiêu nghiên

cứu cần đưa phương trình hồi qui về dạng thực với các biến là các thông số

tự nhiên có thứ nguyên.

Y = a0 +

Các hệ số hồi qui a0; ai; aji được xác định theo hệ số hồi qui dạng mã

; a0 = b0-

i  j ; (i  j ) aj =

Xi - là giá trị thực của tham số đầu vào.

4.5.3. Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố

Mục đích của việc nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố là phân tích ảnh

hưởng của từng yếu tố đến hàm mục tiêu, trên cơ sở xác định được miền biến

thiên của tham số đầu vào cho thí nghiệm đa yếu tố. Sau khi công tác chuẩn bị

hoàn tất chúng tôi tiến hành 30 thí nghiệm thăm dò, xác định được tiêu chuẩn

tt = 3,87 nhỏ hơn tiêu chuẩn Person tra bảng (2

b = 9,49), các số liệu

Person 2

của thí nghiệm tuân theo luật phân bố chuẩn, thay số vào công thức (4.10),

xác định được số lần lặp lại cho mỗi thí nghiệm m = 2,85 lấy m =3.

124

4.5.3.1. Ảnh hưởng của đường kính đĩa thép D đến khối lượng đất phun

Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu được ghi ở bảng 4.3.

Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của đường kính đĩa thép D

đến khối lượng đất phun

Khối lượng đất phun Q (kg/phút) Đường kính đĩa thép TT D (cm) Lần 1 Lần 2 Lần 3

1 10 1,52 1,45 1,34

2 12 1,74 1,64 1,97

3 14 1,96 1,83 1,75

4 16 2,12 1,95 1,92

5 18 1,83 1,74 1,83

Sử dụng phần mềm và chương trình xử lý số liệu thực nghiệm nhận

được kết quả sau:

- Mô hình hồi qui: Q = -2,242+ 0,547D -0,018D2 (4.17)

Giá trị tính toán tiêu chuẩn Kokhren theo (4.12), Gtt = 0,46 giá trị tính

toán tiêu chuẩn Fisher theo ( 4.15) là Ftt =2,6.

- Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai: Giá trị Kokhren tra bảng VIII

13, với  = 0,05; Gb =0,6644, so sánh với giá trị Kokhren theo tính toán

ta có: Gtt = 0,46< Gb =0,6644, phương sai của thí nghiệm coi là đồng nhất.

- Kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi qui: Giá trị tiêu chuẩn Fisher

tra bảng VI 13 với mức độ chính xác của nghiên cứu là 0,05; Fb = 19,39; so

sánh với giá trị Fisher tính toán ta có: Ftt = 2,6.< Fb = 19,39 mô hình hồi qui là

tương thích.

Từ kết quả hàm tương quan (4.17) xây dựng được đồ thị ảnh hưởng của

đường kính đĩa thép đến khối lượng đất phun trên hình 4.14.

125

Hình 4.14. Ảnh hưởng của đường kính đĩa thép đến khối lượng đất phun

4.5.3.2. Ảnh hưởng của đường kính đĩa thép D đến áp lực phun

Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu được ghi ở bảng 4.4.

Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của đường kính đĩa thép D

đến áp lực phun

TT Đường kính đĩa thép Áp lực đất phun P (N)

D (cm) Lần 1 Lần 2 Lần 3

1 2 10 12 15,9 13,6 15,2 13,1 15,1 13,9

3 4 5 14 16 18 11,2 12,9 14,5 11,5 12,2 14,6 11,8 12,3 14,9

Sử dụng phần mềm và chương trình xử lý số liệu qui hoạch thực nghiệm

nhận được kết quả sau:

- Mô hình hồi qui: P=52,663 - 5,693D+ 0,199D2 (4.18)

Giá trị tính toán tiêu chuẩn Kokhren theo (4.12): Gtt = 0,3

Giá trị tính toán tiêu chuẩn Fisher theo (4.15): Ftt = 2,16.

126

-Tương tự như phần trên kiểm tra tính đồng nhất của phương sai Gtt = 0,3

< Gb =0,665. Phương sai của thí nghiệm coi là đồng nhất. Kiểm tra tính tương

thích của mô hình Ftt < Fb mô hình (4.18) coi là tương thích.

Từ kết quả hàm hồi qui (4.18) xây dựng được đồ thị ảnh hưởng của

đường kính đĩa thép đến áp lực đất phun (hình 4.15).

Hình 4.15. Ảnh hưởng của đường kính đĩa thép đến áp lực đất phun

4.5.3.3.Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt L đến khối lượng phun

Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu được ghi ở bảng 4.5.

Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của chiều dài dao cắt L

đến hối lượng đất phun

1 2 3 4 5 Chiều dài dao cắt L (cm) 4 5 6 7 8 Khối lượng đất phun Q (kg/phút) Lần 1 1,25 1,57 1,86 1,81 1,62 Lần 2 1,31 1,61 1,81 1,85 1,64 Lần 3 1,36 1,62 1,75 1,72 1,69

Sử dụng các phần mềm, chương trình xử lý số liệu qui hoạch thực

nghiệm nhận được kết quả sau:

- Mô hình hồi qui: Q= -1,552+ 1,025L - 0,078L2 (4.19)

Giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Kokhren: Gtt = 0,35.

127

Giá trị tính toán tiêu chuẩn Fisher: Ftt = 5,55.

- Thực hiện các biện pháp kiểm tra: tương tự như ở phần trên Gtt = 0,35

nhỏ hơn giá trị tra bảng Gb = 0,66; Ftt = 5,55< Fb =19,39, phương sai của các

thí nghiệm đồng nhất, mô hình (4.19) coi là tương thích.

Từ kết quả hàm tương quan (4.7), xây dựng được đồ thị ảnh hưởng của

chiều dài dao cắt đến hàm mục tiêu (hình 4.16).

Hình 4.16. Ảnh hưởng chiều dài dao cắt đến khối lượng đất phun

4.5.3.4.. Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt L đến áp lực phun

Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu được ghi ở bảng 4.6.

Bảng 4.6: Kết quả thí nghiệm Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt L

đến áp lực phun

1 2 3 4 5 Chiề dài dao cắt L (cm) 4 5 6 7 8 Áp lực đất phun P (N) Lần 2 15,2 12 9,5 14,2 14,8 Lần 1 14,2 13,1 11 14 14,1 Lần 3 14,1 12,5 10,6 12,5 14,4

Sử dụng các phần mềm, chương trình xử lý số liệu qui hoạch thực

nghiệm nhận được kết quả sau:

128

- Mô hình hồi qui: P= 39,335 -9,367L+ 0,788L2 (4.20)

Giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Kokhren: Gtt = 0,38.

Giá trị tính toán tiêu chuẩn fisher: Ftt = 3,27.

Có Fb = F(0.05, n-m-1, n(r-1)) = F(0.05, 2 , 10) = 4.102 ;

- Thực hiện các biện pháp kiểm tra: Tương tự như kiểm tra ở phần trên ta có

Gtt < Gb; Ftt < Fb, mô hình (4.20) tương thích, phương sai của thí nghiệm đồng nhất.

Từ kết quả hàm tương quan (4.20) ta xây dựng được đồ thị ảnh hưởng

của chiều dài dao cắt đến áp lực phun (hình 4.17).

Hình 4.17. Ảnh hưởng của chiều dài dao cắt đến áp lực phun

4.5.3.5. Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra của cánh quạt β2 đến khối lượng đất phun

Kết quả thí nghiệm sau khi xử lý được ghi ở bảng 4.7.

Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2

đến khối lượng đất phun

TT Góc lắp ráp đầu ra Khối lượng đất phun Q (kg/phút)

β2 (độ) Lần 1 Lần 2 Lần 3

1 90 1,65 1,61 1,66

2 95 1,73 1,77 1,71

3 100 1,98 2,12 2,17

4 105 1,88 1,85 1,72

5 110 1,61 1,69 1,63

129

Sử dụng phần mềm và chương trình xử lý số liệu thực nghiệm nhận

được kết quả sau:

- Mô hình hồi qui: Q =-31,555+ 0,668β2 -0,003 β2

2

(4.21)

Giá trị tính toán tiêu chuẩn Kokhren theo (4.12), Gtt = 0,67, giá trị tính

toán tiêu chuẩn Fisher theo (4.15) là Ftt = 2,437.

- Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai: giá trị Kokhren tra bảng VIII

13, với  = 0,05; Gb =0,6644, so sánh với giá trị Kokhren theo tính toán

ta có: Gtt = 0,67< Gb =0,6644, phương sai của thí nghiệm coi là đồng nhất.

- Kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi qui: Giá trị tiêu chuẩn

Fisher tra bảng VI 13 với mức độ chính xác của nghiên cứu là 0,05; Fb =4,1;

so sánh với giá trị Fisher tính toán ta có: Ftt =2,437< Fb =4,1 mô hình hồi qui

là tương thích.

Từ kết quả hàm tương quan (4.21) xây dựng được đồ thị ảnh hưởng của

góc lắp ráp đầu ra đến khối lượng đất phun hình 4.18.

Hình 4.18. Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến khối lượng đất phun

4.5.3.6. Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra của cánh quạt β2 đến áp lực đất phun

Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu ghi ở bảng 4.8

130

Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2

đến áp lực đất phun

1 2 3 4 5 Góc lắp ráp đầu ra β2 (độ) 90 95 100 105 110 Áp lực đất phun P (N) Lần 2 13,8 15,2 19 15 15,3 Lần 1 12 14 18 16 14 Lần 3 11,5 14,5 18,5 15,9 14

Sử dụng phần mềm và chương trình xử lý số liệu qui hoạch thực nghiệm

nhận được kết quả sau:

- Mô hình hồi qui: P = -377,858 + 7,797β2 -0,038 β2

2

(4.22)

Giá trị tính toán tiêu chuẩn Kokhren theo (4.12): Gtt = 0,49,

Giá trị tính toán tiêu chuẩn Fisher theo (4.15): Ftt = 3,53.

- Tương tự như phần trên kiểm tra tính đồng nhất của phương sai Gtt=0,49 <

Gb =0,665. Phương sai của thí nghiệm coi là đồng nhất. Kiểm tra tính tương thích

của mô hình Ftt < Fb = 4,102 mô hình (4.22) coi là tương thích.

Từ kết quả hàm hồi qui (4.22) xây dựng được đồ thị ảnh hưởng của góc

lắp ráp đầu ra đến áp lực đất phun (hình 4.19).

Hình 4.19. Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 đến áp lực đất phun

131

4.5.3.7.Ảnh hưởng của số lượng cánh quạt gió z đến khối lượng đất phun

Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu được ghi ở bảng 4.9.

Bảng 4.9: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của số lượng cánh của quạt gió đến khối lượng đất phun

TT Số lượng cánh của quạt Khối lượng đất phun Q (kg/phút)

gió Z Lần 1 Lần 2 Lần 3

1 14 1,41 1,39 1,34

2 16 1,81 1,89 1,79

3 18 2,05 2,14 2.11

4 20 1,91 1,89 1,97

5 22 1,79 1,81 1,72

Sử dụng các phần mềm, chương trình xử lý số liệu qui hoạch thực

nghiệm nhận được kết quả sau:

(4.23)

- Mô hình hồi qui: Q= -8,283+ 1,103Z -0,029Z2 Giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Kokhren: Gtt = 0,275. Giá trị tính toán tiêu chuẩn Fisher: Ftt = 2,974. - Thực hiện các biện pháp kiểm tra: tương tự như ở phần trên Gtt = 0,275 nhỏ hơn giá trị tra bảng Gb = 0,66; Ftt = 2,974 < Fb =4,102 , phương sai của các thí nghiệm đồng nhất, mô hình (4.23) coi là tương thích.

Từ kết quả hàm tương quan (4.23), xây dựng được đồ thị ảnh hưởng của

số lượng cách đến hàm mục tiêu (hình 4.20).

Hình 4.20.Ảnh hưởng số lượng cánh Z đến khối lượng đất phun

132

4.5.3.8. Ảnh hưởng của số lượng cánh của quạt gió đến áp lực đất phun

Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu được ghi ở bảng 4.10.

Bảng 4.10: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của số lượng cánh Z của quạt gió đến áp lực phun

TT Số lượng cánh của quạt Áp lực đất phun P (N)

gió Z Lần 1 Lần 2 Lần 3

11 1 14 11,4 12

15,2 2 16 15,9 15,6

19,9 3 18 19,1 19,4

18,3 4 20 18,7 18,8

17,1 5 22 17,8 17,4

Sử dụng các phần mềm, chương trình xử lý số liệu qui hoạch thực

nghiệm nhận được kết quả sau:

- Mô hình hồi qui: P= -83,299+ 10,584Z -0,273Z2 (4.24) Giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Kokhren: Gtt = 0,34. Giá trị tính toán tiêu chuẩn fisher: Ftt = 3,977. - Thực hiện các biện pháp kiểm tra: Tương tự như kiểm tra ở phần trên ta có Gtt < Gb =0,6638 ; Ftt < Fb = 4,102 , mô hình (4.24) tương thích, phương sai của thí nghiệm đồng nhất.

Từ kết quả hàm tương quan (4.24) ta xây dựng được đồ thị ảnh hưởng

của số lượng cánh quạt đến hàm áp lực đất phun (hình 4.21).

Hình 4.21. Ảnh hưởng của số lượng cánh quạt đến áp lực đất phun

133

Kết luận: Từ kết quả thực nghiệm đơn yếu tố nhận được ở trên có một số

kết luận sau:

- Ảnh hưởng của các tham số D; L; β2, Z đến các chỉ tiêu là rõ nét.

- Từ các hàm hồi qui và các đồ thị nhận được cho thấy tương quan hàm

số giữa các tham số ảnh hưởng với các chỉ tiêu dạng phi tuyến.

- Từ kết quả thu được ở trên là căn cứ để chọn miền biến thiên của các

tham số ảnh hưởng trong thí nghiệm đa yếu tố.

4.5.4. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố

Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho chúng ta thấy ảnh hưởng của từng

tham số vào hàm mục tiêu chủ yếu là phi tuyến, luận án không tiến hành qui

hoạch thực nghiệm bậc nhất mà thực hiện qui hoạch thực nghiệm bậc hai, các

bước thực nghiệm đa yếu tố được tiến hành như sau:

4.5.4.1. Chọn vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của thông số đầu vào

Từ kết quả thực nghiệm đơn yếu tố, chúng tôi chọn miền biến thiên của

thông số đầu vào như sau:

- Đối với đường kính đĩa thép D: Từ phương trình hồi qui (4.17), (4.18)

và đồ thị hình 4.14; 4.15 nhận thấy đường kính tăng từ 10cm-16cm thì khối

lượng đất phun tăng, khi tăng lên 18cm thì khối lượng đất phun giảm. khi

đường kính tăng từ 10cm đến 14cm thì áp lực giảm đi, khi đường kính tăng từ

14cm đến 18cm thì áp lực đất phun tăng lên. Từ kết quả nghiên cứu thu được

luận án chọn khoảng biến thiên của đường kính đĩa thép là: 12cm đến 18cm.

- Đối với chiều dài dao cắt L: Từ phương trình hồi qui (4.19), (4.20) và

đồ thị hình 4.16; 4.17 nhận thấy chiều dài dao cắt tăng từ 4cm-6cm thì khối

lượng đất phun tăng, khi tăng lên 8cm thì khối lượng đất phun giảm. Khi

chiều dài dao tăng từ 4cm đến 6cm thì áp lực tăng, khi chiều dài dao tăng từ

6cm đến 8cm thì áp lực đất phun giảm. Từ kết quả nghiên cứu thu được luận

án chọn khoảng biến thiên của chiều dài dao cắt là: 4cm đến 8cm.

134

- Đối với góc lắp đầu ra của quạt gió cao áp β2 : Từ phương trình hồi qui

(4.21), (4.22) và đồ thị hình 4.18; 4.19 nhận thấy khi góc lắp đầu ra β2 tăng từ

90-100 độ thì khối lượng đất phun và áp lực đất phun tăng, khi tăng lên 110

độ thì khối lượng đất phun và áp lực đất phun giảm. Từ kết quả nghiên cứu

thu được luận án chọn khoảng biến thiên của góc lắp ráp đầu ra của quạt gió

là 95-105 độ.

- Đối với số lượng cánh của quạt gió Z: Tương tự như trên, từ phương

trình hồi qui (4.23),; (4.24) và đồ thị hình 4.20; 4.21, thấy khi số lượng cánh tăng

từ 14 -18, thì khối lượng đất phun và áp lực đất phun tăng lên, khi số lượng cánh

tăng từ 18-22 thì khối lượng đất phun và áp lực đất phun giảm đi. Từ kết quả thu

được luận án chọn khoảng biến thiên của số lượng cánh của quạt gió cao áp là 16-

20 cánh.

Mức thí nghiệm và giá trị mã hoá của thông số đầu vào ghi vào ở bảng 4.11.

Bảng 4.11. Mức thí nghiệm của các thông số đầu vào

Các thông số vào

Các mức Giá trị X1 X2 X3 X4

mã D( cm) L ( cm) β2( độ) Z

1 Mức trên 20 8 105 18

0 Mức cơ sở 18 6 100 15

-1 Mức dưới 16 4 95 12

1 Khoảng biến thiên 2 2 5 3

4.5.4.2. Xây dựng ma trận thực nghiệm

Theo 13, chúng tôi đã chọn ma trận thực nghiệm theo kế hoạch Boks - Benken

trong miền siêu cầu với bốn thông số đầu vào và được trình bày ở bảng 4.12.

135

Bảng 4.12. Ma trận thí nghiệm theo kế hoạch Boks - Benken

TT X3 X4 TT X2 X3 X1 X2 X1 X4

-1 -1 0 0 1 15 -1 0 0 +1

+1 -1 0 0 2 16 +1 0 0 +1

-1 +1 0 0 3 17 0 0 -1 -1

+1 +1 0 0 4 18 0 0 +1 -1

-1 0 -1 0 5 19 0 0 -1 +1

+1 0 -1 0 6 20 0 0 +1 +1

-1 0 +1 0 7 21 0 -1 0 -1

1 0 +1 0 8 22 0 +1 0 -1

0 -1 -1 0 9 23 0 -1 0 +1

0 +1 -1 0 10 24 0 +1 0 +1

0 -1 +1 0 11 25 0 0 0 0

0 +1 +1 0 12 26 0 0 0 0

-1 0 0 -1 13 27 0 0 0 0

+1 0 0 -1 14

4.5.4.3. Kết quả thí nghiệm đa yếu tố

tt với tiêu chuẩn Person tra bảng b

tt < b

a) Tiến hành thí nghiệm thăm dò

Để kiểm tra các kết quả đo được có tuân theo qui luật phân bố chuẩn hay không cũng như để xác định số lần lặp lại tối thiểu cho mỗi thí nghiệm, luận án tiến hành 50 thí nghiệm thăm ở mức cơ sở (0; 0; 0), thay kết quả thí nghiệm vào các công thức, xác định được chỉ tiêu Person 2 tt = 14,836, so 2 các số đo 2 = 21 nhận thấy 2 sánh 2 của thí nghiệm tuân theo giả thuyết luật phân bố chuẩn tính số lần lặp lại cho mỗi thí nghiệm theo công thức (4.10), xác định được m =2,92 lấy m =3. b) Kết quả thí nghiệm theo ma trận đã lập

Kết quả thí nghiệm được ghi ở bảng 4.13.

136

Bảng 4.13: Kết quả ảnh hưởng của các tham số đến hàm

khối lượng đất phun

L

D

Z

β2

Khối lượng đất phun Q (kg/phút) lần2

lần 1

lần3

Số TN

100

1,58

1,61

1,54

100

1,69

1,72

1,63

100

1,72

1,81

1,78

100

1,73

1,81

1,78

1,71

1,68

1,63

1,71

1,63

1,69

105

1,74

1,61

1,67

105

1,76

1,71

1,81

1,72

1,77

1,82

1,71

1,82

1,78

105

1,91

1,86

1,82

105

1,93

1,89

1,95

100

1,85

1,91

1,81

100

1,78

1,71

1,74

100

1,59

1,62

1,55

100

1,68

1,72

1,62

100

1,63

1,72

1,69

100

1,81

1,75

1,71

100

1,76

1,83

1,72

100

1,79

1,82

1,84

1,71

1,81

1,71

105

1,71

1,77

1,81

1,91

1,86

105

1,85

1,82

1,89

100

1,96

1,99

2,02

100

2,22

2,28

2,16

100

2,14

2,19

2,21

137

Bảng 4.14: Kết quả ảnh hưởng của các tham số đến hàm áp lực phun

D L β2 Z Áp lực đất phun (N)

Số TN Lần 1 Lần2 Lần3

1 12 4 100 18 17,8 17,1 17,3

2 18 4 100 18 18,4 18,9 18,1

3 12 8 100 18 17,5 17,1 17,8

4 18 8 100 18 16,1 16,8 16,4

5 12 6 95 18 17,2 17,7 17,5

6 18 6 95 18 16,7 16,2 16,8

7 12 6 105 18 18,1 18,6 18,2

8 18 6 105 18 15,9 15,3 15,6

9 14 4 95 18 15,7 15,2 15,8

10 14 8 95 18 17,7 17,3 17,9

11 14 4 105 18 18,6 18,8 18,2

12 14 8 105 18 18,1 18,9 18,5

13 12 6 100 16 16,8 16,7 16,3

14 18 6 100 16 16,3 16,8 16,2

15 12 6 100 20 18,1 18,4 18,7

16 18 6 100 20 17,8 17,2 17,4

17 14 4 100 16 16.9 16.3 16.2

18 14 8 100 16 16,2 16,9 16,7

19 14 4 100 20 18,4 18,9 18,6

20 14 8 100 20 18,5 18,8 18,2

21 14 6 95 16 15,7 15,3 15,9

22 14 6 105 16 17,1 17,5 17,7

23 14 6 95 20 18,8 18,4 18,1

24 14 6 105 20 17,7 17,3 17,9

25 14 6 100 18 18,3 18,7 18,9

26 14 6 100 18 19.4 19.8 19.9

27 14 6 100 18 18,9 18,5 18,3

138

c) Ảnh hưởng của các tham số đến hàm khối lượng đất phun

Sử dụng phần mềm và chương trình xử lý số liệu thực nghiệm, sau khi

tính toán được các kết quả sau:

- Mô hình hồi qui dạng thực:

Q = -77.50431 + 0.824404D + 0.435675 L + 1.152349β + 1.569497Z -

0.002198DL + 0.001092 Dβ + 0.003233 DZ + 0.0015 Lβ -0.001875 LZ -

0.000333βZ-0.032459D2-0.041736L2-0.005828β2-0.043611Z2 (4.25)

- Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai:

Giá trị chuẩn Kokhren tính theo công thức (4.12) Gtt = 0.13, với m = 27; n-1

= 2;  =0,05, tra bảng VIII 13, ta được tiêu chuẩn Kokhren : Gb = 0,21 So

sánh với giá trị tính toán ta được Gtt = 0.072 < Gb = 0,264, phương sai của thí

nghiệm là đồng nhất.

- Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số mô hình toán:

Theo tiêu chuẩn Student, các hệ số trong mô hình có ảnh hưởng đáng kể

đến đại lượng nghiên cứu khi thoả mãn điều kiện:

 tij  tb ij =  0,4  (4.26)

Ở đây: tb - hệ số tra bảng theo bậc tự do và độ tin cậy của thí nghiệm.

tij - hệ số tính ứng với hệ số bij của mô hình hồi qui, giá trị tính toán tiêu

chuẩn Student cho các hệ số như sau:

t00 = 34,7; t10 = -8,67; t11 = - 3,53; t20 = 4,22; t21 = - 1,13; t22 = 2,00;

t30 = 0,70; t31 = - 1,18; t32 = 0,04; t33 = 0,55; t40 = 0,79; t41 = 1,46; t42

= 0,85; t43 = - 1,41; t44 = 1,946;

Giá trị tiêu chuẩn Student tra bảng (tb) được tra ở bảng 9 tài liệu 24, với

mức độ tin cậy của thí nghiệm 0,95, ta tìm được tb =0,68. So với giá trị tính toán ta

thấy hệ số b10; b11; b2.1; b3.1; b3.2; b3.3 ;b4.0; b4.1; b4.2 b4.3; không thoả mãn tiêu chuẩn

Student (4.27) nhưng theo 13, không bỏ hệ số nào để nhằm mục đích tìm giá trị

tối ưu ở phần sau.

139

- Kiểm tra tính tương thích của mô hình:

Giá trị tiêu chuẩn Fisher tính theo công thức (4.15): Ftt = 5,5, giá trị tiêu

chuẩn Fisher tra bảng 3 tài liệu [13], với bậc tư do 1 = 12; 2 = 54;  =0,05

tìm đựơc Fb = 1, 936 , so sánh với giá trị tính toán Ftt < Fb, mô hình (4.25) coi là

tương thích.

- Kiểm tra khả năng làm việc của mô hình: Hệ số đơn định (R2) được xác định

theo công thức (4.16), sau khi tính toán được R2 = 0,827, mô hình coi là hữu ích trong

sử dụng.

d) Ảnh hưởng của các tham số đến hàm áp lực phun

Sử dụng phần mềm và chương trình xử lý số liệu thực nghiệm. Sau khi

tính toán được các kết quả sau:

- Mô hình hồi qui dạng thực:

P = -629.052443 + 7.556757D + 8.538937L + 8.667088 β + 14.106034Z -

0.108046DL - 0.034138Dβ -0.034626DZ- 0.053333Lβ - 0.010417LZ -

0.066667βZ - 0.099942D2- 0.122222L2 - 0.032889β2-0.179514Z2 (4.28)

- Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai:

Giá trị chuẩn Kokhren tính theo công thức (4.12) Gtt =0,08, với m = 27; n-1

= 2;  =0,05, tra bảng VIII 13, ta được tiêu chuẩn Kokhren : Gb = 0,276. So

sánh với giá trị tính toán ta được Gtt = 0.093 < Gb = 0,21, phương sai của thí

nghiệm là đồng nhất.

- Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số mô hình toán:

Theo tiêu chuẩn Student, các hệ số trong mô hình có ảnh hưởng đáng kể

đến đại lượng nghiên cứu khi thoả mãn điều kiện:

 tij  tb ij =  0,4 

tij - hệ số tính ứng với hệ số bij của mô hình hồi qui, giá trị tính toán tiêu

chuẩn Student cho các hệ số như sau:

t00 = -7,9; t10 = 4,66; t11 = - 13,11; t20 = 1,71; t21 = - 0,6; t22 = -8,7;

140

t30 = 7,23; t31 = 0,79; t32 = 0,66; t33 = -0,64; t40 = 5,45; t41 = 0,88; t42

= 0,33; t43 = - 0,14; t44 = -0,08;

Giá trị tiêu chuẩn Student tra bảng (tb) được tra ở bảng 9 tài liệu 24, với

mức độ tin cậy của thí nghiệm 0,95, ta tìm được tb =1,68. So với giá trị tính toán

ta thấy hệ số b00; b11; b2.1; b2.1; b3.3 ;b4.3; b4.4; ; không thoả mãn tiêu chuẩn Student

(4.27) nhưng theo 13, không bỏ hệ số nào để nhằm mục đích tìm giá trị tối ưu

ở phần sau.

- Kiểm tra tính tương thích của mô hình:

Giá trị tiêu chuẩn Fisher tính theo công thức (4.15): Ftt = 1,47, giá trị tiêu

chuẩn Fisher tra bảng 3 tài liệu [13], với bậc tự do 1 = 12; 2 = 54;  =0,05

tìm đựơc Fb = 1,936, so sánh với giá trị tính toán Ftt < Fb, mô hình (4.28) coi là

tương thích.

- Kiểm tra khả năng làm việc của mô hình: Hệ số đơn định (R2) được xác định

theo công thức (4.16), sau khi tính toán được R2 = 0,847, mô hình coi là hữu ích trong

sử dụng.

4.6. Xác định giá trị tối ưu của tham số ảnh hưởng

Mục đích của bài toán là tìm các giá trị D; L; β2, Z để hàm khối lượng và

áp lực đất phun là lớn nhất, đây là bài toán tối ưu đa mục tiêu, để giải bài toán

này cần phải lựa chọn và xây dựng phương pháp giải. Phương pháp giải bài

toán tối ưu được trình bày trong các tài liệu [3], [20], [21], sau đây là ứng

dụng vào trường hợp bài toán này.

4.6.1. Phương pháp tìm giá trị tối ưu của thông số đầu vào

Sau khi xác định được hai hàm mục tiêu Q và P theo công thức (4.26) và

(4.28), hai hàm mục tiêu này có thứ nguyên khác nhau, nhưng tính chất cực trị

giống nhau (đều cực đại). Luận án sử dụng phương pháp tìm lời giải tối ưu tổng

quát khi có mặt nhiều hàm mục tiêu [3], nội dung của phương pháp này tóm tắt

như sau:

141

- Xác định giá trị cực đại của từng hàm mục tiêu: Qmax; Pmax

- Lập hàm tỷ lệ tối ưu: ; (4.29)

- Lập hàm tỷ lệ tối ưu tổng quát:  = 1+ 2

- Xác định giá trị D; L; β2, Z, để hàm tổng quát đạt giá trị đại, giá trị để

hàm tổng quát đạt cực đại chính là giá trị cần tìm.

Để khảo sát hàm tổng quát tối ưu luận án sử dụng phương pháp chia lưới

các miền tính giá trị của hàm số tại các nút lưới và so sánh chúng để tìm ra trị

D Rk, với D là miền đóng, bị chặn lớn nhất. Các điểm M(x1 , x2 , ..., xk)

trong không gian Rk. Hàm là hàm liên tục trên D

đóng và bị chặn, nên sẽ tồn tại giá trị lớn nhất (max) và giá trị nhỏ nhất (min)

trên D. Do các hàm fi được chọn là các hàm khả vi (đối với qui hoạch thực

nghiệm thường chọn là các hàm bậc 2) nên hàm F là hàm khả vi trên D.

Do đó điểm làm hàm F có giá trị lớn nhất (nhỏ nhất) là điểm hoặc sẽ

nằm trong tập các điểm tới hạn của F trên D, hoặc nằm trên biên của D.

Điểm tới hạn của F trên D là các điểm trong của D và thỏa mãn hệ phương

trình:

(4.30)

Như vậy, ngoài việc tìm giá trị hàm F tại các điểm tới hạn trong D ta

cần tìm trị lớn nhất (nhỏ nhất) của F trên biên của D, sau đó so sánh chúng để

tìm ra trị hoặc .

142

4.6.2. Kết quả giải bài toán tối ưu theo phương pháp hàm tỷ lệ tối ưu tổng quát

- Xác định giá trị cực đại của từng hàm mục tiêu: Bằng phương pháp

chia lưới miền [D (12,18); L(4,8) ; β(95,105); Z(16,20)], tính giá trị của hàm

số tại các nút lưới và so sánh chúng để tìm ra trị lớn nhất. Bằng việc chia lưới miền khảo sát thành 104 điểm, đã xác định được giá trị cực trị của các hàm

như sau:

- Hàm khối lượng đất phun có giá trị cực đại Qmax= 2,16 kg/phút

Tại D =15 ;L = 6,4 ;, β = 101 ; Z = 18

- Hàm áp lực đất phun có giá trị cực đại Pmax = 19,08 N

Tại D =14,4 ; L = 6 ; β = 100 , Z = 19,2

- Lập hàm tỷ lệ tối ưu khối lượng đất phun: 1

1= -35.881625 + 0.381669 D + 0.201701 L + 0.533495 β + 0.726619Z -

0.001018DL + 0.000506Dβ + 0.001497DZ + 0.000694 Lβ -0.000868LZ - 0.000154βZ - 0.015027 D2 -0.019322 L2 -0.002698 β2 -0.02019 Z2 (4.31)

- Lập hàm tỷ lệ tối ưu áp lực phun 2

2= -32.969206 + 0.396056 D + 0.447533 L + 0.45425 β + 0.73931 Z -

0.005663DL - 0.001789 Dβ - 0.001815DZ - 0.002795 Lβ -0.000546 LZ - 0.003494βZ -0.005238D2 -0.006406 L2 -0.001724 β2 -0.009408 Z2 (4.32)

- Lập hàm tối ưu tổng quát:  = 1+ 2

 = -68.850831 + 0.777725 D + 0.649235 L + 0.987745 β + 1.465929Z -

0.00668 DL-0.001284 Dβ -0.000318 DZ -0.002101 Lβ -0.001414 LZ - 0.003648βZ-0.020265D2-0.025728L2-0.004422β2-0.029599Z2 (4.33)

Chia lưới miền [D (12,18);L(4,8) ; β(95,105); Z(16,20)] thành 104

điểm, tính giá trị của hàm số tại các nút lưới và so sánh chúng để tìm ra trị lớn

nhất bằng : 1,9872 tại các giá trị :

D = 15 ; L = 6 ; β2 = 100 ; Z = 18,4.

Do số cánh quạt phải là số tự nhiên nên so sánh giá trị hàm  tại hai điểm :

D = 15 ; L = 6 ; β2 = 100 ; Z = 18 có  = 1,9830

và D = 15 ; L = 6 ; β2 = 100 ; Z = 19 có  = 1,9757

143

Như vậy giá trị tối ưu của một số thông số của máy chữa cháy rừng

bằng đất cát là:

- Đường kính đĩa thép D = 15 cm;

- Chiều dài dao cắt L = 6 cm;

- Góc lắp ráp đầu ra của quạt gió β = 100 độ;

- Số cánh của quạt gió cao áp Z =18 cánh.

Các thông số trên là căn cứ khoa học để hoàn thiện máy chữa cháy rừng

bằng đất cát.

4.7. Xác định công suất động cơ

4.7.1. Xác định công suất của động cơ của hệ thống cắt đất

Công suất động cơ để cắt- kéo văng đất của máy cắt đất được tính theo

công thức (2.42) với kích thước của hệ thống cắt đất đã được tính toán tối ưu

trên, công suất động cơ được tính như sau:

Thay số vào công thức (2.42) ta được : Nđc = 2,68 Kw Công suất thực của động cơ: Nđc = K.Ndc. Trong đó: K - hệ số dự trữ.

Vậy công suất động cơ của hệ thống cắt đất:

Nđc = 2,68 * 1,2 = 3,216 Kw

4.7.2. Tính toán công suất động cơ của hệ thống hút và phun đất

a) Tính công suất để hút đất

Công suất của động cơ để hút đất được tính theo công thức (2.93) đã

được thiết lập ở chương 2 như sau:

Trong đó: N- Công suất cần thiết (kw);

k –Hệ số dự trữ (k= 1,2);

144

- Hiệu suất bộ truyền động ( = 0,9);

- Hệ số tổn thất do cánh quạt ( = 0,85);

- Lưu lượng cần thiết của máy hút khí;

– Tổn hao toàn phần hệ thống hút, kg/m2.

Thay số liệu đã biết vào công thức (2.93) xác định được công suất động

cơ để hút đất là: Nh= 1,86kw.

b) Tính công suất để phun đất

Công suất để phun đất được tính theo công thức (2.103) đã được thiết

lập trong chương 2 như sau:

Trong đó: N- Công suất cần thiết (kw);

k –Hệ số dự trữ (k= 1,2);

- Hiệu suất bộ truyền động ( = 0,9);

- Hệ số tổn thất do cánh quạt ( = 0,55);

- Lưu lượng cần thiết của máy hút khí, m3/s; - Tổn hao toàn phần hệ thống phun, kg/m2.

Thay các số liệu đã biết vào công thức (2.103), xác định được công suất

cần thiết để phun đất vào đám cháy là: Np= 2,35kw.

Như vậy công suất cần thiết của hệ thống hút và phun đất là:

N= Nh+ Np= 2,35+1,86= 4,2kw.

4.8. Thông số kỹ thuật của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đã được

tính toán tối ưu và hoàn thiện

Sau khi tính toán xác định được một số thông số tối ưu của máy chữa

cháy rừng bằng đất cát, kết quả của luận án đã được đưa vào sử dụng để hoàn

thiện máy, kết quả của luận án đã được ứng dụng tại Công ty cổ phần thiết bị

chuyên dùng Việt Nam để thiết kế chế tạo mẫu máy mới với các thông số đã

được tính toán tối ưu. Máy chữa cháy rừng bằng đất cát sau khi chế tạo mới

đã được khảo nghiệm, đã được kiểm định và đã được thương mại hóa cho một

số địa phương như Quảng Ninh, Kon Tum, Thừa Thiên Huế, Bình Phước để

phục vụ cho công tác chữa cháy rừng.

145

Bảng 4.15: Thông số kỹ thuật của máy phun đất cát chữa cháy rừng đã

được chế tạo theo kết quả tính toán thông số tối ưu

TT Các chỉ tiêu kỹ thuật

Đơn vị tính Thông số kỹ thuật

I Máy cắt đất chữa cháy rừng

1 Loại động cơ: Cưa xăng Husqvarna 365

2 Công suất động cơ 3 Khối lượng đất đào được và tung lên 4 Vận tốc dao cắt đất 5 Đường kính lắp đĩa thép lắp dao cắt đất 6 Chiều dài dao cắt đất 7 Loại đất đào kw kg/ph vòng/ph cm cm

Khối lượng đất cát phun vào đám cháy

8 Gia tốc rung tay cầm của máy 9 Trọng lượng máy II Máy hút và phun đất chữa cháy rừng 1 Loại động cơ: cưa xăng Husqvarna 376 2 Công suất động cơ Tốc độ dập lửa 3 4 Chiều cao ngọn lửa được dập tắt 5 Trọng lượng của máy 6 7 Áp lực đất cát phun vào đám cháy 8 Góc lắp ráp đầu ra của cánh quạt hút và m/s2 kG Kw m/phút m kG kg/ phút N độ 3,4 2,2 3000 15 6 Đất, đất lẫn đá, rễ cây... 2,8 10,5 4,8 5,9 ≤ 4,3 10 2,15 75 100

phun đất Số cánh của quạt hút phun đất Chiều dài ống phun đất

18 0,8 5

0 ≤ 40

9 10 11 Chiều dài ống hút đất 12 Độ dốc địa hình máy hoạt động có hiệu quả cánh m m độ

Nhận xét: Máy chữa cháy rừng bằng đất cát được chế tạo theo thông số

tối ưu có tính năng kỹ thuật vượt trội so với mẫu máy đầu của đề tài trọng

điểm cấp nhà nước thiết kế chế tạo, máy mới đã khắc phục được những tồn tại

146

hạn chế đó là: Khối lượng và áp lực đất phun lớn hơn, rung động nhỏ hơn,

hiệu quả dập lửa lớn hơn.

Kết luận chương 4

Sau khi thu được kết quả nghiên cứu ở chương trên, luận án có rút ra

một số kết luận sau:

1. Đã xây dựng được phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm máy chữa

cháy rừng bằng đất cát, đã xây dựng được phương pháp xác định mô men cắt đất,

gia tốc rung động của máy cắt đất, áp lực và khối lượng đất phun vào đám cháy.

2. Đã tiến hành thực nghiệm, từ kết quả thực nghiệm đã kiểm chứng

mô hình tính tính toán công suất cắt- kéo văng đất, gia tốc rung động của máy

cắt đất, kết quả so sánh giữa lý thuyết với thực nghiệm nằm trong phạm vị

cho phép, như vậy mô hình tính toán lý thuyết có độ tin cậy cần thiết.

3. Bằng nghiên cứu thực nghiệm luận án đã thiết lập được phương trình

tương quan (4.25) và (4.26) giữa các tham số ảnh hưởng là đường kính đĩa

thép lắp dao cắt (D), chiều dài dao cắt đất (L), góc lắp ráp đầu ra của quạt hút

(β2) và số lượng cánh quạt (Z) với hàm mục tiêu áp lực đất phun (P) và khối

lượng đất phun (Q).

4. Luận án đã lựa chọn và tiến hành giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, kết

quả giải bài toán tối ưu đã mục tiêu đã xác định được một số thông số tối ưu

của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đó là: Đường kính đĩa thép D= 15cm;

chiều dài dao cắt L= 6 cm; góc lắp ráp đầu ra của quạt gió β2 = 100 độ; số

cánh của quạt gió cao áp Z =18 cánh. Kết quả nghiên cứu trên đã được sử

dụng để hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng đất cát.

5. Kết quả nghiên cứu của luận án đã được ứng dụng vào thực tiễn để

thiết kế chế tạo mẫu máy mới. Máy chữa cháy rừng bằng đất cát sau khi chế

tạo theo thông số tính toán tối ưu đã khắc phục được một số tồn tại hạn chế đó

là: Khối lượng đất cát và áp lực phun lớn hơn, rung động của hệ thống cắt đất

nhỏ hơn, hiệu quả dập lửa cao hơn.

147

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

Sau khi thu được kết quả nghiên cứu, luận án rút ra một số kết luận sau:

1. Máy chữa cháy rừng bằng đất cát là sản phẩm đã được Cục sở hữu trí

tuệ Việt Nam cấp bằng độc quyền giải pháp hứu ích, máy đã được sử dụng

chữa cháy rừng ở nhiều địa phương cho hiệu quả chữa cháy rừng cao, tuy

nhiên máy vẫn còn một số tồn tại hạn chế cần tiếp tục hoàn thiện để nâng cao

hiệu quả chữa cháy rừng.

2. Luận án đã xây dựng được mô hình, phương trình tính toán lực cắt

đất ở dạng búa, công suất cắt- kéo văng đất, đã tiến hành khảo sát một số

thông số ảnh hưởng đến công cắt -kéo văng đất, từ đó đã xác định được chiều

dài dao cắt, bán kính đĩa thép lắp dao cắt đất, trọng lượng dao cắt, công suất

động cơ của máy cắt đất. Kết quả tính toán này đã sử dụng cho hoàn thiện hệ

thống cắt đất dạng búa.

3. Luận án đã xây dựng được mô hình, hệ phương trình vi phân rung

động của máy cắt đất, đã khảo sát hệ phương trình vi phân dao động, kết quả

khảo sát cho thấy rung động của máy vượt quá giới hạn cho phép, đã đề xuất

giải pháp giảm rung động của máy cắt đất.

4. Đã xây dựng mô hình tính toán quạt hút và phun đất vào đám cháy,

đã khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến áp lực và vận tốc của quạt hút, từ kết quả

khảo sát đã xác định được góc lắp ráp đầu ra β2 hợp lý của quạt hút và phun

đất, đã tính toán được vận tốc cần thiết của không khí trong ống hút, công

suất động cơ quạt hút và phun đất. Kết quả tính toán đã sử dụng để hoàn thiện

hệ thống hút và phun đất.

5. Luận án đã xây dựng được phương pháp thực nghiệm xác định một

số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát, kết quả nghiên cứu

thực nghiệm đã lập được hàm hồi qui thực nghiệm (4.25); (4.28) ảnh hưởng

148

của đường kính đĩa thép lắp dao cắt (D), chiều dài dao cắt (L), góc lắp ráp đầu

ra (β2), số cánh của quạt gió (Z) đến hàm mục tiêu là khối lượng và áp lực đất

phun vào đám cháy. Sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu,

luận án đã xác định được một số thông số tối ưu của máy đó là: Đường kính

đĩa thép D= 15cm; chiều dài dao cắt đất L = 6 cm; góc lắp ráp đầu ra của quạt

gió β2 = 100 độ; số cánh của quạt hút, phun đất Z =18 cánh, với thông số tối

ưu này khối lượng và áp lực đất phun vào đám cháy là lớn nhất.

6. Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án đã được sử dụng để hoàn thiện

máy chữa cháy rừng bằng đất cát trong dự án cấp nhà nước: “Hỗ trợ thương

mại hóa công nghệ chế tạo một số thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng

thương hiệu Việt Nam”, từ đó đã khắc phục được những tồn tại hạn chế của

máy cũ, đã nâng cao hiệu quả dập lửa của thiết bị.

2. Kiến nghị

Do thời gian nghiên cứu có hạn, để đề tài hoàn thiện hơn cần tiếp tục

nghiên cứu một số vấn đề sau:

1. Các góc của dao cắt đất ảnh hưởng lớn đến lực cắt, do vậy cần

nghiên cứu ảnh hưởng của góc cắt, góc trước, góc sau của dao cắt đến lực cắt,

nghiên cứu xác định thông số tối ưu của góc cắt của dao cắt đất.

2. Theo nguyên lý hoạt động của máy thì đất được quạt hút và phun vào

đám cháy, nên trong quá trình chuyển động một phần đất va đập với cánh quạt,

việc nghiên cứu ảnh hưởng của lực va đập của đất đến rung động của máy hút và

phun cũng như ảnh hưởng đến công suất của máy cũng cần được tiếp tục nghiên

cứu để nâng cao năng suất hút và phun đất vào đám cháy.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn, Cục Kiểm lâm (2020), Báo cáo

thống kê diễn biến tài nguyên rừng.

2. Vũ Khắc Bảy (2005), Toán kỹ thuật, Bài giảng cao học máy và thiết bị cơ

giới hoá nông lâm nghiệp.

3. Nguyễn Văn Bỉ (1997), Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu trong công nghiệp

rừng, Thông tin khoa học lâm nghiệp.

4. Cục Kiểm lâm (1988), Báo cáo kết quả đề tài "Nghiên cứu một số biện

pháp phòng cháy, chữa cháy rừng Thông và rừng Tràm".

5. Bế Minh Châu (2002), Lửa rừng, NXB Nông nghiệp, Hà Nội .

6. Trần Chí Đức(1981), Thống kê toán học, NXB Nông nghiệp, Hà Nội.

7. Bùi Anh Định (2004), Cơ học đất, Nxb Xây dựng, Hà Nội.

8. Chu Tạo Đoan (2001), Cơ học lý thuyết, Nxb Giao thông Vận tải, Hà Nội.

9. Đặng Thế Huy (1995), Phương pháp nghiên cứu khoa học cơ khí nông

nghiệp, NXB Nông nghiệp, Hà Nội.

10. Đặng Thế Huy (1995), Một số vấn đề cơ học giải tích và cơ học máy,

NXB Nông nghiệp, Hà Nội.

11. Lê Công Huỳnh (1995), Phương pháp nghiên cứu khoa học phần nghiên

cứu thực nghiệm, NXB Nông nghiệp, Hà Nội.

12. Nguyễn Xã Hội (2013), Nghiên cứu dao động của xe chữa cháy đa năng,

Luận án tiến sỹ kỹ thuật.

13. Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang (1998), Cơ sở lý thuyết quy hoạch

thực nghiệm và ứng dụng trong kỹ thuật nông nghiệp. NXB Nông

nghiệp, Hà Nội.

14. Đỗ Sanh, Nguyễn Văn Vượng (2000), Cơ học ứng dụng, Nxb Khoa học

kỹ thuật, Hà Nội.

15. Nguyễn Văn May (2017), Bơm quạt máy nén, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.

16. Phan Thanh Ngọ (1996), Nghiên cứu một số biện pháp phòng cháy, chữa

cháy rừng Thông ba lá (Pinus.kesiya Royle ex Gordon), rừng Tràm

(Melaleuca cajuputi Powel) ở Việt Nam, Luận án Phó tiến sĩ Khoa học

nông nghiệp.

17. Vương Văn Quỳnh (2005), Báo cáo đề tài "Nghiên cứu xây dựng các giải

pháp phòng cháy và khắc phục hậu quả cháy rừng cho vùng U Minh và

Tây Nguyên, Đề tài cấp nhà nước mã số KC08.25/01-05.

18. Dương Văn Tài (2007), Nghiên cứu khảo nghiệm và cải tiến các thiết bị

chữa cháy rừng sử dụng đất cát, không khí và nước ở dạng sương, Đề tài

cấp cơ sở.

19. Dương Văn Tài (2010), Nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo các

thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng, Đề tài trọng điểm cấp nhà nước

mã số KC07.13/06-10.

20. Bùi Thế Tân, Trần Vũ Thiệu (1980), Các phương pháp tối ưu hoá. NXB

Giao thông vận tải Hà Nội.

21. Đào Quang Triệu (1994), Phương pháp quy hoạch thực nghiệm cực tiểu

tối ưu hoá các quá trình kỹ thuật hệ phức tạp, Bài giảng cao học và

nghiên cứu sinh Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội.

22. Đinh Ngọc Tuấn (2012), Giáo trình cơ sở lý hoá quá trình phát triển và

dập tắt đám cháy, NXB Khoa học và kỹ thuật.

23. Đặng Tùng, Đào Quốc Hợp, Cao Đắc Phong (2004), Giáo trình Lý thuyết

quá trình cháy, NXB Khoa học và kỹ thuật.

24. Lê Văn Tiến (2011), Giáo trình lý thuyết xác suất và thống kê toán học,

NXB Khoa học kỹ thuật.

25. Nguyễn Minh Tuyển (2005), Bơm, máy nén, quạt trong công nghiệp,

NXB Xây dựng.

26. Lương Văn Vạn (2019), Nghiên cứu độ bền khung sắt xi xe chữa cháy

đa năng, Luận án tiến kỹ kỹ thuật.

Tiếng Anh

27. A.A. Brown, K.P. Davis, Forest fire: Control and Use, 2nd edition.

McGraw Hill. C. Chandler, (2011), Forest-fire Management and

Organization. (Fire in Forestry; Vol 2), Krieger Publishing Company.

28. Enrico Marchi a, Enrico Tesi b, Niccolo` Brachetti Montorselli a,

Francesco Neri. Helicopter activity in forest fire-fighting: A data

analysis proposal, Forest Ecology and Management 234S (2016) S254,

Available online at.

29. Fire in Indonesia and the Integrated Forest Fire Management Project –

IFFM (IFFN No. 23 - December 2000, p. 12-16).

30. Gorte, R.W (2010), Forest Fire Protection. CRS Report for Congress.

Congressional Research Service, The Library of Congress, Order Code

RL30755.

31. Myung-Hee Jo, Yun-Won Jo, Joon Bum Kim. Developing the forest fire

extinguish equipment management system using GPS and GIS.

Available online at. 36. M. H. Jo, M. B. Lee, K. D. Bu, S. R. Baek,

2000. The Construction of Forest Fire Monitoring System using

Internet GIS and Satellite Images, Proceedings of International

Symposium on Remote Sensing, pp.61-64.

32. SAF(2), (2014), Fire Preparedness a Hot Topic in House and Senate

Hearings. The Forestry Source 9(6),

http://www.safnet.org/periodicals/forestrysource.cfm).

33. USFS, (2009), Policy implications of large fire management: a strategic

assessment of factors influencing costs. State and Private Forestry,

Washington.

34. Wybo, J. L., G. Eftiquidis, D. Kotsouris, T. Manganas, D.X. Viegas, T.

Apostolopoulos, E. Pelosio, G. Bovio, A. Ollero, D. Schmidt and A.

Criado, DEDICS (1998), A general framework for supporting

management of forest fires. Proceedings of the III International Conference

on Forest Fire Research. Vol. II, pp. 2405-2421, Coimbra 2016.

Tiếng Nga

35. B.B. KOPOБOB (1968), пHEBMO-TPAнcпoPT щEпы лecнaя пpoмышлeннocть, Mocквa .

Tiếng Trung

36. 黄仁楚主编。营林机械理论与计算（第二版）。中国林业出版社，2015.

37. 周红平风力灭火机课题组。风力灭火机灭火原理的试验研究。南京林业大学 2014.

38. 林业部护林防火办公室编。森林防火。中国林业出版社，2012.

39. 北京林业大学主编。森林防火实用教材。北京林业大学，2016.

40. 潘国庆，周永钊。改善风力灭火机性能的试验研究。南京林业大学报,1990年第三期

41. 啟字，洪大森等。CGL25/5型轮式森林消防车的研制。北京林业大学森工系，2005.

42. 东北林业大学主编。营林机械化。中国林业出版社，2003.

43. 张扬主编。农业机械化及其运用原理。中国人民大学出版社，2005.

44. 蒋波。智能喷水灭火装置研究与开发。南京理工大学硕士学位论文，2007.

45. 冯艳红。基于 web 的森林防火专家系统的研究。西北林业大学硕士学位论文，2009.

46. 邹国立,王立伟。实用森林草原灭火战术技术呼赫浩特：内蒙古大学出版社，2011.

47. 董斌兴。森林火灾扑救。哈尔滨：东北林业大学出版社，2013.

48. 唐纳德，波瑞。野外火的扑救。北京：中国林业出版社，2016.

49. 姚树人，文定元。森林消防管理学。北京：中国林业出版社，2009.

50. 郑怀兵，张南群。森林防火。北京：中国林业出版社，2009.

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

1. Trần Văn Tưởng, Dương Văn Tài, Hoàng Minh Hòa, “Khảo sát động lực

học hệ thống cắt đất của máy chữa cháy rừng bằng đất cát”, Tạp chí Công

nghiệp nông thôn số 31/2018 trang 17-23.

2. Hoàng Minh Hòa, Dương Văn Tài, “Dao động của máy chữa cháy rừng

bằng đất cát”, Tạp chí Công nghiệp nông thôn số 42/2021 trang 48-55.

3. Hoàng Minh Hòa, Dương Văn Tài, “Xác định một số thông số tối ưu của

máy chữa cháy rừng bằng đất cát”, Tạp chí Công nghiệp nông thôn số

42/2021 trang 56-61.

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 01

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THĂM DÒ

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐẾN KHỐI LƯỢNG VÀ ÁP LỰC

ĐẤT PHUN VÀO ĐÁM CHÁY

Số TN

Số cánh quạt Z

Khối lượng đất phun Kg/phút

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Đường kính đĩa thép D (cm) 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15

Chiều dài dao cắt L(cm) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

Góc lắp ráp đầu ra β2 (độ) 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18

1,78 1,69 1,82 1,73 1,81 1,71 1,74 1,86 1,72 1,81 1,71 1,83 1,75 1,78 1,79 1,88 1,73 1,81 1,76 1,89 1,71 1,81 1,71 1,88 1,69 1,72

Áp lực đất phun (N) 17,8 18,4 17,5 16,1 17,2 16,7 18,1 17,9 17,7 17,7 18,6 18,1 17,8 17,3 18,1 17,8 17.9 17,2 18,4 18,5 17,7 17,1 18,1 17,8 18,4 17,5

27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18

1,83 1,71 1,81 1,74 1,76 1,82 1,71 1,81 1,73 1,85 1,78 1,79 1,88 1,73 1,81 1,76 1,79 1,81 1,71 1,81 1,76 1,89 1,71 1,81

16,1 17,2 16,7 18,1 17,9 17,7 17,7 18,6 18,1 17,8 17,3 18,1 17,8 17.9 17,2 18,4 18,5 17,7 17,1 18,1 18,4 18,5 17,7 17,1

PHỤ LỤC 02

QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM ĐO MÔ MEN VÀ RUNG ĐỘNG CỦA

MÁY ĐÀO ĐẤT

PHỤ LỤC 03

QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM ĐO KHỐI LƯỢNG VÀ ÁP LỰC ĐẤT

PHUN VÀO ĐÁM CHÁY

PHỤ LỤC 04

DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

PHỤ LỤC 05

function Dao_dong_Bua_va_Cong_suat_cat_dat

clc;

Ten_ghi = 'So_lieu_khao_sat_Hoa.xlsx';

g=9.81 ; % m/s^2 gia toc Trong truong

R =0.1 ; % m

L0= 0.03; % m

ro_b = 0.78 ; % kg/m khoi luong rieng bua m_b = 55 g

r0_d = 40 ; % kg/m2 khoi luong rieng dia

h = 0.01 ; % m do sau nhat cat mG = 0.003 ; % kg khoi luong dat cat - keo - vang 2,7.10^3kg/m^3

Xic_dat = 150000; % N/m2 ung suat gioi han Dat

Beta = pi; % rad goc cat

Omega = 262 ; % rad/s J1 = r0_d*pi*R^4/2 ; % mo men quan tinh dia

Pc = 2*pi*h^2*Xic_dat/2 % luc cat da

% L = 0.08 ; % m

%$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

cla;

T_gian =10 ;

t =0:0.001:T_gian;

Bang=zeros();

Bang1(1,1)= "Do dai bua - cm" ; Bang1(1,2)= " Cong suat cat_KVang_W";

% Bang2(1,1)= "Khoi luong rieng bua - kg/m" ; Bang2(1,2)= " Cong suat

cat_KVang_W";

%========================================== for j = 1: % ro_b =ro_b0 + (j-1)*0.2*ro_b0; L = L0+ (j-1)*0.01 b = R + L ; % m

[t,z]=ode45(@rhs1,t,[0 0 0 0 ]); % BD_Max= max(z(:,3)*10^3*R2) bay = size(z(:,1));

COD CỦA CHƯƠNG TRÌNH TÍNH CÔNG SUẤT CẮT- KÉO VĂNG ĐẤT

N_c = zeros(); tg1 = Pc*b*Omega ;

tg2 = mG*b^3*Omega^2/(Beta*b-h)

for k =1:bay

g1 = z(k,2); g2 =z(k,4); tgt1 =2*(R^2*L +L^3/3)*Omega;

tgt2 = (L^3/3)*(g1+g2);

tgt3 = (R*L^2/2) *((2*Omega + g1)*cos(z(k,1)) +(2*Omega +

g2)*cos(z(k,3)));

TS = ro_b*(tgt1 + tgt2 + tgt3) + J1*Omega - Pc*h/Omega;

tgb1 = 2*(L*R^2 + L^3/3) + R*L^2*(cos(z(k,1)) + cos(z(k,3)));

MS = J1 + mG*b^2 + ro_b*tgb1;

tg = tg1+ tg2*(TS/MS);

N_c(k) = tg;

end

Cong_suat_cat_W_Max= max(N_c);

Bang(j,1) = L*100 ;

%Bang(j,1) = ro_b ;

Bang(j,2)=Cong_suat_cat_W_Max;

end

% xlswrite(['So_lieu_khao_sat_Hoa.xlsx'], Bang1,2,['A' num2str(2)]);

% xlswrite(['So_lieu_khao_sat_Hoa.xlsx'],Bang,2,['A' num2str(3)]); %==========================================

% axis off

plot(Bang(:,1),Bang(:,2),'R-'); %,'linewidth',1);

% axis([9 10 -0.5 0.5]); axis on hold on xlabel("Do dai bua (cm)");

% xlabel("Khoi luong rieng bua (kg/m)"

ylabel("Cong suat cat keo vang (W) "); grid on

%*********************************************

function xdot=rhs1(t,z) G1= z(2); G2 = z(4);

dxdt_1 = z(2); dxdt_3 = z(4);

tgT1 =2*(R^2*L +L^3/3)*Omega;

tgT2 = (L^3/3)*(G1+G2); tgT3 = (R*L^2/2) *((2*Omega + G1)*cos(z(1)) +(2*Omega + G2)*cos(z(3)));

A_TS = ro_b*(tgT1 + tgT2 + tgT3) + J1*Omega - Pc*h/Omega;

tgM1 = 2*(L*R^2 + L^3/3) + R*L^2*(cos(z(1)) + cos(z(3))); A_MS = J1 + mG*b^2 + ro_b*tgM1; tgVP = (R/L)*3*Omega^2*b^3*mG/(Beta*b-h); tgVP = tgVP*t; tgVP2t= 1.5*(R/L)*Omega^2*sin(z(1))+ 1.5*(g/L)*sin(Omega*t + z(1)); tgVP4t= 1.5*(R/L)*Omega^2*sin(z(3))+ 1.5*(g/L)*sin(Omega*t + pi+ z(3)); tgVP2p = sin(z(1))*( (Omega +0.5*G1)*A_MS -A_TS)/A_MS^2; tgVP4p = sin(z(3))*( (Omega +0.5*G2)*A_MS -A_TS)/A_MS^2; VP2 = tgVP *tgVP2p -tgVP2t ; VP4 = tgVP *tgVP4p -tgVP4t ; %+++++++++++++++++++++++++++++++++++ dxdt_2 = VP2; dxdt_4 = VP4 xdot=[dxdt_1 ; dxdt_2 ; dxdt_3 ; dxdt_4 ]; enD %************************************** end

PHỤ LỤC 06

function Dao_dong_may_cat_dat clc; Ten_ghi = 'So_lieu_khao_sat_Hoa.xlsx'; g=9.81 ; % m/s^2 gia toc Trong truong R =0.1 ; % m L= 0.07; % m ro_b = 0.78 ; % kg/m khoi luong rieng bua m_b = 55 g m_b = 0.055 ; % kg khoi luong bua r0_d = 40 ; % kg/m2 khoi luong rieng dia %r0_d = 80; h = 0.01 ; % m do sau nhat cat mG = 0.003 ; % kg khoi luong dat cat - keo - vang 2,7.10^3kg/m^3 Xic_dat = 150000; % N/m2 ung suat gioi han Dat Beta = pi/2; % rad goc cat Omega = 262 ; % rad/s J1 = r0_d*pi*R^4/2 ; % mo men quan tinh dia Pc = 2*pi*h^2*Xic_dat/2 % luc cat dat b = R + L ; % m %&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& L1= 0.13 ; % m a=0.10 ; % m L3=0.17; %m L2= 0.27 ; %m C10=200000 ; % N/m C2= 50000 ;% N/m m =9.5 ; % kg khoi luong máy Te_ta = pi/4; % Goc nghieng T0 = Beta/Omega ; % thoi gian xung luc T = pi/Omega ; % Chu ky xung luc s0 = T0/2 ; S = T/2;

COD CỦA CHƯƠNG TRÌNH TÍNH DAO ĐỘNG CỦA MÁY CẮT ĐẤT

N = 5; a0 = T0 /T; ak=zeros(); for k=1:N ak(k) = 2*T/(T0*k^2*pi^2)*(1-cos(k*pi*T0/T)); end %$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ cla; T_gian =10 ; t =0:0.001:T_gian; [t,z]=ode45(@Dao_dong_bua,t,[0 0 0 0 ]); bay = size(z(:,1)) CS_c = zeros(); N_TB=zeros(); tg1 = Pc ; tg2 = mG*b^2*Omega/(pi*b-h); for k =1:bay g1 = z(k,2); g2 =z(k,4); tgt1 =2*(R^2*L +L^3/3)*Omega; tgt2 = (L^3/3)*(g1+g2); tgt3 = (R*L^2/2) *((2*Omega + g1)*cos(z(k,1)) +(2*Omega + g2)*cos(z(k,3))); TS = ro_b*(tgt1 + tgt2 + tgt3) + J1*Omega - Pc*h/Omega; tgb1 = 2*(L*R^2 + L^3/3) + R*L^2*(cos(z(k,1)) + cos(z(k,3))); MS = J1 + mG*b^2 + ro_b*tgb1; tgD = tg1+ tg2*(TS/MS); tg = tgD*b*Omega; CS_c(k) = tg; XL_TB(k) = tgD; end Cong_suat_cat= max(CS_c); Xung_luc_TB = max(XL_TB)

P_q = m_b *Omega^2*(R + 0.5*L); P_T = sqrt(P_q^2 + Xung_luc_TB^2); Bang=zeros(); T_gian1= 10; Bang1(1,1) = " C1- kN/m "; Bang1(1,2) = " Bien_do_Dia - (mm) " ; Bang1(1,3)= " Luc cam tay - (kG)"; for j = 1: 14 C1= C10+(j-1)*50000; t =0:0.001:T_gian1; [t,x]=ode45(@Dao_dong_May,t,[0 0 L2 0 ]); Bien_do_Max = max(x(:,1)*L2); % tinh theo m Luc_lo_xo = Bien_do_Max *C1; Bien_do_dia = Bien_do_Max*(L1+L2)/L2; Luc_Tay_cam = Luc_lo_xo*L3/L2; Bang(j,1) = C1/1000; Bang(j,2)= Bien_do_dia* 1000; Bang(j,3) = Luc_Tay_cam /10; end xlswrite(['So_lieu_khao_sat_Hoa.xlsx'],Bang1,1,['A' num2str(2)]); xlswrite(['So_lieu_khao_sat_Hoa.xlsx'],Bang,1,['A' num2str(3)]); plot(Bang(:,1),Bang(:,3),'R-'); %,'linewidth',1); xlabel("Do cung C1 (kN/m)"); ylabel("Luc tay cam tren (kG) "); % plot(t(:),x(:,1)*(L2+L1)*1000,'R-'); %,'linewidth',1); % axis([9 10 -1 15]); % axis on % hold on % xlabel("Thoi gian (s)") % ylabel("Bien do cua truc dia theo phuong dung - (mm) ")

grid on %********************************************* function Sidot=Dao_dong_bua(t,z) G1= z(2); G2 = z(4); dSidt_1 = z(2); dSidt_3 = z(4); tgT1 =2*(R^2*L +L^3/3)*Omega; tgT2 = (L^3/3)*(G1+G2); tgT3 = (R*L^2/2) *((2*Omega + G1)*cos(z(1)) +(2*Omega + G2)*cos(z(3))); A_TS = ro_b*(tgT1 + tgT2 + tgT3) + J1*Omega - Pc*h/Omega; tgM1 = 2*(L*R^2 + L^3/3) + R*L^2*(cos(z(1)) + cos(z(3))); A_MS = J1 + mG*b^2 + ro_b*tgM1; tgVP = (R/L)*3*Omega^2*b^3*mG/(pi*b-h); tgVP = tgVP*t; tgVP2t= 1.5*(R/L)*Omega^2*sin(z(1))+ 1.5*(g/L)*sin(Omega*t + z(1)); tgVP4t= 1.5*(R/L)*Omega^2*sin(z(3))+ 1.5*(g/L)*sin(Omega*t + pi+ z(3)); tgVP2p = sin(z(1))*( (Omega +0.5*G1)*A_MS -A_TS)/A_MS^2; tgVP4p = sin(z(3))*( (Omega +0.5*G2)*A_MS -A_TS)/A_MS^2; VP2 = tgVP *tgVP2p -tgVP2t ; VP4 = tgVP *tgVP4p -tgVP4t ; %+++++++++++++++++++++++++++++++++++ dSidt_2 = VP2; dSidt_4 = VP4 ; Sidot=[dSidt_1 ; dSidt_2 ; dSidt_3 ; dSidt_4 ]; end %************************************** function xdot=Dao_dong_May(t,x) phi = x(1); phi1 =x(2) ; y = x(3) ; y1 =x(4); tg11 = m*y^2 ; tg12 =m*y*phi; tg22 = m*(phi^2+1); Del = m^2*y^2; tgP1 = a0/2;