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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:183

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát"được nghiên cứu với mục đích: 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát

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
i LỜI CAM ĐOAN 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 Hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS. Dương Văn Tài TS. Trần Văn Tưởng Hoàng Minh Hòa
ii 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
iv 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
v 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
vi 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
ix 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
x 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
xi 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 a0 Mật độ cánh quạt b1, b2 cm Độ rộng cánh quạt Tốc độ tuyệt đối của dòng không khí tại đầu C m/s ra Tốc độ tuyệt đối của dòng không khí tại đầu Cv m/s vào C2u m/s Tốc độ dài của đầu ra của không khí C1 N/m Độ cứng qui đổi của lò xo liên kết giữa khung máy với tay cần phía trên C2 N/m Độ cứng qui đổi của lò xo liên kết tay cầm ngang d cm Đường kính ống thổi D1 cm Đường kính trong cánh quạt D2 cm Đường kính ngoài cánh quạt β1 độ Góc lắp ráp đầu vào cánh quạt β2 độ Góc lắp ráp đầu ra của cánh quạt Z Số cánh quạt µ Hệ số Poatxong α độ Góc sau β độ Góc mài  độ Góc cắt n Vòng/phút Số vòng quay  Rad/s Vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt đất
xii SA N.s Xung lượng va chạm tại mũi dao m kg Khối lượng của dao 1 , 0 Rad/s Vận tốc góc của dao sau và trước va chạm; J O1 kgm2 Mômen quán tính khối lượng dao đối với điểm O1. v m/s Vận tốc va chạm t1 s Thời gian va chạm t m Biến dạng tại điểm va chạm S0 m Độ lún của đất do áp lực Pt N Áp lực tĩnh do tải trọng gây ra F m2 Diện tích dao cắt tiếp xúc đất h m Chiều sâu lưỡi cắt đi xuống đất m2 kg Khối lượng qui đổi của hệ thống cắt đất R m Bán kính đĩa thép L m Chiều dài dao cắt γ KG/m3 Trọng lượng riêng của đất Nc-kv KW Công suất cắt- kéo văng đất f Hệ số ma sát giữa lưỡi cắt với đất B m Bề rộng dao cắt n N/m2 Ứng suất nén của đất, f Hệ số ma sát giữa đất và lưỡi dao cắt E N/m2 Mô đun đàn hồi của đất khi bị nén m1 kg Khối lượng qui đổi của khung và động cơ i Rad/s Tần số dao động riêng của hệ Nc KW Công suất động cơ Ncd N Công suất cắt đất Nb N Công suất bẩy đất Nk KW Công suất để kéo đất
xiii Fqt N Lực quán tính X Số trung bình mẫu của tổng thể. S Tiêu chuẩn mẫu. αt Mức ý nghĩa Nm Dung lượng mẫu ∆ Sai số tuyệt đối t s Thời gian cắt m Số lần lặp lại cho mỗi thí nghiệm ud m/s Tốc độ đẩy 1 Chỉ tiêu student tra bảng Sp Phương sai của thí nghiệm K Hệ số dự trữ b0, bi, bij, bii Hệ số hồi qui Ntn Số thí nghiệm S2m Phương sai lớn nhất trong tổng số thí nghiệm S2u Phương sai thực nghiệm thứ n với số lần lặp lại mu m Hệ số liên tục Yui Giá trị của thông số ra ở điểm u Giá trị trung bình thông số ra tại điểm u Yui Xi Giá trị thực của tham số đầu vào q Cường độ lực ép Td Động năng của hệ F m2 Tiết diện, diện tích Fqt N Lực quán tính f Hệ số ma sát G kG Trọng lượng thiết bị
xiv Gm kg/s Khối lượng đất hút trong đường ống Kc N/mm2 Hệ số cản cắt của đất Nđc KW Công suất động cơ Nct KW Công suất cần thiết Ntt KW Công suất tính toán Pmax N Lực cắt lớn nhất Ptp kG/m2 Tổn thất áp lực toàn phần của hệ thống hút Pn kG/m2 Tổn thất áp lực đoạn ống ngang hút đất Po kG/m2 Tổn thất áp lực đường ống Pcong kG/m2 Tổn thất áp lực đường ống cong Ph kG/m2 Tổn thất áp lực do độ cao Pc N Lực cắt đất Q m3 Thể tích không khí Qm m3/h Năng suất hút của hệ thống hút đất Lưu lượng không khí cần thiết trong hệ ’ 3 Q m /s thống hút b m Khoảng cách từ điểm O đến điểm A mG g Khối lượng của đất kéo và văng J1 kg/m2 Mô men quán tính của đĩa thép lắp dao cắt ρ kg/m Mật độ khối lượng trên chiều dài của dao cắt ρ kk kg/m3 Mật độ khối lượng riêng của không khí γi Độ Góc hợp bởi đường thẳng (OO1) với dao cắt Moz (Si) N.m.s Mô men xung lượng cắt đất, kéo văng đất Lz(0) N.m.s Mô men động lượng với trục Oz
1 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
2 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
3 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.
4 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