1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Thời gian vừa qua ở nước ta, một số tuyến đường ô tô khi vừa
mới đưa vào khai thác, sử dụng đã xuất hiện những hư hỏng, lún
vệt bánh xe, nứt, vỡ, bong tróc bề mặt mặt đường sớm hơn so với
dự báo của thiết kế; đã có nhiều nghiên cứu, trao đổi học thuật
xung quanh vấn đề vật liệu, chất lượng thi công, phương pháp thiết
kế, điều tra tải trọng, lưu lượng xe, tình trạng xe quá tải nhằm tìm
ra các nguyên nhân và đề ra các giải pháp khắc phục, bước đầu đã
thu được những kết quả nhất định.
Khi ô tô chạy trên cầu/đường, gây cho nó các lực thẳng đứng
cũng như các lực ngang và dọc làm cầu đường xuống cấp. Ngược
lại, cầu đường cũng tác động trở lại làm cho tải trọng tăng theo: lốp
mòn, giảm khả năng truyền lực. Theo tài liệu thiết kế đường [6,
11], hệ số xung kch được sử dụng khi thiết kế đường chỉ phân biệt
đường áo cứng và mềm. Ngày nay, đường được phân thành đường
cao tốc, đường quốc lộ, đường tỉnh lộ và đường khu vực. Ngoài ra,
tải trọng lớn như đoàn xe sơ-mi rơmoóc (ĐXSMRM) cũng lưu
hành ngày càng nhiều. Vì vậy xác định tải trọng động của
ĐXSMRM một nhu cầu cần thiết hiện nay ở Việt Nam.
Mục đích của luận án
Mục đch của luận án là nghiên cứu thiết lập mô hình động
lực học đoàn xe sơ-mi rơmoóc chạy trên các loại đường với vận
tốc khác nhau và với các mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO
8608:1995 để xác định tải trọng làm dữ liệu tham khảo khi thiết kế
đường.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng dùng để lập mô hình là đoàn xe SMRM 5 cầu, gồm
xe đầu kéo HYUNDAI HD 700 ba cầu và SMRM Tân Thanh 742-
S-01CERTIFICATE có 02 cầu.
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng nguyên lý tách cấu trúc
hệ nhiều vật MBS để thiết lập mô hình động lực học xe kéo sơ-mi
rơmoóc theo Newton-Euler.
- Nghiên cứu thực nghiệm:Thí nghiệm trên hiện trường
để kiểm chứng mô hình lý thuyết và xác định tải trọng động.
Phạm vi nghiên cứu
2
Luận án nghiên cứu các thông số tải trọng động có ảnh hưởng
đến đường. Những phần nghiên cứu có liên quan đã được trình bày
ở các nghiên cứu trước đây.
Các kết quả đã đạt được của Luận án
- Đã xây dựng mô hình động lực học phương thẳng đứng
đoàn xe SMRM trong chuyển động nhằm xác định tải trong động.
- Đã khảo sát xác định tải trọng động của đoàn xe khi
chuyển động trên 4 loại đường ngu nhiên theo ISO 8608:1995.
- Đã xây dựng hệ thống thí nghiệm dao động đoàn xe: để
kiểm chứng mô hình l thuyết và xác định tải trọng động bằng thực
nghiệm của ĐXSMRM.
Nội dung luận án
Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu tải trọng ô tô
Chương 2: Xây dựng mô hình xác định tải trọng đoàn xe sơ-mi
rơmoóc
Chương 3: Ứng dụng mô hình động lực học ĐXSMRM xác
định tải trọng động xuống đường
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU TẢI
TRỌNG Ô TÔ
1.1 Tổng quan
Tải trọng ô tô được xem là phản lực giữa lốp và đường, tải
trọng này được xác định khi ô tô chuyển động, được gọi chung là
tải trọng động theo thuật ngữ Anh “Moving dynamic Load”.
Các nghiên cứu sau đây đều sử dụng tải trọng:
- Khi nghiên cứu về cầu/đường không những cần tải trọng
cực đại để xác định ứng xuất phá hủy mà còn cần tải trọng chu kỳ.
- Nghiên cứu độ bền của khung vỏ, dầm cầu.
- Xác định tham số cấu trúc cho đoàn xe.
Tải trọng đoàn xe phụ thuộc các yếu tố sau:
- Mấp mô mặt đường: chiều cao mấp mô và vận tốc xe (tần
số kch động);
- Các lực quán tnh phương dọc, phương ngang của đoàn xe
khi phanh, tăng tốc và quay vô lăng. Sự thay đổi tải trên khớp yên
ngựa. Lực liên kết, mô men liên kết giữa chúng là liên kết “động
lực học”. Liên kết giữa khối lượng được treo và không được treo
thông qua hệ thống treo cũng là liên kết động lực học. Ảnh hưởng
3
các lực/mô men quán tính của các khối lượng được treo xuống
bánh xe phụ thuộc kiểu và các thông số kết cấu hệ thống treo.
1.2 Tình hình nghiên cứu tải trọng động ô tô
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
(a) Nghiên cứu lý thuyết
Sự phá hủy đường chịu 2 yếu tố là tải trọng tĩnh và tải trọng
động. Tải trọng tĩnh là thông số quy định (tải trọng trục) dùng làm
cơ sở cho thiết kế đường. Khi thiết kế đường người ta chọn tải
trọng tĩnh, thường là 40kN [19], hệ số tải trọng động là 1.3 [47].
Vấn đề nghiên cứu tải trọng động của ô tô trong các nghiên
cứu của thế giới thường được gắn liền chặt chẽ với bài toán nghiên
cứu dao động ô tô. Đây là lĩnh vực đã được nghiên cứu hoàn chỉnh
bao gồm các mảng nghiên cứu: hàm kch động (tuần hoàn, xung và
ngu nhiên [12, 31, 34, 37, 58]); các mô hình dao động (1/4, 1/2 và
mô hình 4/4); các đánh giá về dao động theo tiêu chí êm dịu, tải
trọng động; các yếu tố phi tuyến trong mô hình (hệ thống treo,
lốp,…). Cụ thể như sau:
- Tiêu chí đánh giá tải trọng động: Bánh xe có 2 hành trình
nén và trả. Hành trình nén gây tải trọng động làm hỏng chi tiết ô tô
và phá hủy đường. Yếu tố gây tổn hại đường được đánh giá qua hệ
số tải trọng, giá trị cực đại tải trọng động (hệ số xung kích), hệ số
áp lực đường [17, 45]. Hành trình trả làm giảm tải trọng tổn hại
đến khả năng truyền lực và được đánh giá bằng hệ số tải trọng
động cực tiểu.
- Về mô hình xác định tải trọng động: Tải trọng động
thường được mô tả bằng các mô đun trong mô hình dao động của ô
tô. Trong các nghiên cứu của thế giới, mô hình dao động đã khá
hoàn chỉnh.
(b) Nghiên cứu thực nghiêm
+ Phương pháp đo trực tiếp trên đường được David Cebon [17]
sử dụng, cảm biến được sử dụng là điện áp, khoảng cách cảm biến
là 0.4 m.
+Phương pháp đo biến dạng hướng kính của lốp bằng Laser
[33].Hạn chế của phương pháp này là khó khăn khi lắp cảm biến vì
bánh xe luôn quay.
+Xác định tải trọng theo Woodroff [33]: Tải trọng động được xác
định theo công thức
z
Z Sher
F F m
&&
4
1.2.2 Tình hình nghiên cứu tải trọng động ở Việt Nam
Hiện nay, ở Việt Nam đang áp dụng hai tiêu chuẩn tnh
toán thiết kế mặt đường mềm là 22TCN 211 - 06 và 22TCN 274 –
01 [11].
Qua nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã khẳng định
độ lớn của tải trọng trục, khoảng cách giữa các trục, cụm trục,
chủng loại bánh xe, áp lực bánh xe trên mặt đường, áp suất trong
bánh xe đều có ảnh hưởng tới tuổi thọ của kết cấu mặt đường.
Trong đó, độ lớn của áp lực bánh xe có ảnh hưởng nhiều nhất tới
biến dạng và các hư hỏng các lớp pha trên bề mặt mặt đường.
Từ đó ta thấy rằng, khi thiết kế hay thẩm định đường cần
hai thông số là tải trọng tương đương của cầu và tải trọng động.
Tải trong cầu xe là tải trọng tĩnh tương đương được luật quy định.
Yếu tố thứ 2 là tải trọng động phụ thuộc pha xe, bao gồm vấn đề
nghiên cứu hoàn thiết kết cầu giảm tải trọng động và nghiên cứu
các yếu tố ảnh hưởng trọng đến đường.
Nhu cầu sử dụng tải trọng động để nghiên cứu trong ngành
cầu đường và ngành ô tô là rất lớn. Tuy nhiên, việc đánh giá tải
trọng động còn hạn chế, chỉ nghiên cứu cho các dòng xe cỡ nhỏ và
trung bình, chỉ dừng lại ở mô hình ¼ hoặc 1/2. Hiện chưa có một
công trình nào về nghiên cứu xác định tải trọng động đoàn xe.
1.2.3 Tiêu chuẩn đánh giá
Khi đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động ô tô đến cầu
đường, trong các nghiên cứu trước đây thường sử dụng các tiêu chí
đánh giá là hệ số tải trọng động, hệ số áp lực đường.
Do đó khi thiết kế đường người ta chọn tải trọng tĩnh
(tương đương) và nhân với hệ số tải trọng động. Tải trọng tĩnh quy
đổi hiện nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới cũng chọn không
thống nhất [11].
Hệ số tải động cực đại max (kd) được ngành cầu đường gọi
là hệ số xung kích IM [3, 6, 11]). Theo Tiêu chuẩn Nga ОДН
218.046-01, Việt Nam cũng sử dụng tiêu chuẩn này, hệ số tải trọng
được chọn khi thiết kế là 1.3.
1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp, nội dung và phạm vi
nghiên cứu
1.3.1 Mục tiêu
Mục đch của luận án là nghiên cứu thiết lập mô hình động
lực học đoàn xe sơ-mi rơmoóc chạy trên các loại đường với vận
5
tốc khác nhau và với các mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO
8608:1995 để xác định tải trọng làm dữ liệu tham khảo khi thiết kế
đường.
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng dùng để lập mô hình là đoàn xe SMRM 5 cầu,
gồm xe đầu kéo HYUNDAI HD 700 ba cầu và SMRM Tân Thanh
742-S-01CERTIFICATE có 02 cầu.
1.3.3 Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
1.4 Phạm vi nghiên cứu
Từ mục tiêu nghiên cứu được đề ra luận án cần thực hiện
những nội dung sau:
(i) Xây dựng mô hình động lực học xác định tải trọng
động của ĐXSMRM; xây dựng mô hình động lực học cho thí
nghiệm khi không biết mấp mô đường;
(ii) Xây dựng hệ thống đo dao động, kiểm chứng mô
hình l thuyết bằng thực nghiệm.
(iii) Khảo sát xác định tải trọng động trên các loại đường
tiêu chuẩn ISO 8608:1995 nhằm xác định một bộ dữ liệu về tải
trọng để ngành cầu đường có thể tham khảo khi thiết kế đường.
1.5 Nội dung luận án
Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu tải trọng ô tô
Chương 2: Xây dựng mô hình xác định tải trọng đoàn xe sơ-
mi rơmoóc
Chương 3: Ứng dụng mô hình xác định tải trọng động xuống
đường
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 2. MÔ HNH TẢI TRỌNG ĐNG ĐXSMRM
2.1 Phân tích cấu trc đon xe SMRM
Đối tượng dùng để lập mô hình là đoàn xe SMRM 5 cầu,
gồm xe đầu kéo HYUNDAI HD 700 ba cầu và SMRM Tân
Thanh 742-S-01 CERTIFICATE, có 02 cầu.
2.2 Phương pháp lập mô hình toán
Đoàn xe SMRM có cấu trúc phức tạp nên phương pháp tách
cấu trúc hệ nhiều vật MBS là phù hợp. Thiết lập hệ phương trình
theo Newton-Euler tổng quát.
2.3 Định nghĩa hệ tọa độ cho đon xe SMRM
Để có thể thiết lập được hệ phương trình vi phân cho mô hình, ta