Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu độ bền khung sắt xị xe chữa cháy rừng đa năng - Trường Đại học Lâm Nghiệp

Khung gầm chassis xe chữa cháy rừng đa năng có kết cấu dạng thang chịu lực. Hai dầm dọc chính liên kết với nhau qua các dầm ngang bằng mối ghép hàn và đinh tán. Hệ thống giá đỡ phụ tích hợp các cơ cấu chuyên dụng gồm cụm cắt cây, cắt cỏ và cuốc đất tạo rãnh cản lửa. Kết cấu dầm chính chịu uốn theo phương thẳng đứng và chịu xoắn khi xe di chuyển trên mặt đất rừng mấp mô. Các quang treo nhíp bố trí dọc thân xe nhằm phân bổ phản lực từ mặt đường lên toàn bộ khung xe. Vị trí liên kết giữa dầm ngang và dầm dọc có nẹp gia cường để hạn chế sự tập trung ứng suất cục bộ. Thiết kế khung gầm đáp ứng tiêu chuẩn an toàn vận hành trong điều kiện cháy rừng.

Khung xe sử dụng vật liệu thép kết cấu cường độ cao để giảm trọng lượng bản thân và tăng khả năng chịu tải. Thép hợp kim thấp độ bền cao đảm bảo giới hạn chảy và giới hạn bền kéo vượt trội. Vật liệu này có độ dẻo dai va đập tốt ở nhiều dải nhiệt độ làm việc. Tính hàn của thép đạt mức tối ưu, hạn chế nguy cơ nứt tế vi tại vùng ảnh hưởng nhiệt. Các mẫu thử nghiệm được kiểm tra cơ tính nhằm xác định chính xác mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và đường cong mỏi S-N. Việc kiểm soát chất lượng vật liệu đầu vào giúp khung xe chống biến dạng dẻo khi chịu quá tải đột ngột. Cơ tính vật liệu là thông số đầu vào quan trọng cho quá trình mô phỏng số.

Độ cứng uốn giúp khung duy trì khoảng sáng gầm xe và giữ ổn định các cụm máy. Độ cứng xoắn cho phép các bánh xe bám đường tốt trên địa hình gập ghềnh. Đường lâm nghiệp có độ gồ ghề cao theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995. Khung xe phải chịu biến dạng vặn xoắn liên tục khi hai bánh chéo qua chướng ngại vật. Nếu độ cứng xoắn quá lớn, khung dễ bị nứt mỏi tại các góc liên kết. Nếu độ cứng xoắn quá nhỏ, thân xe mất ổn định chuyển động và gây kẹt cửa cabin. Thiết kế cần đạt sự cân bằng tối ưu giữa độ cứng xoắn và độ cứng uốn. Tỷ số độ cứng phù hợp giúp giảm tải trọng rung động truyền lên người lái và thiết bị.

Tải trọng tĩnh của xe phân bố không đối xứng trên khung sắt xi xe chuyên dùng. Cụm động cơ và hộp số tác dụng lực tập trung lên phần đầu khung xe qua các gối đỡ cao su. Cụm cabin và thùng chứa nước dập lửa tạo ra tải trọng phân bố dọc thân dầm chính. Hệ thống thiết bị chữa cháy chuyên dùng ở phía trước và phía sau tạo thêm mô men uốn phụ. Trọng tâm toàn xe thay đổi tùy thuộc vào lượng nước còn lại trong bồn chứa. Phân bố tải trọng tĩnh được tính toán chi tiết tại từng điểm tựa và liên kết bu lông. Kết quả tính toán xác định trạng thái võng tĩnh ban đầu của dầm khung trước khi chịu tải trọng động.

Nghiên cứu tiến hành mô phỏng tải trọng động và tĩnh trong nhiều tình huống di chuyển. Địa hình rừng được mô hình hóa với chướng ngại vật bậc thang và mấp mô ngẫu nhiên có chiều cao từ 0,1 m đến 0,4 m. Vận tốc xe khảo sát dao động trong khoảng từ 5 km/h đến 20 km/h. Khi bánh trước phải hoặc hai bánh chéo vượt chướng ngại vật, phản lực pháp tuyến tại mấu nhíp tăng đột biến gấp nhiều lần tải trọng tĩnh. Hiện tượng nhấc bánh và vặn khung tạo ra đỉnh tải trọng xung kích lớn. Quá trình mô phỏng xác định được biên độ lực và thời gian tiếp xúc của lốp với mặt đất. Dữ liệu tải trọng động theo thời gian được trích xuất để phân tích ứng suất.

Dao động riêng và phân tích modal giúp đánh giá đặc tính động lực học của khung xe. Mô hình tính toán xác định các tần số dao động tự nhiên và dạng dao động tương ứng trong không gian 3 chiều. Các dạng dao động chính bao gồm uốn dọc phẳng Oxz, uốn ngang phẳng Oyz và xoắn thuần túy quanh trục dọc. Tần số dao động riêng bậc thấp cần tránh xa dải tần số kích thích từ động cơ và mấp mô mặt đường. Sự tách biệt tần số ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng gây phá hủy kết cấu khung. Kết quả phân tích modal chỉ ra các vùng nút và bụng dao động trên thân dầm. Đây là cơ sở quan trọng để bố trí gia cường kết cấu hợp lý.

Quy trình phân tích phần tử hữu hạn FEA bắt đầu từ việc tiền xử lý hình học và chia lưới. Khung xe được chia lưới bằng các phần tử khối bậc cao SOLID186 và SOLID187 có 20 nút và 10 nút. Các phần tử này mô tả chính xác trạng thái ứng suất uốn và xoắn phức tạp tại vùng góc lượn. Mật độ lưới được làm mịn cục bộ tại các vị trí tiếp giáp dầm ngang và quang treo nhíp. Điều kiện biên ngàm và khớp được thiết lập tương đương với liên kết hệ thống treo trên xe thực tế. Tổng số phần tử và nút lưới được tối ưu hóa để đảm bảo độ hội tụ và độ chính xác của lời giải. Mô hình lưới đạt tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng phần tử.

Trường ứng suất Von Mises được tính toán cho 5 trường hợp tải trọng tĩnh cực đại và động đột ngột. Trường hợp xe di chuyển khi hai bánh chéo gặp mấp mô tạo ra giá trị ứng suất tương đương lớn nhất trên toàn khung. Ứng suất tập trung chủ yếu tại mặt bích dầm dọc khu vực gần mấu nhíp sau và vị trí liên kết dầm số 1. Giá trị ứng suất cực đại vẫn nằm trong giới hạn chảy cho phép của vật liệu thép kết cấu. Chuyển vị lớn nhất xuất hiện tại điểm giữa của chiều dài cơ sở khung xe. Biểu đồ phân bố ứng suất cung cấp bức tranh trực quan về mức độ an toàn cơ học của khung sắt xi.

Liên kết hàn khung sắt xi là vị trí chịu ảnh hưởng nhiệt và dễ xuất hiện khuyết tật kết cấu. Nghiên cứu khảo sát trạng thái ứng suất cục bộ tại các đường hàn giữa dầm ngang và dầm dọc. Ứng suất tiếp và ứng suất pháp tổng hợp tại chân mối hàn được đánh giá nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn hàn kết cấu xe cơ giới. Thiết kế sử dụng các bản mã chuyển tiếp nhằm phân tán dòng truyền lực và giảm nồng độ ứng suất tại mép hàn. Kết quả mô phỏng cho thấy các mối hàn đảm bảo khả năng chịu tải trọng xung kích mà không bị nứt gãy. Chất lượng liên kết hàn đóng vai trò then chốt đảm bảo tính toàn vẹn của toàn bộ khung gầm.

Đường cong mỏi thực nghiệm S-N của mẫu thép A157 được xác định qua các thí nghiệm kéo nén xoay chiều. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ ứng suất và số chu kỳ phá hủy của vật liệu. Các tiêu chuẩn bền mỏi quốc tế như Goodman, Gerber và Soderberg được áp dụng để hiệu chỉnh ảnh hưởng của ứng suất tĩnh trung bình. Giới hạn mỏi của thép giảm đi khi xét đến độ nhám bề mặt và kích thước hình học của chi tiết. Biểu đồ giới hạn mỏi cho phép xác định nhanh vùng làm việc an toàn của dầm khung. Dữ liệu đường cong mỏi chuẩn hóa là căn cứ tính toán tuổi thọ tích lũy cho toàn bộ kết cấu xe.

Đánh giá độ bền mỏi khung xe dựa trên phương pháp đếm chu kỳ ứng suất dòng mưa (Rainflow Counting). Lịch sử ứng suất động tại các điểm nguy hiểm nhất được phân tách thành các chu kỳ ứng suất có biên độ và giá trị trung bình xác định. Hệ số an toàn mỏi được tính toán cho từng vùng cục bộ trên dầm dọc và thanh giằng ngang. Vùng liên kết quang treo nhíp có hệ số an toàn mỏi thấp nhất nhưng vẫn đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra. Phân tích cho thấy không xuất hiện hiện tượng phá hủy mỏi sớm dưới tác động của dải tải trọng khai thác. Khung xe duy trì độ bền kết cấu ổn định sau nhiều chu kỳ chịu tải liên tục.

Tuổi thọ làm việc của khung sắt xi xe chuyên dùng được dự báo bằng định luật tích lũy hư hỏng Miner. Tổng tổn thương mỏi tích lũy qua các chế độ vận hành trên đường rừng được lượng hóa chính xác. Kết quả cho thấy tổn thất mỏi hàng năm nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn xe chuyên dụng lâm nghiệp. Khung sắt xi đáp ứng thời gian khai thác an toàn tối thiểu theo yêu cầu thiết kế ban đầu. Việc xác định tuổi thọ mỏi giúp lập kế hoạch bảo dưỡng định kỳ và kiểm tra không phá hủy các vị trí xung yếu. Đây là cơ sở thực tiễn để nâng cao chất lượng chế tạo xe chữa cháy rừng.

Phương pháp thực nghiệm sử dụng cảm biến lực đa trục Z4 và cảm biến biến dạng tenzo điện trở. Cảm biến lực Z4 được lắp đặt tại các gối đỡ hệ thống treo để ghi nhận phản lực pháp tuyến tác dụng lên khung sắt xi. Cảm biến tenzo dán tại các điểm tập trung ứng suất cao trên dầm chính để đo biến dạng cục bộ. Cảm biến đo chuyển vị quang học và cảm biến gia tốc ghi nhận dao động không gian của khung xe. Tín hiệu đo được khuếch đại và truyền về bộ thu thập dữ liệu đa kênh trên xe. Xe thử nghiệm thực hiện các bài chạy qua mấp mô đơn và mấp mô liên tục ở các dải tốc độ khác nhau.

Công tác hiệu chuẩn thiết bị đo được tiến hành cẩn trọng trước khi thử nghiệm trên đường. Cảm biến đo lực thẳng đứng và cảm biến chuyển vị khung được lấy chuẩn trên bàn thử chuyên dụng có tải trọng mẫu chính xác. Đường cong chuẩn đạt độ tuyến tính cao với sai số hiệu chuẩn nhỏ hơn 2%. Trong quá trình xe chạy thử, phần mềm thu thập dữ liệu ghi lại liên tục đồ thị biến thiên lực và chuyển vị thẳng đứng tại từng mấu nhíp. Bộ lọc số loại bỏ các nhiễu tần số cao từ động cơ và rung động ngoại cảnh. Dữ liệu làm sạch phản ánh chính xác đáp ứng động học của khung sắt xi xe chữa cháy.

Kết quả đo thực nghiệm được so sánh trực tiếp với kết quả mô phỏng số để đánh giá độ tin cậy. Phản lực pháp tuyến cực đại tại các mấu nhíp giữa mô phỏng và thực tế có độ lệch tương đối dưới 8%. Chuyển vị thẳng đứng lớn nhất của khung xe ghi nhận trong thí nghiệm có quy luật biến thiên trùng khớp với mô hình phân tích phần tử hữu hạn. Vị trí xuất hiện biến dạng lớn nhất trên xe thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với kết quả tính toán ứng suất Von Mises trên ANSYS. Sự tương thích cao giữa lý thuyết và thực nghiệm khẳng định tính đúng đắn của mô hình nghiên cứu đã xây dựng.