Một phương pháp thí nghiệm đánh giá độ êm dịu của xe lu rung

MỘT PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ ÊM DỊU CỦA XE LU RUNG Lê Văn Quỳnh*, Bùi Văn Cường, *Nguyễn Thị Quỳnh Anh Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Dao động là một những nguyên nhân chính gây ra bệnh nghề nghiệp cho người điều khiển xe lu rung. Bài báo này trình bày một phương pháp thí nghiệm xác định dao động của ghế ngồi người lái xe lu rung bánh đơn trong một số điều kiện hoạt động. Kết quả đo được phân tích, đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997-E). Kết quả đánh giá cho thấy độ êm dịu của xe chưa thỏa mãn được tiêu chuẩn ISO, đồng thời nó cũng không đảm bảo được thời gian yêu cầu làm việc 4 giờ của người điều khiển khi xe hoạt động. Ngoài ra kết quả này có thể căn cứ về mặt thực nghiệm cho thiết kế tối ưu hệ thống đệm cách dao động cabin xe lu rung. Từ khóa: Xe lu rung, thí nghiệm, độ êm dịu, tiêu chuẩn quốc tế, đánh giá. GIỚI THIỆU Độ êm dịu là một thông số rất quan trọng khi thiết kế xe lu. Ngày nay, độ êm dịu của xe thường được xác định và đánh giá bằng phương pháp mô phỏng số và thí nghiệm. Sử dụng phương pháp thí nghiệm đã được các nhà nghiên cứu trên thế giới tiến hành nghiên cứu từ rất sớm, GS. Wu Guoliang và các cộng sự (1987) đã tiến hành đo và đánh giá độ êm dịu hoạt động xe lu rung CA25 thông qua tiêu chuẩn đánh giá quốc tế [9] và đến sau đó một số tác giả như Zeng Xianke và cộng sự (1990 )[10]; Beck L và cộng sự (2003) [2]; Ario Kordetansi và cộng sự (2010) [1]; Hou Jingnu và cộng sự (2011) [5], các công bố này đều tiến hành đo và kết quả đo được phân tích đánh giá theo tiêu chuẩn ISO2631-1 (1997-E) [4]. Tuy nhiên, công trình này chưa chỉ rõ được thời gian gây mệt mỏi - giảm hiệu suất làm việc của người điều khiển mà chỉ đánh giá độ êm dịu thông qua gia tốc dao động CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG Để đánh giá ảnh hưởng của dao động đến cơ thể người, hiệp hội tiêu chuẩn quốc tế đã đưa ra tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997). Theo tiêu chuẩn này tần số dao động kích thích từ nguồn phát kích thích đến các vị trí khảo sát nằm trong khoảng từ 0.5 đến 80Hz. Cả hai thông số là gia tốc bình phương trung bình (aw) và thời gian mệt mỏi - giảm hiệu suất làm việc (TFD0) trong tiêu chuẩn ISO 2631-1(1997) được chọn làm chỉ tiêu đánh giá kết quả đo dao động ghế ngồi người điều khiển xe lu rung khi xe hoạt động ở các điều kiện khác nhau. Gia tốc bình phương trung bình Theo tiêu chuẩn ISO 2631-1(1997) thì gia tốc bình phương trung bình được xác định theo công thức dưới đây: 1 é T ù 2 bình phương trung bình, điều đó sẽ không  1 W W a = ê ò a2 (t)dtú (1) wy wz đánh hết ảnh hưởng của điều kiện hoạt động đến hiệu suất làm việc của người điều khiển. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là xây dựng phương pháp thí nghiệm nhằm xác định mức độ dao động của ghế ngồi và thời gian gây mệt mỏi giảm năng suất lao động của người lái khi điều khiển xe lu rung bánh lu đơn trong một số điều kiện hoạt động. Các kết quả đo được so sánh với tiêu chuẩn ISO2631- ëT 0 û Trong đó: aw là gia tốc dao động bình phương trung bình; aw(t) là gia tốc dao động theo thời gian(m/s2) và T là thời gian khảo sát(s). Tổng gia tốc dao động bình phương trung bình theo 3 phương X, Y, Z được xác định theo công thức dưới đây: 1(1997-E). * Tel: 0943141653; Email: lequynhdl@yahoo.com av = [awx + (1.4a )2 + (1.4a )2 ]1/ 2 (2) Trong đó awx; awy và awz lần lượt là gia tốc bình phương trung bình theo các phương X, Y và Z. Dựa vào bảng 1 chúng ta có đánh giá chủ quan về độ êm dịu của người điều khiển. Bảng 1. Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 aw(m/s2) Cấp êm dịu < 0.315 Thoải mái 0.315÷0.63 Một chút khó chịu 0.5 ÷ 1.0 Khó chịu ÷ 1.6 Không thoải mái ÷ 2.5 Rất khó chịu > 2 Cực kỳ khó chịu Thời gian mệt mỏi- giảm hiệu suất làm việc Khi người điều khiển làm việc một thời gian dài trong môi trường dao động dễ cảm thấy không thỏa mái, mệt mỏi, thâm chí mắc một số bệnh nghề nghiệp do dao động và tiếng ồn gây ra. Chính vì vậy, tiêu chuẩn ISO 2631- 1(1997) đưa ra thông số đánh giá là thời gian mệt mỏi- giảm hiệu suất lao động của người điều khiển và nó được xác định theo công thức dưới đây: ìT = (4a2T )/ a2 ï (đặt phương cảm biến X, Y, Z trùng với phương dọc, phương ngang và phương đứng của ghế ngồi người điều khiển) và các thiết bị được bố trí như hình vẽ 1. Xe thí nghiệm Cảm biến ICP (c) Bộ xử lý và hiện kết quả đo Hình 1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm Điều kiện thí nghiệm: + Vận tốc thí nghiệm: v = 3km/h và làm việc FD 0 1 0 v ïT = (4a2T )/ a2 (3) trên mặt nền đàn hồi. FDx í 0 wx ïT = (4a2T )/ a2 + Tần số kích thích dao động thấp và cao của FDy 2 0 wy ï = (4a2T )/ a2 îTFDz  1 0 wz bánh lu là f = 28 Hz và f = 35Hz. Trong đó: TFD0; TFDx; TFDy; TFDz và av; awx; awy; awz; thời gian mệt mỏi – giảm hiệu suất lao động và gia tốc dao động bình phương trung bình của ghế ngồi người điều khiển theo tổng cộng các phương và phương X, Y, Z; các hệ số a1=2.8m/s2; a2=2m/s2 và T0=0.167 giờ theo tiêu chuẩn quy định. ĐO DAO ĐỘNG CỦA XE LU RUNG Xe thí nghiệm: xe lu rung bánh đơn, thông số kỹ thuật và đặc điểm kết cấu được tham khảo tài liệu [7]. Thiết bị và bố trí: Thiết bị đo sử dụng hệ thống đo động lực học LMS và phân tích của Bỉ và cảm biến đo dao động ICP ba phương Điều kiện làm việc: + Điều kiện 1: xe đứng yên nén và bánh lu được kích thích dao động ở tần số thấp; + Điều kiện 2: xe chuyển động nén và bánh lu được kích thích dao động ở tần số thấp; Điều kiện 1 và 2 nguồn kích thích dao động truyền lên người lái chủ yếu từ bánh lu và động cơ đốt trong. + Điều kiện 3: xe đứng yên nén và bánh lu được kích thích dao động ở tần số cao; + Điều kiện 4: xe chuyển động nén và bánh lu được kích thích dao động ở tần số cao. Điều kiện 3 và 4 nguồn kích thích dao động truyền lên người lái không chỉ từ bánh lu và động cơ đốt trong và còn từ mặt nền biến dạng. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ Các số liệu đo được ở bốn điều kiện làm việc khác nhau của xe được xử lý bằng phần mềm Matlab 7.0. Dưới đây là kết quả đo gia tốc theo 3 phương được xác định theo công thức (2). Dưới đây là kết quả dạng bảng và đồ thị. Bảng 2. Các gia tốc awx, awy, awz và av khi xe hoạt động trong 4 điều kiện khác nhau dao động theo 3 phương X, Y và Z của ghế Đ/K awx 2 awy 2 awz av 2 2 ngồi người điều khiển theo thời gian khi xe hoạt động điều kiện 2 . 1 a /(m/s2) 0.5 x 0 -0.5  (m/s ) (m/s ) (m/s ) (m/s ) 1 0.5675 0.5062 0.9740 1.2357 2 0.6772 0.5754 1.2490 1.5329 3 0.4954 0.3939 0.7992 1.0195 4 0.6439 0.5542 1.1120 1.3994 Dieu kien 1 Dieu kien 2 1.5329 0.6772 0.5675 1.2490 1.2357 0.9740 0.5754 0.5062 2 a /(m/s2) 1.5 -1 2 4 6 8 10 Time/s Phương X 1  1 w 0.5 w 0  a a wx wy  a z av a /(m/s2) y 0 -1 2 4 6 8 10 Time/s Phương Y 4 Hình 3. So sánh gia tốc dao động bình phương trung bình của ghế ngồi ở điều kiện 1 và 2 Dieu kien 3 Dieu kien 4 1.3994 1.1120 1.0195 0.6439 0.4954 0.7992 0.5542 0.3939 2 a /(m/s2) 1.5 w 1 0.5 0 a 2 a /(m/s ) 2 wx a a a wy wz v z 0 -2 -4 2 4 6 8 10 Time/s Phương Z Hình 2. Gia tốc theo thời gian của ghế ngồi theo 3 phương X, Y, Z. Để đánh giá ảnh hưởng của dao động đến độ êm dịu, sức khỏe và hiệu quả người điều khiển dưới các điều kiện làm việc khác nhau, các tác giả đã tiến hành phân tích kết quả đo theo hai thống số aw và TFD dưới đây: Ảnh hưởng điều kiện làm việc đến độ êm dịu người điều khiển: Căn cứ vào kết quả đo trong 4 điều kiện hoạt Hình 4. So sánh gia tốc dao động bình phương trung bình của ghế ngồi ở điều kiện 3 và 4 Dieu kien 1 Dieu kien 3 1.2357 0.9740 1.0195 0.7992 0.5675 0.4954 0.5062 0.3939 0 a /(m/s2) 2 w 1 a 0 av a a wx wy wz Hình 5. So sánh gia tốc dao động bình phương trung bình của ghế ngồi ở điều kiện 1 và 3 Dieu kien 2 Dieu kien 4 1.5329 1.2490 1.3994 1.1120 0.6439 0.6439 0.5754 0.5542 2 1.5 1 0.5 y w v 0 động khác nhau, các gia tốc dao động bình phương bình của ghế ngồi theo 3 phương awx a awz a X,Y, Z được xác định theo công thức (1) và tổng gia tốc dao động bình phương trung bình Hình 6. So sánh gia tốc dao động bình phương trung bình của ghế ngồi ở điều kiện 2 và 4 Từ kết quả bảng 2 và các hình 3, 4, 5, 6 chúng ta thấy rằng: 1) Khi bánh lu rung được kích thích dao động tần số thấp, các giá trị awx, awy, awz và av đều lớn hơn khi bánh lu rung được kích thích dao động ở tần số, đặc biệt là phương Z, điều đó dẫn tới độ êm dịu người điều khiển của xe giảm xuống. Nguyên nhân là do khi xe làm việc chế độ này xuất hiện các tần số kích thích dao động thấp sinh ra từ nguồn kích thích động cơ đốt trong, bánh lu rung và mặt nền biến dạng mà hệ thống đệm cách dao động của xe không phát huy hiệu quả dập tắt dao động dẫn tới các giá trị gia tốc dao động của ghế người điều khiển tăng lên. Khi xe hoạt động điều kiện 2 và 4, các giá trị awx, awy, awz và av đều lớn khi xe hoạt động điều kiện 1 và 3, đặc biệt là phương Z, điều đó dẫn độ êm dịu người điều khiển giảm xuống. Nguyên nhân là do khi xe chuyển động bánh xe tiếp xúc mặt nền đường biến dạng sinh ra các tần số kích thích dao động thấp truyền lên xe. Đối chiếu với bảng 1 theo quan điểm chủ quan đánh giá thì không điều kiện làm việc nào của xe thỏa mãn điều kiện về êm dịu của người điều khiển theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1. Ảnh hưởng điều kiện làm việc đến sức khỏe và hiệu suất lao động của người điều khiển Theo công thức (3) và kết quả 2 ta tính toán được thời gian mệt mỏi – giảm hiệu suất làm việc người điều khiển ở các điều kiện làm việc khác nhau và kết quả được thể hiện trong bảng 3. Từ kết quả bảng 3 chúng ta thấy rằng: Khi các giá trị gia tốc dao động bình phương trung bình tăng lên, thì thời gian mệt mỏi- giảm hiệu suất lao động của người điều khiển giảm xuống. Khi xe hoạt động ở các điều kiện 1, 2 và 4, giá trị TFD0 = (2.23÷3.43) giờ thời gian này nhỏ hơn 4 giờ theo yêu cầu của 1 ca làm việc [8], hay nói cách khác là người điều khiển cảm thấy mệt mỏi sau 4 giờ làm việc. Nguyên nhân là do độ êm dịu hoạt động xe không đảm bảo yêu cầu. Vì vậy để nâng cao độ êm dịu, sức khỏe và hiệu suất lao động của người điều khiển, bước tiếp theo chúng ta nên phải tiến hành cải tiến thiết kế hệ thống đệm cách dao động của xe. Bảng 3. Các giá trị TFDx, TFDy, TFDz và TFD0 ở các điều kiện làm việc khác nhau Đ/K TFDx/h TFDy/h TFDz/h TFD0/h 1 8.29 10.43 5.52 3.43 2 75.83 8.07 3.36 2.23 3 10.89 17.22 8.19 5.04 4 6.44 8.69 4.23 2.67 KẾT LUẬN Thông qua thí nghiệm và phân tích kết quả đo dao động của xe lu rung ở các chế độ làm việc khác nhau chúng ta có thể rút ra được một kết luận sau: Khi xe hoạt động ở điều kiện 1 và 2, các giá trị gia tốc dao động bình phương trung bình giảm xuống dẫn đến độ êm dịu người điều khiển giảm. Nguyên nhân là do các chế độ làm việc này các nguồn kích thích mặt nền, bánh lu rung, động cơ đốt trong sinh ra các tần số dao động kích thích thấp truyền lên ghế ngồi người điều khiển mà hệ thống cách dao động không phát huy có hiệu quả dập tắt. Khi xe hoạt động ở điều kiện 1, 2 và 4, giá trị TFD0 = (2.23÷3.43) giờ thời gian này nhỏ hơn thời gian yêu cầu làm việc 4 giờ. Bước nghiên cứu tiếp theo, các tác giả tiến hành tối ưu thiết kế và chế tạo hệ thống đệm cách dao động cabin và ghế ngồi người điều khiển nhằm nâng cao độ êm dịu, sức khỏe và hiệu suất lao động của người điều khiển. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ario Kordestani, Subhash Rakheja, Pierre Marcotte, et al(2010). Analysis of Ride Vibration Environment of Soil Compactors[J]. AE Int. J. Commer. Veh., Vol.3(1), pp. 259-272. [2]. Beck L., Bloswick D. and Sesek, R.(2003). Health Effects of Vibrating Equipment - A Comparative Analysis of a Caterpillar CS-433B Vibratory Compactor, the 2nd Annual Regional National Occupational Research Agenda (NORA) Young, New investigators symposium. Salt Lake. [3]. Le Van Quynh, Jianrun Zhang, Guowang Jiao, et al(2011). Vibration Analysis and Optimal Design for Cab’s Isolation System of Vibratory Roller. Advanced Materials Research, Vol.199- 200，pp. 936-940. [4]. ISO 2631-1 (1997). Mechanical vibration and shock-Evanluation of human exposure to whole- body vibration, Part I: General requirements, The International Organization for Standardization.  [5]. 侯劲汝(2011). 双钢钢振动动路机减振性能的研究. 西安：长安大学. [6]. Le Van Quynh (2013), 振动动路机驾驾室振动研究与控刔，南京：东 南大学. [7]. Le Van Quynh, 张建润，刅晓波，等(2013). 振动动路机用于不同土壤地面的平顺性评价[J]. 农农工程学报, 29(9): 39-47 [8]. 余志生(2002). 汽车理论. 北京：中国计量出版社. [9]. 吴国梁，程序，张思(1987). 振动动路机乘坐舒适性的试试研究[J].建筑机械 , 1(12), pp. 25-30. [10]. 曾献科 张仲甫(1990). 振动动路机乘坐舒适性试试研究. 四川工农学院学报, 9(1), pp. 217-22 SUMMARY AN EXPERIMENTAL METHOD FOR EVALUATING RIDE COMFORT VIBRATORY ROLLER Lê Văn Quỳnh*, Bùi Văn Cường, *Nguyễn Thị Quỳnh Anh College of Technology – TNU Vibration is a major cause of occupational diseases for vibrator driver. This paper presents an experimental method of determining the seat’s driver vibration of the single drum vibratory roller under the different operating conditions. The experimental results are analyzed and evaluated according to the ISO 2631: 1997 (E) standard. The evaluation results have shown that the vehicle ride comfort is not satisfied the international standard, at the same time, it is also less than keep drivers work efficiency time TFD = 4 hours of operation requirements when it operates. In addition, the study results can provide an experimental basis for the optimal design for cab’s isolation system of vibratory roller. Key words: Vibratory roller, experiment, ride comfort, ISO 2631, evaluation. Ngày nhận bài: 13/3/2014; Ngày phản biện: 15/3/2014; Ngày duyệt đăng: 25/3/2014 Phản biện khoa học: PGS.TS. Lưu Văn Tuấn – Trường ĐH Bách khoa Hà Nội * Tel: 0943141653; Email: lequynhdl@yahoo.com