Thiết bị leo dây cáp nhằm giám sát và phát hiện hư hỏng của cáp cầu treo

Ở nước ta hiện nay, các công trình cầu treo dây võng và cầu treo dây văng ngày càng nhiều, điển hình như công trình cầu Nhật Tân, cầu Mỹ Thuận, cầu Cần Thơ, cầu Bãi Cháy, cầu Rạch Miễu... Bên cạnh đó, có những công trình cầu treo nhỏ như Dự án 186 cầu treo dân sinh.

Đối với hệ cầu dây, cáp chịu lực đóng vai trò quan trọng, do vậy các chuyên gia thường xuyên phải kiểm tra chất lượng của cáp, khả năng chịu mỏi không chỉ trong quá trình thiết kế, thi công, mà còn cả quá trình khai thác.

Mặc dù hiện nay trên thế giới đã bắt đầu phát triển những thiết bị tự hành gắn camera có thể leo dây cáp để truyền tín hiệu hình ảnh về trung tâm quan sát. Tuy nhiên, các thiết bị này vẫn đang trong quá trình thử nghiệm và chỉ chủ yếu quan sát hình ảnh bên ngoài của dây cáp.

Trong khi đó việc giám sát và đánh giá sự suy giảm độ bền kéo của cáp còn phải tính đến các đặc trưng khác của cáp như biên độ dao động, tần số dao động của cáp. Từ những yêu cầu thực tiễn trên, TS. Nguyễn Văn Quang và nhóm nghiên cứu Viện Cơ học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã tiến hành đề tài “Nghiên cứu, phát triển hệ thiết bị leo dây cáp nhằm giám sát và phát hiện hư hỏng của cáp cầu treo” (mã số đề tài VAST01.05/20-21).

Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là thiết kế, phát triển thiết bị leo dây cáp để giám sát, phát hiện từ xa các hư hỏng của cáp cầu treo nhằm đảm bảo an toàn cho hoạt động của cầu treo. Thiết bị cần có chức năng quan sát bề mặt cáp bằng camera nhằm phát hiện hư hỏng trên bề mặt; đo đạc các đặc trưng động lực học của cáp như biên độ dao động, tần số dao động dọc theo chiều dài cáp để đánh giá, phát hiện sự suy giảm độ bền kéo của cáp.

Nhóm nhận thấy ngày nay các kết cấu mới và hiện đại như cầu, nhà cao tầng, tháp cao, cần trục v.v. đều được lắp đặt các hệ thống giám sát kết cấu để theo dõi nhiều thông số khác nhau như độ nghiêng, nhiệt độ, độ ẩm, dao động v.v. Trong đó, thiết bị tự leo dây cáp cầu treo mang theo thiết bị thu thập dữ liệu phục vụ giám sát hư hỏng dây cáp từ xa được gọi là rô bốt leo cáp.

Trong đề tài này nhóm đã chọn nghiên cứu cảm biến gia tốc MEMS MPU-6050. Đây là loại cảm biến phổ thông, giá thành thấp và có sẵn trên thị trường Việt Nam. Các bộ phận MPU-6050 là cảm biến MotionTracking đầu tiên trên thế giới được thiết kế đáp ứng các yêu cầu năng lượng thấp, chi phí thấp và hiệu suất cao của điện thoại thông minh, máy tính bảng và cảm biến đeo được. MPU-6050 kết hợp chương trình MotionFusion™ của InvenSense và chương trình cơ sở hiệu chuẩn thời gian chạy đảm bảo rằng thuật toán hợp nhất cảm biến và quy trình hiệu chuẩn mang lại hiệu suất tối ưu cho người tiêu dùng.

Kết quả của đề tài đã chế tạo được hệ thiết bị leo dây cáp nhằm giám sát và phát hiện hư hỏng của cáp cầu treo bao gồm: cảm biến đo dao động 3 chiều, 3 cảm biến quan sát camera, thiết bị thu phát tín hiệu qua wifi và 4G, phần mềm điều khiển truyền phát và xử lý tín hiệu dao động từ cảm biến về trung tâm xử lý CABLEHM2020, phần mềm nhận dạng hình ảnh để phát hiện hư hỏng bằng hình ảnh từ camera.

Hệ thống đã được thử nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Cơ học công trình, Viện Cơ học và so sánh với thiết bị đo và xử lý dao động PULSE của hãng Brüel & Kjær của Đan Mạch. Để chứng thực hiệu quả, hệ thống đã được đo thử nghiệm tại cầu treo Trung Hà, tỉnh Hòa Bình. Đây là cây cầu bắc qua khu vực hồ giữa hai xã Trung Hòa và Ngòi Hoa, huyện Tân Lạc, tỉnh Hòa Bình. Kết quả cho thấy tín hiệu dao động từ cáp cầu treo Trung Hòa đã được truyền không dây về máy tính và xử lý online. Các kết quả đo và phân tích tín hiệu dao động của cáp cho thấy hệ thống cảm biến hoạt động tốt, có khả năng giám sát tốt các hư hỏng của cáp cầu treo.

Bên cạnh đó, đề tài đã chế tạo được mô hình rô bốt leo cáp trong phòng thí nghiệm nhằm giám sát và phát hiện hư hỏng của dây cáp cầu dây văng, cầu treo. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cho hay để có thể thương mại hóa sản phẩm, cần phải tiếp tục nghiên cứu để chế tạo rô bốt có khả năng điều chỉnh lực cân bằng trên 3 bánh xe, để các bánh xe chuyển động theo quỹ đạo thiết kế trước, đồng thời rô bốt phải có khả năng chịu được tác động của môi trường như mưa gió, ăn mòn v.v. Bên cạnh đó, để có thể đánh giá được chính xác nhất hiện trạng của dây cáp trong thực tế, cần phải tiếp tục phát triển các phương pháp phân tích tín hiệu hình ảnh và dao động.