Bài báo này nêu ra các kết quả tính toán, kiêm nghiệm tính năng ôn định cũa toa xe xitec có thê tích lớn khi vào đường cong bán kính nhỏ.. Mất ônđịnh là nguycơ luôn tiêm ân trọng vận hàn
Trang 1NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI
STUDYING THE STABILITY OF HIGH CAPACITY TANK WAGONS ON SMALL
Ths Nguyễn Trung Hiếu
TrườngĐại học Giao thôngVậntải
TÓM TẢT
Đê nâng cao năng lực vận chuyên và tận dụng tải trọng trục cho phép lớn nhất của toa xe hàng, mang lại hiệu qua kinh tế cao Đường sắt Việt Nam đang đỏng mới toa xe xitec có thể tích lớn 55m3 Khi thiêt kè chủng loại toa xe này, thì vấn đê ôn định toa xe phải được tính toán xem xét kỹ, nhăm đàm bảo an toàn trong vận hành Bài báo này nêu ra các kết quả tính toán, kiêm nghiệm tính năng ôn định cũa toa xe xitec có thê tích lớn khi vào đường cong bán kính nhỏ.
Từ khoá: Toa xe xitec; Õn định toa xe; Trật bánh; Lật đô toa xe; Lực dan hướng.
ABSTRACT
To improve the carrying capacity, take advantage of the maximum allowable axle load of freight wagons, and bring high economic efficiency, the Vietnam Railways is manufacturing new tank wagons with a high capacity of 55m3 When designing these wagons, their stability must be carefully considered to ensure safe operation This article applies the theoretical fundamental of calculating the stability of tank wagons according to standards, technical regulations to calculate and test the stability of high capacity tank wagons on small radius curves.
Keywords: Tank wagon; Stabilize the wagon; Derailment; Topple the wagon; Guiding effort.
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Đường sat Việt Nam đang đóng mới
toa xe xitec có thể tích lớn 55m3 Khi thiết kế
chủng loại toa xe này, thì vấn đềổn định toa xe
phải được tính toán xemxét kỳ, nhằm đảm bảo
an toàn trong vận hành Mất ônđịnh là nguycơ
luôn tiêm ân trọng vận hành cùa toa xe xitec,
đặc biệt với các toaxe xitec có thể tích lớnkhi
thông qua đường cong bán kính nhỏ Có thể
nói đó lànguyên nhân chủ yếu dần đến các sự
cố đồ tàu, nhiều khi gây ra các tai nạn khốc
liệt, ốn định toa xe chở chất lỏng vì vậy được
coi là chỉ tiêu động lực học quantrọng vào bậc
nhất khi thiết kế, chế tạo và kiểm nghiệm toa
xe xitec chở chất lỏng [1], Tuy nhiên, bài toán
vê an toàn ôn định toa xe xitec chở chât lòng cho tới nay vần chưa đạt tới lời giải cuối cùng ở Việt Nam, cũng chưa có cơ sở lý thuyết rõ ràng khi kiểmnghiệm ồn định toa xe xitec chở chất
ISSN 2615 -9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022
cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn
82
Trang 2lỏng Điều đó gây khó khăn khôngnhỏ cho các
nhàquản lýkhi kiểm định antoàn toa xe xitec,
cũng nhưkhiphân tích nguyên nhân của các vụ
tai nạn xảyra Bài báo đưa ra cơ sở lý thuyết và
kết quả tính toán ổn định củatoa xe xitec chở
chất lỏng thể tích lớn khi qua đường cong bán kính nhỏ nhất trên đường chính tuyến
2 NỘI DUNG
2.1 Thông số tính toán
Bảng 1 Thông sô kỹ thuật toa xe p và giá chuyên hướng [2]:
1 Chiều dài thùng xe LL Í ’ _ 12500 mm
3 Chiều rộng bệ xe A _ 2210 mm
4 ' Chiều rộng lớn nhất 2530 mm
6 Khoảng cách tâmhai cối chuyển
hướng
_ L
mm
9 Tảitrọng toa xe tối đa M 38,5 tấn
10 Vận tốc thiết kế ' V 80 km/h
Thông số giá chuyển hưởng
12 Tốc độ thiết kế V 100 km/h
16 Khoảng cáchngang hai cổtrục
bánh
1
mm
1
17 Khoảng cách nganghệ lò xotw 2b,
1
1495,4
1
mm
18 Độ cứng hệ lò xo trung ương mỗi
đầu xànhún theo phương thẳng
đứng
K
1
tấn
1
ISSN 2615-9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022
cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn
83
Trang 3NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI
Bàng 2 Trọng tâm toa xe:
mặt đỉnh ray (m)
Chiều cao trọng tâm đến tâm trục bánh (m) Trọng tâm khối lượng trên lò xo (thân xe không có giá chuyển hướng)
Bàng 3 Diện tích chăn gió và chiều cao lực gió thùng xe
2.2 Xây dựng lý thuyết tính toán ổn định toa
xe xitec khi vào đường cong
gió (m2)
Chiều cao lực gió đến mặt đỉnh ray (m)
Chiều cao lực gió đến tâm trục bánh (m)
a) Ôn định chống lật toa xe xitec khi vào
đường cong
Chỉ tiêu ổn định chống lật toa xe xitec
đượcđánh giá thông qua chỉ tiêu ổn định chống
lật 7 [5]
rt = 4^ < 0,4
ct
p :Tải trọng tĩnh củatoaxeđốivới đầu
ray(của một phía)[kN]
Pđ là tải trọng chênh lệch của toa xe
đối với đầu ray do lực gió và lực ly tâm gây ra
[kN],
Tiến hành xây dựng sơ đồ tính ổn định
chống lật toa xe xitec khi vào đường cong
Hình 1 Sơ đồ xác định hệ sổ ổn định chống
lật toa xe xitec
Từ sơ đồ, bằng các phương trình cân
bang tình học xác định được p
pd =^[(Hh+ Hgl).r+(HÌ + Hg).r + (HihỊ+Hg.hg)+PA]
ISSN 2615 -9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022
cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn
84
Trang 42S -Gian cáchngang mặt lănbánh xe, [m];
Hlt, H - Lực ly tâm vàlực gió tác dụng
lên 2 giá chuyên hướng, [kN];
Hp Hg - Lực ly tâm và lực gió tác dụng
lênthânxe, [kN];
hp hg - Chiều cao tác dụng của lực ly
tâmvà lực gió thân xe đến tim trục bánh, [m];
r - Bán kính bánh xe, [m];
p - Trọnglượng trên lò xo, [kN];
A - Dịch chuyển ngang của trọng tâm
thânxe, [m]: A = hrP;
p- Góc nghiêng của thân xe, [rad]:
„ í H^Hg
V bL.-1 p
h.fc,
2b,-Gian cáchnganghệ lòxo, [m];
fct - Độ nhún tĩnh lò xo, [m]:
p= 1/2ct (P + v 2PTtz)
2Pt - Trọnglượng dướilò xo của toa xe,
i [kN],
b) Ôn định chống trật bánh toa xe xitec
Chỉ tiêu chống trật bánh được đánh giá
thông qua tỷ số < 1,2 [5],
Y - Lực dần hướng của bánh dần khi
vào đường cong [kN];
Ph - Lực thẳng đứng tác dụng vào bánh
dẫn [kN]
Các lực ngang tácdụng lêntoa xe [1],
- Lực gióvàlực ly tâm c đặt tại tâmgiá
chuyển hướng có chiều hướng ra ngoài đường cong
1 ( V2
C = C,t+Cgl=^\m —^- + FW
C|t - Lực ly tâm toa xe tác dụnglên giá
chuyển hướng [kN];
c - Lựcgió toaxetác dụnglên giá chuyển hướng [kN];
m- Khối lượngtoa xe (tấn);
V -Vận tốc toa xe khi vào đườngcong [m/s];
R -Bán kính đường cong [m];
F - Diện tích chắn gió toa xe [m2];
w-Áp lực gió tính toán [kN/m2]
- Lực siêucao T đặt tại tâm giá chuyển
có chiều ngược với chiều c.
T = m.g.i [kN]
Á Ò
hr- Siêucao của đường [m]
- Lực ma sát trượt giữa mặt lăn bánh
xe và mặtđỉnhray khi giá chuyển hướngquay
quanhmộttâmquay tức thời.Lựcma sát đặt tại
ISSN 2615 - 9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm2022
cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn
85
Trang 5NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI
vị trí tiếp xúc giữa mặt lănbánh xe và mặt đỉnh
ray, có chiều chống lại chuyển động quay của
giá chuyên hướng vàđược chia thành hai thành
phần H theo phương dọc và Q theo phương
ngang
+ Thànhphần ngang: Q
+ Thành phầndọc: TJ _ p s
Hi — ụ I
-X - Khoảng cáchtừ tâm quay đến trục
thứi cùa giá chuyên hướng
PB - Tải trọng thăng đứng tác dụng lên
một bánh xe [kN],
Hình 2 Sơ đồ xác định lực dẫn hướng
Cự ly tâm quay tức thời đến bánh dần
được xácđịnhtheo công thức:
X, = (y" -ỵ') R [m]
2 L,
Trong đó: L - Khoảng cách trục trong
giá chuyểnhướng (m);
yn - Khe hớ giữa lợi bánh và hông ray
trong đường cong;
yj - Độ rơ ngang bánh dần, với toa xe
coi y, =0
2.3 Ket quả tính toán ổn định toa xe xitec khi vào đường cong
Tính toán khi toa xe vào đường cong
bán kính nhỏ nhất 97m, với vận tốc tính toán lớn nhất cho phcp khi vào đường cong, áp lực gió tính toán lớn nhất(W = 500 N/m2 coi cùng chiều với lực lytâm
Tốc độ tối đakhi qua đường cong:
ISSN 2615-9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm2022
cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn
86
Trang 6Kmax = 4, 1Vẩ =4,1797 =40,38 [km ỉ h] (3)
a) Tính toán chỉ tiêu ổn định chống lật
Tính toánchohai chếđộ: toa xe đầytải
và toa xe rồng tải
Bâng 4 Kêt quả tính toán chi tiêu ôn định
chống lật toa xe xitec:
Thông số tính
toán
Toa xe rỗng tải
Toa xe toàn tải
Độcứng lò xo
một đầu xà nhún
(kN/m)
3622.0000
1
3622.0000
Tự nặngtoaxe
(tấn)
17.5000
1 1
17.5000
Khối lượng GCH
(tấn)
3.0500
1
3.0500
Khối lượngxà
nhún (tấn)
0.3140 0.3140
Tải trọng toa xe
(tấn)
38.5000
Siêu caođường hr
(m)
0.0800 0.0800
Vận tốc quađường
cong V (m/s)
11.2167 11.2167
Bánkính đường
cong R (m)
97.0000 97.0000
Khối lượng thùng
xe Mth (tấn)
11.4000 49.9000
Trọnglượng trên
lò xo p (kN)
117.9947 495.6797
Áp lực gió w (kN/
m2)
0.5000 0.5000 Diệntíchchắn gió
thùngxe F2 (m2)
39.0000 39.0000 Diệntíchchắn gió
2 gchF1 (m2)
2.7200 2.7200
Lực gióthùngxe 19.5000
h’ (kN)
19.5000
Lực gió 2 gchHgt 1.3600
(kN)
1.3600
Lực ly tâm 2 gch 3.3700
3.3700
Lực ly tâmthùng 6.2980
xe Hị (kN) Chiều cao tác dụng ; 1.3410
lực ly tâmly (m)
27.5675
1.7260
Chiều cao tác dụng 1.7320 lực gió hg (m) _ _
Chiều cao tác dụng 1.6365 gió ly tâmh (m)
1.7070
1.7181
Độ nhún tĩnh lò xo 0.0081
0.0342
Delta A 0.0087 0.0192
Bánkính bánh xe 0.3900
r(m)
0.3900
Tải trọng động Pđ 52.3308
(kN) ’
104.9062
Tải trọng tĩnh(Pct) 85.8375
(kN) ỉ
274.6800
Hệ số chốnglật (r|) 0.6096 0.3819
Như vậy, khi toa xevàođường cong bán
kính nhỏnhất 97m với tốcđộ lớn nhấtchophép khivào đườngcongvàáp lực giótínhtoán lớn
nhất 500 N/m2 Toa xe Xitec đầy tải đảm bảo chỉ tiêu ổn định chống lậtĩ| =0,3891 < 0,4.Toa
xe rỗngtải r| =0,6096không đảm bảo chỉ tiêu
ổn định chống lật Đẻ đảm bảo chỉ tiêuổn định chống lật toa xe Xitec rồng tải, tiến hành hạ
áp lực gió cho phép khi thông qua đường cong bán kính nhỏ hoặchạ vậntốc chophépkhi vào
đường cong Căn cứ vào điều kiện vận dụng
thực tế củacác loại toa xe hàng trong nước và
dựa trên quan hệgiữavận tốc gióvàáp lực gió
ISSN 2615 - 9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm2022
cokhỉvietnam.vn tapchicokhi.com.vn
87
Trang 7NGHIÊN CỨU-TRAO ĐỒI
(tiêu chuẩn TCXD 229: 1999) [4], tiếnhành hạ
áp lực gió cho phép và tính toán được các kết
quả cho trong bang 5
Báng 5 Chỉ tiêu ôn định chống lật toa xe rong tái:
W » lúa cbũf Lật Cu m 1 d ip p Ọí
(K = 9'ÌD Vtm = 4v tỉùnb.i 'Củ
ĩ)a IB.H1F iR í"m q: !ix vso ‘66,.’S \ Br:
Toa xe xitec rồng tải đảm bão điều kiến
ônđịnh chống lậtkhi đi qua đường cong bán kính 97m,tốcđộ lớn nhất cho phép 40,38 km/hvới cấp gió lớn nhất cấp 8 (áp lực gió 273,2 N/m2), nếu qua
đường cong 97m, áplực giócấp 9 (366,28 N/m2)
vận tốc cho phéplớn nhất 35 km/h
b Tính toán chỉ tiêu ổn định chống trật bánh
Tính toán với hai chế độ: toa xe xitec đầy
tải và toa xe xitec rồngtai
X, (m) H,(kN) Q,(kN) H2 (kN) Q2(kN) c (kN) Y, (kN) pb (kN)
Rồngtải 1,445 1,838 5,04 5,15 1,51 21,77 22,3 21,46 1,04
Đầy tải 1,628 5,287 16,3 17,1 0,91 46,76 60,4 68,67 0,88
Nhưvậy, toaxe đảmbáoantoànchống trậtbánh khiqua đường cong 97m với áplực gió lớn nhất 500 N/m2, với tốc độ tối đakhi vàođường conglà40,38 km/h
Hình 3 Đô thị biêu diên lực dân hướng khi vào đường cong
I
ISSN 2615 -9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022
cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn
88
Trang 8Theo QCVN18: 2018/BGTVT quy
định chi tiêu ôn định chống trật bánh toa xe
r
hàng < 1,2 Dựa vào đồ thị lực dần hướng,
ta thấy khi tốc độ lớn hom 64 km/h thì chỉ tiêu
ổn định chống trật bánh mới vượt quá giá trị
cho phép Như vậy, khi vào đường cong bán
kính nhỏ 97m với tốc độlớn nhất chophép qua
đường cong 40,38 km/h, toa xe đảm bảo chỉ
tiêu ổn định chống trật bánh
3 KẾT LUẬN
1)Vớitrường hợp toa xe không tải
Để đảm bảo chỉ tiêu chống lật toa xe,
chi được vận hành với cấp gió lớn nhất cấp 8
(áp lực gió 273,2 N/m2), khi qua đường cong
bán kính 97m, vận tốc lớn nhất 40,38 km/h
Khi vận hành ởáp lực gió 366,28N/m2, tưong
ứng với cấp 9, vận tốc cho phép lớn nhất qua
đường cong 97m là 35 km/h Toa xe đảm bảo
chỉ tiêu an toàn chống trật bánh khi qua đường
cong bánkính 97m, áp lựcgió tính toán 500 N/
m2 với tốc độ lớn nhất chophép40,38 km/h
2) Trường hợp toa xe toàn tải
Toa xe đảm bảo chỉ tiêu an toàn chổng lật, chống trật bánh khi qua đường cong bán
kính 97m,áp lực gió tính toán500N/m2vớitốc
độ lớn nhấtcho phép 40,38 km/h.*
Ngày nhận bài: 25/01/2022
Ngày phảnbiện: 12/02/2022 Tài liệu tham khảo:
[1] Lã Ngọc Khuê; Động lực học vận hành cùa đâu máy toa xe, NXB Bách khoa Hà Nội, 2015 [2] Bàn thiết kế toaxexitec 55 m3, Công ty cổ phần Toa xe Dĩ An, 2020.
[3], Bộ Giao thông Vận tải; Tiêu chuân Việt Nam
[4] Bộ Xây dựng; Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 229:
1999, chì dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995.
[5] Bộ Giao thông Vận tải; Quy chuán kỹ thuật Quốc gia về kiểm tra, nghiệm thu toa xe khi
18:2011/BGTVT.
ISSN 2615-9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022
cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn
89