(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép P43 Dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X Quang

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã đƣợc công bố

mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm”

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2014

Lê Thể Tiến

 Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Lê Chí Cương đã dành nhiều thời gian, tâm huyết và nhiệt tình hướng dẫn, định hướng, góp ý, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

 Quý thầy cô Khoa Cơ khí đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt luận văn

 Quý thầy cô Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi hoàn thành đề tài

 Các anh, chị, bạn bè, trong và ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ tôi tận tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn

 Gia đình, người thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất và tạo điều kiện cho tôi trong suốt những năm học vừa qua

T.p Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014

a Giới thiệu tổng quan về đường ray xe lửa và tàu hỏa

b Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết mỏi, định luật Hertzian, định luật Bragg và phương pháp Parabol, Gaussian là cơ sở để tính toán ứng suất tiếp xúc, chế tạo mẫu thí nghiệm và đánh giá kết quả sau khi thí nghiệm

c Khảo sát chế độ làm việc của đường ray và nghiên cứu đề xuất mẫu thí nghiệm mỏi

e Thực hiện thí nghiệm mỏi do tiếp xúc lăn sau đó nhiễu xạ X – quang so sánh với soi kim tương nhằm dự đoán sự mỏi sớm của bề mặt thép ray P43

ABSTRACT

Actual needs of new experimental steel rails used to increase durability in mechanical engineering, transportation in Vietnam with high reliability is imperative Topic : "Study to determine the status of surface fatigue P43 steel rails used by diffracted X - ray " study , propose and prototype new experiments aimed at studying the possibility of prolonged use rails Thereby , allowing efficient use of rails, reducing imports The process to implement the project include:

a Overview of train tracks and trains

b Learn about the theoretical basis of fatigue , Hertzian law , Bragg 's law and parabolic methods , Gaussian calculation basis for stress exposure , prototyping and experimental evaluation results after the experiment

c Survey modes of rail work and study proposes new sample

d Perform laboratory rolling contact fatigue then diffracted X - ray compare with hypodermic needle relative to the early prediction of surface strain P43 steel

rails

MỤC LỤC

TRANG TỰA

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i

LÝ LỊCH KHOA HỌC ii

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xvi

Chương 1.GIỚI THIỆU 1

1 Mục tiêu đề tài 2

2 Nội dung nghiên cứu 2

3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 3

4.Tính mới của đề tài 3

5 Kết cấu của luận văn tốt nghiệp 3

Chương 2.TỔNG QUAN 5

2.1 Chức năng đường ray xe lửa/ tàu hỏa 5

2.1.1.Đường ray xe lửa 5

2.1.2.Tàu hỏa 8

2.2.Hình dạng và kích thước hình học của ray[9] 9

2.3.Phụ tùng nối giữ ray 10

2.3.2.Phụ kiện giữ ray với tà vẹt gỗ[9] 11

2.3.3.Phụ kiện giữ ray với tà vẹt bê tông[9] 13

2.3.4.Mối nối ray và phụ kiện mối nối[9] 14

2.3.5.Tà vẹt 16

2.3.6.Lớp đá ba lát 17

2.4 Điều kiện hoạt động[9] 19

2.5.Thông số kỹ thuật thép ray 19

2.6.Tải trọng[10] 20

2.6.1.Kết cấu toa xe 20

2.6.2 Bộ phận chạy 20

2.6.3 Phân bố tải lên đường ray 22

2.6.3.2.Trục xe 23

2.7.Các dạng hư hỏng mỏi do tiếp xúc lăn trên đường ray 25

2.7.1 Độ nhấp nhô đường sắt 25

2.7.2.Hư hỏng mỏi do tiếp xúc lăn trên đường ray[22] 26

2.8.Các nghiên cứu trong và ngoài nước 33

2.8.1 Các nghiên cứu ngoài nước 33

2.8.2 Các nghiên cứu trong nước 41

2.9 Kết luận 44

Chương 3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 45

3.1 Hiện tượng mỏi của kim loại 45

3.1.1 Hiện tượng mỏi 45

3.1.2 Giới hạn mỏi 46

3.1.3 Đường cong mỏi 46

3.2 Những chỉ tiêu phá hủy mỏi 50

3.2.1 Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng 50

3.2.2 Chỉ tiêu về năng lượng 51

3.2.3 Chỉ tiêu về vết nứt mỏi 52

3.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới độ bền mỏi 53

3.3.1 Vật liệu và quá trình xử lý nhiệt 53

3.3.2 Trạng thái ứng suất 55

3.3.3 Kích thước tuyệt đối 58

3.3.4 Hình dạng kết cấu 59

3.3.5 Công nghệ gia công cơ khí 61

3.3.6 Oxi hóa và thoát cacbon 62

3.3.7 Ảnh hưởng của hiện tượng Fretting (hiện tượng mỏi – mòn – rỉ) 63

3.4 Cơ chế lan truyền vết nứt 64

3.4.1 Các pha trên đường cong mỏi Wöhler 64

3.4.2 Nghiên cứu bề mặt phá hủy mỏi của các tiết máy thực tế 64

3.4.3 Giải thích cơ chế của sự phá hủy mỏi 65

3.4.5 Các dạng phương trình lan truyền vết nứt mỏi 66

3.4.6 Điều kiện ngừng lan truyền vết nứt mỏi 67

3.2 Tiếp xúc Hertz: 67

3.2.1.Giới thiệu về Hertz [29] 67

3.2.2.Định luật Hertz [29] 68

3.3.Phương pháp nhiễu xạ tia X 73

3.3.1 Nguồn gốc tia x và ứ ng du ̣ng[8] 73

3.3.2 Nhiễu xạ tia X 74

3.3.3 Công thức Bragg[8] 75

3.3.4.Thông số máy nhiễu xạ[8] 77

3.3.5.Các loại máy nhiễu xạ cầm tay: 78

3.4 Cơ sở cấu trú c ma ̣ng tinh thể 78

3.4.1 Mạng không gian và ô cơ sở [12] 78

3.4.2 Mạng Bravais [12] 79

3.4.3 Hệ số xếp và số sắp xếp 82

3.4.4.Cấu trú c ma ̣ng tinh thể của pha ferit và austenite [3] 83

3.4.5 Chỉ số Miller 83

3.4.6 Chỉ số Miller được định nghĩa như sau 83

3.4.7 Để xác định chỉ số Miller cần phải theo trình tự sau 84

3.4.8 Các bề mặt nhiễu xạ của pha ferit và austennite: 85

3.5.Hiệu chỉnh đường nhiễu xạ x-ray [31] 86

3.6.Phương pháp xác định vị trí đỉnh[31] 88

3.6.1 Phương pháp parabola 88

3.6.2 Phương pháp đường cong Gaussian[31] 90

3.7.Phương pháp tiến hành xử lý dữ liê ̣u đo đa ̣c[31] 90

3.7.1 Hiệu chỉnh nền nhiễu xạ 90

3.7.2.Chọn phạm vi bề rộng đáy nhiễu xạ X : 91

Chương 4.NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ CHI TIẾT MẪU 92

4.1.Khảo sát điều kiện làm việc của đường ray 92

4.2.Xét mô hình thực tế bánh xe lửa tiếp xúc với đường sắt 94

4.3.Từ mô hình thực tế chuyển qua phù hợp với mô hình thí nghiệm 96

4.3.1 Mô hình thí nghiệm 96

4.3.2.Nghiên cứu đề xuất mẫu thí nghiệm 98

4.3.3.Tính toán lực F khi con lăn tác dụng lên mẫu thí nghiệm 100

4.3.4.Xử lý kết quả thực nghiệm[16] 101

Chương 5.THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 105

Chương 6.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 PHỤ LỤC 127

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Đường ray 5

Hình 2.2.Bánh xe tiếp xúc đường ray 6

Hình 2.3.Tuyến đường ray 7

Hình 2.4.Đường ray đặt trên bê tông 8

Hình 2.5.Tàu hỏa 8

Hình 2.6.Hình dạng mặt cắt ray 9

Hình 2.7.Mặt cắt ray P43 10

Hình 2.8 Liên kết ray với tà vẹt gỗ 12

Hình 2.9.Hình dạng, kích thước của đinh móc và đinh vít của Liên Xô 13

Hình 2.10.Các loại đinh đàn hồi 13

Hình 2.11.Phối kiện tia rơ phông cóc của Liên Xô 14

Hình 2.12 Mối nối đường ray 15

Hình 2.13.Bố trí tà vẹt chỗ mối nối 15

Hình 2.14.Các loại lập lách dẹp 15

Hình 2.15.Lập lách 2 đầu dùng cho thép ray P43 và P50 16

Hình 2.16.Các loại tà vẹt gỗ 17

Hình 2.17.Tà vẹt bê tông hai khối 17

Hình 2.18.Mặt cắt ngang của lớp đá ba lát trên đường thẳng 18

đường 1435 mm 18

Hình 2.19.Hình dạng thép ray 19

Hình 2.20 Kết cấu toa xe 20

Hình 2.21.Giá chuyển hướng toa xe[9] 21

Hình 2.22.Bộ trục bánh xe 22

Hình 2.23.Trục xe 23

Hình 2.24.Bánh xe 23

Hình 2.25 Độ nhấp nhô ngắn trên bề mặt đường ray[22] 25

Hình 2.26 Mặt cắt ngang thể hiện độ nhấp nhô[22] 26

Hình 2.27 Độ nhấp nhô dài trên bề mặt đường ray[22] 26

Hình 2.28.Sự lan truyền vết nứt do mỏi tiếp xúc lăn[19] 27

Hình 2.29 Tình trạng ban đầu của vết nứt[22] 27

Hình 2.30 Các giai đoạn khác nhau của vết nứt ở góc của đường ray[22] 28

Hình 2.31 Sự tróc lớp vỏ trên bề mặt 28

Hình 2.32 Sự bóc lớp vỏ trên bề mặt đường ray ở các giai đoạn khác nhau 29

Hình 2.33 Mặt cắt ngang của hiện tượng tróc lớp vỏ bề mặt 29

Hình 2.34.Các giai đoạn xuất hiện của vết lồi lõm 29

Hình 2.35.Vết lồi lõm bắt đầu phát triển rộng hơn 30

Hình 2.36.Vết nứt hình ovan 30

Hình 2.37.Vết nứt dọc trên thanh ray 31

Hình 2.38 Vết nứt dọc trên mặt cắt ngang thanh ray 31

Hình 2.39.Vết nứt dọc trên thanh ray 32

Hình 2.40 Các hư hỏng do vết bánh xe lửa 33

Hình 2.41 Hư hỏng mỏi do vết bánh xe lửa kéo dài trên diện rộng 33

Hình 2.42 Đường cong giữa số chu kỳ và lan truyền vết nứt thép U71Mn và U75V với thí nghiệm mỏi 34

Hình 2.43.Góc lan truyền vết nứt của thép ray 34

Hình 2.44 Mặt cắt ngang với các vết nứt được chụp theo kính hiển vi quang học 35

Hình 2.45 Đánh giá độ cứng tế vi theo độ sâu khác nhau dưới bề mặt tiếp xúc lăn 36

Hình 2.46 Máy thí nghiệm mỏi Cemef Tribotester 36

Hình 2.47 Mẫu thí nghiệm mỏi 37

Hình 2.48 Đánh giá độ cứng tế vi và chiều rộng tiếp xúc theo số chu kỳ 38

Hình 2.49 Đánh giá độ cứng bề mặt theo số chu kỳ với tải trọng trục 700N 38

Hình 2.50 Mẫu thí nghiệm 39

Hình 2.51 Máy thí nghiệm mỏi[26] 40

Hình 2.52 Đường cong mỏi do tiếp xúc lăn 41

Hình 3.1.Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại [23] 46

Hình 3.2 Đường cong mỏi Wöhler [1] 47

Hình 3.3 Đồ thị các ứng suất giới hạn [23] 48

Hình 3.4 Đường cong thực nghiệm biểu diễn các biên độ giới hạn 50

Hình 3.5 Đường cong Wohler trong hệ trục logarit [1] 51

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhằm xây dựng chỉ tiêu năng lượng [19] 52

Hình 3.8 Những nơi có tập trung ứng suất [1] 60

Hình 3.9 Các pha trên đường cong mỏi Wöhler [23] 64

Hình 3.10 Những giai đoạn lan truyền vết nứt mỏi [1] 65

Hình 3.11.Đường lan truyền vết nứt mỏi [23] 66

Hình 3.12 Diện tích tiếp xúc Hertz sau khi tác dụng lực lên vật thể 68

Hình 3.13.Định luật Hertz cho vật tròn[29] 69

Hình 3.14.Tiếp xúc Hertz cho đường ray với bánh xe lửa[29] 69

Hình 3.15 Mặt cắt hình dáng của bánh xe và đường ray tiếp xúc với nhau theo phương x [29] 70

Hình 3.16 Mặt cắt hình dáng của bánh xe và đường ray tiếp xúc với nhau theo phương y [29] 71

Hình 3.17.Diện tích tiếp xúc có hình dạng elip khi bánh xe lửa tác dụng lực lên đường ray[29] 72

Hình 3.18 Ứng suất tiếp xúc sinh ra khi bánh xe lửa tác dụng lực lên đường ray[29] 73

Hình 3.19 Nguyên lý nhiễu xạ [8] 75

Hình 3.20 Đường nhiễu xạ X - quang 77

Hình 3.21 Máy nhiễu xạ tia X (X’Pert Pro – Panalytical - Hà lan) 77

Hình 3.22.Máy nhiễu xạ cầm tay AXFG3005 78

Hình 3.23 Mạng không gian của tinh thể rắn lý tưởng, ô đơn vị và hằng số mạng 79 Hình 3.24 Mặt tinh thể lập phương có các điểm cắt 84

Hình 2.26.Giản đồ nhiễu xạ 91

Hình 2.27 Chọn (xo,yo) và (xn,yn) bằng 5 lần bề rộng trung bình 91

Hình 4.1.Sơ đồ tuyến đường sắt Việt Nam 92

Hình 4.2.Mô hình hóa bánh xe lửa tiếp xúc Hertz lên đường ray[29] 94

Hình 4.3.Bánh xe lửa tác dụng lực Q lên đường ray giống như hai hình trụ tròn 97

Hình 4.4.Tiếp xúc giữa hai hình trụ[33] 97

Hình 4.7.Ổ lăn 608 -2Z 99

Hình 4.8 Bản vẽ kỹ thuật mẫu thí nghiệm thép ray P43 99

Hình 5.1.Mẫu dùng thí nghiệm mỏi lăn 106

Hình 5.2.Máy thí nghiệm mỏi đa năng 107

Hình 5.3 Các mẫu thí nghiệm sau khi tạo mỏi 110

Hình 5.4.Mẫu thí nghiệm chia ra thành hai phần 111

Hình 5.5.Mẫu thí nghiệm sau khi cắt 111

Hình 5.6 Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 115

Hình 5.7 Đường nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 115

Hình 5.6 Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 116

Hình 5.9 Đường nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 116

Hình 5.10 Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 117

Hình 5.11 Đường nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 117

Hình 5.12 Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 118

Hình 5.13 Đường nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 118

Hình 5.14 Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 119

Hình 5.15 Đường nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 119

Hình 5.16 Biểu đồ liên hệ giữa bề rộng B với số chu kỳ 120

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1.Thông số kỹ thuật thép ray 19

Bảng 2.2.Thành phần hóa học của thép ray 19

Bảng 2.3.Đặc tính cơ học của thép ray 20

Bảng 2.1 Hệ số biến dạng tế vi thể hiện ứng suất tồn dư trong mỗi mẫu đồng 43

Bảng 3.1.Số liệu Nf của một số kim loại thường dùng[1] 46

Bảng 3.2.Mối quan hệ giữa thành phần hóa học và đặc trưng cơ học của vật liệu[1] 53

Bảng 3.3.Ảnh hưởng của kích thước hạt tới độ bền mỏi [1] 54

Bảng 3.4 Các giới hạn bền và mỏi của một số loại vật liệu[1] 57

Bảng 3.5.Ảnh hưởng của hình dáng mặt cắt ngang của mẫu tới 58

khả năng chống phá hủy mỏi [1] 58

Bảng 3.6.Giá trị tới hạn Katb của một số loại vật liệu [1] 67

Bảng 3.7 Tra hệ số m và n[29] 71

Bảng 3.8.Mạng không gian của hệ tinh thể 79

Bảng 3.9 Quan hệ giữa hằng số mạng và bán kính nguyên tử của kim loại có 82

cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt và lập phương tâm khối 82

Bảng 3.9 Hệ số hấp thu của phương pháp iso-inclination và side-inclination có và không có giới hạn vùng nhiễu xạ 87

Bảng 4.1.Bảng giờ tàu hỏa tuyến thống nhất Bắc – Nam[11] 93

Bảng 4.2.Bảng giờ tàu hỏa các tuyến địa phương 93

Bảng 4.3 Số chu kỳ hoạt động của xe lửa theo từng năm 94

Bảng 5.1.Thông số kỹ thuật của máy 106

Bảng 5.2.Kế hoạch thí nghiệm mỏi lăn 107

Bảng 5.3.Tiến hành thí nghiệm mỏi lăn 108

Bảng 5.4 Kết quả nhiễu xạ X – quang 120

Chương 1

GIỚI THIỆU

Đường sắt cao tốc là một giải pháp giao thông công cộng tương lai cho vùng

đô thị và liên vùng Vì vậy độ bền của đường ray rất quan trọng cho việc phát triển đường sắt cao tốc Hiện nay nhiều hiện tượng ảnh hưởng đến tuổi thọ của thép ray

mà độ bền mỏi là hiện tượng khá phức tạp Một số phương pháp phân tích kết cấu

và tuổi thọ của đường ray trong đó việc nghiên cứu xác định quá trình mỏi đường ray khá thiết thực với Việt Nam khi mà hệ thống đường sắt toàn quốc đang lập kế

hoạch nâng cấp

Hiện tượng mỏi là hiện tượng khá phức tạp, xảy ra khi ứng suất thay đổi theo thời gian Ứng suất này tồn tại trên vật liệu chi tiết máy có trị số nhỏ hơn giới hạn bền, thậm chí còn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu chi tiết máy đó Tuy nhiên nó lại gây ra những dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không phục hồi được, gây tổn thất nghiêm trọng về kinh tế và những hậu quả nguy hiểm Hiện tượng mỏi do tiếp xúc lăn (Rolling Contact Fatigue) là một trong những dạng khác nhau của đường sắt cần được xem xét liên quan đến việc bảo trì đường sắt và tuổi thọ của nó.Vết nứt nhỏ sẽ bắt đầu trên bề mặt đường sắt trước khi lan truyền theo chiều ngang trong các giai đoạn và vết nứt sẽ tiếp tục phát triển theo chiều dọc từ bề mặt tiếp xúc vào bên trong đường ray gây ra hiện tượng nứt gãy đường sắt và tiềm ẩn tai nạn nghiêm trọng nếu không có biện pháp khắc phục hậu quả kịp thời

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện tượng phá hủy mỏi đã được tiến hành nghiên cứu rộng rãi trên cơ sở cơ học và vật lý của độ bền mỏi kim loại đã xây dựng cơ sở lý thuyết mỏi và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng Trong đó có thể kể đến những công trình nghiên cứu có đóng góp quan trọng đối với lĩnh vực khoa học nghiên cứu về mỏi vật liệu: Các nhà khoa học Nga như Ordin, Ivanova, Xêrenxen… [1], các nhà khoa học Anh, Mỹ như Wohler, Gafa,… [1] đã tiến hành nghiên cứu cơ sở cơ học và vật lý của độ bền vật liệu kim loại dưới tác dụng của tải trọng thay đổi – độ bền mỏi, xây dựng lý thuyết và

tiến hành các thực nghiệm kiểm chứng vào những năm 20 của thế kỷ XX…; Những nhà khoa học người Mỹ - D.L.Davidson và S.Suresh [1] đã nghiên cứu

về những khái niệm, lý thuyết nền tảng về giới hạn lan truyền vết nứt mỏi vào năm 1993; Donald J Wulpi [1], một chuyên viên về luyện kim và là một nhà khoa học ở Ấn Độ đã xuất bản một bộ sách nói về toàn bộ các hư hỏng của chi tiết máy, trong đó có trình bày về hiện tượng nứt mỏi và mòn do mỏi, một số cơ chế cũng như đặc điểm vi mô, vĩ mô của vết nứt mỏi (năm 1999); Vào năm

2001, việc công bố công trình nghiên cứu “ Ảnh hưởng của lệch đến sự lan truyền vết nứt mỏi” là một thành tựu của Tatsuro MORITA và Kenji SAITO [1], những nhà khoa học người Nhật đã tiến hành mô phỏng trên máy tính, so sánh và kiểm chứng bằng thực nghiệm mối quan hệ giữa cường độ ứng suất với hệ số lan truyền vết nứt mỏi

Thép ray P43 là loại sản phẩm thép mà Việt Nam không sản xuất được Hàng năm để phục vụ vận tải đường sắt và đảm bảo an toàn tuyến đường sắt hàng chục km thanh ray đã được thay thế theo định chuẩn hiện tại Việc nghiên cứu xác định thời hạn thanh ray là vấn đề ngành đường sắt quan tâm Nhiều phương pháp khác nhau được ứng dụng để nghiên cứu khảo sát độ bền của đường ray, trong số đó là phương pháp nhiễu xạ X - quang Phương pháp này đánh giá sai hỏng mỏi ở giai đoạn sớm của thép ray là một việc làm mới, khó khăn, đòi hỏi các

kỹ thuật phức tạp, các thiết bị phân tích hiện đại Nó mang lại những hiểu biết cần thiết về những sai hỏng mỏi ảnh hưởng đến độ bền và các tính năng khác của thép đường ray

1 Mục tiêu đề tài

Sử dụng phương pháp nhiễu xạ X - quang để khảo sát ứng suất dư và sự biến đổi trong mạng tinh thể nhằm đánh giá sự mỏi sớm của thép đường ray P43

2 Nội dung nghiên cứu

Nhiệm vụ của luận văn tốt nghiệp cao học “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X - quang ” quan

 Tổng quan lý thuyết về các hiện tượng mỏi

 Nghiên cứu đề xuất chi tiết mẫu thí nghiệm

 Chế tạo thử nghiệm chi tiết mẫu, thử nghiệm mỏi trên máy thí nghiệm mỏi

đa năng (phòng thí nghiệm REME)

 Xây dựng đường cong mỏi Wohler cho thép ray

 Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của thép ray sử dụng phương pháp nhiễu

xạ tia X

3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

Do thời gian và khối lượng nghiên cứu lớn nên đề tài tập trung nghiên cứu phát triển xác định trạng thái mỏi của thép đường ray:

 Thí nghiệm được thực hiện cho các chi tiết mẫu thí nghiệm dạng trụctạo mỏi cho chi tiết mẫu do tiếp xúc lăn

 Vật liệu chế tạo các chi tiết mẫu thí nghiệm mỏi là thép đường ray chưa qua

sử dụng

 Đánh giá sự mỏi sớm của thép ray bằng phương pháp nhiễu xạ X – quang

4.Tính mới của đề tài

 Thiết lập xác định mối liên hệ giữa mức độ biến cứng do mỏi lăn với bề rộng đường nhiễu xạ

 Cho phép dự báo thời hạn phục vụ của thanh ray dưới tải xác định

5 Kết cấu của luận văn tốt nghiệp

Đề tài “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X - quang” gồm có 6 chương và phần phụ lục

- Chương 1 nhằm giới thiệu lý do chọn đề tài, các mục tiêu chính và giới hạn phạm vi nghiên cứu

- Tổng quan về đường ray xe lửa, tàu hỏa cũng như các dạng hư hỏng mỏi lăn của đường ray, khảo sát các nghiên cứu độ bền mỏi của đường ray trong và ngoài nước được trình bày trong chương 2

- Chương 3 là giới thiệu về cơ sở lý thuyết mỏi, định luật Hertzian khảo sát sự tiếp xúc cơ học để xác định được ứng suất tiếp xúc khi bánh xe tác dụng lực lên

đường ray phục vụ nghiên cứu đề xuất mẫu thí nghiệm mỏi Ngoài ra, định luật Bragg và phương pháp Parabol, Gaussian là cơ sở để phân tích kết quả chụp X – quang

- Chương 4 khảo sát điều kiện làm việc của đường ray và đưa ra mô hình thực

tế giống với mô hình thí nghiệm để đề xuất hình dáng và chế tạo chi tiết mẫu thí nghiệm được dùng thí nghiệm tạo mỏi lăn trên máy thí nghiệm mỏi đa năng tại phòng thí nghiệm REME

- Trên cơ sở phân tích, khảo sát và đánh giá các nội dung nghiên cứu được đề cập ở các chương 1, 2, 3, 4 với mục đích cuối cùng đánh giá phân tích kết quả sau khi thực hiện thí nghiệm tạo mỏi lăn, nhiễu xạ X –quang và soi kim tương Từ

đó dự đoán được sự mỏi sớm trên bề mặt thép ray P43 Đây cũng là nội dung chính của đề tài luận văn tốt nghiệp được trình bày trong chương 5

- Chương 6 là kết luận, kiến nghị và hướng phát triển đề tài

- Phụ lục

Chương 2

TỔNG QUAN

Trong chương này giới thiệu tổng quan về đường ray xe lửa, tàu hỏa cũng như các dạng hư hỏng mỏi lăn của đường ray, khảo sát các nghiên cứu độ bền mỏi của

đường ray trong và ngoài nước

2.1 Chức năng đường ray xe lửa/ tàu hỏa

2.1.1.Đường ray xe lửa

Đường ray là thành phần cơ bản trong giao thông đường sắt Đường ray cùng với bộ phận chuyển ray (bẻ ghi) dẫn hướng cho tàu hỏa di chuyển mà không cần lái Ray dùng để dẫn hướng cho bánh xe, trực tiếp chịu lực từ bánh xe truyền xuống và truyền lực xuống tà vẹt Lực từ bánh xe truyền xuống là lực luôn thay đổi nó gồm:

lực thẳng đứng, lực nằm ngang và tác dụng dọc theo thanh ray

Hình 2.1 Đường ray

Ngoài ra ray còn chịu lực do nhiệt độ thay đổi gây ra Dưới tác dụng của các lực đó, ray có thể bị nén, kéo, uốn, xoắn và có thể đập bẹp, mài mòn Ứng suất tiếp xúc giữa ray và bánh xe rất lớn

Do vậy thép làm ray đòi hỏi phải có chất lượng cao Trong thời gian đầu của đường sắt người ta sử dụng vật liệu sắt sau nhiều thập kỉ phát triển người ta đã

chuyển sang dùng thép để làm ray Hơn nữa những khuyết tật trên thép cũng đòi hỏi phải được loại trừ để tránh nguy cơ phá hoại đường ray Dạng ray phổ biến nhất là dạng mặt cắt chữ I không đối xứng, cán nóng[9] Nói chung tải trọng càng lớn thì đòi hỏi kích thước ray phải lớn tương ứng

Khi tàu chuyển động, lực ma sát giữa ray và bánh xe tạo nên sức bám cho các bánh chủ động của đầu máy Muốn có đủ sức bám để sinh ra lực kéo thì khi khởi động, đối với các bánh chủ động của đầu máy yêu cầu mặt đỉnh ray phải phủ nhám Tuy nhiên, nếu mặt đỉnh ray quá nhám sẽ gây ra sức cản lớn đối với các bánh

xe của toa xe Vì vậy, đối với các bánh xe của lại yêu cầu mặt đỉnh ray phải đủ nhẵn [9] Thông thường, khi luyện thép, mặt đỉnh ray không cần gia công đặc biệt vẫn đảm bảo đủ sức bám cho các bánh chủ động của đầu máy và lực cản cũng không quá lớn đối với các bánh xe khác Khi cần thiết, người ta rải cát lên mặt đỉnh ray để tăng sức bám

Ray làm việc như một dầm dặt trên các gối đàn hồi là tà vẹt Dưới tác dụng của tải trọng đoàn tàu, ray bị uốn Để chịu uốn tốt, yêu cầu ray phải cứng Khi tàu chuyển động thường có lực xung kích tác dụng lên ray Vì vậy, yêu cầu ray phải đủ

độ dẻo nhất định Vì ứng suất tiếp xúc giữa bánh xe và ray rất lớn nên thép ray phải

đủ rắn để chịu lực tốt và không bị mài mòn nhanh Ray phải có đủ độ dai để đầu ray

không bị đập bẹp[9]

Hình 2.2.Bánh xe tiếp xúc đường ray

Tuyến đường ray gồm 2 ray song song với nhau đặt trên các thanh ngang gọi

là tà vẹt được đặt trên lớp đá dăm gọi là đá ba lát Liên kết giữa các thanh ray và thanh nối tà vẹt là đinh ray, đinh ốc hoặc kẹp Loại liên kết phụ thuộc một phần vào loại vật liệu tà vẹt, các loại đinh được dùng khi tà vẹt bằng gỗ còn nếu tà vẹt bằng bê tông thì phần lớn dùng kẹp ray hoặc dùng liên kết bằng bulông

Tà vẹt thường có mặt cắt hình chữ nhật đặt dưới thanh ray[9] Tà vẹt được đặt theo chiều ngang so với hướng tàu chạy Thanh ray gối lên tà vẹt và gắn cố định lên

Hình 2.3.Tuyến đường ray

Với loại tà vẹt bằng gỗ, người ta thường đặt bản đệm giữa thanh ray và tà vẹt tăng diện tích truyền áp lực của thanh ray xuống tà vẹt (để làm giảm ứng suất) Hoặc người ta bắt đinh thẳng từ thanh ray xuống xuyên qua lỗ trên bản đệm, hoặc người ta bắt đinh liên kết bản đệm với thanh tà vẹt, còn thanh ray bắt vào bản đệm bằng kẹp[9] Các thanh tà vẹt có chức năng phân bố áp lực xuống lớp đá ba lát, rồi

từ đá ba lát truyền xuống nền đất, ngoài ra nhiệm vụ của thanh tà vẹt còn là giữ khoảng cách cố định giữa 2 thanh ray khoảng cách này gọi là khổ đường sắt Lớp đá

ba lát là đá dăm thô (đá xay, đá vụn) có tính chất vừa cứng vừa đàn hồi (khó vỡ), lớp đá ba lát còn có chức năng tiêu thoát nước

Ngoài ra thanh ray còn có thể đặt trực tiếp lên tấm bê tông Trên đoạn đường chạy qua cầu, thanh tà vẹt hay được gắn trực tiếp lên dầm dọc gỗ, bê tông cốt thép hoặc thép

Hình 2.4.Đường ray đặt trên bê tông 2.1.2.Tàu hỏa

Tàu hỏa là một loại phương tiện giao thông gồm đầu tàu và các toa nối lại Tàu hỏa chạy trên đường sắt và được dùng để vận chuyển người, trang thiết bị hay các vật tư khác Một con tàu có thể lắp một hay nhiều hơn số đầu tàu và các toa, trong đó có thể là toa hành khách và toa hàng Nhiều con tàu lắp đặt 2 đầu máy ở 2 đầu tàu, gọi là hai đầu kéo Một con tàu cũng có thể chạy ngược (tức đuôi tàu chạy trước, đầu máy chạy sau) Tàu hỏa là thành tố trung tâm của vận tải đường sắt - một

loại hình vận tải phổ biến và tương đối rẻ tiền

Hình 2.5.Tàu hỏa

2.2.Hình dạng và kích thước hình học của ray[9]

Lực chủ yếu quyết định hình dạng của ray là lực thẳng đứng do bánh xe truyền xuống Dưới tác dụng của lực này, ray bị uốn như một dầm dặt trên các gối đàn hồi Ta biết rằng: một dầm chịu uốn tốt nhất khi mặt cắt của nó có dạng hình chữ I

Vì vậy, người ta lấy hình chữ I làm cơ sở để thiết kế mặt cắt của ray Đầu ray phải

tiếp xúc tốt với mặt lăn bánh xe, thân ray không quá dày để gờ bánh không va vào thân ray

Mặt đỉnh ray làm hơi lồi với bán kính 𝑅1để lực truyền từ bánh xe xuống trùng với trục ray Theo kinh nghiệm khai thác đường sắt, trị số R1 = 200 ÷ 300 mm là phù hợp Bán kính R1 càng nhỏ thì ứng suất tiếp xúc ở mặt đỉnh ray càng lớn Ray P43 có Ri = 300mm, chiều rộng mặt đỉnh ray B = 70mm

Để chuyển từ mặt đỉnh ray sang má ray, người ta dùng mặt cong có bán kính

r1 = 13mm tương ứng với bán kính chỗ mặt cong chuyển từ gờ bánh xe sang mặt lăn bánh xe

Má ray làm thẳng đứng đối với các loại ray ≤ P43 hoặc nghiêng ra ngoài với

độ nghiêng 1:3 hoặc 1:4 đối với các loại ray ≥ P50

Từ má ray chuyển sang cằm ray (mặt dưới của đầu ray), người ra dùng mặt cong bán kính r2 để tăng diện tích tiếp xúc với lập lách thường dùng r2 nhỏ Ray P43

có r2 = 2mm Mặt dưới của đầu ray có độ dốc 1:m giống mặt trên đế ray Ray P43

có 1:m = 1:3, các loại ray ≥ P50 có 1:m = 1:4

Hình 2.6.Hình dạng mặt cắt ray

Từ đầu ray chuyển sang thân ray người ta dùng các mặt cong có bán kính r3 =

Tỷ lệ chiều rộng và chiều cao của ray thường dùng là 𝐵

𝐻 = 0,81 ÷ 0,89

Tùy theo kỹ thuật chế tạo của từng nước nên ray có chiều dài khác nhau: Liên

Xô dùng ray dài 12,5 m và 25 m, Trung Quốc dùng ray 12,5 m, Pháp 18 ÷ 24 m Đức có 3 loại: 38, 45 và 60 m, Anh 11,89 và 18,29 m, Mỹ 11,89 và 23,78 m …

Hình 2.7.Mặt cắt ray P43 2.3.Phụ tùng nối giữ ray

2.3.1.Yêu cầu đối với phụ tùng nối giữ ray[9]

Phụ tùng nối giữ ray cần đảm bảo liên kết chặt giữa ray với tà vẹt và giữa ray với ray để giữ cự ly ray được tốt và đảm bảo ray không bị xô

Phải có độ bền cao, đặc biệt đối với tà vẹt bê tông có tuổi thọ cao, do đó yêu cầu phụ tùng nối ray cũng phải có tuổi thọ tương ứng

Phải có độ đàn hồi cao, đối với tà vẹt bệ tông có tuổi thọ cao do đó yêu cầu phụ tùng nối giữ ray cũng phải có tuổi thọ tương ứng

Có khả năng giữ cự ly đường ray không đổi, có thể điều chỉnh cự ly ray dễ dàng, chính xác

Các chi tiết đơn giản, gọn nhẹ, để chế tạo và sửa chữa, lắp ráp Phụ kiện liên kết cần một lượng sắt thép lớn, do đó thiết kế cần đảm bảo để gia công và có thể chế tạo hàng loạt để hạ giá thành

Đảm bảo có thể điều chỉnh cao độ ray trong quá trình sửa chữa mà không phải nâng và chin tà vẹt

Có thể dùng cho ray hàn liền

Thuận tiện và đơn giản trong kiểm tra và thay thế

2.3.2.Phụ kiện giữ ray với tà vẹt gỗ[9]

Để ray đặt trực tiếp lên tà vẹt và được ghìm giữ vào tà vẹt bằng đinh móc, đinh vít hoặc đinh đàn hồi Dùng 3 đinh để ghìm giữ đế ray: hai đinh đóng phía lòng trong đường và một đinh đóng phía ngoài Dưới tác dụng của lực thẳng đứng P và lực ngang Q, đỉnh phía trong chống lực nhổ, đinh ngoài chống lực đẩy ngang Đinh móc thường có mặt cắt hình vuông, mỗi cạnh 16mm, dài 165 mm được chế tạo từ thép CT1, CT2, CT3 và không bị nứt khi uốn nguội

Để thực hiện độ nghiêng của ray, tại chỗ kê ray, mặt tà vẹt phải đẽo với độ dốc 1:20

Hình 2.8 Liên kết ray với tà vẹt gỗ

Trước khi đóng đinh, người ta phải khoan lỗ sâu 120 mm, rộng 12 mm để các thớ gỗ không bị phá hoại Như vậy có thể tăng sức chống nhỏ của đinh móc lên 30% và tăng sức đập ngang lên 20% Đối với tà vẹt gỗ thông mới, lực ghìm giữ chống nhỏ của đinh móc là 2000kg, lực chống đạp ngang bằng 0,75 lực chống nhỏ Đối với đinh vít, lực chống nhỏ lớn hơn 0,5 đến 1 lần so với đinh móc và lực chống đạp ngang

Ở Liên Xô, Trung Quốc, Việt Nam dùng đinh móc là phổ biến, ở các nước Tây Âu người ta thường dùng đinh vít

Trên hình 2.9 biểu thị hình dạng và kích thước của đinh móc và đinh vít của Liên Xô

Hình 2.9.Hình dạng, kích thước của đinh móc và đinh vít của Liên Xô

Để đảm bảo ghìm giữ ray tà vẹt được chắc chắn, người ta dùng đinh đàn hồi Hình biểu thị một số loại đinh đàn hồi đã được sử dụng ở Áo, Anh, Thụy Sĩ và Mỹ Loại phụ kiện nối giữ ray do diện tích chịu lực dưới đế ray quá nhỏ nên đế ray thường cứa vào tà vẹt làm cho tà vẹt chống hỏng

Hình 2.10.Các loại đinh đàn hồi

Để tăng thời hạn sử dụng của tà vẹt gỗ, người ta đặt thêm tấm đệm thép kê đế ray

2.3.3.Phụ kiện giữ ray với tà vẹt bê tông[9]

Ray đặt trực tiếp lên tấm lót đàn hồi, không dùng đệm sắt, tấm lót cao su được

ưa chuộng hơn tấm lót gỗ vì nó ít hư hỏng, thời gian sử dụng lâu hơn và ít bị biến dạng dư

Để ghìm giữ ray vào tà vẹt, người ta dùng cóc cứng hoặc cóc đàn hồi, một đầu cóc tỳ trực tiếp vào tà vẹt hoặc tỳ vào tấm lót đàn hồi, còn một đầu cóc ép lên đế ray, sau đó dùng đinh tia rơ phông hoặc bu lông ghìm chặt vào tà vẹt

Trên hình biểu thị liên kết dùng đinh tia rơ phông cốc của Liên Xô, loại này dùng cóc đàn hồi RN, một đầu cóc tì vào tấm lót đàn hồi Đinh tia rơ phông được bắt vào lõi gỗ chon trong bê tông Loại phối kiện này luôn ép một cách đàn hồi xuống ray, mặt khác người ta có thể thay đổi chiều dài lá thép dước các cóc RN để

có thể dùng cho nhiều loại ray có chiều rộng đế ray khác nhau mà không cần thay đổi kích thước và vị trí các đinh tia rơ phông Tuy vậy cần lưu ý là việc thay ray chỉ thực hiện được khi đầu nấm ray mới và ray cũ có bề rộng giống nhau

Hình 2.11.Phối kiện tia rơ phông cóc của Liên Xô

1 Tấm lót đàn hồi dưới chân cóc

2 Tấm lót đàn hồi dưới ray

3 Đệm cách điện ở miệng cóc

4 Đinh tia rơ phông

5 Cóc đàn hồi

6 Lõi gỗ

2.3.4.Mối nối ray và phụ kiện mối nối[9]

2.3.4.1.Mối nối ray

Mối nối là chỗ nối hai đầu ray với nhau, chiều rộng khe hở mối nối phải đảm bảo hai đầu ray có thể co giãn khi nhiệt độ thay đổi Khi bánh xe lăn qua mối nối, phát sinh lực xung kích tác dụng lên ray Vì vậy, về mặt cấu tạo và biện pháp duy tu bảo quản mối nối có ý nghĩa quan trọng để duy trì trạng thái của tuyến đường Mối nối đối xứng có số lần lực xung kích tác dụng lên mối nối giảm đi một nửa so với mối nối so le, toa xe chạy qua ổn định hơn và có thể cơ giới hóa đặt ray

a) Mối nối đối xứng b) Mối nối so le

Hình 2.12 Mối nối đường ray

a) Mối nối kê đơn b) Mối nối treo c) Mối nối kê kép

Hình 2.13.Bố trí tà vẹt chỗ mối nối 2.3.4.2.Phụ kiện liên kết mối nối

Để liên kết hai đầu ray, người ta dùng lập lách và bu long, đảm bảo hai đầu

ray không bị xê dịch theo phương thẳng đứng

Kết quả nghiên cứu cho thấy lập lách làm việc như một món dầm tựa trên hai

gối Những loại lập lách có tiết diện dẹt, lập lách có đuôi, lập lách có tấm đệm đều

không thích hợp khi chịu uốn có nhiều nhược điểm Vì vậy đối với ray P43 và P50

hiện nay dùng lập lách hai đầu, loại này cứng, khỏe, mặt tiếp xúc với ray rộng nên

làm việc tốt

Hình 2.14.Các loại lập lách dẹp

Loại lập lách hai đầu của Liên Xô chế tạo từ thép cacbon Mactanh CT6 và

CT7, loại lập lách dùng cho ray P43 và P50 có 6 lỗ bu lông

Hình 2.15.Lập lách 2 đầu dùng cho thép ray P43 và P50

2.3.5.Tà vẹt

Công dụng và yêu cầu đối với tà vẹt:

Là một kết cấu đỡ ray nó có tác dụng chịu lực do đoàn tàu truyền xuống và truyền lực đó xuống đá ba lát Nhờ tà vẹt tạo sự đàn hồi khi truyền lực nên đường ray làm việc tốt hơn Ray được ghìm giữ vào tà vẹt thành một khung kết cấu ổn định trong tầng đá ba lát, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật khi đặt ray và khai thác đường

Yêu cầu đối với tà vẹt:

Tà vẹt phải có độ bền, độ đàn hồi và khả năng chống mòn tốt, vận chuyển, chế tạo và lắp đặt được thuận tiện và dễ dàng, thời gian sử dụng được lâu, giá thành rẻ Kết cấu đỡ ray có các dạng sau:

- Tà vẹt (gỗ, sắt, bê tông )

- Từng tấm dài được đặt dưới ray

- Từng khối bê tông

- Khung bê tông

Trong số các loại đó tà vẹt là loại được dùng phổ biến nhất Số lượng tà vẹt đặt trên km phụ thuộc vào tải trọng trục, khối lượng vận chuyển, tốc độ chạy tàu, loại ray, loại đá ba lát và bình diện tuyến đường

Hình 2.16.Các loại tà vẹt gỗ

Đường sắt Việt Nam khổ 1000 mm dùng 1440 thanh/km trên đường thẳng khi dùng ray P38 và P43 dài 12,5 m; trên đường cong R 500 m dùng 1660 thanh/km; trên đường sắt khổ đường 1435 mm đặt 1600 thanh/km trên đường thẳng, 1760 thanh/km trên đường cong

Hình 2.17.Tà vẹt bê tông hai khối 2.3.6.Lớp đá ba lát

Công dụng và yêu cầu đối với lớp đá ba lát

Lớp đá ba lát có tác dụng đảm bảo ổn định cho ray và tà vẹt Nó chịu lực từ tà vẹt truyền xuống và truyền lực từ đó xuống nền đường Lớp đá ba lát còn có tác dụng thoát nước, đảm bảo các bộ phận kết cấu hạ tầng trên luôn khô ráo và làm lớp đệm đàn hồi để giảm lực xung kích bánh xe

Vật liệu làm đá ba lát phải rắn chắc, ổn định, không bị vỡ vụn khi chèn, chịu được phá hoại của thời tiết, không bốc bụi khi tàu chạy, nước chảy không bị trôi, không có cỏ mọc

Các vật liệu làm đá ba lát chủ yếu là đá dăm, sỏi, cát, cỏ sò, sỉ lò … tốt nhất là

đá dăm với các loại kích cỡ từ 25 mm đến 70 mm, từ 25 mm đến 40 mm, từ 13 mm đến 40 mm hoặc từ 40 mm đến 80 mm

Trong đó, cỡ đá từ 25 mm đến 70 mm được dùng nhiều Dung sai cho phép về kích cỡ đá như sau: đá to quá cỡ và nhỏ hơn cỡ chỉ được 5%, lượng bụi và hạt cát không quá 1% mình theo trọng lượng, cỡ to nhất của đá không quá 90 mm

Ở Việt Nam dùng đá dăm cỡ 40 x 60 mm (2,5 x 5 m) Đá ba lát phải có nhiều cạnh, các mặt phải tương đối phẳng, hình dạng hòn đó giần giống hình lặp phương

se chịu lực tốt nhất

Mặt cắt của lớp đá ba lát

Kích thước mặt cắt đá ba lát phải đủ rộng để đảm bảo sự ổn định của ray và tà vẹt chống xe dịch ngang, đủ dày để ứng suất do tải trọng đoàn tàu truyền xuống mặt đỉnh nền đường không được lớn hơn khả năng chịu lực của nền đường

Bảng 2.1 Kích thước mặt cắt ngang lớp đá ba lát khi dùng tà vẹt gỗ và tà

vẹt bê tông

Hình 2.18.Mặt cắt ngang của lớp đá ba lát trên đường thẳng

Trong đó:

e – Chiều rộng vai đá

h – Chiều dày lớp đá ba lát

2.4 Điều kiện hoạt động[9]

Mặt đỉnh ray phải vừa nhám vừa nhẵn

Thép ray phải cứng và dẻo đồng thời phải rắn và dai

Những yêu cầu trên rất mâu thuẫn nhau, vì vậy khi chế tạo gặp nhiều khó khăn, mặc dù kỹ thuật luyện thép có nhiều tiến bộ nhƣng vấn đề chế tạo ray vẫn chƣa đƣợc giải quyết hoàn hảo

2.5.Thông số kỹ thuật thép ray

Rộng mặt (A)(mm)

Dày (t) (mm)

Chiều dài

L (m)

Trọng lƣợng(kg/m)

≤ 4.0

≤ 0.6

≤ 3.0

≤ 0.15

≤ 0.15

≤ 0.01

≤ 0.03

≤ 0.03

≤ 0.04

≤ 0.05

Bảng 2.3.Đặc tính cơ học của thép ray

Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ dãn dài (%) Độ cứng (HB)

2.6.Tải trọng[10]

2.6.1.Kết cấu toa xe

Toa xe là một đơn vị của đoàn tàu chuyển động trên đường sắt, dùng để

chuyên chở hành khách hoặc hàng hóa

Các loại toa xe phụ thuộc vào công dụng và kết cấu được bao gồm từ bốn bộ phận cơ bản nhất đó là: Bộ phận chạy (giá chuyển hướng); thùng xe; thiết bị đầu

Được cấu tạo từ các bộ trục bánh xe, bầu dầuvà trang trí lò xo Trong các toa

xe hiện đại, bộ phận chạy được làm thành một bộ phận độc lập gọi là giá chuyển hướng Trên giá chuyển hướng có khung giá (hoặc má giá), trên đó lắp đặt trang trí

lò xo, hệ thống hãm và các chi tiết phụ khác để truyền tải trọng từ thùng xe xuống

Hình 2.21.Giá chuyển hướng toa xe[9]

1- Khung giá chuyển

Giá chuyển hướng là bộ phận quan trọng nhất của một toa xe hiện đại Nó cần phải đảm bảo an toàn chuyển động của toa xe trên đường sắt với độ bình ổn cần thiết, đảm bảo lực động tác dụng tương hỗ lên hàng hóa được chuyên chở và lên các phần tử của đường sắt là nhỏ nhất, đảm bảo sao cho sức cản chuyển động của toa xe

là nhỏ nhất

Giá chuyển hướng toa xe hàng có nhiều loại nhưng phổ biến nhất là giá chuyển hướng hai trục má giá thép đúc liền, một hệ lò xo trung tâm và được trang bị giảm trấn ma sát hình nêm ở đầu xà nhún Má giá và xà nhún được đúc từ thép thấp cacbon có giới hạn bền 500 N/mm2, giới hạn chảy 300 N/mm2, độ dãn dài 18%, độ

và sự bảo dưỡng bộ trục bánh xe ảnh hưởng tới tính êm dịu chạy tàu, tải trọng

tương hỗ giữa toa xe với đường sắt cũng như sức cản chạy tàu

Hình 2.22.Bộ trục bánh xe

2.6.3.2.Trục xe

Là một bộ phận hợp thành cặp trục bánh xe Độ bền và tuổi thọ của trục xe phụ thuộc vào hình dạng, vật liệu, công nghệ chế tạo ra chúng

Hình 2.23.Trục xe Phân loại:

Kích thước của đoạn trục (chủ yếu phụ thuộc vào tải trọng mà trục sẽ chịu).Hình dáng của cổ trục - hai đầu trục để lắp ổ trục (để lắp ổ lăn hay ổ trượt).Hình dáng mặt cắt ngang (trục đặc hay rỗng) Phân loại theo kết cấu, vật liệu

và công nghệ chế tạo ra chúng Trục xe thường được chế tạo bằng thép có các thành phần hoá học quy định: giới hạn bền (560 - 630) N/mm2, độ dãn dài tương đối (19 21)%, độ dai va đập (0,3 - 0,6) kg.m/cm2

2.6.4.Bánh xe

Tiếp nhận toàn bộ các tải trọng khác nhau khi bánh xe lăn trên đường do toa

xe tiếp xúc với đường, do va đập, do ma sát với đường và guốc hãm…Thường mặt lăn bánh xe bị mài mòn nhiều hay xuất hiện vết nứt, tróc, mòn gờ và các loại hư hỏng khác

Hình 2.24.Bánh xe

Phân loại

Kết cấu (có hay không có băng đa) Vật liệu (thép hay gang) Phương pháp

chế tạo (cán hoặc đúc) Kích thước đường kính vòng lăn hoặc moay ơ lắp trục

Vật liệu chế tạo bánh xe có sức bền tổng hợp phải đạt (830 - 1080) N/mm2, lượng dãn dài tương đối 10%, lượng co ngang 16%, độ cứng bề mặt bánh xe 248 Brinen, độ dai va đập 0,2 kg.m/cm2

Lựa chọn đường kính bánh xe

Mặt lăn bánh xe tiếp xúc với mặt đường sắt trên một diện tích rất nhỏ 2,5 cm2,

phải truyền qua đó một tải trọng tĩnh khoảng (60 - 120) KN và tải trọng động

Đường kính bánh xe tiêu chuẩn

Nếu tăng đường kính bánh xe: Tăng diện tích tiếp xúc giữa mặt bánh xe với đường sắt, làm giảm biến dạng và ứng suất tiếp xúc, kết quả này sẽ quyết định sự phá huỷ mỏi và lượng mài mòn của mặt lăn bánh xe và mặt đường ray Giảm tần số quay của bộ trục bánh, giảm số chu kỳ tác dụng của tải trọng vào bánh xe, trục xe

và ổ trục, giảm nhiệt phát sinh trên mặt bánh xe do hãm gây ra Giảm sức cản chuyển động của toa xe Cải thiện điều kiện chuyển động của toa xe trên đường không bằng phẳng Giảm tần số giao động rắn bò của trục bánh xe, giá chuyển và

thùng xe

Nếu giảm đường kính bánh xe: Giảm khối lượng bánh xe, giảm tác dụng động

của khối lượng bên dưới lò xo trên đường Giảm độ cao trọng tâm toa xe xuống, tăng độ ổn định và khả năng bình ổn cho toa xe (trừ chuyển động rắn bò), giảm bớt tác động của lực ngang và lực ngang sườn làm nghiêng thùng xe, giảm lực ngang

tác dụng từ đường ray vào gờ bánh xe

Có khả năng rút ngắn được cự ly trục trong giá chuyển, do đó có khả năng

giảm khối lượng giá chuyển

Toa xe có khả năng vào đường cong bán kính nhỏ, giảm mài mòn mặt hông ray trong đường cong Cho khả năng hạ thấp mặt sàn thùng xe, tăng thể tích thùng

xe, tăng chiều cao xếp hàng trong phạm vi khung giới hạn đoàn tàu Đường kính

bánh xe phụ thuộc vào trị số tải trọng truyền từ bánh xe lên đường ray, tốc độ

chuyển động đoàn tàu, mức độ hàng hoá cần vận tải và các điều kiện vận dụng khác

2.7.Các dạng hư hỏng mỏi do tiếp xúc lăn trên đường ray

Trong thực tế các dạng hư hỏng mỏi của đường ray thường gặp là:

• Độ nhấp nhô dài - trên 300 mm

Độ nhấp nhô ngắn thường phát triển dưới tải trọng thấp của trục ( < 20 tấn) chuyên chở hành khách Độ sâu ít hơn 0.2 mm - 0.3 mm

Độ nhấp nhô dài thường phát triển dưới tải trọng lớn của trục ( > 20 tấn) vận tải hàng hóa hoặc các hoạt động đào tạo Độ sâu từ 0.1 mm đến trên 2.0 mm có thể thay đổi

Lưu ý: Một số khuyết tật trong bước song theo dõi lâu dài đôi khi xảy ra do sự

khác biệt theo chu kỳ liên quan đến độ cứng

Hình 2.25 Độ nhấp nhô ngắn trên bề mặt đường ray[22]

Độ nhấp nhô ngắn

Hình 2.26 Mặt cắt ngang thể hiện độ nhấp nhô[22]

Hình 2.27 Độ nhấp nhô dài trên bề mặt đường ray[22]

2.7.2.Hư hỏng mỏi do tiếp xúc lăn trên đường ray[22]

Mỏi tiếp xúc lăn (Rolling Contact Fatigue) xuất hiện trên bề mặt hoặc bên trong chi tiết gần bề mặt các đường ray do chịu quá ứng suất Các khuyết tật đầu tiên xuất hiện trên bề mặt đường sắt trong các hình thức bóc vỏ, đánh giá góc vết nứt hoặc trong phạm vi dưới bề mặt Tất cả các khuyết tật này xuất hiện như là một kết quả của việc lặp đi lặp lại việc chịu quá ứng suất của bề mặt

Độ nhấp nhô dài