nghiên cứu mối quan hệ giữa một số yếu tố có liên quan đến vận tốc thông qua ghi nhằm nâng cao tốc độ chạy tμu ncs Đào trọng chương Khái quát về tốc độ thông qua ghi đường sắt Vận tốc
Trang 1nghiên cứu mối quan hệ
giữa một số yếu tố có liên quan
đến vận tốc thông qua ghi
nhằm nâng cao tốc độ chạy tμu
ncs Đào trọng chương
Khái quát về tốc độ thông qua ghi đường sắt
Vận tốc đoàn tàu phụ thuộc rất nhiều yếu tố như đầu máy toa xe, trạng thái đường sắt, kiến trúc tầng trên, thông tin tín hiệu, chiều dài ga, số lượng ga, đường cong trên tuyến Riêng xét về
đường sắt đã có nhiều vấn đề ảnh hưởng đến tốc độ đoàn tàu như phương hướng, thuỷ bình, phụ kiện, loại ray, tà vẹt; loại hình ghi, kết cấu ghi Khi đoàn tàu qua ghi thì vận tốc phải giảm nên ảnh hưởng chung đến vận tốc đoàn tàu trên tuyến Vì vậy, tính toán vận tốc qua ghi ngoài việc phải xét đến một số yếu tố như tổn thất động năng do va đập khi bánh xe vào ray; điều kiện chống bánh xe trườn trên ray; khả năng tàu bị lật đổ qua ghi; sức chịu đựng của vật liệu ghi
và các liên kết; điều kiện đảm bảo êm thuận của khách đi tàu ta còn nghiên cứu mối quan hệ
giữa bán kính đường cong; lực va đập thẳng đứng tâm ghi; góc xung kích của ghi; ảnh hưởng của độ hao mòn thẳng đứng tâm ghi với vận tốc Trong báo cáo khoa học này sẽ
đề cập đến những vấn đề trên
Tốc độ đoμn tμu qua ghi
Bao gồm tốc độ thông qua hướng thẳng và tốc độ thông qua hướng rẽ
1 Tốc độ qua ghi theo hướng thẳng: Có một số nguyên nhân ảnh hưởng:
a Góc va đập vào ray hộ bánh: (hình 1)
βc
Hình 1 Góc va đập vμo ray hộ bánh
Nếu tốc độ đoàn tàu qua ghi theo hướng thẳng quá lớn sẽ phá huỷ cấu kiện ghi và giá xe
Trang 2b Góc va đập vào ray chân thỏ khi tàu đi theo hướng A:
A
B
Hình 2 Bánh xe qua khoảng trống có hại của tâm ghi
Như ray hộ bánh, gờ bánh xe cũng va đập vào ray chân thỏ sinh ra lực va đập lớn khi qua khoảng trống có hại do đó nếu để tàu chạy tốc độ lớn qua ghi cũng gây ra phá hỏng kết cấu ghi
c Góc va đập vào ray cánh ghi chỗ yết hầu ghi:
Khi đoàn tàu đi theo hướng B gờ bánh xe tựa sát vào ray cánh ghi, góc xung kích này phụ thuộc vào số hiệu ghi
d Yếu tố không trơn phẳng ở chỗ khoảng trống có hại:
2 Tốc độ đoμn tμu qua ghi theo hướng rẽ
Các nguyên nhân ảnh hưởng đến tốc độ đoàn tàu qua ghi theo hướng rẽ và quan hệ của các yếu tố đó với vận tốc
a Tổn thất động năng:
Khi tàu đi từ đường thẳng vào đường rẽ (hình 2a) và từ đường thẳng vào đường cong của ghi, do tốc độ tức thời của toa xe, gờ bánh xe đập vào đường ray, lúc đó một phần động năng của đoàn tàu bị tiêu trừ được tính như sau:
ω = V2sin2β c (βc là góc va đập)
βc
Vcosβc
Vsinβc
Hình 2 Đoμn tμu đi vμo hướng rẽ của ghi
Trang 3Mối quan hệ giữa V, βc, ω được biểu diễn qua các đồ thị tại hình 3
Hình 3 Biểu thị mối quan hệ giữa V, βc , ω.
b Gia tốc ly tâm chưa được tiêu trừ αc:
Gia tốc ly tâm αc được tính:
αc =
R 6 3
V 2 2
trong đó: V tốc độ đoàn tàu (km/h); R bán kính đường cong dẫn (m)
Mối quan hệ giữa V, βc, ωc, αc, ϕ được biểu thị qua hình 4
Hình 4 Biểu diễn mối quan hệ giữa giữa V, βc , ωc , αc , ϕ
c Độ tăng gia tốc ly tâm chưa được tiêu trừ:
ϕ =
L R V V L R V dt
2
α
L là chiều dài trục giá cố định của toa xe khách, thường lấy l = 18 m
d Giảm tốc độ do trắc dọc tâm ghi bị hạ thấp:
Trang 4
ϕ1
ϕ1
ϕ2
α
vn
vo
Hình 5 Bánh xe đoμn tμu khi qua tâm ghi có độ trắc dọc thay đổi
Từ hình 5 cho thấy:
V0 =
1
n cos
V ϕ
trong đó: Vn là vận tốc theo hướng chuyển động ngang sau khi ra tâm ghi; Vo là vận tốc đoàn tàu trước khi vào tâm ghi
Quan hệ giữa bán kính đường cong với vận tốc
Do hướng rẽ của ghi có đường cong trong ghi và bán kính đường cong này cũng khác nhau
theo từng loại ghi nên đã ảnh hưởng đến vận tốc của đoàn tàu khi thông qua
Vì hạn chế của gia tốc ly tâm chưa được cân bằng ta có quan hệ giữa V, R:
Khi không có siêu cao: R =
0 2 2 6 , 3
V
α
) S
h g 6
, 3
V 0 2 2 + (α
Vì sự hạn chế lượng tăng lên của gia tốc ly tâm chưa được cân bằng, quan hệ bán kính
đường cong với tốc độ như sau
Khi không có siêu cao: R =
b 6 , 3
V 0 3
3
b Sb 6 , 3
ghV 6
, 3
V
0 3 3
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ + ψ
Vì sự hạn chế của gia tốc chuyển hướng ta có quan hệ giữa bán kính đường cong tròn với tốc độ:
R =
ε b 6 3
V 2 2
Trang 5Vì sự hạn chế của tổn thất động năng ta có quan hệ giữa bán kính đường cong tròn với tốc
0
2
W
V
2 δ
Do đó, tốc độ là hàm số của bán kính đường cong tròn được biểu thị là đường biểu diễn quan hệ giữa vận tốc qua ghi với bán kính đường cong tròn khi không có siêu cao và có siêu cao (hình 6).
Hình 6 Đường quan hệ giữa tốc độ với bán kính đường cong tròn
Từ hình 6 ta thấy với bán kính lớn đường cong tròn cực đại thì gia tốc ly tâm chưa được cân bằng và tổn thất động năng có ảnh hưởng lớn nhất tới tốc độ, lượng tăng gia tốc ly tâm chưa
được cân bằng có ảnh hưởng thứ 2 và gia tốc chuyển hướng có ảnh hưởng nhỏ nhất đến tốc độ
vn
v0 r
ϕ1
ϕ1
P
A A
Hình 7 Bánh xe qua tâm ghi
Quan hệ giữa lực va đập
thẳng đứng tâm ghi với tốc độ
Khi bánh xe đi qua tâm ghi,
từ ray chân thỏ lăn về ray tâm ghi
bánh xe của nó dần dần rời khỏi
ray chân thỏ vì bánh xe là một
hình côn, làm cho bánh xe hạ
xuống, còn bánh xe lăn đến ray
tâm, do ray tâm có độ dốc dọc về
phía đầu phía tâm ghi làm cho
bánh xe nâng cao dần lên, xem
hình 7 Do đó bánh xe đi qua tâm
ghi ta coi như cũng như đi qua mối
nối của ray trên đường
Trang 6Lực va đập lớn nhất Ry max đối với ray chân thỏ, khi bánh xe đi thuận chiều vào tâm ghi, có thể tính bằng công thức:
maxRy = V mnpuk
V - phần tốc độ thẳng đứng va đập của bánh xe đối với tâm ghi (cm/sec);
mnp - lượng chất tính đổi của tâm ghi tác dụng tương hỗ với bánh xe (KGsec2/cm)
uk - là độ cứng tiếp xúc giữa bánh xe và ray, KG/cm
Do quan hệ với các góc va đập, lực va đập max Ry = Vntgϕ mnp xuk
Để biết được lực xung kích maxRy cần biết hệ số độ cứng K giữa ray và nền móng của nó
và môđun W của mặt cắt của tâm ghi và ứng suất cho phép:
[ ]y
y y
kW 4
R max
σ
≤
=
Từ đó tính được tốc độ chạy của bánh xe chính là tốc độ cho phép của bánh xe đi qua tâm ghi:
Vn = [ ]
k np
y u m tg
kW 4 φ
σ
mnp = 1,9 KGsec2/cm;
m - lượng chất tâm ghi tính theo 1/2 khối lượng của mỗi m tâm ghi;
K - là hệ số cứng giữa ray và nền móng (hệ số nền đàn hồi)
K =
EI 4
u
4 , cm-1
E - môđun đàn hồi của tâm ghi KG/cm2;
I - mômen quán tính của mặt cắt ở chỗ ray tâm bắt đầu chịu tải là chỗ đầu ray tâm
rộng 20 mm;
u - môđun đàn hồi của nền móng (cm4);
Quan hệ giữa tốc độ vμ góc xung kích
Khi đầu máy toa xe chạy ngược chiều vào hướng rẽ góc va đập của gờ bánh với lưỡi ghi phải xác định theo số cho phép của tổn thất động năng và hệ số leo ray.Vì hạn chế tổn thất
động năng ta dùng công thức quan hệ giữa tốc độ với góc va đập là: sinβy =
V
Wg
Do hạn chế leo ray nên ta có quan hệ giữa tốc độ với đại lượng hạn chế leo ray và góc va
đập theo công thức: tgβy =
V
B0
Trang 7
Ta thấy góc va đập lưỡi ghi là hàm số của tốc độ là V = f(βy) sơ đồ đường biểu diễn của nó
(hình 8)
V (km/h)
Hình 8 Biểu diễn quan hệ giữa vận tốc với góc xung kích
Quan hệ giữa tốc độ với độ hao mòn thẳng đứng tâm ghi
Lực va đập lớn nhất Ry max đối với ray chân thỏ, khi bánh xe đi thuận chiều vào tâm ghi,
có thể tính bằng công thức sau:
maxRy = V mnpuk Trong công thức trên: phần tốc độ thẳng đứng của va đập của bánh xe đối với tâm ghi (cm/Sec); mnp - lượng chất tính đổi của tâm ghi tác dụng tương hỗ với bánh xe (KGsec2/cm);
uk là độ cứng tiếp xúc giữa bánh xe và ray KG(cm); tốc độ va đập V0 bánh xe va đập tâm ghi là:
V0 =
1
n cos
V φ
trong công thức:
Vn - là tốc độ tiến lên của bánh xe chạy
ϕ - góc hình thành giữa mặt ray chân với đường nằm ngang vì góc ϕ tương đối nhỏ có
thể coi trị số phân tốc độ V của tốc độ Vp:
V = Vnsinϕ ≈ Vntgϕ
Ta tính được lực va đập:
max Ry = Vn tgϕ mnp xuk
Lực va đập của bánh xe đối với tâm ghi [ ]y
y y
kw 4
R max
σ
≤
=
Tốc độ chạy của bánh xe cũng là tốc độ cho phép của bánh xe đi qua tâm ghi:
Vn = [ ]
k np
y u m tg
kW 4 φ σ
Trang 8
với: mnp = 1,9 m/K và m - lượng chất tâm ghi tính theo 1/2 khối lượng của mỗi m tâm ghi;
K là hệ số cứng giữa ray và nền móng (hệ số nền đàn hồi):
K =
EI 4
u
4 (cm-1)
E - môđun đàn hồi của tâm ghi KG/cm2;
I - mômen quán tính của mặt cắt ở chỗ ray tâm bắt đầu chịu tải tại vị trí chỗ đầu ray tâm
rộng 20 mm;
u - môđun đàn hồi của nền móng (cm4)
Kết luận
Những kết quả nghiên cứu và những đánh giá bằng thực nghiệm trên đã đều được kiểm toán bằng nhiều số liệu của nước ngoài để các nhà tính toán thiết kế ghi tham khảo, lựa chọn Một số công thức được chỉ ra sử dụng các phương pháp tính toán gần đúng có độ tin cậy cao Hầu hết các công thức được tính toán theo các phương trình vi phân tuyến tính bậc cao ứng dụng kết quả của các thuật toán Ơ le hoặc sức bền vật liệu và các chuyên ngành khác Những kiến thức khoa học này đã đóng góp tích cực cho khoa học đường sắt thêm phong phú và là một cơ sở lý thuyết quan trọng trong việc lựa chọn thiết kế ghi đường sắt nhằm mục đích nâng cao tốc độ chạy tàu trên tuyến
Tài liệu tham khảo
[1] PGS TS Nguyễn Thanh Tùng (chủ biên) Kết cấu tầng trên đường sắt Đại học Giao thông vận tải,
1996
[2] PGS TS Nguyễn Thanh Tùng Lực động thẳng đứng tác dụng trên đường khi đoàn tàu chuyển động V ≥
100 Km/h NXB Trường Đại học GTVT, Hà Nội 1997
[3] Sổ tay thiết kế ghi đường sắt Trung Quốc Tập thể các tác giả Các kỹ sư thiết kế đường sắt Trung Quốc [4] Aльбрехт B Г, Золотарский А Ф С ОВРЕМЕННЫЕ КОНCТРУКЦИИ В ЕРХНЕГО СТРОЕРИЯ ЖЕЛЕЗНОДО
