Luận văn Tiến sĩ Kỹ thuật Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên đường sắt Việt Nam Phạm Lê Tiến

Một số nước như Australia, Trung Quốc, Nhật… đã tính độ bền mỏi và tính toán phá huỷ mỏi của TBX đầu máy, căn cứ theo tốc độ phát triển của vết nứt xác định bằng thực nghiệm, xây dựng đư

I

I

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học giao thông vận tải

-

Phạm Lê Tiến

Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi

thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và

trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên

đường sắt Việt Nam

Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học giao thông vận tải

-

Phạm Lê Tiến

Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên

đường sắt Việt Nam

Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe Mã số: 62.52.44.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

1 GS TS Đỗ Đức Tuấn

2 PGS TS Ngô Văn Quyết

Hà Nội - 2010

- III -

Lêi cam ®oan

T«I xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i

C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nghiªn cøu nªu trong luËn ¸n lµ trung

thùc vµ ch−a tõng ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ luËn ¸n

Ph¹m Lª TiÕn

- IV -

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Khoa Cơ khí; phòng Đào tạo Sau đại học; phòng Khoa học; Bộ môn Đầu máy toa xe; phòng thí nghiệm VILAS 047-Trung tâm Khoa học công nghệ Trường Đại học Giao thông vận tải; Phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu-Trường Đại học giao thông vận tải; Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu COMFA-Viện Khoa học vật liệu; Phòng thí nghiệm vật liệu tính năng kỹ thuật cao-Viện Cơ khí năng lượng và mỏ; Ban khoa học công nghệ, Ban đầu máy toa xe, Xí nghiệp đầu máy Hà Nội-Tổng công ty đường sắt Việt Nam; Viện Cơ học Việt Nam; Học Viện Kỹ thuật Quân sự

Tác giả vô cùng cảm ơn GS.TS Đỗ Đức Tuấn, PGS.TS Ngô Văn Quyết, những người Thầy đã định hướng, và gửi lời cảm ơn đến GS.TSKT Phạm Văn Lang, ThS Nguyễn Ngọc Viên, TS Lương Xuân Bính, đã cung cấp các tài liệu quý báu trong quá trình thực hiện Luận án Cảm ơn các thầy, cô giáo Bộ môn Đầu máy toa xe, Khoa cơ khí, Trường đại học giao thông vận tải

Trong quá trình làm tác giả đã có trao đổi và gửi cảm ơn tới NCS Trần Viết Bản, ThS Trần Văn Khanh, ThS Nguyễn Trung Kiên và nhiều người bạn nữa đã nhiệt tình cung cấp các tài liệu quý báu

Hà nội, tháng 7 năm 2011 Phạm Lê Tiến

- V -

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3

1.1 Khái niệm về cơ học phá huỷ 3

1.1.1 Khái niệm về độ bền cơ học phá huỷ 3

1.1.2 Ứng dụng của cơ học phá huỷ trong kỹ thuật 4

1.1.3 Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi 5

1.1.4 Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi 6

1.2 Bản chất sự phá huỷ mỏi 7

1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá 11

1.4 Tổng quan về đầu máy diezel truyền động điện D19E vận dụng trên đường sắt Việt nam 15

1.4.1 Khái niệm về đầu máy D19E 15

1.4.2 Tình hình vận dụng ĐM D19E đang sử dụng trên ĐSVN 16

1.5 Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở trong và ngoài nước 18

1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở ngoài nước 18

1.5.2 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở trong nước 21

1.6 Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài 26

1.7 Kết luận chương 1 28

Chương 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy 30

2.1 Sự lan truyền vết nứt mỏi 30

2.1.1 Cơ học phá huỷ đối với vết nứt mỏi 30

2.1.2 Đặc điểm của vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt 32

2.1.3 Tốc độ phát triển vết nứt mỏi 33

2.2 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi 36

2.2.1 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối 36

2.2.2 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối .38

2.3 Đề xuất một dạng phương trình lan truyền vết nứt có kể tới tần số tải trọng đối với KGCH đầu máy D19E 39

2.3.1 Những nhận xét 40

2.3.2 Cơ sở lý thuyết 41

2.3.3 Những giả thiết 42

2.3.4 Phương pháp xây dựng 42

2.4 Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn 44

- VI - 2.4.1 Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải ổn định 44

2.4.2 Tính độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải không ổn định 46

2.5 Dự báo tuổi thọ mỏi 46

2.5.1 Khái niệm cơ bản về tuổi thọ mỏi 46

2.5.2 Các phương pháp ước lượng sức sống các bộ phận khi đặt tải không ổn định 47

2.6 Kết luận chương 2 48

Chương 3: Nghiên cứu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học, đặc trưng mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E 49

3.1 Phân tích thành phần kim loại, xác định mác 49

3.1.1 Phân tích vật liệu trục bánh xe đầu máy D19E 49

3.1.2 Phân tích vật liệu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E 50

3.2 Xác định tiêu chuẩn thử nghiệm 51

3.2.1 Tiêu chuẩn thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 51

3.2.2 Tiêu chuẩn thử nghiệm tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ 51

3.3 Chế tạo các mẫu vật liệu thử nghiệm 54

3.3.1 Chuẩn bị phôi của mẫu vật liệu thử nghiệm 54

3.3.2 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học 55

3.3.3 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 55

3.3.4 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ 56

3.4 Thiết bị thử nghiệm……… ………… ……57

3.4.1 Thiết bị thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của mẫu 57

3.4.2 Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 58

3.4.3 Thiết bị thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ 59

3.5 Thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của mẫu thử nghiệm: giới hạn chảy, giới hạn bền, môđun đàn hồi và hệ số biến dạng 61

3.6 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 63

3.6.1 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu KGCH 63

3.6.2 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu TBX 66

3.7 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ 69

3.7.1 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của mẫu vật liệu KGCH 69

3.7.2 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của mẫu vật liệu TBX 74

3.8 Kết luận chương 3 77

- VII -

Chương 4: Tính toán độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi khung giá

chuyển hướng và trục bánh xe của đầu máy D19E 78

4.1 Đặc điểm kết cấu của KGCH và TBX đầu máy diezel D19E 78

4.1.1 Giới thiệu tổng thể đầu máy D19E kiểu CKD7F .78

4.1.2 Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E 80

4.1.3 Kết cấu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E 81

4.2 Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E 82

4.2.1 Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền KGCH đầu máy D19E 82

4.2.2 Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền TBX đầu máy D19E 87

4.3 Tính toán độ bền mỏi theo lý thuyết cơ học phá huỷ 92

4.3.1 Tính độ bền mỏi mỏi theo lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi 92

4.3.2 Tính toán độ bền mỏi theo ngưỡng phát triển vết nứt mỏi 125

4.4 Dự báo tuổi thọ mỏi KGCH đầu máy D19E 133

4.5 Một số biện pháp nâng cao độ bền mỏi cho KGCH 136

4.5.1 Giảm mức độ ứng suất tập trung cục bộ của kết cấu KGCH 137

4.5.2 Tránh vận dụng đầu máy khi chịu tải với tần số nhỏ bất lợi 139

4.6 Kết luận chương 4 139

Kết luận chung 143

- VIII -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

a - chiều dài vết nứt ứng với số chu trình ứng suất N

ath - giá trị tới hạn của chiều dài vết nứt

aσ, aτ - tuổi thọ tương đối cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp

att - chiều dài vết nứt thực tế

a’,b’ - những hằng số mới của vật liệu làm chi tiết

A và B - các hằng số của vật liệu làm khung giá chuyển hướng, trong phương trình lan truyền vết nứt mỏi được đề xuất có xét tới tần số tải trọng

C, n - các hệ số phụ thuộc vật liệu chế tạo chi tiết trong phương trình của Paris da/dN - tốc độ lan truyền vết nứt trong một chu trình ứng suất

E - môđun đàn hồi

g, h, ω - các chuyển vị thành phần tương ứng với ba dạng tải sinh ra biến dạng

G - građien tuyệt đối của ứng suất lớn nhất

G - građien tương đối của ứng suất lớn nhất

mu

G , G mx- građien tương đối ứng suất lớn nhất của mẫu khi uốn và xoắn

ctu

G , G ctx- građien tương đối ứng suất lớn nhất của chi tiết khi uốn và xoắn

KI - hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I

KIi - hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I thứ i

Kth - giá trị tới hạn của hệ số cường độ ứng suất

KIC - độ dai phá hủy của vật liệu

KImax - giá trị lớn nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I

∆K - số gia hệ số cường độ ứng suất ở đầu vết nứt

∆Kth - ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-7

(∆K)th* - ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-8

Kđ - hệ số tải trọng động

Kr - hệ số cường độ các ứng suất dư

Km - hệ số cường độ các ứng suất tại thời điểm mở vết nứt

k1 - hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu

k2 - hệ số tính tới nội ứng suất

kσ và kτ - hệ số tập trung ứng suất pháp và ứng suất tiếp thực tế

L - tuổi thọ (số giờ, km) của chi tiết thuộc bộ phận chạy của đầu máy

ni - tổng số chu ký ứng suất của σi (hoặc τi)

Ni - số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn chế σi

- IX -

No - số chu trình ứng suất cơ sở

mσ, mτ - số mũ của đường cong mỏi Wohler cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp

MX.K, MX.H - Mô men xoắn tác dụng lên trục bánh xe khi đầu máy làm việc ở chế độ kéo và hãm

Pđm - tổng trọng lượng đầu máy

p, q - các hằng số đặc trưng cho sự chống mỏi của vật liệu trong phương trình đường cong mỏi

R - hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất

Smax - ứng suất lớn nhất tại “ khâu yếu nhất “ trong chi tiết sẽ gây ra sự phá huỷ ở xác suất P%

Sgh - giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N0

tb - khoảng thời gian, km tác động của một blốc ứng suất, tính theo các khu gian đặc

trưng cho các trạng thái vận hành đầu máy

up (zp) - phân vị với xác suất phá huỷ P%

u, σ0 , m - các thông số phân bố khởi thuỷ của Veibull trong phương trình đồng dạng phá hủy mỏi

Wm - chiều rộng mẫu thử nghiệm xác định da/dN và KIC

Wmu, Wctu - mômen chống uốn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết

Wmx, Wctx - mômen chống xoắn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết

w - Kích thước vùng biến dạng dẻo

V - vận tốc của đầu máy

fi - tần số tải trọng thứ i

f0 - tần số tải trọng nhỏ nhất

ft - độ nhún tĩnh của hệ thống lò xo giá chuyển

f(g) - tham số không thứ nguyên, hoặc là hệ sô' hình học của kết cấu có vết nứt

FK.đm, FH.đm - Lực kéo khởi động lớn nhất, lực hãm lớn nhất của đầu máy

FK.tk, FH.tk - lực kéo, hãm tác dụng lên một vị trí thanh kéo bầu dầu trên KGCH

YP - áp lực ngang của KGCH lên một TBX khi đầu máy đi vào đường cong

ss - độ lệch bình phương trung bình của đại lượng ngẫu nhiên lg(σmax - u)

sσ, sτ - hệ số an toàn mỏi ứng suất phápvà ứng suất tiếp

s - hệ số an toàn mỏi toàn phần

ασ ; ατ - hệ số tập trung ứng suất lý thuyết

β - hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công

εσ và ετ- hệ số ảnh hưởng kích thước của chi tiết

ε∞ - hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của chi tiết

ϕK - hệ số ma sát giữa quốc hãm bánh xe

φσ - hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng

µ - hệ số Poisson

Π - được gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên

- X -

Πu, Πx -chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi khi chi tiết bị uốn, bị xoắn

λ - số blốc (khối) tải trọng tác động trong phổ tải

vσ - hệ số đặc trưng mới các cơ tính vật liệu, đối với sự tập trung ứng suất cả yếu tố tỷ lệ

σc - giới hạn chảy

σb - giới hạn bền

σt - ứng suất tĩnh

σR -giới hạn mỏi của vật liệu với hệ số chu trình ứng xuất R

σN -ứng suất ứng với số chu trình N

σ0 - giới hạn bền mỏi các mẫu thí nghiệm với chu trình mạch động

k

−

σ - giới hạn mỏi uốn thuần tuý, chu trình đối xứng, có xét tới hệ số tập trung ứng suất

σ và τa - ứng suất pháp và ứng suất tiếp biên độ

σe, τe - ứng suất pháp và ứng suất tiếp tương đương

ξ - thông số của phương trình đồng dạng phá hủy mỏi tuyệt đối

ψσ , ψτ , ψτ σ và ψστ - hệ số ảnh hưởng sự bất cân đối đến biên độ giới hạn của vật liệu

4 ĐCĐK: Động cơ điện kéo

5 ĐSVN: Đường sắt Việt Nam

6 HSCĐUS: Hệ số cường độ ứng suất

7 HSATM: Hệ số an toàn mỏi

8 GHBM: Giới hạn bền mỏi

- XI -

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Sự định hướng các mầm tinh thể so với các lực tác động 8

Hình 1.3 Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902 17

Hình 1.4 Vết nứt trên tấm cạnh ngoài và tấm đáy của xà dọc KGCH số 907 18

Hình 1.6 Sơ đồ vị trí các điểm đo kiểm tra trên KGCH đầu máy D19E – 903 23

Hình 2.1 Hệ toạ độ và các thành phần ứng suất của trường ứng suất ở đầu vết nứt 30

Hình 2.3 Vùng dẻo ở đầu vết nứt khi chịu tải chu kỳ 33

Hình 2.4 Đuờng cong da/dN-∆K trong hệ tọa độ đối số 35

Hình 3.1 Các vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu TBX đầu máy D19E 49

Hình 3.2 Vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu KGCH Đầu máy D19E 50

Hình 3.3 Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm đặc trưng cơ học 55

Hình 3.4 Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm mỏi 55

Hình 3.5 Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu KGCH 56

Hình 3.6 Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu TBX 56

Hình 3.7 Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt

Hình 3.8 Hình dạng mẫu thử đặc trưng mỏi vật liệu 57

Hình 3.10 Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 58

Hình 3.11 Thiết bị thử mỏi, độ dai phá huỷ INTON 8801 60

Hình 3.13 Kết quả thử nghiệm cơ tính vật liệu thép 12Mn 62

Hình 3.14 Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các

Hình 3.15 Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các

Hình 3.16 Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu KGCH 70

Hình 3.17 Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu KGCH 70

Hình 3.18 Các thông số điều chỉnh viêc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH 71

- XII -

Hình 3.19 Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu KGCH 71 Hình 3.20 Kết quả thí nghiệm da/dN của mẫu vật liệu KGCH 72 Hình 3.21 Thí nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH 72 Hình 3.22 Mẫu sau khi thử đặc trưng mỏi vật liệu KGCH 72 Hình 3.23 Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu KGCH 73 Hình 3.24 Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu KGCH sau khi thử nghiệm 73 Hình 3.25 Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu KGCH 73 Hình 3.26 Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu TBX 74 Hình 3.27 Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu TBX 75 Hình 3.28 Các thông số điều chỉnh việc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu TBX 75 Hình 3.29 Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu TBX 75 Hình 3.30 Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu TBX 76 Hình 3.31 Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu TBX sau khi thử nghiệm 76 Hình 3.32 Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu TBX 76

Hình 4.2 Hình tổng thể giá chuyển hướng đầu máy D19E 80

Hình 4.5 Các lực tác dụng lên khung giá chuyển hướng đầu máy 84 Hình 4.6 Các lực tác dụng lên KGCH với tổ hợp 1 85 Hình 4.7 Kết quả tính toán lý thuyết KGCH với tổ hợp 1 86

Hình 4.10 Kết quả tính toán lý thuyết TBX với tổ hợp 1 92 Hình 4.11 Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện tròn 94 Hình 4.12 Sơ đồ trục bậc đặc tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết 96 Hình 4.13 Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện hình hộp rỗng 97

Hình 4.15 Sơ đồ trục bậc rỗng tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết 99 Hình 4.16 Sơ đồ khối tính toán ξTBX = f(P), σ − 1TBX;τ − 1TBX=f( )P , sTBX = f(P) 107 Hình 4.17 Kết quả tính ξTBX = f(P); σ−1TBX;τ−1TBX=f( )P ; sTBX = f(P) của mặt

Hình 4.18 Sơ đồ khối tính toán ξKGCH = f(P) và σ − 1KGCH;τ − 1KGCH=f( )P 110

Hình 4.20 Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ − 1KGCH;τ − 1KGCH=f( )P; sKGCH = f(P)

của điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét 113

- XIII -

Hình 4.21 Kết quả tính toán ξKGCH = f(P);σ−1KGCH;τ−1KGCH=f( )P; sKGCH = f(P) của

điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc 115

Hình 4.22.Kết quả tính toán ξKGCH = f(P);σ − 1KGCH;τ − 1KGCH=f( )P; sKGCH = f(P) của

điểm P9, KGCH đầu máy D19E theo kết quả tính toán lý thuyết 115

Hình 4.23 Sơ đồ khối tính toán Πu , Πx , σ − 1TBX;τ − 1TBX=f( )P và sTBX = f(P) 117

Hình 4.24 Kết quả tính toán Πu;Πx; σ−1TBX;τ−1TBX=f( )P ; sTBX = f(P) của mặt cắt I

Hình 4.25 Sơ đồ khối Tính Πu , Πx , σ−1KGCH;τ−1KGCH =f( )P và sKGCH = f(P) 120

Hình 4.26 Kết quả tính toán Πu ;Πx; σ − 1KGCH;τ − 1KGCH=f( )P; sKGCH = f(P) của

điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét 122

Hình 4.27 Kết quả tính toán Πu ;Πx; σ−1KGCH;τ−1KGCH=f( )P; sKGCH = f(P) của

điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc 123

Hình 4.28 Kết quả tính toán Πu ;Πx; σ−1KGCH;τ−1KGCH=f( )P; sKGCH = f(P) của

Hình 4.29 Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ−1KGCH;τ−1KGCH=f( )P; sKGCH = f(P) của

điểm A9 KGCH đầu máy D19E đợt nhập thứ 3 vượt đèo Khe Nét 124

Hình 4.30 Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu KGCH 126

Hình 4.31 Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu TBX 132

Hình 4.32 Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K), xác định các hệ số của

vật liệu làm KGCH trong phương trình lan truyền vết nứt mỏi 134

BẢNG BIỂU:

Bảng 1.1 Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc 21

Bảng 1.2 Các số liệu thống kê ứng suất đo được của Viện Cơ học khi đầu máy

Bảng 3.1 Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu TBX đầu máy D19E 49

Bảng 3.2 Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu KGCH đầu máy D19E 50

Bảng 3.3 Thầnh phần các nguyên tố hoá học cơ bản của vật liệu đế đỡ giảm

Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 12Mn 61

Bảng 3.5 Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 55 62

Bảng 3.6 Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu KGCH 64

Bảng 3.7 Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu KGCH đầu máy

Bảng 3.9 Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu TBX đầu máy

Bảng 4.9 Kết quả tính toán ξTBX = f(P); σ − 1TBX;τ − 1TBX=f( )P ; sTBX = f(P) của

Bảng 4.10 Các giá trị ứng suất ở các điểm trên KGCH khi vượt đèo Khe Nét 112 Bảng 4.11 Thống kê các mức đỉnh biến dạng động của các điểm trên KGCH 113 Bảng 4.12 Kết quả tính sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt

Bảng 4.13 Xác suất phá hủy tại các điểm trên KGCH có giá trị ứng suất lớn hơn

GHBM và HSATM nhỏ hơn giá trị cho phép khi vượt đèo Khe Nét 114 Bảng 4.14 Các mức giá trị ứng suất của điểm 34 trên KGCH 114 Bảng 4.15 Kết quả tính toán sTBX = f(P) của các mặt cắt TBX đầu máy D19E 119 Bảng 4.16 Kết quả tính toán sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt

Bảng 4.17 Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu KGCH 125 Bảng 4.18 Chiều dài vết nứt trên KGCH khi tàu chạy vượt đèo Khe Nét 128 Bảng 4.19 Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các điểm trên KGCH khi tàu chạy từ ga Kim Liên lên Trạm Đỉnh Đèo 129 Bảng 4.20 Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại điểm 34 trên KGCH tính theo kết quả đo được của Trung Quốc 130 Bảng 4.21 Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các điểm trên KGCH

Bảng 4.22 Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu TBX 131 Bảng 4.23 Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các mặt cắt của TBX

Bảng 4.24 Số chu trình ứng suất N tại điểm P4 KGCH bắt đầu phá huỷ 135Bảng 4.25 Số chu trình ứng suất N tại điểm A2 KGCH bắt đầu phá huỷ 135Bảng 4.26 Số chu trình ứng suất N tại điểm A9 KGCH bắt đầu phá huỷ 136

- 1 -

Lêi nãi ®Çu

Giao thông Vận tải đường sắt là một trong các hình thức giao thông vận tải

quan trọng của một xã hội phát triển Công cuộc đổi mới của ngành Đường sắt Việt

Nam trong những năm qua đã thu được nhiều thắng lợi: Chất lượng vận tải đường

sắt đã không ngừng được nâng cao, góp phần thu hút khách hàng đến với đường

sắt nhiều hơn, từng bước nâng cao thị phần vận tải đường sắt trong hệ thống giao

thông vận tải quốc gia

Để đạt được mục tiêu đó, chất lượng đầu máy toa xe của ngành Đường sắt

Việt Nam đã có nhiều thay đổi lớn để đảm bảo đủ sức kéo đáp ứng yêu cầu phát

triển của ngành và của xã hội Những đầu máy có công suất lớn, độ bền cao để

thực hiện kéo khoẻ, chạy nhanh được thay thế dần những đầu máy công suất nhỏ,

công nghệ lạc hậu đã không còn phù hợp với yêu cầu về sức kéo của ngành đường

sắt Đổi mới khoa học- công nghệ, đặc biệt là sức kéo, sức chở đang được lãnh đạo

ngành đường sắt quan tâm theo hướng An toàn - Chất lượng - Tiết kiệm Vừa qua

ngành đường sắt nước ta đã chế tạo và lắp ráp thành công đầu máy kéo đẩy, đầu

máy D19E Chủ trương của ngành là tiếp tục nhập, chế tạo, lắp ráp ra những đầu

máy theo yêu cầu của ngành giao thông vận tải sắt ngày càng có chất lượng cao

Mặt khác, việc nâng cao an toàn và tốc độ chạy tàu đối với các trang thiết bị hiện

có là chủ trương lớn đang được thực hiện

Để đáp ứng các yêu cầu đặt ra, đã xuất hiện những yếu tố kỹ thuật công

nghệ, kết cấu và vật liệu nhằm nâng cao độ bền kết cấu, tăng tốc độ chạy tàu, góp

phần thúc đẩy sản xuất và sự phát triển đi lên của ngành đường sắt Tuy nhiên

trong quá trình thực hiện đã nảy sinh những vấn đề về an toàn và độ tin cậy của các

bộ phận, thiết bị Một trong những vấn đề đó là: Hầu hết các đầu máy truyền động

điện được nhập về Việt Nam chỉ được nhà cung cấp giao kèm theo các thông số kỹ

thuật cơ bản của đầu máy mà không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về

cách sử dụng phù hợp với đặc thù tuyến đường, điều kiện môi trường đường sắt

Việt Nam, không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về qui trình kiểm tra, bảo

dưỡng sửa chữa cũng như các đặc tính vật liệu của các kết cấu Trong bộ phận

chạy của đầu máy thì khung giá chuyển hướng và trục bánh xe là hai kết cấu quạn

trọng Do ảnh hưởng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đến việc nâng

cao an toàn và tốc độ chạy tàu, chúng ta phải kiểm tra định kỳ theo qui định trong

quá trình vận dụng Đồng thời chúng ta phải tính toán kiểm nghiệm về độ bền, độ

cứng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy nhằm ngăn ngừa các

hư hỏng có thể xảy ra hoặc có thể gây ra các sự cố, các trở ngại chạy tàu, các hư

hỏng cơ khí gây thiệt hại khó lường về vật chất cũng như tính mạng con người

- 2 - Đối với ngành Đường sắt Việt Nam, đầu máy diesel truyền động điện đóng vai trò là sức kéo chủ yếu trong hiện tại và những năm tiếp theo Chính vì vậy mà việc đánh giá chất lượng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trên đầu máy diesel truyền động điện có ý nghĩa lớn trong công tác lựa chọn, thiết kế, kiểm tra, bảo dưỡng sửa chữa bộ phận chạy, cũng như phương pháp vận dụng đầu máy Hiện nay, phương pháp tính toán của cơ học phá hủy đàn hồi và các tiêu chuẩn thử nghiệm tính năng phá hủy đối với các loại vật liệu đều đã được hoàn thiện Phương pháp cơ học phá hủy đàn hồi được ứng dụng vào việc phân tích kết cấu phá hủy giòn và vấn đề phát triển vết nứt mỏi trong kết cấu đều có thể nhận được kết quả có ý nghĩa quan trọng và cần thiết

Bởi vậy, việc nghiên cứu xác định đặc trưng mỏi của mẫu vật liệu cũng như phương pháp xác định độ an toàn mỏi của kết cấu, chi tiết cho phép đánh giá một cách đầy đủ hơn về tình trạng độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy diesel trong quá trình vận dụng hiện nay Từ đó đưa ra các giải pháp ngăn chặn vết nứt mỏi, nâng cao độ bền mỏi, đảm bảo độ tin cậy, độ bền của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trong quá trình vận dụng, khai thác ở đường sắt nước ta là một vấn đề quan trọng, cấp thiết đang được đặt ra

- 3 -

chương 1 tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1 Khỏi niệm về cơ học phỏ huỷ

Cơ học phỏ huỷ là một mụn khoa học được hỡnh thành và phỏt triển trong

những năm gần đõy, cơ học phỏ huỷ đó cú những kết quả nghiờn cứu đỏng kể Hệ

thống lý luận và phương phỏp đo của cơ học phỏ huỷ sau vài chục năm phỏt triển

và hoàn thiện ngày càng chớnh xỏc hơn Cơ học phỏ huỷ cú tỏc dụng ngày càng

quan trọng trong việc thiết kế chống phỏ huỷ, khống chế phỏ huỷ và phõn tớch sự

cố phỏ huỷ kết cấu

1.1.1 Khỏi niệm về độ bền cơ học phỏ huỷ

Từ cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu về cơ học phỏ hủy của cỏc nhà khoa học ta cú

thể nhận thấy quan điểm quan trọng nhất của cơ học phỏ huỷ là: Vật liệu và kết cấu

đều khụng thể trỏnh khỏi cỏc khuyết tật và vết nứt trong luyện kim và gia cụng; Do

đú, giả định cơ bản của cơ học phỏ huỷ là: trong kết cấu luụn tồn tại vết nứt hoặc

những khuyết tật khỏc; Vỡ vậy, đối tượng nghiờn cứu của nú cũng chớnh là kết cấu

mang vết nứt Theo quan điểm của cơ học phỏ huỷ, trong cỏc chi tiết hoặc kết cấu

cú vết nứt, chỉ khi trường ứng suất tại đầu vết nứt và kớch thước nứt đạt tới một

mức độ nào đú thỡ mới bị phỏ huỷ Trờn cơ sở này, lý thuyết cơ học phỏ huỷ đưa ra

một số quan điểm cơ bản và yờu cầu đối với thiết kế chi tiết và kết cấu như sau:

* Đối với kết cấu cụng tỏc cú vết nứt, mức độ mạnh, yếu của trường ứng suất tại

đầu vết nứt, cú thể dựng một tham số cơ học phỏ huỷ gọi là hệ số cường độ ứng

suất K, để tớnh toỏn: Bất luận hỡnh thức kết cấu và loại hỡnh vết nứt nào thỡ

HSCĐUS K đều phải thoả món yờu cầu K ≤ KC / n thỡ mới bảo đảm khụng bị phỏ

huỷ, KC là độ dai phỏ huỷ, trị số của nú cú thể dựng thử nghiệm cơ học phỏ huỷ

tiờu chuẩn đo được, n là hệ số an toàn

* Đối với kết cấu chịu tải biến động, theo lý thuyết cơ học phỏ huỷ cú thể chia ra

hai loại sau để xử lý [10]:

1 Nếu số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K<∆Kth thỡ vết nứt sẽ khụng tiếp tục

phỏt triển; ∆Kth là trị số tới hạn của vết nứt phỏt triển thờm, cú thể dựng thử

nghiệm tiờu chuẩn để xỏc định

2 Nếu số gia HSCĐUS ∆K>∆Kth thỡ vết nứt sẽ tiếp tục phỏt triển từ từ theo

một quy luật nào đú; Nhưng trước khi kớch thước a của vết nứt phỏt triển tới kớch

thước tới hạn ath, thỡ kết cấu sẽ khụng phỏt sinh mất ổn định hoặc bị phỏ huỷ Bởi

vậy, tốc độ phỏt triển vết nứt của vật liệu da/dN là một lượng đo khả năng chống

phỏt triển vết nứt của vật liệu Trờn cơ sở này,với kết cấu cú vết nứt ban đầu là a0

và kớch thước tới hạn là ath, thỡ tuổi thọ phỏt triển vết nứt Np của nú cú thể tớnh

- 4 - toỏn như sau:

a p dN da

da N

0

(l.1)

Bởi vậy, kết cấu cú vết nứt kớch thước ban đầu a0 dưới tỏc dụng của tải trọng biến đổi, vết nứt phỏt triển theo một quy luật nào đú, thỡ tuổi thọ sử dụng của nú phải hạn chế trong thời hạn N < Np

Theo lý thuyết cơ học phỏ huỷ, nếu kết cấu thực tế cú thể thoả món cỏc yờu cầu nờu trờn thỡ kết cấu đú thoả món được yờu cầu sử dụng an toàn: Do vậy, đối với thiết kế chống phỏ huỷ kết cấu thỡ cỏc tham số cơ bản như: Hệ số cường độ trường ứng suất K, độ dai phỏ huỷ Kc, số gia HSCĐUS phỏt triển vết nứt tới hạn

∆Kth và tốc độ phỏt triển vết nứt da/dN là cỏc chỉ tiờu quan trọng của thiết kế

1.1.2 Ứng dụng của cơ học phỏ huỷ trong kỹ thuật

Hiện nay, rất nhiều hóng chế tạo trờn thế giới như: mỏy bay, tàu thuyền, đầu mỏy - toa xe, cầu cống, cơ khớ…, đều dựng lý thuyết cơ học phỏ huỷ để chế định tiờu chuẩn thiết kế kết cấu an toàn và phương phỏp đỏnh giỏ Ứng dụng của cơ học phỏ huỷ trong kỹ thuật ta thấy cú thể chia ra một số mặt sau:

1 Dựng quan điểm cơ bản và chuẩn tắc độ bền phỏ huỷ để bổ sung cho lý

thuyết độ bền truyền thống, chỉ đạo việc thiết kế kết cấu, tức là kết cấu thiết kế chẳng những phải thoả món cỏc yờu cầu của độ bền truyền thống, mà cũn đồng thời thoả món yờu cầu của cơ học phỏ huỷ, đặc biệt là tớnh năng chống phỏ huỷ mỏi

2 Dựng lý thuyết cơ học phỏ huỷ làm căn cứ, đưa ra yờu cầu, đặc biệt là đối

với phương phỏp và quỏ trỡnh cụng nghệ chế tạo và kiểm tu kết cấu, đưa ra cỏc quy trỡnh tương ứng để vừa thoả món yờu cầu ứng dụng vừa đạt hiểu quả kinh tế tương đối cao

3 Dựng lý thuyết cơ học phỏ huỷ tiến hành phõn tớch sự cố phỏ huỷ kết cấu,

đưa ra giải phỏp đề phũng và biện phỏp giải quyết

4 Lấy việc nõng cao tớnh chống phỏ huỷ của kết cấu làm mục đớch, nghiờn cứu

tạo ra vật liệu mới cú tớnh năng chống phỏ huỷ tốt

5 Xuất phỏt từ nghiờn lý cơ bản của cơ học phỏ huỷ, đề xuất phương phỏp mới

để ngăn nứt trong thiết kế và kiểm tu kết cấu

Cơ học phỏ huỷ đàn hồi chẳng những là cơ sở của toàn bộ hệ thống lý luận

cơ học phỏ huỷ, mà cũn là nội dung phỏt triển thành thục nhất, hoàn thiện nhất trong hệ thống cơ học phỏ huỷ Cơ học phỏ huỷ đàn hồi là nền tảng của toàn bộ lý thuyết cơ học phỏ huỷ Phương phỏp phõn tớch chủ yếu của nú là dựng phương phỏp cơ đàn hồi để tiến hành phõn tớch trường ứng suất tại đầu vết nứt và khu vực

- 5 - phụ cận Nội dung phân tích bao gồm: Hình dạng, độ lớn, phương vị của vết nứt

(hoặc khuyết tật giống vết nứt) và phân tích tính năng vật liệu có vết nứt

1.1.3 Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi

Theo lý thuyết cơ học phá huỷ ta nhận thấy lý thuyết mỏi là một nhánh của

cơ học phá huỷ chuyên nghiên cứu về ứng xử của vật liệu và chi tiết dưới tác động

của ứng suất thay đổi theo thời gian có kể tới ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố,

đồng thời nêu ra phương pháp tính toán và những giải pháp kỹ thuật nhằm nâng

cao độ bền mỏi

Các nhà nghiên cứu đã chia lý thuyết mỏi thành hai nhánh nhỏ: mỏi ngắn

hạn và mỏi dài hạn

hoặc bằng l05 Ngược lại mỏi dài hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng

suất lớn hơn l05

a Hiện tượng mỏi (hay sự mỏi): Đó là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng trong

bản thân vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian Ứng suất thay

đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi ấy phát triển và dẫn

tới sự phá hủy vật liệu Sự phá hủy như vậy được gọi là sự phá hủy vì mỏi

b Độ bền mỏi: Đó là tính chất của vật liệu chống lại quá trình phá hỏng vì mỏi

c Độ bền lâu: Độ bền lâu (tuổi thọ) của vật liệu chi tiết là khoảng thời gian làm

việc của chúng dưới tác động với một chế độ tải trọng và các yếu tố ảnh hưởng

khác mà không bị phá hủy Độ bền lâu thường được tính bằng giờ hoặc bằng số

chu trình ứng suất Trong một số lĩnh vực chuyên ngành (ví dụ lĩnh vực đầu máy,

toa xe, ôtô, máy kéo), độ bền lâu được tính bằng số kilômét làm việc

d Giới hạn mỏi: Giới hạn mỏi của vật liệu là một trong số những đặc trưng cơ học

Cũng như những đặc trưng cơ học khác, muốn xác định giới hạn mỏi của một loại

vật liệu nào đấy, ở một điều kiện nào đấy, phải tiến hành thí nghiệm theo một quy

chuẩn nhất định

Giới hạn mỏi của vật liệu ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất của ứng

suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu trình ứng suất cơ sở mà mẫu chuẩn

không bị phá hủy

Mỗi một loại vật liệu quy định số chu trình ứng suất cơ sở riêng Gọi No là

số chu trình ứng suất cơ sở Trong những trường hợp đặc biệt, người ta lấy N0 = l07

đối với vật liệu kim loại nói chung và N0 = l08 đối với các hợp kim nhẹ có độ bền cao

Tùy theo đặc trưng của chu trình ứng suất, giới hạn mỏi có thể được xác

định ở chu trình ứng suất đối xứng, chu trình ứng suất mạch động hoặc ở chu trình

ứng suất phi đối xứng

1.1.4 Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi

Để đánh giá quá trình phá hủy mỏi, các nhà nghiên cứu về phá hủy mỏi đưa

ra những chỉ tiêu sau đây:

a Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng [17]

Nếu gọi S là ứng suất, N số chu trình ứng suất tương ứng thì chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng lần lượt là:

Sim Ni = const (l.2)

hay Fn = S(N /n)K

n (dạng thức đựơc sử dụng tại Mỹ và Anh), (l.3)

trong đó: Fn - độ bền mỏi ứng với n chu trình;

S - ứng suất ứng với N chu trình;

Kn - số mũ đường cong mỏi Wohler

và chỉ tiêu biến dạng: ep Np k

bd = Ce (l.4)

trong đó: ep - độ dãn dài tới hạn tại lúc phá hủy;

Np - số chu trình ứng suất tại lúc phá hủy;

Kbd - số mũ (≈ 0,01 ÷ l,0);

Ce - hằng số

b Chỉ tiêu về năng lượng

CE Feltner và J.D Marlow đưa ra chỉ tiêu này với nội dung sau: sự phá hủy mỏi bắt đầu xảy ra tại thời điểm khi mà tổng số năng lượng tản mác (quá trình này chỉ xảy ra một chiều) đạt tới giá trị đúng bằng công biến dạng riêng khi chất tải tĩnh Các tác giả trên đã tính được trị số tới hạn của năng lượng tản mác trong vật liệu sau N chu trình ứng suất là:

∫

∆

= ε ε σ 0

K n D K

n - hằng số tăng bền do biến dạng chu trình;

K - hằng số của vật liệu

Phát triển thuyết cân bằng năng lượng khi phá hủy, nhà nghiên cứu I Ivanova đã

- 7 - khởi xướng thuyết cấu trúc - năng lượng và đưa ra chỉ tiêu phá hủy [18]:

2

1

m p p

c c T E A N

βγ

Và

E T c G L

b p

T m

β

trong đó: Nc - tuổi thọ ứng với ứng suất Sc;

cp - nhiệt dung riêng của kim loại ở nhiệt độ 20oC

Tb - nhiệt độ sôi tuyệt đối; E - mô đun đàn hồi (Young's Modulus); G – Mô đun

trượt (Shear Modulus); LT = ẩm nhiệt sôi; γ - trọng lượng riêng; A - đương lượng

cơ của nhiệt; βm hằng số, giá trị trung bình: βm = 8,5 kG/ mm2

c Chỉ tiêu về vết nứt mỏi

Động học của quá trình phá hủy mỏi bao giờ cũng gồm có các giai đoạn xuất

hiện, hình thành, phát sinh và phát triển vết nứt Vết nứt mỏi lan truyền với tốc độ

nhất định và khi đạt được tốc độ truyền âm trong vật liệu thì sự phá hủy hoàn toàn

xảy ra Sự tích lũy phá hỏng mỏi thì diễn tiến cả quá trình, còn sự phá hủy hoàn

toàn thì xảy ra tức thời Gọi v là tốc độ lan truyền vết nứt, người ta đã xây dựng

trong đó: S - trạng thái ứng suất ;

F - đặc trưng hình học của chi tiết ;

C - điều kiện vật liệu và điều kiện làm việc của chi tiết

1.2 Bản chất sự phá huỷ mỏi

Các công trình nghiên cứu về phá hủy mỏi đã cho thấy sự phá huỷ mỏi là kết

quả của các biến dạng dẻo và đàn hồi luân phiên nhau, lặp lại nhiều lần, phân bố

không đều trên toàn bộ thể tích chi tiết do tính không đồng nhất vật liệu, những hư

hỏng đầu tiên xuất hiện trong các vi khối định hướng không thuận lợi so với tác

động của tải trọng, chịu trước các ứng suất dư và bị yếu bởi các khuyết tật cục bộ

Tích tụ dần dần tổng cộng lần lượt, những hư hỏng cục bộ bắt đầu sự phá huỷ tổng

quát đối với chi tiết [14]

Sự toả nhiệt phát sinh trong các vi khối bị biến dạng đóng vai trò to lớn

trong các quá trình hư hỏng mỏi Do nhiệt độ tăng nên độ bền mỏi vật liệu trong

các vi khối giảm xuống, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành những

sự trượt dẻo mới, mà đến lượt mình, lại tạo khả năng nâng cao nhiệt độ

Quá trình xuất hiện vết nứt mỏi gồm vài giai đoạn (hình 1.1) Các vết nứt

phát sinh ở những giai đoạn đặt tải đầu tiên tại các gianh giới các khối tinh thể như

- 8 -

là kết quả sự trượt dẻo của vài mặt phẳng tinh thể, song song với các tác động các ứng suất tiếp tuyến cực đại, nghĩa là hướng nghiêng một góc 450 với các ứng suất kéo (các ứng suất tám mặt) Tuỳ theo định hướng các mầm tinh thể, những sự trượt

có thể diễn ra trong một mặt phẳng, đồng thời ở hai mặt phẳng (hình 1.1 III a, b) hoặc ở ba mặt phẳng (hình 1.1 III c) [14]

Hình 1.1 Sự định hướng các mầm tinh thể so với các lực tác động

I, II - thuận lợi; III - không thuận lợi

Hình 1.2 Sự xuất hiện các vết nứt mỏi

Ở một giai đoạn đặt tải nhất định, các tầng kim loại giống như là một bức tranh khảm hạt bị biến dạng dẻo (hình 1.2a) và các hạt chịu ứng suất ít hơn do sự định hướng thuận hơn các mặt phẳng tinh thể so với các ứng suất tiếp tuyến Sự biến dạng dẻo - đàn hồi tổng quát của kim loại là do sự giãn của các hạt bị quá ứng suất, do sự trượt giữa các hạt và do sự xoay các hạt với nhau

Sự hình thành các vết nứt mầm kết tinh trong phạm vi hạt là kết quả của sự tăng số lượng có định hướng và sự dịch chuyển (khuếch tán) các biến dạng lỗ trống tới các ranh giới hạt Tốc độ khuếch tán tỷ lệ với ứng suất và nhiệt độ và tất nhiên

là được sự gia tốc nhờ sự nung nóng tế vi vật liệu

Sự tích tụ lỗ trống gây ra sự phân tán cấu trúc, làm xuất hiện các lỗ rỗ á tế vi

- 9 - thí nghiệm đã chứng minh, có thể chữa các hư hỏng đầu tiên bằng cách ủ khuếch

tán (ram) ở 500- 600 0C

Nếu ứng suất tiếp tục tác động thì quá trình hư hỏng sẽ phát triển Các biến

vị dần dần lan toả bề mặt hạt (hình 1.2b) Tại đây, chuyển động của chúng bị

ngừng lại chủ yếu do sự ngăn chặn được tạo bởi sự định hướng tinh thể khác của

các hạt kề cận; tính tái định hướng các mặt phẳng kết tinh dẫn đến sự làm nghẽn

trượt dẻo

Một chướng ngại khác là các lớp xen giữa các hạt (tính dễ chẻ của bề mặt)

có được do sự xuất hiện các tạp chất bởi mạng tinh thể - nguyên tử biến dạng

mạnh, đôi khi khác hẳn mẫu dạng mạng tinh thể hạt Hình thành các rào cản giữa

các mặt, kìm hãm có hiệu quả sự lan toả các hư hỏng Để vượt qua rào cản này cần

phải có một ứng suất rất lớn gây ra sự trượt bên trong tinh thể

Ở một giai đoạn nhất định sẽ diễn ra sự phá vỡ hàng loạt các biến vị qua các

lớp xen giữa các hạt và sự chuyển vết nứt tới hạt kề cận Ứng suất đánh thủng phụ

thuộc vào độ bền lớp xen giữa các hạt và mức tái định hướng các mặt phẳng kết

tinh các hạt kề cận Dễ vượt qua hơn cả là các lớp xen giữa các hạt có các mặt

phẳng kết tinh định hướng như nhau Nhưng hiếm có các trường hợp phân bố kề

cận các tinh thể định hướng như nhau

Trị số trung bình của ứng suất cần thiết để vượt qua rào cản giữa các hạt

quyết định sức bền mỏi của vật liệu Giới hạn mỏi có thể được xem xét như là mức

trung bình ứng suất mà trong đó các vết nứt vẫn còn trong phạm vi các hạt và được

chữa một phần hoặc chữa hoàn toàn trong các giai đoạn nghỉ

Sức cản của vật liệu đối với sự trượt bên trong hạt phụ thuộc vào các tính

chất cơ lý của vật liệu và vào cấu trúc tinh thể mịn của hạt

Chuyển động của các lỗ trống bị kìm hãm bởi sự tích tụ các nguyên tử tạp,

bởi các gianh giới pha và gianh giới các thành phần cấu trúc, bởi các bề mặt của

các khối tinh thể (sự hình thành tinh thể bên trong hạt với kích thước vài trăm

micrômet)

Ra khỏi phạm vi các hạt, vết nứt phát triển tăng vọt biến thành vết nứt nhìn

thấy được và đổi hướng, chạy theo các đoạn vật liệu yếu nhất gần như vuông góc

với hướng tác động của các ứng suất cực đại (hình 1.2c) Sự phát triển vết nứt tăng

nhanh là do sự tập trung ứng suất đột ngột xuất hiện ở nền vết nứt Sự nóng lên

diễn ra khi phá huỷ cục bộ đã làm mềm kim loại, tạo điều kiện thuận lợi cho sự lan

toả vết nứt Vết nứt nhìn thấy được có thể phát triển dưới tác động của ứng suất

thấp hơn nhiều so với các ứng suất cần thiết để vượt qua rào cản giữa các hạt, trong

- 10 - khi đó các ứng suất cần thiết để làm lan toả vết nứt sẽ giảm bớt theo mức phát triển của vết nứt [14]

Một số lượng lớn các vết nứt phát triển đồng thời (hình 1.2d) Vài vết nứt chạm phải chướng ngại, dừng lại; Những vết nứt khác tiếp tục phát triển Ở một giai đoạn nhất định, quá trình bị hạn chế trong một phạm vi nhất định; chủ yếu lan rộng một vết nứt hoặc một nhóm vết nứt gần nhau trội hơn các vết nứt khác do trên đoạn đã cho tập trung nhiều khuyết tật vật liệu, do sự quá ứng suất cục bộ, hoặc do

sự định hướng không thuận lợi của các tinh thể so với các ứng suất tác động Các vết nứt gần nhau liên kết lại tạo ra hệ phân nhánh sâu Những sự trượt dẻo mới và các vết nứt không xuất hiện nữa, còn những gì đã kịp hình thành thì ngưng lại hoặc phát triển chậm do tất cả các biến dạng đã chấp nhận vết nứt chính Sự lan toả vết nứt chính cuối cùng dẫn đến sự phá huỷ chi tiết do giảm tiết diện thực của chi tiết Trái ngược với giai đoạn đầu, sự xuất hiện các vết nứt bên trong hạt và giữa các hạt, phát triển trong một thời gian dài, sự phá huỷ kết thúc diễn ra một cách đột ngột và mang đặc tính của sự gãy giòn

Trên những chỗ gãy mỏi thường phát hiện được hai vùng Vùng phát triển mỏi có bề mặt mờ dạng đồ sứ, là đặc tính của những chỗ gãy có sự phá huỷ kết tinh trực giao trội hơn Ở các mép vết nứt thường thấy rõ những đoạn biến cứng được miết phẳng đến mức có độ ánh - đó là kết quả của sự va đập, ép nén và mài mòn các thành vết nứt khi vật liệu biến dạng tuần hoàn Vùng phá huỷ kết thúc có

bề mặt tinh thể mang đặc tính gãy giòn có sự phá huỷ giữa các tinh thể trội hơn (ví

dụ gãy va đập, gãy vật liệu giòn)

Trong vùng phá huỷ thường thấy hoa văn dải hình thành từ một loại các đường song song – các vết chuyển động nhảy vọt của vết nứt tuỳ theo mức tích tụ

hư hỏng

Các vết nứt đầu tiên hầu như luôn xuất hiện (ngoại trừ các chi tiết có khuyết tật lớn bên trong) ở lớp bề mặt dày gần bằng ba tiết diện ngang của hạt (đối với thép, trung bình 0,05 – 0,20mm) Thường xuyên hơn cả, các vết nứt được hình thành trong các hạt bề mặt bị hư hỏng do tác động của việc gia công cơ khí trước đó Như vậy, lớp bề mặt có ý nghĩa quyết định đối với sức bền mỏi Thứ nhất, trong phần lớn các dạng đặt tải, lớp bề mặt phải chịu ứng suất cực đại Sự sắp xếp các nguyên tử ở lớp bề mặt dày đặc hơn các lớp nằm dưới Do tác động tương hỗ với các lớp nằm dưới ít dày đặc hơn nên trong lớp bề mặt xuất hiện các ứng suất kéo và hình thành sự phân tán là các nguồn thế năng tạo ra vết nứt

Thứ hai, các hạt kim loại đi tới bề mặt, vốn có các liên kết kim loại chỉ một chiều với kim loại nằm bên dưới, lại có hoạt tính cao, dễ liên kết với các hạt của môi

- 11 - trường xung quanh Trên bề mặt hình thành các màng hút bám hơi, khí ẩm, dầu

v.v…chắc chắn mà không thể loại trừ được bằng các phương pháp cơ khí và hoá học

thông thường Các màng hút thu thấm qua các vết nứt tế vi vào sâu trong kim loại và

phá vỡ liên tục của kim loại và gây ra sự yếu lớp sát bề mặt

Thứ ba, cần chú ý tới các yếu tố công nghệ Lớp bề mặt luôn bị hư hỏng

nhiều hoặc ít bởi việc gia công trước đó Việc gia công cơ khí, về bản chất, là quá

trình biến dạng dẻo và phá huỷ kim loại, nó xẩy ra cùng với sự cắt hạt, làm tróc và

bứt hạt, cùng với sự xuất hiện các vết nứt tế vi và cùng với sự xuất hiện ở các lớp

bề mặt và sát bề mặt các ứng suất kéo tổng cộng gần tới giới hạn chảy của vật liệu

Sự toả nhiệt khi gia công cơ khí gây ra sự tái kết tinh một phần lớp bề mặt, đôi khi

còn đi với sự biến đổi pha và biến đổi cấu trúc

Khi nung nóng trong quá trình xử lý nhiệt, ở lớp bề mặt thường diễn ra sự

thay đổi pha và thay đổi hoá học ví dụ trong các loại thép - sự khử cacbon (phân

huỷ xenmentit cùng với sự hình thành lớp vỏ pherit không bền)

Thứ tư, bề mặt kim loại bị tấn công của tất cả các dạng ăn mòn gặp trong

khai thác gây ra những hư hỏng ăn sâu lớp bề mặt Sự ăn mòn thường lan toả theo

các lớp xen giữa các hạt và theo các vết nứt tế vi

Như vậy, ở lớp bề mặt tập trung nhiều loại khuyết tật khác nhau như khuyết

tật trông thấy, khuyết tật tế vi, khuyết tật á tế vi do các yếu tố vật lý, hoá học, cơ khí

gây ra và những khuyết tật không thể tránh khỏi theo các điều kiện công nghệ hình

thành lớp bề mặt, cũng như do vai trò đặc biệt của lớp bên ngoài như là một bề mặt

phân chia giữa kim loại và môi trường xung quanh Lớp bề mặt là nơi tập trung ứng

suất vốn có của từng chi tiết Có thể làm giảm bớt ảnh hưởng của nó bằng một tập

hợp các biện pháp nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn

Tất cả các yếu tố phá vỡ tính liên tục tính đồng nhất của lớp bề mặt và tạo ra

các nguồn ứng suất đứt gãy cao đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển các

vết nứt đầu tiên và làm giảm rõ rệt độ bền tuần hoàn của vật liệu Ngược lại, sự nén

chặt (làm khít) cấu trúc bản chất phân tán của lớp bề mặt, tạo các ứng suất nén sơ

bộ trong lớp bề mặt dù không sâu lắm (biến cứng, cán lăn) cũng nâng cao đáng kể

sức kháng tải trọng tuần hoàn của vật liệu

1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá

Từ các công trình nghiên cứu về độ bền kết cấu ta nhận thấy độ bền kết cấu

là một đặc trưng tổng hợp bao gồm các chỉ tiêu độ bền, độ tin cậy và độ bền lâu

Các chỉ tiêu độ bền của vật liệu được chọn theo điều kiện làm việc của nó

Các chỉ tiêu độ bền khi chịu tải tĩnh là giới hạn bền hay giới hạn chảy, chúng đặc

trưng cho sự chống lại biến dạng dẻo của vật liệu

- 12 -

Đa số các chi tiết chịu tải tuần hoàn lâu dài Chỉ tiêu độ bền của chúng là giới hạn mỏi σR (khi uốn đối xứng σ- 1) Theo các chỉ tiêu đã chọn sẽ tính ứng suất làm việc cho phép Khi đó, độ bền vật liệu càng cao thì ứng suất làm việc cho phép càng lớn và do đó kích thước và khối lượng của chi tiết càng nhỏ

Tuy nhiên, độ bền vật liệu và cũng là ứng suất làm việc cao, kéo theo việc tăng biến dạng đàn hồi: εđh = σb/E, trong đó E là môđun đàn hồi pháp Để hạn chế

biến dạng đàn hồi vật liệu cần có môđun đàn hồi cao, đó là chỉ tiêu về tính bền vững của nó Chính chỉ tiêu này, chứ không phải độ bền, sẽ đảm bảo cho kích thước của các chi tiết, các kết cấu…và hình dáng của chúng giữ được chính xác

Độ tin cậy là tính chất của vật liệu chống lại phá huỷ giòn Phá huỷ giòn gây

ra sự hỏng bất ngờ chi tiết khi đang làm việc Nó được xem là nguy hiểm nhất bởi xảy ra với tốc độ lớn ở ứng suất thấp hơn giá trị thiết kế, cũng như bởi các hậu quả những tai hại có thể xảy ra [2]

Để phòng ngừa phá huỷ giòn, các vật liệu kết cấu cần có đủ độ dẻo (δ, Ψ) và

độ dai va đập Tuy nhiên, các thông số của độ tin cậy, được xác định trên các mẫu thí nghiệm không lớn và không tính đến các điều kiện làm việc của một chi tiết cụ thể, chỉ nên dùng cho các vật liệu mềm kém bền Đồng thời, tham vọng giảm lượng kim loại của kết cấu dẫn đến việc sử dụng rộng rãi hơn các vật liệu bền cao, và tất nhiên, kém dẻo hơn với xu hướng phá huỷ giòn cao hơn Cũng cần tính đến là trong điều kiện làm việc sẽ có tác động của các yếu tố làm giảm thêm độ dẻo và độ dai của chi tiết và tăng thêm nguy cơ phá huỷ giòn Các yếu tố đó có thể là nơi tập trung ứng suất, nhiệt độ thấp, tải động, tăng kích thước chi tiết (yếu tố kích thước)

Để tránh các sự cố đột ngột trong điều kiện làm việc, cần tính cả độ bền nứt của vật liệu Đó là một nhóm các thông số về độ tin cậy, đặc trưng cho khả năng vật liệu hãm lại sự phát triển của vết nứt

Qua các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, các vật liệu bền cao có một độ dẻo xác định, nên đối với chúng, nguy hiểm thực sự không phải

là các vết nứt kích thước bất kỳ, mà chỉ khi vết nứt có chiều dài tới hạn a Sự phát triển vết nứt kích thước trước tới hạn sẽ bị biến dạng trong nó kìm hãm Nhưng khi

có sự phối hợp xác định giữa ứng suất làm việc và chiều dài khuyết tật thì trạng thái cân bằng của vết nứt bị phá vỡ và phá huỷ tự phát sẽ xảy ra

Đánh giá độ tin cậy của các vật liệu bền cao theo kích thước khuyết tật cho phép (nhỏ hơn tới hạn), các nhà nghiên cứu đã đưa ra chỉ tiêu K và được dùng nhiều nhất Chỉ tiêu K gọi là HSCĐUS tại đỉnh vết nứt

Chỉ tiêu K đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I (biến dạng phẳng do kéo, tại đó bề mặt của vết nứt tách xa nhau ra theo phương vuông góc với phương

- 13 - dịch chuyển của vết nứt) được kí hiệu là KI, còn khi đạt trị số tới hạn, lúc vết nứt

ổn định chuyển sang không ổn định, ký hiệu là KIC Tiêu chuẩn KIC cho biết ứng

suất gần đỉnh vết nứt đạt tới giá trị (cường độ) nào tại thời điểm phá huỷ Nó liên hệ

ứng suất trung bình σtb đặt vào với chiều dài tới hạn a của vết nứt [2]:

K IC =σtb α π .a (1.10)

Trong đó: α - hệ số không thứ nguyên, đặc trưng cho hình học của vết nứt

Từ biểu thức (1.10) suy ra KIC có thứ nguyên là MPa.mm1/2

Trị số KIC được xác định bằng thực nghiệm theo tiêu chuẩn nhất định

Đại lượng KIC phụ thuộc vào mức độ biến dạng dẻo tại đỉnh vết nứt và đặc

trưng khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt dẻo/dai Vì lẽ đó chỉ tiêu KIC

được gọi là độ dai phá huỷ Nó càng lớn khi khả năng chống phá huỷ dẻo và độ tin

cậy của vật liệu càng cao Ngoài đặc trưng định tính cho độ tin cậy, KIC còn bổ

sung cho các thông số σc và E khi tính độ bền các chi tiết làm từ vật liệu bền cao

Nó cho phép xác định kích thước an toàn của vết nứt tại một ứng suất làm việc

nhất định, hay ngược lại, ứng suất an toàn khi khuyết tật có kích thước đã biết

Độ bền lâu là tính chất vật liệu chống lại sự phát triển của phá huỷ từ từ (từ

chối dần dần), tạo cho chi tiết có khả năng làm việc trong một thời gian định trước (dự

trữ) Nguyên nhân mất khả năng làm việc (từ chối dần dần) rất đa dạng: quá trình mỏi

phát triển, bị mài mòn, rão, ăn mòn, rộp do bức xạ….Các quá trình này sẽ tích tụ dần

các chỗ hư hỏng không hồi phục được trong vật liệu và dẫn tới phá huỷ Tạo độ bền

lâu cho vật liệu có nghĩa là làm giảm tốc độ phá huỷ tới các trị số cần thiết

Độ bền mỏi đặc trưng cho khả năng làm việc của vật liệu trong điều kiện chu

trình ứng suất được lặp lại nhiều lần Chu trình ứng suất là tập hợp những biến đổi

ứng suất giữa hai giá trị giới hạn σmax và σmin của nó trong một chy kỳ T

Thường phân biệt các chu trình đối xứng (r = -1) và không đối xứng (r thay

đổi trong khoảng rộng) Các dạng chu trình khác nhau đặc trưng cho các chế độ

làm việc khác nhau của chi tiết

Quá trình tích tụ dần dần hư hỏng trong vật liệu dưới tác động của các tải

tuần hoàn, dẫn tới sự thay đổi tính chất của nó, tới sự hình thành và phát triển các

vết nứt, tới sự phá huỷ, được gọi là mỏi; còn tính chống lại phá huỷ do mỏi gọi là

độ bền mỏi

Có thể tóm tắt phá huỷ mỏi so sánh với phá huỷ tĩnh có một loạt các đặc

điểm sau đây [2]:

1 - Nó xảy ra ở ứng suất khi tải tĩnh, nhỏ hơn giới hạn chảy hay giới hạn bền tĩnh

2 - Phá huỷ bắt đầu trên bề mặt (hoặc gần đó), tại các nơi có tập trung ứng suất

(biến dạng) cục bộ Tập trung ứng suất cục bộ tạo ra bởi các hư hỏng bề mặt do tải

- 14 - tuần hoàn hoặc do các rãnh khía dạng vết gia công, do tác động của môi trường

3 - Phá huỷ xảy ra theo một vài giai đoạn, đặc trưng cho các quá trình tích tụ hư hỏng trong vật liệu, sự hình thành vết nứt mỏi, sự phát triển dần dần và hợp nhất của một vài vết thành một vết nứt rộng và sự phá huỷ nhanh

4 - Phá huỷ có một tổ chức gẫy đặc trưng, phản ảnh lần lượt các quá trình của mỏi Mặt gẫy bao gồm ổ phá huỷ (nơi sinh vết nứt tế vi) và hai vùng-mỏi và gẫy Ổ phá huỷ tiếp giáp ngay bề mặt, có kích thước không lớn và bề mặt nhẵn Vùng mỏi

do các nấc phát triển vết nứt mỏi tạo ra Trong vùng này thấy rõ các nếp nhỏ có dạng các đường tròn, chứng tỏ vết nứt mỏi dịch chuyển theo từng bước Vùng mỏi

sẽ phát triển cho đến khi trong miền tiết diện làm việc đang nhỏ dần, ứng suất tăng đến mức gây ra phá huỷ tức thời Vùng gẫy đặc trưng cho giai đoạn phá huỷ cuối cùng này

Dựa vào các kết quả thử mỏi các mẫu (theo các tiêu chuẩn thử nghiệm) sẽ đánh giá khả năng làm việc của vật liệu trong điều kiện tải tuần hoàn Thử được tiến hành trên các thiết bị đặc biệt, tạo ra tải tuần hoàn trong vật liệu (kéo - nén, uốn, xoắn) Mẫu được thử lần lượt ở các mức ứng suất khác nhau, đồng thời xác định số lượng chu trình cho đến khi phá huỷ Kết quả thử được biễu diễn ở dạng đường cong mỏi, trong toạ độ loga: ứng suất cực đại của chu trình σmax (hoặc σa)-

2 Độ bền tuần hoàn lâu - số lượng chu trình (hay là số giờ làm việc) mà vật liệu

có thể chịu được cho đến khi tạo ra vết nứt mỏi có độ lớn xác định hoặc cho đến khi xảy ra phá huỷ mỏi ở ứng suất đã cho Độ bền lâu cũng có thể là không giới hạn (khi σmax < σ-1) và giới hạn (khi σmax > σ-1)

Đường cong mỏi trong vùng độ bền lâu hạn chế được xác định trên cơ sở gia công thống kê các kết quả thử nghiệm Phải làm như vậy vì độ bền lâu khá phân tán do nó rất nhạy với trạng thái bề mặt mẫu

Độ bền lâu và bền mỏi tuần hoàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó tổ chức, trạng thái ứng suất lớp bề mặt, chất lượng bề mặt và tác động của môi trường

ăn mòn, có ý nghĩa quyết định Sự có mặt ứng suất dư nén trên bề mặt sẽ làm cho vết nứt mỏi khó hình thành và phát triển, và tất nhiên là tăng giới hạn mỏi Ảnh hưởng rất xấu là ứng suất dư kéo và các kiểu tập trung ứng suất:

- 15 -

- Do kết cấu - sự thay đổi hỡnh dỏng tiết diện chi tiết: dạng quả tạ hai đầu, lỗ,

kờnh, trạm trổ.v.v

- Do cụng nghệ - ghồ ghề tế vi bề mặt, vết xước, và cỏc vết gia cụng cơ khỏc;

- Do luyện kim - cỏc khuyết tật bờn trong dạng lỗ trống, xỉ, tạp phi kim (ụxit,

sunfua Silicat.v.v )

Ảnh hưởng của tập trung ứng suất được đỏnh giỏ bằng hệ số tập trung ứng

suất hiệu dụng Kσ= σ − 1/σ −k Đú là tỷ số giới hạn mỏi của một mẫu nhẵn σ − 1 và

giới hạn mỏi của chớnh mẫu đú cú tập trung ứng suất σ−k

Giới hạn mỏi cũng sẽ giảm khi tăng kớch thước chi tiết (yếu tố kớch thước) và

giảm mạnh hơn khi cú ảnh hưởng của mụi trường ăn mũn, gõy ra hư hại bề mặt dưới

dạng cỏc chỗ lừm sõu, cỏc lưới vết nứt và cỏc kiểu tập trung ứng suất khỏc

Ảnh hưởng phối hợp của cỏc yếu tố khỏc nhau đến giới hạn mỏi khi thiết kế

được đỏnh giỏ bằng hệ số (Kσ)D= σ −1/(σ −k)D, nú cho biết số lần mà giới hạn

mỏi của mẫu nhẵn đường kớnh 10 mm lớn hơn giới hạn mỏi của chi tiết:

(Kσ )D= (Kσ/εσ+ 1/β - 1 ) (1/ βhb) (1.11)

trong đú: εσ- yếu tố kớch thước, đặc trưng sự giảm khả năng đó cú của chi

tiết khi tăng kớch thước ngang; β - hệ số tớnh đến ảnh hưởng của độ nhỏm bề mặt

(trong mụi trường ăn mũn được thay bằng βawm); βhb - hệ số đặc trưng hiệu quả hoỏ

bền bề mặt

Từ biểu thức (1.11) suy ra rằng, ảnh hưởng của cỏc yếu tố đến khả năng sẵn

cú của chi tiết càng yếu nếu trị số của cỏc hệ số Kσ, εσ và β càng gần bằng 1 và hệ

số hoỏ bền bề mặt βhb càng lớn

Như vậy khả năng làm việc của vật liệu chi tiết trong cỏc điều kiện sử dụng

được đặc trưng bởi cỏc chỉ tiờu độ bền sau đõy: [2]

1 Cỏc chỉ tiờu độ bền σb, σc, σ-1 quy định ứng suất làm việc cho phộp, khối

lượng và kớch thước của chi tiết khi biết độ bền;

2 Mụđun đàn hồi E, quy định trị số biến dạng đàn hồi, tức độ cứng vững của

chi tiết, khi biết hỡnh học của chi tiết;

3 Độ dẻo δ,ψ, độ dai va đập, độ dai phỏ huỷK IC, ngưỡng nhiệt độ giũn lạnh

50

T ; chỳng đỏnh giỏ độ tin cậy của vật liệu khi làm việc;

4 Độ bền lõu tuần hoàn, tốc độ mài mũn, róo, ăn mũn; chỳng sẽ xỏc định độ bền

lõu của vật liệu

1.4 Tổng quan về đầu máy diesel truyền động điện D19E vận dụng trên

ĐSVN

1.4.1 Khỏi quỏt về đầu mỏy D19E

- 16 - Theo yờu cầu phỏt triển của ngành ĐSVN với mục tiờu phấn đấu kộo khoẻ, chạy nhanh, rỳt ngắn giờ chạy tàu, khụng ngừng nõng cao chất lượng vận tải, mà trọng điểm là tuyến đường sắt Thống nhất Ngành ĐSVN đó hợp đồng với Đường

sắt Trung Quốc chế tạo 40 đầu mỏy diesel TĐĐ loại CKD7F cú ký hiệu D19E Được đưa vào Việt Nam sử dụng từ năm 2002 Bộ phận chạy là giỏ chuyển hướng loại 3 trục với 13 tấn / trục Đầu mỏy cú thiết kế cỏc hệ thống điều khiển bằng vi

xử lý, hệ thống đún nhận tớn hiệu tự động, hệ thống cấp giú 2 đường và bộ phận hóm điện trở Đầu mỏy cú kết cấu của giỏ chuyển hướng hiện đại, nhưng chất lượng của KGCH đầu mỏy đợt đầu đang vận dụng tại Xớ nghiệp đầu mỏy Hà Nội chưa đạt yờu cầu

Năm 2006 – 2007, Nhà mỏy xe lửa Gia Lõm – Đường sắt Việt Nam, đó tiến hành lắp rỏp 20 đầu mỏy D19E trờn cơ sở nhập cỏc tổng thành từ Trung Quốc, giao cho Xớ nghiệp đầu mỏy Hà Nội và Xớ nghiệp đầu mỏy Sài Gũn, nõng tổng số đầu mỏy D19E của mỗi xớ nghiệp lờn 30 mỏy

Đầu mỏy D19E đang là sức kộo chủ cụng trờn tuyến Đường sắt thống nhất

để kộo cỏc tầu khỏch Quỏ trỡnh khai thỏc vận dụng đó phỏt huy được nhiều ưu điểm của nú và đang được đỏnh giỏ cao Một vài nhược điểm của đầu mỏy này cũng đó và đang được khắc phục triệt để Song vẫn cú thể khẳng định được rằng đầu mỏy D19E là loại đầu mỏy cú chất lượng cao, cụng nghệ tiờn tiến, phự hợp với khả năng, điều kiện hiện cú và yờu cầu, đặc điểm vận dụng trờn cỏc tuyến đường của ĐSVN

Qua việc phõn tớch cỏc đặc điểm cơ bản nhất của bộ phận chạy của đầu mỏy D19E là mỗi đầu mỏy cú 2 giỏ chuyển hướng, mỗi giỏ chuyển hướng cú 3 bộ TBX Giỏ chuyển hướng của đầu mỏy cú nhiệm vụ đỡ toàn bộ phần trọng lượng của đầu mỏy từ giỏ xe truyền xuống, đồng thời truyền cỏc lực kộo và lực hóm từ bỏnh xe lờn giỏ xe đầu mỏy Mặt khỏc giỏ chuyển hướng cũn tiếp nhận toàn bộ cỏc lực tỏc dụng theo cả hai phương thẳng đứng và nằm ngang xuất hiện trong quỏ trỡnh đầu mỏy chuyển động để truyền cỏc lực đú từ đầu mỏy xuống đường và ngược lại Cỏc

bộ phận của giỏ chuyển hướng làm việc trong điều kiện rất nặng nhọc và phải thực hiện những nhiệm vụ hết sức phức tạp Do đú những giỏ chuyển hướng của đầu mỏy hiện đại, cú cụng suất lớn và tốc độ cao phải thoả món những yờu cầu về độ bền, độ tin cậy, động lực học, bảo dưỡng sửa chữa…

1.4.2 Tỡnh hỡnh vận dụng đầu mỏy D19E đang sử dụng trờn ĐSVN

Ngành ĐSVN đang khai thỏc 60 đầu mỏy D19E, sau thời gian khai thỏc đầu mỏy D19E đó phỏt huy được hiệu quả trong điều kiện hạ tầng của ĐSVN cũn

- 17 - thấp kém Đây là loại đầu máy có công suất phù hợp với hướng phát triển của toàn

ngành Đường sắt về sức kéo

Qua thống kê ta thấy đầu máy D19E có số km chạy bình quân trong một

ngày là lớn nhất nhưng trở ngại chậm giờ tàu do nó gây ra lại là nhỏ nhất

* Tình hình khai thác đầu máy D19E

Hiện nay có 40 đầu máy đổi mớí D19E đang khai thác trên ĐSVN do nhà

máy Tư Dương Trung Quốc chế tạo, ngành đường sắt nhập về theo 3 đợt:

- Đợt 1: Gồm 10 đầu máy số hiệu D19E 901-910, tiếp nhận và đưa vào

quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy Hà Nội từ tháng 1/2002

- Đợt 2: Gồm 10 đầu máy mang số hiệu D19E 911-920, tiếp nhận và đưa

vảo quản lý, khai thác ở Xí nghiệp đầu máy Sài Gòn từ tháng 12/2002

- Đợt 3: Gồm 20 đầu máy mang số hiệu D19E 921-940, tiếp nhận tháng

8/2004, đưa 10 Đầu máy từ 921-930 vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy

Hà Nội từ tháng 8/2004; đưa 10 đầu máy từ 931-940 vào quản lý, khai thác tại Xí

nghiệp đầu máy Sài Gòn từ tháng 9/2004

* Sự cố hư hỏng giá chuyển hướng đầu máy D19E:

Lô đầu tiên, sau khi khai thác được một năm, sử dụng được khoảng hơn

100 000 km thì phát hiện nứt xà dọc chính tại vị trí lắp chốt cơ cấu truyền lực kéo,

vết nứt phát sinh, phát triển vào tôn thép cơ bản của xà dọc KGCH

- Đầu máy D19E – 902 ngày 28 / 01 / 2003 km chạy: 113 091 km

- Đầu máy D19E – 904 ngày 10 / 8 / 2004 km chạy: 219 223 km

Hình 1.3 Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902

- 18 - Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm đứng xà dọc KGCH 2

- Đầu máy D19E – 902 ngày 07 / 04 / 2005 Sau khi gia cường

Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm đứng xà dọc KGCH

- Đầu máy D19E – 905 ngày 06 / 04 / 2005 km chạy: 230 786 km Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm đứng xà dọc KGCH

Nhà máy Tư Dương - Trung Quốc đã khắc phục bảo hành bằng cách mang một số tấm tôn thép và que hàn từ Trung Quốc sang để hàn táp vào các vị trí nứt và các vị trí khác nghi là sung yếu Đồng thời phía Trung Quốc tổ chức một đoàn khảo sát gồm các nhà khoa học của Bộ Đường sắt Trung Quốc và Trường Đại học Giao thông Tây Nam Thành Đô, mang theo thiết bị đo đạc, khảo sát độ biến dạng đàn hồi tại các vị trí xung yếu trên KGCH và bánh xe

Ngành ĐSVN đã tạo điều kiện, lập các đoàn tàu theo yêu cầu của phía Trung Quốc, để tiến hành khảo sát Đồng thời ngành ĐSVN cũng tổ chức mời Viện Cơ học Việt Nam cùng tiến hành đo đạc khảo sát độc lập, để có số liệu đôi chứng với phía Trung Quốc

Ngày 06 / 4 / 2010 một trong 2 KGCH của đầu máy 907 của đợt đầu tiên đã được phía Trung Quốc khắc phục các vị trí xung yếu lại xuất hiện các vết nứt dài qua tấm cạnh và tấm dấy dưới của xà dọc KGCH

Vì vậy luận án chỉ tập trung nghiên cứu chủ yếu cho đối tượng là loại đầu máy D19E đại diện cho các đầu máy diesel TĐĐ đang khai thác trên ĐSVN

Hình 1.4 Vết nứt trên tấm cạnh ngoài và tấm đáy của xà dọc KGCH số 907

1.5 Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở trong và ngoài nước 1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở ngoài nước

- 19 - Hiện nay các nghiên cứu về mỏi trên thế giới khá đa dạng và phong phú với các

trường phái khác nhau các phương pháp khác nhau Mỗi trường phái, mỗi phương

pháp nghiên cứu đều cần đến nhiều loại thiết bị và thí nghiệm khác nhau, dẫn đến

việc nghiên cứu ngày càng phức tạp và tốn kém Mặc dù vậy kết quả nghiên cứu

theo các phương pháp khác nhau nhiều khi không mang lại các kết quả như nhau

Liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu về mỏi của kết cấu trên đầu máy, toa xe nói

chung và trên đầu máy nói riêng, có thể điểm qua một số công trình sau đây:

a Một số nước như Australia, Mỹ, Nhật… đã dùng giản đồ Haigh để tính độ

bền mỏi và tính toán phá huỷ mỏi của TBX đầu máy

Đường thẳng Goodman trên giản đồ Haigh hình 1.5 có thể được coi là

đường xấp xỉ của các số gia ứng suất mà vật liệu có thể chịu đựng được trong thời

gian vô tận

Hình 1.5 Giản đồ Haigh

Như đã biết

2 min max σ σ

σa= − ;

2 min max σ σ

−

=

Cách diễn tả theo Haigh có ưu điểm là các số gia ứng suất có thể nhận ra

được cho nhiều hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất R khác nhau Các đường

với các giá trị tải trọng lớn nhất bằng nhau σmax và các giá trị tải trọng nhỏ nhất

bằng nhau σmin lập ra những đường thẳng nghiêng với góc 450 nằm trên hai trục

ứng suất σa và σm

Muốn tìm được những giá trị bền mỏi cho những tỷ lệ ứng suất nào đó, trong

trường hợp chỉ biết được giá trị độ bền mỏi σW với tải trọng đối xứng (R = -1),

người ta có thể dựa vào đường thẳng Goodman và tính xấp xỉ như sau:

R

σ σ

R=-∞

N=10

4 N=10 5

Rm làgiới hạn bền kéo

b Một số nước như Australia, Trung Quốc, Nhật… đã tính độ bền mỏi và tính toán phá huỷ mỏi của TBX đầu máy, căn cứ theo tốc độ phát triển của vết nứt xác định bằng thực nghiệm, xây dựng đường cong biểu thị quan hệ giữa tốc độ vết nứt mỏi phát triển và số gia hệ số cường độ ứng suất da/dN - ∆K của vật liệu kim loại trong hệ toạ độ đối số Đường cong da/dN - ∆K chia thành 3 vùng: Vùng 1, ∆K <

∆Kth vết nứt không phát triển (∆Kth- ngưỡng vết nứt bắt đầu phát triển) Vùng 2,

∆K > ∆Kth vết nứt phát triển theo qui luật da/dN = C(∆K)n Vùng 3 vết nứt mỏi phát triển nhanh chóng và dẫn đến phá huỷ kết cấu [29]

c Trong quy phạm FKM của Cộng Hoà Liên Bang Đức, độ bền mỏi của vật liệu được tính toán qua biên độ của độ bền vô tận của cấu trúc và hệ số độ bền làm việc [11] Quy phạm FKM chia cấu trúc ra ba loại hình dạng khác nhau: Cấu trúc dạng thanh; Cấu trúc dạng tấm; Cấu trúc dạng khối Cụ thể như với cấu trúc dạng thanh, độ bền làm việc của cấu trúc σBK, τBK được phân biệt và tính như sau:

τBK = KBK.τAK

Trong đó: KBK - hệ số độ bền làm việc

σBK, τBK – biên độ của giới hạn mỏi của cấu trúc

Hệ số bền làm việc được xác định cho hai trường hợp tải trọng:

- Đối với tải trọng dao động với một biên độ: Xác định theo đường cong tuổi thọ S – N của cấu trúc

- Đối với tải trọng dao động thay đổi bất kỳ: Xác định theo luật tính Miner cơ bản

d Viện khoa học đường sắt Trung Quốc đã tiến hành kiểm tra động lực học và ứng suất động lực khung giá chuyển hướng đối với đầu máy D19E 903 trên tuyến

Hà Nội - Đà Nẵng Việc đánh giá độ bền mỏi và đánh giá tuổi thọ được thực hiện theo sơ đồ mỏi cơ bản Goodman, sau đây là thông số kiểm tra và kết luận tại điểm

34 trên tấm đứng của xà bên bề mặt giảm chấn cho trong bảng 1.1[15]:

- Đánh giá ứng suất động lực: Việc kiểm tra này sử dụng lí thuyết hư hỏng

tuyến tính mỏi để tính dải ứng suất tương đương với hư hỏng phổ ứng suất trong

đo đạc thực tế với đường cong S - N

- Đối với kết quả thực hiện: Từ thông số của điểm kiểm tra 34 trên tấm đứng

và kết luận kiểm tra, tuổi thọ của tấm này sẽ vượt quá 3 000 000 km

- Phân tích vết nứt: Góc bù giữa bề mặt đường hàn và bề mặt tấm nối là quá

nhỏ tạo ra ứng suất tập trung, vì vậy trong quá trình vận hành đầu máy, nguồn tạo

ra vết nứt là có từ trước và đựơc mở rộng ra

- 21 - Bảng 1.1: Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc

(MPa) Tần số Phạm vi ứng suất

(MPa)

Ứng suất danh định

e Một số nước đã thí nghiệm để xác định giới hạn mỏi, tốc độ lan truyền vết nứt

mỏi và độ dai phá hủy của vật liệu theo các tiêu chuẩn khác nhau Nhưng khi xác

định tốc độ lan truyền vết nứt mỏi và độ dai phá hủy của vật liệu thường thử nghiệm

trên các mẫu có rãnh khía với một vết nứt mỏi được tạo ra ở đáy của rãnh đó Một số

nước đã thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM E 399 – 90 và ASTM E 467 [32]

f Việc tính toán độ bền mỏi của vật liệu ở Liên Xô trước đây và Cộng hoà Liên

bang Nga ngày nay đã được qui định trong tiêu chuẩn 25.504-82 của Nga và dựa

trên lý thuyết đồng dạng thống kê phá hủy mỏi để tính cho các chi tiết thực có kích

thước tương đối lớn, có kể tới nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau.[14]

1.5.2 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở trong nước

Các công trình nghiên cứu về mỏi ở trong nước nói chung và trong lĩnh vực cơ khí

nói riêng còn rất khiêm tốn Tuy nhiên vẫn có thể kể ra những tác giả nghiên cứu về

mỏi ở trong nước: GS.TS Nguyễn Trọng Hiệp; PGS,TS Phan Văn Khôi; PGS.TS Ngô

Văn Quyết và các cộng sự…Trong một số lĩnh vực đã có một số công trình nghiên

cứu về mỏi đối với kết cấu khung giá và kết cấu lò xo trên ôtô, trong máy xây dựng,

dầu khí Trong lĩnh vực cơ khí đường sắt, các nghiên cứu về mỏi càng ít ỏi

B2000-35-Đề tài đã tính mỗi bậc ứng suất cao hơn giới hạn mỏi đều gây ra một phần tổn thương cho vật liệu Số đo tổn thương do bậc ứng suất thứ i gây ra, (i = 1,2, ,m) có quan hệ tới số chu trình ứng suất, và được xác định bằng tỷ số:

n D

1

là tỷ số các chu trình quá khứ, thì hệ số biểu thị tuổi thọ còn lại của chi tiết hoặc bộ phận kết cấu là

1

Trong thực tế, thường sử dụng nhiều tiêu chuẩn đánh giá mức độ tích luỹ tổn thương mỏi khác nhau, tuỳ theo môi trường và điều kiện làm việc của kết cấu Tiêu chuẩn đó còn được gọi là tổn thương mỏi cho phép [D] Trong trường hợp này, điều kiện không phá huỷ mỏi của phần tử kết cấu có dạng:

n D

1

≤ [D], (1.16)

Nếu ký hiệu tổng số chu trình ứng suất động đã tích luỹ là ntl, còn mức độ tổn thương đã tích luỹ là Dtl thì tuổi thọ mỏi của kết cấu (hay nói khác, số chu trình làm việc đến phá huỷ mỏi) là:

[ ]

tl tl tl tl cl tl

D D n D D n

, (1.17)

Thông thường, các chi tiết và kết cấu làm việc trong môi trường tự nhiên (tiếp xúc với không khí) và dễ tiếp cận cho việc bảo dưỡng, sửa chữa thì [D] =1,0 Các chi tiết và kết cấu quan trọng làm việc trong vùng ngập nước và không thể tiếp cận để sửa chữa thì [D] = 0,3 ÷ 0,6

- 23 -

Để đảm bảo tính khách quan và bao quát được nhiều yếu tố ảnh hưởng,

trong trường hợp này đề xuất sử dụng đồng thời cả hai tiêu chuẩn kiểm nghiệm,

tức là 0,85 ≤ [D] ≤1,0 nhằm tạo ra giới hạn trên và giới hạn dưới về tuổi thọ mỏi

còn lại của kết cấu Cần lưu ý rằng chỉ tiêu [D] = 0,85 trong một chừng mực nào

đó có thể chỉ mang tính chất tham khảo

b Đánh giá độ bền mỏi KGCH đầu máy D19E - Viện Cơ học Việt Nam

Năm 2003, Viện Cơ học Việt Nam đã thực hiện các công việc khảo sát, tiến

hành đo đạc kiểm tra trạng thái ứng suất – biến dạng động trên KGCH đầu máy

D19E – 903 và D19E – 907 kéo tàu hàng và tàu khách trên tuyến Hà Nội - Đà

Nẵng - Hà Nội Kết quả đo kiểm tra tại các điểm nhạy cảm với trạng thái tập trung

ứng suất đã được thống kê ở những tình huống vận hành điển hình của đầu máy,

trong bảng 1.2 và ở một số khu gian đặc trưng cho các tình huống vận hành điển

hình của đầu máy cho trong phụ lục 1[1]

Bảng 1.2 Các số liệu thống kê ứng suất đo được của Viện Cơ học khi đầu

máy D19E 903 vượt đèo Khe Nét

Điểm đo max

Như vậy, với sự suy giảm đáng kể các giá trị mốc σ-1 → σR ; σb → Rσ ; Khi đó, vùng nằm trong giới hạn mỏi cho phép (không bị phá huỷ mỏi trong thời gian được định lượng theo thiết kế) sẽ bị thu hẹp lại đáng kể

Giả sử, σ-1 bị suy giảm từ 50 ÷ 70 % Khi đó trên biểu đồ hình 1.9 và hình 1.10, vùng phân bố các điểm trạng thái ứng suất tại các điểm đo có sự giao cắt với đường cong giới hạn phía trong Điều đó đồng nghĩa với việc có khả năng xuất hiện vết nứt mỏi tại một vùng nào đó vào thời gian rất ngắn so với tuổi thọ thiết kế

Hình 1.7 Biểu đồ Goodman - Gerber Hình 1.8 Biểu đồ Kuay

c Tính toán độ bền mỏi KGCH của các tài liệu giảng dạy và học tập

Đối với KGCH, hiện tượng hư hỏng phổ biến nhất là do phá hỏng vì mỏi KGCH không những chịu tác dụng của những tải trọng không đổi mà còn chịu tác dụng của các ứng suất biến thiên xuất hiện do dao động của đầu máy, của các kết cấu trên lò xo, cũng như dao động của các bộ phận dưới lò xo như trục bánh, động

cơ điện kéo và bản thân khung giá Các lực cũng như các phản lực tác dụng vào khung giá còn thay đổi cả theo thời gian, những sự thay đổi đó phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như: vận tốc chuyển động của Đầu máy, chất lượng đường, kết cấu của bộ phận chạy…

Ký hiệu hệ số tập trung ứng suất có kể tới những yếu tố ảnh hưởng nêu trên bằng (kσ)D Đã xác định được hệ số dự trữ độ bền mỏi sσ như sau [3]:

- 25 -

a t

D t

k s

σ σ

φ σ σ

σ σ σ

=

(1.18)

trong đó: σ-1 là giới hạn mỏi của vật liệu

φσ là hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng

Hệ số dự trữ độ bền mỏi sσ phụ thuộc vào độ chính xác của việc xác định các

lực tác dụng lên khung giá và độ chính xác của việc xác định hệ số tập trung ứng

suất, vào chất lượng vật liệu và chất lượng gia công V.B.Model đề nghị xác định

hệ số (kσ)D theo công thức sau: (kσ)D = kσ 1β2

k k

(1.19)

trong đó: k1 - hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu

k2 - hệ số tính tới nội ứng suất

kσ - hệ số tập trung ứng suất

β - hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công

Hệ số (kσ)D phụ thuộc vào sự ảnh hưởng đồng thời của sự tập trung ứng suất

được thể hiện bằng hệ số tập trung ứng suất kσ, vào chất lượng của bề mặt gia

công, có thể tính theo công thức:

(kσ)D = kσ + β 1

Hệ số k1 đối với kim loại cán và rèn có thể lấy bằng 1,1

Hệ số k2 được xác định trong khoảng 1 ÷ 1,2

Hệ số β phụ thuộc vào độ bóng của mặt gia công và sức bền tức thời của vật

liệu σb, β có thể xác định nhờ đồ thị trong giáo trình “Sức bền vật liệu” và các “Sổ

tay kỹ thuật”

Hệ số tập trung ứng suất thực tế kσ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Medel cho

rằng, khi chế tạo khung giá từ các xà bên và xà ngang là các tấm thép dập định hình

với điều kiện là đã xem xét kỹ cách liên kết của chúng thì có thể lấy kσ = 3

Trong thực tế khi tính toán người ta thường coi tải trọng là đơn giản, nghĩa là tỉ

số giữa σt và σa là không đổi Khi đó hệ số dự trữ độ bền có thể tính theo công thức:

( )σ σ σ

φ σ σ σ

T B D k s

+

.

Đối với các kết cấu hàn có thể lấy sσ ≥ 2, còn trị số (kσ)D = kσ

Trên cơ sở của các mẫu thử nghiệm, hệ số dự trữ độ bền phải lấy sσ ≥ 2 Đối

với KGCH lấy sσ = 2 ÷ 2,5

Các ứng suất nhận được phải nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu Hệ số an

toàn phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép

d Tính toán độ bền mỏi TBX của các tài liệu giảng dạy và học tập

Khi Đầu máy chuyển động, các tải trọng tác dụng lên trục bánh xe thay đổi

cả về chiều và trị số một cách tuần hoàn Trục lại là chi tiết có nhiều chỗ mối ghép,

- 26 -

có nhiều góc lượn chuyển tiếp…vì thế dễ phát sinh vết nứt do mỏi

Trục bánh xe là chi tiết đặc biệt có ý nghĩa quan trọng về mặt an toàn khi vận hành, do đó yêu cầu phải tính toán hết sức cẩn thận và phải đảm bảo hệ số an toàn cao Mặt khác để đảm bảo tính năng động lực và tiết kiệm vật liệu trục bánh xe phải có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ nhất

Khi tính toán trục theo độ bền mỏi, chế độ làm việc trung bình của trục có thể lấy theo tốc độ kỹ thuật của đầu máy Đối với đầu máy hàng có thể lấy bằng 50 ÷

60 km/h Đối với đầu máy kéo khách có thể lấy khoảng 80 ÷ 90 km/h

Ảnh hưởng của mômen xoắn và mômen uốn trong mặt phẳng nằm ngang ở các giá trị tốc độ trên không lớn và có thể bỏ qua, khi đó chỉ cần xét đến mô men uốn trong mặt phẳng thẳng đứng

Hệ số động lực theo phương thẳng đứng có thể xác định theo công thức [3]:

Kd = 0,1 + 0,2

t f

Trong đó: V - vận tốc của đầu máy (km/h)

ft - độ nhún tĩnh của hệ thống lò xo giá chuyển (mm)

e Thử nghiệm xác định GHBM mẫu vật liệu KGCH và TBX Đầu máy D9E

Trong đề tài Nghiên cứu khoa học, cấp Bộ mã số B2000-35-106 TĐ Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội 2000 do GS Đỗ Đức Tuấn làm chủ nhiệm đề tài Đã thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu theo phương pháp thí nghiệm mỏi một bậc, uốn thuần túy, chu trình đối xứng, với 4-5 mức ứng suất cho tới khi mẫu bị phá hủy Đề tài đã xây dựng phương trình đường cong mỏi vật liệu KGCH và TBX đầu máy D9E và đã xác định GHBM mẫu vật liệu:

Với KGCH: σ-1= 1800 daN/cm2 ; N0 = 2.106

Với TBX: σ-1= 2040 daN/cm2 ; N0 = 2.107

1.6 Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài

Giao thông vận tải đường sắt là một trong các hình thức giao thông vận tải quan trọng nhất của xã hội phát triển Ngành ĐSVN đang ứng dụng những tiến bộ mới của khoa học và công nghệ nhằm từng bước đẩy mạnh sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá Vừa qua ngành ĐSVN đã chế tạo và lắp ráp thành công đoàn tàu kéo đẩy Chủ trương của ngành là tiếp tục chế tạo, sản xuất ra những đoàn tàu theo yêu cầu của giao thông vận tải đường sắt ngày càng có chất lượng cao Mặt khác, việc nâng cao an toàn và tốc độ chạy tàu đối với các trang thiết bị hiện có là chủ trương lớn đang được ngành thực hiện

Đợt đầu tiên gồm 10 Đầu máy số hiệu D19E 901 – 910, tiếp nhận và đưa vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy Hà nội từ tháng 1/2002 Đã có sự cố

- 27 -

hư hỏng KGCH đầu máy D19E Sau khi khai thác được khoảng 1 năm, vận dụng

được khoảng hơn 100 000 km thì phát hiện nứt xà dọc chính tại vị trí lắp chốt cơ

cấu truyền lực kéo, vết nứt phát sinh, phát triển ở tấm cạnh và tấm dưới của xà dọc

KGCH Ngành ĐSVN mời Viện Cơ học Việt Nam tiến hành đo đạc khảo sát trạng

thái ứng suất, biến dạng động trên KGCH và đã kết luận nguyên nhân xuất hiện vết

nứt tại vùng nguy hiểm trên xà dọc giá chuyển của đầu máy D19E là do quá trình

phá huỷ mỏi kết hợp đồng thời với sự tập trung ứng suất

Vì vậy nghiên cứu thực nghiệm (thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật

liệu, thử nghiệm độ dai phá huỷ của vật liệu, thử nghiệm tốc độ lan truyền vết nứt

mỏi) cho phép đánh giá một cách đầy đủ hơn về tình trạng độ bền mỏi và tuổi thọ

mỏi của KGCH và TBX đầu máy D19E trong quá trình vận dụng hiện nay

Từ trước đến nay, việc nghiên cứu tính toán độ bền mỏi kết cấu đầu máy nói

chung và kết cấu bộ phận chạy nói riêng trong ngành Đường sắt nước ta chưa đươc

quan tâm đúng mức Bởi vậy, đề tài: “Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ

mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên

đường sắt Việt Nam.” là góp phần giải quyết một vấn đề mà thực tế sản xuất đang

đặt ra một cách cấp bách

1 Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá độ bền

mỏi và tuổi thọ mỏi của KGCH và trục bánh xe đầu máy D19E

2 Hướng đề tài nghiên cứu:

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu và điều kiện làm việc của

KGCH và TBX đầu máy tới độ bền và tuổi thọ mỏi của nó Tiến hành nghiên cứu

lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu làm KGCH và

TBX đầu máy D19E đợt nhập đầu tiên đang sử dụng tại Xí nghiệp đầu máy Hà

Nội, trên cơ sở đó tính toán độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ còn lại của kết cấu

KGCH và TBX đầu máy

3 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm và sử dụng phương trình

đồng dạng phá huỷ mỏi

- Sử dụng các phần mềm cơ học, toán học và các thiết bị thí nghiệm chuyên

dùng để hỗ trợ

4 Người hướng dẫn:

GS TS Đỗ Đức Tuấn - Trường Đại học Giao thông Vận tải

PGS TS Ngô Văn Quyết - Học Viện Kỹ thuật Quân sự

- 28 -

5 Nội dung chính của luận án:

- Nghiên cứu lý thuyết về sự phát triển vết nứt mỏi của vật liệu KGCH và TBX đầu máy D19E, phân tích đánh giá độ bền và tuổi thọ mỏi của các kết cấu đó có xét tới ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và tải trọng

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần hóa học, thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học và đặc trưng mỏi, thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt mỏi

và độ dai phá huỷ mỏi của vật liệu chế tạo KGCH và TBX đầu máy D19E để tính toán và đánh giá một cách đầy đủ hơn về tình trạng độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi, từ

đó đề ra một số biện pháp về công nghệ bảo dưỡng, sửa chữa và khai thác hợp lý Luận án gồm 4 chương và kết luận chung như phần mục lục

1.7 Kết luận chương 1

1 Đã xác định được các chỉ tiêu để đánh giá độ tin cậy và độ bền lâu của chi tiết hoặc kết cấu, đó chính là hệ số cường độ ứng suất tại đỉnh vết nứt theo kích thước vết nứt cho phép và giới hạn mỏi của chi tiết hoặc kết cấu

2 Hiện nay ngành đường sắt Việt Nam sử dụng chủ yếu là đầu máy diesel truyền động điện Công dụng và kết cấu của KGCH và TBX của các loại đầu máy này cơ bản là giống nhau Trong số các loại đầu máy disel truyền động điện, đầu máy D19E chiếm số lượng lớn nhất (60 chiếc) Mặt khác, trong thời gian tới ngành ĐSVN sẽ tiếp tục lắp ráp và tăng cường số lượng đầu máy D19E

Đầu máy D19E do nhà máy Tư Dương, Trung Quốc chế tạo được nhập vào Việt Nam từ tháng 01 năm 2002 Đợt nhập đầu tiên gồm 10 đầu máy được tiếp nhận và đưa vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy Hà Nội Sau khi khai thác được khoảng hơn một năm, đầu máy chạy được khoảng hơn 100 000 km thì phát hiện nứt trên xà dọc chính tại vị trí lắp chốt cơ cấu truyền lực kéo Vết nứt phát sinh, phát triển vào tôn thép cơ bản của xà dọc khung giá chuyển hướng Đây

là hiện tượng tương đối đặc biệt, cần quan tâm nghiên cứu và xử lý

Vì những lý do nói trên, luận án tập trung nghiên cứu cho đối tượng cụ thể là loại đầu máy D19E, đại diện cho các loại đầu máy diesel truyền động điện đang khai thác trên ĐSVN

3 Việc nghiên cứu thử nghiệm xác định đặc trưng mỏi mẫu vật liệu ở trong nước thường chỉ thử nghiệm xác định GHBM, do vậy không đủ các đại lượng để đánh giá độ bền và tuổi thọ mỏi của vật liệu kết cấu Vì vậy Luận án đề xuất việc nghiên cứu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá hủy của vật liệu kết cấu

- 29 -

4 Việc tớnh toỏn độ bền mỏi ở trong nước thường ỏp dụng theo phương

phỏp tớch luỹ tuyến tớnh cỏc tổn thương mỏi, tuy nhiờn nhiều kết quả nghiờn cứu

cho thấy rằng quy luật tớch luỹ tuyến tớnh cỏc tổn thương mỏi tỏ ra ớt tin cậy Do

mỏy tớnh ngày càng được sử dụng rộng rói nờn phương phỏp thử nghiệm, thống kờ

trở thành phương phỏp hữu hiệu để tớnh toỏn, phương phỏp này cho phộp xem xột

đầy đủ hơn đặc điểm ngẫu nhiờn của tất cả cỏc đại lượng ẩn định của độ bền và

tuổi thọ mỏi Phương phỏp xỏc suất để tớnh độ bền mỏi cỏc chi tiết trong phạm vi

nhiều chu trỡnh được ỏp dụng trong tớnh toỏn thiết kế chế tạo, kiểm tra và sửa chữa

cỏc chi tiết bộ phận chạy của đầu mỏy Vỡ vậy Luận ỏn chọn phương phỏp tớnh toỏn

theo lý thuyết đồng dạng phỏ hủy mỏi

Việc nghiờn cứu tớnh toỏn độ bền và dự bỏo tuổi thọ mỏi của KGCH và TBX

đầu mỏy núi chung và đầu mỏy D19E núi riờng trờn cơ sở ứng dụng lý thuyết Cơ

học phỏ huỷ là nhằm gúp phần vào việc đề xuất cỏc giải phỏp xõy dựng tiờu chuẩn

và quy trỡnh sử dụng hợp lý trong cụng tỏc vận dụng, khai thỏc đầu mỏy, gúp phần

đảm bảo độ tin cậy và an toàn vận hành đoàn tàu - một vấn đề mà thực tế sản xuất

đang đặt ra cho ngành đường sắt hiện nay

- 30 -

chương 2 cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ

mỏi của kgch và tbx 2.1 Sự lan truyền vết nứt mỏi

Mụ tả quỏ trỡnh lan truyền vết nứt trong vật liệu, nhiều nhà nghiờn cứu đó xõy dựng những biểu thức toỏn học trong đú phản ỏnh mối quan hệ giữa chiều dài vết nứt với cỏc đặc trưng của chế độ tải trọng gõy ra ứng suất và cỏc thụng số kớch thước của kết cấu hoặc chi tiết

Từ nghiờn cứu thực nghiệm, cỏc nhà nghiờn cứu nhận thấy rằng: sự gia tăng của chiều dài vết nứt phụ thuộc vào ứng suất của phổ tải tỏc động Tại đầu vết nứt xuất hiện vựng đàn - dẻo, nờn luụn cú sự phõn bố lại ứng suất Để đỏnh giỏ sự phõn

bố lại ứng suất, đó đưa ra khỏi niệm: Hệ số cường độ ứng suất K

2.1.1 Cơ học phỏ huỷ đối với vết nứt mỏi 2.1.1.1 Trường ứng suất và biến dạng ở đầu vết nứt

Qua nghiờn cứu biến dạng ở đầu vết nứt từ cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu của cỏc nhà khoa học, ta thấy rằng: bề mặt vết nứt là biến dạng khụng cú ứng suất, sự phõn bố ứng suất tại chớnh đầu nhọn ở vựng đầu vết nứt Cỏc biến dạng khỏc xa hơn kể từ vựng đú và cỏc ngoại lực chỉ ảnh hưởng tới cường độ của trường ứng suất cục bộ Trường ứng suất ở đầu vết nứt cú thể được phõn chia thành ba dạng cơ bản

mà mỗi dạng ấy được đặc trưng bởi dỏng vẻ biến dạng, trong phạm vi ứng dụng ta chỉ tập trung nghiờn cứu với dạng I - Phỏ chẻ, trong đú bề mặt của vết nứt tỏch xa nhau theo hướng vuụng gúc với phương dịch chuyển của vết nứt [16, 17]

Những trường ứng suất và chuyển vị tương ứng với từng dạng riờng biệt được xỏc định theo phương thức Irwin, dựa trờn cơ sở của phương phỏp Westegaard Cỏc dạng I và II cú thể được nghiờn cứu như những bài toỏn phẳng của lý thuyết đàn hồi, tức là được chia thành cỏc bài toỏn đối xứng và phi đối xứng với mặt phẳng vết nứt Dựng cỏc ký hiệu mụ tả như hỡnh 2.1

Hỡnh 2.1 Hệ toạ độ và cỏc thành phần ứng suất của trường ứng suất ở đầu vết nứt

- 31 - Công thức cuối cùng để xác định các trường ứng suất và chuyển vị đối với

dạng I được viết như sau [17]:

2

θ θ θ π

=

2

3sin2sin12

cos2

θθθ

sin2

θθθπ

trong đó: KI - HSCĐUS của trường ứng suất dạng I;

g, h, ω - các chuyển vị thành phần tương ứng với ba dạng;

µ - hệ số Poisson;

G- môđun đàn hồi trượt

Cường độ ứng suất của trường ứng suất không phụ thuộc toạ độ r, mà nó

phụ thuộc vào các toạ độ của các dạng, nhưng không phụ thuộc vào sự phân bố của

trường ứng suất Từ phân tích thứ nguyên các công thức (2.1), ta thấy, các

HSCĐUS của trường ứng suất phụ thuộc tỷ lệ vào ngoại lực tác động vào vật thể

đàn hồi tuyến tính, hình dáng của vật thể và kích thước của vết nứt

2.1.1.2 Chỉ tiêu về độ dai chống phá huỷ

Trong kết cấu tồn tại vết nứt, dùng cơ học đàn hồi làm phương pháp cơ bản

để phân tích trạng thái ứng suất tại đầu vết nứt Xét vết nứt dạng I, vết nứt này chịu

ngoại lực thẳng góc với bề mặt vết nứt, khiến cho vết nứt chịu ứng suất kéo

Các nhà nghiên cứu đã phân tích lý thuyết và thực nghiệm đều có kết luận

là: HSCĐUS K của kết cấu có vết nứt có quan hệ tuyến tính với ứng suất ngoại gia

và chiều dài vết nứt, đối với bài toán dị hướng tổng quát có thể tìm được KI như

sau [10]:

K I = σ πa.f( )g (2.2)

trong đó: f(g) - tham số không thứ nguyên, gọi là hệ số hiệu chỉnh,

hoặc là hệ sô' hình học của kết cấu có vết nứt;

a - chiều dài vết nứt

Hệ số hiệu chỉnh trong một số trường hợp đã có kết quả cụ thể Đối với tấm

rộng hữu hạn có vết nứt xuyên thấu: tấm rộng hữu hạn, chiều rộng là b, chiều dài vết

- 32 - nứt là a xuyên thấu, chịu tác dụng ứng suất kéo σ thẳng góc với bề mặt vết nứt [10]

Tường hợp vết nứt ở một cạnh, hệ số hiệu chỉnh là:

( )

4 3

2

95 , 30 72

, 21 55

, 10 231

, 0 12 ,

=

b a b

a b

a b

a g

f

(2.3)

Với những kết cấu cụ thể khi xác định được kích thước phá hỏng của vết nứt (khi vết nứt lan truyền từ chiều dài kỹ thuật cho phép ban đầu a0 tới chiều dài tới hạn cuối cùng ath) giá trị KI tiến tới giá trị KIC, tức là HSCĐUS tiến tới giá trị tới hạn (kết cấu phá hủy hoàn toàn) Gọi KIC là độ dai phá hủy biến dạng phẳng của vật liệu (đặc tính bền của vật liệu có vết nứt khi bị phá hủy)

2.1.2 Đặc điểm của vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt

Các nhà nghiên cứu về vùng đàn - dẻo đã chỉ ra trong quá trình lan truyền, tại đầu vết nứt xuất hiện một vùng đàn - dẻo Vùng đàn - dẻo này được gọi là vùng tiền vết nứt, cũng lan truyền và phát triển về hướng građien lớn nhất của ứng suất cục bộ và bằng cách đó định hướng cho vết nứt chính lan truyền và phát triển theo

Sơ đồ minh hoạ vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt được chỉ ra trên hình 2.2 Có thể xác định kích thước vùng đàn - dẻo theo lý thuyết trình bày tóm tắt dưới đây

Hình 2.2 Vùng đàn - dẻo tại đầu vết nứt mỏi

Trong trường hợp chịu tải chu trình, không những ứng suất, mà còn HSCĐUS, vùng biến dạng dẻo, độ mở vết nứt và các thông số khác đều biến đổi liên tục có chu trình Dưới đây là kết quả lời giải, trên hình 2.3 [17]

Giả sử tải trọng thay đổi gây ra ứng suất biến đổi có chu trình với biên độ ứng suất là σa = 2σ0, từ trạng thái kéo (a) với ứng suất σ sang trạng thái nén (b) với ứng suất - ∆σ, rồi lại từ trạng thái nén (c) với ứng suất (σ - ∆σ) sang trạng thái kéo (d) với ứng suất + ∆σ, sau đó mới lặp lại chu ký mới Kích thước vùng biến dạng dẻo ở đầu vết nứt được xác định lần lượt như sau:

Lúc đầu (hình 2.3), vùng biến dạng dẻo được tính như trường hợp chịu tải tĩnh:

I mon K

I rev K

σ y (x) = K I (2πx) -1/2

σ y (x - u) = K I (2πx - u) -1/2

σ y

σ y u W

- 33 -

Hình 2.3 Vùng dẻo ở đầu vết nứt khi chịu tải chu kỳ

Có thể tính kích thước các vùng biến dạng dẻo nêu trên theo HSCĐUS Kmax

và ∆KI theo các công thức dưới đây:

2

0 max 1

K

2

0 2

0

11

a I

rev

K K

Vậy kích thước vùng biến dạng dẻo khi chịu tải tĩnh và khi chịu tải chu trình

có liên hệ sau: wmon = P 2Wrev với P ≥ 2 (2.9)

2.1.3 Tốc độ phát triển vết nứt mỏi

2.1.3.1 Quá trình phá huỷ mỏi

Từ các công trình nghiên cứu cho thấy, quá trình phá huỷ mỏi của kết cấu, là

một quá trình phức tạp Nhân tố ảnh hưởng quá trình này rất nhiều, sự phân biệt định

lượng toàn bộ quá trình phá huỷ mỏi cũng không có một gianh giới chính xác, do đó

σ 0

x

e)

KI (K I - ∆K I ) + ∆K I

- 34 - thường chia quá trình hình thành vết nứt mỏi tới lúc kết cấu hoặc vật liệu kim loại bị

phá huỷ thành các giai đoạn sau:

- Giai đoạn vết nứt hình thành;

- Giai đoạn vết nứt phát triển tế vi: vết nứt phát triển vết nứt giai đoạn I;

- Giai đoạn vết nứt phát triển nhìn thấy: vết nứt phát triển giai đoạn II;

- Giai đoạn phá huỷ: phá huỷ kết cấu

Đối với kết cấu có vết nứt ban đầu, chủ yếu là quá trình phát triển của vết nứt nhìn thấy, cũng tức là vết nứt phát triển giai đoạn II Cho tới nay, kích thước nhỏ nhất của vết nứt nhìn thấy quy định chưa thống nhất, mà chỉ công nhận tiêu chuẩn, cho nên tiêu chuẩn phân chia các giai đoạn phát triển của vết nứt cũng không thống nhất Xuất phát từ góc độ ứng dụng, nói chung có thể cho kích thước nhỏ nhất của vết nứt nhìn thấy là 0,1∼0,5 mm, độ sâu của vết nứt là 0,15 mm

2.1.3.2 Tốc độ phát triển mỏi của vết nứt

- Khái niệm về Tốc độ phát triển mỏi của vết nứt

Kết cấu có vết nứt, dưới tác dụng của tải trọng biến đổi, vẫn có thể công tác bình thường trong thời gian dài mà không bị phá huỷ Tốc độ phát triển mỏi của vết nứt dùng da/dN biểu thị, do da/dN có thể đo được từ mẫu thử, nên người ta thường biểu thị nó là ∆a/∆N, trong đó: ∆N biểu thị lượng tăng số lần tuần hoàn của tải trọng biến đổi (hoặc ứng suất biến đổi); ∆a biểu thị lượng tăng của chiều dài vết nứt tương ứng với ∆N Do đó, ý nghĩa vật lý của ∆a/∆N hoặc da/dN là lượng gia tăng của chiều dài vết nứt dưới số lần tuần hoàn đơn vị

- Công thức tốc độ phát triển mỏi của vết nứt

Các nhà khoa học đã triển khai nghiên cứu về tốc độ phát triển vết nứt, Paris

đã chỉ ra, trong phạm vi cơ học phá huỷ đàn hồi, HSCĐUS K là một tham số để

mô tả trường ứng suất đầu vết nứt, như vậy, số gia biến đổi ∆K sẽ là tham số thứ hai khống chế tốc độ vết nứt phát triển da/dN Do đó, Paris đề xuất công thức kinh nghiệm về tốc độ vết nứt phát triển mỏi như sau:

dN

da = C(∆K)n (2.10)

Trong đó: ∆K – số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K = Kmax - Kmin

C, n - các hệ số phụ thuộc vật liệu, do thử nghiệm xác định

Đối với vật liệu khác nhau, năng lực chống vết nứt phát triển khác nhau, do

đó, tốc độ vết nứt phát triển, thực tế là một lượng đo năng lực khống chế vết nứt phát triển của vật liệu Quan hệ giữa da/dN với ∆K do thực nghiệm xác định

Để tiện lợi, người ta lấy đối số của công thức (2.10) và được:

lg 

dN

da = lg(C) + n lg(∆K) (2.11)

- 35 - Đường cong trong hình 2.4 biểu thị tốc độ vết nứt phát triển mỏi da/dN - ∆K

tương đối điển hình của vật liệu kim loại trong hệ toạ độ đối số, các nhà nghiên

cứu đã căn cứ tính chất phát triển của vết nứt trong vật liệu, chia đường cong

da/dN-∆K thành 3 vùng: vùng I, II và III [10]

Hình 2.4 Đuờng cong da/dN-∆K trong hệ tọa độ đối số

Tại vùng I: ∆K < ∆Kth, về cơ bản vết nứt không phát triển (tốc độ phát

triển da/dN < 10-7∼10-8 mm/chu trình), ∆Kth gọi là trị số ngưỡng vết nứt phát triển,

vật liệu khác nhau có ∆Kth khác nhau Ngoài ra, ∆Kth chịu ảnh hưởng của đặc tính

tuần hoàn ứng suất R tương đối lớn, nói chung, R tăng thì ∆Kth giảm

Vùng II: ∆K > ∆Kth vết nứt phát triển theo qui luật da/dN = C(∆K)n, trong

vùng II này trên hình 2.4b dùng đường gãy biểu thị, trên mỗi đoạn thẳng có trị số C

và n khác nhau

Vùng III: Vết nứt mỏi phát triển nhanh chóng và dẫn đến phá huỷ kết cấu

Để xét đến ảnh hưởng của ứng suất bình quân σ đối với tốc độ phát triển vết

nứt, nhà nghiên cứu E.K Walker đưa ra công thức sau:

Để có thể đồng thời xét đến ảnh hưởng của ứng suất bình quân và tính dai

phá huỷ của vật liệu đến tốc độ phát triển của vết nứt, và quan tâm đến khi Kmax đạt

đến tính dai phá huỷ ứng suất phẳng (hoặc tính dai phá huỷ biến phẳng) KC và

da/dN lớn vô hạn, nhà nghiên cứu G.R Forman đưa ra công thức tốc độ phát triển

mỏi của vết nứt như sau:

dN

da =

K K R K C C n

∆

−

−

∆ ) 1 ( ) ( (2.13)

Công thức Forman chẳng những xét đến ảnh hưởng của ứng suất bình

quân, mà cũng phản ánh ảnh hưởng của tính dai phá huỷ của vật liệu KC Ta thấy

KC càng cao thì da/dN càng nhỏ, điều này rất quan trọng khi chọn vật liệu

lg da dN

Vïng I

- 36 -

- Ảnh hưởng của tần số gia tải đối với sự phát triển mỏi của vết nứt

Nói chung, ảnh hưởng của tần số gia tải và nhiệt độ đối với da/dN có quan

hệ gắn bó với số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K Khi ∆K tương đối thấp, ảnh hưởng của tần số gia tải đối với phát triển vết nứt, rất nhỏ Nhưng khi trị số ∆K tương đối lớn, đặc biệt ở nhiệt độ cao, do tác dụng tương hỗ của tần số gia tải và nhu biến, tần số gia tải có ảnh hưởng rõ rệt đối với tốc độ phát triển của vết nứt mỏi, kết quả của nó là: Tần số gia tải giảm nhỏ, tốc độ phát triển vết nứt da/dN tăng lớn

2.2 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi 2.2.1 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối

Từ công trình nghiên cứu của Xerenxe-Kogaev ta có thể tóm tắt Phương

trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối như sau [17]:

- Cơ sở lý thuyết

Trên cơ sở lý thuyết phá huỷ “khâu yếu nhất” do Weibull đề xướng và lý thuyết xác suất thống kê Giả sử có một dãy gồm n khâu (n phép thử thí nghiệm mỏi độc lập với n mẫu chuẩn) nối tiếp được chất tải, gây ra ứng suất σ

Biểu diễn xác suất phá huỷ của một khâu thứ i nào đó chịu tải trọng gây ra ứng suất σ là Pi(σ) Pi(σ) được xem là hàm phân bố đặc trưng cho độ bền của một khâu thứ i nào đó

Xác suất không phá huỷ của khâu thứ i nào đó là:

P

1 1 1

max ( , , ) exp

1

V dV u z y x

- 37 - ∫

m V dV u z y x f I

0 0

G θ σ (2.19)

Đơn vị của G là Pa/mm; K là hệ số tỷ lệ

Trong tính toán thực tế về độ bền mỏi, người ta lại thường dùng građien

tương đối của ứng suất chính lớn nhất và ký hiệu là G, được xác định theo công

max max

σ

σ (2.20)

Ý nghĩa của građien tuyệt đối: phản ánh tốc độ biến thiên của ứng suất chính

lớn nhất trên một đơn vị chiều dài

- Phương trình đồng dạng và chỉ tiêu đồng dạng

a Theo luật phân phối Weibull

Sau khi tích phân, biến đổi các biểu thức và các yếu tố hình học của mẫu,

thu được biểu thức đại lượng I như sau [27]:

m m m m

m

m F a a G b F dx b a x G F dF u

I

)(.2.)(2

0 0

1 0 0

0 0 0

0

0

P u

Về thực chất biểu thức (2.23) là hàm phân bố của đại lượng ξ và cũng là

hàm phân bố của giới hạn mỏi của chi tiết σ-1ct =ξ.u/ασ theo xác suất phá huỷ P%

Phương trình (2.23) được gọi là phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng

tuyệt đối hay phương trình đồng dạng Xerenxe-Kogaev Đại lượng

G

L được gọi là

chỉ tiêu đồng dạng phá hủy mỏi Xerenxe-Kogaev Với L: là chu vi hoặc một phần

chu vi của mặt cắt ngang có tập trung ứng suất σmax

Ý nghĩa của chỉ tiêu này là: Các mẫu thí nghiệm và các chi tiết có kích thước

và sự tập trung ứng suất khác nhau, nhưng nếu có cùng một giá trị chỉ tiêu đồng

dạng thì trên thực tế có cùng một hàm phân bố giới hạn mỏi

b Theo luật phân phối chuẩn

Thay thế luật phân phối Weibull bằng luật phân phối chuẩn với đại lượng ngẫu

nhiên X = lg(σmax - u) nhận được phương trình sau:

- 38 -

S u G

L B A

lg(σmax (2.24)

trong đó :

uP - phân vị của phân phối chuẩn ứng với xác suất phá huỷ P;

S - sai lệch bình phương trung bình của đại lượng ngẫu nhiên X = lg(σmax -u);

)(lg)lg( max84,1 u max u

Theo tài liệu [17] tính được hàm phân phối xác suất theo các giá trị P từ đó

có thể tìm được mối quan hệ giữa hai thông số S và m

Trong phương trình (2.24) có 4 thông số: u, AL, B, S được xác định bằng các

số liệu thực nghiệm [17]

2.2.2 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối

Từ công trình nghiên cứu của Olaynhik-NgoVanQuyet ta có thể tóm tắt Phương

trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối như sau [17]:

Dạng tổng quát của phương trình đồng dạng phá huỷ không thứ nguyên là:

Sgh - giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N0;

ε∞ - hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của chi tiết;

up (còn ký hiệu là zp) - phân vị với xác suất phá huỷ P%; khi Smax ≤ Sgh

thì P(Smax ≤ Sgh) = 0

ss - độ lệch bình phương trung bình của đại lượng ngẫu nhiên lg(σmax - u); a’,b’ - những hằng số mới của vật liệu làm chi tiết, phản ánh đặc trưng cấu trúc của vật liệu và điều kiện làm việc thực tế của chi tiết

Đại lượng ∏ được gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá hủy mỏi NgoVanQuyet

Ý nghĩa của Π là mẫu chuẩn của chi tiết thực có hình dạng và kích thước khác nhau nhưng nếu có cùng trị số Π thì sẽ có cùng một hàm phân phối giới hạn mỏi khi cùng một trạng thái ứng suất

Phương trình (2.25) được gọi là phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi tương đối

Từ phương trình đồng dạng (2.25) có thể tính được:

Hệ số ảnh hưởng của kích thước

σ

σ σ

- 39 -

τ

τ τ

σ σ σ

ε α σ

σ

s u b ct

s u b m ct

m

p p a

a

' 1

1

10 ' 10 ' Π + Π +

ε

εατ

τ

ct

s u b m ct

m

p p a

a

' 1

1

10 ' 10 ' Π + Π +

Trong các công thức này, chỉ số m ứng với mẫu chuẩn; chỉ số ct ứng với chi

tiết Từ các phương trình trên có thể tìm được giới hạn mỏi của chi tiết thực Điều

này có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế, vì không phải tiến hành thí nghiệm mỏi rất

khó khăn và tốn kém với chi tiết thực

Tuỳ theo chi tiết chịu kéo - nén, uốn, xoắn, cắt, trượt mà ta có các công thức

tính toán chỉ tiêu Π như sau:

Trường hợp chi tiết chịu kéo – nén theo chu trình:

.

.

ctk m k

Fctk -diện tích mặt cắt ngang nguy hiểmcủa chi tiết chịu kéo - nén;

Gctk - građien tương đối của ứng suất chịu kéo - nén cực đại của chi tiết;

Trường hợp chi tiết chịu uốn:

.W

.W

ctu mu u

mu ctu

G G

  (2.31)

Wmu = 0,1.d0 - mômen chống uốn của mẫu chuẩn trơn;

Wctu - mômen chống uốn của chi tiết;

ctu

G - građien tương đối của ứng suất uốn cực đại của chi tiết

Trường hợp chi tiết chịu xoắn:

.W

.W

ctx mx x

mx ctx

G G

  (2.32)

Wmx = 0,2 d0 - mômen chống xoắn của mẫu chuẩn trơn;

Wctx - mômen chống xoắn của chi tiết

Chỉ tiêu Π phụ thuộc vào trạng thái ứng suất (kéo, nén, uốn, xoắn ) cũng

như phụ thuộc vào chính kích thước của chi tiết

2.3 Đề xuất một dạng phương trình lan truyền vết nứt có kể tới tần số tải

trọng đối với KGCH Đầu máy D19E

- 40 - Những biểu thức toán học phản ánh mối quan hệ giữa chiều dài vết nứt với các đặc trưng của chế độ tải trọng gây ra ứng suất và các thông số kích thước của kết cấu hoặc chi tiết được xây dựng từ thực nghiệm được gọi là phương trình lan truyền vết nứt

Sự gia tăng (số gia) của chiều dài vết nứt phụ thuộc vào ứng suất của phổ tải tác động Ở đầu vết nứt xuất hiện vùng đàn - dẻo, nên luôn có sự phân bố lại ứng suất, trong cơ học phá hủy người ta dùng số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K để đánh giá và xác định tốc độ lan truyền vết nứt Để thuận tiện cho việc tính toán truyền thống, phương trình lan truyền vết nứt được xây dựng trong toạ độ: lg(da/dN) - lg∆K, (không theo biến thời gian)

với: da/dN - tốc độ lan truyền vết nứt trong một chu trình ứng suất;

∆K- số gia hệ số cường độ ứng suất

Trong những tình huống vận hành điển hình của đầu máy khi tải trọng động tác dụng lên khung giá chuyển đặc biệt cao và với những tần số luôn thay đổi đã ảnh hưởng đến sự lan truyền vết nứt Với các kết quả đo kiểm tra trạng thái ứng suất

- biến dạng động tại các điểm đo trên KGCH đầu máy D19E - 903 và D19E – 907, từ những số liệu thống kê thu được nêu lên mức độ và đặc tính biến thiên của tải trọng tại những vùng nguy hiểm trên KGCH ở các trạng thái vận hành đoàn tàu và

ở các khu gian đặc trưng khác nhau, ta nhận thấy [8]:

- Khi tàu chạy với tốc độ V ≈ 60 ÷ 80 km/h trên đường bằng thì ở những vùng nguy hiểm của khung giá chuyển có số gia ứng suất tương đối lớn còn ứng suất trung bình lại nhỏ và có tần số đủ lớn;

- Khi tàu chạy với tốc độ V ≈ 15 ÷ 40 km/h trên đường đèo dốc cao, đường cong bán kính nhỏ, thì ngược lại, có số gia ứng suất tương nhỏ còn ứng suất trung bình lại lớn và có tần số nhỏ

Như vậy trong quá trình vận hành đoàn tàu với các tình huống thực tế đã ảnh hưởng lớn đến tốc độ lan truyền vết nứt tại các điểm chịu tải vượt ngưỡng trên KGCH của đầu máy

- 41 -

2.3.2 Cơ sở lý thuyết

Nói chung, ảnh hưởng của tần số gia tải với da/dN có quan hệ gắn bó với số

gia hệ số cường độ ứng suất ∆K, khi ∆K tương đối thấp, ảnh hưởng của tần số gia

tải đối với tốc độ phát triển vết nứt rất nhỏ; Nhưng khi trị số ∆K tương đối lớn, tần

số gia tải có ảnh hưởng rõ rệt đối với tốc độ phát triển vết nứt, kết quả của nó là:

Tần số gia tải giảm nhỏ, tốc độ phát triển vết nứt da/dN tăng lớn

Theo công thức của Paris: da/dN = C.( ∆K)n

trong đó : (∆K) - số gia hệ số cường độ ứng suất ở đầu vết nứt; ∆K = Kmax - Kmin;

Kmax - giá trị lớn nhất của HSCĐUS;

Kmin - giá trị nhỏ nhất của HSCĐUS;

C, n: các hệ số phụ thuộc vào vật liệu do thí nghiệm xác định

Để có thể đồng thời xét đến ảnh hưởng của hệ số cường độ ứng suất ở đầu

vết nứt và tính dai phá huỷ của vật liệu đến tốc độ phát triển của vết nứt, nhà

nghiên cứu G.R Forman dã đưa ra công thức:

K C dN

∆

− +

−

∆

=

185 , 0 75 , 11 lg

Để có thể xét đến ảnh hưởng của giá trị ngưỡng lan truyền vết nứt đến tốc độ

phát triển của vết nứt, trong tài liệu [32] đã đưa ra phương trình lan truyền vết nứt

K K R K K A a

a a N

Các phương trình lan truyền vết nứt mỏi (2.33), (2.34) và (2.35) là các

phường trình cơ sởđể xây dựng phương trình lan truyền vết nứt mỏi có xét tới sự

ảnh hưởng của tần số tải trọng

2.3.3 Những giả thiết

Một phương trình lan truyền vết nứt mỏi có xét tới sựảnh hưởng của tần số

tải trọng được xây dựng trên những luận cứ sau:

luận đề trên thành những giả thiết sau:

- Với chất tải với vùng tần số thấp thì sức chống mỏi của vật liệu tăng lên khi tần số tải trọng tăng;

- Khi vết nứt phát triển ổn định thì số gia của cường độứng suất (∆K) tỷ lệ

với tốc độ phát triển vết nứt (da/dN);

- Khi tính dai phá huỷ của vật liệu KIC càng cao thì da/dN càng nhỏ

Đồng thời một phương trình lan truyền vết nứt mỏi có xét tới sựảnh hưởng

của tần số tải trọng được xây dựng trên những giả thiết sau:

- Trong vật liệu làm chi chi tiết luôn luôn tồn tại những khuyết tật ban đầu,

được gọi là các vết nứt kỹ thuật có chiều dài a0

- Dưới tác động của tải trọng ngoài, các vết nứt kỹ thuật này phát triển, lớn lên từ giá trị a0 tới giá trị tới hạn ath Trong thời gian đó, tại đầu vết nứt luôn luôn

xẩy ra quá trình phân bố lại ứng suất và biến dạng; được dặc trưng bởi sự gia tăng tuyến tính HSCĐUS, từ giá trị Kth tăng lên giá trị giới hạn KIC

Khi giá trị HSCĐUS lớn hơn giá trị giới hạn, thì chi tiết bị phá huỷ hoàn toàn

2.3.4 Phương pháp xây dựng

Từ phương trình lan truyền vết nứt mỏi của Paris: da/dN = C.( ∆K)n

Logarit hai vế: lg(da/dN) = n.lg( ∆K) + lgC

Phương trình có dạng: y =a.x + b Trên cơ sở lý thuyết, những giả thiết, các luận cứ, các phương trình lan truyền vết nứt đã được kiểm chứng và công bố trong các công trình nghiên cứu của

- 43 -

các tác giả, đồng thời từ các kết quảđo, khảo sát kiểm tra và đánh giá trạng thái

ứng suất – biến dạng động trên KGCH của đầu máy D19E trong quá trình vận

hành với các tình huống khác nhau [1], ta đưa các thông sốảnh hưởng đến tốc độ

lan truyền vết nứt trong phương trình logarit của Paris như sau:

Loga của tốc độ phát triển vết nứt khi giá trị số gia của HSCĐUS vượt giá trị

ngưỡng vết nứt phát triển (giá trị tới hạn)

∆ : Chiều dài vết nứt tương đối;

E

E N N N

R f = − : Tần số tải trọng tương đối;

th Ii

∆ : Số gia của HSCĐUS khi vượt giá trị ngưỡng

K IiC =K IC −K Ii : Số gia của HSCĐUS đối với giá trịđộ dai phá

K

a- chiều dài vết nứt ứng với số chu trình ứng suất N;

a0- chiều dài vết nứt ban đầu;

Kth - giá trị tới hạn của hệ số cường độứng suất (giá trị ngưỡng phát triển vết

nứt), từ giá trịđó trở xuống không xảy ra sự lan truyền vết nứt;

- 44 -

KIC - giá trị giới hạn của hệ số cường độứng suất (độ dai phá hủy của vật

liệu), từ giá trịđó trở lên thì sự lan truyền vết nứt dẫn đến phá huỷ hoàn toàn

A và B - các hằng số của vật liệu làm KGCH, được xác định qua viêc thử

nghiêm tốc độ lan truyền vết nứt của vật liệu Thay vào phương trình lan truyền vết nứt Paris ở trên và biến đổi ta được

f f f K K R

K K B

a

a a N

N

0 0 0

0

1

Đây là một dạng phương trình lan truyền vết nứt mỏi được đề xuất có xét tới

tần số tải trọng, dùng để tính toán cho KGCH của đầu máy D19E Các hệ số của vật liệu được xác định nhờ tiến hành thử nghiệm xác định tốc

độ lan truyền vết nứt mỏi của vật liệu và xử lý số liệu thử nghiệm (kết quảđối với

vật liệu KGCH được trình bày trong Chương 3 và 4)

2.4 Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn 2.4.1 Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải ổn định

Việc tính toán các hệ số an toàn cho sựđặt tải đều với chu trình bất cân đối

có số gia σa và ứng suất trung bình σm được thực hiện trên cơ sở các tiên đề sau

đây: Số gia giới hạn các ứng suất σacho các mẫu thí nghiệm với chu trình bất cân

đối có thểđược thể hiện bằng phương trình, mà khá phù hợp số liệu thực nghiệm trong giải -1 < R < 0,5 theo tài liệu [27] ta có:

ψ - hệ sốảnh hưởng sự bất cân đối đến số biên độứng suất giới hạn ψσ =(2 σ − 1 − σ 0)/ σ 0

σ0 GHBM các mẫu thí nghiệm với chu trình mạch động

Đối với các loại thép ψσ σb

4

10.202,

+

= (σb – giới hạn bền, MPa) (2.37) Sau khi biến đổi các kết quả thử nghiệm với các chu trình bất cân đối đã xác

định được độ bền mỏi theo công thức:

m a

K s

σψσσ

σ σ

+

Khi tính hệ số an toàn chịu xoắn ta sử dụng công thức tương tự

m a K s

τψττσ τ

+

Khi các ứng suất pháp tuyến và các ứng suất tiếp tuyến tác động cùng một lúc, hệ số an toàn được tính theo biểu thức:

k , các số liệu thí nghiệm thu được hầu như phân bố trên

một đường tròn, từ dạng phương trình chính tắc của đường tròn có điểm là gốc toạ

độ, đưa hệ số an toàn riêng biệt theo các ứng suất pháp tuyến 1 ct

1 1 1

Chi tiết được coi là có khả năng làm việc nếu s ≥ [s] = 1,5 ÷ 2,5 Các công

thức trên (2.39),(2.40),(2.41)cũng được tính phổ biến cho các trường hợp các chu

trình bất cân đối và cho các trường hợp thay đổi và các ứng suất không đồng bộ và

không đồng pha

Các nhà nghiên cứu đã xác định được sựảnh hưởng của các trạng thái ứng

suất, kích thước, vật liệu…, để tính cho trường hợp các chu trình bất cân đối và

cho các trường hợp ứng suất không đối xứng (r ≠ - 1) với trường hợp kτ / kσ ≠ 1 (kτ

/ kσ <1), từ các công trình nghiên cứu ta thấy đối với các phương tiện giao thông

đường sắt còn dùng các công thức sau [19]:

Hệ số an toàn mỏi toàn phần được xác định theo công thức sau:

] )]

1 )(

1 ( 2 1 [

.

2 2

s s k k s

s

s s

−

− + +

=

σ σ τ τ

k s

τ ψ σ ψ ε σ

σ

τσ σ σ σ σ

.

1

+ +

m m a

k s

σ ψ τ ψ ε τ

τ στ τ τ τ τ

.

1

+ +

σ σ

σa và τa : ứng suất pháp và ứng suất tiếp biên độ;

kσ và kτ : hệ số tập trung ứng suất pháp và ứng suất tiếp thực tế;

εσ và ετ: hệ sốảnh hưởng kích thước;

ψσ , ψτ , ψτ σ và ψστ: hệ sốảnh hưởng của vật liệu

2.4.2 Tính độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải không ổn định

Khi đặt tải biến đổi không ổn định, sự thay đổi thực các ứng suất có thểđược chuyển thành sựđặt tải khối Mỗi khối đặt tải gồm r bậc, mỗi bậc tương ứng số gia

ứng suất σai và số chu trình lặp lại số gia này trong khối viσ, i=1,2, ,r

Với số khối đặt tải λ trong toàn bộ thời gian làm việc của chi tiết cho đến khi

xuất hiện vết nứt hoặc sự phá hủy thì số chu trình lặp số gia ứng suất σai là ni = λ

viσ Nếu số chu trình tính đến khi bị phá hủy theo đường cong mỏi (với σai) là Ni, thì tất nhiên có thể cho rằng với số gia đó, chi tiết sẽ làm việc cho đến hết phần

tuổi thọ của mình, phần đó bằng ni/Ni Sự phá hủy chi tiết khi đặt tải khối sẽ xảy ra trong trường hợp khi mà tổng các trị số tuổi thọ tương đối bằng 1, nghĩa là điều

kiện phá hủy có dạng:

(2.45)

Trong tài liệu [27] đã tính toán được thực hiện trên cơ sở giả thuyết cộng tuyến tính điều chỉnh các hư hỏng mỏi và xác định được hệ số an toàn khi đặt tải không ổn định như sau:

σ

σλ

n i m ai G

p e

d ai

v N

τ

τλ

n i m ai G

p e

d ai

v N

Khi trong chi tiết suất hiện đồng thời các ứng suất pháp tuyến và tiếp tuyến,

hệ số an toàn toàn phần được xác định theo công thức:

- 47 - Dưới tác dụng của tải trọng biến

đổi, do sự phát triển của vết nứt, dẫn

đến kết cấu bị phá huỷ, nó là một trong

các hình thức phá huỷ chủ yếu của kết

cấu Đối với kết cấu thực tế, nhất là kết

cấu đầu máy toa xe và các bộ phận của

nó, thông thường chúng đều công tác

dưới tác dụng của tải trọng biến đổi

tuần hoàn Căn cứ theo quan điểm của

cơ học phá huỷ, chỉ cần cấu kiện có vết nứt, có ứng suất và kích thước vết nứt thấp

hơn ứng suất ứng suất và kích thước tới hạn theo chuẩn tắc cơ học phá huỷ xác định,

là có thể làm việc an toàn, do đó tính tuổi thọ mỏi là một vấn đề rất quan trọng

Tuổi thọ mỏi, thường lấy số lần gia tải hoặc số lần tuần hoàn N của tải trọng

biến đổi để tính toán Tuổi thọ kết cấu thường do hai bộ phận hợp thành: Một bộ

phận là số lần tuần hoàn tương ứng với quá trình hình thành vết nứt mỏi trên cấu

kiện, gọi là tuổi thọ hình thành vết nứt mỏi Nht; một bộ phận là số lần tuần hoàn

tương ứng với vết nứt phát triển đến kích thước tới hạn (hoặc quá trình phát triển

dưới giới hạn của vết nứt) và gọi là tuổi thọ phát triển vết nứt Npt, xem hình 2.5

Do đó, tổng tuổi thọ của cấu kiện là Nt [10]

Nt = Nht + Npt (2.50)

Nói chung, giữa tuổi thọ hình thành vết nứt và tuổi thọ vết nứt phát triển

không có ranh giới rõ ràng Nếu bản thân khu vực ứng suất cao của cấu kiện tồn tại

vết nứt sẵn, thì tuổi thọ hình thành Nht không tồn tại

2.5.2 Các phương pháp ước lượng tuổi thọ các bộ phận khi đặt tải không ổn định

Cần phải xét đến các tính quy luật phát triển các vết nứt mỏi, khi xem xét

các phương pháp ứng suất ước lượng tuổi thọ các bộ phận, nghĩa là tuổi thọ ở giai

đoạn phát triển vết nứt từ trị số khởi đầu sự xuất hiện vết nứt đến trị số tới hạn, mà

với nó diễn ra sự phá huỷ đột ngột, đăc điểm phức tạp của biểu đồ phá huỷ mỏi

trong toạ độ v - ∆K, sự phụ thuộc của tốc độ v vào mức ∆K, vào mức bất cân đối

chu trình, vào sự quá tải và đặc điểm thay đổi tải trọng theo thời gian, vào môi

trường xung quanh, và nhiệt độ, các kích thước tuyệt đối và hình dạng chi tiết, vào

các cơ tính và yếu tố khác

Nhà nghiên cứu Nelson đã mô tả một số phương pháp tính các đường phát triển các

vết nứt mỏi trong điều kiện đặt tải ngẫu nhiên, áp dụng cho các phương tiện đường sắt

Phương pháp thứ nhất dựa trên việc áp dụng công thức Forman [27]:

phát triển vết nứt Tuổi thọ Tuổi thọ hình thành

dN

dl = ( )

K K R K A C n

∆

−

−

∆ ) 1 ( (2.51)

Giả sử rằng các ứng suất nén không dẫn đến sự phát triển các vết nứt, do đó chúng bị loại trừ ra khỏi đoạn biểu đồ dao động, mà được gọi là khối đặt tải và áp dụng cho các chi tiết khác nhau có tuổi thọ 1700-6000 chu trình Để tính toán, ta tìm tất cả các số gia toàn phần hướng tăng lên của số gia HSCĐUS ∆Ki= Kmax –

Kmin, trong đó Kmin, Kmax – cực tiểu tương đối và cực đại tương đối tiếp theo ngay sau nó của hệ số cường độ chu trình i Các số gia toàn phần ∆Ki, mà nhỏ hơn trị số ngưỡng ∆Kth, không cần phải lưu ý tới khi tính toán Các tính toán đã chứng minh rằng khi ∆Kth= 5,5 và 11 MPa 2, các kết quả gần như nhau, nghĩa là sự thay đổi

∆Kth trong các giới hạn khá rộng sẽ ít ảnh hưởng tới kết quả cuối cùng Như vậy

có thể không cần độ chính xác cao khi xác định ∆Kth Phương pháp thứ hai tính đường phát triển vết nứt mỏi trùng khớp với phương pháp thứ nhất, ngoại trừ việc có số gia toàn phần trị số nhỏ bị loại trừ ra khỏi quá trình ngẫu nhiên, do đó chỉ còn lại các số gia toàn phần lớn

2.6 Kết luận chương 2

Qua nghiên cứu cơ sở lý thuyết và so sánh với kết quả thực nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu về cơ học phá hủy, các tác giả của các phương trình đồng dạng phá hủy mỏi đã kiểm định về tính đúng đắn của các chỉ tiêu đồng dạng phá hủy mỏi của mình Từ các kết quả thực nghiệm và tính toán thấy rằng, sự sai lệch giữa các giá trị giới hạn mỏi tính toán và các giá trị giới hạn mỏi thực nghiệm là tương đối nhỏ, có thể chập nhận được Sai số tương đối giữa kết quả thực nghiệm và tính toán đối với ph-ương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối lớn nhất là khoảng 10 %, và đối với phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối lớn nhất là khoảng 14 % [17]

Vì vậy, luận án đã chọn phương pháp xác định giới hạn mỏi ứng với một xác suất phá hủy P% bất kỳ cho KGCH và TBX nhờ phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi

Đã tiến hành nghiên cứu và tính được kích thước vùng biến dạng dẻo khi chịu tải chu trình của vật liệu chế tạo KGCH và TBX, từ đó xác định kích thước vết nứt và hệ số cường độ ứng suất đầu vết nứt chính xác hơn Như vậy, việc tính toán độ bền mỏi cho KGCH và TBX theo ngưỡng phát triển vết nứt và dự báo tuổi thọ mỏi sẽ chính xác và tin cậy hơn

Đề xuất một phương trình lan truyền vết nứt mỏi có xét tới tần số tải trọng có thể dự báo tuổi thọ mỏi của KGCH đầu máy đang vận dụng trên Đường sắt Việt Nam

Đã nghiên cứu và xác định được phương pháp tính độ bền mỏi cho KGCH

và TBX theo hệ số an toàn mỏi với trường hợp khi chịu ứng suất đối xứng và không đối xứng, khi đặt tải ổn định và không ổn định

- 49 -

chương 3 Nghiên cứu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ

học, đặc trưng mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển

hướng và trục bánh xe đầu máy D19E

3.1 Phõn tớch thành phần kim loại, xỏc định mỏc

Việc thử nghiệm xỏc định thành phần hoỏ học và mỏc thộp được tiến hành

trờn mỏy PMI-MASTER PLUS của Trung tõm đỏnh giỏ hư hỏng vật liệu COMFA

thuộc Viện khoa học Vật liệu, bằng phương phỏp quang phổ phỏt xạ trực tiếp tại 4

điểm khỏc nhau trờn TBX và KGCH đầu mỏy D19E (đợt sản phẩm nhập đầu tiờn)

tại Xớ nghiệp đầu mỏy Hà Nội ngày 28 thỏng 6 năm 2007

3.1.1 Phõn tớch vật liệu trục bỏnh xe đầu mỏy D19E

Đó tiến hành phõn tớch thành phần kim loại của vật liệu TBX tại 4 điểm: ở vị

trớ 2 đầu trục, cổ trục và giữa trục, mỗi vị trớ 3 lần xỏc định thành phần kim loại

của vật liệu, cỏc điểm phõn tớch theo hỡnh 3.1

Hỡnh 3.1Cỏc vị trớ phõn tớch thành phần kim loại của vật liệu TBX đầu mỏy D19E

Kết quả phõn tớch thành phần kim loại của vật liệu TBX đầu mỏy D19E cho

trong bảng 3.1 như sau:

Bảng 3.1 Kết quả phõn tớch thành phần kim loại vật liệu TBX

EN 10093-1 của Đức

3.1.2 Phõn tớch vật liệu khung giỏ chuyển hướng đầu mỏy D19E

Đó tiến hành phõn tớch thành phần kim loại của vật liệu KGCH tại 4 điểm: ở

vị trớ tấm cạnh, tấm dưới của xà dọc trỏi và phải, mỗi vị trớ 3 lần xỏc định thành phần kim loại của vật liệu, cỏc điểm phõn tớch theo hỡnh 3.2

Hỡnh 3.2 Vị trớ phõn tớch thành phần kim loại của vật liệu KGCH Đầu mỏy D19E

Kết quả phõn tớch thành phần kim loại của vật liệu KGCH Đầu mỏy D19E cho trong bảng 3.2 như sau:

Bảng 3.2 Kết quả phõn tớch thành phần kim loại vật liệu KGCH

Vị trớ phõn tớch thành phần KL

- 51 - Kết luận: Kết quả phân tích có thành phần tương đương với mác thép 12Mn

theo tiêu chuẩn GB – 1591- 88 của Trung Quốc hoặc tương đương 13Mn6 theo

tiêu chuẩn DIN của Đức

3.2 Xác định tiêu chuẩn thử nghiệm

3.2.1 Tiêu chuẩn thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

Việc thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu làm TBX và KGCH đầu

máy D19E được tiến hành theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4169 – 85 ”Kim loại

– Phương pháp thử mỏi nhiều chu trình và ít chu trình”

Tiêu chuẩn quy định các phương pháp thử mỏi kim loại: Khi kéo – nén; uốn

và xoắn Trong các chu trình ứng suất hoặc biến dạng đối xứng và không đối xứng,

thay đổi theo qui luật tuần hoàn đơn giản với các thông số không thay đổi;

Thử nghiệm khi có hoặc không có tập trung ứng suất, ở nhiệt độ và độ ẩm bình

thường trong phòng, trong miền đàn hồi và đàn hồi dẻo với chu trình lớn và nhỏ

Tiến hành thử mỏi nhiều chu trình: Thử mẫu phải tiến hành liên tục cho tới khi

sinh vết nứt có độ lớn đã định hoặc đứt gẫy hoàn toàn hoặc đạt số chu trình cơ sở, chỉ

tiêu chủ yếu của sự phá huỷ khi xác định giới hạn mỏi và lập đường cong mỏi là sự

đứt gẫy hoàn toàn hoặc sự xuất hiện vết nứt thấy được có độ dài 0,5 ÷ 1 mm

3.2.2 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ

Việc thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt mỏi và độ dai phá huỷ

của vật liệu làm TBX và KGCH đầu máy D19E được tiến hành cùng một quá trình

thử nghiệm trên cùng một mẫu Quá trình thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền

vết nứt mỏi được tiến hành trước và coi đó như là quá trình kiến tạo vết nứt mỏi để

thử nghiệm xác định độ dai phá huỷ vật liệu của quá trình thử nghiệm sau

3.2.2.1 Tiêu chuẩn thử nghiệm

Việc thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt mỏi và độ dai phá huỷ

của vật liệu làm TBX và KGCH đầu máy D19E được tiến hành theo tiêu chuẩn

ASTM E647 - 00 (Phương pháp tiêu chuẩn xác tốc độ lan truyền vết nứt mỏi) [33]

và tiêu chuẩn ASTM E 399 – 90 (Phương pháp tiêu chuẩn xác định độ dai phá huỷ

biến dạng phẳng của vật liệu kim loại) [32] Qua nghiên cứu đã chú trọng những

điểm chính trong các tiêu chuẩn như sau:

Phương pháp này xác định độ dai phá huỷ biến dạng phẳng của vật liệu

kim loại, chi tiết Đồng thời phương pháp này cũng dùng xác định tỷ số bền RSX, tỷ

số bền là hàm số của tải lớn nhất mà mẫu có thể chịu được

b Đặ c đ i ể m

KIC được xác định bằng thử nghiệm đặc tính sức bền của vật liệu đến khi

- 52 - phá huỷ với mẫu vật đó tạo sẵn vết nứt định hướng cho thử kéo KIC là đại diện độ dai phá huỷ thấp nhất của vật liệu Giá trị này có thể được sử dụng để đánh giá mối liên hệ giữa phá huỷ do ứng suất và kích cỡ của vết nứt trong vật liệu

KIC đưa ra đối với vật liệu là một hàm của tốc độ thử nghiệm và nhiệt độ Hơn nữa, tải trọng tuần hoàn có thể dẫn đến sự mở rộng của vết nứt giá trị KI nhỏ hơn giá trị KIC Mở rộng vết nứt dưới tải trọng tuần hoàn hoặc tải duy trì liên tục sẽ được tăng lên với tham dự của điều kiện môi trường

Thử nghiệm độ dai phá huỷ được tiến hành theo tiêu chuẩn, phải đảm bảo những điều kiện trong tiêu chuẩn để xác định được giá trị KIC hợp lệ

- Kích cỡ mẫu, để đảm bảo kết quả có giá trị hợp lệ theo tiêu chuẩn thử đòi hỏi cả hai chiều dày mẫu B, và chiều dài vết nứt a phải lớn hơn 2,5 (KIC/σYS)2, trong đó σYS là giới hạn chảy của vật liệu ở điều kiện nhiệt độ và tải trọng trong quá trình thử nghiệm

- Lựa chọn kích cỡ mẫu theo tiêu chuẩn

- Hình dáng của mẫu thử theo tiêu chuẩn đối với các mẫu: Để thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt mỏi và độ dai phá huỷ của vật liệu làm TBX và KGCH căn cứ theo phôi vật liệu, công nghệ chế tạo mẫu và thiết bị thí nghiệm ta chọn loại mẫu ComPact Specimen (mẫu khối hộp chịu kéo) C(T)

- Mẫu chuẩn: Chiều dài vết nứt a (tính từ điểm bắt đầu hình V đến đường tải tác dụng) bằng chiều dày Bm và nằm trong khoảng 0,45 đến 0,55 lần so với chiều rộng Wm Tỷ số Wm/Bm thông thường bằng 2 lần, có thể được sử dụng với những

tỷ lệ W/B lớn hơn hai

- Kiến tạo vết nứt mỏi: Thực hiện theo chu trình cho đến khi tạo được vết nứt đáp ứng được yêu cầu chiều dài vết nứt (toàn bộ chiều dài từ đường đặt tải làm bắt đầu xuất hiện vết nứt cộng với vết nứt mỏi) sẽ trong khoảng giữa 0,45 và 0,55 của bề rộng Wm

- Báo cáo thử nghiệm: Làm báo cáo gồm 1 đồ thị đã được máy tự động ghi lại Độ dốc của phần giãn dài khoảng 0,7 tới 1,5, hướng dọc theo trục tung Lựa chọn sự kết hợp giữa các cảm biến lực và biểu đồ kết quả sao cho lực PQ được xác

- 53 - định với cấp chính xác ±1%

- Tính toán 2.5 (KIC / σys)2, trong đó σYS là giới hạn chảy khi kéo dọc trục

mẫu phẳng của vật liệu Để đảm bảo kết quả có giá trị như tiêu chuẩn thì đòi hỏi cả

hai chiều dày mẫu Bm, và chiều dài vết nứt a phải lớn hơn 2,5 (KIC/σYS)2, khi đó

KQ bằng KIC

3.2.2.2 Kiến tạo vết nứt mỏi khi xác định K IC

Từ kinh nghiệm đã được chỉ ra rằng để thu được một sự nhạy phát sinh vết

nứt, mà một rãnh khía hẹp được gia công trên máy sẽ tái tạo một vết nứt tự nhiên

đủ tốt cung cấp một KIC làm thỏa mãn kết quả thử nghiệm Kỹ xảo có hiệu quả

nhất cho mục đích này là một sự tạo rãnh khía hẹp từ đó làm mở rộng một vết nứt

mỏi tương đối ngắn, gọi kiến tạo vết nứt mỏi

- Sự kiến tạo vết nứt mỏi được sản sinh bởi chu trình tải với rãnh khía của

mẫu với một tỷ lệ của ứng suất cực tiểu với ứng suất lớn nhất giữa - 1 và + 0.1 cho

một số chu trình thông thường giữa khoảng 104 và 106 phụ thuộc vào kích thước

mẫu, sự chuẩn bị, và mức cường độ ứng suất

+ Trong thời gian toàn bộ giai đoạn của sự phát triển vết nứt mỏi, tỷ lệ của

HSCĐUS lớn nhất của chu trình mỏi tới mô đun đàn hồi của vật liệu, Kmax / E

không nên vượt hơn 0,002 in.1/2 ( 0,00032 m1/2) Hơn nữa, Kmax không được vượt

hơn 60 % của giá trị KQ xác định trong các thử nghiệm tiếp theo

- Giá trị ban đầu của tải lớn nhất làm kiến tạo vết nứt mỏi hoặc sự thay đổi

cần phải được tính toán từ K, sự định kích cỡ và những kích thước mẫu và vết khía,

nó được gợi ý vì rằng tải này được lựa chọn để HSCĐUS lớn nhất trong phần ban

đầu của chu trình mỏi không vượt hơn 80 % từ sự đánh giá giá trị KIC của vật liệu

- Khi vết nứt phát triển đã gần như đạt đến 97,5 % của chiều dài vết nứt

toàn phần, tải lớn nhất được thay đổi thích hợp, sẽ được giảm bớt để giá trị KX nhỏ

hơn 60 % của giá trị nhỏ nhất Kt, của vật liệu, Và đồng thời giá trị tỷ số Kmax / E sẽ

không vượt hơn 0,002 in.1/2 (0,00032 m1/2)

3.2.2.3 Những yêu cầu đặc biệt cho việc thử nghiệm với mẫu khối hộp chịu kéo

Những tỉ lệ chung của hình dạng mẫu này được qui định trong tiêu chuẩn

b.Thi ế t b ị th ử nghi ệ m

- Thiết bị làm cho sự nứt mỏi sẽ phân phối ứng suất đồng dạng xuyên qua

bề dày mẫu Phân phối ứng suất sẽ đối xứng với mặt phẳng tương lai của vết nứt;

- 54 - với cách khác vết nứt sẽ đi trệch quá mức từ mặt phẳng đó và kết quả thử sẽ bị tác động một cách đáng kể

- Đồ gá thử kéo Một đồ gá thích hợp bằng sắt nối tải cho sự thử những mẫu (CT) được thể hiện yêu cầu trong tiêu chuẩn [32]

- Mẫu được gia tải sao cho tăng lên của cường độ ứng suất trong phạm vi

30 tới 150 ksi - in1/2 / min (0,55 tới 2,75 MPa - m1/2 /s)

- Những chi tiết liên quan việc thử nghiệm, cho trong tiêu chuẩn

d Tính toán

- Tính toán KQ Cho mẫu kéo trong những đơn vị ksi - in1/2 (MPa.m1/2) từ biểu thức sau:

KQ = (PQ/BW1/2).f(a/W) Trong đó:

( )3 / 2

4 4 3 3 2 2 / 1

/ 6 5 / 72 14 / 32 13 / 64 4 886 0 / 2 /

W a

W a W a W a W a W

a W a f

−

− +

− +

+

PQ - tải đặt lên mẫu thử nghiệm;

B- bề dày của mẫu;

W- chiều rộng của mẫu;

a - chiều dài vết nứt trên mẫu thử nghiệm

3.3 Chế tạo các mẫu vật liệu thử nghiệm 3.3.1 Chuẩn bị phôi của mẫu vật liệu thử nghiệm

Vật liệu KGCH: Vật liệu dùng để cắt mẫu là tấm đế bệ đỡ giảm chấn trên KGCH của đầu máy D19E, đã được siêu âm bằng máy siêu âm AD 3213 của Nhật Bản, tại Xí nghiệp đầu máy Hà Nội và xác định thành phần hoá học trên máy quang phổ phát xạ nguyên tử LAB tại Phòng thí nghiệm Vật liệu tính năng kỹ thuật cao thuộc Viện Cơ khí năng lượng và mỏ Kết quả phân tích thầnh phần các nguyên tố hoá học cơ bản cho trong bảng 3.3

Bảng 3.3 Thầnh phần các nguyên tố hoá học cơ bản của vật liệu đế đỡ giảm chấn trên KGCH đầu máy D19E

AV 0,1525 0,3623 1,3945 0,0076 0,0181 0,0176 0,0378 0,0234 0,0259

SD ±0,0018 ±0,0024 ±0,0073 ±0,0002 ±0,0003 ±0,0002 ±0,0002 ±0,0003 ±0,0045 RSD 1,0 0,7 0,5 0,9 3,6 0,6 0,6 1,4 6,8

AV 0,0097 0,0344 0,0120 0,0225 0,0318 0,0080 0,0139 0,0000 97,8281

SD ±0,0003 ±0,0015 ±0,0001 ±0,0006 ±0,0003 ±0,0002 ±0,0018 ±0,0000 ±0,0079 RSD 3,3 4,3 0,8 2,4 1,0 2,2 12,8 0,0 0,0

- 55 -

Kết quả thí nghiệm cho thấy, vật liệu đế đỡ giảm chấn có thầnh phần hoá

học tương đương với mác thép 12Mn theo tiêu chuẩn GB-1591-88 của Trung Quốc

dùng để chế tạo xà dọc của KGCH đầu máy D19E

Vật liệu TBX: Vật liệu này được sưu tập tại Nhà máy xe lửa Gia Lâm

Thông qua các thí nghiệm như trên thấy rằng thành phần hoá học tương đương với

mác thép chế tạo TBX đầu máy D19E

3.3.2 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học

Loại mẫu này có dạng hình trụ tròn, được gia công cơ khí trên máy tiện,

bao gồm gia công sơ bộ và gia công tinh Kích thước và yêu cầu kỹ thuật của loại

mẫu này được thể hiện trên hình 3.3

Hình 3.3 Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm đặc trưng cơ học

3.3.3 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

Loại mẫu này có kích thước hình trụ tròn, được gia công cơ khí trên máy

tiện, mài bao gồm gia công sơ bộ và gia công tinh Kích thước và yêu cầu kỹ thuật

của loại mẫu này được thể hiện trên hình 3.4

Hình 3.4 Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm mỏi

Yêu cầu đối với mẫu thử:

- Dung sai cho phép của đường kính phần làm việc của mẫu không quá

0,005 mm

- Lượng nhảy hướng kính của đường kính phần làm việc so với đường kính

phần kẹp giữ không quá 0,01 mm

- Mặt làm việc cần trơn nhẵn không có vết sây sát

- Phần góc lượn quá độ cần thật tròn và nhẵn

- Bước gia công sau cùng phải là mài bóng

- Khi gia công mẫu thử không được xảy ra hiện tượng hóa cứng nguội hoặc

quá nóng

D (14,0) d (10,0)

132,5 52,5 50,5

Hình 3.5 Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu KGCH

Hình 3.6 Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu TBX

3.3.4 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai

phá huỷ Theo tiêu chuẩn: ASTM E 399 – 90 [32]

- Để đảm bảo kết quả có giá trị như tiêu chuẩn đã thực hiện cả hai chiều dày mẫu B, và chiều dài vết nứt a phải lớn hơn 2,5 (KIC/σYS)2, trong đó σYS là giới hạn chảy của vật liệu ở điều kiện nhiệt độ và tải trọng trong quá trình thử nghiệm

- Căn cứ tỷ số giới hạn chảy và môđun đàn hồi của vật liệu thí nghiệm để lựa chọn kích cỡ của mẫu vật cho phù hợp với quá trình thử nghiệm

Loại mẫu này có kích thước hình khối hộp, được gia công cơ khí trên máy cắt dây, phay, mài, tạo rãnh khía chữ V và hai lỗ, gia công đạt được kích thước và yêu cầu kỹ thuật của loại mẫu này theo tiêu chuẩn được thể hiện trên các hình 3.7 và 3.8

3.4.1 Thiết bị thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của mẫu

Thiết bị thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của mẫu thử nghiệm là

thiết bị thử: Hydraulic universal tetsting machine (United Model HFM 500 kN) của

Hãng: United, hình 3.9

Tải trọng lớn nhất có thể kéo: 500 kN;

Khoảng cách lớn nhất có thể thử nghiệm: 780 mm;

Bề rộng lớn nhất của mẫu thử nghiệm: 125 mm;

Đường kính lớn nhất của mẫu thử nghiệm: 60 mm

20

50 ± 0.005 62,5 ± 0,25

Hình 3.9 Thiết bị thử cơ tính vật liệu thử nghiệm

3.4.2 Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của mẫu thử nghiệm là máy thí nghiệm mỏi uốn cong thuần túy kiểu PWC – 6 của Trung Quốc chế tạo, được dùng

để đo trị số cực hạn mỏi uốn cong của vật liệu kim loại dưới tác dụng của ứng suất biến cong biến đổi đối xứng, hình 3.10

Máy thử nghiệm xác định giới hạn mỏi có các thông số kỹ thuật sau::

- Đường kính mâm cặp mẫu thử: Φ 12 - Φ 17 mm

- Mômen uốn lớn nhất: 6 kGm

- Số lượng vòng quay lớn nhất đồng hồ có thể ghi được: 1.107 vòng

Công suất 0,6 W Tốc độ quay 3 000 vòng / phút

Hình 3.10 Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

- 59 -

3.4.3 Thiết bị thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ

Thiết bị thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của

mẫu thử nghiệm là thiết bị thử mỏi, độ dai phá huỷ INSTRON 8801 của Anh chế

tạo, hình 3.11

Một vài thông số cơ bản của thiết bị INSTRON 8801 như sau:

Tải trọng kéo lớn nhất: 100 kN Tải trọng chu trình lớn nhất: 50 kN

Máy kéo, nén, uốn mỏi vạn năng servo thủy lực INSTRON Model Fast

Track 8801cấu tạo bởi hai cột đỡ có độ cứng cao, liên kết chính xác với một mâm

đỡ cố định ở phía dưới và một mâm trượt ở phía trên

Mâm trượt phía trên được điều chỉnh bởi hai xy lanh đẩy thủy lực gắn liền

với khung máy và được giữ bởi cơ cấu kẹp thuỷ lực

Hệ thống được bao gồm một đầu phát động hỗn hợp được gắn vào mâm đỡ

cố định phía dưới và một cảm biến lực được gắn vào mâm trượt phía trên

Khung thiết kế chuẩn với khoảng mở giữa mâm đỡ và mâm trượt tối đa 1 260 mm

và tối thiểu 610 mm khoảng chạy 75 mm ± 100 kN Đầu phát động hỗn hợp có lực

tải tối đa (150 mm) Đầu phát động được trang bị một cảm biến đo chuyển vị

LVDT dùng để đo chính xác vị trí và một bộ chia đơn cho van servo với van xả áp

suất 100 kN, bước ren M30 x 2 để ghép nối với má kẹp phụ Cảm biến lực kiện

Cảm biến lực được gắn liền một cảm biến đo gia tốc dùng để cân bằng các ảnh

hưởng của quán tính do khối lượng của các bộ phận chuyển động

Cảm biến lực có độ chính xác 0.5% giá trị đo từ toàn thang đo xuống tới

1/100 khả năng đo của cảm biến lực;

Bộ chia cho phép ghép nối với các bộ cung cấp thuỷ lực của INSTRON

Van servo kiểu Moog, 40 lít/phút;

Hộp điều khiển điện tử kiểu để bàn (Desktop) FastTrack 8800 Gồm có một

mạch điều khiển một trục với bộ xử lý tín hiệu cho các cảm biến đo vị trí và cảm

biến lực Phần mềm FastTrack cung cấp khả năng điều khiển toàn bộ hệ thống bằng

máy tính thông qua một giao diện GPIB, các khả năng điều khiển dạng sóng

(waveform), cài đặt chế độ hiệu chuẩn và giới hạn, theo dõi trạng thái với bộ hiển thị

số, xử lý số liệu trong đĩa ASCII format, vẽ đồ thị tức thời và nhiều chức năng khác

• Hệ thống điều khiển thích nghi (patented adaptive control), cho phép liên

tục cập nhật các tham số P.I.D ở tốc độ 1 kHz, nhằm hạn chế các thao tác trong quá

trình cài đặt ban đầu và tự động cân bằng khi độ cứng của mẫu thử thay đổi;

• Xử lý tín hiệu đồng thời và đồng bộ trên tất cả các kênh với tốc độ xử lý 5 kHz;

• Bộ phát sóng có độ phân giải 32 bit ở tốc độ 1 kHz trên tất cả các cảm biến với các dạng sóng sin, tam giác, vuông, lưỡng sin, lưỡng tam giác, lưỡng vuông, thang, lưỡng thang, tứ giác với ổ đĩa truyền tải tín hiệu từ máy tính hoặc từ một đầu vào analog;

• Phát lại số liệu của hệ thống thông qua giao diện HS 488 GPIB với tốc độ 5,000 tín hiệu/giây trên tất cả các kênh;

Hình 3.11 Thiết bị thử mỏi, độ dai phá huỷ INTON 8801

- 61 -

• Chức năng bảo vệ mẫu (specimen protect) nhằm đảm bảo lực tải lên mẫu

không vượt quá một giới hạn đã định trong suốt quá trình gá lắp mẫu;

• Có 8 lối ra digital I/O và 4 lối ra analog cho mỗi mạch điều khiển

3.5 Thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của mẫu thử nghiệm: giới hạn

chảy, giới hạn bền, môđun đàn hồi và hệ số biến dạng

- Đối với vật liệu thép 12Mn

Tiến hành thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của mẫu trên máy

United Model HFM 500 kN tại phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu, trường Đại học

Giao thông Vận tải

Thử nghiệm với số lượng 03 mẫu thử với mỗi loại vật liệu, mẫu sau khi

thử nghiệm và kết quả thử nghiệm cho trong hình 3.12 và 3.13

Kết quả 3 lần thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 12Mn cho

trong bảng 3.4

Hình 3.12 Hình dạng mẫu thử cơ tính vật liệu

Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thÐp 12Mn

Hình 3.13 Kết quả thử nghiệm cơ tính vật liệu thÐp 12Mn

Kết quả thí nghiệm cho thấy, đặc trưng cơ học của vật liệu thép 12Mn như sau: Giới hạn chảy σc = 300 MPa

Giới hạn bền σb = 600 MPa Môđun đàn hồi E = 2,162.105 MPa

- Đối với vật liệu thép 55

Cũng tiến hành thử nghiệm như thử nghiệm vật liệu thép 12Mn ở trên ta có kết quả 3 lần thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thÐp 55 cho trong bảng 3.5 Bảng 3.5 Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 55 Mẫu thí

- 63 -

3.6 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

3.6.1 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu KGCH

Việc thử nghiệm các mẫu vật liệu để xác định giới hạn mỏi được tiến hành

trên máy PWC – 6, tại phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu, trường Đại học Giao

thông Vận tải Phương pháp và quy tắc thử nghiệm như sau:

* Lựa chọn trị số tải trọng Q:

Có thể dựa theo hai cách sau:

- Tính toán theo công thức Q =( Πd3.σ)/1600 kg

trong đó: d là đường kính phần làm việc (mm)

σ là ứng suất uốn cong xác định theo công thức kinh nghiệm: thép σ = 0,6.σb,

kim loại màu σ = 0,4 σb, (σb là độ bền kéo, kG/mm2)

- Tra bảng

Dựa theo các công thức kinh nghiệm kể trên tính được σ, sau đó tra theo

bảng 1 sẽ xác định được trị số Q

Các hàng ngay đầu và cuối trong bảng là phần nguyên của trị số Q, còn hai

cột dọc đầu và cuối là phần thập phân của Q

* Xác định giới hạn mỏi

Để xác định giới hạn mỏi của một loại vật liệu nào đó cần làm thí nghiệm

6 ∼ 8 mẫu thử Trước hết, cần theo phương pháp đã nói chọn tải trọng cho mẫu thử

thứ nhất rồi tiến hành thí nghiệm, cuối cùng ghi số tuần hoàn N (lúc mẫu gẫy) lại

bắt đầu từ mẫu thứ hai nên giảm ứng suất uốn cong σ từ 2 ∼ 4 kG/mm2 so với lần

trước, mỗi lần đều ghi số tuần hoàn N lại

Nếu từ mẫu thứ n dưới ứng suất uốn cong σn sau khi đạt tới số tuần hoàn

quy định (nói chung đối với kim loại đen là 107, kim loại màu là 108) mẫu vẫn

chưa gãy thì để xác định giới hạn mỏi một cách chính xác, nên làm thí nghiệm 1 ∼

2 mẫu Ứng suất σn+1 của mẫu thử thứ n + 1 nên lấy trị số trung bình của hai mẫu

trước đó tức là: σn+1 = (σn + σn-1)/2

Nếu mẫu thử thứ n + 1 dưới tác dụng của ứng suất σn+1 khi đạt tới số lượng

tuần hoàn quy định mà vẫn chưa đứt gãy, mà hiệu số σn-1 - σn+1 > 1 kG/mm2 thì lấy

σn+1 làm giới hạn mỏi σ-1

* Công thức tính toán:

- Công thức tính toán mô men uốn M: M = Q.a / 2

trong đó: Q - tổng trọng lượng của quả cân và thanh treo

a - khoảng cách giữa đường trục tâm của hai ổ trục, ở máy thí nghiệm

này a = 100 mm

- Công thức tính ứng suất uốn cong: σ = M / W

trong đó: M - là mô men uốn, bằng 50Q kGmm

- 64 -

W - là hệ số mặt cắt chống uốn của mẫu thử trụ tròn bằng πd3/32 mm3

d - đường kính mẫu thử, mm Như vậy, σ =1600Q/ πd3 kG/ mm2, hoặc σ ≈ 510Q/d3 kG/mm2

Tiến hành thử nghiệm uốn đối xứng thuần tuý với 5 mức tải trọng, đã cho kết quả thử nghiệm xác định giới hạn mỏi các mẫu vật liệu và xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu KGCH đầu máy D19E, được cho trong bảng 3.6

Bảng 3.6 Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu KGCH

Mức ứng suất 1 32,51 daN/mm 2

Mức ứng suất 2 26,49 daN/mm 2

Mức ứng suất 3 21,59 daN/mm 2

Mức ứng suất 4 19,11 daN/mm 2

Mức ứng suất 5 18,06 daN/mm 2

Kỳ vọng toán

và SL BPTB T

T

Số mẫu

Số chu trình, N10 6 Số chu

Rơlei, Maxoen

a = 0,10056 σ= 0,04044

a = 0,25689 σ= 0,04920

a = 2,25637 σ= 0,55567

a = 9,05527

σ = 0,49540

- 65 - Nhờ phần mềm thống kê xác suất chuyên dùng Thiết lập hàm mật độ phân

phối và hàm phân phối xác suất chu trình ứng suất ở các mức ứng suất thử nghiệm

của vật liệu làm KGCH đầu máy D19E, cho trong hình 3.14 với mức ứng suất 1,

các mức ứng suất 2, 3, 4, 5 cho trong mục 2.1 của phụ lục 2

Hình 3.14 Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các mẫu vật

liệu KGCH ở mức ứng suất 1

Ta thấy các kết quả thử nghiệm mỏi của mẫu vật liệu KGCH ở 5 mức ứng suất

đều có hàm mật độ phân phối Gauss và Loga chuẩn, nhờ phần mềm chuyên dùng xác

định được hàm và các thông số của hàm, từ đó sử dụng phần mềm SPSS tiếp tục phân

tích số liệu

Việc xử lý số liệu thí nghiệm mỏi thực chất là thiết lập phương trình các đường

cong mỏi và xác định giới hạn mỏi, bao gồm ứng suất giới hạn và chu trình cơ sở

Sử dụng phần mềm SPSS phân tích số liệu xác định các chu trình phá huỷ ở

các mức ứng suất thử nghiệm tương ứng với xác suất phá huỷ: P = 1%; 25%; 50%;

75% và 99% Kết quả xử lý số liệu cho trong bảng 3.7

Bảng 3.7 Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu KGCH đầu máy

D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi

σN - ứng suất ứng với số chu trình N

σ-1 – giới hạn bền mỏi của vật liệu

p N

N=qσ −σ− − hoặc: ( 1)

p N

N N N N

N N N N

Tính toán với xác suất phá huỷ P = 50% ở mức ứng suất 1,2,3

Thay các giá trị, tính được σ-1 = 20,5 daN/mm2 và N0 = 6.106

Vậy GHBM của vật liệu làm KGCH σ-1KGCH = 205 MPaTìm các hằng số p và q với σ-1 = 20,5 daN/mm2

2

1 2 1

lgN = 7,02316 – 1,223lg(σN -20,5)

3.6.2 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu TBX

Quá trình thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu TBX cũng tương tự quá trình thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu KGCH như trên

Tiến hành thử nghiệm uốn đối xứng thuần tuý với 6 mức tải trọng, đã cho kết quả thử nghiệm xác định giới hạn mỏi các mẫu vật liệu và xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu TBX đầu máy D19E, được cho trong bảng 3.8