Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá độ bền của khung giá chuyển hướng lò xo không khí đang sử dụng trên toa xe khách của Đường sắt Việt Nam trong những năm gần đây. Khung giá là kết cấu thép hàn, khung siêu tĩnh không gian chịu nhiều tải trọng trong các mặt phẳng khác nhau.
Trang 1-108-
ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG KHUNG GIÁ CHUYỂN HƯỚNG LÒ XO KHÔNG KHÍ ĐANG SỬ DỤNG TRÊN
TOA XE KHÁCH CỦA ĐƯỜNG SẮT VIỆT NAM
Lê Văn Học 1 , Kiều Công Thành 1
1 Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội
* Tác giả liên hệ: Email: levanhoc.utc@gmail.com ; kcthanh@ utc.edu.vn
Tóm tắt Báo cáo trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá độ bền của khung giá chuyển
hướng lò xo không khí đang sử dụng trên toa xe khách của Đường sắt Việt Nam trong những năm gần đây Khung giá là kết cấu thép hàn, khung siêu tĩnh không gian chịu nhiều tải trọng trong các mặt phẳng khác nhau Khi đánh giá ứng suất trong các mặt cắt ngang của các thanh của khung giá đã sử dụng cả hai phương pháp lực và phương pháp phần tử hữu hạn rồi so sánh kết quả của hai phương pháp Qua tính toán cho thấy chênh lệch ứng suất tổng hợp lớn nhất tại cùng một mặt cắt bất lợi nhất của khung giá được tính toán bằng cả hai phương pháp là không nhiều và đều nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo khung giá, khung giá chuyển hướng có đủ độ bền để vận hành an toàn
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, để nâng cao chất lượng, tốc độ đoàn tàu khách, đường sắt nước ta đã chế tạo (lắp ráp) một số giá chuyển hướng sử dụng lò xo không khí cho toa xe khách, khung giá được chế tạo bằng phương pháp hàn Qua một số năm
sử dụng cũng đã cho thấy chất lượng của các giá chuyển hướng này khá tốt, chất lượng động lực học của toa xe khách sử dụng giá chuyển hướng này cũng tốt so với các loại toa xe khách dùng giá chuyển hướng khác
Tuy nhiên trong điều kiện của nước ta, số lượng giá chuyển hướng chế tạo mới không lớn, các phương tiện và thiết bị thử nghiệm, đánh giá chất lượng chi tiết cũng rất hạn chế, nhất là đối với khung giá chuyển hướng; Chủ yếu đánh giá vẫn là vừa sử dụng, vừa theo dõi để phát hiện hư hỏng và đưa ra các giải pháp khắc phục và hoàn thiện dần kết cấu chi tiết, bộ phận
Giá chuyển hướng lò xo không khí khi khai thác sử dụng cũng phát sinh một số
hư hỏng khi kiểm tra trong quá trình sửa chữa định kỳ, đối với khung giá - chi tiết chịu lực chủ yếu của giá chuyển hướng đã xuất hiện các vết nứt trên khung giá, nứt tại vị trí
xà ngang hàn với xà dọc cạnh, chân bàn trượt, cối chuyển hướng… Ngoài ra khung giá cũng bị các hư hỏng khác như cong vênh, mài mòn trên các bề mặt ma sát, rỉ mòn và
ăn mòn bề mặt…
Để xác định nguyên nhân của các hư hỏng nứt gẫy, cong vênh, hiện nay biện pháp truyền thống nhất là kiểm tra đánh giá lại độ bền của kết cấu khung giá khi nó chịu tải trọng bất lợi nhất, bằng các phương pháp tính toán hiện đại có độ chính xác
Trang 2862 670
694
360
2200
2135 1775 1575 982 640
550
588
168
13 150
862 670
694
360
2200
2135 1775 1575 982 640
550
588
168
13 150
cao
Trong nội dung báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu tính toán độ bền khung giá chuyển hướng lò xo không khí bằng cả hai phương pháp lực và phương pháp phần
tử hữu hạn, sau đó so sánh kết quả ứng suất lớn nhất phát sinh trong các mặt cắt ngang các phần tử thanh của khung giá với ứng suất cho phép vật liệu chế tạo, từ đó có kết luận về độ bền của khung giá đã được thiết kế và chế tạo
2 ĐẶC TRƯNG KẾT CẤU VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA KHUNG GIÁ CHUYỂN HƯỚNG LÒ XO KHÔNG KHÍ VIỆT NAM CHẾ TẠO ĐANG SỬ DỤNG
Kết cấu khung giá chuyển hướng thể
hiện trên hình 1, là một khung xương siêu
tĩnh có độ cứng vững cao Ngoài tác dụng
cơ bản là chịu lực nó còn là một hệ thống
đường ống dẫn và chứa gió, do đó ngoài
chịu lực còn phải đảm bảo độ kín khít,
không được rò rỉ không khí Các xà dọc
cạnh, xà ngang, xà đỡ lò xo thông nhau
nhằm tăng thể tích buồng khí phụ cho lò xo
không khí Thép CT3 được dùng để chế tạo
khung giá chuyển hướng (giới hạn bền: 225
N/mm2 ; giới hạn bền: 373 ÷ 461 N/mm2)
Hình 1 Kết cấu khung giá chuyển hướng lò
xo không khí toa xe khách
Đặc trưng hình học của mặt cắt ngang: 1-1 của bốn đoạn thanh đầu hai xà dọc cạnh ; 2-2 của bốn đoạn thanh xiên (nghiêng) của hai xà dọc cạnh ; 3-3 của hai thanh ngang ; 4-4 của hai đoạn giữa xà dọc cạnh ; Mặt cắt ngang 2-2 có tiết diện thay đổi (dạng hình bụng cá) từ trên xuống dưới (từ 1-1 đến 4-4)
Sơ đồ tính toán khung giá chuyển hướng là đường trục tâm hình mặt cắt ngang của các đoạn thanh, thể hiện trên hình 2, thông số kích thước hình học được thể hiện trên hình 3, đặc trưng hình học thể hiện trên bảng 1
Hình 2 Sơ đồ tính toán độ bền khung giá chuyển hướng lò xo
không khí
550
694
15
558 1100 1575
1 1
2 2
3 3
4 4
550
694
15
558 1100 1575
1 1 1 1
2 2 22 22
3 3 3 3
4 4 44 44
10
200
180
1 - 1
10
3 - 3
12
160
12
140
F
4 - 4
2 - 2
200
10
200
180
1 - 1
10
200
180
1 - 1
10
3 - 3
10
10
3 - 3
12
160
12
140
F
4 - 4
12
160
12
140
F
12
160
12
140
F
4 - 4
2 - 2
200
2 - 2
200
Hình 3 Tiết diện mặt cắt ngang các đoạn thanh của khung giá
Trang 3-110-
Bảng 1: Đặc trưng hình học của các mặt cắt ngang
Đặc trưng
hình
học
Mặt cắt
F, (m 2 ) (.10 -3 )
Jx, (m 4 ) (.10 -5 )
Jy, (m 4 ) (.10 -5 )
Jz, (m 4 ) (.10 -5 )
2 - 2 84,56 21,93 5,94 32,05 3,18 66,17 2,76 34,12
Các thông số sử dụng trong tính toán gồm có:
Khoảng cách hai vòng lăn bánh xe trên một trục: 1,070 m
Khoảng cách tâm hai cổ trục trong một trục: 1,575 m
Khoảng cách hai bộ lò xo không khí trong một giá chuyển hướng: 1,757 m
Độ cao từ mặt đỉnh ray đến mặt trên lò xo không khí dưới tải trọng: 0,84 m
Độ cao từ mặt đỉnh ray đến cối chuyển hướng dưới tải trọng: 0,772 m
Tổng độ nhún tĩnh của lò xo dưới tải trọng/độ nhún lò xo hộp trục: 190/38 mm
3 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN
KHUNG GIÁ CHUYỂN HƯỚNG [2]
; [3] ; [4]
1 Tải trọng thẳng đứng tĩnh và động,
giá trị là P = Pt + Pđ = 1,2.Pt ; Trong đó:
Pt là tải trọng thẳng đứng tĩnh ; Pđ là tải
trọng động thẳng đứng ; hệ số động
thẳng đứng tính được kđ = 0,20 ; P =
317,8 kN Điểm đặt P như hình 4
2 Tải trọng thẳng đứng phụ thêm
do lực ly tâm và lực gió gây ra tác dụng từ thùng xe xuống giá chuyển hướng P1= 19,84 kN, điểm đặt P1
như hình 4
3 Lực tác dụng vào khung giá chuyển hướng do tác dụng đồng thời của lực ngang sườn và lực giữa ray-bánh xe gây ra khi toa xe vào đường cong
Giá trị các lực trên sơ đồ hình 5 như sau:
H = H1 + H2 - Tổng lực ngang sườn của một giá chuyển hướng
P 2 P1 +
P 2 P1 +
P1 4 P
4 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+
P 2 P1 + P 2 P 2 P1 +
P 2 P1 + P 2 P 2 P1 +
P1 4 P
4 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+ P 8 P
4 P
8+
P1 4 P
8+ P 8 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+ P 8 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+ P 8 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+ P 8 P
8+
P1 4 P
8+ P 8 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+ P 8 P
8+
P1 4 P
8+
P1 4 P
8+ P 8 P
8+
Hình 4 Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên
khung giá
z 0
H2
4
H2 4
H2
4
H2
4
T2 2
T2
2
T2
2
T2
4
H1 4
H1 4
H1 4
T1 2
T1 2
T1 2
T1 2 H
2
H 2
P4
P4
z 0
H2
4
H2
4
H2 4
H2 4
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
T2 2
T2 2
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
T2 2
T2
4
H1 4
H1 4
H1 4
H1 4
H1 4
H1 4
H1 4
T1 2
T1 2
T1 2
T1 2
T1 2
T1 2
T1 2
T1 2 H
2 H 2
H 2 H 2
P4
P4
P4
Hình 5 Lực tác dụng theo phương ngang do tác
dụng đồng thời của lực ngang sườn và lực giữa
ray-bánh xe gây ra khi toa xe vào đường cong
Trang 410 11
12 13 14
15 16
9 8 1 2
3 4 5
6 7
10 11
12 13 14
15 16
9 8 1 2
3 4 5
6 7
H1 = 39,73 kN - Lực ngang từ hộp dầu đặt lên bộ trục bánh trước ; H2 = 47,2 kN
- Lực ngang từ hộp dầu đặt lên bộ trục bánh sau
T1 = 2,235 kN ; T2 = 2,63 kN ; P4 = 6,31 kN
4 Lực thẳng đứng phụ thêm tác dụng lên khung giá do lực quán tính hãm gây
ra Sơ đồ đặt lực thể
hiện trên hình 6, trị số
lực P5 = 26,6 kN
5 Lực tác dụng
lên khung giá chuyển
hướng trong phương
ngang do hãm gây ra
Sơ đồ lực tác dụng này
thể hiện trên hình 7 ; Tth
= 78,4 kN
Bỏ qua ảnh hưởng của
tải trọng thẳng đứng đối
xứng chéo
4 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH BIỂU ĐỒ NỘI LỰC VÀ ỨNG SUẤT TRONG KHUNG GIÁ CHUYỂN HƯỚNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỰC
Khi tính toán bằng phương pháp lực đã lợi dụng tính chất đối xứng của kết cấu
và lực tác dụng lên khung giá Do ảnh hưởng của lực cắt và lực dọc là rất nhỏ cho nên chỉ vẽ biểu đồ nội lực mô men uốn trong các mặt phẳng thẳng đứng, nằm ngang và mô men xoắn của các đoạn thanh, hình 9, đơn vị kN.m
Ứng suất tổng hợp tại các mặt cắt ngang xem xét được xác định theo lý thuyết bền 4 (gọi là ứng suất tương đương) Kết quả tính toán ứng suất tương đương tại 16 mặt cắt, hình 8 và giá trị ứng suất tại mỗi mặt cắt thể hiện trên bảng 2
Hình 8.Vị trí các mặt cắt xác định ứng suất tương đương trên khung giá
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2 2P5
2P5
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2
P5 2 2P5
2P5
2P5 2P5
Hình 6 Lực thẳng đứng phụ thêm đặt lên khung giá do lực
quán tính hãm gây ra
z0
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 4
Tth 4
z0
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 16
Tth 4
Tth 4
Tth 4
Tth 4
Hình 7 Sơ đồ lực ngang tác dụng lên khung giá do hãm gây ra
quán tính hãm gây ra
Trang 5-112-
Hình 9 Biểu đồ mô men uốn tổng hợp của khung giá, trong mặt phẳng thẳng đứng (a),
trong mặt phẳng ngang (b) và mô men xoắn (c) Bảng 2 Nội lực trong các mặt cắt khung giá
TT Mặt cắt Mx
(kNm)
My
(kNm)
Mxoan
(kNm)
td
(kN/cm 2 )
17.09
29.35 38.17
25.23
26.62
19.25
0.24
50.23
77.46
43.58
0.28
31.20 (a)
-1,24
8.17
-0.92 22.13
-16.01
-1.25 35.57
2,46 1.98
-0.96 (b)
6.98
6.98
5.16 0.31
0.31 5.16
6.98 0.84 0.85
5.74 3,15
0.21
6.98 (c)
17.09
29.35 38.17
25.23
26.62
19.25
0.24
50.23
77.46
43.58
0.28
31.20
(a)
17.09
29.35 38.17
25.23
26.62
19.25
0.24
50.23
77.46
43.58
0.28
31.20 (a)
-1,24
8.17
-0.92 22.13
-16.01
-1.25 35.57
2,46 1.98
-0.96 (b)
-1,24
8.17
-0.92 22.13
-16.01
-1.25 35.57
2,46 1.98
-0.96
-1,24
8.17
-0.92 22.13
-16.01
-1.25 35.57
2,46 1.98
-0.96 (b)
6.98
6.98
5.16 0.31
0.31 5.16
6.98 0.84 0.85
5.74 3,15
0.21
6.98
6.98
6.98
5.16 0.31
0.31 5.16
6.98 0.84 0.85
5.74 3,15
0.21
6.98
6.98
6.98
5.16 0.31
0.31 5.16
6.98 0.84 0.85
5.74 3,15
0.21
6.98 (c)
Trang 65 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH NỘI LỰC VÀ ỨNG SUẤT TRONG CÁC MẶT CẮT CÁC THANH CỦA KHUNG GIÁ KHI DÙNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN [5], [6], [7]
Kết cấu GIá CHUYểN HƯớNG lò xo không khí thực tế
Mô hình tính toán
Rời rạc hoá kếtcấu
chọn phần tử mẫu
Kết quả
GiảI bàI toán
đặc tr-ng hình
Nội lực
Quan hệ chuyển vị tảI trọng
V= u 1 u 2 u 3 … u 11 u 12 Hệ Ph-ơng trình vi phân đạo hàm riêng
Kết cấu GIá CHUYểN HƯớNG lò xo không khí thực tế
Mô hình tính toán
Rời rạc hoá kếtcấu
chọn phần tử mẫu
Kết quả
GiảI bàI toán
đặc tr-ng hình
Nội lực
Quan hệ chuyển vị tảI trọng
V= u 1 u 2 u 3 … u 11 u 12 Hệ Ph-ơng trình vi phân đạo hàm riêng
Hỡnh 10 Sơ đồ thuật toỏn, sử dụng phần mềm SAP, để tớnh toỏn độ bền khung giỏ
chuyển hướng
Trỡnh tự để giải bài toỏn khung giỏ được thực hiện theo cỏc bước sau:
Bước 1: Chuyển từ sơ đồ kết cấu sang sơ đồ tớnh
- Xỏc định yờu cầu tớnh toỏn và kết quả cần tỡm
- Xỏc định dạng động học của kết cấu
- Xỏc định tải trọng, cỏc thụng số hỡnh học của kết cấu, bước thời gian tớch phõn
Bước 2: Rời rạc húa kết cấu thành cỏc phần tử hữu hạn
- Đỏnh số cỏc điểm nỳt, cỏc phần tử
- Phõn chia cỏc phương ỏn tải trọng
- Nhập toàn bộ số liệu Bước 3: Thực hiện giải bài toỏn, kiểm tra độ chớnh xỏc của kết quả, hiệu chỉnh
dữ liệu…
Bước 4: Biểu diễn kết quả bằng hỡnh vẽ, xử lý kết quả, sử dụng kết quả
Sơ đồ thuật toỏn tổng hợp thể hiện trờn hỡnh 10, ứng dụng phần mềm SAP để đỏnh giỏ độ bền khung giỏ chuyển hướng lũ xo khụng khớ
Trang 7-114-
Khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn vẫn áp dụng mô hình tính và các loại lực tác dụng lên khung giá như khi tính khung giá bằng phương pháp lực
1 3 5 7
9
10 13 15 16
17 18 19
22 25
42 44 46
48
50
51 54 57 58
59
27
29
31 33
35
37 41
60 64 66
1 3 5 7
9
10 13 15 16
17 18 19
22 25
42 44 46
48
50
51 54 57 58
59
27
29
31 33
35
37 41
60 64 66
Hình 11 Sơ đồ rời rạc hóa kết cấu khi sử dụng phần mềm SAP
Chia các phần tử thanh (các đoạn thanh) kết cấu khung giá thành 65 phần tử và
66 nút và hệ trục toạ độ như trên hình 11, được đánh số từ 1 đến 66
Đưa tất cả các cơ sở dữ liệu của bài toán vào phần mềm tính toán SAP và cho chương trình làm việc, phần mềm sẽ giải bài toán độ bền kết cấu, đưa ra các biểu đồ nội lực, mô men uốn trong mặt phẳng thẳng đứng, mặt phẳng nằm ngang và lực dọc trục trong kết cấu, hình 12, 13,14
Ứng suất trong mặt cắt ngang các phần tử thanh, thể hiện trên bảng 3
Hình 12 Biểu đồ mô men uốn trong mặt phẳng thẳng đứng của khung giá
Hình 13 Biểu đồ mô men uốn trong mặt phẳng nằm ngang của khung giá
Hình 14 Biểu đồ lực dọc trục trong các đoạn thanh của khung giá chuyển
Trang 8Bảng 3 Ứng suất trong các mặt cắt các thanh của khung giá chuyển
TT Phần tử Mx
(kNm)
MY
(kNm)
Mxoan
(kNm)
td
(kN/cm 2 )
6 KẾT LUẬN
1 Khi sử dụng phương pháp lực để đánh giá độ bền khung giá chuyển lò xo không khí, đã xác định được nội lực gồm mô men uốn theo phương thẳng đứng, nằm ngang
và mô men xoắn trong các đoạn thanh của khung giá; sử dụng lý thuyết bền thứ 4 để xác định ứng suất tại một số mặt cắt, thể hiện ở bảng 2, cho thấy ứng suất tương đương lớn nhất phát sinh tại mặt cắt chính giữa xà dọc khung giá (td = 494 kN/cm2); tại mặt
Trang 9-116-
cắt nối xà dọc và xà ngang khung giá (td = 171 kN/cm2) So sánh với ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo khung giá [] = 1650 kN/cm2, cho thấy khung giá đảm bảo
độ bền, ứng suất lớn nhất phát sinh chỉ bằng 30% ứng suất cho phép
2 Khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm SAP, đã xác định được nội lực trong khung giá gồm các mô men uốn trong mặt phẳng thẳng đứng, nằm ngang và lực dọc của các thanh Ứng suất lớn nhất cũng tại mặt cắt chính giữa của thanh dọc, bảng 3 đó là mặt cắt 12, max = 568 kN/cm2 bằng 35% ứng suất cho phép Như vậy khung giá cũng đảm bảo độ bền để làm việc
3 Đã sử dụng hai phương pháp tính toán độc lập để đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng của khung giá chuyển hướng lò xo không khí, cho thấy ứng suất lớn nhất đều phát sinh ở mặt cắt chính giữa xà dọc, mối nối xà ngang và xà dọc, trị số lớn nhất chỉ bằng 30 35% ứng suất cho phép Khung giá chuyển hoàn toàn thỏa mãn độ bền
để làm việc, hệ số dự trữ về độ bền rất lớn
Từ các kết luận tính toán trên, cho thấy các vết nứt xuất hiện trên khung giá chuyển hướng không phải do không đảm bảo độ bền, ứng suất tổng hợp đều nhỏ hơn nhiều ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo khung giá Cần phải xem xét các nguyên nhân khác như: chất lượng, khuyết tật của vật liệu, quá tải đột ngột, chất lượng mối hàn nối, va đập khi sử dụng… Ngoài ra có thể dùng thực nghiệm để đánh giá chất lượng khung giá chuyển
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] W Strunk Jr., E.B White, The Elements of Style, fourth ed., Longman, New York, 2000
[2] Dương Hồng Thái, Lê Văn Doanh, Lê Văn Học Kết cấu tính toán toa xe; NXB Giao thông vận tải, Hà Nội 1997
[3] Lê Văn Học, Kiều Công Thành Kết cấu và tính toán đoàn tàu metro; NXB Giao thông vận tải, Hà Nội 2020
[4] Lê Văn Học Tính toán kết cấu thép các phương tiện giao thông vận tải; Tài liệu giảng dạy Cao học Trường Đại học Giao thông vận tải, Hà Nội 2005
[5] Nguyễn Mạnh Yên Phương pháp số trong cơ học kết cấu ; NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2000
[6] Nguyễn Xuân Lựu Phương pháp phần tử hữu hạn ; NXB Giao thông vận tải, Hà Nội 2010
[7] Bùi Đức Vinh Phân tích và thiết kế kết cấu bằng phần mềm SAP; NXB Thống kê,
Hà Nội 2000
[8] Lukin V.V, Sadur.L.A, Katyranov V.N Konstruyrovanhie i rastrot Vagonov YMK MPS Rossie, Matxcova 2000
[9] Xocolov.M.M, Khuxidov.V.D, Dinamitrexkaya Nagruzenosh Vagona, Uzdatrengstvo Transport, Matxcova 2000
[10] Katuranov.V.N Nagruzenotsch Elementov Konstruxia Vagona, Matxcova, Transport, 2000