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

g 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 -108- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 3150 Kết cấu khung giá chuyển hướng thể 2200 13 13 162 162 150 150 174 hiện trên hình 1, là một khung xương siêu 174 168 88 88 430 550 430 256 tĩnh có độ cứng vững cao. Ngoài tác dụng 256 cơ bản là chịu lực nó còn là một hệ thống 694 588 360 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 160 160 90 nhằm tăng thể tích buồng khí phụ cho lò xo 90 982 982 640 640 480 480 2135 2135 1850 1850 1775 1775 1575 không khí. Thép CT3 được dùng để chế tạo 1575 670 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 862 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. 1575 1100 558 1 2 1 3 2 Hình 2. Sơ đồ tính toán độ bền 550 3 khung giá chuyển hướng lò xo 4 1575 4 không khí 227 227 694 1 - 1 2 - 2 3 - 3 4 - 4 14 14 14 200 14 12 200 160 F 220 220 220 220 269 269 269 269 150 150 150 150 14 297 297 297 14 14 140 140 140 12 140 20 20 20 20 F F F F 10 180 12 12 12 12 140 12 12 12 10 180 12 10 180 180 10 Hình 3. Tiết diện mặt cắt ngang các đoạn thanh của khung giá -109- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Bảng 1: Đặc trưng hình học của các mặt cắt ngang Đặc trưng 2 4 4 4 hình F, (m ) Jx, (m ) Jy, (m ) Jz, (m ) học (.10-3) (.10-5) (.10-5) (.10-5) Mặt cắt 1 - 1 8,45 5,94 3,18 2,76 2 - 2 84,56  21,93 5,94  32,05 3,18  66,17 2,76  34,12 3 - 3 21,93 32,05 66,17 34,12 4 - 4 9,14 3,27 1,87 13,96 Các thông số sử dụng trong tính toán gồm có: Tải trọng trục của toa xe: 14 tấn/trục Khoảng cách trục trong giá chuyển hướng: 2,2 m 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 Độ cứng của lò xo giá chuyển: 184,2 kN/m Tổng độ nhún tĩnh của lò xo dưới tải trọng/độ nhún lò xo hộp trục: 190/38 mm Trọng lượng một giá chuyển hướng: 5 tấn 3. TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG GIÁ CHUYỂN HƯỚNG [2] P P P + P + 1 P P 1 P P 8 4 + 1 2 + 1 P P 4 4 + 1 ; [3] ; [4] 8 8 8 4 1. Tải trọng thẳng đứng tĩnh và động, P P P P P + 1 + 1 P1 + P P P P 4 4 2 + 1 + 1 giá trị là P = Pt + Pđ = 1,2.Pt ; Trong đó: 8 8 4 8 4 8 Pt là tải trọng thẳng đứng tĩnh ; Pđ là tải trọng động thẳng đứng ; hệ số động Hình 4. Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên thẳng đứng tính được kđ = 0,20 ; P = khung giá 317,8 kN. Điểm đặt P như hình 4. 0 0 z z T 2. TảiT trọng thẳng đứng phụ thêm T T H 1 1 2 2 P4 2 2 2 H H 2 2 H H 2 2 1 do1 lực ly tâm và lực gió gây ra tác 4 4 4 4 dụng từ thùng xe xuống giá chuyển T T T 2 T P 1 1 2 2 4 2 2hướng P1= 19,84 kN, điểm đặt P1 2 H2 H2 H1 H1 4 4 4 4 H như hình 4. 2 3. Lực tác dụng vào khung giá Hình 5. Lực tác dụng theo phương ngang do tác chuyển hướng do tác dụng đồng dụng đồng thời của lực ngang sườn và lực giữa thời của lực ngang sườn và lực ray-bánh xe gây ra khi toa xe vào đường cong 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 -110- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 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 P P5 P P hiện trên hình 6, trị số 5 2P 5 5 2 2 5 2 2 lực P5 = 26,6 kN 5. Lực tác dụng P P5 P P5 5 2P 5 lên khung giá chuyển 2 2 5 2 2 hướng trong phương ngang do hãm gây ra Hình 6. Lực thẳng đứng phụ thêm đặt lên khung giá do lực Sơ đồ lực tác dụng này quán tính hãm gây ra thể hiện trên hình 7 ; Tth 0 0 z = 78,4 kN z T T T th th Tth th Tth 16 16 4 16 16 Bỏ qua ảnh hưởng của T tải trọng thẳng đứng đối th Tth Tth Tth 16 16 16 16 T xứng chéo th 4 Hình 7. Sơ đồ lực ngang tác dụng lên khung giá do hãm gây ra quán tính hãm gây ra 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. 10 11 15 16 12 13 14 8 9 1 2 6 7 3 4 5 Hình 8.Vị trí các mặt cắt xác định ứng suất tương đương trên khung giá -111- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 2.54 1.79 5.34 (a) 17.09 18.24 25.23 29.35 0.28 38.17 0.24 26.62 31.20 43.58 19.25 50.23 77.46 77.86 109.46 7.73 1.98 2,46 5.46 35.57 -0.96 21.07 33.07 -1.25 (b) 1.47 2.51 2.74 1.89 22.13 -16.01 -1,24 8.17 -0.92 25.16 19.67 6.98 5.16 0.31 6.98 (c) 0.21 3,15 5.74 3,15 5.74 0.84 0.21 5.74 0.31 5.16 6.98 0.85 0.84 6.98 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 Mx My Mxoan  TT Mặt cắt td (kNm) (kNm) (kNm) (kN/cm2) 1 1-1 2.387 0.967 3.15 57.7783 2 2-2 43.58 7.73 5.74 134.6753 3 3-3 77.463 33.07 0.843 171.5423 4 4-4 109 32.43 0.84 494.2433 5 5-5 77.86 21.07 6.98 153.5654 6 6-6 50.23 2.46 6.98 114.7643 7 7-7 8.545 1.89 5.16 41.5646 8 8-8 26.62 22.13 0.312 65.2324 9 9-9 26.62 -16 5.74 57.4234 10 10-10 5.34 1.89 0.843 64.3324 11 11-11 17.09 2.74 3.15 67.4334 12 12-12 29.35 17.84 5.74 98.7643 13 13-13 38.17 24.06 0.843 128.5434 14 14-14 25.23 25.16 0.84 94.5234 15 15-15 18.24 2.15 6.98 124.4344 16 16-16 1.26 1.47 6.98 75.4422 -112- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 5. 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]. KÕt cÊu GI¸ CHUYÓN H¦íNG lß xo kh«ng khÝ thùc tÕ M« h×nh tÝnh to¸n Ph©n tÝch kÕt cÊu T¶I träng t¸c dông Rêi r¹c ho¸ kÕtcÊu ®Æc tr•ng h×nh chän phÇn tö mÉu ®IÒu kiÖn biªn häc Quan hÖ chuyÓn vÞ t¶I träng V=u1 u2 u3 u11 u12 HÖ Ph•¬ng tr×nh vi ph©n ®¹o hµm riªng K =f u= nu u Gi¶I bµI to¸n KÕt qu¶ Néi lùc øng suÊt KiÓm tra øng suÊt Hình 10. Sơ đồ thuật toán, sử dụng phần mềm SAP, để tính toán độ bền khung giá chuyển hướng Trình tự để giải bài toán khung giá được thực hiện theo các bước sau: Bước 1: Chuyển từ sơ đồ kết cấu sang sơ đồ tính - Xác định yêu cầu tính toán và kết quả cần tìm - Xác định dạng động học của kết cấu - Xác định tải trọng, các thông số hình học của kết cấu, bước thời gian tích phân Bước 2: Rời rạc hóa kết cấu thành các phần tử hữu hạn - Đánh số các điểm nút, các phần tử - Phân chia các phương án tải trọng - Nhập toàn bộ số liệu Bước 3: Thực hiện giải bài toán, kiểm tra độ chính xác của kết quả, hiệu chỉnh dữ liệu Bước 4: Biểu diễn kết quả bằng hình vẽ, xử lý kết quả, sử dụng kết quả Sơ đồ thuật toán tổng hợp thể hiện trên hình 10, ứng dụng phần mềm SAP để đánh giá độ bền khung giá chuyển hướng lò xo không khí -113- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 42 44 46 60 64 66 48 50 51 54 57 58 59 22 25 1 3 5 7 9 27 29 31 33 35 37 39 41 16 17 18 19 10 13 15 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 -114- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Bảng 3. Ứng suất trong các mặt cắt các thanh của khung giá chuyển Mx MY Mxoan  TT Phần tử td (kNm) (kNm) (kNm) (kN/cm2) 1 4 (trái) -31.24 -6.68 0.02 62.5786 2 4 (phải) -31.24 5.86 0.02 56.7432 3 6 (trái) 24.46 70.12 4.89 134.5268 4 6 (phải) -31.24 70.12 7.97 215.3755 5 10 (trái) -46.51 72.13 7.97 174.3277 6 10 (phải) 24.46 67.33 1.90 132.5456 7 12 (trái) -46.51 99.77 6.00 567.4445 8 12 (phải) -46.51 95.56 6.23 568.7547 9 16 (trái) -46.51 72.22 5.75 155.7687 10 16 (phải) 8.12 67.40 5.64 145.7870 11 18 (trái) -50.44 50.02 3.81 116.5754 12 18 (phải) 46.51 49.03 3.81 115.4789 13 22 (trái) -50.44 1.73 0.08 42.5568 14 22 (phải) -50.44 -1.73 0.08 42.5568 15 54 (trái) -15.16 0.02 -3.76 64.3686 16 54 (phải) -4.16 0.02 -3.05 63.3566 17 63 (trái) -6.81 0.01 -2,9 57.6796 18 63 (phải) 4.19 0.01 -3.79 55.7446 19 28 (trái) 5.16 1.17 0.09 55.4763 20 28 (phải) 5.16 2.39 1.04 64.6755 21 30 (trái) 9.57 4.83 3.97 65.4548 22 30 (phải) 9.57 4.83 4.21 65.6896 23 34 (trái) 9.57 11.72 7.19 97.8457 24 34 (phải) 1.51 6.92 7.19 96.3422 25 36 (trái) 1.51 14.99 5.06 125.5697 26 36 (phải) 1.51 13.93 5.06 125.5584 27 40 (trái) 1.51 11.80 1.49 74.3876 28 40 (phải) -6.82 4.85 9.46 96.5545 29 42 (trái) -1.77 2.74 12.00 105.4435 30 42 (phải) -6.82 1.72 12.00 99.4323 31 45 (trái) -17.77 -2.95 0.02 76.6782 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 2 lớn nhất phát sinh tại mặt cắt chính giữa xà dọc khung giá (td = 494 kN/cm ); tại mặt -115- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 2 cắt nối xà dọc và xà ngang khung giá (td = 171 kN/cm ). 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 2 thanh dọc, bảng 3 đó là mặt cắt 12, max = 568 kN/cm 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. -116-