Nghiên cứu tính năng ổn định toa xe xitec thể tích lớn khi vào đường cong bán kính nho

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ỎN ĐỊNH TOA XE XITEC THẺ TÍCH LỚN KHI VÀO ĐƯỜNG CONG BÁN KÍNH NHỎ STUDYING THE STABILITY OF HIGH CAPACITY TANK WAGONS ON SMALL RADIUS CURVES Ths Nguyễn Trung Hiếu Trường Đại học Giao thơng Vận tải TĨM TẢT Đê nâng cao lực vận chuyên tận dụng tải trọng trục cho phép lớn toa xe hàng, mang lại hiệu qua kinh tế cao Đường sắt Việt Nam đỏng toa xe xitec tích lớn 55m3 Khi thiêt kè chủng loại toa xe này, vấn đê ơn định toa xe phải tính tốn xem xét kỹ, nhăm đàm bảo an tồn vận hành Bài báo nêu kết tính tốn, kiêm nghiệm tính ơn định cũa toa xe xitec có thê tích lớn vào đường cong bán kính nhỏ Từ khố: Toa xe xitec; Õn định toa xe; Trật bánh; Lật đô toa xe; Lực dan hướng ABSTRACT To improve the carrying capacity, take advantage of the maximum allowable axle load of freight wagons, and bring high economic efficiency, the Vietnam Railways is manufacturing new tank wagons with a high capacity of 55m3 When designing these wagons, their stability must be carefully considered to ensure safe operation This article applies the theoretical fundamental of calculating the stability of tank wagons according to standards, technical regulations to calculate and test the stability of high capacity tank wagons on small radius curves Keywords: Tank wagon; Stabilize the wagon; Derailment; Topple the wagon; Guiding effort ĐẶT VẤN ĐỀ Đường sat Việt Nam đóng toa xe xitec tích lớn 55m3 Khi thiết kế chủng loại toa xe này, vấn đề ổn định toa xe phải tính tốn xem xét kỳ, nhằm đảm bảo an tồn vận hành Mất ơn định nguy tiêm ân trọng vận hành cùa toa xe xitec, đặc biệt với toa xe xitec tích lớn thơng qua đường cong bán kính nhỏ Có thể nói nguyên nhân chủ yếu dần đến cố đồ tàu, nhiều gây tai nạn khốc liệt, ốn định toa xe chở chất lỏng coi tiêu động lực học quan trọng vào bậc thiết kế, chế tạo kiểm nghiệm toa xe xitec chở chất lỏng [1], Tuy nhiên, tốn vê an tồn ơn định toa xe xitec chở chât lòng vần chưa đạt tới lời giải cuối Việt Nam, chưa có sở lý thuyết rõ ràng kiểm nghiệm ồn định toa xe xitec chở chất ISSN 2615 -9910 82 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỒI lỏng Điều gây khó khăn khơng nhỏ cho kết tính tốn ổn định toa xe xitec chở nhà quản lý kiểm định an tồn toa xe xitec, chất lỏng thể tích lớn qua đường cong bán kính nhỏ đường tuyến phân tích nguyên nhân vụ tai nạn xảy Bài báo đưa sở lý thuyết NỘI DUNG 2.1 Thông số tính tốn Bảng Thơng sơ kỹ thuật toa xe p giá chuyên hướng [2]: TT Thông số kỹ thuật toa xe Chiều dài thùng xe Chiều dài bệ xe Chiều rộng bệ xe Ký hiệu L LÍ ’ _ L A _ ' Chiều rộng lớn Chiều cao lớn toa xe Khoảng cách tâm hai cối chuyển hướng Thể tích thực thùng xi téc Tự nặng toa xe Tải trọng toa xe tối đa 10 Vận tốc thiết kế Trị số Đon vị 12500 mm 12500 mm 2210 mm 2530 mm 3900 mm mm 8800 21 ! _ L M 17,5 m3 M 38,5 80 km/h 55 _ Ị _ TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 83 'V Thông số giá chuyển hưởng 11 Kết cấu má giá, xà nhún Thép đúc 12 Tốc độ thiết kế V 100 km/h 13 Đường kính bánh xe D 780 mm 14 Khoảng cách trục L _ 1600 mm 15 16 Gian cách ngang mặt lăn bánh xe Khoảng cách ngang hai cổ trục 2s 1054 mm 2b, 1495,4 mm bánh 17 18 19 2b, Khoảng cách ngang hệ lò xo tw Độ cứng hệ lò xo trung ương đầu xà nhún theo phương thẳng 1495,4 mm 3622 kN/m Ị Kz đứng Khối lượng giá chuyển hướng 3,05 ISSN 2615-9910 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn _| NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Bàng Trọng tâm toa xe: Chi tiết TT Chiều cao trọng tâm tói Chiều cao trọng tâm đến tâm trục bánh (m) mặt đỉnh ray (m) Trọng tâm khối lượng lò xo (thân xe khơng có giá chuyển hướng) Khơng tải 1731 1341 Tồn tải 2116 1726 Bàng Diện tích chăn gió chiều cao lực gió thùng xe Chi tiết TT Chiều cao lực gió Chiều cao lực đến mặt đỉnh ray (m) gió đến tâm Diện tích chắn gió (m2) trục bánh (m) Khơng tải 39 2,122 1,732 Toàn tải 39 2,097 1,707 2.2 Xây dựng lý thuyết tính tốn ổn định toa xe xitec vào đường cong a) Ôn định chống lật toa xe xitec vào đường cong Chỉ tiêu ổn định chống lật toa xe xitec đánh giá thông qua tiêu ổn định chống lật [5] rt = 4^ < 0,4 ct p : Tải trọng tĩnh toa xe đầu ray (của phía) [kN] Hình Sơ đồ xác định hệ sổ ổn định chống lật toa xe xitec Pđ tải trọng chênh lệch toa xe đầu ray lực gió lực ly tâm gây Từ sơ đồ, phương trình cân [kN], bang tình học xác định p Tiến hành xây dựng sơ đồ tính ổn định chống lật toa xe xitec vào đường cong pd =^[(Hh + Hgl).r+(HÌ + Hg).r + (HihỊ+Hg.hg)+PA] ISSN 2615 -9910 84 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Ph - Lực thẳng đứng tác dụng vào bánh 2S - Gian cách ngang mặt lăn bánh xe, [m]; dẫn [kN] Hlt, H - Lực ly tâm lực gió tác dụng lên giá chuyên hướng, [kN]; Hp Hg - Lực ly tâm lực gió tác dụng lên thân xe, [kN]; Các lực ngang tác dụng lên toa xe [1], - Lực gió lực ly tâm c đặt tâm giá chuyển hướng có chiều hướng đường cong hp hg - Chiều cao tác dụng lực ly tâm lực gió thân xe đến tim trục bánh, [m]; ( V2 C = C,t+Cgl=^\m —^- + FW r - Bán kính bánh xe, [m]; p - Trọng lượng lò xo, [kN]; C|t - Lực ly tâm toa xe tác dụng lên giá chuyển hướng [kN]; A - Dịch chuyển ngang trọng tâm c - Lực gió toa xe tác dụng lên giá chuyển hướng [kN]; thân xe, [m]: A = hrP; p - Góc nghiêng thân xe, [rad]: m - Khối lượng toa xe (tấn); „ V í bL.-1 V - Vận tốc toa xe vào đường cong H^Hg p [m/s]; h.fc, R - Bán kính đường cong [m]; 2b, - Gian cách ngang hệ lò xo, [m]; fct - Độ nhún tĩnh lị xo, F - Diện tích chắn gió toa xe [m2]; [m]: w - Áp lực gió tính tốn [kN/m2] p= ct 1/2 v(P + 2PTtz ) - Lực siêu cao T đặt tâm giá chuyển 2Pt - Trọng lượng lò xo toa xe, i có chiều ngược với chiều [kN], b) c T = m.g.i [kN] Á Ị Ơn định chống trật bánh toa xe xitec Chỉ tiêu chống trật bánh đánh giá hr- Siêu cao đường [m] thông qua tỷ số < 1,2 [5], Y - Lực dần hướng bánh dần vào đường cong [kN]; - Lực ma sát trượt mặt lăn bánh xe mặt đỉnh ray giá chuyển hướng quay quanh tâm quay tức thời Lực ma sát đặt ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 85 NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI vị trí tiếp xúc mặt lăn bánh xe mặt đỉnh ray, có chiều chống lại chuyển động quay giá chuyên hướng chia thành hai thành phần H theo phương dọc Q theo phương + Thành phần ngang: Q ngang X - Khoảng cách từ tâm quay đến trục + Thành phần dọc: TJ Hi _ p — ụ I - s thứ i cùa giá chuyên hướng PB - Tải trọng thăng đứng tác dụng lên bánh xe [kN], Hình Sơ đồ xác định lực dẫn hướng Cự ly tâm quay tức thời đến bánh dần coi y, = xác định theo cơng thức: 2.3 Ket tính tốn ổn định toa xe xitec X, vào đường cong (y" -ỵ') R [m] = L, Trong đó: L - Khoảng cách trục giá chuyển hướng (m); Tính tốn toa xe vào đường cong bán kính nhỏ 97m, với vận tốc tính tốn lớn cho phcp vào đường cong, áp lực yn - Khe hớ lợi bánh hơng ray gió tính tốn lớn (W = 500 N/m2) coi chiều với lực ly tâm đường cong; yj - Độ rơ ngang bánh dần, với toa xe Tốc độ tối đa qua đường cong: ISSN 2615-9910 86 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Kmax = 4, 1Vẩ =4,1797 =40,38 [km ỉ h] (3) a) Tính tốn tiêu ổn định chống lật Tính tốn cho hai chế độ: toa xe đầy tải toa xe rồng tải Bâng Kêt tính tốn chi tiêu ơn định chống lật toa xe xitec: Thơng số tính Toa xe rỗng tải toán Tự nặng toa xe (tấn) 1 19.5000 Lực gió gch Hgt (kN) 1.3600 1.3600 Lực ly tâm gch IL(kN) 3.3700 ' 3.3700 Lực ly tâm thùng 6.2980 xe Hị (kN) Chiều cao tác dụng ; 1.3410 lực ly tâm ly (m) Chiều cao tác dụng 1.7320 lực gió hg (m) _ _ Chiều cao tác dụng 1.6365 27.5675 1.7260 1.7070 1.7181 gió ly tâm h (m) 0.0081 0.0342 Lăm đa (X) 0.2186 0.0950 Beta p 0.0053 0.0112 Delta A 0.0087 0.0192 Bán kính bánh xe r(m) 0.3900 0.3900 Tải trọng động Pđ (kN) ’ 52.3308 104.9062 Tải trọng tĩnh (Pct) 85.8375 (kN) ỉ Hệ số chống lật (r|) 0.6096 274.6800 ị 17.5000 17.5000 3.0500 3.0500 0.3140 0.3140 38.5000 Tải trọng toa xe (tấn) 0.0800 0.0800 11.2167 11.2167 Bán kính đường cong R (m) Khối lượng thùng xe Mth (tấn) 97.0000 97.0000 11.4000 49.9000 Trọng lượng lò xo p (kN) Áp lực gió w (kN/ 117.9947 495.6797 0.5000 0.5000 Siêu cao đường hr (m) Vận tốc qua đường 19.5000 Độ nhún tĩnh lị xo (kN/m) Khối lượng xà nhún (tấn) tồn tải 3622.0000 3622.0000 Độ cứng lò xo đầu xà nhún Khối lượng GCH (tấn) Toa xe Lực gió thùng xe h’ (kN) 0.3819 cong V (m/s) m2) Diện tích chắn gió 39.0000 39.0000 thùng xe F2 (m2) Diện tích chắn gió 2.7200 2.7200 gch F1 (m2) Như vậy, toa xe vào đường cong bán kính nhỏ 97m với tốc độ lớn cho phép vào đường cong áp lực gió tính tốn lớn 500 N/m2 Toa xe Xitec đầy tải đảm bảo tiêu ổn định chống lật ĩ| = 0,3891 < 0,4 Toa xe rỗng tải r| = 0,6096 không đảm bảo tiêu ổn định chống lật Đẻ đảm bảo tiêu ổn định chống lật toa xe Xitec rồng tải, tiến hành hạ áp lực gió cho phép thơng qua đường cong bán kính nhỏ hạ vận tốc cho phép vào đường cong Căn vào điều kiện vận dụng thực tế loại toa xe hàng nước dựa quan hệ vận tốc gió áp lực gió ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhỉvietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 87 NGHIÊN CỨU-TRAO ĐỒI (tiêu chuẩn TCXD 229: 1999) [4], tiến hành hạ áp lực gió cho phép tính tốn kết Toa xe xitec rồng tải đảm bão điều kiến ôn định chống lật qua đường cong bán kính cho bang 97m, tốc độ lớn cho phép 40,38 km/h với cấp Báng Chỉ tiêu ôn định chống lật toa xe rong tái: gió lớn cấp (áp lực gió 273,2 N/m2), qua đường cong 97m, áp lực gió cấp (366,28 N/m2) W » lúa cbũf Lật (K = 9'ÌD Vtm = 4v tỉùnb.i n d ip Cu m p Ọí vận tốc cho phép lớn 35 km/h 'Củ ŨI ’34S b Tính tốn tiêu ổn định chống trật bánh ĩ)a IB.H1F iR í"m q: !ix vso ‘66,.’S \ Br: iKÍẠi.kmhi ‘é 1’ n '14! • 1.4 Tính tốn với hai chế độ: toa xe xitec đầy tải toa xe xitec rồng tai X, (m) H,(kN) Q,(kN) H2 (kN) Q2(kN) Rồng tải 1,445 1,838 5,04 5,15 Đầy tải 1,628 5,287 16,3 17,1 c (kN) Y, (kN) pb (kN) 1,51 21,77 22,3 21,46 1,04 0,91 46,76 60,4 68,67 0,88 Như vậy, toa xe đảm báo an toàn chống trật bánh qua đường cong 97m với áp lực gió lớn 500 N/m2, với tốc độ tối đa vào đường cong 40,38 km/h I Hình Đơ thị biêu diên lực dân hướng vào đường cong ISSN 2615 -9910 88 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỒI Theo QCVN18: 2018/BGTVT quy định chi tiêu ôn định chống trật bánh toa xe r hàng < 1,2 Dựa vào đồ thị lực dần hướng, ta thấy tốc độ lớn hom 64 km/h tiêu ổn định chống trật bánh vượt giá trị cho phép Như vậy, vào đường cong bán kính nhỏ 97m với tốc độ lớn cho phép qua 2) Trường hợp toa xe toàn tải Toa xe đảm bảo tiêu an toàn chổng lật, chống trật bánh qua đường cong bán kính 97m, áp lực gió tính tốn 500 N/m2 với tốc độ lớn cho phép 40,38 km/h.* đường cong 40,38 km/h, toa xe đảm bảo tiêu ổn định chống trật bánh Ngày nhận bài: 25/01/2022 Ngày phản biện: 12/02/2022 KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo: 1) Với trường hợp toa xe không tải Để đảm bảo tiêu chống lật toa xe, chi vận hành với cấp gió lớn cấp (áp lực gió 273,2 N/m2), qua đường cong bán kính 97m, vận tốc lớn 40,38 km/h Khi vận hành áp lực gió 366,28 N/m2, tưong ứng với cấp 9, vận tốc cho phép lớn qua đường cong 97m 35 km/h Toa xe đảm bảo tiêu an toàn chống trật bánh qua đường cong bán kính 97m, áp lực gió tính tốn 500 N/ m2 với tốc độ lớn cho phép 40,38 km/h [1] Lã Ngọc Khuê; Động lực học vận hành cùa đâu máy toa xe, NXB Bách khoa Hà Nội, 2015 [2] Bàn thiết kế toaxexitec 55 m3, Công ty cổ phần Toa xe Dĩ An, 2020 [3], Bộ Giao thông Vận tải; Tiêu chuân Việt Nam thiết kế toa xe, TCVN: 9983: 2013 [4] Bộ Xây dựng; Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 229: 1999, chì dẫn tính tốn thành phần động tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 [5] Bộ Giao thông Vận tải; Quy chuán kỹ thuật Quốc gia kiểm tra, nghiệm thu toa xe sản xuất, lắp ráp nhập kháu mới, QCVN 18:2011/BGTVT ISSN 2615-9910 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 89 ...NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỒI lỏng Điều gây khó khăn khơng nhỏ cho kết tính tốn ổn định toa xe xitec chở nhà quản lý kiểm định an toàn toa xe xitec, chất lỏng thể tích lớn qua đường cong bán kính. .. Diện tích chắn gió (m2) trục bánh (m) Khơng tải 39 2,122 1,732 Toàn tải 39 2,097 1,707 2.2 Xây dựng lý thuyết tính tốn ổn định toa xe xitec vào đường cong a) Ôn định chống lật toa xe xitec vào đường. .. Tính tốn tiêu ổn định chống lật Tính tốn cho hai chế độ: toa xe đầy tải toa xe rồng tải Bâng Kêt tính tốn chi tiêu ôn định chống lật toa xe xitec: Thông số tính Toa xe rỗng tải toán Tự nặng toa