mghin cứu khoa học dao động toa xe viết phương trình vi phân chuyển động
Trường đại học giao thông vận tải Mục lục Trang Lời nói đầu A)giảm chấn lị xo giảm chấn thủy lực …………………… A1)trường hợp toa xe đường không phẳng……………… 1)mô toa xe hàng ……………………………………….6 2)mơ hình 3D lực tác dụng ……………………………………… 3)Phân tích lực:……………………………………………… 4)Các yếu mấp mơ tố đường ray …………………………… 5) phương trình vi phân chuyển động thân xe…………………… 6)Giả thiết măt đường dạng hình sin…………………………… 7)Các thông số toa xe gồm ………………………………………10 A2) xét với trường hợp dao động hai bên ray không cao ………10 vết nối ray ,dao động ngang Trường đại học giao thông vận tải 1)Mơ hình 3D……………………………………………………11 2)Mơ hình tác động đường ray hai bên lên toa xe…………… 11 3)Chọn tọa độ x,φ,Phân tích lực :………………………………12 4)Viết phương trình newton-ơle……………………………… 13 5) phương trình vi phân chuyển động thân xe………………….13 6)Tính lực tác dung lên xe tổng hợp……………………….13 B) giảm chấn lò xo giảm……… 14 chấn ma sát B1)trường hợp đường ray không phẳng …………………….14 1)Các thông số toa xe gồm :…………………………………….14 2)Phân tích lực…………………………………………………15 3)Các yếu mấp mơ tố đường ray …………………………… 4)Viết phương trình newton-ơle…………………………… 16 5) phương trình vi phân chuyển động thân xe………………….16 6) Giả thiết măt đường dạng hình sin……………………………17 15 Trường đại học giao thông vận tải B2)Tương xét với trường hợp dao động hai bên ray không cao …….18 dao động ngang 1)Chọn tọa độ x,φ……………………………………………………………18 Phân tích lực 2)Viết pt newton-ơle :………………………………………….19 3)phương trình vi phân chuyển động thân xe………………… 20 4)Lực tác dụng lên toa xe trường hợp dùng giảm …………20 trấn ma sát Trường đại học giao thơng vận tải Lời nói đầu Trong trình phát triển kinh tế quốc dân phục vụ đời sống xã hội Nhu cầu vận chuyển hang hóa ngày phát triển Đường sắt Việt Nam sử dụng khổ đường sắt 1000mm, giới cịn quốc gia sử dụng khổ đường Mặt khác kết cấu chất lượng đường Đường sắt nước ta chưa tốt, hầu có đường sắt phát triển Châu Á (Nhật Bản, Trung Quốc, Hồng Kông, Hàn Quốc…) sử dụng ray hàn liền, sử dụng loại ray dời nên không giảm tiếng ồn rung động chạy tàu Với khổ đường tình trạng đường ray vậy, chạy tàu với vận tốc cao dễ xảy trật bánh dẫn đến đổ tàu, vụ tai nạn tàu E1 ngày 12- 03 - 2005 ví dụ điển hình Vậy yếu tố liên quan đến tốc độ chạy tàu, quan hệ Trường đại học giao thông vận tải chúng với kết cấu đầu máy – Toa xe nào? Đó vấn đề cần phải nghiên cứu, khảo sát tính tốn chi tiết Cộng Cùng xu hội nhập đất nước, Đường sắt Việt Nam không ngừng phát triển để phục vụ Hành khách tốt Thủ tướng phủ có quy hoạch cụ thể để phát triển ngành đường sắt thời gian tới, có vấn đề an toàn chạy tàu nâng cao độ êm dịu (tiếng ồn, độ rung, độ lắc xóc) Đầu máy - Toa xe, Có nhiều nguyên nhân gây tượng như: cấu tạo đường, cấu tạo nền, kết cấu toa xe…, nhiên có nguyên nhân quan trọng, kết cấu toa xe chở hàng chưa thật hợp lý, Do chuyển động, tàu hỏa bị rung động mạnh, độ lắc xóc lớn, thời gian rung động lắc xóc lớn, ảnh hưởng đến an toàn chạy tàu độ êm dịu Với lý mà nhóm em đưa vấn đề đề tài khảo sát, tính tốn, mơ điều khiển toa xe để đảm bảo an toàn chạy tàu cho tàu hỏa Việt Nam An toàn chạy tàu bao gồm tiêu chí tiêu chống trật ray tiêu an toàn chống lật tàu đoàn tàu vận hành An toàn chống trật ray phụ thuộc vào trạng thái tiết xúc bánh xe đường ray Đầu máy – Toa xe vận hành Theo tổ chức đường sắt quốc tế UIC, vận hành dao động theo phương ngang bánh xe > mm dễ xảy trật ray làm an toàn đoàn tàu vận hành Để đảm bảo an toàn chạy tàu, phải thoả mãn tất tiêu trên, khảo sát, tính toán động học động lực học tiêu chí có tính định chất lượng an toàn vận hành Đầu máy – Toa xe - thơng số đặc trưng q trình dao động như: Biên độ gia tốc dao động; Tần số dao động; Phương tác động dao động lên hang hóa thời gian tác động dao động Mục đích đề tài khảo sát, tính tốn, mơ điều khiển Toa xe để đảm bảo an toàn chạy tàu cho tàu hoả Việt Nam Trường đại học giao thông vận tải A)giảm chấn lò xo giảm chấn thủy lực A1)trườn hợp toa xe đường không phẳng 1)mô toa xe hàng Trường đại học giao thông vận tải L L x M,J yA yB y3 y4 l y2 l Chọn tọa độ x,φ 2)mô hình 3D lực tác dụng y1 Trường đại học giao thông vận tải x FC FB FA FD 3)Phân tích lực: L L x M,J Trường đại học giao thông vận tải & & & k ( x − yB − Lϕ ) c( x − yB − Lϕ ) k ( x − y A + Lϕ ) 4)Các yếu mấp mô tố đường ray YA = y1 + y2 & yA = => & & y1 + y2 & & y3 + y4 y3 + y4 yB = ⇒ yB = 2 Còn y1, y2, y3, y4 xác định sau: y1 y = =ysin ω y2 y1 ∆t2 = (t- y3 y1 ∆t3 = (t- y4 y1 = (t- ∆t4 ∆t2 ∆t3 ∆t4 , t (ω= 2π v Ls )= ysin ω(t)= ysin ω(t- ) ∆t2 ∆t3 )= ysin ω(t- ∆t4 ) ) ) thời gian trễ cao độ bánh 2,3,4 so với bánh & & & c( x − y A + Lϕ ) Trường đại học giao thông vận tải 2l 2L L + 2l ∆t2 v ∆t3 v ∆t4 v = , = , = Với v vận tốc chạy xe Viết phương trình newton-ơle & && & & Mx = − k ( x − yB − Lϕ ) − c( x − yB − Lϕ ) & & & − k ( x − y A + Lϕ ) − c( x − y A + Lϕ ) && & & & jϕ = k ( x − yB − Lϕ ) L + c( x − yB − Lϕ ) L & & & − k ( x − y A + Lϕ ) L − c( x − y A + Lϕ ) L 5) phương trình vi phân chuyển động thân xe && & & & Mx + 2cx + 2kx = c( y A + yB ) + k ( y A + y B ) && & & & J ϕ + 2cLϕ + 2kL2ϕ = cL( y A − yB ) + kL( y A − y B ) 6)Giả thiết măt đường dạng hình sin Trong & yA = & yA & & y1 + y2 & yB vận tốc theo chiều thẳng đứng mặt đế lò xo & yB = & & y3 + y4 Trong trường hợp đường có dạng hình sin 10 Trường đại học giao thơng vận tải ⇒ y1 = y0 sin ωt y2 = y0 sin(ωt − α ) y3 = y0 sin(ωt − α ) y4 = y0 sin(ωt − α ) ω= Trong Ls 2Π v Ls chiều dài bước sóng chiều dài ray cịn góc pha α2 = 4π L 4π (l+ L) 4π l α3 = α4 = Ls Ls Ls , , & ⇒ y1 = y0ω cos ωt & y2 = y0ω cos(ωt − α ) & y3 = y0ω cos(ωt − α ) 11 Trường đại học giao thông vận tải & y4 = y0ω cos(ωt − α ) 7)Các thông số toa xe gồm : +M- khối lượng thân xe (kg) +J- mô men quán tính thân xe trục qua trọng tâm (kg +k- độ cứng lò xo giá chuyển hướng(N/ m2 m2 ) ) +c – hệ số giảm chấn lắp giá chuyển hướng toa xe +2L-cự li hai trục tâm cối chuyển hướng toa xe +2l- cự li hai trục bánh xe giá chuyển hướng + tọa độ x,θ biểu thị chuyển vị thẳng đứng trọng tâm thân xe Và chuyển vị góc thân xe mặt phẳng đứng dọc A2) xét với trường hợp dao động hai bên ray không cao vết nối ray ,dao động ngang 1)Mơ hình 3D 12 Trường đại học giao thơng vận tải x FB FC FA 2)Mơ hình tác động đường ray hai bên lên toa xe 13 FD Trường đại học giao thông vận tải x M,J 2a y2 y1 yA 3)Chọn tọa độ x,φ Phân tích lực : 14 y7 y8 yD Trường đại học giao thông vận tải x M,J 2a & & k ( x − y A − aθ ) c( x − y A − aθ ) c( x − y D + aθ ) 4)Viết pt newton-ơle : & && & & Mx = −k ( x − y A − aθ ) − c( x − y A − aθ ) & & & − k ( x − y + aθ ) − c( x − y + aθ ) D D & && & & J ϕ = k ( x − y A − aθ ) a + c( x − y A − aθ ) a & & & − k ( x − y + aθ ) a − c( x − y + aθ ) a D D 15 k ( x − y D + aθ ) Trường đại học giao thơng vận tải 5)Phương trình vi phân chuyển động ngang thân xe có dạng sau: && & & & Mx + 2cx + 2kx = c( y A + y D ) + k ( y A + y D ) && & & & Jθ + 2ca 2θ + 2ka 2θ = ca( y D − y A ) + ka( y D − y A ) Trong yD = yA y7 + y8 yD vận tốc theo chiều thẳng đứng bánh xe yA = y1 + y2 6)Tính lực tác dung lên xe tổng hợp & & & FA = k (x + L ϕ − a θ − y A ) + c( x + Lϕ − aθ − y A ) & & & FD = k (x + L ϕ + a θ − y A ) + c( x + Lϕ + aθ − y A ) & & & FB = k (x − L ϕ − a θ − y A ) + c( x − Lϕ − aθ − y A ) & & FC = k (x − L ϕ + a θ − y A ) + c( x − Lϕ + aθ& − y A ) B) giảm chấn lò xo giảm chấn ma sát B1)trường hợp đường ray không phẳng 16 Trường đại học giao thông vận tải L L x M,J yA yB y3 y4 l y2 y1 l 1)Các thông số toa xe gồm : +M- khối lượng thân xe (kg) +J- mơ men qn tính thân xe trục qua trọng tâm (kg +k- độ cứng lò xo giá chuyển hướng(N/ m2 m2 ) ) +Fms lực ma sát giảm chấn ma sát +2L-cự li hai trục tâm cối chuyển hướng to axe +2l- cự li hai trục bánh xe giá chuyển hướng + tọa độ x,φ biểu thị chuyển vị thẳng đứng trọng tâm thân xe Và chuyển vị góc thân xe mặt phẳng đứng dọc y A yB - và sau chuyển vị mặt đế lò xo giá chuyển hướng trước 17 Trường đại học giao thông vận tải y1, y2, y3, y4 xe biểu thị độ cao mặt đường ray chỗ tiếp xúc với bánh 2)Phân tích lực: L L x M,J & & & & & & k ( x − yB − Lϕ ) Fms sign( x − yB − Lϕ ) k ( x − yB + Lϕ ) Fms sign( x − yB + Lϕ ) 3)Các yếu mấp mơ tố đường ray Trong & yA = & yA & & y1 + y2 & yB vận tốc theo chiều thẳng đứng mặt đế lò xo & yB = Còn y1, y2, y3, y4 ác định sau: 18 & & y3 + y4 Trường đại học giao thông vận tải y1 y = =ysin ω y2 y1 ∆t2 = (t- y3 y1 ∆t3 = (t- y4 y1 = (t- ∆t4 ∆t2 ∆t3 ∆t4 , t (ω= 2π v Ls )= ysin ω(t)= ysin ω(t- ) ∆t2 ∆t3 )= ysin ω(t- ∆t4 ) ) ) thời gian trễ cao độ bánh 2,3,4 so với bánh 2l 2L L + 2l ∆t2 v ∆t3 v ∆t4 v = , = , = Với v vận tốc chạy xe 4)Viết phương trình newton-ơle & && & & Mx = −k ( x − y B − Lϕ ) − Fms sign( x − y B − Lϕ ) & & & −k ( x − y A + Lϕ ) − Fms sign( x − y A + Lϕ ) && & & & J ϕ = k ( x − y B − Lϕ ) L + Fms sign( x − yB − Lϕ ) L & & & −k ( x − y A + Lϕ ) L − Fms sign( x − y A + Lϕ ) L 5) phương trình vi phân chuyển động thân xe 19 Trường đại học giao thông vận tải & & && & & & & Mx + Fms sign( x − yB − Lϕ ) + Fms sign( x − y A + Lϕ ) + 2kx = k ( y A + yB ) && & & & & & & J ϕ + 2kL2ϕ − Fms sign( x − yB − Lϕ ) L + Fms sign( x − y A + Lϕ ) L = kL( y A − yB ) 6) Giả thiết măt đường dạng hình sin Trong & yA = & yA & & y1 + y2 & yB vận tốc theo chiều thẳng đứng mặt đế lò xo & yB = & & y3 + y4 Trong trường hợp đường có dạng hình sin ⇒ y1 = y0 sin ωt y2 = y0 sin(ωt − α ) y3 = y0 sin(ωt − α ) y4 = y0 sin(ωt − α ) ω= Trong 2Π v Ls 20 Trường đại học giao thơng vận tải Ls chiều dài bước sóng chiều dài ray cịn góc pha α2 = 4π L 4π (l+ L) 4π l α3 = α4 = Ls Ls Ls , , & ⇒ y1 = y0ω cos ωt & y2 = y0ω cos(ωt − α ) & y3 = y0ω cos(ωt − α ) & y4 = y0ω cos(ωt − α ) B2)Tương xét với trường hợp dao động hai bên ray không cao dao động ngang 21 Trường đại học giao thông vận tải x M,J 2a y2 y1 yA 1)Chọn tọa độ x,φ Phân tích lực: 22 y7 y8 yD Trường đại học giao thông vận tải x M, J 2a & & & & & & k ( x − y A − aϕ ) Fms sign( x − y A − aϕ ) k ( x − yD + aϕ ) Fms sign( x − yD + aϕ ) 2)Viết pt newton-ơle : & && & & Mx = − k ( x − y A − aθ ) − Fms sign( x − y A − aθ ) & & & − k ( x − y + aθ ) − F sign( x − y + aθ ) D ms 23 D Trường đại học giao thông vận tải & && & & Jϕ = k ( x − y A − aθ ) a + Fms sign( x − y A − aθ ) a & & & −k ( x − y + aθ ) a − F sign( x − y + aθ ) a ms D D 3)phương trình vi phân chuyển động thân xe & & && & & & & Mx + Fms sign( x − y A − aθ ) + Fms sign( x − yD + aθ ) + 2kx = k ( y A + yD ) & & && & & & & J ϕ + 2ka 2θ − Fms sign( x − y A − aθ ) a + Fms sign( x − y A + aθ ) a = ka ( yD − y A ) Trong yD = yA y7 + y8 yD vận tốc theo chiều thẳng đứng bánh xe yA = y1 + y2 4)Lực tác dụng lên toa xe trường hợp dùng giảm trấn ma sát & & FA = k (x + L ϕ − a θ − y A ) + Fms sign( x + Lϕ − aθ& − y A ) & & & FD = k (x + L ϕ + a θ − y A ) + Fms sign( x + Lϕ + aθ − y A ) & & FB = k (x − L ϕ − a θ − y A ) + Fms sign( x − Lϕ − aθ& − y A ) & & FC = k (x − L ϕ + a θ − y A ) + Fms sign( x − Lϕ + aθ& − y A ) 24 Trường đại học giao thông vận tải Kết luận Sau thực đề tài, chúng em thu kết quản sau: - Khảo sát phân tích mơ hình Toa xe chọn - Phân tích lực mơ men tác dụng lên trục xe, giá chuyển hướng toa xe Phân tích hình thái tiếp xúc bánh xe đường ray Đưa tiêu an toàn độ êm dịu Toa xe vận hành, phân tích hình thái gây trật bánh Toa xe vận hành - Thành lập phương trình động lực học mô tả chuyển động toa xe Sử dụng phần mềm Matlab để mơ số tốn động lực học toa xe - Phân tích ảnh hưởng tìm quan hệ thơng số kết cấu Toa xe tốc độ tới hạn Toa xe vận hành Với thông số kết cấu Toa xe , độ cứng lị xo, hệ số giảm chấn, Toa xe có tốc độ tới hạn Khi vận hành, Toa xe chạy với tốc độ lớn tốc độ tới hạn có nguy xảy trật bánh đổ tàu - Các kết có cần kiểm nghiệm thực tế để vận dụng vào trình thiết kế sản xuất Toa xe - Chúng em xin chân thành cám ơn thầy giáo NGUYỄN BÁ NGHỊ tận tình giúp đỡ chúng em để chúng em hoàn thành nghin cứu khoa học -Tuy cố gắng nghin cứu tránh sai sót chúng em mong thầy dẫn thêm để nghin cứu chúng em hoàn thiện Sinh viên thực Trần văn Đoàn 25 Trường đại học giao thơng vận tải Nguyễn Hóa 26 ... tốn động học động lực học tiêu chí có tính định chất lượng an toàn vận hành Đầu máy – Toa xe - thông số đặc trưng q trình dao động như: Biên độ gia tốc dao động; Tần số dao động; Phương tác động. .. tiếp xúc bánh xe đường ray Đưa tiêu an toàn độ êm dịu Toa xe vận hành, phân tích hình thái gây trật bánh Toa xe vận hành - Thành lập phương trình động lực học mơ tả chuyển động toa xe Sử dụng phần... số toa xe gồm :…………………………………….14 2 )Phân tích lực…………………………………………………15 3)Các yếu mấp mô tố đường ray …………………………… 4 )Vi? ??t phương trình newton-ơle…………………………… 16 5) phương trình vi phân chuyển động