Nghiên cứu an toàn chống trật ray của đoàn tàu đường sắt đô thị cấp trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY CỦA ĐOÀN TÀU ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Mã số : T2017-CK-28 Chủ nhiệm : TS Mai Văn Thắm Thời gian thực : Từ 01/01 đến 30/12 năm 2017 Ngày viết báo cáo : 01/12/2017 Hà Nội - 2017 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƢỚC 1.1 TỔNG QUAN VỀ AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY TRÊN THẾ GIỚI 1.1.1 Tiêu chuẩn đánh giá trật ray 1.1.2 Nghiên cứu hệ số giảm tải 11 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU AN TỒN CHỐNG TRẬT RAY Ở VIỆT NAM 13 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU KẾT CẤU ĐOÀN TÀU ĐƢỜNG SẮT ĐƠ THỊ VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY ĐOÀN TÀU 20 2.1 NGHIÊN CỨU KẾT CẤU ĐỒN TÀU ĐƢỜNG SẮT ĐƠ THỊ 20 2.1.1 Bộ phận chạy toa xe đường sắt đô thị 20 2.1.2 Hệ thống hãm giá chuyển phương tiện đường sắt thị 25 2.2 CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH CỦA ĐỒN TÀU ĐƢỜNG SẮT ĐƠ THỊ VÀ ĐƢỜNG RAY 29 2.2.1 Kết cấu thông số đồn tàu đường sắt thị giới 29 2.2.2 Kết cấu thơng số đồn tàu đường sắt đô thị dự án Việt Nam 31 2.3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY ĐOÀN TÀU 35 2.3.1 Mơ hình động lực học đồn tàu đường sắt thị 35 2.3.2 Hệ phương trình động lực đường ray toa xe 45 2.4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 3D ĐỒN TÀU ĐƢỜNG SẮT ĐƠ THỊ 49 CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH AN TỒN CHỐNG TRẬT RAY CỦA ĐỒN TÀU ĐƢỜNG SẮT ĐƠ THỊ 55 3.1 PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY ĐOÀN TÀU 55 3.1.1 Hệ số an toàn chống trật ray 55 3.1.2 Hệ số giảm tải bánh xe 57 3.2 TÍNH TỐN CÁC LỰC CHÍNH TÁC DỤNG LÊN ĐỒN TÀU ĐƢỜNG SẮT ĐƠ THỊ TRONG Q TRÌNH ĐỒN TÀU CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƢỜNG CONG 58 3.2.1 Xác định tải trọng phân bổ lên bánh xe 58 3.2.3 Xác định lực dẫn hướng thông qua đường cong 59 3.2.4 Xác định hệ số giảm tải bánh xe đoàn tàu ĐSĐT 60 3.2.5 Xác định lực tiếp tuyến với vành bánh xe 61 3.3 TÍNH TỐN, ĐÁNH GIÁ AN TỒN CHỐNG TRẬT RAY ĐỒN TÀU ĐƯỜNG SẮT ĐƠ THỊ 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Danh mục tuyến phê duyệt Hà Nội 14 Bảng 1.2 Quy hoạch phê duyệt 12/2009 (5745/QĐ-UBND) 17 Bảng 2.1 Đoàn tàu đường sắt đô thị số thành phố giới 30 Bảng 2.2: Năng lực vận tải hành khách tuyến Cát Linh – Hà Đông 31 Bảng 2.3 Trọng lượng đoàn tàu Cát Linh – Hà Đông 32 Bảng 2.4 Các dao động tự toa xe ĐSĐT 38 Bảng 3.1 Bảng giá trị lớn tiêu động lực học toa xe đường sắt đô thị thơng qua đường cong bán kính 300m 64 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đồn tàu Metro trật ray Valencia Tây Ban Nha năm 2006 Hình 1.2 Đồn tàu Metro trật ray Paris Pháp năm 2015 Hình 1.3 Lực tác dụng ray bánh xe bánh xe bắt đầu leo lên nấm ray Hình 1.4 Mơ hình trục bánh xe đơn dùng tính tốn hệ số an tồn chống trật ray Nhật Bản Hình 1.5 Giả định đường cong lực ngang trục bánh xe đơn Nhật Bản Hình 1.6 Mối quan hệ tỷ số Y/Q lượng dịch chuyển lên bánh xe Hình 1.7 Quan hệ góc xung kích f w hệ số tính tốn, thí nghiệm Y/Q ray Hình 1.8 Quan hệ góc xung kích f w hệ số tính tốn, thí nghiệm Y/Q ray cũ Hình 1.9 Tiêu chuẩn đánh giá trật ray Nhật Bản JNR Hình 1.10 Quan hệ lượng dịch chuyển thẳng đứng Z với thời gian tác dụng hệ số trật ray tc 10 Hình 1.11 Lực ngang F mô men M tác dụng lên trục bánh 12 Hình 1.12 Hệ thống đường sắt đô thị Hà Nội 14 Hình 1.13 Đồn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đơng 16 Hình 1.14 Hệ thống đường sắt thị thành phố Hồ Chí Minh 17 Hình 1.15 Sơ đồ tuyến đường sắt số 18 Hình 1.16 Đồn tàu đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên 18 Hình 1.17 Sơ đồ tuyến đường sắt số 19 Hình 2.1 Truyền động gối trục vấu 21 Hình 2.2 Truyền động trục rỗng - mô tơ ngang 22 Hình 2.3 Kết cấu yên ngựa, hai trục dẫn động dọc 23 Hình 2.4 Truyền động dọc - hai trục đàn hồi 24 Hình 2.5 Dẫn động dọc - trục chéo góc 24 Hình 2.6 Mơtơ điện kéo đặt bệ xe 25 Hình 2.7 Trang trí hãm đơn ngun 26 Hình 2.8 Trang trí hãm đĩa KNOOR 27 Hình 2.9 Hãm đĩa trục xe 28 Hình 2.10 Hãm đĩa bánh xe 29 Hình 2.11 Thành lập đồn tàu Cát Linh – Hà Đông 31 Hình 2.12 Kết cấu tổng thể toa xe động lực M 32 Hình 2.13 Kết cấu tổng thể toa kéo có buồng lái Tc 33 Hình 2.14 Kết cấu tổng thể giá chuyển hướng toa xe động lực M 34 Hình 2.15 Kết cấu tổng thể giá chuyển hướng toa kéo có buồng lái Tc 35 Hình 2.16 Mơ hình tính tốn dao động thẳng đứng toa xe ĐSĐT 36 Hình 2.17 Mơ hình tính tốn dao động nằm ngang toa xe ĐSĐT 37 Hình 2.18 Mơ hình dao động mặt cắt đứng toa xe ĐSĐT 37 Hình 2.19 Các lực tác dụng lên trục bánh thứ 39 Hình 2.20 Các lực tác dụng lên giá khung chuyển hướng trước 40 Hình 2.21: Các lực tác dụng lên thân toa xe 40 Hình 2.22: Mơ mơ hình bánh xe toa xe ĐSĐT 52 Hình 2.23: Mơ mơ hình giá chuyển hướng toa xe ĐSĐT 53 Hình 2.24: Mơ hình toa xe ĐSĐT 53 Hình 2.25: Mơ hình 3D tính tốn động lực học toa xe ĐSĐT 54 Hình 3.1 Phân tích lực để xác định tiêu an toàn chống trật ray theo Boedecker – Nadal 55 Hình 3.2 Lực thẳng đứng phân bổ lên bánh xe 58 Hình 3.3 Lực dẫn hướng trục bánh bên trái 59 Hình 3.4 Lực dẫn hướng trục bánh bên phải 60 Hình 3.5 Hệ số giảm tải bánh xe bên trái 61 Hình 3.6 Hệ số giảm tải bánh xe bên phải 61 Hình 3.7 Lực tiếp tuyến với bánh xe bên trái 62 Hình 3.8 Lực tiếp tuyến với bánh xe bên phải 62 Hình 3.9 Hệ số an tồn chống trật ray bánh xe bên trái 63 Hình 3.10 Hệ số an tồn chống trật ray bánh xe bên phải 64 MỞ ĐẦU An tồn vận hành đồn tàu ln vấn đề doanh nghiệp vận tải đường sắt đặc biệt quan tâm, vấn đề an tồn chống trật ray đưa lên hàng đầu nhằm đảm bảo an toàn vận hành, tránh cố trật ray, tránh thiệt hại tính mạng người tài sản, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khai thác vận hành đường sắt, tạo tâm lý bất an cho hành khách tàu Theo Quy hoạch giao thông thủ Hà Nội đến năm 2030 tầm nhìn đến năm 2050 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quyết định số 519/QĐ-TTg ngày 31/3/2016 có mạng lưới đường sắt thị gồm có có tuyến Đối với thành phố Hồ Chí Minh, Quyết định số 568/QĐ-TTg ngày 8/4/2013 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Điều chỉnh Quy hoạch phát triển GTVT TP Hồ Chí Minh đến năm 2020 tầm nhìn sau năm 2020, theo xây dựng 08 tuyến đường sắt thị xuyên tâm vành khuyên nối trung tâm thành phố Cho đến Tp Hà nội xây dựng 02 tuyến đường sắt đô thị, tuyến Cát Linh - Hà Đông dự kiến đến năm 2018 đưa vào khai thác, tuyến Nhổn - Ga Hà nội dự kiến năm 2021 đưa vào hoạt động Thành phố Hồ Chí Minh xây dựng 02 tuyến đường sắt đô thị, tuyến Bến Thành - Suối Tiên dự kiến năm 2020 đưa vào khai thác, tuyến Bến Thành - Tham Lương dự kiến năm 2020 đưa vào hoạt động Đường sắt đô thị giới xảy nhiều cố trật ray, ví dụ số vụ điển tháng năm 2006 Valencia Tây Ban Nha đoàn tàu Metro trật ray nguyên nhân tốc độ thông qua đường cong 80/40 km/h, hậu làm 45 người tử vong 131 người bị thương; Năm 2014 đoàn tàu đường sắt đô thị trật ray Moscow thủ đô nước Nga, nguyên nhân lỗi quản lý, kỹ thuật bảo dưỡng, sửa chữa đường, cố làm 24 người thiệt mạng 160 người bị thương; Năm 2009 đoàn tàu Metro trật ray Washington Mỹ, nguyên nhân xác định lỗi điều khiển ghi, lái tàu không nhận biết hậu làm người tử vong, 25 người bị thương Do đề tài "Nghiên cứu an toàn chống trật ray đoàn tàu đường sắt thị" cần thiết, có tính thực tiễn cao, kết nghiên cứu đề tài tài liệu tham khảo hữu ích cho tuyến đường sắt đô thị Việt Nam, đồng thời qua khai thác an tồn có hiệu tuyến đường sắt đô thị Việt Nam NHÓM NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƢỚC 1.1 TỔNG QUAN VỀ AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY TRÊN THẾ GIỚI Cho đến kỷ 20 hiểu biết nguyên lý vận động bánh xe ray chưa đầy đủ nên cố trật ray xảy thường xuyên, ảnh hưởng nghiêm trọng đến phát triển ngành đường sắt Trên giới cố trật ray nghiêm trọng đường sắt đô thị xảy phải kể đến là: tháng năm 2006 Valencia Tây Ban Nha đoàn tàu Metro trật ray nguyên nhân tốc độ thông qua đường cong 80/40 km/h, hậu làm 45 người tử vong 131 người bị thương; Năm 2014 đoàn tàu đường sắt đô thị trật ray Moscow thủ đô nước Nga, nguyên nhân lỗi quản lý, kỹ thuật bảo dưỡng, sửa chữa đường, cố làm 24 người thiệt mạng 160 người bị thương; Năm 2009 đoàn tàu Metro trật ray Washington Mỹ, nguyên nhân xác định lỗi điều khiển ghi, lái tàu không nhận biết hậu làm người tử vong, 25 người bị thương; Năm 2015 Paris thủ nước Pháp đồn tàu đường sắt thị trật ray lỗi bảo dưỡng sửa chữa đường, khổ đường bị nới rộng, may cố khơng có thiệt hại người; Năm 2016 thành phố Melbourne Úc đoàn tàu Metro trật bánh, nguyên nhân hệ thống bôi trơn gờ bánh bị hỏng, biên dạng bánh xe sai lệch, cố không gây thiệt hại người Một số hình ảnh trật ray đường sắt thị hình 1.1 hình 1.2 Hình 1.1 Đồn tàu Metro trật ray Valencia Tây Ban Nha năm 2006 Hình 1.2 Đồn tàu Metro trật ray Paris Pháp năm 2015 Trong động lực học đoàn tàu, quan hệ tương hỗ ray bánh xe phức tạp mang tính định nghiên cứu tượng trật ray Cho đến nay, quy luật trật ray chưa có lời giải triệt, chưa có phương pháp phán đốn xác đồn tàu có trật ray hay không Thông thường, người ta sử dụng tiêu đánh giá an toàn chống trật ray đoàn tàu để đánh giá an tồn chống trật ray tìm cách tăng cường độ an toàn chống trật ray Trật ray đồn tàu làm thiệt hại lớn tính mạng người tài sản Các nhà khoa học giới nghiên cứu vấn đề trật ray đoàn tàu 100 năm nay, tính phức tạp vấn đề khó khăn việc nghiên cứu trật ray đoàn tàu nên thực tế nguyên nhân gây trật ray đoàn tàu chưa xác định rõ ràng, chí tiêu chuẩn đánh giá an tồn chống trật ray đồn tàu cịn tồn số vấn đề Trên thực tế, vấn đề trật ray đoàn tàu vấn đề phức tạp động lực học đoàn tàu, kết lực tác dụng tương hỗ động đoàn tàu đường ray Đối với nghiên cứu vấn đề trật ray đoàn tàu từ trước đến đề tài nóng nghiên cứu hệ thống vận hành đường sắt, lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp nhiều môn khoa học bao gồm động lực học kết cấu, lý thuyết ổn định vận động, lý thuyết ổn định kết cấu, động lực học phương tiện, động lực học đường sắt, cơng trình cầu học, lý thuyết tác dụng tương hỗ bánh xe ray, phương pháp tính tốn số học nhiều môn khoa học khác 1.1.1 Tiêu chuẩn đánh giá trật ray Nước chủ yếu sử dụng hệ số an toàn chống trật ray Y/Q làm tiêu chuẩn đánh giá trật ray, Y lực dẫn hướng, Q lực thẳng đứng đè lên bánh xe Nhật Bản Trung Quốc việc sử dụng hệ số Y/Q sử dụng hệ số giảm tải bánh xe Q / Q0 làm tiêu bổ trợ cho việc đánh giá trật ray, Q lượng giảm tải bánh xe, Q0 là tải trọng bình quân bánh xe bên trái bên phải Các nước dựa vào đặc trưng đường sắt mình, kết nghiên cứu, thực nghiệm mà sử dụng tiêu chuẩn đánh giá trật ray không giống Việc nghiên cứu trật ray đoàn tàu tiến hành từ sớm, vào cuối kỷ 19 Năm 1896, nhà khoa học người Pháp Nadal [1] dựa vào tượng xu bánh xe leo lên nấm ray để đưa điều kiện cân lực tĩnh hình 1.3, bánh xe ray tiếp xúc điểm, dựa vào mối quan hệ lực: lực pháp tuyến N, lực ma sát tiếp tuyến T, lực ngang bánh xe ray Y lực thẳng đứng Q, Nadal đưa cơng thức tính hệ số an tồn chống trật ray Y/Q sau: Y tg     Q  tg  (1.1) Trong đó: μ hệ số ma sát mặt tiếp xúc bánh xe ray, β góc tiếp xúc bánh xe ray Hình 1.3 Lực tác dụng ray bánh xe bánh xe bắt đầu leo lên nấm ray Hình 1.4 Mơ hình trục bánh xe đơn dùng tính tốn hệ số an tồn chống trật ray Nhật Bản Công thức (1.1) bắt đầu trở thành tiêu chuẩn đánh giá an toàn chống trật ray Từ sau quốc gia giới dựa vào hệ số Y/Q để tiến hành thí nghiệm đặt nhiều trị số đánh giá khác Nhật Bản sử dụng trị số góc tiếp xúc gờ lắc đầu, dao động lăn ngang thân toa xe ĐSĐT khung giá chuyển hướng; dao động nằm ngang, dao động thẳng đứng, dao động lắc đầu, dao động lăn ngang, dao động quay trục bánh Tồn mơ hình động lực học toa xe ĐSĐT hình 2.25 đây: Hình 2.25: Mơ hình 3D tính tốn động lực học toa xe ĐSĐT 54 CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH AN TỒN CHỐNG TRẬT RAY CỦA ĐỒN TÀU ĐƢỜNG SẮT ĐƠ THỊ 3.1 PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TỒN CHỐNG TRẬT RAY ĐỒN TÀU Trật ray an tồn chống trật ray toán rộng, liên quan đến nhiều yếu tố Để đánh giá an toàn chống trật ray giới nước áp dụng chi tiêu đánh giá trật ray không giống nhau, lại có số phương pháp đánh giá an toàn chống trật ray truyền thống sau: 3.1.1 Hệ số an toàn chống trật ray Cơng thức xác định tiêu an tồn chống trật ray biết đến sớm công thức hai tác giả người Đức Boedecker Nadal đề xuất Trong sách “Bộ phận chạy” đầu máy toa xe, Giáo sư người Đức Trường Đại học giao thông Dresden W.Hanneforth W.Fischer giới thiệu lại công thức Ý tưởng chủ yếu phương pháp Boedecker – Nadal để nguy an tồn trật ray khơng xảy tổng lực thành phần phương thẳng đứng phân lực tạo lực dẫn hướng phương nằm ngang phải nhỏ tải trọng thẳng đứng Q1 phân bổ lên bánh xe Hình 3.1 Phân tích lực để xác định tiêu an toàn chống trật ray theo Boedecker – Nadal Như hình 3.1 thấy rằng, lực dẫn hướng Y xuất thông qua đường cong phân thành hai lực thành phần lực pháp tuyến SY nằm mặt phẳng trực hướng lực tiếp tuyến TY nằm mặt phẳng tiếp xúc gờ bánh xe má ray Tiếp lực SY TY lại phân chia thành lực thành phần phương nằm 55 ngang phương thẳng đứng Điều kiện để nguy trật ray không xảy phải đảm bảo: Q1 > FSYZ + FTYZ Căn vào quan hệ lực hình 3.1 với việc đưa thêm vào lực ma sát bề mặt tiếp xúc, cuối Boedecker Nadal đưa công thức xác định tiêu an tồn chống trật ray sau: Trong đó: Y- Lực tác dụng lên gờ bánh phương nằm ngang; Q1- Tải trọng thẳng đứng phân bố lên bánh xe; β- Góc tiếp xúc gờ bánh má ray; μ- Hệ số ma sát ray bánh xe Hiện ngành đường sắt Việt Nam sử dụng QC 18:2011/BGTVT Quy chuẩn Quốc gia kiểm tra, nghiệm thu toa xe sản xuất, lắp ráp nhập Trong quy chuẩn quy định tiêu an toàn chống trật ray sau: - Đối với Toa xe khách, hệ số trật ray : Y £ 0,8 Q - Đối với Toa xe hàng, hệ số trật ray : Đối với đường sắt thị có Tiêu chuẩn TCVN 9273:2012 phương tiện đường sắt đô thị khổ đường 1435mm - Yêu cầu kỹ thuật phương pháp thử; Trong tiêu chuẩn quy định động lực học toa xe bao gồm: Hệ số an toàn chống trật ray có hai giới hạn: - Hệ số trật ray giới hạn: - Hệ số trật ray an toàn: Y £ 1, Q Y £ 0,8 Q Theo tiêu chuẩn tổ chức Liên hiệp đường sắt quốc tế UIC Code 518 kiểm tra tính động lực học phương tiện, quy định hệ số an toàn chống trật ray sau: - Hệ số trật ray an toàn: Y £ 0,8 Q Theo tiêu chuẩn Cơ quan đường sắt Châu Âu EN 14363:2005 sửa đổi lần thứ vào tháng 12 năm 2014 Kiểm tra tính vận dụng phương tiện đường sắt quy định hệ số an toàn chống trật ray sau: 56 - Hệ số trật ray an toàn: Y £ 0,8 Q Đường sắt Trung Quốc áp dụng tiêu chuẩn quốc gia GB5599-85 “Quy phạm đánh giá kiểm nghiệm tính động lực học phương tiện đường sắt” qui định tiêu an toàn chống trật ray với hai giới hạn, tài liệu dẫn ký thuật Trung Quốc cịn rõ chọn μ 0,24 đo đạc thực nghiệm xác định lực nằm ngang thẳng đứng tác dụng lên gờ bánh xe số 1, tức bánh xe phía ngồi đường cong, cơng thức tiêu an tồn chống trật ray đường sắt Trung quốc áp dụng sau: - Hệ số trật ray giới hạn: Y £ 1, Q - Hệ số trật ray an toàn: Y £ 1, Q 3.1.2 Hệ số giảm tải bánh xe Qua cơng thức xác định tiêu an tồn chống trật ray, thấy trị số tải trọng Q phân bổ lên trục bánh phân bổ lên bánh xe lớn tính an tồn chống trật ray dễ đảm bảo Trong thực tế vận hành lý lực động phát sinh trình dao động; giảm tải bánh xe phía ngồi đường cong thừa siêu cao lực phân bổ chênh lệch qua vùng đường lồi lõm cục không phía mặt ray, qua mối nối ray mũi ghi, dẫn tới giảm tải bánh xe đầu máy toa xe, phá vỡ điều kiện an tồn chống trật ray Trên giới có Nhật Bản, Trung Quốc nước Châu Âu việc sử dụng hệ số Y/Q sử dụng hệ số giảm tải bánh xe Q / Q0 làm tiêu bổ trợ cho việc đánh giá trật ray Theo tiêu chuẩn EN 14363:2005 quy định trường hợp đoàn tàu vận hành với tốc độ thấp đường cong có bán kính nhỏ, tải trọng bánh xe bên trái bên phải chênh lệch lớn, tức lực tác dụng ngang trục bánh xe tương đối nhỏ có nhiều nguy trật ray Khi dùng thêm hệ số giảm tải bánh xe để đánh giá độ an toàn vận hành: - Hệ số giảm tải bánh xe giới hạn: DQ £ 0, Q0 Theo tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc GB5599 85 Quy phạm đánh giá kiểm nghiệm tính động lực học phương tiện đường sắt quy định hệ số giảm tải bánh xe: 57 - Hệ số giảm tải bánh xe giới hạn: - Hệ số giảm tải bánh xe an toàn: DQ £ 0, 65 Q0 DQ £ 0, Q0 3.2 TÍNH TỐN CÁC LỰC CHÍNH TÁC DỤNG LÊN ĐỒN TÀU ĐƢỜNG SẮT ĐƠ THỊ TRONG Q TRÌNH ĐỒN TÀU CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƢỜNG CONG Khi phân tích tính tốn động q trình đồn tàu thơng qua đường cong tính tốn đồn tàu đường thẳng sau vào đường cong hồ hỗn vào đoạn cong, sau đường cong hồ hỗn, cuối đường thẳng Thông qua khảo sát thông số tuyến đường, đề tài khảo sát đoạn đường cong sau: Bán kính đường Chiều dài đường Chiều dài đoạn Độ siêu Tốc độ cong [m] cong hồ hỗn [m] cong [m] cao [m] [km/h] 300 90 200 80 60 Sử dụng phần mềm Simpack tiến hành tiêu đánh giá an tồn thơng qua dồn tàu gồm lực dẫn hướng, tỷ số giảm tải bánh xe, hệ số an toàn chống trật ray hệ số ổn định chống lật Kết khảo sát thể sau: 3.2.1 Xác định tải tr ng phân b lên bánh xe Tải trọng phân bổ lên bánh xe toa xe đường sắt đô thị loại B Trung Quốc thơng qua bán kính đường cong 300m thể hình 3.2 Hình 3.2 Lực thẳng đứng phân bổ lên bánh xe 58 Nhìn vào hình 3.2 quy luật biến đổi tải trọng phân bổ lên bánh xe bắt đầu tăng lên toa xe bắt đầu vào đoạn đường cong hồ hỗn, trị số lực thẳng đứng đạt lớn toa xe vào đoạn đường cong đoạn đường cong hồ hỗn, trị số lớn đạt 85,387 kN, sau trị số giảm dần đoạn thẳng 3.2.3 Xác định lực dẫn hƣớng thông qua đƣờng cong Lực dẫn hướng toa xe đường sắt đô thị loại B thơng qua đường cong bán kính 300m bánh xe bên trái hình 3.3, bánh xe bên phải hình 3.4 Hình 3.3 Lực dẫn hướng trục bánh bên trái Lực dẫn hướng trục thứ phía bên trái (phía bên ray ngồi) ln có giá trị lớn nhất, quy luật biến đổi hình 3.3, trị số lớn đạt đoạn cong, trị số 30,325 kN 59 Hình 3.4 Lực dẫn hướng trục bánh bên phải Nhìn vào hình 3.4 quy luật biến đổi toa xe chạy đường thẳng trị số lực nhỏ, tăng dần toa xe vào đoạn đường cong hoà hoãn, trị số đạt lớn tương đối toa xe vào đoạn cong, trị số bắt đầu giảm dẫn đoạn đường cong hồ hỗn đoạn thẳng 3.2.4 Xác định hệ số giảm tải bánh xe đo n t u ĐSĐT Hệ số giảm tải bánh xe toa xe đường sắt đô thị loại B thơng qua đường cong bán kính 300m thể hình 3.5 hình 3.6 60 Hình 3.5 Hệ số giảm tải bánh xe bên trái Trị số lớn hệ số giảm tải bánh xe bên trái 0,43 bánh xe bên trái trục bánh số 1, trị số bé 0,15 trục bánh số Hình 3.6 Hệ số giảm tải bánh xe bên phải Trị số lớn hệ số giảm tải bánh xe bên phải 0,42 bánh xe bên phải trục bánh số 1, trị số bé 0,16 bánh xe bên phải trục bánh số 3.2.5 Xác định lực tiếp tuyến với vành bánh xe Lực tiếp tuyến với vành bánh toa xe đường sắt đô thị thông qua đường cong bán kính 300m thể hình 3.7 hình 3.8 61 Hình 3.7 Lực tiếp tuyến với bánh xe bên trái Hình 3.8 Lực tiếp tuyến với bánh xe bên phải Quy luật biến đổi lực tiếp tuyến với bánh xe bên trái bên phải toa xe vào đoạn cong có giá trị lớn nhất, toa xe vào đoạn đường cong hồ hỗn trị số lực tiếp tuyến tăng dần giảm dần toa xe đoạn đường cong hồ hỗn, trị số nhỏ toa xe đoạn đường thẳng 62 3.3 TÍNH TỐN, ĐÁNH GIÁ AN TỒN CHỐNG TRẬT RAY ĐỒN TÀU ĐƢỜNG SẮT ĐƠ THỊ Phần mềm Simpack tính tốn hệ số an toàn chống trật ray toa xe đường sắt đô thị loại B vào đường cong bán kính 300m, kết qủa thể hình 3.9 hình 3.10 Hình 3.9 Hệ số an tồn chống trật ray bánh xe bên trái Hệ số an toàn chống trật ray bánh xe bên trái trục bánh số có trị số lớn đạt 0,397, trị số nhỏ trục bánh số Quy luật biến đổi tương tự lực dẫn hướng 63 Hình 3.10 Hệ số an tồn chống trật ray bánh xe bên phải Hệ số an toàn chống trật ray bánh xe bên phải có quy luật biến đổi tương tự lực dẫn hướng bánh xe bên phải, trị số lớn trục bánh số trị số nhỏ trục bánh số Sau khảo sát, tính toán tiêu động lực học toa xe đường sắt thị thơng qua đường cong bán kính 300m, giá trị lớn thể bảng 3.1 Bảng 3.1 Bảng giá trị lớn tiêu động lực học toa xe đường sắt thị thơng qua đường cong bán kính 300m Lực dẫn hướng (kN) Lực thẳng đứng (kN) Lực tiếp xúc (kN) Hệ số giảm tải bánh Hệ số chống trật ray 30,325 85,387 17,539 0,43 0,397 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Nội dung đề tài tổng quan tình hình nghiên cứu an tồn chống trật ray giới nước; Đề tài tiến hành nghiên cứu kết cấu đoàn tàu đường sắt đô thị, nghiên cứu thông số kỹ thuật đồn tàu đường ray Đề tài xây dựng mơ hình nghiên cứu an tồn chống trật ray đồn tàu; Nghiên cứu phần mềm mơ Simpack ứng dụng xây dựng mơ hình mơ 3D đồn tàu đường sắt thị Đề tài tính tốn, phân tích an tồn chống trật ray cho đồn tàu đường sắt thị chuyển động đường cong; Sau tính tốn đề tài tiến hành đánh giá an toàn chống trật ray đoàn tàu đường sắt đô thị KIẾN NGHỊ Việc nghiên cứu an toàn chống trật ray đoàn tàu nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu để tìm phương pháp tối ưu nhằm hạn chế cố trật ray đồn tàu Qua nghiên cứu, nhóm nghiên cứu mạnh dạn kiến nghị số hướng cần nghiên cứu an toàn chống trật ray sau: - Nghiên cứu tối ưu hóa thơng số kỹ thuật đầu máy, toa xe để phòng ngừa cố trật ray - Nghiên cứu trật ray đồn tàu tác dụng tải trọng gió lớn động đất - Nghiên cứu trật ray đoàn tàu tác dụng lực hãm - Nghiên cứu chế tạo hệ thống cảnh báo trật ray đoàn tàu 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nadal M J Theorie de stalilite des locomotive, part 2, Mouvement de Lacet Annales des Mines, 1890 [2] Gilchrist A O, and Brickle B V A re-examination of the proneness to derailment of a railway wheelset Journal of Mechanical Engineering Science, 1976 [3] Arai S, and Yokose K Simulation of the lateral motion of a two axle railway vehicle in running In the Dynamics of Vehicles on Road and on Railway Tracks, Proceedings IUTAM Symposium, H B Pacejka Ed., Lisse Swets and Zeitlunger B V 1976 [4] Yokose K A theory of the derailment of a wheelset Japanese National Railway Quarterly Report, 1966 [5] Matsudaira T Dynamics of high speed rolling stock Japanese National Railway [6] Technical Research Institute Quarterly Reports, Special Issue, 1963 Koci H H, and Swenson C A Locomotive wheel-rail loading - A systems approach Electromotive Division, General Motors Coporation, Lagrange Illinois, Proceedings of the Heavy Haul Railways Conference, Perth, Western Australia, 1978 [7] 铁道部科学研究院， 济南铁路局 徐州分局南津浦线货物列车脱轨实验报 告 TY－1163 北京：铁道部科学研究院，1997 [8] 铁道部科学研究院， 北京铁路局 大泰线 C63A 货物列车脱轨实验报告 TY －1162 北京：铁道部科学研究院，1997 [9] 铁道部科学研究院 环行线货物列车线段脱轨实验研究报告 TY－1408 北 京：铁道部科学研究院，2000 [10] [11] Weinstock H Wheel climb derailment criteria for evaluation of rail vehicle safety Proceedings of ASME Winter Annual Meeting, 84 and WA/RT-1, 1984 Association of American Railroads Manual of Standards and Recommended Practices, M-1001, Chapter XI, Washington, DC, 1993 [12] Shust W C, Thompson R, and Elkins J A Controlled wheel climb derailment tests using a force measuring wheelset and AAR's track loading vehicle Proceedings of 12th International Wheelset Congress, Qingdao, China, 1998 [13] Matsudaira T three other On the method of preventing the hunting of railway vehicle, particulary of two-axle cars The Winning Paper on the Theory of hunting of bogie car submitted to ORE, 1955 66 [14] Sweet L M, and Karmel A Wheel climb derailment processes and derailment criteria Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Princetion University Final Report, 1983 [15] Sweet L M, Karmel A, and Moy P Wheel climb derailment criteria under steady [16] rolling and dynamic loading conditions Proceedings of 6th IAVSD Symposium on Vehicle System Dynamics, Swets and Zeitlunger Publishers, 1980 Sweet L M, and Karmel A Evaluation of time-duration dependent wheel load criteria for wheel climb derailment ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and control, 1981 [17] Cho H J, Koo J S A numerical study of the derailment caused by collision of a rail vehicle using a virtual testing model Vehicle System Dynamics, 2012,50(1):79-108; [18] Xinbiao X, Xuesong J, Yongquan D, et al Effect of curved track support failure [19] [20] on vehicle derailment Vehicle System Dynamics, 2008,46(11):1029-1059; Wang W, Li G Development of high-speed railway vehicle derailment simulation – Part I: A new wheel/rail contact method using the vehicle/rail coupled model Engineering Failure Analysis, 2012(0):1-16; Wang W, Li G Development of high-speed railway vehicle derailment simulation – Part II: Exploring the derailment mechanism Engineering Failure Analysis, 2012(0):1-19; [21] Zhai W M, Wang K Y Lateral interactions of trains and tracks on small-radius curves: simulation and experiment Vehicle System Dynamics, 2006,44:520530; [22] Miyagaki K, Adachi M, Sato Y Analytical study on effects of form in transition curve Vehicle Systems Dynamic, 2004,41(Suppl):657-666; [23] Zboinski K, Dusza M Development of the method and analysis for non-linear lateral stability of railway vehicles in a curved track Vehicle System Dynamics, 2006,44(SUPPL 1):147-157; [24] Zboinski K, Dusza M Extended study of railway vehicle lateral stability in a curved track Vehicle System Dynamics, 2011,49(5):789-810; [25] Zboinski K, Dusza M Analysis and method of the analysis of nonlinear lateral stability of railway vehicles in curved track Vehicle System Dynamics, 2004,41(Supp):222-231; [26] 翟碗明 车辆－轨道耦合动力学(第三版).北京:科学出版社, 2007 [27] 俞展酞 防脱轨性能的评定.机车电传动 1999,(5):1 一 [28] 陈光雄,鲍维千 缓和曲线上周期性线路不平顺对车辆脱轨的影响 铁道车辆, 2000, 38(4):l 一 67 [29] 曾京,关庆华 铁道车辆运行安全评判的轮对爬轨脱轨准则 交通运输工程学 报, 2007,7(6):1 一 [30] XiaoX., Jin,X ,and Wen Effect of Tangent Track Buekle on Vehicle Derailment Multibody System Dynamies, 2010, 25(l):l 一 41 [31] Xiang,J andZeng, Q.Y Meehanism and Energy Random Analysis of Train Derailment on Railway Bridges International Journal of Struetural Stability and Dynamies, 2009, 9(4):585 一 605 [32] 薛弼一 脱轨机理及试验研究 成都:西南交通大学,1998 [33] Ikemori M, and Sugiyama T A study of track maintenance for derailment due to the interaction between track and vehicles JRR RTRI Quarterly Reports, 1978 [34] 文责 机车车辆性能的实验方法 国外机车车辆, 1984 [35] 铁道部科学研究院 单轮对实物脱轨模拟试验报告 (TY-0716).北京：铁道部 科学研究院, 1993 [36] 张卫华, 薛弼一 单轮对脱轨试验及其理论分析 铁道学报, 1998 [37] TS Nguyễn Hữu Dũng Động lực học đầu máy Diesel Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà nội, 2006 [38] GS.TSKH Lã Ngọc Khuê Các tiêu chí động học & động lực học đầu máy toa xe Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà nội, 2006 [39] GS.TSKH Lã Ngọc Khuê Động lực học vận hành đầu máy toa xe Nhà xuất Bách Khoa Hà nội, 2015 [40] PGS.TS Phạm Văn Ký Cơng trình đường sắt đô thị Nhà xuất giao thông vận tải, Hà nội, 2009 [41] PGS.TS Phạm Văn Ký Động lực học cầu - đường sắt Nhà xuất xây dựng, Hà nội, 2015 [42] PGS.TS Phạm Văn Ký Phân tích kết cấu đường sắt Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà nội, 2015 [43] Lê Hải Hà Cơng trình đường sắt, tập Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà nội, 2009 [44] Lê Văn Cừ (Chủ biên), TS Lê Hải Hà Kết cấu tầng đường sắt, tập 1-2 Nhà xuất xây dựng, Hà nội, 2013 [45] PGS.TS Lê Văn Doanh Động lực học đoàn tàu nâng cao Tài liệu giảng dạy cao học, Trường Đại học giao thông vận tải, Hà Nội, 2004 [46] PGS.TSKH Nguyễn Hữu Hà Điều khiển chạy tàu đường sắt Bài giảng, Trường Đại học giao thông vận tải, Hà nội, 2004 68