NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÁNH CÁN REN VÍT ĐỂ LẮP ĐƯỜNG RAY VỚI TÀ VẸT BÊ TÔNG - Full 10 điểm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG Đ ẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÁNH CÁN REN VÍT ĐỂ LẮP ĐƯỜNG RAY VỚI TÀ VẸT BÊ TÔNG NGUY ỄN H ỮU PH ẤN THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 2 L ời cam đ oan Việc nghiên cứu chuyển giao các công nghệ thay thế hàng ngoại nhập sẽ góp phần làm tăng năng lực cạnh tranh của các nhà sản xuất trong nước Dựa trên những yêu cầu thực tiễn về việc đổi mới của ngành đường sắt, luận văn đã chọn hướng nghiên cứu chế tạo các chi tiết vít để lắp đường ray với Tà vẹt Bê tông hiện đang được nhập ngoại nhằm tăng hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của Ngành Mặc dù, đã có cố gắng nhiều trong việc tính toán, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm nhưng nội dung của luận văn còn nhiều thiếu sót và còn nhiều điểm mới cần được đề xuất và trao đổi, thảo luận thêm Tác giả rất mong và trân trọng mọi sự đóng góp, phê bình của các thầy giáo và đồng nghiệp đối với luận văn Em xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau Đại học Trường Đại học KTCN, Ban Giám hiệu và Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Công nghiệp Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật đã hết sức tạo điều khiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo trong Hội đồng bảo vệ Đề cương luận văn Thạc sỹ đã góp ý, chỉnh sửa và phê duyệt đề cương để luận văn của em được hoàn thành với nội dung tốt nhất Đặc biệt, em xin trân trọng cảm ơn PGS TS Trần Vệ Quốc đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cộng tác viên đã giúp đỡ, thảo luận và đề xuất những giải pháp tốt nhất trong quá trình viết luận văn và xây dựng mô hình thiết bị thử nghiệm Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, cổ vũ về tinh thần và vật chất cho bản thân trong suốt quá trình học tập và làm luận văn Em xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của em dưới sự hướng dẫn của PGS TS Trần Vệ Quốc thực hiện trong suốt thời gian làm luận văn HỌC VIÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 3 Nguyễn Hữu Phấn MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1 1 Tính cấp thiết của đề tài 1 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 3 Ý nghĩa của đề tài 2 4 Nội dung nghiên cứu 2 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁN R EN 3 1 1 Đặc điểm của cán ren 3 1 1 1 Đặc điểm của ren cán 3 1 1 2 Các phương pháp cán ren 5 1 Nguyên lí chung của phương pháp cán ren 5 2 Các phương pháp cán ren 6 1 1 3 Dụng cụ cán ren 8 1 1 4 Phương pháp chế tạo vít bắt đường ray với tà vẹ t bê tông dự ứng lực 9 1 2 Giới thiệu phần mềm xây dựng mô hình 3D của bánh cán 9 1 3 Phương pháp tính bền bánh cán 12 1 3 1 Phương pháp phần tử hữu hạn 13 1 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn 13 2 Phương pháp phần tử hữu hạn với biến dạng p hẳng 15 1 3 2 Giới thiệu phần mềm tính bền cho bánh cán 24 1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 24 2 Đặc điểm của phần mềm 25 3 Một số đại lượng cần chú ý 29 1 4 Kết luận chương 1 32 1 4 1 Nhận xét 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 4 1 4 2 Xác định hướng nghiên cứu của đề tài 32 C hương 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BÁNH CÁN REN VÍT LẮP ĐƯỜNG RAY TẦU VỚI TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 34 2 1 Phân tích hình dáng, kích thước ren vít 34 2 2 Thiết kế hình dáng hình học bánh cán 34 2 2 1 Biên dạng xoắn của bánh cán 34 2 2 2 Điều kiện cán v ào 35 2 2 3 Xác định các kích thước cơ bản cúa bánh cán 37 2 2 4 Vật liệu bánh cán 38 2 2 5 Lập bản vẽ chế tạo bánh cán 39 2 3 Xây dựng mô hình 3D của bánh cán ren bằng phần mềm Pro/engineer 40 2 4 Tính bền bánh cán 45 2 4 1 Tính toán lực trên bánh cán 45 2 4 2 Sơ đồ phân bố lực trên bánh cán 46 2 4 3 Sử dụng phần mềm ANSYS tính bền bánh cán 4 7 1 Sơ đồ khối chương trình tính bền bánh cán 4 7 2 Các bước tiến hành 4 7 3 Phân tích trường ứng suất và biến dạng 5 0 2 4 4 Điều kiện bền 60 2 4 5 Xác định đường kính tối thiểu của bánh cán 60 2 5 Chế tạo thử nghiệm bánh cán 6 2 2 5 1 Bản vẽ lồng phôi bánh cán 6 2 2 5 2 Chế tạo thử bánh cán 63 2 5 3 Kết quả kiểm tra bánh cán sau khi chế tạo thử 64 1 Kiểm tra vật liệu bánh cán 64 2 K iểm tra kích thước, sai lệch hình dáng hình học và vị trí tương quan của hai bánh cán 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 5 3 Kiểm tra nhám bề mặt 69 4 Kết quả kiểm tra độ cứng bề mặt ren bánh cán 69 2 6 K ết lu ận ch ươ ng 2 70 Chương 3 CÁN THỬ NGHIỆM REN VÍT 71 3 1 Cán thử ren vít 7 1 3 2 Kết quả kiểm tra sản phẩm vít 71 3 3 Kết luận chương 3 72 KẾT LUẬN CHUNG 73 Kết luận 73 Hướng phát triển của đề tài 74 CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 6 DANH M ỤC CÁC KÍ HI ỆU VÀ CH Ữ VI ẾT T ẮT Ký hiệu Tên các đại lượng Đơn vị P Lực tác dụng của bánh cán lên phôi N T Lực ma sát giữa bánh cán và phôi N  Góc bánh cán ăn phôi độ f Hệ số ma sát của phôi  Góc ma sát độ D Đường kính chân ren bánh cán mm N Số đầu mối ren của bánh cán d Đường kính trung bình của ren cần cán mm T Chiều cao của phần biến dạng ren cán mm R z , R a Thông số đánh giá độ nhám bề mặt  m T cán Nhiệt độ cán 0 C P p Lực cán hướng kính N P t Lực cán tiếp tuyến kính N P pi Lực cán hướng kính tại các đỉnh ren trên bánh cán N P ti Lực cán tiếp tuyến kính tại các đỉnh ren trên bánh cán N x, y Hệ trục chung u, v, w Các thành phần chuyển vị theo các phương x, y, z u i Giá trị u của phần tử thứ i  Đạo hàm riêng của hàm số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 7   e ie N Hàm quan hệ tại nút i e ξ Gia số của 1 điểm tuỳ ý trên phần tử h (e) Chiều dài của phần tử mm ε x , ε y Các thành phần biến dạng dài theo các phương x, y γ xy Thành phần biến dạng dài góc trên mặt phẳng xy z y x    , , Các thành phần ứng suất pháp trong hệ toạ độ xyz [B] Ma trận quan hệ giữa   e  và ε  (e) Diện tích của phần tử e [K]    Lực biến dạng của phần tử   P Phương trình độ cứng của vật thể PTHH (FEM) Phần tử hữu hạn PT Phần tử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 8 DANH M ỤC CÁC B ẢNG BI ỂU TT Bảng số Nội dung Trang 1 1 1 Cơ tính trung bình của các vít với ren được gia công bằng hai phương pháp cán và cắt 3 2 2 1 Thành phần hoá học và tính chất cơ, lý của thép 35 34 3 2 2 Kích thước của then bánh cán 38 4 2 3 Kí hiệu của thép X12M 38 5 2 4 Thành phần hoá học và tính chất cơ, lý của thép X12M 38 6 2 5 Kết quả kiểm tra thành phần hoá học của vật liệu bánh cán 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 9 DANH M ỤC CÁC HÌNH V Ẽ TT Hình số Nội dung Trang 1 1 1 Đặc đ i ểm c ủa ren 4 2 1 2 Công nghệ cán ren 5 3 1 3 Các kiểu dụng cụ cán 5 4 1 4 Nguyên lý cán ren 6 5 1 5 Công nghệ cán ren bằng bàn cán 7 6 1 6 Công nghệ cán ren bằng bánh cán trụ 7 7 1 7 C án ren phôi chuyển động hành tinh 8 8 1 8 Đinh vít bắt đường ra y với tà vẹt bê tông dự ứng lực 1 2 9 1 9 Mô hình tính toán, chế tạo bánh cán 12 10 1 10 Quá trình phân chia các miền và nội suy các hàm quan hệ 1 2 11 1 11 Trạng thái ứng suất và biến dạng của phân tố diện tích phẳ ng trong hệ xoy 1 3 12 1 12 Quan hệ giữa các phần tử theo hai phương 1 9 13 1 13 Phần tử chia 20 14 1 14 Giao diện làm việc của ANSYS 20 15 2 1 Đinh vít bắt đường ray với tà vẹt bê tông dự ứng lực 21 16 2 2 Hướng xoắn của bánh cán 21 17 2 3 Sơ đồ điều kiện cán vào 2 2 18 2 4 Mặt phẳng vẽ và mặt phẳng chuẩn 2 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc-tnu edu vn 10 19 2 5 Sketch biên dạng bánh cán 2 3 20 2 6 Xác định kích thước chiều dài Extrude 2 3 21 2 7 Đường trung bình của ren bánh cán 2 4 22 2 8 Ti ết di ện ren b ánh c án 2 4 23 2 9 T ạo 8 đầu m ối 2 5 2 1 0 Mô hình 3D đường ren trên bánh cán 2 5 24 2 11 Merge các bề mặt ren và bề mặt trụ 2 7 25 2 12 Mô hình 3D sau khi m er ge 2 8 26 2 13 T ạo kh ối Solid (Solid if y) 30 27 2 14 Mô hình 3D bánh cán ren 3 5 28 2 15 Mô hình chịu lực của bánh cán 3 6 29 2 16 Sơ đồ khối phân tích ứng suất và biến dạng của bánh cán 4 4 30 2 17 Xây dựng mô hình 3D của bánh cán 4 7 31 2 18 Mô hình 3D của bánh cán trong ANSYS 4 8 32 2 19 Chọn kiểu phần tử của bánh cán 4 8 33 2 20 Chọn vật liệu của bánh cán 4 9 34 2 21 Chia lưới cấu trúc của bánh cá n 4 9 35 2 22 Biến dạng theo  x (  xmax =0 0137mm) 50 36 2 23 Biến dạng theo y (  ymax =0 00067mm) 50 37 2 24 Biến dạng theo z (  zmax =0 00079mm) 5 1 38 2 25 Biến dạng tổng (  max =0 0137mm) 5 2 39 2 26 Ứng suất pháp  x (  xmax =226 6MPa ) 5 2 40 2 27 Ứng suất pháp  y (  ymax =83 33MPa ) 5 2 41 2 28 Ứng suất pháp  z (  zmax =56 9MPa ) 5 3 42 2 29 Ứng suất tiếp τ xy ( τ xymax =367 25MPa ) 5 3 43 2 30 Ứng suất tiếp τ yz ( τ yzmax =22 85MPa ) 5 4 44 2 31 Ứng suất tiếp τ xz ( τ xzmax =203 73MPa ) 5 4

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÁNH CÁN REN VÍT

ĐỂ LẮP ĐƯỜNG RAY VỚI TÀ VẸT BÊ TÔNG

NGUYỄN HỮU PHẤN

THÁI NGUYÊN - 2009

Lời cam đoan

Việc nghiên cứu chuyển giao các công nghệ thay thế hàng ngoại nhập sẽ góp phần làm tăng năng lực cạnh tranh của các nhà sản xuất trong nước

Dựa trên những yêu cầu thực tiễn về việc đổi mới của ngành đường sắt, luận văn đã chọn hướng nghiên cứu chế tạo các chi tiết vít để lắp đường ray với Tà vẹt

Bê tông hiện đang được nhập ngoại nhằm tăng hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của

Ngành

Mặc dù, đã có cố gắng nhiều trong việc tính toán, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm nhưng nội dung của luận văn còn nhiều thiếu sót và còn nhiều điểm mới cần được đề xuất và trao đổi, thảo luận thêm Tác giả rất mong và trân trọng mọi sự đóng góp, phê bình của các thầy giáo và đồng nghiệp đối với luận văn

Em xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau Đại học Trường Đại học KTCN, Ban Giám hiệu và Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Công nghiệp Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật đã hết sức tạo điều khiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo trong Hội đồng bảo vệ Đề cương luận văn Thạc sỹ đã góp ý, chỉnh sửa và phê duyệt đề cương để luận văn của em được hoàn thành với nội dung tốt nhất

Đặc biệt, em xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Vệ Quốc đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cộng tác viên đã giúp đỡ, thảo luận và đề xuất những giải pháp tốt nhất trong quá trình viết luận văn và xây dựng

mô hình thiết bị thử nghiệm

Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, cổ vũ về tinh thần và vật chất cho bản thân trong suốt quá trình học tập và làm luận văn

Em xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của em dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Vệ Quốc thực hiện trong suốt thời gian làm luận văn

HỌC VIÊN

Nguyễn Hữu Phấn MỤC LỤC

Trang

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁN REN 3

1.1.4 Phương pháp chế tạo vít bắt đường ray với tà vẹt bê tông dự ứng

lực

9

1.2 Giới thiệu phần mềm xây dựng mô hình 3D của bánh cán 9

1.3 Phương pháp tính bền bánh cán 12

2 Phương pháp phần tử hữu hạn với biến dạng phẳng 15 1.3.2 Giới thiệu phần mềm tính bền cho bánh cán 24

1.4.2 Xác định hướng nghiên cứu của đề tài 32

Chương 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BÁNH CÁN REN VÍT LẮP

ĐƯỜNG RAY TẦU VỚI TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC

34

2.1 Phân tích hình dáng, kích thước ren vít 34

2.2 Thiết kế hình dáng hình học bánh cán 34

2.2.3 Xác định các kích thước cơ bản cúa bánh cán 37

2.3 Xây dựng mô hình 3D của bánh cán ren bằng phần mềm

Pro/engineer

40

2.4.3 Sử dụng phần mềm ANSYS tính bền bánh cán 47

1 Sơ đồ khối chương trình tính bền bánh cán 47

2.4.5 Xác định đường kính tối thiểu của bánh cán 60

2.5 Chế tạo thử nghiệm bánh cán 62

2.5.3 Kết quả kiểm tra bánh cán sau khi chế tạo thử 64

2 Kiểm tra kích thước, sai lệch hình dáng hình học và vị trí tương

quan của hai bánh cán

64

3 Kiểm tra nhám bề mặt 69

4 Kết quả kiểm tra độ cứng bề mặt ren bánh cán 69

Chương 3 CÁN THỬ NGHIỆM REN VÍT 71

3.2 Kết quả kiểm tra sản phẩm vít 71

Hướng phát triển của đề tài 74

CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

75

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tên các đại lượng Đơn vị

f Hệ số ma sát của phôi

N Số đầu mối ren của bánh cán

Rz, Ra Thông số đánh giá độ nhám bề mặt m

C

Ppi Lực cán hướng kính tại các đỉnh ren trên bánh cán N

Pti Lực cán tiếp tuyến kính tại các đỉnh ren trên bánh cán N

x, y Hệ trục chung

u, v, w Các thành phần chuyển vị theo các phương x, y, z

ui Giá trị u của phần tử thứ i

 Đạo hàm riêng của hàm số

 e

ie

N Hàm quan hệ tại nút ie

ξ Gia số của 1 điểm tuỳ ý trên phần tử

εx, εy Các thành phần biến dạng dài theo các phương x, y

γxy Thành phần biến dạng dài góc trên mặt phẳng xy

z

y

 , , Các thành phần ứng suất pháp trong hệ toạ độ xyz

[B] Ma trận quan hệ giữa   e và ε

(e) Diện tích của phần tử e

[K]  Lực biến dạng của phần tử

 P Phương trình độ cứng của vật thể

PTHH

(FEM) Phần tử hữu hạn

PT Phần tử

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1 1.1 Cơ tính trung bình của các vít với ren được gia công

bằng hai phương pháp cán và cắt

3

2 2.1 Thành phần hoá học và tính chất cơ, lý của thép 35 34

5 2.4 Thành phần hoá học và tính chất cơ, lý của thép X12M 38

6 2.5 Kết quả kiểm tra thành phần hoá học của vật liệu bánh

cán

64

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

8 1.8 Đinh vít bắt đường ray với tà vẹt bê tông dự ứng lực 12

10 1.10 Quá trình phân chia các miền và nội suy các hàm quan

hệ

12

11 1.11 Trạng thái ứng suất và biến dạng của phân tố diện tích phẳng

trong hệ xoy

13

12 1.12 Quan hệ giữa các phần tử theo hai phương 19

15 2.1 Đinh vít bắt đường ray với tà vẹt bê tông dự ứng lực 21

19 2.5 Sketch biên dạng bánh cán 23

20 2.6 Xác định kích thước chiều dài Extrude 23

2.10 Mô hình 3D đường ren trên bánh cán 25

29 2.16 Sơ đồ khối phân tích ứng suất và biến dạng của bánh cán 44

31 2.18 Mô hình 3D của bánh cán trong ANSYS 48

35 2.22 Biến dạng theo x (xmax =0.0137mm) 50

36 2.23 Biến dạng theo y (ymax =0.00067mm) 50

37 2.24 Biến dạng theo z (zmax =0.00079mm) 51

39 2.26 Ứng suất pháp x (xmax=226.6MPa ) 52

40 2.27 Ứng suất pháp y (ymax=83.33MPa ) 52

41 2.28 Ứng suất pháp z (zmax=56.9MPa ) 53

42 2.29 Ứng suất tiếp τxy(τxymax=367.25MPa ) 53

43 2.30 Ứng suất tiếp τyz (τyzmax=22.85MPa ) 54

44 2.31 Ứng suất tiếp τxz (τxzmax=203.73MPa ) 54