Báo cáo khoa học: "đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển h-ớng đầu máy D9E trên cơ sở ph-ơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi" ppt

đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hớng đầu máy D9E trên cơ sở phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi PGS. TS. Đỗ đức tuấn Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng ĐH GTVT PGS. TS. Ngô văn quyết Học viện kỹ thuật quân sự ThS. Phạm lê tiến Trờng Trung học Đờng sắt Tóm tắt: Bi báo giới thiệu phơng pháp nghiên cứu v các kết quả đánh giá độ bền mỏi (hệ số an ton mỏi) của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E đang sử dụng trên đờng sắt Việt Nam trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi. Summary: In this article, the Fatigue Strength of direction frame of locomotives D9E has been determined based on the equation of similar Fatigue failure. The new method of computing and concrete examples are also presented. I. đặt vấn đề Để đánh giá đợc độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của các kết cấu bộ phận chạy đầu máy diezel nói chung và xe đầu máy D9E nói riêng nh khung giá chuyển hớng, bộ trục bánh xe, cần sử dụng kết quả xác định các đặc trng mỏi của mẫu vật liệu. Các kết quả này đã đợc trình bày trong [2]. Từ các kết quả đó đã tiến hành đánh giá độ bền mỏi (hệ số an toàn mỏi) của trục bánh xe đầu máy D9E đang sử dụng trên đờng sắt Việt Nam trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối [6]. Trong bài báo này trình bày phơng pháp nghiên cứu và các kết quả đánh giá độ bền mỏi (hệ số an toàn mỏi) của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối. II. Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hớng đầu máy D9E theo phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối 2.1. Cơ sở lý thuyết tính hệ số an toàn Khung giá chuyển hớng đầu máy D9E vừa chịu mô men xoắn, vừa chịu mô men uốn và lực dọc xà nên ứng suất tại điểm nguy hiểm của mặt cắt nguy hiểm (D - D) thay đổi theo chu kỳ ứng suất không đối xứng (r - 1) [3] và theo [5] với trờng hợp k / k 1 (k / k <1), ta có: Hệ số an toàn mỏi: ]s[ )]1s)( k k 1(21[ss s.s s 22 ++ = , (1) Hệ số an toàn mỏi thành phần: mma 1 k . s ++ = , (2) mma 1 k . s ++ = , (3) trong đó: + và - Giới hạn bền mỏi khi chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn; 1 1 + và - ứng suất pháp và tiếp trung bình; m m + và - ứng suất pháp và tiếp biên độ; a a + k và k - Hệ số tập trung ứng suất pháp và tiếp thực tế; + và - hệ số ảnh hởng kích thớc; + , , và - hệ số ảnh hởng của vật liệu. 2.2. Phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối Dạng tổng quát của phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối [1] += s s. p u 'b ghmax 10'aSS , (4) trong đó: + S max - ứng suất lớn nhất tại khâu yếu nhất trong chi tiết máy sẽ gây ra sự phá huỷ ở xác suất P% (ứng suất lớn nhất S max này có thể là ứng suất pháp hoặc ứng suất tiếp); + S gh - Giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N 0 ; + - Hệ số ảnh hởng của kích thớc tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của tiết máy; + u p - (còn ký hiệu là z p ) - phân vị với xác suất phá huỷ P%; khi S max S gh thì P (S max S gh ) = 0 + s s - Độ lệch bình phơng trung bình của đại lợng ứng suất S; + a, b là những hằng số mới của vật liệu làm tiết máy, phản ánh đặc trng cấu trúc của vật liệu và điều kiện làm việc thực tế của tiết máy. + - đợc gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên. ý nghĩa của là: mẫu chuẩn của tiết máy thực có hình dạng và kích thớc khác nhau nhng nếu có cùng trị số thì sẽ có cùng một hàm phân phối giới hạn mỏi khi cùng một trạng thái ứng suất. Công thức tính toán chỉ tiêu nh sau [1]: Trờng hợp tiết máy chịu uốn: = ctu mu mu ctu u W.G W.G , (5) Trờng hợp tiết máy chịu xoắn: = ctx mx mx ctx x W.G W.G , (6) trong đó: + G mu ; G mx - građien tơng đối của ứng suất chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn trơn; + ctu G ; ctx G - građien tơng đối của ứng suất uốn và xoắn cực đại của tiết máy; + W mu ; W mx - mômen chống uốn và xoắn của mẫu chuẩn trơn; + W ctu ; W ctx - mômen chống uốn và xoắn của tiết máy; Chỉ tiêu phụ thuộc vào trạng thái ứng suất (kéo, nén, uốn, xoắn ) cũng nh phụ thuộc vào chính khích thớc của tiết máy. iii. ứng dụng phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối để tính hệ số an ton mỏi cho khung giá chuyển đầu máy D9E Qua cách tính toán độ bền khung giá chuyển đầu máy D9E ở [2], [4] ta chọn mặt cắt D - D trên xà dọc khung giá chuyển là mặt cắt nguy hiểm nhất vì có M u và M x lớn nhất, đợc thể hiện trên hình 1. Đối với xà dọc khung giá chuyển có kết cấu hình hộp rỗng và thay đổi kích thớc theo chiều dọc của xà dọc khung giá chuyển vậy có thể xem xét sự đồng dạng về năng lợng và vật chất, trong tính toán mỏi ta có thể coi xà dọc khung giá chuyển có kết cấu trụ bậc rỗng. Vậy tính đợc hệ số an toàn mỏi cho khung giá chuyển theo chỉ tiêu đồng dạng nh sau: Chuyển mặt cắt D - D thành hình vành khăn, giữ nguyên chu vi ngoài và trị số diện tích mặt cắt không đổi, và tính đến sát mặt tiếp xúc có gối đỡ đàn hồi, đợc thể hiện trên hình 2 và bảng 1. H×nh 1. KÕt cÊu khung gi¸ chuyÓn h−íng ®Çu m¸y D9E Hình 2. Hình dạng quy đổi dùng để tính toán theo chỉ tiêu đồng dạng Bảng 1. Kích thớc của mẫu v khung giá chuyển hớng đầu máy D9E Đối tợng D (mm) d (mm) d i (mm) (mm) Mẫu 17 12 0 10 Khung giá chuyển hớng 384 307,1 269,7 50 3.1. Tính chỉ tiêu đồng dạng đốCác công thức tính toán gradien ứng suất tơng i ( ) XG áp dụng tính cho khung giá chuyển hớng theo [1] và đợc thể hiện trong bảng 2. Bảng 2. Công thức gradien ứng suất tơng đối Kích thớc tơng đối Uốn Xoắn d D 1,5 u G = 3,2 + d 2 G x = 15,1 + d 2 d D < 1,5 u G = + )1(3,2 + d 2 G x = 15,1 + d 2 trong đó: = )2 t (4 1 + ; t = 2 dD hỉ tiêu cho khung giá chuyển hớng theo các công thức (5) và (6) đợc cho trong bảng 3. Bảng 3. Trị số chỉ tiêu của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E Mẫu Khung giá chuyển hớng Kết quả tính toán c Trạng thái ứng suất W m ( mm 3 ) G m ( mm -1 ) W ct ( mm 3 ) ct G ( mm ) -1 Uốn 172,8 0,454 1 158 509 0,0565 1,856.10 -5 Xoắn 345,6 0,2816 2 317 018 0,0295 1,562.10 -5 T ( M X ) T ( M X ) M U M U 3.2. Tính hệ số ảnh hởng của kích thớc Từ phơng trình đồng dạng (4) theo [1] có thể tính đợc: += s. p u 'b 10'a += s. p u 'b 10'a Các thông số thành phần đợc xác định thông qua kết quả thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hớng theo [2] đợc cho trong bảng 4. Bảng 4. Kết quả thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hớng đầu máy D9E Giới hạn mỏi Chu trình giới hạn Tỷ số Mẫu vật liệu 1 (kG/cm 2 ) N gh N 0 bu1 / Khung giá chuyển hớng 1800 2.10 6 0,353 - 0,429 Theo [1] ta xác định đợc: = . = . = 0,5 Hệ số ảnh hởng kích thớc tuyệt đối của mặt cắt ngang là tỷ số giới hạn mỏi ở chu kỳ ứng suất tiếp của mẫu có kích thớc bất kỳ và giới hạn mỏi của mẫu chuẩn (d o , h o = 7 ữ 10 mm ). a = a = a = 0,5 ; b = + k ( 1- ) c = 0,2515 ; = 0,5581 c = b 2,0 = 4600 3000 = 0,6522 ; k = b 1 = 0,39 Thay các trị số ta có: b = b = 0,1809 Lấy xác suất phá huỷ p 0 0 = 50 0 0 U p = 0 Vậy hệ số ảnh hởng kích thớc của khung giá chuyển hớng đợc tính nh sau: 'b 'a += 'b 'a += Thay vào công thức kết quả tính đợc cho trong bảng 5. Bảng 5. Hệ số ảnh hởng của kích thớc Đối tợng Khung giá chuyển hớng 0,5697 0,5675 3.3. Xác định hệ số tập trung ứng suất thực tế Hệ số k và k đợc xác định theo hình P.26 và P.27 trong [1]. Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải Số 9 - 12/2004 111 Với: r / d = 50 / 307,1 = 0,16 D / d = 384 / 307,1 = 1,25 Kết quả cho trong bảng 6. Bảng 6. Hệ số tập trung ứng suất thực tế Đối tợng k k Khung giá chuyển hớng 1,52 1,25 3.4. Xác định hệ số ảnh hởng của vật liệu Kết quả thử nghiệm mẫu vật liệu khung giá chuyển hớng đầu máy D9E đối với xà dọc tơng đơng thép đúc mác SC 42 theo JIS G5101[2], [4]. Vậy giá trị hệ số ảnh hởng của vật liệu [1] cho trong bảng 7. Bảng 7. Hệ số ảnh hởng của vật liệu Vật liệu Thép đúc mác SC 42 0,15 0,14 0,1 0,16 3.5. Hệ số an toàn mỏi của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E Xác định giá trị ứng suất trung bình , ứng suất biên độ [5] trên cơ sở từ các kết quả tính toán hệ số động [2] thay vào các công thức (1), (2) và (3) tính đợc hệ số an toàn mỏi thành phần và toàn phần của khung giá chuyển hớng. Kết quả tính toán cho trong bảng 8. Bảng 8. Kết quả tính hệ số an ton mỏi khung giá chuyển hớng ứng suất trung bình (KG/cm 2 ) ứng suất biên độ (KG/cm 2 ) Hệ số an toàn ứng suất pháp Hệ số an toàn ứng suất tiếp Hệ số an toàn mỏi toàn phần m m a a s s s 546 58 114,66 12,18 4,5 8,2 2,8 Theo [1] trang 187 tìm đợc [s] = 1,2 - 1,5. Trong trờng hợp này, khung giá chuyển hớng đầu máy D9E có hệ số an toàn mỏi lớn hơn hệ số an toàn mỏi cho phép. Nh vậy có thể kết luận khung giá chuyển hớng đảm bảo độ bền mỏi. iv. Sử dụng phần mềm tính toán Sử dụng phần mềm MDT 6.0, việc tính toán đợc tiến hành theo ISO(DIN743), nhập số liệu theo trình tự: - Nhập kích thớc; - Nhập đặc trng cơ tính vật liệu; - Nhập tải trọng và ứng suất; - Nhập các yếu tố ảnh hởng tới độ bền. Việc nhập các số liệu đợc minh hoạ nh hình 3 và hình 4. Hình 3. Kích thớc hình học quy đổi dùng để tính toán theo chỉ tiêu đồng dạng Hình 4. Tính toán hệ số an ton mỏi theo phần mềm MDT6.0 Kết quả tính toán độ bền mỏi nh sau: - Sự thay đổi của chu kỳ ứng suất; Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải Số 9 - 12/2004 113 - Dáng điệu của ứng suất lớn nhất, nhỏ nhất và biên độ ứng suất đợc chỉ ra trên hình 4; Hệ số an toàn mỏi tính theo phần mềm MDT 6.0 là: s = 2,677; Hệ số an toàn mỏi tính theo chỉ tiêu là: s = 2,8. Vậy sai số tơng đối của hệ số an toàn mỏi giữa cách tính theo chỉ tiêu và tính theo phần mềm MDT 6.0 là: 044,0 8,2 677,28,2 = = Tức là = 4,4%. Nếu chấp nhận sai số này, thì việc tính toán độ bền mỏi của khung giá chuyển hớng đầu máy theo chỉ tiêu và tính theo phần mềm MDT 6.0 là tơng đơng nhau. v. Kết luận Theo phơng pháp đồng dạng pháp huỷ mỏi có sử dụng kết quả thí nghiệm mỏi của mẫu đã xác định đợc độ bền mỏi có tính đến đặc trng độ nhạy của vật liệu, sự tập trung ứng suất, yếu tố kích thớc nên kết quả tỏ ra chính xác và hợp lý, và có thể tính cho các bộ phận, kết cấu khác trên đầu máy. Qua kết quả nghiên cứu và tính toán thấy rằng độ bền mỏi của vật liệu và kết cấu của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E lớn hơn giới hạn cho phép, điều ấy cho phép có thể tiến hành khôi phục hoặc cải tạo, nâng cấp chất lợng khung giá chuyển hớng để tiếp tục khai thác và sử dụng. Tài liệu tham khảo [1]. Ngô Văn Quyết. Cơ sở lý thuyết mỏi. NXB "Giáo dục". Hà Nội, 2000. [2]. Đỗ Đức Tuấn. Nghiên cứu, thử nghiệm đánh giá độ bền giá xe và giá chuyển hớng đầu máy D9E vận dụng trên đờng sắt Việt Nam. Đề tài NCKH cấp Bộ, mã số B2000 35 - 106TĐ. Hà Nội, 2001. [3]. Ngô Văn Quyết, Trần Xuân Khái. Phơng pháp mới tính độ bền mỏi của bán trục cầu sau ô tô. Tuyển tập Công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VII, 18 - 20/12/2002 - Tập III, Cơ học vật rắn biến dạng, trang 488. NXB "Đại học Quốc gia Hà Nội", 2002. [4]. Đỗ Đức Tuấn. Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi kết cấu khung giá chuyển hớng đầu máy D9E sử dụng trên đờng sắt Việt Nam. Tuyển tập Công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VII, 18 - 20/12/2002. Tập III, Cơ học vật rắn biến dạng, trang 640. NXB "Đại học Quốc gia Hà Nội", 2002. [5]. Phạm Lê Tiến. Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi trục bánh xe đầu máy D9E trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi. Luận án cao học. Hà Nội, 2003. [6]. Đỗ Đức Tuấn, Ngô Văn Quyết, Phạm Lê Tiến. Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi trục bánh xe đầu máy D9E trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi. Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số 7/2004. Hà Nội, 2004 . hớng đầu máy D9E trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối. II. Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hớng đầu máy D9E theo phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối 2.1. Cơ sở. đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hớng đầu máy D9E trên cơ sở phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi PGS. TS. Đỗ đức tuấn Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng ĐH GTVT. của tiết máy. iii. ứng dụng phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối để tính hệ số an ton mỏi cho khung giá chuyển đầu máy D9E Qua cách tính toán độ bền khung giá chuyển đầu máy D9E ở [2],