tính toán tốc độ cho phép trong đờng cong của toa xe mới đợc chế tạo tại vùng mỏ quảng ninh TS. nguyễn văn chuyên KS. Mai Văn thắm Bộ môn Đầu máy - Toa xe - ĐH GTVT Tóm tắt: Trong bi báo, tác giả đa ra cách tính bi toán chống trật bánh toa xe trong đờng cong, từ cơ sở tính toán đó, viết chơng trình phần mềm tính toán tốc độ cho phép của toa xe khi thông qua đờng cong. Nội dung bi báo ny, tác giả trình by cụ thể cho toa xe hng mới đợc chế tạo tại vùng mỏ Quảng Ninh. Summary: In this article, the author introduces a method of calculating wagon derailment in bends to write the software program for calculation of probable speed of wagons when going in bends. A detailed calculation for newly built wagons in Quang Ninh deposit is enclosed. I. Đặt vấn đề Vùng mỏ Quảng Ninh đang thiếu rất nhiều toa xe chở than. Từ đầu năm xí nghiệp tuyển than Cửa Ông đã hợp đồng với trung tâm Nghiên cứu Đờng sắt thiết kế loại toa xe này. Đến nay tại vùng mỏ đã chế tạo đợc 20 toa xe, ký hiệu là RV Vấn đề thiết lập các quy trình quy phạm cho toa xe đã là điều bắt buộc, nhất là việc tính tốc độ cho phép cho toa xe trong đờng cong có quan hệ lớn đến an toàn vận hành, vì tại vùng mỏ tuyến đờng sắt rất phức tạp, đờng dốc và đờng cong lẫn lộn. Để tính toán tốc độ cho phép của toa xe tác giả chỉ đi vào một phần nhỏ là nghiên cứu bài toán chống trật bánh toa xe trong đờng cong. II. Thnh lập bi toán chống trật bánh của toa xe Trật bánh do gờ bánh xe trợt trên ray phát sinh từ lực ngang Y ép gờ bánh xe vào má ray, khi lực ma sát của gờ bánh xe vào ray tăng lên cao, làm cho bánh xe nâng dần lên khỏi mặt ray, gờ bánh xe sẽ leo lên chỗ mép cạnh ray lợn cong trên đầu nấm ray, lúc đó lực thẳng đứng của bánh xe xuống ray P 1 không thắng nổi lực ma sát ngang nên không thể ép bánh xe xuống áp sát ray đợc nữa. Theo [1] ta có sơ đồ trên hinh1. Do mặt lăn của bánh ngoài đã rời khỏi ray nên chỉ còn mặt lăn của bánh trong có lực ma sát với mặt đờng. Ta thấy khi tỷ số của lực ngang Y với lực thẳng đứng P 1 càng lớn thì khả năng trật bánh càng nhiều. Vậy để giải quyết bài toán chống trật bánh ta đi tính toán trị số của lực ngang Y và lực thẳng đứng P 1 . cb L Q 1 P Y P cb b Q 2 P P ms Phơng trợ t Hình 1. Sơ đồ nghiên cứu hiện tợng trật bánh do lực dẫn hớng: Y - lực dẫn hớng; P cb - lực thẳng đứng đặt lên một bánh xe kể cả tải; P 1 , P 2 - phản lực của ray tác dụng lên bánh xe ngoi v trong. II.1. Tính lực ngang Y Xét một giá chuyển hớng chạy trên đờng cong. Xét các lực tác dụng lên một toa xe gồm hai giá chuyển hớng, mỗi giá bao gồm hai trục. Ta ký hiệu lực thẳng đứng đè lên một bánh xe kể cả hàng và bì (tải trọng nguyên cả bì) P cb , nh vậy tải trọng của cả toa xe là 8P cb và tải trọng trên một trục xe là 2P cb . Các lực tác dụng vào toa xe bao gồm: lực ly tâm, lực siêu cao, lực gió. Sau đây ta đi tính các lực đó riêng cho thùng xe và giá chuyển hớng: - Lực ly tâm tác dụng vào thùng xe và đặt ở trọng tâm thùng xe: I 1 = 2 2 t 6,3.R.g V.P , KG (1) - Lực siêu cao của thùng xe: H t = P t . 1 p S h , KG (2) - áp lực gió tác dụng lên thùng xe và đặt ở trọng tâm hình học diện tích hứng gió của thùng xe. W t = F t .w , KG (3) Tơng tự ở giá chuyển hớng có lực ly tâm I g , lực siêu cao H g , lực gió W g tác dụng vào. Vậy ta có lực tổng hợp của các lực ngang song song với mặt đờng truyền lên một giá chuyển hớng là H thg đợc tính bằng công thức: H thg = 2 HWI ttt + + I g + W g - H g , KG (4) Khi toa xe chạy trên đờng cong sẽ có hai chuyển động: chuyển động tịnh tiến theo trục của toa xe và chuyển động quay xung quanh một điểm gọi là tâm quay, tâm quay này nằm trên trục dọc của giá chuyển hớng. Nấm ray A F cb P Y N Lợi bánh Vị trí tâm quay phụ thuộc vào cự ly giữa hai trục trong một giá chuyển hớng, bán kính đờng cong, tốc độ toa xe và độ siêu cao. Theo [1] ta có các lực ngang tác dụng lên giá chuyển hớng khi vào đờng cong nh hình 2: F ms2 F ms2 F ms1 F ms1 Y X 1 2 X 2l S 1 l g H thg 2 1 Hình 2. Sơ đồ lực ngang tác dụng lên giá chuyển hớng khi vo đờng cong. Trong hình 2: X 1 - vị trí tâm quay của bánh dẫn; F ms1 , F ms2 - lực ma sát giữa bánh xe và ray do giá chuyển hớng quay quanh tâm quay khi giá chuyển hớng chuyển động trên đờng cong, các lực này hớng thẳng góc với đờng bán kính quay. Lực ma sát đợc xác định bằng công thức: F ms1 = F ms2 = P cb . ms , KG (5) Để tìm vị trí tâm quay X 1 và lực dẫn hớng Y theo [2], ta dùng phơng pháp cộng tác dụng của các lực (phơng pháp cộng lực), phơng pháp này đợc trình bày nh sau: II.1.1. Lực dẫn hớng do lực ngang gây ra Giả sử chỉ có các lực ngang tác dụng lên khung giá chuyển hớng, nó sẽ gây ra các lực dẫn hớng: - ở bánh 1: Y D1 = g gthg l2 l.H = 2 H thg (6) - ở bánh 2: Y D2 = - g gthg l2 l.H = - 2 H thg (7) Hình 3. Sơ đồ lực dẫn hớng do lực ngang gây ra. II.1.2. Lực dẫn hớng do lực ma sát gây ra 2l ms2 Y X 2 F ms2 S 1 B F ms2 2 d 2 H thg g l g 1 X F ms1 1 d 1 ms1 F A ms1 Y Y ms1 , Y ms2 -l ự c dẫn hớn g sinh ra do l ự c ma sát. V ậy ta có l ự c dẫn hớn g tổn g h ợ p g â y ra ở hai trục bánh nay là: Y 1 = Y D1 + Y ms1 Y 2 = Y D2 + Y ms2 II.2. Tính phản lực P 1 Hình 4. Sơ đồ lực dẫn hớng do lực ma sát gây ra. Để tính phản lực của ray lên bánh xe P 1 ta xét s ự phân bố l ạ i áp l ự c thẳn g đứn g trên cổ tr ụ c và áp l ự c tơn g ứn g trên ra y dới ảnh hởn g của lực ngang. W t P2 P1 Ht I t BA 4 4 4 N 4 hp S 1 b2 b1 R+ r h tx h g io Trớc tiên, ta tính s ự phân bố l ạ i tải tr ọ n g thẳn g đứn g ở cổ tr ụ c do ảnh hởn g các l ự c ngang I t , H t và W t , tức là tìm các lực P 1 ' và P 2 ', sau đó xác định lực P 1 và P 2 sau khi xét tới ảnh hởng dao động của bộ phận trên lò xo. b 1 ' - c ự l y từ điểm g iữa cổ tr ụ c ở phía bánh xe tiếp xúc đến tim ray. b 2 ' - c ự l y từ g iữa cổ tr ụ c ở phía đầu tr ụ c bên kia đến tim ra y tiếp xúc. R - bán kính bánh xe. r - bán kính cổ tr ụ c. h' tx - chiều cao từ tr ọ n g tâm thùn g xe đến m ặt nấm ray. h' gio - chiều cao tâm áp l ự c g ió trên thùng xe: h' gio = + 2 h R2 gio Ta lấ y mômen các l ự c đối với điểm B, ta đợc: Hình 5. Lực tác dụng trên toa xe v truyền xuống một đôi bánh. P 1 ' = P cb + )'b'b( )rR'h( . 4 W )'b'b( )rR'h( . 4 )HI( 21 gio t 21 txtt + + + (8) Lấy mômen các lực đối với điểm A, ta đợc: P 1 ' = P cb - )'b'b( )rR'h( . 4 W )'b'b( )rR'h( . 4 )HI( 21 gio t 21 txtt + + (9) Ta viết phơng trình đối với các lực thẳng đứng, ta sẽ có: P' 1 + P' 2 = 2P cb Ta cần tính tới sự tăng và giảm tải ở ray lng và ray bụng trên đờng cong do dao động của bộ phận trên lò xo khi xe chạy. Trị số tăng và giảm tải này biểu thị bằng hệ số động lực lò xo K đ , hệ số này đợc tính bằng công thức sau: K d = qP P cb lx (10) P lx - lực phụ thẳng đứng do dao động lò xo [KG]; P cb - tải trọng tĩnh kể cả tải đặt lên một bánh xe [KG]; q - trọng lợng của bộ phận dới lò xo ở một bánh xe [KG]. Khi tính toán ngời ta đề nghị coi lực P 1 giảm tải với trị số K đ đầy đủ, còn lực P 2 thì giữ nguyên, bởi vì khi toa xe lắc ngang P 2 tăng lên chút ít và khi toa xe gật gù, giật trớc sau thì nó lại giảm đi. Vậy ta có: X = X min X = X max Vòng lặp theo X Q < 0 ? Vòng lặp theo V END V > V max ? In kết quả Y (V) X n+1 -X n < e ? Tính gần đúng X n = 0 X = lt/2 P x Q < 0 ? n = 2 ? n = 1 ? Tính Y ms Y= Y i n = n+1 Q = Y 2 X = X max P = Y 2 V = V(i) Tính Y (V) i = i + 1 i = 0 P 1 = P 1 ' - (P cb - q).K đ P 2 = P 2 ' Sau khi xác định đợc các lực Y 1 , P 1 và theo [2] thì ta sẽ xác định đợc hệ số ổn định trật bánh có xét tới sự tăng và giảm tải là: n lx = 1 1 P Y (11) Vậy với: n lx < 1,03 thì toa xe đảm bảo ổn định trật bánh; n lx = 1,03 thì toa xe ở trạng thái giới hạn; n lx > 1,03 thì toa xe mất ổn định trật bánh. Từ các cơ sở lý luận tính toán trên ta xây dựng đợc sơ đồ khối tính lực dẫn hớng Y nh hình bên. IV. áp dụng tính tốc độ cho phép của toa xe mới chế tạo tại vùng mỏ Quảng Ninh Từ sơ đồ khối, tác giả lập chơng trình phần mềm tính hệ số ổn định chống trật bánh toa xe và tơng ứng với hệ số ổn định đó ta sẽ có tốc độ gây mất ổn định của toa xe ứng với bán kính đờng cong tơng ứng. Các thông số kỹ thuật toa xe mới chế tạo ở Quảng Ninh cho ở bảng 1. Bảng 1 TT Các tham số Ký hiệu Giá trị 1 Diện tích thùng xe F T 19,622 m 2 2 Trọng lợng thùng xe P T 37800 KG 3 Diện tích hứng gió của giá chuyển hớng F g 7,53 m 2 4 Trọng lợng một giá chuyển hớng P g 3000 KG 5 Tải trọng tĩnh đặt lên một bánh xe P cb 5475 KG 6 Trọng lợng bộ phận dới lx ở 1 bánh xe q 687,5 KG 7 Khoảng cách giữa 2 mặt lăn bánh xe S 1 1054 mm 8 Khoảng cách giữa hai tâm cối L 3,67 m 9 Khoảng cách giữa hai trục trong một GCH Lt 1,65 m 10 Đờng kính bánh xe 2.R K 750 mm 11 Độ siêu cao h P 80,85 mm 12 Chiều cao đặt lực gió h gio 2,17 m 13 Chiều cao trọng tâm toa xe h tx 1,854 m 14 Cự ly từ giữa cổ trục bánh xe đến tim ray b 1p 223,5 mm 15 Cự ly ở phía đầu trục bên kia đến tim ray b 2p 1277,5 mm 16 Cự ly từ giữa cổ trục đến mép ray trong b 1 259,5 mm 17 Cự ly phía đầu trục bên kia đến mép ray trong b 2 1241,5 mm 18 Bán kính cổ trục r 60 mm 19 Tổng độ cứng lò xo thép ở một GCH C LX 814,98 KG/mm V. Kết luận Từ các thông số kỹ thuật trên ta nhập vào chơng trình phần mềm, cùng với các bán kính cong ta sẽ có các tốc độ mất ổn định nh bảng 2. V.1. Sự mất ổn định của toa xe đã thiết kế phụ thuộc vào tốc độ chạy và bán kính đờng cong nh bảng 2. Bảng 2 Khi đi vào đờn g con g với bán kính con g R [m] Tốc độ mất ổn định V [km/h] 75 30 80 30 95 32 100 32 125 34 150 38 175 40 200 42 300 44 400 46 V.2. ở các bán kính cong nhỏ dới 200 m, việc khống chế tốc độ là rất cần thiết, nếu tầu chạy quá tốc độ tính toán trên sẽ rất dễ gây mất ổn định trật bánh. Hiện nay các toa xe, đầu máy tại Vùng mỏ thiếu rất nhiều điều kiện an toàn, nh trang thiết bị hãm, hệ thống xả cát. Vì vậy ở các bán kính cong nhỏ đặc biệt phải đợc khống chế tốc độ và phải có hệ thống xả cát chống trợt. Đây cũng là một vấn đề quan trọng mà lãnh đạo xí nghiệp quan tâm và đang tìm các giải pháp kỹ thuật khắc phục. Tài liệu tham khảo [1]. I. VIVANOB. Kết cấu tính toán và động lực học đầu máy. (Tiếng Nga), MOSKVA, 1968. [2]. I. V. VECSINSKI. Động lực học toa xe. (Tiếng Nga), MOSKVA, 1972 . tính toán tốc độ cho phép trong đờng cong của toa xe mới đợc chế tạo tại vùng mỏ quảng ninh TS. nguyễn văn chuyên KS. Mai Văn thắm Bộ môn Đầu máy - Toa xe - ĐH GTVT Tóm tắt: Trong. bi báo, tác giả đa ra cách tính bi toán chống trật bánh toa xe trong đờng cong, từ cơ sở tính toán đó, viết chơng trình phần mềm tính toán tốc độ cho phép của toa xe khi thông qua đờng cong. . vùng mỏ đã chế tạo đợc 20 toa xe, ký hiệu là RV Vấn đề thiết lập các quy trình quy phạm cho toa xe đã là điều bắt buộc, nhất là việc tính tốc độ cho phép cho toa xe trong đờng cong có quan