TÁC DỤNG ĐỘ RƠ NGANG CÁC TRỤC CỦA GIÁ CHUYỂN HƯỚNG 3 TRỤC ĐẦU MÁY TRÊN ĐƯỜNG CONG ThS. MAI VĂN THẮM Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo giới thiệu tác dụng độ rơ ngang các trục của giá chuyển hướng 3 trục đầu máy và kết quả tính toán trên đầu máy D13E để thấy được tác dụng của nó đối với việc giảm lực dẫn hướng, tăng tốc độ cho phép khi thông qua đường cong. Summary: The paper presents the influence of lateral movement of the axes of a 3-axis bogie and the calculation results obtained for locomotives D13E to show its role in decreasing the guiding force and increasing the speed when the locomotives run on curved tracks. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Độ rơ ngang của trục bánh ±θ là khả năng di chuyển lớn nhất theo chiều ngang về mỗi phía của trung tâm trục bánh so với trung tâm dọc giá chuyển hướng, nó bao gồm những di chuyển có thể của trục bánh so với bầu dầu và của bầu dầu so với khung giá chuyển hướng theo phương ngang. Độ rơ ngang lớn có thể giúp các giá chuyển hướng nhiều trục dễ dàng thông qua các đường cong bán kính nhỏ về mặt hình học cũng như về mặt động lực học, vì thế trục bánh của các giá chuyển hướng 3 trục thường có độ rơ ngang lớn. Độ rơ ngang của các đầu máy có giá chuyển hướng 3 trục ở nước ta được ghi trong bảng 1. Sau đây chúng ta sẽ đi sâu phân tích kỹ hơn nội dung của các vấn đề nêu trên. CT 2 II. NỘI DUNG 2.1. Tác dụng của độ rơ ngang đối với thông qua đường cong về hình học Bảng 1. Độ rơ ngang các trục . ĐỘ RƠ NGANG Đầu máy Trục đầu và Trục cuối θ 1 và θ 3 Trục P giữa θ 2 D13E ± 8mm ± 20,5mm D14E ±14mm ± 15mm D19E ±14mm ± 15mm D18E ± 10mm ± 20mm Đường cong nhỏ nhất mà giá chuyển hướng có thể thông qua về hình học là đường cong mà giá chuyển hướng đứng trong đó thì trục đầu và trục cuối giáp ray ngoài còn trục giữa giáp ray trong. Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008 Bán kính của nó khi các trục không có độ rơ ngang có thể xác định theo quan hệ trong hình 1a bằng công thức: σ = 8 L R 2 min [m] (1) trong đó: L là cự ly trục cứng của giá chuyển hướng [m]; σ là khe hở giữa lợi bánh và ray ở đường cong [m]; Khi các trục có độ rơ ngang trục giữa θ 2 có thể di chuyển ra phía ngoài còn các trục đầu và cuối có độ rơ ngang θ 1 di chuyển vào trong làm cho bán kính thông qua bé nhất R min giảm (hình 1b). CT 2 Hình 1. Tính bán kính đường cong bé nhất L Ω σ 3 1 L Ω 3 1 σ θ 2 θ 1 R mi n (a) 2 2 R min (b) 2.2. Tác dụng của độ rơ ngang đối với thông qua đường cong về động lực học Như đã nói ở trên khi trục giữa có độ rơ ngang lớn, nó có thể di chuyển ra phía ngoài làm cho giá chuyển hướng đi qua được những đường cong bán kính bé hơn (hình 2a). Nhưng khi độ rơ ngang lớn đến một mức nào đó, trục 2 có thể di chuyển đến mức chạm ray ngoài (hình 2b) làm phát sinh thêm các lực dẫn hướng Y 2 ở trục này để gánh vác bớt một phần cho các trục dẫn, làm giảm lực dẫn hướng ở trục dẫn, tạo điều kiện nâng cao tốc độ cho phép trên đường cong và giảm bớt hao mòn lợi bánh. Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008 Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008 Φ H 2 H 2 1 3 2 A Y 1 Y 3 Ω θ Q 2 Q 2 Φ a) CT 2 Y 1 Y 3 Ω θ Q 2 Φ Y 2 Φ Q 2 H 2 H 2 1 2 3 A b) Hình 2.Trục giữa có độ rơ ngang lớn trên đường cong Sau đây chúng ta sẽ thực hiện tính toán cụ thể thông qua mô hình giá chuyển hướng của đầu máy Ấn độ để thấy được rõ hơn được tác dụng của giải pháp này. Giá chuyển hướng của đầu máy Ấn độ có độ rơ ngang lớn ở trục giữa θ 2 = ±20,5mm và độ rơ ngang của trục dẫn θ 1 = θ 3 = ±8mm. Khi chạy trên đường cong ở vị trí chéo nhất, bánh 1 giáp ray ngoài có lực dẫn hướng Y 1 , bánh 3 giáp ray trong có lực dẫn hướng Y 3 như vẽ trên hình 3. Vì tâm quay Ω nằm giữa trục 2 và trục 3 nên thành phần 2Q 2 của lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường ray sẽ kéo trục 2 ra phía ray ngoài. Có 2 trường hợp có thể xảy ra: 1- Nếu trục 2 di chuyển hết độ rơ ngang 20,5mm mà lợi bánh xe vẫn chưa chạm cạnh ray ngoài (hình 2a) thì thành phần 2Q 2 sẽ truyền lên khung giá chuyển hướng. μ P B A B μP B Q 3 p X 1 μP B μP B X 3 2S Q 1 d 3 d 1 C t Q 1 Q 3 H 1 H 3 H 3 H 1 Ω T t Q 2 Q 2 H 2 H 2 μ P B μ P B Y 3 Y 1 p 1 p 2 X 2 d 2 O a 1 a 2 C g T g Hình 3. Sơ đồ các lực tác dụng vào khung giá chuyển hướng trước của đầu máy D13E khi giá chuyển hướng ở vị trí chéo nhất Căn cứ trên sơ đồ lực tác dụng vào khung giá chuyển hướng (hình 3) ta viết được hai phương trình cân bằng để giải ra 2 lực dẫn hướng Y 1 và Y 3 : CT 2 ∑ =−++−++−⇔= 0)QQQ(2TCYY0Y 32131 (a) [] ∑ =++−−+−+⇔= 0S).HHH(p.Qp.Q2 2 p ).TC(p.Y0M 321312tt3 A (b) (trong đó: Y 1 và Y 3 – là các lực dẫn hướng ở trục 1 và trục 3; (2) C t , T t , C g , T g – lần lượt là lực ly tâm và lực siêu cao của thùng xe, giá chuyển hướng; a 1 , a 2 – là khoảng cách từ trục 1và trục 3 đến cối chuyển hướng trước; p 1 , p 2 – là khoảng cách từ trục 1 và trục 3 đến trục 2; Q 1 , Q 2 , Q 3 – là thành phần ngang của các lực ma sát của các bánh xe với mặt đường ray 22 i i Bii SX X PCosQ + μ=αΦ= (3) H 1 , H 2 , H 3 – là thành phần dọc của các lực ma sát nói trên: 22 i Bii SX S PSinH + μ=αΦ= (4) Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008 CT 2 X i - là cự ly tâm quay của trục bánh thứ i [m]; 2S - là giang cách ngang 2 vòng lăn của một trục bánh [m]; hướng Y 1 , Y 3 phụ thuộc lực ly tâm C ng lực với sự hỗ trợ của phần mềm MATLAB như đã giới thiệu trong Tạp chí Khoa học GTVT số 5 tháng 11- 2003 ành phần 2 Q 2 nói trên sẽ được cân bằng bởi phản lực của đường ray, đó là lực dẫn hướng Y (hình 2b) mà không truyền được lên khung giá chuyển hướng. Bởi vì thành phần lực 2 Q Việc giải hệ phương trình (2) để tính trị số các lực dẫn hĩa là phụ thuộc tốc độ V có thể thực hiện dễ dàng bằng phương pháp cộng , [1]. 2 – Trong trường hợp trục 2 chưa di chuyển hết độ rơ ngang θ 2 = 20,5 mm đã chạm ray ngoài thì th 2 2 không truyền lên khung giá chuyển hướng nên nó không có mặt trong các phương trình cân bằng lực của khung giá chuyển hướng. Khi này ta viết được ba phương trình cân bằng lực để tính các lực dẫn hướng như sau: )c(0Q.2Y0Y )b(0H.Sp.Q2 p ).TC(a).TC(p.Y0M i3gg1tt3 A =−−−+−+⇔= ∑∑ 2 )a(0Q.2Q.2)TC( 222 31tt =+−⇔= =−+−+ ∑ (5) Giải hệ 3 phương trình này ta được 3 lực dẫn hướng Y 1 , Y 2 và Y 3 . Hệ ph cũng có thể giải bằng phần mềm nói trên khi ta lưu ý đến thời điểm chuyển đổi từ trạng thái hình 2a sang trạng thái hình 2b để chuyển từ hệ phương trình (2) sang hệ phương trình (5). Đó là lú R = 150 m ta được dạng đồ thị biểu diễn lực dẫn hướng ở trục dẫn phụ thuộc tốc độ như hình 4. Trong đó Y là những đường biểu diễn lực dẫn hướng ở trục ● Lực dẫn hướng ở trục 2 chỉ xuất hiện từ khi bánh ngoài của trục này tiếp xúc với ray à V = 30 km/h) và lực này ngày càng giảm khi tốc độ tăng, lực dẫn hướng này sẽ bằng không (hoặc gần bằng không) khi giá chuyển hướng chiếm vị trí dây cung và từ tốc độ n khi này bánh ngoài của trục 3 cũng tiếp xúc với ray ngoài, trước tốc độ đó, khi giá chuyển hướng ở vị trí tự do Y = 0, sau tốc độ đó giá chuyển hướng )TC(YY0Y gg31 −++−⇔= ∑ ương trình này c nếu không có độ rơ ngang thì lợi bánh 2 còn cách cạnh ray ngoài một khoảng y 2 = θ 2 và giá chuyển hướng đang ở vị trí tự do. Tính toán với các độ rơ ngang và các thông số cụ thể của giá chuyển hướng đầu máy Ấn Độ khi chạy trên đường cong bán kính 1 1, đường nét liền là trường hợp trục 2 có độ rơ ngang lớn, còn đường nét đứt là khi trục 2 không có độ rơ ngang. Các đường Y 2 và Y 3 biểu diễn trị số lực dẫn hướng xuất hiện ở trục 2 và trục 3. III. KẾT LUẬN ngoài (trên đồ thị l ày trở đi không thay đổi nữa. ● Lực dẫn hướng ở trục 3 chỉ xuất hiện khi giá chuyển hướng chuyển từ vị trí tự do sang vị trí dây cung (khoảng V = 86 km/h) 3 Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008 CT 2 chuyển hướng giảm đi, làm cho giá chuy chuyển sang vị trí dây cung, Y 3 tăng theo hướng ngược lại. ● Nguyên nhân làm cho lực dẫn hướng Y1 giảm chủ yếu là do khi trục 2 đã tựa vào cạnh ray thì moment của các lực ma sát tác dụng vào khung giá ển hướng nhanh chóng chuyển sang vị trí khác để thiết lập lại trạng thái cân bằng. Hình 4. Đồ thị lực dẫn hướng của đầu máy D13E, [3] ● Qua khảo sát việc thông qua đường cong của đầu máy trên những đường cong bán kính thay đổi từ R = 75 m đ uan trọng là giải pháp này à một điều dễ dàng vì cần có những giải pháp thích hợp về mặt cấu t ến R = 400 m chúng ta có thể rút ra một kết luận q chỉ phát huy được tác dụng trên các đường cong bán kính lớn và khi đầu máy chạy với tốc độ cao vì trong những đường cong bán kính nhỏ, ví dụ trên đường cong R = 100 m ngay cả khi giá chuyển hướng ở vị trí dây cung, trục giữa phải có độ rơ ngang θ 2 > 25,9 mm [3] mới có thể chạm đến ray ngoài ngay khi giá chuyển hướng chuyển từ vị trí chéo nhất sang vị trí tự do, nói chung trên những đường cong bán kính dưới 150 m phải đến khi tốc độ cao bánh ngoài trục giữa có độ rơ ngang lớn mới tiếp xúc được với ray ngoài, tốc độ này nhiều khi đã vượt quá tốc độ cho phép của đường. Biện pháp này chỉ phát huy được tác dụng trên những đường cong bán kính lớn hơn hoặc bằng 150 m. Cũng phải nói thêm rằng để tạo được độ rơ ngang lớn đối với các trục giữa là trục bánh chủ động của đầu máy không phải l ạo đối với những bộ phận trung gian giữa bộ phận trên lò xo với bộ phận dưới lò xo ở chỗ treo đông cơ điện kéo hay ở trong bộ truyền động bánh răng của hộp giảm tốc trục hoặc bầu dầu để chúng làm việc bình thường ngay cả khi có sự di chuyển ngang lớn (θ 2 = ± 14 ÷ 20 mm) giữa trục bánh xe và khung giá chuyển hướng. Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008 Tạo nên độ rơ ngang lớn ở trục giữa các giá chuyển hướng 3 trục là một giải pháp để giá chuyển hướng đầu máy thông qua các đườn CT 2 g cong bán kính nhỏ được dễ dàng đồng thời trên đườn 5 năm 2007 (trang 5) hiện nay, hệ thống mạng lưới sắt Việt nam có 3.468 đườn am khảo yễn Hữu Dũng. Giải bài toán thông qua đường cong của ĐMTX trên máy tính, đăng trên Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải số 5 tháng 11-2003. huẩn ngành 22 TCN 348-06, Hà nội 2006. g cong bán kính lớn có tác dụng giảm lực dẫn hướng, góp phần làm giảm hao mòn lợi bánh xe, tạo điều kiện nâng cao tốc độ cho phép khi thông qua đường cong. Tuy vậy để có được độ rơ ngang lớn ở các trục giữa giá chuyển hướng cần có thêm những giải pháp thích hợp về cấu tạo cho bộ phận trung gian giữa trên lò xo và dưới lò xo để bảo đảm sự làm việc bình thường của bộ phận truyền động. Đường sắt nước ta có nhiều đoạn đường cong, theo số liệu của Báo Đường sắt Việt nam số 18 ra ngày 3 tháng g cong (chỉ tính đường chính tuyến), chiếm tỷ lệ 26,1% tổng chiều dài toàn tuyến. Trong số đó, có hơn một nghìn đường cong có bán kính R < 300 m, cá biệt có 7 đoạn đường cong có bán kính R < 100 m, 758 đoạn đường cong bán kính 100 m < R < 225 m. Vì vậy sử dụng các giá chuyển hướng 3 trục có độ rơ ngang lớn cho các đầu máy đang vận dụng trên mạng lưới đường sắt Việt nam là một giải pháp hợp lý để nâng cao tốc độ chạy tầu và giảm hao mòn lợi bánh. Tài liệu th [1] Ngu [2] Bộ GTVT. Tiêu c [3] Mai Văn Thắm. Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu của giá chuyển hướng đầu máy Ấn ♦ Độ đến tính năng động lực”. Hà nội 2007 Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008 . giá chuyển hướng của đầu máy Ấn độ để thấy được rõ hơn được tác dụng của giải pháp này. Giá chuyển hướng của đầu máy Ấn độ có độ rơ ngang lớn ở trục giữa θ 2 = ±20,5mm và độ rơ ngang của trục. hình học cũng như về mặt động lực học, vì thế trục bánh của các giá chuyển hướng 3 trục thường có độ rơ ngang lớn. Độ rơ ngang của các đầu máy có giá chuyển hướng 3 trục ở nước ta được ghi trong. dung của các vấn đề nêu trên. CT 2 II. NỘI DUNG 2.1. Tác dụng của độ rơ ngang đối với thông qua đường cong về hình học Bảng 1. Độ rơ ngang các trục . ĐỘ RƠ NGANG Đầu máy Trục đầu và Trục