nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy d19e vận dụng trên đường sắt việt nam

Một trong những vấn đề đó là: Hầu hết các đầu máy truyền động điện được nhập về Việt Nam chỉ được nhà cung cấp giao kèm theo các thông số kỹ thuật cơ bản của đầu máy mà không có các khuy

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học giao thông vận tải

-

Phạm Lê Tiến

Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên

đường sắt Việt Nam

Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe Mã số: 62.52.44.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2011

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học giao thông vận tải

-

Phạm Lê Tiến

Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên

đường sắt Việt Nam

Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe Mã số: 62.52.44.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

1 GS TS Đỗ Đức Tuấn

2 PGS TS Ngô Văn Quyết

Lêi cam ®oan

T«I xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nghiªn cøu nªu trong luËn ¸n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ luËn ¸n

Ph¹m Lª TiÕn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Khoa Cơ khí; phòng Đào tạo Sau đại học; phòng Khoa học; Bộ môn Đầu máy toa xe; phòng thí nghiệm VILAS 047-Trung tâm Khoa học công nghệ Trường Đại học Giao thông vận tải; Phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu-Trường Đại học giao thông vận tải; Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu COMFA-Viện Khoa học vật liệu; Phòng thí nghiệm vật liệu tính năng kỹ thuật cao-Viện Cơ khí năng lượng và mỏ; Ban khoa học công nghệ, Ban đầu máy toa xe, Xí nghiệp đầu máy Hà Nội-Tổng công ty đường sắt Việt Nam; Viện Cơ học Việt Nam; Học Viện Kỹ thuật Quân sự

Tác giả vô cùng cảm ơn GS.TS Đỗ Đức Tuấn, PGS.TS Ngô Văn Quyết, những người Thầy đã định hướng, và gửi lời cảm ơn đến GS.TSKT Phạm Văn Lang, ThS Nguyễn Ngọc Viên, TS Lương Xuân Bính, đã cung cấp các tài liệu quý báu trong quá trình thực hiện Luận án Cảm ơn các thầy, cô giáo Bộ môn Đầu máy toa xe, Khoa cơ khí, Trường đại học giao thông vận tải

Trong quá trình làm tác giả đã có trao đổi và gửi cảm ơn tới NCS Trần Viết Bản, ThS Trần Văn Khanh, ThS Nguyễn Trung Kiên và nhiều người bạn nữa đã nhiệt tình cung cấp các tài liệu quý báu

Hà nội, tháng 7 năm 2011 Phạm Lê Tiến

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3

1.1 Khái niệm về cơ học phá huỷ 3

1.1.1 Khái niệm về độ bền cơ học phá huỷ 3

1.1.2 Ứng dụng của cơ học phá huỷ trong kỹ thuật 4

1.1.3 Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi 5

1.1.4 Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi 6

1.2 Bản chất sự phá huỷ mỏi 7

1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá 11

1.4 Tổng quan về đầu máy diezel truyền động điện D19E vận dụng trên đường sắt Việt nam 15

1.4.1 Khái niệm về đầu máy D19E 15

1.4.2 Tình hình vận dụng ĐM D19E đang sử dụng trên ĐSVN 16

1.5 Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở trong và ngoài nước 18

1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở ngoài nước 18

1.5.2 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở trong nước 21

1.6 Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài 26

1.7 Kết luận chương 1 28

Chương 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy 30

2.1 Sự lan truyền vết nứt mỏi 30

2.1.1 Cơ học phá huỷ đối với vết nứt mỏi 30

2.1.2 Đặc điểm của vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt 32

2.1.3 Tốc độ phát triển vết nứt mỏi 33

2.2 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi 36

2.2.1 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối 36

2.2.2 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối .38

2.3 Đề xuất một dạng phương trình lan truyền vết nứt có kể tới tần số tải trọng đối với KGCH đầu máy D19E 39

2.3.1 Những nhận xét 40

2.3.2 Cơ sở lý thuyết 41

2.3.3 Những giả thiết 42

2.3.4 Phương pháp xây dựng 42

2.4 Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn 44

2.4.1 Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải ổn định 44

2.4.2 Tính độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải không ổn định 46

2.5 Dự báo tuổi thọ mỏi 46

2.5.1 Khái niệm cơ bản về tuổi thọ mỏi 46

2.5.2 Các phương pháp ước lượng sức sống các bộ phận khi đặt tải không ổn định 47

2.6 Kết luận chương 2 48

Chương 3: Nghiên cứu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học, đặc trưng mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E 49

3.1 Phân tích thành phần kim loại, xác định mác 49

3.1.1 Phân tích vật liệu trục bánh xe đầu máy D19E 49

3.1.2 Phân tích vật liệu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E 50

3.2 Xác định tiêu chuẩn thử nghiệm 51

3.2.1 Tiêu chuẩn thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 51

3.2.2 Tiêu chuẩn thử nghiệm tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ 51

3.3 Chế tạo các mẫu vật liệu thử nghiệm 54

3.3.1 Chuẩn bị phôi của mẫu vật liệu thử nghiệm 54

3.3.2 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học 55

3.3.3 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 55

3.3.4 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ 56

3.4 Thiết bị thử nghiệm……… ………… ……57

3.4.1 Thiết bị thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của mẫu 57

3.4.2 Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 58

3.4.3 Thiết bị thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ 59

3.5 Thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của mẫu thử nghiệm: giới hạn chảy, giới hạn bền, môđun đàn hồi và hệ số biến dạng 61

3.6 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 63

3.6.1 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu KGCH 63

3.6.2 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu TBX 66

3.7 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ 69

3.7.1 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của mẫu vật liệu KGCH 69

3.7.2 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của mẫu vật liệu TBX 74

3.8 Kết luận chương 3 77

Chương 4: Tính toán độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi khung giá

chuyển hướng và trục bánh xe của đầu máy D19E 78

4.1 Đặc điểm kết cấu của KGCH và TBX đầu máy diezel D19E 78

4.1.1 Giới thiệu tổng thể đầu máy D19E kiểu CKD7F .78

4.1.2 Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E 80

4.1.3 Kết cấu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E 81

4.2 Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E 82

4.2.1 Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền KGCH đầu máy D19E 82

4.2.2 Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền TBX đầu máy D19E 87

4.3 Tính toán độ bền mỏi theo lý thuyết cơ học phá huỷ 92

4.3.1 Tính độ bền mỏi mỏi theo lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi 92

4.3.2 Tính toán độ bền mỏi theo ngưỡng phát triển vết nứt mỏi 125

4.4 Dự báo tuổi thọ mỏi KGCH đầu máy D19E 133

4.5 Một số biện pháp nâng cao độ bền mỏi cho KGCH 136

4.5.1 Giảm mức độ ứng suất tập trung cục bộ của kết cấu KGCH 137

4.5.2 Tránh vận dụng đầu máy khi chịu tải với tần số nhỏ bất lợi 139

4.6 Kết luận chương 4 139

Kết luận chung 143

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

a0 - chiều dài vết nứt ban đầu

a - chiều dài vết nứt ứng với số chu trình ứng suất N

ath - giá trị tới hạn của chiều dài vết nứt

aσ, aτ - tuổi thọ tương đối cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp

att - chiều dài vết nứt thực tế

a’,b’ - những hằng số mới của vật liệu làm chi tiết

A và B - các hằng số của vật liệu làm khung giá chuyển hướng, trong phương trình lan truyền vết nứt mỏi được đề xuất có xét tới tần số tải trọng

C, n - các hệ số phụ thuộc vật liệu chế tạo chi tiết trong phương trình của Paris

da/dN - tốc độ lan truyền vết nứt trong một chu trình ứng suất

E - môđun đàn hồi

g, h, ω - các chuyển vị thành phần tương ứng với ba dạng tải sinh ra biến dạng

G - građien tuyệt đối của ứng suất lớn nhất

G - građien tương đối của ứng suất lớn nhất

mu

G , G mx- građien tương đối ứng suất lớn nhất của mẫu khi uốn và xoắn

ctu

G , G ctx- građien tương đối ứng suất lớn nhất của chi tiết khi uốn và xoắn

KI - hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I

KIi - hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I thứ i

Kth - giá trị tới hạn của hệ số cường độ ứng suất

KIC - độ dai phá hủy của vật liệu

KIC KGCH , KIC TBX - độ dai phá hủy của vật liệu làm KGCH và TBX đầu máy D19E

KImax - giá trị lớn nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I

KImin - giá trị nhỏ nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I

∆K - số gia hệ số cường độ ứng suất ở đầu vết nứt

∆Kth - ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-7

(∆K)th* - ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-8

Kđ - hệ số tải trọng động

Kr - hệ số cường độ các ứng suất dư

Km - hệ số cường độ các ứng suất tại thời điểm mở vết nứt

k1 - hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu

k2 - hệ số tính tới nội ứng suất

kσ và kτ - hệ số tập trung ứng suất pháp và ứng suất tiếp thực tế

L - tuổi thọ (số giờ, km) của chi tiết thuộc bộ phận chạy của đầu máy

ni - tổng số chu ký ứng suất của σi (hoặc τi)

Ni - số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn chế σi

No - số chu trình ứng suất cơ sở

mσ, mτ - số mũ của đường cong mỏi Wohler cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp

MX.K, MX.H - Mô men xoắn tác dụng lên trục bánh xe khi đầu máy làm việc ở chế độ kéo và hãm

Pđm - tổng trọng lượng đầu máy

p, q - các hằng số đặc trưng cho sự chống mỏi của vật liệu trong phương trình đường cong mỏi

R - hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất

Smax - ứng suất lớn nhất tại “ khâu yếu nhất “ trong chi tiết sẽ gây ra sự phá huỷ ở xác suất P%

Sgh - giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N0

tb - khoảng thời gian, km tác động của một blốc ứng suất, tính theo các khu gian đặc trưng cho các trạng thái vận hành đầu máy

up (zp) - phân vị với xác suất phá huỷ P%

u, σ0 , m - các thông số phân bố khởi thuỷ của Veibull trong phương trình đồng dạng phá hủy mỏi

Wm - chiều rộng mẫu thử nghiệm xác định da/dN và KIC

Wmu, Wctu - mômen chống uốn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết

Wmx, Wctx - mômen chống xoắn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết

w - Kích thước vùng biến dạng dẻo

V - vận tốc của đầu máy

fi - tần số tải trọng thứ i

f0 - tần số tải trọng nhỏ nhất

ft - độ nhún tĩnh của hệ thống lò xo giá chuyển

f(g) - tham số không thứ nguyên, hoặc là hệ sô' hình học của kết cấu có vết nứt

FK.đm, FH.đm - Lực kéo khởi động lớn nhất, lực hãm lớn nhất của đầu máy

FK.tk, FH.tk - lực kéo, hãm tác dụng lên một vị trí thanh kéo bầu dầu trên KGCH

FK.TBX, FH.TBX - Lực kéo, hãm tác dụng lên một trục bánh xe

YP - áp lực ngang của KGCH lên một TBX khi đầu máy đi vào đường cong

ss - độ lệch bình phương trung bình của đại lượng ngẫu nhiên lg(σmax - u)

sσ, sτ - hệ số an toàn mỏi ứng suất phápvà ứng suất tiếp

s - hệ số an toàn mỏi toàn phần

ασ ; ατ - hệ số tập trung ứng suất lý thuyết

β - hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công

εσ và ετ- hệ số ảnh hưởng kích thước của chi tiết

ε∞ - hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của chi tiết

ϕK - hệ số ma sát giữa quốc hãm bánh xe

φσ - hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng

µ - hệ số Poisson

Π - được gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên

Πu, Πx -chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi khi chi tiết bị uốn, bị xoắn

λ - số blốc (khối) tải trọng tác động trong phổ tải

vσ - hệ số đặc trưng mới các cơ tính vật liệu, đối với sự tập trung ứng suất cả yếu tố tỷ lệ

σmax - ứng suất lớn nhất ở một điểm nào đó của phân tố đang khảo sát của chi tiết

σc - giới hạn chảy

σb - giới hạn bền

σt - ứng suất tĩnh

σR -giới hạn mỏi của vật liệu với hệ số chu trình ứng xuất R

σN -ứng suất ứng với số chu trình N

σ-1ct - giới hạn mỏi của chi tiết

σ0 - giới hạn bền mỏi các mẫu thí nghiệm với chu trình mạch động

k

1

−

σ - giới hạn mỏi uốn thuần tuý, chu trình đối xứng, có xét tới hệ số tập trung ứng suất

σ-1KGCH, τ-1KGCH - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của KGCH đầu máy D19E

σ-1TBX, τ-1TBX - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của trục bánh xe đầu máy D19E

σ và τa - ứng suất pháp và ứng suất tiếp biên độ

σe, τe - ứng suất pháp và ứng suất tiếp tương đương

ξ - thông số của phương trình đồng dạng phá hủy mỏi tuyệt đối

ψσ , ψτ , ψτ σ và ψστ - hệ số ảnh hưởng sự bất cân đối đến biên độ giới hạn của vật liệu

4 ĐCĐK: Động cơ điện kéo

5 ĐSVN: Đường sắt Việt Nam

6 HSCĐUS: Hệ số cường độ ứng suất

7 HSATM: Hệ số an toàn mỏi

8 GHBM: Giới hạn bền mỏi

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Sự định hướng các mầm tinh thể so với các lực tác động 8

Hình 1.2 Sự xuất hiện các vết nứt mỏi 8

Hình 1.3 Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902 17

Hình 1.4 Vết nứt trên tấm cạnh ngoài và tấm đáy của xà dọc KGCH số 907 18

Hình 1.6 Sơ đồ vị trí các điểm đo kiểm tra trên KGCH đầu máy D19E – 903 23

Hình 2.1 Hệ toạ độ và các thành phần ứng suất của trường ứng suất ở đầu vết nứt 30

Hình 2.2 Vùng đàn - dẻo tại đầu vết nứt mỏi 32

Hình 2.3 Vùng dẻo ở đầu vết nứt khi chịu tải chu kỳ 33

Hình 2.4 Đuờng cong da/dN-∆K trong hệ tọa độ đối số 35

Hình 3.1 Các vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu TBX đầu máy D19E 49

Hình 3.2 Vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu KGCH Đầu máy D19E 50

Hình 3.3 Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm đặc trưng cơ học 55

Hình 3.4 Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm mỏi 55

Hình 3.5 Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu KGCH 56

Hình 3.6 Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu TBX 56

Hình 3.7 Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt

Hình 3.8 Hình dạng mẫu thử đặc trưng mỏi vật liệu 57

Hình 3.9 Thiết bị thử cơ tính vật liệu thử nghiệm 58

Hình 3.10 Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 58

Hình 3.11 Thiết bị thử mỏi, độ dai phá huỷ INTON 8801 60

Hình 3.12 Hình dạng mẫu thử cơ tính vật liệu 61

Hình 3.13 Kết quả thử nghiệm cơ tính vật liệu thép 12Mn 62

Hình 3.14 Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các

mẫu vật liệu KGCH ở mức ứng suất 1 65

Hình 3.15 Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các

mẫu vật liệu TBX ở mức ứng suất 1 68

Hình 3.16 Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu KGCH 70

Hình 3.17 Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu KGCH 70

Hình 3.18 Các thông số điều chỉnh viêc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH 71

Hình 3.19 Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu KGCH 71 Hình 3.20 Kết quả thí nghiệm da/dN của mẫu vật liệu KGCH 72 Hình 3.21 Thí nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH 72 Hình 3.22 Mẫu sau khi thử đặc trưng mỏi vật liệu KGCH 72 Hình 3.23 Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu KGCH 73 Hình 3.24 Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu KGCH sau khi thử nghiệm 73 Hình 3.25 Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu KGCH 73 Hình 3.26 Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu TBX 74 Hình 3.27 Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu TBX 75 Hình 3.28 Các thông số điều chỉnh việc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu TBX 75 Hình 3.29 Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu TBX 75 Hình 3.30 Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu TBX 76 Hình 3.31 Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu TBX sau khi thử nghiệm 76 Hình 3.32 Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu TBX 76

Hình 4.2 Hình tổng thể giá chuyển hướng đầu máy D19E 80

Hình 4.3 Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E 81 Hình 4.4 Kết cấu khung giá đầu máy D19E 82 Hình 4.5 Các lực tác dụng lên khung giá chuyển hướng đầu máy 84 Hình 4.6 Các lực tác dụng lên KGCH với tổ hợp 1 85 Hình 4.7 Kết quả tính toán lý thuyết KGCH với tổ hợp 1 86

Hình 4.9 Các lực tác dụng lên TBX với tổ hợp 1 91 Hình 4.10 Kết quả tính toán lý thuyết TBX với tổ hợp 1 92 Hình 4.11 Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện tròn 94 Hình 4.12 Sơ đồ trục bậc đặc tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết 96 Hình 4.13 Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện hình hộp rỗng 97 Hình 4.14 Mặt cắt D – D trên xà dọc của KGCH 98 Hình 4.15 Sơ đồ trục bậc rỗng tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết 99 Hình 4.16 Sơ đồ khối tính toán ξTBX = f(P), σ−1TBX; τ−1TBX = f( )P , sTBX = f(P) 107 Hình 4.17 Kết quả tính ξTBX = f(P); σ−1TBX; τ−1TBX = f( )P ; sTBX = f(P) của mặt

Hình 4.18 Sơ đồ khối tính toán ξKGCH = f(P) và σ−1KGCH; τ−1KGCH = f( )P 110

Hình 4.19 Sơ đồ khối tính toán sKGCH = f(P) 111 Hình 4.20 Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ−1KGCH; τ−1KGCH = f( )P ; sKGCH = f(P)

của điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét 113

Hình 4.21 Kết quả tính toán ξKGCH = f(P);σ−1KGCH; τ−1KGCH = f( )P ; sKGCH = f(P) của

điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc 115

Hình 4.22.Kết quả tính toán ξKGCH = f(P);σ−1KGCH; τ−1KGCH = f( )P ; sKGCH = f(P) của

điểm P9, KGCH đầu máy D19E theo kết quả tính toán lý thuyết 115 Hình 4.23 Sơ đồ khối tính toán Πu , Πx , σ−1TBX;τ−1TBX = f( )P và sTBX = f(P) 117

Hình 4.24 Kết quả tính toán Πu;Πx; σ−1TBX;τ−1TBX = f( )P ; sTBX = f(P) của mặt cắt I

Hình 4.25 Sơ đồ khối Tính Πu , Πx , σ−1KGCH; τ−1KGCH = f( )P và sKGCH = f(P) 120

Hình 4.26 Kết quả tính toán Πu ;Πx; σ−1KGCH; τ−1KGCH = f( )P ; sKGCH = f(P) của

điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét 122 Hình 4.27 Kết quả tính toán Πu ;Πx; σ−1KGCH; τ−1KGCH = f( )P ; sKGCH = f(P) của

điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc 123

Hình 4.28 Kết quả tính toán Πu ;Πx; σ−1KGCH; τ−1KGCH = f( )P ; sKGCH = f(P) của

điểm P9 trên KGCH theo lý thuyết 124 Hình 4.29 Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ−1KGCH; τ−1KGCH = f( )P ; sKGCH = f(P) của

điểm A9 KGCH đầu máy D19E đợt nhập thứ 3 vượt đèo Khe Nét 124 Hình 4.30 Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu KGCH 126 Hình 4.31 Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu TBX 132 Hình 4.32 Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K), xác định các hệ số của

vật liệu làm KGCH trong phương trình lan truyền vết nứt mỏi 134

BẢNG BIỂU:

Bảng 1.1 Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc 21 Bảng 1.2 Các số liệu thống kê ứng suất đo được của Viện Cơ học khi đầu máy

Bảng 3.1 Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu TBX đầu máy D19E 49 Bảng 3.2 Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu KGCH đầu máy D19E 50 Bảng 3.3 Thầnh phần các nguyên tố hoá học cơ bản của vật liệu đế đỡ giảm

chấn trên KGCH đầu máy D19E 54 Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 12Mn 61 Bảng 3.5 Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 55 62 Bảng 3.6 Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu KGCH 64 Bảng 3.7 Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu KGCH đầu máy

D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi 65 Bảng 3.8 Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu TBX 67 Bảng 3.9 Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu TBX đầu máy

D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi 68

Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của vật liệu làm KGCH 74Bảng 3.11 Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC vật liệu làm TBX 77Bảng 4.1 Các lực tác dụng trên KGCH với tổ hợp 1 84 Bảng 4.2 Các lực tác dụng trên KGCH với tổ hợp 2 85 Bảng 4.3 Giá trị ứng suất tại các điểm trên KGCH đầu máy 903 86 Bảng 4.4 Giá trị ứng suất tại các điểm trên KGCH đầu máy 907 86 Bảng 4.5 Các lực tác dụng trên TBX với tổ hợp 1 90 Bảng 4.6 Các lực tác dụng trên TBX với tổ hợp 2 91 Bảng 4.7 Kết quả ứng suất tại các mặt cắt của TBX 92

Bảng 4.9 Kết quả tính toán ξTBX = f(P); σ−1TBX; τ−1TBX = f( )P ; sTBX = f(P) của

các mặt cắt của TBX đầu máy D19E 109 Bảng 4.10 Các giá trị ứng suất ở các điểm trên KGCH khi vượt đèo Khe Nét 112 Bảng 4.11 Thống kê các mức đỉnh biến dạng động của các điểm trên KGCH 113 Bảng 4.12 Kết quả tính sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt

Bảng 4.13 Xác suất phá hủy tại các điểm trên KGCH có giá trị ứng suất lớn hơn

GHBM và HSATM nhỏ hơn giá trị cho phép khi vượt đèo Khe Nét 114 Bảng 4.14 Các mức giá trị ứng suất của điểm 34 trên KGCH 114 Bảng 4.15 Kết quả tính toán sTBX = f(P) của các mặt cắt TBX đầu máy D19E 119 Bảng 4.16 Kết quả tính toán sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt

Bảng 4.17 Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu KGCH 125 Bảng 4.18 Chiều dài vết nứt trên KGCH khi tàu chạy vượt đèo Khe Nét 128 Bảng 4.19 Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các điểm trên KGCH

khi tàu chạy từ ga Kim Liên lên Trạm Đỉnh Đèo 129 Bảng 4.20 Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại điểm 34 trên KGCH

tính theo kết quả đo được của Trung Quốc 130 Bảng 4.21 Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các điểm trên KGCH

theo kết quả tính toán lý thuyết 130 Bảng 4.22 Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu TBX 131 Bảng 4.23 Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các mặt cắt của TBX

theo kết quả tính toán lý thuyết 133 Bảng 4.24 Số chu trình ứng suất N tại điểm P4 KGCH bắt đầu phá huỷ 135Bảng 4.25 Số chu trình ứng suất N tại điểm A2 KGCH bắt đầu phá huỷ 135Bảng 4.26 Số chu trình ứng suất N tại điểm A9 KGCH bắt đầu phá huỷ 136

Lêi nãi ®Çu

Giao thông Vận tải đường sắt là một trong các hình thức giao thông vận tải quan trọng của một xã hội phát triển Công cuộc đổi mới của ngành Đường sắt Việt Nam trong những năm qua đã thu được nhiều thắng lợi: Chất lượng vận tải đường sắt đã không ngừng được nâng cao, góp phần thu hút khách hàng đến với đường sắt nhiều hơn, từng bước nâng cao thị phần vận tải đường sắt trong hệ thống giao thông vận tải quốc gia

Để đạt được mục tiêu đó, chất lượng đầu máy toa xe của ngành Đường sắt Việt Nam đã có nhiều thay đổi lớn để đảm bảo đủ sức kéo đáp ứng yêu cầu phát triển của ngành và của xã hội Những đầu máy có công suất lớn, độ bền cao để thực hiện kéo khoẻ, chạy nhanh được thay thế dần những đầu máy công suất nhỏ, công nghệ lạc hậu đã không còn phù hợp với yêu cầu về sức kéo của ngành đường sắt Đổi mới khoa học- công nghệ, đặc biệt là sức kéo, sức chở đang được lãnh đạo ngành đường sắt quan tâm theo hướng An toàn - Chất lượng - Tiết kiệm Vừa qua ngành đường sắt nước ta đã chế tạo và lắp ráp thành công đầu máy kéo đẩy, đầu máy D19E Chủ trương của ngành là tiếp tục nhập, chế tạo, lắp ráp ra những đầu máy theo yêu cầu của ngành giao thông vận tải sắt ngày càng có chất lượng cao Mặt khác, việc nâng cao an toàn và tốc độ chạy tàu đối với các trang thiết bị hiện

có là chủ trương lớn đang được thực hiện

Để đáp ứng các yêu cầu đặt ra, đã xuất hiện những yếu tố kỹ thuật công nghệ, kết cấu và vật liệu nhằm nâng cao độ bền kết cấu, tăng tốc độ chạy tàu, góp phần thúc đẩy sản xuất và sự phát triển đi lên của ngành đường sắt Tuy nhiên trong quá trình thực hiện đã nảy sinh những vấn đề về an toàn và độ tin cậy của các

bộ phận, thiết bị Một trong những vấn đề đó là: Hầu hết các đầu máy truyền động điện được nhập về Việt Nam chỉ được nhà cung cấp giao kèm theo các thông số kỹ thuật cơ bản của đầu máy mà không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về cách sử dụng phù hợp với đặc thù tuyến đường, điều kiện môi trường đường sắt Việt Nam, không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về qui trình kiểm tra, bảo dưỡng sửa chữa cũng như các đặc tính vật liệu của các kết cấu Trong bộ phận chạy của đầu máy thì khung giá chuyển hướng và trục bánh xe là hai kết cấu quạn trọng Do ảnh hưởng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đến việc nâng cao an toàn và tốc độ chạy tàu, chúng ta phải kiểm tra định kỳ theo qui định trong quá trình vận dụng Đồng thời chúng ta phải tính toán kiểm nghiệm về độ bền, độ cứng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy nhằm ngăn ngừa các

hư hỏng có thể xảy ra hoặc có thể gây ra các sự cố, các trở ngại chạy tàu, các hư hỏng cơ khí gây thiệt hại khó lường về vật chất cũng như tính mạng con người

Đối với ngành Đường sắt Việt Nam, đầu máy diesel truyền động điện đóng vai trò là sức kéo chủ yếu trong hiện tại và những năm tiếp theo Chính vì vậy mà việc đánh giá chất lượng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trên đầu máy diesel truyền động điện có ý nghĩa lớn trong công tác lựa chọn, thiết kế, kiểm tra, bảo dưỡng sửa chữa bộ phận chạy, cũng như phương pháp vận dụng đầu máy

Hiện nay, phương pháp tính toán của cơ học phá hủy đàn hồi và các tiêu chuẩn thử nghiệm tính năng phá hủy đối với các loại vật liệu đều đã được hoàn thiện Phương pháp cơ học phá hủy đàn hồi được ứng dụng vào việc phân tích kết cấu phá hủy giòn và vấn đề phát triển vết nứt mỏi trong kết cấu đều có thể nhận được kết quả có ý nghĩa quan trọng và cần thiết

Bởi vậy, việc nghiên cứu xác định đặc trưng mỏi của mẫu vật liệu cũng như phương pháp xác định độ an toàn mỏi của kết cấu, chi tiết cho phép đánh giá một cách đầy đủ hơn về tình trạng độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy diesel trong quá trình vận dụng hiện nay Từ đó đưa ra các giải pháp ngăn chặn vết nứt mỏi, nâng cao độ bền mỏi, đảm bảo độ tin cậy, độ bền của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trong quá trình vận dụng, khai thác ở đường sắt nước ta là một vấn đề quan trọng, cấp thiết đang được đặt ra

chương 1 tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1 Khỏi niệm về cơ học phỏ huỷ

Cơ học phỏ huỷ là một mụn khoa học được hỡnh thành và phỏt triển trong những năm gần đõy, cơ học phỏ huỷ đó cú những kết quả nghiờn cứu đỏng kể Hệ thống lý luận và phương phỏp đo của cơ học phỏ huỷ sau vài chục năm phỏt triển

và hoàn thiện ngày càng chớnh xỏc hơn Cơ học phỏ huỷ cú tỏc dụng ngày càng quan trọng trong việc thiết kế chống phỏ huỷ, khống chế phỏ huỷ và phõn tớch sự

cố phỏ huỷ kết cấu

1.1.1 Khỏi niệm về độ bền cơ học phỏ huỷ

Từ cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu về cơ học phỏ hủy của cỏc nhà khoa học ta cú thể nhận thấy quan điểm quan trọng nhất của cơ học phỏ huỷ là: Vật liệu và kết cấu đều khụng thể trỏnh khỏi cỏc khuyết tật và vết nứt trong luyện kim và gia cụng; Do

đú, giả định cơ bản của cơ học phỏ huỷ là: trong kết cấu luụn tồn tại vết nứt hoặc những khuyết tật khỏc; Vỡ vậy, đối tượng nghiờn cứu của nú cũng chớnh là kết cấu mang vết nứt Theo quan điểm của cơ học phỏ huỷ, trong cỏc chi tiết hoặc kết cấu

cú vết nứt, chỉ khi trường ứng suất tại đầu vết nứt và kớch thước nứt đạt tới một mức độ nào đú thỡ mới bị phỏ huỷ Trờn cơ sở này, lý thuyết cơ học phỏ huỷ đưa ra một số quan điểm cơ bản và yờu cầu đối với thiết kế chi tiết và kết cấu như sau:

* Đối với kết cấu cụng tỏc cú vết nứt, mức độ mạnh, yếu của trường ứng suất tại đầu vết nứt, cú thể dựng một tham số cơ học phỏ huỷ gọi là hệ số cường độ ứng suất K, để tớnh toỏn: Bất luận hỡnh thức kết cấu và loại hỡnh vết nứt nào thỡ HSCĐUS K đều phải thoả món yờu cầu K ≤ KC / n thỡ mới bảo đảm khụng bị phỏ huỷ, KC là độ dai phỏ huỷ, trị số của nú cú thể dựng thử nghiệm cơ học phỏ huỷ tiờu chuẩn đo được, n là hệ số an toàn

* Đối với kết cấu chịu tải biến động, theo lý thuyết cơ học phỏ huỷ cú thể chia ra hai loại sau để xử lý [10]:

1 Nếu số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K<∆Kth thỡ vết nứt sẽ khụng tiếp tục phỏt triển; ∆Kth là trị số tới hạn của vết nứt phỏt triển thờm, cú thể dựng thử nghiệm tiờu chuẩn để xỏc định

2 Nếu số gia HSCĐUS ∆K>∆Kth thỡ vết nứt sẽ tiếp tục phỏt triển từ từ theo một quy luật nào đú; Nhưng trước khi kớch thước a của vết nứt phỏt triển tới kớch thước tới hạn ath, thỡ kết cấu sẽ khụng phỏt sinh mất ổn định hoặc bị phỏ huỷ Bởi vậy, tốc độ phỏt triển vết nứt của vật liệu da/dN là một lượng đo khả năng chống phỏt triển vết nứt của vật liệu Trờn cơ sở này,với kết cấu cú vết nứt ban đầu là a0

và kớch thước tới hạn là ath, thỡ tuổi thọ phỏt triển vết nứt Np của nú cú thể tớnh

toán như sau:

dN da

da N

0

(l.1)

Bởi vậy, kết cấu có vết nứt kích thước ban đầu a0 dưới tác dụng của tải trọng biến đổi, vết nứt phát triển theo một quy luật nào đó, thì tuổi thọ sử dụng của nó phải hạn chế trong thời hạn N < Np

Theo lý thuyết cơ học phá huỷ, nếu kết cấu thực tế có thể thoả mãn các yêu cầu nêu trên thì kết cấu đó thoả mãn được yêu cầu sử dụng an toàn: Do vậy, đối với thiết kế chống phá huỷ kết cấu thì các tham số cơ bản như: Hệ số cường độ trường ứng suất K, độ dai phá huỷ Kc, số gia HSCĐUS phát triển vết nứt tới hạn

∆Kth và tốc độ phát triển vết nứt da/dN là các chỉ tiêu quan trọng của thiết kế

1.1.2 Ứng dụng của cơ học phá huỷ trong kỹ thuật

Hiện nay, rất nhiều hãng chế tạo trên thế giới như: máy bay, tàu thuyền, đầu máy - toa xe, cầu cống, cơ khí…, đều dùng lý thuyết cơ học phá huỷ để chế định tiêu chuẩn thiết kế kết cấu an toàn và phương pháp đánh giá Ứng dụng của cơ học phá huỷ trong kỹ thuật ta thấy có thể chia ra một số mặt sau:

1 Dùng quan điểm cơ bản và chuẩn tắc độ bền phá huỷ để bổ sung cho lý

thuyết độ bền truyền thống, chỉ đạo việc thiết kế kết cấu, tức là kết cấu thiết kế chẳng những phải thoả mãn các yêu cầu của độ bền truyền thống, mà còn đồng thời thoả mãn yêu cầu của cơ học phá huỷ, đặc biệt là tính năng chống phá huỷ mỏi

2 Dùng lý thuyết cơ học phá huỷ làm căn cứ, đưa ra yêu cầu, đặc biệt là đối

với phương pháp và quá trình công nghệ chế tạo và kiểm tu kết cấu, đưa ra các quy trình tương ứng để vừa thoả mãn yêu cầu ứng dụng vừa đạt hiểu quả kinh tế tương đối cao

3 Dùng lý thuyết cơ học phá huỷ tiến hành phân tích sự cố phá huỷ kết cấu,

đưa ra giải pháp đề phòng và biện pháp giải quyết

4 Lấy việc nâng cao tính chống phá huỷ của kết cấu làm mục đích, nghiên cứu

tạo ra vật liệu mới có tính năng chống phá huỷ tốt

5 Xuất phát từ nghiên lý cơ bản của cơ học phá huỷ, đề xuất phương pháp mới

để ngăn nứt trong thiết kế và kiểm tu kết cấu

Cơ học phá huỷ đàn hồi chẳng những là cơ sở của toàn bộ hệ thống lý luận

cơ học phá huỷ, mà còn là nội dung phát triển thành thục nhất, hoàn thiện nhất trong hệ thống cơ học phá huỷ Cơ học phá huỷ đàn hồi là nền tảng của toàn bộ lý thuyết cơ học phá huỷ Phương pháp phân tích chủ yếu của nó là dùng phương pháp cơ đàn hồi để tiến hành phân tích trường ứng suất tại đầu vết nứt và khu vực

phụ cận Nội dung phân tích bao gồm: Hình dạng, độ lớn, phương vị của vết nứt (hoặc khuyết tật giống vết nứt) và phân tích tính năng vật liệu có vết nứt

1.1.3 Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi

Theo lý thuyết cơ học phá huỷ ta nhận thấy lý thuyết mỏi là một nhánh của

cơ học phá huỷ chuyên nghiên cứu về ứng xử của vật liệu và chi tiết dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian có kể tới ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố, đồng thời nêu ra phương pháp tính toán và những giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ bền mỏi

Các nhà nghiên cứu đã chia lý thuyết mỏi thành hai nhánh nhỏ: mỏi ngắn hạn và mỏi dài hạn

Mỏi ngắn hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng suất nhỏ hơn hoặc bằng l05 Ngược lại mỏi dài hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng

suất lớn hơn l05

a Hiện tượng mỏi (hay sự mỏi): Đó là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian Ứng suất thay đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi ấy phát triển và dẫn tới sự phá hủy vật liệu Sự phá hủy như vậy được gọi là sự phá hủy vì mỏi

b Độ bền mỏi: Đó là tính chất của vật liệu chống lại quá trình phá hỏng vì mỏi

c Độ bền lâu: Độ bền lâu (tuổi thọ) của vật liệu chi tiết là khoảng thời gian làm việc của chúng dưới tác động với một chế độ tải trọng và các yếu tố ảnh hưởng khác mà không bị phá hủy Độ bền lâu thường được tính bằng giờ hoặc bằng số chu trình ứng suất Trong một số lĩnh vực chuyên ngành (ví dụ lĩnh vực đầu máy, toa xe, ôtô, máy kéo), độ bền lâu được tính bằng số kilômét làm việc

d Giới hạn mỏi: Giới hạn mỏi của vật liệu là một trong số những đặc trưng cơ học Cũng như những đặc trưng cơ học khác, muốn xác định giới hạn mỏi của một loại vật liệu nào đấy, ở một điều kiện nào đấy, phải tiến hành thí nghiệm theo một quy chuẩn nhất định

Giới hạn mỏi của vật liệu ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu trình ứng suất cơ sở mà mẫu chuẩn không bị phá hủy

Mỗi một loại vật liệu quy định số chu trình ứng suất cơ sở riêng Gọi No là

số chu trình ứng suất cơ sở Trong những trường hợp đặc biệt, người ta lấy N0 = l07đối với vật liệu kim loại nói chung và N0 = l08 đối với các hợp kim nhẹ có độ bền cao Tùy theo đặc trưng của chu trình ứng suất, giới hạn mỏi có thể được xác định ở chu trình ứng suất đối xứng, chu trình ứng suất mạch động hoặc ở chu trình ứng suất phi đối xứng

e Đường cong mỏi: Đường cong mỏi là đường cong biểu diễn mối liên hệ giữa các ứng suất thay đổi với các số chu trình ứng suất tương ứng

Ứng suất thay đổi có thể là ứng suất lớn nhất hoặc là biên độ ứng suất

Đường cong mỏi cổ điển S = f(N) còn gọi là đường cong Veller (Wohler's Curve)

1.1.4 Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi

Để đánh giá quá trình phá hủy mỏi, các nhà nghiên cứu về phá hủy mỏi đưa

ra những chỉ tiêu sau đây:

a Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng [17]

Nếu gọi S là ứng suất, N số chu trình ứng suất tương ứng thì chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng lần lượt là:

Sim Ni = const (l.2)

hay Fn = S(N /n)Kn (dạng thức đựơc sử dụng tại Mỹ và Anh), (l.3) trong đó: Fn - độ bền mỏi ứng với n chu trình;

S - ứng suất ứng với N chu trình;

Kn - số mũ đường cong mỏi Wohler

và chỉ tiêu biến dạng: ep Np k

bd = Ce (l.4) trong đó: ep - độ dãn dài tới hạn tại lúc phá hủy;

Np - số chu trình ứng suất tại lúc phá hủy;

Kbd - số mũ (≈ 0,01 ÷ l,0);

Ce - hằng số

b Chỉ tiêu về năng lượng

CE Feltner và J.D Marlow đưa ra chỉ tiêu này với nội dung sau: sự phá hủy mỏi bắt đầu xảy ra tại thời điểm khi mà tổng số năng lượng tản mác (quá trình này chỉ xảy ra một chiều) đạt tới giá trị đúng bằng công biến dạng riêng khi chất tải tĩnh Các tác giả trên đã tính được trị số tới hạn của năng lượng tản mác trong vật liệu sau N chu trình ứng suất là:

∫

∆

= ε ε

σ

0

O

K

n D

khởi xướng thuyết cấu trúc - năng lượng và đưa ra chỉ tiêu phá hủy [18]:

2

1

m p

p

N

βγ

Và

E T c

G L

b p

T m t

β

trong đó: Nc - tuổi thọ ứng với ứng suất Sc;

cp - nhiệt dung riêng của kim loại ở nhiệt độ 20oC

Tb - nhiệt độ sôi tuyệt đối; E - mô đun đàn hồi (Young's Modulus); G – Mô đun trượt (Shear Modulus); LT = ẩm nhiệt sôi; γ - trọng lượng riêng; A - đương lượng

cơ của nhiệt; βm hằng số, giá trị trung bình: βm = 8,5 kG/ mm2

c Chỉ tiêu về vết nứt mỏi

Động học của quá trình phá hủy mỏi bao giờ cũng gồm có các giai đoạn xuất hiện, hình thành, phát sinh và phát triển vết nứt Vết nứt mỏi lan truyền với tốc độ nhất định và khi đạt được tốc độ truyền âm trong vật liệu thì sự phá hủy hoàn toàn xảy ra Sự tích lũy phá hỏng mỏi thì diễn tiến cả quá trình, còn sự phá hủy hoàn toàn thì xảy ra tức thời Gọi v là tốc độ lan truyền vết nứt, người ta đã xây dựng được quan hệ:

f(S F C)

dN

da

v= = , , (l.9) trong đó: S - trạng thái ứng suất ;

F - đặc trưng hình học của chi tiết ;

C - điều kiện vật liệu và điều kiện làm việc của chi tiết

1.2 Bản chất sự phá huỷ mỏi

Các công trình nghiên cứu về phá hủy mỏi đã cho thấy sự phá huỷ mỏi là kết quả của các biến dạng dẻo và đàn hồi luân phiên nhau, lặp lại nhiều lần, phân bố không đều trên toàn bộ thể tích chi tiết do tính không đồng nhất vật liệu, những hư hỏng đầu tiên xuất hiện trong các vi khối định hướng không thuận lợi so với tác động của tải trọng, chịu trước các ứng suất dư và bị yếu bởi các khuyết tật cục bộ Tích tụ dần dần tổng cộng lần lượt, những hư hỏng cục bộ bắt đầu sự phá huỷ tổng quát đối với chi tiết [14]

Sự toả nhiệt phát sinh trong các vi khối bị biến dạng đóng vai trò to lớn trong các quá trình hư hỏng mỏi Do nhiệt độ tăng nên độ bền mỏi vật liệu trong các vi khối giảm xuống, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành những

sự trượt dẻo mới, mà đến lượt mình, lại tạo khả năng nâng cao nhiệt độ

Quá trình xuất hiện vết nứt mỏi gồm vài giai đoạn (hình 1.1) Các vết nứt phát sinh ở những giai đoạn đặt tải đầu tiên tại các gianh giới các khối tinh thể như

là kết quả sự trượt dẻo của vài mặt phẳng tinh thể, song song với các tác động các ứng suất tiếp tuyến cực đại, nghĩa là hướng nghiêng một góc 450 với các ứng suất kéo (các ứng suất tám mặt) Tuỳ theo định hướng các mầm tinh thể, những sự trượt

có thể diễn ra trong một mặt phẳng, đồng thời ở hai mặt phẳng (hình 1.1 III a, b) hoặc ở ba mặt phẳng (hình 1.1 III c) [14]

Hình 1.1 Sự định hướng các mầm tinh thể so với các lực tác động

I, II - thuận lợi; III - không thuận lợi

Hình 1.2 Sự xuất hiện các vết nứt mỏi

Ở một giai đoạn đặt tải nhất định, các tầng kim loại giống như là một bức tranh khảm hạt bị biến dạng dẻo (hình 1.2a) và các hạt chịu ứng suất ít hơn do sự định hướng thuận hơn các mặt phẳng tinh thể so với các ứng suất tiếp tuyến Sự biến dạng dẻo - đàn hồi tổng quát của kim loại là do sự giãn của các hạt bị quá ứng suất, do sự trượt giữa các hạt và do sự xoay các hạt với nhau

Sự hình thành các vết nứt mầm kết tinh trong phạm vi hạt là kết quả của sự tăng số lượng có định hướng và sự dịch chuyển (khuếch tán) các biến dạng lỗ trống tới các ranh giới hạt Tốc độ khuếch tán tỷ lệ với ứng suất và nhiệt độ và tất nhiên

là được sự gia tốc nhờ sự nung nóng tế vi vật liệu

Sự tích tụ lỗ trống gây ra sự phân tán cấu trúc, làm xuất hiện các lỗ rỗ á tế vi

thí nghiệm đã chứng minh, có thể chữa các hư hỏng đầu tiên bằng cách ủ khuếch tán (ram) ở 500- 600 0C

Nếu ứng suất tiếp tục tác động thì quá trình hư hỏng sẽ phát triển Các biến

vị dần dần lan toả bề mặt hạt (hình 1.2b) Tại đây, chuyển động của chúng bị ngừng lại chủ yếu do sự ngăn chặn được tạo bởi sự định hướng tinh thể khác của các hạt kề cận; tính tái định hướng các mặt phẳng kết tinh dẫn đến sự làm nghẽn trượt dẻo

Một chướng ngại khác là các lớp xen giữa các hạt (tính dễ chẻ của bề mặt)

có được do sự xuất hiện các tạp chất bởi mạng tinh thể - nguyên tử biến dạng mạnh, đôi khi khác hẳn mẫu dạng mạng tinh thể hạt Hình thành các rào cản giữa các mặt, kìm hãm có hiệu quả sự lan toả các hư hỏng Để vượt qua rào cản này cần phải có một ứng suất rất lớn gây ra sự trượt bên trong tinh thể

Ở một giai đoạn nhất định sẽ diễn ra sự phá vỡ hàng loạt các biến vị qua các lớp xen giữa các hạt và sự chuyển vết nứt tới hạt kề cận Ứng suất đánh thủng phụ thuộc vào độ bền lớp xen giữa các hạt và mức tái định hướng các mặt phẳng kết tinh các hạt kề cận Dễ vượt qua hơn cả là các lớp xen giữa các hạt có các mặt phẳng kết tinh định hướng như nhau Nhưng hiếm có các trường hợp phân bố kề cận các tinh thể định hướng như nhau

Trị số trung bình của ứng suất cần thiết để vượt qua rào cản giữa các hạt quyết định sức bền mỏi của vật liệu Giới hạn mỏi có thể được xem xét như là mức trung bình ứng suất mà trong đó các vết nứt vẫn còn trong phạm vi các hạt và được chữa một phần hoặc chữa hoàn toàn trong các giai đoạn nghỉ

Sức cản của vật liệu đối với sự trượt bên trong hạt phụ thuộc vào các tính chất cơ lý của vật liệu và vào cấu trúc tinh thể mịn của hạt

Chuyển động của các lỗ trống bị kìm hãm bởi sự tích tụ các nguyên tử tạp, bởi các gianh giới pha và gianh giới các thành phần cấu trúc, bởi các bề mặt của các khối tinh thể (sự hình thành tinh thể bên trong hạt với kích thước vài trăm micrômet)

Ra khỏi phạm vi các hạt, vết nứt phát triển tăng vọt biến thành vết nứt nhìn thấy được và đổi hướng, chạy theo các đoạn vật liệu yếu nhất gần như vuông góc với hướng tác động của các ứng suất cực đại (hình 1.2c) Sự phát triển vết nứt tăng nhanh là do sự tập trung ứng suất đột ngột xuất hiện ở nền vết nứt Sự nóng lên diễn ra khi phá huỷ cục bộ đã làm mềm kim loại, tạo điều kiện thuận lợi cho sự lan toả vết nứt Vết nứt nhìn thấy được có thể phát triển dưới tác động của ứng suất thấp hơn nhiều so với các ứng suất cần thiết để vượt qua rào cản giữa các hạt, trong

khi đó các ứng suất cần thiết để làm lan toả vết nứt sẽ giảm bớt theo mức phát triển của vết nứt [14]

Một số lượng lớn các vết nứt phát triển đồng thời (hình 1.2d) Vài vết nứt chạm phải chướng ngại, dừng lại; Những vết nứt khác tiếp tục phát triển Ở một giai đoạn nhất định, quá trình bị hạn chế trong một phạm vi nhất định; chủ yếu lan rộng một vết nứt hoặc một nhóm vết nứt gần nhau trội hơn các vết nứt khác do trên đoạn đã cho tập trung nhiều khuyết tật vật liệu, do sự quá ứng suất cục bộ, hoặc do

sự định hướng không thuận lợi của các tinh thể so với các ứng suất tác động Các vết nứt gần nhau liên kết lại tạo ra hệ phân nhánh sâu Những sự trượt dẻo mới và các vết nứt không xuất hiện nữa, còn những gì đã kịp hình thành thì ngưng lại hoặc phát triển chậm do tất cả các biến dạng đã chấp nhận vết nứt chính Sự lan toả vết nứt chính cuối cùng dẫn đến sự phá huỷ chi tiết do giảm tiết diện thực của chi tiết

Trái ngược với giai đoạn đầu, sự xuất hiện các vết nứt bên trong hạt và giữa các hạt, phát triển trong một thời gian dài, sự phá huỷ kết thúc diễn ra một cách đột ngột và mang đặc tính của sự gãy giòn

Trên những chỗ gãy mỏi thường phát hiện được hai vùng Vùng phát triển mỏi có bề mặt mờ dạng đồ sứ, là đặc tính của những chỗ gãy có sự phá huỷ kết tinh trực giao trội hơn Ở các mép vết nứt thường thấy rõ những đoạn biến cứng được miết phẳng đến mức có độ ánh - đó là kết quả của sự va đập, ép nén và mài mòn các thành vết nứt khi vật liệu biến dạng tuần hoàn Vùng phá huỷ kết thúc có

bề mặt tinh thể mang đặc tính gãy giòn có sự phá huỷ giữa các tinh thể trội hơn (ví

dụ gãy va đập, gãy vật liệu giòn)

Trong vùng phá huỷ thường thấy hoa văn dải hình thành từ một loại các đường song song – các vết chuyển động nhảy vọt của vết nứt tuỳ theo mức tích tụ

hư hỏng

Các vết nứt đầu tiên hầu như luôn xuất hiện (ngoại trừ các chi tiết có khuyết tật lớn bên trong) ở lớp bề mặt dày gần bằng ba tiết diện ngang của hạt (đối với thép, trung bình 0,05 – 0,20mm) Thường xuyên hơn cả, các vết nứt được hình thành trong các hạt bề mặt bị hư hỏng do tác động của việc gia công cơ khí trước đó

Như vậy, lớp bề mặt có ý nghĩa quyết định đối với sức bền mỏi Thứ nhất, trong phần lớn các dạng đặt tải, lớp bề mặt phải chịu ứng suất cực đại Sự sắp xếp các nguyên tử ở lớp bề mặt dày đặc hơn các lớp nằm dưới Do tác động tương hỗ với các lớp nằm dưới ít dày đặc hơn nên trong lớp bề mặt xuất hiện các ứng suất kéo và hình thành sự phân tán là các nguồn thế năng tạo ra vết nứt

Thứ hai, các hạt kim loại đi tới bề mặt, vốn có các liên kết kim loại chỉ một chiều với kim loại nằm bên dưới, lại có hoạt tính cao, dễ liên kết với các hạt của môi

trường xung quanh Trên bề mặt hình thành các màng hút bám hơi, khí ẩm, dầu v.v…chắc chắn mà không thể loại trừ được bằng các phương pháp cơ khí và hoá học thông thường Các màng hút thu thấm qua các vết nứt tế vi vào sâu trong kim loại và phá vỡ liên tục của kim loại và gây ra sự yếu lớp sát bề mặt

Thứ ba, cần chú ý tới các yếu tố công nghệ Lớp bề mặt luôn bị hư hỏng nhiều hoặc ít bởi việc gia công trước đó Việc gia công cơ khí, về bản chất, là quá trình biến dạng dẻo và phá huỷ kim loại, nó xẩy ra cùng với sự cắt hạt, làm tróc và bứt hạt, cùng với sự xuất hiện các vết nứt tế vi và cùng với sự xuất hiện ở các lớp

bề mặt và sát bề mặt các ứng suất kéo tổng cộng gần tới giới hạn chảy của vật liệu

Sự toả nhiệt khi gia công cơ khí gây ra sự tái kết tinh một phần lớp bề mặt, đôi khi còn đi với sự biến đổi pha và biến đổi cấu trúc

Khi nung nóng trong quá trình xử lý nhiệt, ở lớp bề mặt thường diễn ra sự thay đổi pha và thay đổi hoá học ví dụ trong các loại thép - sự khử cacbon (phân huỷ xenmentit cùng với sự hình thành lớp vỏ pherit không bền)

Thứ tư, bề mặt kim loại bị tấn công của tất cả các dạng ăn mòn gặp trong khai thác gây ra những hư hỏng ăn sâu lớp bề mặt Sự ăn mòn thường lan toả theo các lớp xen giữa các hạt và theo các vết nứt tế vi

Như vậy, ở lớp bề mặt tập trung nhiều loại khuyết tật khác nhau như khuyết tật trông thấy, khuyết tật tế vi, khuyết tật á tế vi do các yếu tố vật lý, hoá học, cơ khí gây ra và những khuyết tật không thể tránh khỏi theo các điều kiện công nghệ hình thành lớp bề mặt, cũng như do vai trò đặc biệt của lớp bên ngoài như là một bề mặt phân chia giữa kim loại và môi trường xung quanh Lớp bề mặt là nơi tập trung ứng suất vốn có của từng chi tiết Có thể làm giảm bớt ảnh hưởng của nó bằng một tập hợp các biện pháp nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn

Tất cả các yếu tố phá vỡ tính liên tục tính đồng nhất của lớp bề mặt và tạo ra các nguồn ứng suất đứt gãy cao đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển các vết nứt đầu tiên và làm giảm rõ rệt độ bền tuần hoàn của vật liệu Ngược lại, sự nén chặt (làm khít) cấu trúc bản chất phân tán của lớp bề mặt, tạo các ứng suất nén sơ

bộ trong lớp bề mặt dù không sâu lắm (biến cứng, cán lăn) cũng nâng cao đáng kể sức kháng tải trọng tuần hoàn của vật liệu

1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá

Từ các công trình nghiên cứu về độ bền kết cấu ta nhận thấy độ bền kết cấu

là một đặc trưng tổng hợp bao gồm các chỉ tiêu độ bền, độ tin cậy và độ bền lâu Các chỉ tiêu độ bền của vật liệu được chọn theo điều kiện làm việc của nó Các chỉ tiêu độ bền khi chịu tải tĩnh là giới hạn bền hay giới hạn chảy, chúng đặc trưng cho sự chống lại biến dạng dẻo của vật liệu

Đa số các chi tiết chịu tải tuần hoàn lâu dài Chỉ tiêu độ bền của chúng là giới hạn mỏi σR (khi uốn đối xứng σ- 1) Theo các chỉ tiêu đã chọn sẽ tính ứng suất làm việc cho phép Khi đó, độ bền vật liệu càng cao thì ứng suất làm việc cho phép càng lớn và do đó kích thước và khối lượng của chi tiết càng nhỏ

Tuy nhiên, độ bền vật liệu và cũng là ứng suất làm việc cao, kéo theo việc tăng biến dạng đàn hồi: εđh = σb/E, trong đó E là môđun đàn hồi pháp Để hạn chế

biến dạng đàn hồi vật liệu cần có môđun đàn hồi cao, đó là chỉ tiêu về tính bền vững của nó Chính chỉ tiêu này, chứ không phải độ bền, sẽ đảm bảo cho kích thước của các chi tiết, các kết cấu…và hình dáng của chúng giữ được chính xác

Độ tin cậy là tính chất của vật liệu chống lại phá huỷ giòn Phá huỷ giòn gây

ra sự hỏng bất ngờ chi tiết khi đang làm việc Nó được xem là nguy hiểm nhất bởi xảy ra với tốc độ lớn ở ứng suất thấp hơn giá trị thiết kế, cũng như bởi các hậu quả những tai hại có thể xảy ra [2]

Để phòng ngừa phá huỷ giòn, các vật liệu kết cấu cần có đủ độ dẻo (δ, Ψ) và

độ dai va đập Tuy nhiên, các thông số của độ tin cậy, được xác định trên các mẫu thí nghiệm không lớn và không tính đến các điều kiện làm việc của một chi tiết cụ thể, chỉ nên dùng cho các vật liệu mềm kém bền Đồng thời, tham vọng giảm lượng kim loại của kết cấu dẫn đến việc sử dụng rộng rãi hơn các vật liệu bền cao, và tất nhiên, kém dẻo hơn với xu hướng phá huỷ giòn cao hơn Cũng cần tính đến là trong điều kiện làm việc sẽ có tác động của các yếu tố làm giảm thêm độ dẻo và độ dai của chi tiết và tăng thêm nguy cơ phá huỷ giòn Các yếu tố đó có thể là nơi tập trung ứng suất, nhiệt độ thấp, tải động, tăng kích thước chi tiết (yếu tố kích thước)

Để tránh các sự cố đột ngột trong điều kiện làm việc, cần tính cả độ bền nứt của vật liệu Đó là một nhóm các thông số về độ tin cậy, đặc trưng cho khả năng vật liệu hãm lại sự phát triển của vết nứt

Qua các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, các vật liệu bền cao có một độ dẻo xác định, nên đối với chúng, nguy hiểm thực sự không phải

là các vết nứt kích thước bất kỳ, mà chỉ khi vết nứt có chiều dài tới hạn a Sự phát triển vết nứt kích thước trước tới hạn sẽ bị biến dạng trong nó kìm hãm Nhưng khi

có sự phối hợp xác định giữa ứng suất làm việc và chiều dài khuyết tật thì trạng thái cân bằng của vết nứt bị phá vỡ và phá huỷ tự phát sẽ xảy ra

Đánh giá độ tin cậy của các vật liệu bền cao theo kích thước khuyết tật cho phép (nhỏ hơn tới hạn), các nhà nghiên cứu đã đưa ra chỉ tiêu K và được dùng nhiều nhất Chỉ tiêu K gọi là HSCĐUS tại đỉnh vết nứt

Chỉ tiêu K đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I (biến dạng phẳng do kéo, tại đó bề mặt của vết nứt tách xa nhau ra theo phương vuông góc với phương

dịch chuyển của vết nứt) được kí hiệu là KI, còn khi đạt trị số tới hạn, lúc vết nứt

ổn định chuyển sang không ổn định, ký hiệu là KIC Tiêu chuẩn KIC cho biết ứng suất gần đỉnh vết nứt đạt tới giá trị (cường độ) nào tại thời điểm phá huỷ Nó liên hệ ứng suất trung bình σtb đặt vào với chiều dài tới hạn a của vết nứt [2]:

K IC =σtb α π .a (1.10) Trong đó: α - hệ số không thứ nguyên, đặc trưng cho hình học của vết nứt

Từ biểu thức (1.10) suy ra KIC có thứ nguyên là MPa.mm1/2

Trị số KIC được xác định bằng thực nghiệm theo tiêu chuẩn nhất định

Đại lượng KIC phụ thuộc vào mức độ biến dạng dẻo tại đỉnh vết nứt và đặc trưng khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt dẻo/dai Vì lẽ đó chỉ tiêu KIC

được gọi là độ dai phá huỷ Nó càng lớn khi khả năng chống phá huỷ dẻo và độ tin cậy của vật liệu càng cao Ngoài đặc trưng định tính cho độ tin cậy, KIC còn bổ sung cho các thông số σc và E khi tính độ bền các chi tiết làm từ vật liệu bền cao

Nó cho phép xác định kích thước an toàn của vết nứt tại một ứng suất làm việc nhất định, hay ngược lại, ứng suất an toàn khi khuyết tật có kích thước đã biết

Độ bền lâu là tính chất vật liệu chống lại sự phát triển của phá huỷ từ từ (từ chối dần dần), tạo cho chi tiết có khả năng làm việc trong một thời gian định trước (dự trữ) Nguyên nhân mất khả năng làm việc (từ chối dần dần) rất đa dạng: quá trình mỏi phát triển, bị mài mòn, rão, ăn mòn, rộp do bức xạ….Các quá trình này sẽ tích tụ dần các chỗ hư hỏng không hồi phục được trong vật liệu và dẫn tới phá huỷ Tạo độ bền lâu cho vật liệu có nghĩa là làm giảm tốc độ phá huỷ tới các trị số cần thiết

Độ bền mỏi đặc trưng cho khả năng làm việc của vật liệu trong điều kiện chu trình ứng suất được lặp lại nhiều lần Chu trình ứng suất là tập hợp những biến đổi ứng suất giữa hai giá trị giới hạn σmax và σmin của nó trong một chy kỳ T

Thường phân biệt các chu trình đối xứng (r = -1) và không đối xứng (r thay đổi trong khoảng rộng) Các dạng chu trình khác nhau đặc trưng cho các chế độ làm việc khác nhau của chi tiết

Quá trình tích tụ dần dần hư hỏng trong vật liệu dưới tác động của các tải tuần hoàn, dẫn tới sự thay đổi tính chất của nó, tới sự hình thành và phát triển các vết nứt, tới sự phá huỷ, được gọi là mỏi; còn tính chống lại phá huỷ do mỏi gọi là

độ bền mỏi

Có thể tóm tắt phá huỷ mỏi so sánh với phá huỷ tĩnh có một loạt các đặc điểm sau đây [2]:

1 - Nó xảy ra ở ứng suất khi tải tĩnh, nhỏ hơn giới hạn chảy hay giới hạn bền tĩnh

2 - Phá huỷ bắt đầu trên bề mặt (hoặc gần đó), tại các nơi có tập trung ứng suất (biến dạng) cục bộ Tập trung ứng suất cục bộ tạo ra bởi các hư hỏng bề mặt do tải

tuần hoàn hoặc do các rãnh khía dạng vết gia công, do tác động của môi trường

3 - Phá huỷ xảy ra theo một vài giai đoạn, đặc trưng cho các quá trình tích tụ hư hỏng trong vật liệu, sự hình thành vết nứt mỏi, sự phát triển dần dần và hợp nhất của một vài vết thành một vết nứt rộng và sự phá huỷ nhanh

4 - Phá huỷ có một tổ chức gẫy đặc trưng, phản ảnh lần lượt các quá trình của mỏi Mặt gẫy bao gồm ổ phá huỷ (nơi sinh vết nứt tế vi) và hai vùng-mỏi và gẫy Ổ phá huỷ tiếp giáp ngay bề mặt, có kích thước không lớn và bề mặt nhẵn Vùng mỏi

do các nấc phát triển vết nứt mỏi tạo ra Trong vùng này thấy rõ các nếp nhỏ có dạng các đường tròn, chứng tỏ vết nứt mỏi dịch chuyển theo từng bước Vùng mỏi

sẽ phát triển cho đến khi trong miền tiết diện làm việc đang nhỏ dần, ứng suất tăng đến mức gây ra phá huỷ tức thời Vùng gẫy đặc trưng cho giai đoạn phá huỷ cuối cùng này

Dựa vào các kết quả thử mỏi các mẫu (theo các tiêu chuẩn thử nghiệm) sẽ đánh giá khả năng làm việc của vật liệu trong điều kiện tải tuần hoàn Thử được tiến hành trên các thiết bị đặc biệt, tạo ra tải tuần hoàn trong vật liệu (kéo - nén, uốn, xoắn) Mẫu được thử lần lượt ở các mức ứng suất khác nhau, đồng thời xác định số lượng chu trình cho đến khi phá huỷ Kết quả thử được biễu diễn ở dạng đường cong mỏi, trong toạ độ loga: ứng suất cực đại của chu trình σmax (hoặc σa)-

2 Độ bền tuần hoàn lâu - số lượng chu trình (hay là số giờ làm việc) mà vật liệu

có thể chịu được cho đến khi tạo ra vết nứt mỏi có độ lớn xác định hoặc cho đến khi xảy ra phá huỷ mỏi ở ứng suất đã cho Độ bền lâu cũng có thể là không giới hạn (khi σmax < σ-1) và giới hạn (khi σmax > σ-1)

Đường cong mỏi trong vùng độ bền lâu hạn chế được xác định trên cơ sở gia công thống kê các kết quả thử nghiệm Phải làm như vậy vì độ bền lâu khá phân tán do nó rất nhạy với trạng thái bề mặt mẫu

Độ bền lâu và bền mỏi tuần hoàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó tổ chức, trạng thái ứng suất lớp bề mặt, chất lượng bề mặt và tác động của môi trường

ăn mòn, có ý nghĩa quyết định Sự có mặt ứng suất dư nén trên bề mặt sẽ làm cho vết nứt mỏi khó hình thành và phát triển, và tất nhiên là tăng giới hạn mỏi Ảnh hưởng rất xấu là ứng suất dư kéo và các kiểu tập trung ứng suất:

- Do kết cấu - sự thay đổi hỡnh dỏng tiết diện chi tiết: dạng quả tạ hai đầu, lỗ, kờnh, trạm trổ.v.v

- Do cụng nghệ - ghồ ghề tế vi bề mặt, vết xước, và cỏc vết gia cụng cơ khỏc;

- Do luyện kim - cỏc khuyết tật bờn trong dạng lỗ trống, xỉ, tạp phi kim (ụxit, sunfua Silicat.v.v )

Ảnh hưởng của tập trung ứng suất được đỏnh giỏ bằng hệ số tập trung ứng suất hiệu dụng Kσ= σ−1/σ−1k Đú là tỷ số giới hạn mỏi của một mẫu nhẵn σ−1 và giới hạn mỏi của chớnh mẫu đú cú tập trung ứng suất σ−1k

Giới hạn mỏi cũng sẽ giảm khi tăng kớch thước chi tiết (yếu tố kớch thước) và giảm mạnh hơn khi cú ảnh hưởng của mụi trường ăn mũn, gõy ra hư hại bề mặt dưới dạng cỏc chỗ lừm sõu, cỏc lưới vết nứt và cỏc kiểu tập trung ứng suất khỏc

Ảnh hưởng phối hợp của cỏc yếu tố khỏc nhau đến giới hạn mỏi khi thiết kế được đỏnh giỏ bằng hệ số (Kσ)D= σ−1/(σ − 1k)D, nú cho biết số lần mà giới hạn

mỏi của mẫu nhẵn đường kớnh 10 mm lớn hơn giới hạn mỏi của chi tiết:

(K σ )D = (Kσ/εσ+ 1/β - 1 ) (1/ βhb) (1.11) trong đú: εσ- yếu tố kớch thước, đặc trưng sự giảm khả năng đó cú của chi tiết khi tăng kớch thước ngang; β - hệ số tớnh đến ảnh hưởng của độ nhỏm bề mặt (trong mụi trường ăn mũn được thay bằng βawm); βhb - hệ số đặc trưng hiệu quả hoỏ bền bề mặt

Từ biểu thức (1.11) suy ra rằng, ảnh hưởng của cỏc yếu tố đến khả năng sẵn

cú của chi tiết càng yếu nếu trị số của cỏc hệ số Kσ, εσ và β càng gần bằng 1 và hệ

T ; chỳng đỏnh giỏ độ tin cậy của vật liệu khi làm việc;

4 Độ bền lõu tuần hoàn, tốc độ mài mũn, róo, ăn mũn; chỳng sẽ xỏc định độ bền lõu của vật liệu

1.4 Tổng quan về đầu máy diesel truyền động điện D19E vận dụng trên ĐSVN

1.4.1 Khỏi quỏt về đầu mỏy D19E

Theo yêu cầu phát triển của ngành ĐSVN với mục tiêu phấn đấu kéo khoẻ, chạy nhanh, rút ngắn giờ chạy tàu, không ngừng nâng cao chất lượng vận tải, mà trọng điểm là tuyến đường sắt Thống nhất Ngành ĐSVN đã hợp đồng với Đường

sắt Trung Quốc chế tạo 40 đầu máy diesel TĐĐ loại CKD7F có ký hiệu D19E Được đưa vào Việt Nam sử dụng từ năm 2002 Bộ phận chạy là giá chuyển hướng loại 3 trục với 13 tấn / trục Đầu máy có thiết kế các hệ thống điều khiển bằng vi

xử lý, hệ thống đón nhận tín hiệu tự động, hệ thống cấp gió 2 đường và bộ phận hãm điện trở Đầu máy có kết cấu của giá chuyển hướng hiện đại, nhưng chất lượng của KGCH đầu máy đợt đầu đang vận dụng tại Xí nghiệp đầu máy Hà Nội chưa đạt yêu cầu

Năm 2006 – 2007, Nhà máy xe lửa Gia Lâm – Đường sắt Việt Nam, đã tiến hành lắp ráp 20 đầu máy D19E trên cơ sở nhập các tổng thành từ Trung Quốc, giao cho Xí nghiệp đầu máy Hà Nội và Xí nghiệp đầu máy Sài Gòn, nâng tổng số đầu máy D19E của mỗi xí nghiệp lên 30 máy

Đầu máy D19E đang là sức kéo chủ công trên tuyến Đường sắt thống nhất

để kéo các tầu khách Quá trình khai thác vận dụng đã phát huy được nhiều ưu điểm của nó và đang được đánh giá cao Một vài nhược điểm của đầu máy này cũng đã và đang được khắc phục triệt để Song vẫn có thể khẳng định được rằng đầu máy D19E là loại đầu máy có chất lượng cao, công nghệ tiên tiến, phù hợp với khả năng, điều kiện hiện có và yêu cầu, đặc điểm vận dụng trên các tuyến đường của ĐSVN

Qua việc phân tích các đặc điểm cơ bản nhất của bộ phận chạy của đầu máy D19E là mỗi đầu máy có 2 giá chuyển hướng, mỗi giá chuyển hướng có 3 bộ TBX Giá chuyển hướng của đầu máy có nhiệm vụ đỡ toàn bộ phần trọng lượng của đầu máy từ giá xe truyền xuống, đồng thời truyền các lực kéo và lực hãm từ bánh xe lên giá xe đầu máy Mặt khác giá chuyển hướng còn tiếp nhận toàn bộ các lực tác dụng theo cả hai phương thẳng đứng và nằm ngang xuất hiện trong quá trình đầu máy chuyển động để truyền các lực đó từ đầu máy xuống đường và ngược lại Các

bộ phận của giá chuyển hướng làm việc trong điều kiện rất nặng nhọc và phải thực hiện những nhiệm vụ hết sức phức tạp Do đó những giá chuyển hướng của đầu máy hiện đại, có công suất lớn và tốc độ cao phải thoả mãn những yêu cầu về độ bền, độ tin cậy, động lực học, bảo dưỡng sửa chữa…

1.4.2 Tình hình vận dụng đầu máy D19E đang sử dụng trên ĐSVN

Ngành ĐSVN đang khai thác 60 đầu máy D19E, sau thời gian khai thác đầu máy D19E đã phát huy được hiệu quả trong điều kiện hạ tầng của ĐSVN còn

thấp kém Đây là loại đầu máy có công suất phù hợp với hướng phát triển của toàn ngành Đường sắt về sức kéo

Qua thống kê ta thấy đầu máy D19E có số km chạy bình quân trong một ngày là lớn nhất nhưng trở ngại chậm giờ tàu do nó gây ra lại là nhỏ nhất

* Tình hình khai thác đầu máy D19E

Hiện nay có 40 đầu máy đổi mớí D19E đang khai thác trên ĐSVN do nhà máy Tư Dương Trung Quốc chế tạo, ngành đường sắt nhập về theo 3 đợt:

- Đợt 1: Gồm 10 đầu máy số hiệu D19E 901-910, tiếp nhận và đưa vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy Hà Nội từ tháng 1/2002

- Đợt 2: Gồm 10 đầu máy mang số hiệu D19E 911-920, tiếp nhận và đưa vảo quản lý, khai thác ở Xí nghiệp đầu máy Sài Gòn từ tháng 12/2002

- Đợt 3: Gồm 20 đầu máy mang số hiệu D19E 921-940, tiếp nhận tháng 8/2004, đưa 10 Đầu máy từ 921-930 vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy

Hà Nội từ tháng 8/2004; đưa 10 đầu máy từ 931-940 vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy Sài Gòn từ tháng 9/2004

* Sự cố hư hỏng giá chuyển hướng đầu máy D19E:

Lô đầu tiên, sau khi khai thác được một năm, sử dụng được khoảng hơn

100 000 km thì phát hiện nứt xà dọc chính tại vị trí lắp chốt cơ cấu truyền lực kéo, vết nứt phát sinh, phát triển vào tôn thép cơ bản của xà dọc KGCH

- Đầu máy D19E – 902 ngày 28 / 01 / 2003 km chạy: 113 091 km

- Đầu máy D19E – 904 ngày 10 / 8 / 2004 km chạy: 219 223 km

Hình 1.3 Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902

Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm

đứng xà dọc KGCH 2

- Đầu máy D19E – 902 ngày 07 / 04 / 2005 Sau khi gia cường

Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm

đứng xà dọc KGCH

- Đầu máy D19E – 905 ngày 06 / 04 / 2005 km chạy: 230 786 km

Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm

đứng xà dọc KGCH

Nhà máy Tư Dương - Trung Quốc đã khắc phục bảo hành bằng cách mang

một số tấm tôn thép và que hàn từ Trung Quốc sang để hàn táp vào các vị trí nứt và

các vị trí khác nghi là sung yếu Đồng thời phía Trung Quốc tổ chức một đoàn

khảo sát gồm các nhà khoa học của Bộ Đường sắt Trung Quốc và Trường Đại học

Giao thông Tây Nam Thành Đô, mang theo thiết bị đo đạc, khảo sát độ biến dạng

đàn hồi tại các vị trí xung yếu trên KGCH và bánh xe

Ngành ĐSVN đã tạo điều kiện, lập các đoàn tàu theo yêu cầu của phía

Trung Quốc, để tiến hành khảo sát Đồng thời ngành ĐSVN cũng tổ chức mời

Viện Cơ học Việt Nam cùng tiến hành đo đạc khảo sát độc lập, để có số liệu đôi

chứng với phía Trung Quốc

Ngày 06 / 4 / 2010 một trong 2 KGCH của đầu máy 907 của đợt đầu tiên đã

được phía Trung Quốc khắc phục các vị trí xung yếu lại xuất hiện các vết nứt dài

qua tấm cạnh và tấm dấy dưới của xà dọc KGCH

Vì vậy luận án chỉ tập trung nghiên cứu chủ yếu cho đối tượng là loại đầu

máy D19E đại diện cho các đầu máy diesel TĐĐ đang khai thác trên ĐSVN

Hình 1.4 Vết nứt trên tấm cạnh ngoài và tấm đáy của xà dọc KGCH số 907

1.5 Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở trong và ngoài nước

1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở ngoài nước

Hiện nay các nghiên cứu về mỏi trên thế giới khá đa dạng và phong phú với các trường phái khác nhau các phương pháp khác nhau Mỗi trường phái, mỗi phương pháp nghiên cứu đều cần đến nhiều loại thiết bị và thí nghiệm khác nhau, dẫn đến việc nghiên cứu ngày càng phức tạp và tốn kém Mặc dù vậy kết quả nghiên cứu theo các phương pháp khác nhau nhiều khi không mang lại các kết quả như nhau Liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu về mỏi của kết cấu trên đầu máy, toa xe nói chung và trên đầu máy nói riêng, có thể điểm qua một số công trình sau đây:

a Một số nước như Australia, Mỹ, Nhật… đã dùng giản đồ Haigh để tính độ bền mỏi và tính toán phá huỷ mỏi của TBX đầu máy

Đường thẳng Goodman trên giản đồ Haigh hình 1.5 có thể được coi là đường xấp xỉ của các số gia ứng suất mà vật liệu có thể chịu đựng được trong thời gian vô tận

Hình 1.5 Giản đồ Haigh Như đã biết

−

=

Cách diễn tả theo Haigh có ưu điểm là các số gia ứng suất có thể nhận ra được cho nhiều hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất R khác nhau Các đường với các giá trị tải trọng lớn nhất bằng nhau σmax và các giá trị tải trọng nhỏ nhất bằng nhau σmin lập ra những đường thẳng nghiêng với góc 450 nằm trên hai trục ứng suất σa và σm

Muốn tìm được những giá trị bền mỏi cho những tỷ lệ ứng suất nào đó, trong trường hợp chỉ biết được giá trị độ bền mỏi σW với tải trọng đối xứng (R = -1), người ta có thể dựa vào đường thẳng Goodman và tính xấp xỉ như sau:

D

R

σ σ

σa=Re-σm

R=0 R=+∞

Trong đó: σm là ứng suất trung bình

Rm làgiới hạn bền kéo

b Một số nước như Australia, Trung Quốc, Nhật… đã tính độ bền mỏi và tính toán phá huỷ mỏi của TBX đầu máy, căn cứ theo tốc độ phát triển của vết nứt xác định bằng thực nghiệm, xây dựng đường cong biểu thị quan hệ giữa tốc độ vết nứt mỏi phát triển và số gia hệ số cường độ ứng suất da/dN - ∆K của vật liệu kim loại trong hệ toạ độ đối số Đường cong da/dN - ∆K chia thành 3 vùng: Vùng 1, ∆K <

∆Kth vết nứt không phát triển (∆Kth- ngưỡng vết nứt bắt đầu phát triển) Vùng 2,

∆K > ∆Kth vết nứt phát triển theo qui luật da/dN = C(∆K)n Vùng 3 vết nứt mỏi phát triển nhanh chóng và dẫn đến phá huỷ kết cấu [29]

c Trong quy phạm FKM của Cộng Hoà Liên Bang Đức, độ bền mỏi của vật liệu được tính toán qua biên độ của độ bền vô tận của cấu trúc và hệ số độ bền làm việc [11] Quy phạm FKM chia cấu trúc ra ba loại hình dạng khác nhau: Cấu trúc dạng thanh; Cấu trúc dạng tấm; Cấu trúc dạng khối Cụ thể như với cấu trúc dạng thanh, độ bền làm việc của cấu trúc σBK, τBK được phân biệt và tính như sau:

τBK = KBK.τAK

Trong đó: KBK - hệ số độ bền làm việc

σBK, τBK – biên độ của giới hạn mỏi của cấu trúc

Hệ số bền làm việc được xác định cho hai trường hợp tải trọng:

- Đối với tải trọng dao động với một biên độ: Xác định theo đường cong tuổi thọ S – N của cấu trúc

- Đối với tải trọng dao động thay đổi bất kỳ: Xác định theo luật tính Miner cơ bản

d Viện khoa học đường sắt Trung Quốc đã tiến hành kiểm tra động lực học và ứng suất động lực khung giá chuyển hướng đối với đầu máy D19E 903 trên tuyến

Hà Nội - Đà Nẵng Việc đánh giá độ bền mỏi và đánh giá tuổi thọ được thực hiện theo sơ đồ mỏi cơ bản Goodman, sau đây là thông số kiểm tra và kết luận tại điểm

34 trên tấm đứng của xà bên bề mặt giảm chấn cho trong bảng 1.1[15]:

- Đánh giá ứng suất động lực: Việc kiểm tra này sử dụng lí thuyết hư hỏng

tuyến tính mỏi để tính dải ứng suất tương đương với hư hỏng phổ ứng suất trong

đo đạc thực tế với đường cong S - N

- Đối với kết quả thực hiện: Từ thông số của điểm kiểm tra 34 trên tấm đứng

và kết luận kiểm tra, tuổi thọ của tấm này sẽ vượt quá 3 000 000 km

- Phân tích vết nứt: Góc bù giữa bề mặt đường hàn và bề mặt tấm nối là quá

nhỏ tạo ra ứng suất tập trung, vì vậy trong quá trình vận hành đầu máy, nguồn tạo

ra vết nứt là có từ trước và đựơc mở rộng ra

Bảng 1.1: Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc

Ứng suất danh định (MPa) Tần số ứng suất Phạm vi

(MPa)

Ứng suất danh định (MPa) Tần số

ước tính Trên 3 000 000 km Trên 3 000 000 km

e Một số nước đã thí nghiệm để xác định giới hạn mỏi, tốc độ lan truyền vết nứt mỏi và độ dai phá hủy của vật liệu theo các tiêu chuẩn khác nhau Nhưng khi xác định tốc độ lan truyền vết nứt mỏi và độ dai phá hủy của vật liệu thường thử nghiệm trên các mẫu có rãnh khía với một vết nứt mỏi được tạo ra ở đáy của rãnh đó Một số nước đã thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM E 399 – 90 và ASTM E 467 [32]

f Việc tính toán độ bền mỏi của vật liệu ở Liên Xô trước đây và Cộng hoà Liên bang Nga ngày nay đã được qui định trong tiêu chuẩn 25.504-82 của Nga và dựa trên lý thuyết đồng dạng thống kê phá hủy mỏi để tính cho các chi tiết thực có kích thước tương đối lớn, có kể tới nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau.[14]

1.5.2 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở trong nước

Các công trình nghiên cứu về mỏi ở trong nước nói chung và trong lĩnh vực cơ khí nói riêng còn rất khiêm tốn Tuy nhiên vẫn có thể kể ra những tác giả nghiên cứu về mỏi ở trong nước: GS.TS Nguyễn Trọng Hiệp; PGS,TS Phan Văn Khôi; PGS.TS Ngô Văn Quyết và các cộng sự…Trong một số lĩnh vực đã có một số công trình nghiên cứu về mỏi đối với kết cấu khung giá và kết cấu lò xo trên ôtô, trong máy xây dựng, dầu khí Trong lĩnh vực cơ khí đường sắt, các nghiên cứu về mỏi càng ít ỏi

a Đánh giá tuổi thọ mỏi của kết cấu KGCH Đầu máy D9E vận dụng trên ĐSVN theo giả thuyết tích luỹ tuyến tính các tổn thương mỏi

Công trình đáng lưu ý nhất đó là đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Bộ 106TĐ “Nghiên cứu thử nghiệm và đánh giá độ bền giá chuyển hướng đầu máy D9E vận dụng trên đường sắt Việt Nam” do GS.TS Đỗ Đức Tuấn chủ trì

B2000-35-Đề tài đã tính mỗi bậc ứng suất cao hơn giới hạn mỏi đều gây ra một phần tổn thương cho vật liệu Số đo tổn thương do bậc ứng suất thứ i gây ra, (i = 1,2, ,m) có quan hệ tới số chu trình ứng suất, và được xác định bằng tỷ số:

i

i i

1

là tỷ số các chu trình quá khứ, thì hệ số biểu thị tuổi thọ còn lại của chi tiết hoặc bộ phận kết cấu là

1

≤ [D], (1.16)Nếu ký hiệu tổng số chu trình ứng suất động đã tích luỹ là ntl, còn mức độ tổn thương đã tích luỹ là Dtl thì tuổi thọ mỏi của kết cấu (hay nói khác, số chu trình làm việc đến phá huỷ mỏi) là:

[ ]

tl

tl tl

tl

cl tl cl

D

D D n D

D n

, (1.17)Thông thường, các chi tiết và kết cấu làm việc trong môi trường tự nhiên (tiếp xúc với không khí) và dễ tiếp cận cho việc bảo dưỡng, sửa chữa thì [D] =1,0 Các chi tiết và kết cấu quan trọng làm việc trong vùng ngập nước và không thể tiếp cận để sửa chữa thì [D] = 0,3 ÷ 0,6

Để đảm bảo tính khách quan và bao quát được nhiều yếu tố ảnh hưởng, trong trường hợp này đề xuất sử dụng đồng thời cả hai tiêu chuẩn kiểm nghiệm, tức là 0,85 ≤ [D] ≤1,0 nhằm tạo ra giới hạn trên và giới hạn dưới về tuổi thọ mỏi còn lại của kết cấu Cần lưu ý rằng chỉ tiêu [D] = 0,85 trong một chừng mực nào

đó có thể chỉ mang tính chất tham khảo

b Đánh giá độ bền mỏi KGCH đầu máy D19E - Viện Cơ học Việt Nam

Năm 2003, Viện Cơ học Việt Nam đã thực hiện các công việc khảo sát, tiến hành đo đạc kiểm tra trạng thái ứng suất – biến dạng động trên KGCH đầu máy D19E – 903 và D19E – 907 kéo tàu hàng và tàu khách trên tuyến Hà Nội - Đà Nẵng - Hà Nội Kết quả đo kiểm tra tại các điểm nhạy cảm với trạng thái tập trung ứng suất đã được thống kê ở những tình huống vận hành điển hình của đầu máy, trong bảng 1.2 và ở một số khu gian đặc trưng cho các tình huống vận hành điển hình của đầu máy cho trong phụ lục 1[1]

Bảng 1.2 Các số liệu thống kê ứng suất đo được của Viện Cơ học khi đầu máy D19E 903 vượt đèo Khe Nét

Điểm đo εmaxm (µm/m) δεm(µm/m) 2εa(µm/m) σmaxm (kgf/cm2)

Từ các kết quả đo kiểm tra trạng thái ứng suất - biến dạng động tại các điểm đo trên KGCH đầu máy D19E - 903 và D19E - 907 cho thấy chúng đều mang đặc tính của các chu trình không đối xứng Theo đặc tính cụ thể của kết cấu và trong những điều kiện đặc thù trạng thái ứng suất cục bộ tại điểm nào đó của vật liệu có thể trở thành dạng bị kéo theo cả 3 chiều đến mức làm cho biến dạng dẻo bị ức chế và vết nứt xuất hiện ngay cả khi vật liệu vẫn hoàn toàn nằm trong giới hạn đàn hồi

Như vậy, với sự suy giảm đáng kể các giá trị mốc σ-1 → σR ; σb → Rσ ; Khi đó, vùng nằm trong giới hạn mỏi cho phép (không bị phá huỷ mỏi trong thời gian được định lượng theo thiết kế) sẽ bị thu hẹp lại đáng kể

Giả sử, σ-1 bị suy giảm từ 50 ÷ 70 % Khi đó trên biểu đồ hình 1.9 và hình 1.10, vùng phân bố các điểm trạng thái ứng suất tại các điểm đo có sự giao cắt với đường cong giới hạn phía trong Điều đó đồng nghĩa với việc có khả năng xuất hiện vết nứt mỏi tại một vùng nào đó vào thời gian rất ngắn so với tuổi thọ thiết kế

Hình 1.7 Biểu đồ Goodman - Gerber Hình 1.8 Biểu đồ Kuay

c Tính toán độ bền mỏi KGCH của các tài liệu giảng dạy và học tập

Đối với KGCH, hiện tượng hư hỏng phổ biến nhất là do phá hỏng vì mỏi KGCH không những chịu tác dụng của những tải trọng không đổi mà còn chịu tác dụng của các ứng suất biến thiên xuất hiện do dao động của đầu máy, của các kết cấu trên lò xo, cũng như dao động của các bộ phận dưới lò xo như trục bánh, động

cơ điện kéo và bản thân khung giá Các lực cũng như các phản lực tác dụng vào khung giá còn thay đổi cả theo thời gian, những sự thay đổi đó phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như: vận tốc chuyển động của Đầu máy, chất lượng đường, kết cấu của bộ phận chạy…

Ký hiệu hệ số tập trung ứng suất có kể tới những yếu tố ảnh hưởng nêu trên bằng (kσ)D Đã xác định được hệ số dự trữ độ bền mỏi sσ như sau [3]:

( ) ( )

a t

D t

k s

σ σ

φ σ

σ

σ σ σ

=

(1.18)trong đó: σ-1 là giới hạn mỏi của vật liệu

φσ là hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng

Hệ số dự trữ độ bền mỏi sσ phụ thuộc vào độ chính xác của việc xác định các lực tác dụng lên khung giá và độ chính xác của việc xác định hệ số tập trung ứng suất, vào chất lượng vật liệu và chất lượng gia công V.B.Model đề nghị xác định

hệ số (kσ)D theo công thức sau: (kσ)D = kσ β

2

1k

k

(1.19)trong đó: k1 - hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu

k2 - hệ số tính tới nội ứng suất

kσ - hệ số tập trung ứng suất

β - hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công

Hệ số (kσ)D phụ thuộc vào sự ảnh hưởng đồng thời của sự tập trung ứng suất được thể hiện bằng hệ số tập trung ứng suất kσ, vào chất lượng của bề mặt gia công, có thể tính theo công thức:

(kσ)D = kσ + β 1

Hệ số k1 đối với kim loại cán và rèn có thể lấy bằng 1,1

Hệ số k2 được xác định trong khoảng 1 ÷ 1,2

Hệ số β phụ thuộc vào độ bóng của mặt gia công và sức bền tức thời của vật liệu σb, β có thể xác định nhờ đồ thị trong giáo trình “Sức bền vật liệu” và các “Sổ tay kỹ thuật”

Hệ số tập trung ứng suất thực tế kσ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Medel cho rằng, khi chế tạo khung giá từ các xà bên và xà ngang là các tấm thép dập định hình với điều kiện là đã xem xét kỹ cách liên kết của chúng thì có thể lấy kσ = 3

Trong thực tế khi tính toán người ta thường coi tải trọng là đơn giản, nghĩa là tỉ

số giữa σt và σa là không đổi Khi đó hệ số dự trữ độ bền có thể tính theo công thức:

( )σ σ σ

φ σ σ

σ

T B D

Đối với các kết cấu hàn có thể lấy sσ ≥ 2, còn trị số (kσ)D = kσ

Trên cơ sở của các mẫu thử nghiệm, hệ số dự trữ độ bền phải lấy sσ ≥ 2 Đối với KGCH lấy sσ = 2 ÷ 2,5

Các ứng suất nhận được phải nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu Hệ số an toàn phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép

d Tính toán độ bền mỏi TBX của các tài liệu giảng dạy và học tập

Khi Đầu máy chuyển động, các tải trọng tác dụng lên trục bánh xe thay đổi

cả về chiều và trị số một cách tuần hoàn Trục lại là chi tiết có nhiều chỗ mối ghép,

có nhiều góc lượn chuyển tiếp…vì thế dễ phát sinh vết nứt do mỏi

Trục bánh xe là chi tiết đặc biệt có ý nghĩa quan trọng về mặt an toàn khi vận hành, do đó yêu cầu phải tính toán hết sức cẩn thận và phải đảm bảo hệ số an toàn cao Mặt khác để đảm bảo tính năng động lực và tiết kiệm vật liệu trục bánh xe phải có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ nhất

Khi tính toán trục theo độ bền mỏi, chế độ làm việc trung bình của trục có thể lấy theo tốc độ kỹ thuật của đầu máy Đối với đầu máy hàng có thể lấy bằng 50 ÷

60 km/h Đối với đầu máy kéo khách có thể lấy khoảng 80 ÷ 90 km/h

Ảnh hưởng của mômen xoắn và mômen uốn trong mặt phẳng nằm ngang ở các giá trị tốc độ trên không lớn và có thể bỏ qua, khi đó chỉ cần xét đến mô men uốn trong mặt phẳng thẳng đứng

Hệ số động lực theo phương thẳng đứng có thể xác định theo công thức [3]:

Kd = 0,1 + 0,2

t

f

Trong đó: V - vận tốc của đầu máy (km/h)

ft - độ nhún tĩnh của hệ thống lò xo giá chuyển (mm)

e Thử nghiệm xác định GHBM mẫu vật liệu KGCH và TBX Đầu máy D9E

Trong đề tài Nghiên cứu khoa học, cấp Bộ mã số B2000-35-106 TĐ Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội 2000 do GS Đỗ Đức Tuấn làm chủ nhiệm đề tài Đã thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu theo phương pháp thí nghiệm mỏi một bậc, uốn thuần túy, chu trình đối xứng, với 4-5 mức ứng suất cho tới khi mẫu bị phá hủy Đề tài đã xây dựng phương trình đường cong mỏi vật liệu KGCH và TBX đầu máy D9E và đã xác định GHBM mẫu vật liệu:

Với KGCH: σ-1= 1800 daN/cm2 ; N0 = 2.106

Với TBX: σ-1= 2040 daN/cm2 ; N0 = 2.107

1.6 Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài

Giao thông vận tải đường sắt là một trong các hình thức giao thông vận tải quan trọng nhất của xã hội phát triển Ngành ĐSVN đang ứng dụng những tiến bộ mới của khoa học và công nghệ nhằm từng bước đẩy mạnh sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá Vừa qua ngành ĐSVN đã chế tạo và lắp ráp thành công đoàn tàu kéo đẩy Chủ trương của ngành là tiếp tục chế tạo, sản xuất ra những đoàn tàu theo yêu cầu của giao thông vận tải đường sắt ngày càng có chất lượng cao Mặt khác, việc nâng cao an toàn và tốc độ chạy tàu đối với các trang thiết bị hiện có là chủ trương lớn đang được ngành thực hiện

Đợt đầu tiên gồm 10 Đầu máy số hiệu D19E 901 – 910, tiếp nhận và đưa vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy Hà nội từ tháng 1/2002 Đã có sự cố