Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử tính toán động lực học toa xe chở hàng có 8 trục

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HÀ NỘI KHOA: CƠ KHÍ BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC TOA XE CHỞ HÀNG CÓ 8 TRỤC. Sinh viên thực hiện: NGUYỄN CÔNG ĐỨC Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ - K51 Mã sinh viên: 1020463 Giáo viên hướng dẫn: ThS. NGUYỄN BÁ NGHỊ Hà Nội - 2014 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn “KỸ THUẬT MÁY”, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội đã tạo điều kiện và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Đặc biệt, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo ThS. Nguyễn Bá Nghị, là người trực tiếp hướng dẫn tận tình và động viên em trong suốt thời gian qua để em có thể hoàn thành đề tài tốt nghiệp này. Trong quá trình thực hiện đề tài có thể em còn mắc một số sai, thiếu sót, em rất mong các thầy cô bỏ qua cho em. Em rất mong nhận được sự góp ý quý báu của các thầy, cô để em có thể hoàn thiện tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy, cô giáo. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Công Đức SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC ii LỚP CƠ DIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÓM TẮT Đề tài “Tính toán động lực học cho toa xe chở hàng có 8 trục ” thực hiện nghiên cứu, tính toán động lực học của toa xe chở hàng nặng có 8 trục, có sự trợ giúp của phần mềm matlab. Nhiệm vụ xuyên suốt mà em thực hiên trong đè tài này là dựa trên cơ sở các thông số mà nhà nhà thiết kế đưa cho, tiến hành tính toán, viết phương trình vi phân trình vi phân chuyển động của hệ, và viết chương trình máy tính (cụ thể ở đây) là viết trên phần mềm matlab để giải hệ phương trình vi phân đó, đánh giá kết quả thu được. Trong đề tài, em xin trình bày những vấn đề của mình theo 4 chương như sau: Chương 1: Đặt vấn đề Chương 2: Tổng quan về toa xe chở hàng có 8 trục Trong chương này em xin trình bày về: + Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án. + Giới thiệu tổng quan về toa xe chở hàng, giá chuyển hướng 2 trục và mô hình toa xe chở hàng có 8 trục. Chương 3: Tính toán động lực học cho toa xe chở hàng có 8 trục Các nội dung trong chương này bao gồm: + Lựa chọn mô hình tính toán dao động. + Giải thích các thông số của toa xe chở hàng có 8 trục, lựa chọn hàm kích thích từ đường ray. + Phân tích lực và viết phương trình vi phân chuyển động cho các bộ phận của toa xe. + Viết phương trình vi phân chuyển động hệ dưới dạng ma trận và phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động của đoàn xe. + Xác định các phương trình chuyển động, lực động tác dụng lên cá bộ phận của hệ SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC iii LỚP CƠ DIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Khảo sát, ảnh hưởng của lò xo và lực cản giảm chấn đến tính năng động lực học của toa xe Chương 4: Kết luận Chương 5: Giới thiệu sơ bộ về phần mềm matlab và hàm “ode 45” SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC iv LỚP CƠ DIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN II TÓM TẮT III MỤC LỤC V CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TOA XE CHỞ HÀNG NẶNG CÓ 8 TRỤC 2 2.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU TẠO TOA XE CHỞ HÀNG: 2 2.1.1. Thùng xe hay thân xe: 2 2.1.2. Đầu đấm móc nối: 2 2.1.3. Bộ phận chạy_ giá chuyển hướng: 3 2.1.4.Bộ phận hãm: 4 2.2.TỔNG QUAN VỀ TOA XE CHỞ HÀNG NẶNG CÓ 8 TRỤC: 5 2.2.1Toa xe chở hàng siêu trọng: 5 2.2.2.Toa xe chở hàng có 8 trục: 6 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO TOA XE CHỞ HÀNG CÓ 8 TRỤC 7 3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN: 7 3.1.1 Mô hình toa xe 8 trục và các thông số: 7 3.1.2 Xác định kích thích bên ngoài: 9 3.2 PHÂN TÍCH LỰC VÀ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ: 12 3.2.1 Đối với thân toa xe (đang chở hàng) có khối lượng là : 12 3.2.2 Bệ thứ nhất (bệ trái): 12 3.2.3 Bệ thứ hai (bệ phải): 13 3.2.4 Hệ phương trình vi phân của hệ: 14 3.3 GIẢI BÀI TOÁN TRỊ RIÊNG: 16 3.3.1 Xác định tần số dao động tự do: 16 3.3.2 Xác định các vecto riêng của hệ: 17 3.3.3 Vận tốc cộng hưởng của hệ (): 17 3.3.4 Kết quả thu được bằng việc sử dụng matlab: 18 3.5 TÍNH LỰC ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN CÁC BỘ PHẬN CỦA TOA XE: 22 3.5.1 Khảo sát ở vận tốc của toa xe V=60 km/h: 23 3.5.2 Tiến hành khảo sát với một số vận tốc khác: 26 3.6 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LÒ XO VÀ LỰC CẢN GIẢM CHẤN ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC CỦA TOA XE: 29 3.6.1. Khảo sát khi không có cộng hưởng: 29 SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC v LỚP CƠ DIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.6.2 Khảo sát khi xảy ra cộng hưởng: 31 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 35 CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ PHẦN MỀM MATLAB VÀ HÀM “ODE 45” 36 5.1 TÓM TẮT CƠ BẢN VỀ MATLAB VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA NÓ: 36 5.1.1 Khái niệm: 36 5.1.2.Khả năng và ứng dụng của matlab 36 5.2 ỨNGNG DỤNG MATLAB TRONG ĐỀ TÀI: 37 5.3 HÀM “ODE45” TRONG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MATLAB: 37 PHỤ LỤC 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 56 SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC vi LỚP CƠ DIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại công nghiệp hóa hiên đại hóa ngày nay, nền kinh tế nước ta ngày một phát triển và lĩnh vực giao thông vận tải cũng theo đó mà đi lên. Lượng hàng hóa phải vận chuyển cũng ngày càng nhiều, và chúng cơ bản được vận chuyển qua nhiều hình thức khác nhau. Tuy nhiên có một số mặt hàng thiết bị có khối lượng lớn, kích thước cồng kềnh như tua bin thủy điện, máy biến áp của các trạm trung chuyển của lưới điện,… vượt quá khả năng tải của các loại toa xe thông thường. Do đó, chúng ta có thể chọn một giải pháp an toàn, đáp ứng được yêu cầu trên là dùng các toa xe siêu trọng như các loại toa xe 8 trục, 12 trục, 16 trục, và nhìu hơn. Mặc dù vậy xét đến tiềm lực của nước ta thì toa xe 8 trục sẽ là một lựa chọn thỏa đáng trong tương lai gần. Tính năng và hiệu quả sử dụng của toa xe phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng thiết kế,chế tạo và điều kiện sử dụng.Việc đánh giá chất lượng toa xe có thể theo một số phương pháp khác nhau phụ thuộc vào mục đích và phương tiện xác định các chỉ tiêu cần đánh giá.Trong đó, các chỉ tiêu động lực học dao động, độ êm dịu và an toàn khi chuyển động, tính an toàn điều khiển và tính tiết kiệm nhiên liệu (năng suất) được xét đến phổ biến hơn. Dựa trên cơ sở đó, em lựa chọn đề tài “Tính toán động lực học cho toa xe chở hàng có 8 trục” với mục tiêu là khảo tìm hiểu, khảo sát được tính năng động lực học của toa xe chở hàng có nhìu trục mà cụ thể trong đề tài là 8 trục. Từ đó có thể đánh giá được khả năng làm việc của loại toa xe này đã đáp ứng được tình trạng giao thông vận tải ở nước ta hay chưa. Vận dụng lý thuyết về dao động đã được học và tìm hiểu thêm trong quá trình nghiên cứu đề tài, em sẽ khảo sát động lực học đối với mô hình toa xe 8 trục trong mặt phẳng thẳng đứng với sự trợ giúp của phần mềm matlab và đưa ra những đánh giá khoa học về chất lượng dao động của đoàn xe được khảo sát. Quá trình cụ thể được trình bày ở các chương tiếp theo của đề tài này. xác định các thông số dao động như chuyển dịch, vận tốc, gia tốc của thân xe và các trục bánh xe, chỉ tiêu độ êm dịu của xe khi chịu kích thích dao động từ mặt đường. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TOA XE CHỞ HÀNG NẶNG CÓ 8 TRỤC 2.1.Giới thiệu chung về cấu tạo toa xe chở hàng: Cấu tạo cơ bản của một toa xe chở hàng gồm 4 bộ phận cơ bản sau đây: 2.1.1. Thùng xe hay thân xe: Thùng xe là phần trên cùng của toa xe, dùng để chứa hàng hóa. Thùng xe có thể có có thành bên, mui hoặc không có cả hai thành phần này. Hình 2.1: Hình ảnh thân toa xe đang chở hàng 2.1.2. Đầu đấm móc nối: là một cơ cấu có nhiệm vụ nối các toa xe với nhau và nối với đầu máy, giữ chúng có khoảng cách nhất định, tiếp nhận, truyền và làm mềm lực kéo hoặc lực đấm từ đầu máy và từ toa xe này đến toa xe khác xuất hiện trong quá trình chuyển động hay khi dồn lập đoàn tàu. SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC 2 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.2: Hình ảnh của một cơ cấu đầu đấm móc nối 2.1.3. Bộ phận chạy_ giá chuyển hướng: Bộ phận chạy là một cơ cấu được cấu thành từ các bộ phận độc lập trục bánh, bầu dầu, hệ thống các lò xo, giảm chấn. Hình 2.3: Giá chuyển hướng tháo rời tại xưởng SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC 3 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giá chuyển hướng có khung giá chuyển hoặc má giá và trên đó được lắp các chi tiết của hệ thống treo lò xo, hệ thống giằng hãm và các chi tiết phụ khác để truyền tải trọng từ thùng xe xuống giá chuyển hướng, xà nhún trên đó có cối chuyển hướng và các bàn trượt. 2.1.4.Bộ phận hãm: Bộ phận hãm là cơ cấu dùng để tạo lực cản nhân tạo lên cả đoàn tàu chuyển động hoặc cho riêng một toa xe nhằm điều chỉnh tốc độ chuyển động, dừng tàu hay giữ đoàn tàu ở một vị trí nào đó trên đường. Hệ thống hãm sử dụng trên đoàn tầu đường sắt phụ thuộc vào nguồn động lực hãm và phương pháp hãm và được phân thành 4 nhóm: hãm tay, hãm gió ép, hãm điện gió ép và hãm điện. Hệ thống hãm sử dụng trong các toa xe đường sắt là hệ thống hãm gió ép tự động, nghĩa là có thể tự động hãm cả hai nửa đoàn tầu trong trong trường hợp đoàn tầu bị đứt làm đôi do bất kể lý do nào. Hệ thống hãm gió ép tự động có 3 tác dụng chính: cấp gió, hãm và nhả hãm. Hình 2.4: sơ đồ nguyên lý của hệ thống hãm gió ép tự động SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC 4 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K51 [...]... số bộ phận như bệ, thân xe 2.2.2 .Toa xe chở hàng có 8 trục: Toa xe chở hàng có 8 trục là 1 loại toa xe chở hàng siêu trọng chuyên dùng Kết cấu toa xe chở hàng có 8 trục có thể được tạo nên từ các bộ phận sẵn có trên thị trường Bằng cách: + chế tạo một bệ đỡ có vai trò như 1 thân xe (thùng xe) của toa xe chở hàng 4 trục Như vậy 1 bệ đỡ sẽ liên kết với 2 giá chuyển hướng có 2 trục Ta cần 2 bệ đỡ như... hóa CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO TOA XE CHỞ HÀNG CÓ 8 TRỤC 3.1 Xây dựng mô hình tính toán: 3.1.1 Mô hình toa xe 8 trục và các thông số: SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC 7 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Toa xe mà ta khảo sát có cấu trúc đối xứng, tức là các giá chuyển hướng đều cùng loại, có các thông số giống nhau, các bệ có các thông số giống nhau Giả thiết toa xe đâng chuyển động về phía bên trái... (11,12) sẽ điều chỉnh được lực ép của guốc hãm (13) 2.2.Tổng quan về toa xe chở hàng nặng có 8 trục: 2.2. 1Toa xe chở hàng siêu trọng: SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC 5 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.5: Hình ảnh toa xe siêu trọng có nhiều trục đang vận chuyển máy biến áp Là những loại toa xe chở hàng thuộc loại toa xe chuyên dụng Chúng được sử dụng để chuyên chở các loại hàng hóa cồng kềnh, trọng... trái với vận tốc V Ta mô hình hóa toa xe chở hàng 8 trục cần khảo sát như hình vẽ sau: Hình 3.1: Mô hình tính toán của toa xe chở hàng 8 trục Trong đó: m1 là khối lượng của hàng hóa, tính bằng kg m2 là khối lượng của thân toa xe, tính bằng kg mb là khối lượng của 1 bệ toa xe, tính bằng kg J là momen quán tính của thân xe đang chở cả hàng hóa, tính bằng kgm 2 Jb là momen quán tinh cua 1 bệ c là hệ số cản... tua bin máy thủy điện, máy biến áp của các trạm trung chuyển của lưới điện quốc gia,… Tùy thuộc vào mục đích chuyên dụng mà người ta thiết kế ra các loại toa xe có rất nhiều trục, có thể có 8 trục, 12 trục, 16 trục và có thể hơn nữa Chúng ta có thể thiết kế được các loại toa xe có nhiều trục bằng các kết cấu đã có sẵn trên thị trường như giá chuyển hướng 2 trục, 3 trục của toa xe hàng và chế tạo thêm... LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + chế tạo 1 thân dạng lõm ở giữa để giảm độ cao thân khi đặt lên 2 bệ vừa tạo ra + giữa thân với bệ và bệ với giá chuyển hướng có các cối chuyển để các toa xe co thể đi vào đường cong Và có các hệ thống lò xo, giảm chấn để điều hòa giao động, giảm chấn, lực xung cho các bộ phận của toa xe Hình 2.6: Mô hình một toa xe chở hàng có 8 trục đang chứa hàng hóa CHƯƠNG 3: TÍNH... các vận tốc cộng hưởng đã tính và in kết quả trên “Hình 3.5” ta cũng thấy rằng các dao động của toa xe cũng nhanh chóng đạt được độ ổn đinh 3.5 Tính lực động tác dụng lên các bộ phận của toa xe: SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC 22 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sau khi xác đinh được các chuyển vị và vận tốc theo phương thẳng đứng của từng bộ phận ta thay số vào tính toán các lực động tác dụng lên các bộ... TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Lực cực đại của tất cả các thành phần đều lớn nhất còn trong khoảng 40 đến dưới 70 ngoài lực động tác dụng lên thân toa xe thì lực cực đại các thành phần còn lại đều có sự biến thiên không theo 1 chiều trong khi lực cực đại tác dụng lên thân toa xe lại tăng dần đều 3.6 Khảo sát ảnh hưởng của lò xo và lực cản giảm chấn đến tính năng động lực của toa xe: Theo lý thuyết, khi xe di... được đồ thị chuyển vị và file “luc.m” để thấy đồ thị của các lực động tác dụng lên thân xe Kết quả thu được khi khảo sát đối với thân xe: SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC 29 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYEN VI THANG DUNG CUA THAN TOA XE 40 x1-mm 20 0 -20 -40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 16 18 20 CHUYEN VI GOC CUA THAN TOA X E 0.1 phi1-do 0.05 0 -0.05 -0.1 0 2 4 6 8 10 12 Thoi gian-s 14 Hình 3.12: Dao động. .. tốc toa xe Trong đó: Đường màu đỏ là đồ thị ứng với lực Ftmax Đường màu xanh lá cây là đồ thị ứng với lực Fsmax Đường màu vàng là đồ thị ứng với lực F12max Đường màu xanh lá mạ là đồ thị ứng với lực F34max Đường màu xanh nước biển là đồ thị ứng với lực F56max Đường màu đen là đồ thị ứng với lực F78max Nhận xét: Dựa vào đồ thị 3.12 ta thấy tai vận tốc V = 70 km/h SVTH: NGUYỄN CÔNG ĐỨC 28 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K51