Tính toán độ bền thùng xe khách thế hệ mới

Tài liệu tham khảo Tính toán độ bền thùng xe khách thế hệ mới

Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 Lời nói đầu ầu máy toa xe là một phơng tiện vận chuyển rất quan trọng trong ngành Đờng sắt nói riêng và ngành Giao thông vận tải nói chung. Nó có nhiệm vụ vận chuyển một khối lợng lớn hành khách và hàng hoá lu thông trong nớc và quốc tế. Trong tình hình hiện nay, phơng tiện giao thông rất đa dạng và phong phú với nhu cầu đi lại ngày càng tăng của đại bộ phận dân chúng. Sự đòi hỏi ngày càng cao về chất lợng phục vụ cũng nh độ an toàn tuyệt đối, yêu cầu của ngành Giao thông vận tải nói chung và của ngành Đờng sắt nói riêng là đáp ứng đợc những yêu cầu đó. Một trong những công việc hết sức quan trọng của ngời thiết kế là tính toán kiểm nghiệm độ bền toa xe, trong đó chủ yếu là thùng xe, bệ xe, động lực học và độ bền giá chuyển. Đ Sau năm năm học dới mái trờng Giao thông vận tải. Đợc sự dạy dỗ nhiệt tình của các thầy và không ngừng phấn đấu của bản thân, em đã tích luỹ đầy đủ những kiến thức mà Nhà trờng đề ra. Do vậy, với đề tài Tính toán độ bền thùng xe khách thế hệ mới mà Nhà trờng giao cho. Em muốn đóng góp một phần công sức của mình cho ngành Đờng sắt nói riêng và ngành Giao thông vận tải nói chung. Thiết kế tốt nghiệp là công việc cuối cùng của sinh viên trớc khi rời ghế tr- ờng Đại học, là đợt thực tập cuối cùng trớc khi mang những kiến thức mình đã học đợc vào áp dụng trong thực tế và nghiên cứu khoa học. Cũng là dịp em đợc lần nữa củng cố lại kiến thức của mình, giúp em có một phơng pháp t duy khoa học đúng đắn khi ra công tác cũng nh nghiên cứu khoa học. Trong quá trình làm đề tài đợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hớng dẫn PGS.TS Lê Văn Học, cũng nh các thầy giáo trong bộ môn Đầu máy toa xe, đề tài đã hoàn thành theo đúng thời gian quy định. 1 Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 Mặc dù em đã có nhiều cố gắng trong thu thập tài liệu và tìm hiểu thực tế, nhng vì thiếu kinh nghiệm làm một đề tài lớn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong đợc sự đánh giá, góp ý kiến của các thầy cô để đề tài của em đợc hoàn thiện hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn của thầy giáo PGS.TS Lê Văn Học, cùng các thầy trong tổ môn Đầu máy toa xe đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này. Hà Nội, ngày tháng năm 2002 Sinh viên thực hiện 4. Mục đích đề tài Qua việc tìm hiểu thực tại toa xe khách đang vận dụng ở Việt Nam, ta thấy toa xe ở Việt Nam còn kém phát triển. 2 Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 Với đề tài đợc giao là Tính toán kiểm nghiệm độ bền thùng xe khách thế hệ mới (S1, S2) đang vận dụng ở Việt Nam để nâng cao chất lợng toa xe khách, nhằm đáp ứng ngày càng cao nhu cầu đi lại của đại bộ phận dân chúng. - Về kỹ thuật Kết cầu thùng xe là kết cầu toàn thân chịu lực, bệ xe không xà dọc giữa. Đ- ợc hàn tổng thành lại khi đủ các yếu tố của toa xe. - Về phơng pháp + Sử dụng phơng pháp chúng tính gần đúng thùng toa xe khách. + Sau đó là phơng pháp tính kiểm nghiệm chính xác với các giả thiết phù hợp, áp dụng cụ thể cho thùng xe khách S1, S2. - Về kinh tế + Sử dụng vật liệu hợp lý, rẻ tiền nhng vẫn đảm bảo về mặt kỹ thuật cao. + áp dụng triệt để với những toa xe đóng mới vận dụng ở Việt Nam. I. Cách nhiệt thùng xe và gỗ sử dụng trong toa xe 1. Cách nhiệt thùng - Cách nhiệt mui với chiều dày là 70 mm. - Cách nhiệt thành bên dày là 90 mm - Cách nhiệt thành đầu dày 60 mm. * Vật liệu: Dùng sợi bông thuỷ tinh, ép thành tấm với chiều dày 20 và 50 mm (hệ số cách nhiệt của bông thuỷ tinh là CM w 0 04,0 = ). 2. Cách nhiệt sàn xe Dới cùng là lớp cách âm, tiếp theo là dầm gỗ kê theo chiều ngang xe rồi đến ván ghép mộng dày 20 mm theo chiều dọc. Trên cùng là lớp tapi trải sàn dày 5 mm. Đây là loại trải sàn có độ chống mài mòn cao, đợc dán bằng loại keo đặc biệt. 3. Gỗ thùng xe 3 Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 - Thùng lớp vỏ thép là lớp cách âm, cách nhiệt không bắt lửa, trong lớp cách nhiệt là ván thùng xe dày 14mm bọc poócmica 2 lớp (đối với thành xe), trên xe làm bằng composite dày 4 mm. - Trần buồng khách làm bằng ván dày 5 mm (vì phải uốn cong). - Các vách gồm thành đầu trong, vách ngăn giữa các buồng khách, khách với nhân viên, khách với buồng rửa mặt, giữa buồng khách và hành lang đợc làm bằng ván ép dày 28 mm. - Các ván thành và ván trần đợc liên kết bằng khung thép, bằng khoan lỗ, tarô ren đợc bắt trực tiếp vào khung thép hoặc vào khung gỗ thành xe, mui xe bằng đinh vít. Tại các mối ghép ván có nẹp nhôm trang trí. - Các vách ngăn đợc liên kết với thành, sàn và mui xe nhờ các tai sắt hàn vào khung thép thành xe. II. Các loại cửa xe 1. Cửa lên xuống Đợc lắp ở hai đầu toa xe, bằng thép dày 2 mm, bên trong có chất cách nhiệt bằng bông thuỷ tinh ép, bản lề cửa đợc lắp với trụ thép góc xe. Phía trên cửa có ô kính, chiều rộng cửa 660 mm. 2. Cửa đầu xe Gồm hai cánh cửa lùa về phía hai thành xe, cửa đợc làm bằng tôn dập dày 1,5 mm. Phía trong có chất cách nhiệt bằng sợi bông thuỷ tinh, phía trên cửa là hệ thống thanh trợt cửa bằng bi. Phần trên cửa có bố trí một ô kính nhỏ, có gioăng làm theo kiểu thanh đẩy có lò so đẩy hai cánh cửa sát vào nhau và đợc làm kín bởi gioăng cao su chuyên dùng. 3. Cửa hành lang Cửa làm bằng gỗ ván ép poócmica hai mặt dày 28 mm phía trên có ô kính. Cửa đợc làm theo kiểu trụ xoay, có lắp cơ cấu tự động cửa có giảm chấn thuỷ lực. Với cơ cấu này cửa hành lang (hai đầu) thờng đóng kín để giữ nhiệt cho buồng khách. 7. Cửa sổ 4 Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 - Cửa sổ bên trong phòng khách và dọc hành lang có kích thớc 1.200 ì 1000 mm cửa sổ làm bằng kính hai lớp an toàn. - Để đảm bảo tính cách nhiệt thành xe, khoảng cách giữa hai lớp kính là 12 mm đợc đặt trong cùng một khung nhôm và cố định vào khung cửa sổ. A. tham số kỹ thuật và kích thớc cơ bản I. Các tham số kỹ thuật 1. Khổ giới hạn Đầu máy toa xe : Theo QPKTKT - ĐSVN 1999. Tâm 2 móc nối : 20676 mm 11. Đầu đấm móc nối : Kiểu ấn Độ hoặc Trung Quốc 12. Tóc độ cấu tạo : 100 km/h 13. Kết cấu thép thùng xe : Toàn thân chịu lực, bệ xe không xà dọc giữa 14. Hệ thống điện : Tập chung 220/380 VAC-50 Hz 15. Hệ thống nớc : Bố trí gầm xe, tổng dung tích 1650 lít 16. Hệ thống hãm : Dùng van hãm Knorreksl Hãm tay : Kiểu trục vít 17. Điều hoà không khí : Loại máy Thermoking LRV-10 18. Trần toa xe : Compozit cao cấp 19. Vách ngăn : Gỗ dán, dán poócmica cao cấp dày 28 mm 20. Tay nắm, Khoá cửa : Loại cao cấp của Trung Quốc 21. Chiếu sáng, điều hoà không khí : Gián tiếp 22. Dụng cụ thoát hiểm : Búa chuyên dùng 23. Khung che gió đầu xe : Kiểu kết cấu thép II. Kích thớc của toa xe 5 Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 - Chiều dài toàn xe : 20.676 mm Thùng xe : 20.005 mm - Chiều rộng : 2.900 mm - Chiều cao mui xe : 3.900 mm Sàn xe : 1.100mm Đầu đấm : 835 mm B. Đặc điểm kết cấu thùng xe - Kết cấu thùng của toa xe là loại kết cấu mới phù hợp với việc lắp đặt thiết bị máy lạnh và điều hoà không khí trên nóc xe, là kết cấu thép toàn thân chịu lực. Bệ xe không có xà dọc giữa đợc lắp ghép theo kiểu tổng thành bằng phơng pháp hàn điện hồ quang. - Kết cấu thép thùng xe bao gồm các phần sau: + Kết cấu thép bệ xe và sàn tôn + Kết cấu thép thành bên 1 và bên 2 + Kết cấu thép thành đầu 1 và đầu 2 + Kết cấu thép mui xe Bên cạnh đó còn có các chi tiết phụ của bệ xe, thành xe và mui xe để liên kết với các bộ phận khác của toa xe và làm cho kết kấu cứng vững hơn phù hợp với kết cấu tổng thành toa xe. 1. Kết cấu bệ xe và sàn tôn Bệ toa xe là loại bệ không có xà dọc giữa bao gồm: - 02 xà đầu ngoài bằng tôn dập dày 10 mm - 02 xà cạnh bằng thép hình [ 87520 ìì - 04 thanh xà kéo bằng thép hình [ 10100260 ìì . - 02 xà gối thép dày 10 mm hàn thành hộp và 18 thanh làm bằng tôn dập hình chữ [. 6 Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 - Các xà dọc phụ, xà ngang phụ, và chống chéo để tăng cờng độ cứng vững của bệ xe. Các xà của bệ xe đợc liên kết với nhau bằng phơng pháp hàn điện. 2. Kết cấu sàn xe: chia làm hai phần - Phần bằng tôn tấm dày 3 mm từ xà đầu ngoài đến xà gối. - Phần bằng tôn dày 2,5 mm, dập gân ở khoảng giữa hai xà gối gân dập có dạng dập sóng cao 32 mm theo chiều dọc xe và đợc hàn liên kết với bệ xe tạo thành khoảng cách hàn vững chắc. 3. Kết cấu thành bên . Bao gồm khung thép và vỏ thép: - Khung thép thành bên có cột cửa và cột đứng ở các ô cửa sổ. Các cột đứng làm bằng tôn dày 2,5 mm và đợc dập gân tăng độ cứng theo dọc chiều xe. để giảm ứng suất tập trung tại góc các lỗ khoét cửa sổ đợc làm thành góc lợn trên R=120 mm. Khung thép và vỏ thép đợc hàn ghép chắc chắn và đợc liên kết hàn với bệ xe. - Yêu cầu kỹ thuật của thành xe + Độ vồng lên của thành bên từ 5 ữ 12 mm. + Độ không vuông góc của cột thành xe với mặt bệ xe không lớn hơn 1,5 mm. + Toàn bộ thành bên không đợc vênh vặn, khoảng cách hai đờng chéo góc của thành xe chênh lệch không quá 5 mm. 4. Kết cấu thép thành đầu. Bao gồm kết cấu khung thép và vỏ thép. - Khung thép gồm hai cột đầu xe với kết cấu hình chữ nhật 415115 ìì hai cột bên là thép chữ [ 43495 ìì hai đoạn bên là thép [ 475115 ìì trên cùng là vành mai L 32560 ìì ngoài ra còn có các thanh ngang phụ để tăng cờng độ cứng. Một bộ phận cấu thành quan trọng của khung thép thành đầu xe là khung che gió đầu xe đợc hàn với hai cột đứng hình hộp và thanh ngang trên tạo cho 7 Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 thành đầu thêm cứng vững. Phía ngoài là tôn bọc dày 2,5 mm đợc hàn chắc với khung thép. Các chân cột thành đầu và vỏ thép thành đầu đợc liên kết hàn với bệ xe. 5. Kết cấu thép mui xe. - Gồm kết cấu khung thép và vỏ thép. Đặc điểm của loại toa xe có điều hoà không khí và kết cấu thép mui xe phải thiết kế để bố trí đợc máy điều hoà không khí kiểu nóc xe. - Khung thép mui xe bao gồm : Các vành mai có mặt cắt hình Z 3252560 ììì . Vành mai hình Z đợc tăng cứng tôn dày 2 mm hình Z 3255060 ììì để ghánh đỡ máy lạnh và thùng nớc mui xe. Các thanh dọc mui hình Z 3252540 ììì và hai thanh dọc cạnh L 43060 ìì . - Tại chỗ trần bằng đỡ máy lạnh ở đầu xe bố trí các xà hộp 349100 ìì và 34950 ìì . Các xà của khung thép mui đợc hàn chắc chắn và toàn bộ đợc phủ tấm thép dày 2 mm. Tôn mui xe đợc hàn ghép với nhau bằng mối hàn liền để chống dột nớc và đợc hàn ghép với khung thép bằng hàn phân đoạn. Phơng pháp tính độ bền thùng toa xe metro i. các phơng pháp chung tính toán sức bền thành bên toa xe khách Trong tình hình thực tế tính toán sức bền thùng xe khách từ trớc đến nay ngành Đờng sắt đã sử dụng nhiều phơng pháp tính, trong đó thờng sử dụng phơng pháp tính toán riêng cho thành bên và bệ xe (có xà dọc giữa). Nó đợc sử dụng rất rộng rãi để tính toán cho các loại toa xe khách đang vận dụng phổ biến ở Việt Nam.Trong giới hạn khuôn khổ đề tài tôi chỉ giới thiệu các phơng pháp tính sức bền thành xe. Hiện nay có hai phơng pháp tính toán sức bền thành xe đang đợc sử dụng rộng rãi nhất đem lại kết quả tơng đối chính xác: - Phơng pháp tính toán gần đúng sức bền thành xe khách - Phơng pháp tính chính xác sức bền thành xe khách. Sau đây tôi lần lợt giới thiệu các phơng pháp tính toán sức bền thành xe khách 1. Phơng pháp tính gần đúng sức bền thành xe khách 8 Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 1.1 Tính sơ bộ Trong bớc tính toán này ta tạm cha xét tới các khoang cửa. Mục đích của phơng pháp này là chọn kích thớc ban đầu. - Ta tạm coi thành bên là một dầm gối lên hai gối (hai gối tạm coi đó là xà gối ) lúc này kết cấu của thành xe bao gồm các xà dọc cạnh của bệ xe, thép bọc thành xe, các xà dọc của thành, một phần nhỏ của mui (phần bán kính cong chuyển tiếp giữa thành xe và mui xe). - Tải trọng lúc này bao gồm: + Tải trọng giải đều gồm: * Trọng lợng của thành bên * Trọng lợng của một nửa mui * 1/16 các thiết bị bên trong + Tải trọng tập trung bao gồm: * Phản lực của các xà ngang truyền tới * Nửa trọng lợng thành đầu trong và các thiết bị * Nửa thành đầu ngoài, đầu đấm móc nối, bệ qua lại ứng suất của dầm đợc tính theo công thức y J M 1 = F Q = J: Mô men quán tính mặt cắt ngang thành xe y: Tọa độ của điểm xét ứng suất M: Mô men uốn của mặt cắt đang xét Q: Lực cắt tại mặt cắt đang xét ứng suất F: Diện tích mặt cắt ngang đang xét ứng suất Phơng pháp này trong quá tình tính toán có các sai sót sau: - Tại chỗ cắt ngang không có cửa sổ thì kết quả tính khá gần đúng với thực tế. 9 Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 - Tại chỗ cắt ngang có cửa sổ sai sót lớn nguyên nhân là do ảnh hởng của lực cắt mà mặt cắt ngang thành bên không phẳng nữa, đờng cong đàn hồi thanh dây trên và thanh dây dới không đồng tâm. 1.2 Tính sửa lại Chủ yếu để tính ứng suất phụ thêm tại các khoang cửa sổ - Xét tại mặt cắt (1,1) và (2,2) H.II.2 Mặt cắt khoang cửa sổ a. Tính ứng suất phụ thêm của thanh dây tại mặt cắt ngang sát mép cửa sổ. - Coi các thanh dây nằm trong đoạn khung cửa sổ là một dầm 2 đầu ngàm cứng trợt. Chia tải trọng cho thanh dây trên và thanh dây dới Td T T JJ J + = Td d d JJ J + = - Là hệ số mô men quán tính của thanh dây trên và dới J T , J d là mô men quán tính của thanh dây trên và thanh dây dới Q Trên = Trên .Q Q d = d .Q Q: Lực cắt quán tính khi cha xét đến cửa sổ Q Trên , Q d là lực cắt của thanh dây trên và thanh dây dới khi ta phân theo hệ số theo mô men quán tính. - Nguy hiểm nhất là các điểm 1 và 4 nên ta cần tìm thêm ứng suất phụ thêm tại điểm 1 và 4. T T csT h J lQ 1 ' 1 . . = T T F Q = 1 Trong đó: 1 2 2 1 10 [...]... nhóm 1 H.7 Tính toán ứng suất cho thanh đai Chơng iii tính toán kiểm nghiệm độ bền thùng xe khách thế hệ mới (s1/s2) a Tính gần đúng độ bền thùng xe I Tính sơ bộ Do đặc điểm kết cấu của thùng xe cho nên khi tính toán gần đúng độ bền coi thùng xe nh một hộp kín đặt lên hai gối chịu tải trọng thẳng đứng và tải trọng kéo đấm dọc H.8 Sơ đồ tính sơ bộ thùng xe khách (H.8 trang 58) - Chiều dài thùng xe 20.000... / cm 2 b tính toán kiểm nghiệm chính xác sức bền thùng xe khách thế hệ mới (s1/s2) Để tính toán sức bền thùng xe khách khối liền chịu lực ta tiến hành các bớc sau i Lập sơ đồ tính Toa xe khách thế hệ S1/S2 là loại toa xe khách cao cấp giờng ngủ gồm 13 cửa sổ, 10 cửa sổ lớn và 3 cửa sổ con Lấy các đờng trục tâm hình làm sơ đồ tính Ta có sơ đồ kết cấu thùng xe nh sau H.15 Sơ đồ kết cấu thùng xe (H.15... mô men, lực cắt, lực nén = ứng suất tính toán: tt M y J = = 2 + 4 2 23 Q F Thiết kế tốt nghiệp Thân Đức Nam ĐMTX K 38 8 Tiến hành giải bài toán phụ ở xà gối, xác định ứng suất phụ thêm 9 Kiểm tra ổn định của thành xe b phơng pháp chung tính toán độ bền thùng xe khách thế hệ mới 1 Phơng pháp tính gần đúng thùng toa xe khách - Việc tính toán gần đúng thùng toa xe khách nhằm xác định kích thớc ban đầu... 38 - Sơ đồ tính toán gần đúng thùng xe và các biểu đồ nội lực đợc thể hiện trên hình vẽ H.1 trang 46 2 Tính toán kiểm nghiệm chính xác thùng xe khách toàn kim loại - Thùng xe khách S1, S2 là loại thùng xe toàn kim loại, các kết cấu thành đầu thành bên mui xe, bệ xe đợc hàn liền với nhau thành một khối tạo nên một kết cấu vững bền toàn thân chịu lực - Trong quá trình tính toán giả thiết rằng mặt cắt ngang,... mặt cắt và phần diện tích các thanh đặc trng, mô men quán tính của nó - Trong quá trình tính toán sức bền thành xe để đơn giản trong tính toán nhng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực của thùng xe, khi tính toán ngời ta thờng sử dụng một số giả thiết sau: + Mặt cắt ngang phẳng là đúng cho mặt cắt ngang phẳng cả thùng xe + Cả thùng xe đợc coi nh một hệ thanh, tạo bởi đờng trục tâm hình của cột đứng (vách nối... phần tử chính của thùng xe - Khi tính toán đờng bao ngoài của mặt cắt ngang thùng xe đã đợc xác định, còn bề dày tấm bọc cũng nh hình dáng kích thớc và sự sắp xếp các phần tử dọc (thanh dọc, gân dập chịu lực, thanh giằng, gia cờng) đã đợc tạm chọn trớc Việc cần làm làm tính toán ứng suất của tất cả mọi phần tử tại mặt cắt ngang chính giữa thùng xe - Trong tính toán, coi cả thùng xe là một dầm hình... - Xác định mômen quán tính sau: + Mômen quán tính của thanh dây trên (Jtr) + Mômen quán tính của thanh dây dới (Jd) + Mômen quán tính của cả thành bên (Tính toán dễ dàng nhờ kết quả của hai phần trớc) + Mômen quán tính của cột đứng giữa hai khoang cửa sổ - Từ kết quả tính toán ở trên ta xác định đợc hệ số mômen quán tính tr = J tr J d + J tr d = Trong đó + Jtr Là mômen quán tính của thanh dây trên... trọng thẳng đứng tĩnh, động và lực đấm 100 tấn (H.9 trang 60) Độ lệch tâm của tải trọng đấm kéo so với tâm xe khách = 10.3cm H.9 Biểu đồ tác dụng của tải trọng thẳng đứng tĩnh, động và lực đấm Tđ 2 Dới tác dụng của tải trọng thẳng đứng tĩnh, động và lực kéo 100 tấn (H.10 trang 61) H.10 Biểu đồ tác dụng của tải trọng thẳng đứng tĩnh, động và lực kéo Tk 3 Đặc trng hình học của thùng xe Đặc trng hình học... học của thùng xe Đặc trng hình học tiết diện mặt cắt ngang thùng xe khách s1/s2 H.11 Diện tích mặt cắt ngang thùng xe (H.1 trang 62) Các thanh đặc trng tiết diện thùng xe - 2 xà dọc cạnh thép hình [ ( 200 ì90 ì8) Diện tích F = 68.08 cm2; Jox= 4280.8 cm 4 ; - Gân sàn xe Diện tích F = 76.9 cm 2 ; Jox= 125.1 cm 4 ; - 4 thanh gia cờng và tôn thành xe Diện tích F = 31.4 cm 2 ; Jox= 324.4 cm 4 ; - 2 thanh... định bậc siêu tĩnh cho từng loại xe a Xe Đờng Sơn Trung Quốc - Xe này gồm 8 cửa sổ nh vậy khi xét kết cấu đối xứng ta cắt ở giữa cột đứng Nh vậy, ta vẫn coi nửa thành xe gồm có 5 cột đứng nhng cột thứ 5 có mô men quán tính (độ cứng = 1/2 độ cứng của nó) bằng 1/2 mô men quán tính của cả cột Lúc này coi khoảng cách giữa cột đứng thứ 5 và ngàm trợt là vô cùng bé Nh vậy với xe Đờng Sơn Trung Quốc thì bậc . của bệ xe, thành xe và mui xe để liên kết với các bộ phận khác của toa xe và làm cho kết kấu cứng vững hơn phù hợp với kết cấu tổng thành toa xe. 1.. lớn của mui xe. - Coi thành xe là một hệ thanh thông thờng vì kích thớc bề ngang và dài các thanh là cùng bậc. - Mỗi mặt cắt ngang của thành xe có hai điểm