Nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm đường ray xe lửa

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG HIẾU DÂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ KHỚP NỐI MỀM ĐƢỜNG RAY XE LỬA Chuyên ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 8520116 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng - Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Văn Luận Phản biện 1: PGS-TS Dương Việt Dũng Phản biện 2: TS Phùng Xuân Thọ Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật khí động lực họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 10 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN Thư viện Khoa CKGT, Trường Đại học Bách khoa - MỞ Đ U Tính c p thi t c đ tài Hiện ngành đường sắt Việt Nam sử dụng 300 đầu máy diesel với 13 chủng loại nhập từ nhiều nước khác để đáp ứng nhu cầu vận chuyển hành khách,hàng hóa tuyến Bắc Nam Vận tốc chạy tàu tăng để đảm bảo thời gian chạy tàu Tuy nhiên, hệ thống đường ray xe lửa dùng khớp nối kiểu khí, hai đoạn ray nối với qua lập lách hệ thống bu lơng, hai ray có khe hở định để co giãn nhiệt độ thay đổi Do tồn mối nối hai ray khớp nối cứng kiểu khí nên tàu chạy độ êm dịu không cao, bánh xe chạy qua khe hở hai ray gây va đập rung động lớn Hiện nay, ngành đường sắt ứng dụng công nghệ hàn nhiệt nhôm hàn ép (chủ yếu nay) để tạo nên loại đường sắt không mối nối, công nghệ đắt tiền, yêu cầu cao trình độ cơng nghệ Do đó, để giải vấn đề này, đề tài nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm để nối hai đoạn ray với nhằm loại bỏ tiếng ồn, va đập rung động bánh xe chạy qua khe hở hai đoạn ray Đối tƣợng nghiên cứu Bánh xe đường ray xe lửa 2 Phạm vi nghiên cứu Quy luật tương tác bánh xe đường ray Mục tiêu nghiên cứu c đ tài Thiết kế khớp nối mềm đường ray phù hợp quy luật tương tác bánh xe đường ray Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết chuyển động - tương tác bánh xe ray, lý thuyết vật liệu đàn hồi, kết hợp với thực nghiệm đo đạc đặc tính vật liệu phương pháp thống kê điều kiện làm việc, dạng hư hỏng ray bánh xe Bố cục luận văn Luận văn có bố cục cụ thể sau: Mở đầu Chương 1: Nghiên cứu tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tương tác đầu máy đường ray Chương 3:Nghiên cứu đo đạc thực nghiệm Chương 4:Thiết kế mối nối ray Chương 5:Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục CHƢƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm v k t c u tầng đƣờng sắt 1.2 Công dụng yêu cầu ray 1.2.1 Công dụng 1.2.2 Yêu cầu ray 1.2.3 ray 1.3 1.3.1 dụng ray Các yếu tố kích thước hình dáng trọng lượng Những hƣ hỏng ray mức độ khuy t tật Để bảo dưỡng ray tốt, kéo dài thời gian sử 1.3.2 Để chống ray xô 1.3.3 Để chống ray bị bung nhiệt độ cao 1.4 Khái niệm mối nối liên k t mối nối ray 1.4.4 Mối nối Là chỗ nối hai ray với nhau, chỗ mối nối đường ray bị phân cách tạo thành khe hở, nên liên kết với lập lách Khe hở mối nối ray thay đổi chiều dài nhiệt độ trời tăng làm cho ray nở co lại nhiệt độ giảm Do bánh xe chạy qua mối nối phát sinh lực xung kích vào đường sắt vị trí mối nối chỗ yếu đường sắt, lực cản tăng khoảng 10% trình chạy tàu Do mặt cấu tạo, biện pháp thi công bảo quản mối nối có ý nghĩa quan trọng để trì trạng thái tuyến đường 4 1.4.5 Phụ tùng liên kết mối nối Như vậy, để đảm bảo cho đường sắt hoạt động tốt phải khắc phục nhược điểm tồn khe hở nhiệt ray tiêu chuẩn Thiết kế khớp nối mềm liên kết ray đường sắt nhằm mục đích làm giảm lực xung kích lên đồn tàu, giảm chuyển vị thẳng đứng đầu ray mối nối Khi có khớp nối mềm khắc phục tình trạng khơng phẳng đường sắt, hạn chế biến dạng đàn tính vị trí nối tiếp ray, khắc phục tồn khe hở độ chênh lệch mặt ray Giá trị chuyển vị nhỏ tạo ưu điểm nâng cao tiêu an toàn động lực học đoàn tàu đường ray Đây lý em chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm đường ray xe lửa” 1.5 với đ tài Tổng quan v k t nghiên cứu hƣớng Vấn đề giảm lực động tác dụng lên ray đầu máy- toa xe giảm chuyển vị mối nối vốn quan tâm tính tốn, đo đạc có nhu cầu cải tiến cơng nghệ từ lâu Việt Nam nước - Ngoài nước: Việc đặt tà vẹt cầu ray tiêu chuẩn chủ yếu dựa lý luận kiểm toán tải trọng tĩnh, đồng thời dựa vào kinh nghiệm lực tuyến đường để bố trí khoảng cách tà vẹt đưa điều kiện bảo trì Theo tìm hiểu, chưa có phương pháp tính có tính chuẩn mực - Trong nước: Đề tài cấp tác giả Đặng Sỹ Mạnh “Nghiên cứu kiểm toán mật độ tà vẹt bê tông dự ứng lực cho cầu ray 50kg/m L=25m đường sắt khổ 1000mm 1435mm” với mục tiêu: - Kiểm tốn mật độ tà vẹt bê tơng dự ứng lực cho cầu ray 50kg/m L=25m đường sắt khổ 1000mm 1435mm theo tốc độ khác nhằm xây dựng sở tham chiếu cho công tác thiết kế, thi cơng, bảo trì kết cấu hạ tầng đường sắt - Kiểm toán số điều kiện cực đoan (như: tà vẹt, hai tà vẹt ba tà vẹt bị tác dụng) - Xây dựng sở lý luận để xác định thông số a, b, c góp phần thống mật độ tà vẹt số đề xuất để tham chiếu cơng tác thiết kế, thi cơng bảo trì kết cấu hạ tầng đường sắt Đề tài bảo vệ thành công cấp Bộ, nhiên việc triển khai phụ thuộc nhiều vào kinh phí, q trình thay mật độ tà vẹt nhiều thời gian đặc biệt vướng mắc công tác phong tỏa khu gian chạy tàu Đề tài “Nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm đường ray xe lửa” theo hướng công nghệ Phạm vi nghiên cứu luận văn tính tốn thiết kế đệm nối ray để giảm chấn động tăng tính êm dịu cách dùng vật liệu phù hợp thiết kế khớp nối để giảm lực xung kích giảm chuyển vị mối nối Trên sở xây dựng mơ hình động học thực nghiệm đo đạc chứng minh tính xác mơ hình, chọn vật liệu làm khớp nối để tính tốn lại theo mơ hình đặt sở khoa học cho việc thiết kế thử nghiệm Đường sắt Việt Nam 6 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TƢƠNG TÁC GIỮA Đ U MÁY VÀ ĐƢỜNG RAY 2.1 Nghiên cứu v động lực học đầu máy - đƣờng ray 2.1.1 Khái niệm bậc tự 2.1.2 Một số mô hình động lực học đầu máy- đường ray thường dùng a Mơ hình đầu máy toa xe từ dạng đơn giản đên phức tạp b.Mơ hình kết cấu đường ray dạng dầm (ray) dày vô hạn đặt đàn hồi c.Mơ hình kết cấu đường ray dạng dầm (ray) dày vô hạn đặt gối đàn hồi d.Mô hình tổng hợp đầu máy toa xe-kết cấu đường ray Từ mơ hình đầu máy toa xe từ dạng đơn giản đên phức tạp kết hợp với mơ hình kết cấu đường ray ta mơ hình tổng hợp đầu máy toa xe-kết cấu đường ray, tùy theo mục đích sử dụng để thiết lập dạng mơ hình Do tính chất phức tạp hệ thống lớn, nên phân tích động lực học tổ hợp bánh xe - ray vượt khỏi phàm trù lý thuyết giải tích, mà thiết phải nhờ đến máy tính mơ số Đối với hệ thống lớn phức tạp, dùng máy tính mơ có tính ưu việt lớn; Trước hết, mơ số đầu tư tương đối nhỏ, mà giải vấn đề phức tạp, số liệu thí nghiệm hữu hạn Như giảm đáng kể số lần thử nghiệm quy mô tốn sức lực, tiền thời gian Đối với nghiên cứu động lực tổ hợp đầu máy toa xe đường ray có ý nghĩa ngày lớn, việc thử nghiệm trường đường sắt, quy mơ lớn, mà ảnh hưởng đến kinh doanh bình thường đường sắt, phí tổn mặt để hoàn thành tốt thực nghiệm lớn, chưa kể đến tai nạn thử nghiệm, tổn thất chưa thể lường trước được; Ngược lại dùng máy tính mơ để nghiên cứu có khả đưa vào trạng thái cực đoan theo ý muốn, vượt tốc độ tải trọng, đầu nối ray hư hỏng trầm trọng , mà khơng phải lo lắng gì; Còn mơ số nghiên cứu tham số nhạy cảm cách nhanh chóng, dễ dàng thực thiết kế tối ưu hệ thống bánh xe - ray tác dụng động lực thấp Do đó, hệ thốg mơ máy tính thử nghiệm chứng minh, tất ứng dụng nhanh chóng cuối hồn tồn thay thử nghiệm 2.2 Lý luận phân tích ch n động c theo phƣơng thẳng đứng đoàn tàu Nếu tốn cần tính lực động theo phương thẳng đứng mà không xét đến lực ngang, lực dọc ray, cần tính chuyển vị ray, tà vẹt theo phương thẳng đứng v.v Khi ta đơn giản hóa mơ hình tính, cần xem xét yếu tố gây ảnh hưởng đến phương thẳng đứng mà không xét đến yếu tố ảnh hưởng đến phương ngang phương dọc ray, đơn giản hóa mơ hình mà kết xác, hình 2.19 8 Hình 2-1 Mơ hình đầu máy,to xe - đƣờng r y xét theo phƣơng thẳng đứng a)Theo phương dọc b) Theo phương ngang Trong mơ hình thân xe xét có bậc tự bao gồm: dịch chuyển theo trục thẳng đứng (0z), quay quanh trục nằm ngang (0y), quay quanh trục dọc (0x); Giá chuyển hướng trước giá chuyển hướng sau giá chuyển hướng có bậc tự bao gồm: dịch chuyển theo trục thẳng đứng (0z), quay quanh trục nằm ngang (0y), quay quanh trục dọc (0x); Có đơi bánh xe, đơi bánh có bậc tự bao gồm: dịch chuyển theo trục thẳng đứng (0z), quay quanh trục nằm ngang (0y) Như vậy, ngoại trừ chuyển dịch theo phương dọc ray (hiển nhiên) toa xe với vận tốc V khơng xét đến dịch chuyển khác (đều bị ràng buộc), tổng số bậc tự toa xe là: x + x = 17 bậc tự 2.3 Quan hệ giữ bánh xe đƣờng ray 2.4 Các tham số 2.5 Một số tiêu chuẩn v động lực học 2.5.2 Tỷ số giảm tải 2.5.3 Gia tốc thẳng đứng gia tốc ngang 2.5.4 Chuyển vị thẳng đứng ray 2.5.5 Hệ số chống lật D 2.5.6 Một số giả thiết Ở ta lấy đầu máy D11H dùng tham sô đầu máy cho bảng 2.1, bảng 2.2 để tính tốn Dựa vào khoảng cách phụ kiện để phân chia phần tử, xét thời điểm (t) ta có phương trình bản: M ̈ (t)+ ̇ t)+Kx(t)=F(t) Trong đó: M, C, K ma trận khối lượng, ma trận hệ số lực cản tốc độ, ma trận độ cứng 10 ̈ (t), ̇ t), x(t) gia tốc, vận tốc, chuyển vị biến lượng thời điểm t F(t) ngoại lực tác dụng thời điểm t Phần mềm lập trình LS-DYNA[1] sử dụng phương pháp sai phân tốn học, bước thời gian thứ tn gia tốc biến lượng tính cơng thức: a(t n )  M 1  F (t n )  Fint (t n ) Trong đó: F(tn), Fint(tn) ngoại lực nội lực thời điểm tn Tại bước thời gian thứ tn vận tốc V chuyển vị U tính cơng thức: v(t n1/2 )  v(t n1/2 )  0.5a(t n )( t n1   t n ) u(t n1 )  u(t n )  v(t n1/2 )( t n ) 2.5.7 Kết tính tốn chuyển vị thẳng đứng theo mơ hình phần mềm với nhiều tốc độ khác đầu máy D11H cho trường hợp mối nối có lập lách Chuyển vị động thẳng đứng ray (mm) 11 chuyen vi thang dung cua ray tai vi tri moi noi/mm 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 Thoi gian Hình 2-2 Chuyển vị thẳng đứng c ứng với V=40km/h (s) r y vị trí mối nối chuyen vi thang dung cua ray tai vi tri moi noi ung voi v=60km/h (mm) 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 Thoi gian (s) (s) Hình 2-3 Chuyển vị thẳng đứng c ứng với V=60km/h r y vị trí mối nối 12 2.5.8 Kết tính tốn tải trọng động thẳng đứng theo mơ hình phần mềm với nhiều tốc độ khác cho trường hợp mối nối có lập lách Luc dong thang dung Pd/ KN 80 70 60 50 Thoi gian (s) Hình 2-4 Tải trọng động thẳng đứng ứng với V=40km/h Luc dong thang dung Pd/KN 80 70 60 50 Thoi gian (s) Hình 2-5 Tải trọng động thẳng đứng ứng với V=60km/h 13 CHƢƠNG 3.6 NGHIÊN CỨU ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM Mục đích thực nghiệm - Xác định giá trị thực tế, quy luật biến đổi, dạng đồ thị chuyển vị vị trí mối nối để đánh giá tính xác mơ hình tính tốn xây dưng - Dựa giá trị chuyển vị mối nối đánh giá, so sánh giá trị chuyển vị cho phép 3.7 Máy móc thi t bị đo Chuẩn bị trang thiết bị cần sử dụng để đo đạc, thử nghiệm, kiểm tra hiệu chuẩn máy đo Các loại máy cần thiết để đo gồm: + Gá đế ray + Máy tính chuyên dụng để nối với thiết bị đo + Thiết bị đo chuyển vị Loại thiết bị đo chuyển vị có tên LVDT, 4-20 mA, thiết bị đo lượng chuyển dịch từ ±2,5mm đến ±150mm, chiều dài khoảng 40-50cm, độ phân giải thiết bị 10-3s, hình 3.3 14 3.8 Quá trình thực nghiệm đo chuyển vị mối nối 3.8.9 Khảo sát, lựa chọn vị trí đo đạc thử nghiệm 3.8.10 Sơ đồ đo trường: Hình 3-1 Sơ đồ đo chuyển vị đứng c r y vị trí 1,1’-vị trí ray mối nối;2,2’- vị trí khoang b;3,3,- vị trí khoang a Với a= 710mm,b= 630mm,c= 550mm khoảng cách khoang tà vẹt Khe hở nhiệt 1-1’=8mm 15 K t đo trƣờng cho đầu máy D11H 3.9 Từ kết đo đạc trường, máy tính chuyên dụng cho ta hệ thống liệu thông qua hệ thống liệu tác giả sử dụng phần mềm hỗ trợ để vẽ dạng đồ thị hình chuyen vi thang dung cua ray tai vi tri moi noi/mm 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 Thoi gian Hình 3-2 Chuyển vị thẳng đứng c tạivị trí mối nối, tốc độ V=40km/h (s) r y (Đầu máy D11H) chuyen vi thang dung cua ray tai vi tri moi noi ung voi v=60km/h (mm) 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 Thoi gian (s) Hình 3-3 Chuyển vị thẳng đứng c D11H), tốc độ V=60km/h r y (Đầu máy 16 CHƢƠNG THIẾT KẾ KHỚP NỐI RAY 4.1 Tính tốn nội lực phát sinh ray 4.1.1 Lực cản dọc 4.1.2 Lực cản ngang 4.1.3 Lực cản đứng 4.1.4 Độ cứng nhịp cầu ray (EJ) 4.2 Lực nhiệt độ chuyển dịch co giãn c a ray 4.2.1 Lực nhiệt độ ray Pt ứng suất t 4.2.2 Tính tốn khe hở nhiệt hai đoạn ray 4.3 K t c u nguyên lý làm việc c a khớp nối m m Vật liệu khớp mềm composite epoxy- sợi thủy tinh Đặc tính: hệ số giãn nở nhiệt 2,1x106/K; mô đun đàn hồi 70 Gpa; nhiệt độ chuyển pha1730C; sức bền 90 Mpa 4.4 C u tạo c a khớp nối khuôn đúc khớp nối Hình 4-1 Hình dạng mơ khớp nối 17 Khuôn đúc khớp nối thiết kế gồm hai nửa có lòng khn hình dạng khớp nối lắp ráp với nhờ chốt định vị tạo thành mặt phân khn kín có lỗ để bơm áp lực composite vào lòng khn Vật liệu khn làm từ vật liệu composite cốt sợi thủy tinh nhựa polyester Hình 4-2 C u tạo khn khớp nối Sau lắp ráp khuôn vào mối nối hai ray liền kề, sử dụng vật liệu composite áp lực cao bơm đầy lòng khn để tạo khớp nối mềm có hình dạng thiết kế Vật liệu composite làm khớp nối bình thường dạng lỏng sau pha thêm phụ gia bơm đồng thời vào khuôn Vật liệu tự đóng rắn khn, q trình phản ứng xảy ỏ nhiệt độ 2400 C Để nguội đến nhiệt độ thường dỡ khn để có khớp nối liên kết hai ray Hình 4-3 Lắp ráp khuôn ch tạo khớp nối 18 4.5 K t tính tốn phần m m vị trí khớp nối m m có lập lách 4.5.3 Kết tính tốn chuyển vị thẳng đứng theo mơ hình phần mềm với nhiều tốc độ khác đầu máy D11H cho trường hợp khớp nối mềm có lập lách chuyen vi thang dung cua ray/mm 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 Thoi gian (s) Hình 4-4 Chuyển vị thẳng đứng c V=40km/h (s) r y ứng với Chuyen vi thang dung cua ray/mm 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 Thoi gian Hình 4-5 Chuyển vị thẳng đứng c V=60km/h (s) r y ứng với 19 4.5.4 Kết tính tốn tải trọng động thẳng đứng theo mơ hình phần mềm với nhiều tốc độ khác cho trường hợp khớp nối mềm có lập lách Luc dong Pd/KN 80 70 60 50 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Thoi gian (t)/s Hình 4-6 Tải trọng động thẳng đứng ứng với V=40km/h Luc dong Pd/KN 80 70 60 50 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Thoi gian (t)/s Hình 4-7 Tải trọng động thẳng đứng ứng với V=60km/h 20 CHƢƠNG 5.6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ K t luận -Khi mối nối có thêm khớp mềm có cấu tạo từ vật liệu composite có hình dạng thiết kế giá trị chuyển vị thẳng đứng nhỏ mối nối có lập lách Ví dụ tốc độ 40 Km/h, chuyển vị mối nối 2,5mm chuyển vị khớp nối mềm 1,75mm -Khi mối nối có thêm khớp mềm giá trị lực động thẳng đứng nhỏ mối nối có lập lách Ví dụ tốc độ 40 Km/h, Pd lớn 72 KN khớp nối mềm 68 KN 5.7 Ki n nghị Từ vấn đề xin đề xuất hướng phát triển đề tài chế tạo khớp nối thử nghiệm thực tế để có điều kiện kiểm chứng 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Nghiên cứu kiểm toán mật độ tà vẹt bê tông dự ứng lực cho cầu ray 50kg/m L=25m đường sắt khổ 1000mm 1435mm” Đề tài cấp tác giả Đặng Sỹ Mạnh-2017 [2].Nguyễn Thanh Tùng (2009), Kết cấu tầng đường Sắt NXB Giao thông vận tải [3].Nguyễn Thanh Tùng (2005), Nguyên lý tính tốn đường Sắt khơng kết nối Trường Đại học Giao thơng vận tải [4].Tiêu chuẩn bảo trì cơng trình đường sắt thường TCCS 02 :2014/VNRA [5].Quy trình bảo dưỡng đường sắt QĐ số 396/ĐS-PC [6].Trương Trọng Vương (2015), Một số đặc tính động lực học ĐS cao tốc kiểu loại I bệnh hại nó, Luận án tiến sỹ (bản tiếng Trung) [7] Tập tài liệu tham số đầu máy toa xe Việt Nam (do ban đầu máy toa xe cung cấp) [8] Tập tài liệu tham số đầu máy toa xe Hungary [9] Tập tài liệu tham số đầu máy toa xe Trung Quốc [10] Nguyễn Xuân Lựu (2010), Phương pháp phần tử hữu hạn NXB Giao thông vận tải [11] Lê Văn Cử (2015), Động lực học đường sắt ứng dụng NXB Giao thông vận tải Các yếu tố kích thước hình dáng trọng lượng ray Các yếu tố kích thước hình dáng trọng lượng ray ... Phạm vi nghiên cứu Quy luật tương tác bánh xe đường ray Mục tiêu nghiên cứu c đ tài Thiết kế khớp nối mềm đường ray phù hợp quy luật tương tác bánh xe đường ray Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu. .. đề tài nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm để nối hai đoạn ray với nhằm loại bỏ tiếng ồn, va đập rung động bánh xe chạy qua khe hở hai đoạn ray Đối tƣợng nghiên cứu Bánh xe đường ray xe lửa 2 Phạm... tàu đường ray Đây lý em chọn đề tài: Nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm đường ray xe lửa 1.5 với đ tài Tổng quan v k t nghiên cứu hƣớng Vấn đề giảm lực động tác dụng lên ray đầu máy- toa xe giảm