Nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm đường ray xe lửa

Thiết kế khớp nối mềm liên kết các thanh ray cơ bản trên đường sắt nhằm mục đích chính là làm giảm lực xung kích lên đoàn tàu, giảm chuyển vị thẳng đứng của đầu ray và tại mối nối.. Khi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại 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 này sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực họp tại 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 tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa CKGT, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ Đ U

1 Tính c p thi t c đ tài

Hiện nay ngành đường sắt Việt Nam đang sử dụng trên 300 đầu máy diesel với 13 chủng loại được nhập từ nhiều nước khác nhau để đáp ứng nhu cầu vận chuyển hành khách,hàng hóa tuyến Bắc Nam Vận tốc chạy tàu cũng tăng để đảm bảo thời gian chạy tàu

Tuy nhiên, hệ thống đường ray xe lửa hiện nay vẫn dùng khớp nối kiểu cơ khí, hai đoạn ray được nối với nhau qua thanh lập lách và hệ thống bu lông, giữa hai thanh ray có khe

hở nhất định để có thể co giãn khi nhiệt độ thay đổi Do tồn tại mối nối giữa hai thanh ray và khớp nối cứng kiểu cơ khí nên khi tàu chạy độ êm dịu không cao, khi bánh xe chạy qua khe hở giữa hai thanh ray gây va đập và rung động lớn Hiện nay, ngành đường sắt đã ứng dụng công nghệ hàn nhiệt nhôm và hàn hơi ép (chủ yếu hiện nay) để tạo nên loại đường sắt không mối nối, nhưng công nghệ này rất đắt tiền,

và yêu cầu cao về trình độ công nghệ Do đó, để giải quyết vấn đề này, đề tài nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm để nối hai đoạn ray với nhau nhằm loại bỏ tiếng ồn, va đập và rung động khi bánh xe chạy qua khe hở giữa hai đoạn ray

2 Đối tƣợng nghiên cứu

Bánh xe và đường ray xe lửa

3 Phạm vi nghiên cứu

Quy luật tương tác giữa bánh xe và đường ray

4 Mục tiêu nghiên cứu c đ tài

Thiết kế khớp nối mềm đường ray phù hợp quy luật tương tác giữa bánh xe và đường ray

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết chuyển động - tương tác giữa bánh xe

và ray, lý thuyết về vật liệu đàn hồi, kết hợp với thực nghiệm

đo đạc đặc tính vật liệu và phương pháp thống kê điều kiện

làm việc, các dạng hư hỏng của thanh ray và bánh xe

6 Bố cục luận văn

Luận văn có bố cục cụ thể như sau:

Mở đầu

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán tương tác giữa đầu máy

và đường ray

Chương 3:Nghiên cứu đo đạc thực nghiệm

Chương 4:Thiết kế mối nối ray

Chương 5:Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm v k t c u tầng trên đường sắt

1.2 Công dụng và yêu cầu đối với ray

Là chỗ nối hai thanh ray với nhau, ở chỗ mối nối đường ray

bị phân cách và tạo thành khe hở, nên được liên kết với nhau bằng lập lách Khe hở ở mối nối để cho ray thay đổi chiều dài khi nhiệt độ ngoài trời tăng làm cho ray nở ra hoặc co lại khi nhiệt độ giảm Do vậy khi bánh xe chạy qua mối nối sẽ phát sinh lực xung kích vào đường sắt tại vị trí mối nối là chỗ yếu nhất của đường sắt, lực cản tăng khoảng 10% trong quá trình chạy tàu Do vậy về mặt cấu tạo, biện pháp thi công bảo quản mối nối có ý nghĩa quan trọng để duy trì trạng thái của tuyến đường

Phụ tùng liên kết mối nối

1.4.5

Như vậy, để đảm bảo cho đường sắt hoạt động tốt thì phải khắc phục nhược điểm tồn tại khe hở nhiệt giữa các thanh ray tiêu chuẩn Thiết kế khớp nối mềm liên kết các thanh ray cơ bản trên đường sắt nhằm mục đích chính là làm giảm lực xung kích lên đoàn tàu, giảm chuyển vị thẳng đứng của đầu ray và tại mối nối Khi có khớp nối mềm sẽ khắc phục tình trạng không bằng phẳng trên đường sắt, hạn chế biến dạng đàn tính tại vị trí nối tiếp của ray, khắc phục sự tồn tại của khe hở và độ chênh lệch giữa các mặt ray Giá trị chuyển vị nhỏ

sẽ tạo ra các ưu điểm nâng cao các chỉ tiêu an toàn trong động lực học đoàn tàu và đường ray Đây cũng là lý do em chọn đề tài:

“Nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm đường ray xe lửa”

1.5 Tổng quan v các k t quả nghiên cứu cùng hướng với đ tài

Vấn đề giảm lực động tác dụng lên ray và đầu máy- toa xe cũng như giảm chuyển vị tại mối nối vốn được quan tâm tính toán,

đo đạc và có nhu cầu cải tiến công nghệ từ lâu ở Việt Nam và cả nước ngoài

- Ngoài nước:

Việc đặt tà vẹt trên một cầu ray tiêu chuẩn chủ yếu dựa trên các lý luận và kiểm toán tải trọng tĩnh, đồng thời dựa vào kinh nghiệm và năng lực của tuyến đường để bố trí khoảng cách các tà vẹt cũng như đưa ra các điều kiện trong bảo trì Theo tìm hiểu, hiện nay chưa có phương pháp tính nào có tính chuẩn mực

- Trong nước:

Đề tài cấp bộ của 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 và 1435mm” với mục tiêu:

- Kiểm toán mật độ tà vẹt bê tông dự ứng lực cho cầu ray 50kg/m L=25m đường sắt khổ 1000mm và 1435mm theo tốc độ khác nhau nhằm xây dựng cơ sở tham chiếu cho công tác thiết kế, thi công, bảo trì kết cấu hạ tầng đường sắt

- Kiểm toán trong một số điều kiện cực đoan (như: một thanh

tà vẹt, hai thanh tà vẹt hoặc ba thanh tà vẹt bị mất tác dụng)

- Xây dựng cơ sở lý luận để xác định các thông số a, b, c góp phần thống nhất được mật độ tà vẹt và một số đề xuất để tham chiếu trong công tác thiết kế, thi công và bảo trì kết cấu hạ tầng đường sắt

Đề tài đã bảo vệ thành công cấp Bộ, tuy nhiên việc triển khai phụ thuộc nhiều vào kinh phí, quá trình thay mật độ tà vẹt mất nhiều thời gian đặc biệt là vướng mắc về công tác phong tỏa khu gian chạy tàu

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm đường ray xe lửa”

đi theo hướng công nghệ Phạm vi nghiên cứu của luận văn là tính toán thiết kế đệm nối ray để giảm chấn động và tăng tính êm dịu bằng cách dùng vật liệu phù hợp thiết kế khớp nối để giảm lực xung kích và giảm chuyển vị tại mối nối Trên cơ sở xây dựng mô hình động học và thực nghiệm đo đạc chứng minh tính chính xác của mô hình, chọn vật liệu làm khớp nối để tính toán lại theo mô hình đặt ra

cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thử nghiệm trên Đường sắt Việt Nam

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯƠNG

TÁC GIỮA Đ U MÁY VÀ ĐƯỜNG RAY

2.1 Nghiên cứu v động lực học đầu máy - đường ray

d.Mô hình tổng hợp đầu máy toa xe-kết cấu đường ray

Từ mô hình đầu máy toa xe từ dạng đơn giản đên phức tạp

và kết hợp với mô hình kết cấu đường ray thì ta được mô hình tổng hợp đầu máy toa xe-kết cấu đường ray, tùy theo mục đích sử dụng để thiết lập các dạng mô hình trên

Do tính chất phức tạp của một hệ thống lớn, nên khi phân tích động lực học tổ hợp bánh xe - ray đã vượt ra khỏi phàm trù lý thuyết giải tích, mà nhất thiết phải nhờ đến máy tính mô phỏng số

Đối với hệ thống lớn phức tạp, dùng máy tính mô phỏng có tính ưu việt lớn; Trước hết, mô phỏng số có thể đầu tư tương đối nhỏ,

mà giải quyết được một vấn đề phức tạp, hơn nữa không phải là những số liệu thí nghiệm hữu hạn Như thế sẽ giảm đáng kể số lần thử nghiệm quy mô rất tốn sức lực, tiền của và thời gian Đối với nghiên cứu động lực tổ hợp đầu máy toa xe và đường ray có ý nghĩa

ngày càng lớn, vì việc thử nghiệm hiện trường trên đường sắt, chẳng những quy mô lớn, mà còn ảnh hưởng đến sự kinh doanh bình thường của đường sắt, phí tổn mọi mặt để hoàn thành tốt thực nghiệm là rất lớn, chưa kể đến tai nạn thử nghiệm, thì tổn thất chưa thể lường trước được; Ngược lại dùng máy tính mô phỏng để nghiên cứu thì có khả năng đưa vào các trạng thái cực đoan nhất theo ý muốn, như vượt tốc độ tải trọng, đầu nối ray hư hỏng trầm trọng ,

mà không phải lo lắng gì; Còn nữa mô phỏng số còn có thể nghiên cứu được tham số nhạy cảm một cách nhanh chóng, dễ dàng thực hiện được thiết kế tối ưu của hệ thống bánh xe - ray tác dụng động lực thấp Do đó, một khi hệ thốg mô phỏng máy tính đã được thử nghiệm chứng minh, tất sẽ được ứng dụng nhanh chóng và cuối cùng

có thể hoàn toàn thay thế thử nghiệm

2.2 Lý luận và phân tích ch n động c đoàn tàu theo phương thẳng đứng

Nếu bài toán chỉ cần tính lực động theo phương thẳng đứng

mà không xét đến lực ngang, lực dọc ray, hoặc chỉ cần tính chuyển vị của ray, tà vẹt theo phương thẳng đứng v.v Khi đó ta có thể đơn giản hóa mô hình tính, chỉ cần xem xét những yếu tố gây ra ảnh hưởng đến phương thẳng đứng mà không xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến phương ngang hoặc phương dọc ray, như vậy có thể đơn giản hóa được mô hình mà kết quả vẫn chính xác, như hình 2.19

Hình 2-1 Mô hình đầu máy,to xe - đường r y chỉ xét theo phương thẳng đứng

a)Theo phương dọc b) Theo phương ngang

Trong mô hình trên thì thân xe chỉ xét có 3 bậc tự do bao gồm: dịch chuyển theo trục thẳng đứng (0z), quay quanh trục nằm

ngang (0y), quay quanh trục dọc (0x); Giá chuyển hướng trước và

giá chuyển hướng sau mỗi giá chuyển hướng có 3 bậc tự do bao

gồm: dịch chuyển theo trục thẳng đứng (0z), quay quanh trục nằm

ngang (0y), quay quanh trục dọc (0x); Có 4 đôi bánh xe, mỗi đôi

bánh có 2 bậc tự do 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) của toa xe với vận tốc V thì không

xét đến các dịch chuyển khác (đều bị ràng buộc), vậy tổng số bậc tự

do của toa xe là: 3 x 3 + 4 x 2 = 17 bậc tự do

2.3 Quan hệ giữ bánh xe và đường ray

Ở đây ta lấy đầu máy D11H và dùng các tham sô của đầu

máy cho trong bảng 2.1, bảng 2.2 để tính toán

Dựa vào khoảng cách giữa các phụ kiện để phân chia phần

tử, xét tại thời điểm (t) ta có phương trình cơ bản:

M ̈(t)+ ̇ t)+Kx(t)=F(t) (2.64)

Trong đó:

M, C, K là ma trận khối lượng, ma trận hệ số lực cản tốc độ,

ma trận độ cứng

̈(t), ̇ t), x(t) là gia tốc, vận tốc, chuyển vị của biến lượng

tại thời điểm t F(t) ngoại lực tác dụng tại thời điểm t

Phần mềm lập trình LS-DYNA[1] sử dụng phương pháp sai

phân toán học, tại bước thời gian thứ tn thì gia tốc của biến lượng

được tính bởi công thức:

F(tn), Fint(tn) là ngoại lực và nội lực tại thời điểm tn

Tại bước thời gian thứ tn thì vận tốc V và chuyển vị U được

hình trong phần mềm với nhiều tốc độ khác nhau của đầu máy

D11H cho trường hợp mối nối có lập lách

Chuyển vị động thẳng đứng của ray (mm)

Kết quả tính toán tải trọng động thẳng đứng theo

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 3.6 Mục đích thực nghiệm

- Xác định giá trị thực tế, quy luật biến đổi, dạng đồ thị chuyển vị tại vị trí mối nối để đánh giá tính chính xác của mô hình tính toán đã xây dưng

- Dựa trên các giá trị chuyển vị tại mối nối đánh giá, so sánh cùng giá trị chuyển vị cho phép

3.7 Máy móc và thi t bị đo

Chuẩn bị các trang thiết bị cần sử dụng để đo đạc, thử nghiệm, kiểm tra hiệu chuẩn các máy đo Các loại máy cần thiết để

đo gồm:

+ 6 bộ Gá dưới 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 là LVDT, 4-20 mA, thiết bị này có thể đo lượng chuyển dịch từ ±2,5mm đến ±150mm, chiều dài khoảng 40-50cm, độ phân giải của thiết bị 10-3s, như hình 3.3

3.8 Quá trình thực nghiệm đo chuyển vị tại mối nối

Khảo sát, lựa chọn vị trí đo đạc thử nghiệm

3.8.9

Sơ đồ đo tại hiện trường:

3.8.10

Hình 3-1 Sơ đồ đo chuyển vị đứng c r y tại các vị trí

1,1 ’ -vị trí trên ray tại mối nối;2,2 ’ - vị trí giữa khoang b;3,3 , - vị trí

giữa khoang a Với a= 710mm,b= 630mm,c= 550mm là khoảng cách giữa các

khoang tà vẹt Khe hở nhiệt 1-1 ’ =8mm

3.9 K t quả đo hiện trường cho đầu máy D11H

Từ kết quả đo đạc ở hiện trường, máy tính chuyên dụng sẽ cho ta được các hệ thống dữ liệu và thông qua hệ thống dữ liệu tác giả sử dụng các phần mềm hỗ trợ để vẽ được các dạng đồ thị như hình dưới

-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ KHỚP NỐI RAY

4.1 Tính toán nội lực phát sinh trên ray

4.2 Lực nhiệt độ và chuyển dịch co giãn c a ray

Lực nhiệt độ ray Pt và ứng suất t

4.2.1

Tính toán khe hở nhiệt giữa hai đoạn ray

4.2.2

4.3 K t c u và nguyên lý làm việc c a khớp nối m m

Vật liệu khớp mềm là 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 là 90 Mpa

4.4 C u tạo c a khớp nối và khuôn đúc khớp nối

Hình 4-1 Hình dạng mô phỏng khớp nối

Khuôn đúc khớp nối được thiết kế gồm hai nửa có lòng khuôn là hình dạng khớp nối lắp ráp với nhau nhờ chốt định vị tạo thành mặt phân khuôn kín có lỗ để bơm áp lực composite vào lòng khuôn Vật liệu khuôn làm từ vật liệu composite cốt sợi thủy tinh và nền là nhựa polyester

Hình 4-2 C u tạo khuôn khớp nối

Sau khi lắp ráp khuôn vào mối nối hai thanh ray liền kề, sử dụng vật liệu composite ở áp lực cao bơm đầy lòng khuôn để tạo khớp nối mềm có hình dạng đã thiết kế Vật liệu composite làm khớp nối bình thường ở dạng lỏng sau đó pha thêm phụ gia và bơm đồng thời vào khuôn Vật liệu sẽ tự đóng rắn trong khuôn, quá trình phản ứng xảy ra ỏ nhiệt độ 2400

C Để nguội đến nhiệt độ thường thì dỡ khuôn để có được khớp nối liên kết giữa hai ray

Hình 4-3 Lắp ráp khuôn và ch tạo khớp nối

4.5 K t quả tính toán trong phần m m tại vị trí khớp nối m m có lập lách

Kết quả tính toán chuyển vị thẳng đứng theo mô

4.5.3

hình trong phần mềm với nhiều tốc độ khác nhau của đầu máy D11H cho trường hợp khớp nối mềm có lập lách

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

Kết quả tính toán tải trọng động thẳng đứng theo

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.6 K t luận

-Khi mối nối có thêm khớp mềm có cấu tạo từ vật liệu composite có hình dạng như thiết kế thì giá trị chuyển vị thẳng đứng nhỏ hơn khi mối nối chỉ có lập lách Ví dụ ở tốc độ 40 Km/h, chuyển

vị mối nối là 2,5mm còn chuyển vị tại khớp nối mềm là 1,75mm

-Khi mối nối có thêm khớp mềm giá trị lực động thẳng đứng nhỏ hơn khi mối nối chỉ có lập lách Ví dụ ở tốc độ 40 Km/h, Pd lớn nhất là 72 KN còn ở khớp nối mềm là 68 KN

5.7 Ki n nghị

Từ những vấn đề trên xin đề xuất hướng phát triển của đề tài

là chế tạo khớp nối và thử nghiệm thực tế để có điều kiện kiểm chứng

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 và 1435mm” Đề tài cấp

[5].Quy trình bảo dưỡng đường sắt QĐ số 396/ĐS-PC

[6].Trương Trọng Vương (2015), Một số đặc tính động lực học của

ĐS cao tốc kiểu tấm bản loại I và các bệnh hại của nó, Luận án tiến

sỹ (bản tiếng Trung)

[7] Tập tài liệu tham số của đầu máy toa xe Việt Nam (do ban đầu máy toa xe cung cấp)

[8] Tập tài liệu tham số của đầu máy toa xe của Hungary

[9] Tập tài liệu tham số của đầu máy toa xe của 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 và ứng dụng NXB Giao thông vận tải

Các yếu tố về kích thước hình dáng và trọng lượng của ray Các yếu tố về kích thước hình dáng và trọng lượng của ray