Nghiên cứu tính năng động lực học của đầu máy dựa trên Simpack

Bài viết nghiên cứu, mô phỏng các bộ phận của đầu máy như bộ trục bánh, giá chuyển hướng, thùng xe, từ đó xây dựng mô hình mô phỏng động lực học của đầu máy. Ứng dụng mô hình này để nghiên cứu tính năng động lực khi đầu máy thông qua đường cong.

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐẦU MÁY DỰA TRÊN SIMPACK STUDY ON LOCOMOTIVE DYNAMICS SIMULATION BASE ON SIMPACK SOFTWARE Tào Văn Chiến1, Trần Quang Thanh2 Email: tvchiendmtx@gmail.com Trường Đại học Giao thông Vận tải Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 02/02/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 28/3/2018 Ngày chập nhận đăng: 28/3/2018 Tóm tắt Bài báo nghiên cứu, mô phận đầu máy trục bánh, giá chuyển hướng, thùng xe, từ xây dựng mơ hình mơ động lực học đầu máy Ứng dụng mơ hình để nghiên cứu tính động lực đầu máy thơng qua đường cong Mơ hình kết nghiên cứu tiền đề để nghiên cứu tìm biện pháp nâng cao tính động lực đầu máy thơng qua đường cong Từ khóa: Phần mềm; đầu máy; động lực học; mô Abstract In this paper, using Simpack software on axle, bogie and the car model of locomotive for research Thereafter, the dynamics of locomotive were built Using the model on dynamic performance curve of locomotive were studied The model and the research results to improve the dynamic performance curve of locomotive provides the basis Keywords: Software; the locomotive; dynamics; the simulation ĐẶT VẤN ĐẾ Phần mềm Simpack Công ty INTEC Đức sản xuất, phần mềm phân tích, mơ động lực học khí Phần mềm ứng dụng chủ yếu lĩnh vực: Cơ khí, cơng nghiệp quốc phòng, cơng nghiệp ô tô, đường sắt Phần mềm Simpack môđun bánh xe đường ray (wheel/rail) giới phần mềm tồn diện mơ phỏng, phân tích động lực học đồn tàu [1, 2] Phần mềm Simpack sản xuất sử dụng phương pháp tính tốn để tính lực tiếp xúc điểm tiếp xúc đường ray - bánh xe, thu lực dẫn hướng lực pháp tuyến bánh xe Phần mềm áp dụng lý thuyết tiếp xúc đàn hồi Hertz để tính tốn, thơng qua áp dụng mơ hình động lực học bánh xe - đường ray để thu áp lực tiếp xúc ray bánh xe Tính ưu việt tính tốn hiệu dao động tiếp xúc tần số cao đường ray - bánh xe Phương pháp tính tốn phần mềm Simpack sử dụng phương pháp phản hồi, xây dựng phương trình động lực học tọa độ tương đối, từ tính tốn lực tiếp xúc bánh xe đường ray [1, 3] Phần mềm Simpack cung cấp cho người dùng số lượng lớn phương pháp mô lực ma sát đường ray - bánh xe khác nhau, thường sử dụng lý thuyết tiếp xúc phi tuyến tính đơn giản hóa Kalker, đạt thống tương đối tốt tính tốn tốc độ mơ độ xác Mơ hình xây dựng tuyến đường đường ray, kết cấu đường ray tính đàn hồi tuyến Thơng qua sử dụng yếu tố quy chuẩn vận tải đường sắt như: tham số ra, vào Các đoạn đường cong đường thẳng thể vào yêu cầu kết nối, vẽ đường cong cửa sổ điều khiển 2D, đồng thời tự động chuyển đổi thành mơ hình 3D Hơn nữa, số liệu đường ray thông qua khảo sát thực tế đưa vào mơ hình [4, 5] Mơ hình đường ray - bánh xe phần mềm Simpack phiên nhất, giải phần lớn vấn đề mô động lực học đầu máy toa xe đáp 30 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ứng phương pháp tính tốn mơ động lực học đầu máy toa xe miền tần số miền thời gian Căn vào mơ hình tính tốn phân tích động lực học với giá trị đặc trưng tính tốn quỹ đạo ổn định đầu máy toa xe Ngồi ra, sử dụng biến đổi tham số mơ hình tham số hóa, từ nghiên cứu phương án thiết kế khác [6] ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SIMPACK MÔ PHỎNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐẦU MÁY D19E Bài báo ứng dụng phần mềm Simpack để xây dựng mô hình động lực học cho đầu máy D19E chạy đường sắt Việt Nam Kết cấu đầu máy hình hình [7] Hình Kết cấu bố trí tổng thể đầu máy D19E Hình Cấu tạo giá chuyển hướng đầu máy D19E Xà dọc; Hộp bôi trơn gờ bánh xe; Bánh xe; Lò xo cao su; Thanh kéo ĐCĐK; Tay hãm; Xilanh hãm; Hộp chứa cát Căn vào kết cấu đầu máy, trình thành lập xét đến liên kết ngang thân xe giá chuyển hướng, hệ thống treo sơ cấp, hệ thống treo thứ cấp [8, 9] Trong q trình thành lập mơ hình đầu máy, phân tích tính đàn hồi kết cấu, dao động đàn hồi kết cấu khảo sát đến tính đàn hồi phận với nhau, khung giá chuyển Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 31 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC hướng, thân đầu máy, bánh xe Mỗi vật thể có bậc tự chuyển động bậc tự tịnh tiến, tổng cộng bậc tự Nếu lấy trọng tâm đầu máy làm tọa độ, bậc tự dao động tịnh tiến đầu máy bao gồm: dao động ngang, dao động thẳng đứng dao động dọc; ba dao động quay bao gồm: dao động lăn ngang, dao động gật đầu, dao động lắc đầu [2] Mơ hình bánh xe đầu máy D19E Mơ hình bánh xe đầu máy bao gồm bậc tự do: dao động thẳng đứng, dao động nằm ngang, dao động lăn ngang, dao động quay, dao động lắc đầu Trong tình mơ bánh xe chuyển động khơng gian, dẫn đến dịch chuyển vị trí theo phương thẳng đứng bánh xe nên khiến cho bánh xe ray tách rời vị trí điểm tiếp xúc Mơ hình mơ bánh xe đầu máy hình Hình Mơ hình thân đầu máy D19E Mơ hình động lực học đầu máy D19E Căn vào mơ hình thân đầu máy, giá chuyển hướng trục bánh xe, liên kết hệ thống treo bầu dầu hệ thống treo trung ương giảm chấn, từ xây dựng mơ hình động lực đầu máy Tồn mơ hình động lực học đầu máy hình Hình Mơ mơ hình bánh xe đầu máy D19E Mơ hình giá chuyển hướng đầu máy D19E Trong mơ hình khung giá chuyển hướng, mơ hình hệ lò xo trung ương bao gồm: lò xo cao su có độ cứng hệ số giảm chấn theo phương, đồng thời gồm có: giảm chấn theo hướng ngang Khi mơ mơ hình hệ thống treo bầu dầu gồm có lò xo bầu dầu với độ cứng theo phương, đồng thời có hệ giảm chấn theo phương thẳng đứng Mơ hình mơ giá chuyển hướng hình Hình Mơ hình 3D tính tốn động lực học đầu máy D19E ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐẦU MÁY THÔNG QUA ĐƯỜNG CONG Khi đầu máy thơng qua đường cong bán kính bé lực tác dụng ray bánh xe tăng lên, dẫn đến mài mòn bánh xe tăng, chu kỳ sửa chữa giảm Nội dung nghiên cứu báo tính tốn tiêu đánh giá tính động lực học lực ngang, góc xung kích, hệ số trật ray hệ số giảm tải đầu máy thơng qua đường cong với bán kính khác Hình Mơ mơ hình giá chuyển hướng đầu máy D19E Mơ hình thân đầu máy D19E Mơ hình thân đầu máy bao gồm: dao động gật đầu, dao động ngang, dao động lăn ngang, dao động thẳng đứng dao động lắc đầu Như vậy, mô hình động lực học đầu máy bao gồm 45 độ tự Mơ hình thân đầu máy hình Độ lớn bé bán kính đường cong ảnh hưởng lớn đến tính thơng qua đường cong đầu máy tốt hay không, ảnh hưởng lớn đến mài mòn bánh xe Khi thơng qua đường cong bánh xe bên trục dẫn hướng dần tiếp xúc với má ray, bánh xe ray sinh góc xung kích lực tiếp xúc theo phương ngang, bán kính đường cong bé lực ngang, góc xung kích lớn, mài mòn nghiêm trọng Các giá trị bán kính đường cong tham số dùng để mơ bảng 32 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Bảng Các bán kính đường cong dùng mơ Bán kính Đường Độ siêu Tốc độ đường cong hòa cao h vận hành cong R (m) hoãn Lh (m) (mm) (km/h) 300 400 500 600 1000 140 105 85 70 40 60 55 45 35 25 60 60 60 60 60 Kết tính tốn mơ đồ thị hình 7, 8, hình 10 Luc ngang Q (kN) 50 Banh xe phia ngoai Banh xe phia 40 20 400 500 600 700 800 Ban kinh duong cong (m) 900 Thơng qua phân tích cho thấy, bán kính đường cong ảnh hưởng đến mài mòn lớn, bán kính đường cong tăng, lực ngang góc xung kích giảm nhỏ, tính thơng qua đường cong nâng cao, mài mòn bánh xe ray giảm KẾT LUẬN - Nghiên cứu phần mềm Simpack ứng dụng vào thành lập mơ hình động lực học đầu máy - Ứng dụng mơ hình để đánh giá tính động lực thơng qua đường cong đầu máy 30 10 300 bán kính đường cong tăng lên, bán kính đường cong từ 300 m tăng đến 600 m, góc xung kích giảm 51,86% Khi bán kính đường cong tăng lên, hệ số trật ray hệ số giảm tải có xu hướng giảm 1000 - Mơ hình kết tính tốn ứng dụng q trình tính tốn thiết kế đầu máy mới, tính tốn kiểm nghiệm để nâng cao tính động lực học đầu máy Hình Lực ngang lớn trục dẫn hướng 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Goc xung kich αüüü [1] Miao Bingrong (2010) SIMPACK dynamics analysis advanced tutorial (railway vehicle) Chengdu: Southwest Jiaotong University press 300 400 500 600 700 800 Ban kinh duong cong (m) 900 1000 He so trat ray Q/P (kN) Hình Góc xung kích lớn trục bánh 0.6 0.5 He so trat ray 0.4 0.3 0.2 300 400 500 600 700 800 Ban kinh duong cong (m) 900 1000 He so giam tai 0.3 0.2 0.0 300 He so giam tai 400 500 600 700 800 Ban kinh duong cong (m) [3] Yan Yifan (2011) The axle box clearance effect on heavy locomotive dynamic performance Chengdu, Southwest Jiaotong University, pp: 1-9 [4] Huang Zhihui (1995) Round of free transverse momentum effect the performance of the locomotive curve by Diesel Engine Journal, Vol.2, No.7, pp 22-23 [5] Ma Weihua, Ma Jiazhe, et al (2005) Intermediate shaft free transverse momentum effect on 2C_0 locomotive dynamic performance analysis Shijiazhuang Railway Institute Journal, Vol.6, No.19 , pp 18-22 Hình Hệ số trật ray 0.1 [2] Mai Văn Thắm (2017) Tính tốn kiểm nghiệm tính an tồn chống trật ray đồn tàu Đề tài NCKH 900 1000 Hình 10 Hệ số giảm tải Từ hình đến hình 10 cho thấy tham số tính động lực học đầu máy thay đổi tùy theo biến đổi bán kính đường cong Khi bán kính đường cong tăng lên lực ngang bánh xe trục giảm Bán kính đường cong từ 300 m tăng đến 600 m, lực ngang bánh xe trục dẫn hướng giảm 36,3%; góc xung kích lớn trục dẫn giảm nhỏ [6] Sun Zhusheng, Bao Weiqian (1995) Diesel locomotive with general direction Beijing, China Railway press, pp 255-267 [7] Nguyễn Văn Chuyên (2008) Nghiên cứu ảnh hưởng độ rơ ngang trục bánh xe đầu máy giá chuyển hướng trục tới an toàn chuyển động đường cong đường sắt Việt Nam Đề tài NCKH cấp B2008-04-61 [8] Nguyễn Hữu Dũng (2004) Động lực học đoàn tàu Nhà xuất Giao thông Vận tải, 2004 [9] Wang Tianfu (1995) Vehicle system dynamics Beijing, China Railway press Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 33 ... hình 3D tính tốn động lực học đầu máy D19E ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐẦU MÁY THÔNG QUA ĐƯỜNG CONG Khi đầu máy thơng qua đường cong bán... hình tham số hóa, từ nghiên cứu phương án thiết kế khác [6] ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SIMPACK MÔ PHỎNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐẦU MÁY D19E Bài báo ứng dụng phần mềm Simpack để xây dựng mơ... đến tính đàn hồi phận với nhau, khung giá chuyển Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 31 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC hướng, thân đầu máy, bánh xe Mỗi vật thể có