Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên đường sắt Việt Nam

Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên đường sắt Việt Nam Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên đường sắt Việt Nam luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

I Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học giao thông vận tải Phạm Lê Tiến Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hớng trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng đờng sắt Việt Nam Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe MÃ số: 62.52.44.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hµ Néi - 2011 I - II Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học giao thông vận tải Phạm Lê Tiến Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hớng trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng đờng sắt Việt Nam Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe M· sè: 62.52.44.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGI HNG DN KHOA HC: GS TS Đỗ Đức Tuấn PGS TS Ngô Văn Quyết Hà Nội - 2010 - III - Lời cam đoan TôI xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nghiên cứu nêu luận án trung thực cha công bố công trình khác Tác giả luận án Phạm Lê Tiến - IV - LI CM N Để hoàn thành Luận án, tác giả trân trọng cảm ơn quan tạo điều kiện giúp đỡ: Khoa Cơ khí; phịng Đào tạo Sau đại học; phịng Khoa học; Bộ mơn Đầu máy toa xe; phịng thí nghiệm VILAS 047-Trung tâm Khoa học cơng nghệ Trường Đại học Giao thơng vận tải; Phịng thí nghiệm Sức bền vật liệuTrường Đại học giao thông vận tải; Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu COMFAViện Khoa học vật liệu; Phịng thí nghiệm vật liệu tính kỹ thuật cao-Viện Cơ khí lượng mỏ; Ban khoa học cơng nghệ, Ban đầu máy toa xe, Xí nghiệp đầu máy Hà Nội-Tổng công ty đường sắt Việt Nam; Viện Cơ học Việt Nam; Học Viện Kỹ thuật Quân Tác giả vô cảm ơn GS.TS Đỗ Đức Tuấn, PGS.TS Ngô Văn Quyết, người Thầy định hướng, gửi lời cảm ơn đến GS.TSKT Phạm Văn Lang, ThS Nguyễn Ngọc Viên, TS Lương Xuân Bính, cung cấp tài liệu quý báu trình thực Luận án Cảm ơn thầy, cô giáo Bộ mơn Đầu máy toa xe, Khoa khí, Trường đại học giao thơng vận tải Trong q trình làm tác giả có trao đổi gửi cảm ơn tới NCS Trần Viết Bản, ThS Trần Văn Khanh, ThS Nguyễn Trung Kiên nhiều người bạn nhiệt tình cung cấp tài liệu quý báu Hà nội, tháng năm 2011 Phạm Lê Tiến -VMỤC LỤC Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Khái niệm học phá huỷ 1.1.1 Khái niệm độ bền học phá huỷ 1.1.2 Ứng dụng học phá huỷ kỹ thuật 1.1.3 Những khái niệm Lý thuyết mỏi 1.1.4 Những tiêu phá huỷ mỏi 1.2 Bản chất phá huỷ mỏi 1.3 Độ bền vật liệu kết cấu tiêu đánh giá 11 1.4 Tổng quan đầu máy diezel truyền động điện D19E vận dụng đường sắt Việt nam 15 1.4.1 Khái niệm đầu máy D19E 15 1.4.2 Tình hình vận dụng ĐM D19E sử dụng ĐSVN 1.5 Tình hình vấn đề nghiên cứu ngồi nước 16 18 1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề nước 18 1.5.2 Tình hình nghiên cứu vấn đề nước 21 1.6 Mục tiêu, hướng, phương pháp nội dung nghiên cứu đề tài 26 1.7 Kết luận chương 28 Chương 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền mỏi dự báo tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hướng trục bánh xe đầu máy 30 2.1 Sự lan truyền vết nứt mỏi 30 2.1.1 Cơ học phá huỷ vết nứt mỏi 30 2.1.2 Đặc điểm vùng đàn - dẻo đầu vết nứt 32 2.1.3 Tốc độ phát triển vết nứt mỏi 33 2.2 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi 36 2.2.1 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối 36 2.2.2 Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối .38 2.3 Đề xuất dạng phương trình lan truyền vết nứt có kể tới tần số tải trọng KGCH đầu máy D19E 39 2.3.1 Những nhận xét 40 2.3.2 Cơ sở lý thuyết 41 2.3.3 Những giả thiết 42 2.3.4 Phương pháp xây dựng 42 2.4 Tính tốn độ bền mỏi theo hệ số an toàn 44 - VI 2.4.1 Tính tốn độ bền mỏi theo hệ số an toàn đặt tải ổn định 44 2.4.2 Tính độ bền mỏi theo hệ số an tồn đặt tải khơng ổn định 46 2.5 Dự báo tuổi thọ mỏi 46 2.5.1 Khái niệm tuổi thọ mỏi 46 2.5.2 Các phương pháp ước lượng sức sống phận đặt tải không ổn định 47 2.6 Kết luận chương 48 Chương 3: Nghiên cứu thử nghiệm xác định đặc trưng học, đặc trưng mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hướng trục bánh xe đầu máy D19E 49 3.1 Phân tích thành phần kim loại, xác định mác 49 3.1.1 Phân tích vật liệu trục bánh xe đầu máy D19E 49 3.1.2 Phân tích vật liệu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E 50 3.2 Xác định tiêu chuẩn thử nghiệm 51 3.2.1 Tiêu chuẩn thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 51 3.2.2 Tiêu chuẩn thử nghiệm tốc độ lan truyền vết nứt độ dai phá huỷ 3.3 Chế tạo mẫu vật liệu thử nghiệm 51 54 3.3.1 Chuẩn bị phôi mẫu vật liệu thử nghiệm 54 3.3.2 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định đặc trưng học 55 3.3.3 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 55 3.3.4 Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt độ dai phá huỷ 56 3.4 Thiết bị thử nghiệm……………………………………………… .………… ……57 3.4.1 Thiết bị thử nghiệm xác định đặc trưng học mẫu 3.4.2 Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 57 58 3.4.3 Thiết bị thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt độ dai phá huỷ 59 3.5 Thử nghiệm xác định đặc trưng học mẫu thử nghiệm: giới hạn chảy, giới hạn bền, môđun đàn hồi hệ số biến dạng 61 3.6 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 63 3.6.1 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi vật liệu KGCH 3.6.2 Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi vật liệu TBX 63 66 3.7 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt độ dai phá huỷ 69 3.7.1 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt độ dai phá huỷ mẫu vật liệu KGCH 69 3.7.2 Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt độ dai phá huỷ mẫu vật liệu TBX 74 3.8 Kết luận chương 77 - VII Chương 4: Tính tốn độ bền mỏi dự báo tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hướng trục bánh xe đầu máy D19E 78 4.1 Đặc điểm kết cấu KGCH TBX đầu máy diezel D19E 4.1.1 Giới thiệu tổng thể đầu máy D19E kiểu CKD7F 78 78 4.1.2 Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E 80 4.1.3 Kết cấu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E 81 4.2 Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền khung giá chuyển hướng trục bánh xe đầu máy D19E 82 4.2.1 Tính tốn lý thuyết kiểm nghiệm độ bền KGCH đầu máy D19E 4.2.2 Tính tốn lý thuyết kiểm nghiệm độ bền TBX đầu máy D19E 4.3 Tính tốn độ bền mỏi theo lý thuyết học phá huỷ 82 87 .92 4.3.1 Tính độ bền mỏi mỏi theo lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi .92 4.3.2 Tính tốn độ bền mỏi theo ngưỡng phát triển vết nứt mỏi 125 4.4 Dự báo tuổi thọ mỏi KGCH đầu máy D19E 133 4.5 Một số biện pháp nâng cao độ bền mỏi cho KGCH 136 4.5.1 Giảm mức độ ứng suất tập trung cục kết cấu KGCH 137 4.5.2 Tránh vận dụng đầu máy chịu tải với tần số nhỏ bất lợi 139 4.6 Kết luận chương 139 Kết luận chung 143 - VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU a0 - chiều dài vết nứt ban đầu a - chiều dài vết nứt ứng với số chu trình ứng suất N ath - giá trị tới hạn chiều dài vết nứt aσ, aτ - tuổi thọ tương đối cho trường hợp ứng suất pháp ứng suất tiếp att - chiều dài vết nứt thực tế a’,b’ - số vật liệu làm chi tiết A B - số vật liệu làm khung giá chuyển hướng, phương trình lan truyền vết nứt mỏi đề xuất có xét tới tần số tải trọng C, n - hệ số phụ thuộc vật liệu chế tạo chi tiết phương trình Paris da/dN - tốc độ lan truyền vết nứt chu trình ứng suất E - mơđun đàn hồi g, h, ω - chuyển vị thành phần tương ứng với ba dạng tải sinh biến dạng G - građien tuyệt đối ứng suất lớn G - građien tương đối ứng suất lớn G mu , G mx - građien tương đối ứng suất lớn mẫu uốn xoắn G ctu , G ctx - građien tương đối ứng suất lớn chi tiết uốn xoắn KI - hệ số cường độ ứng suất dạng tải sinh biến dạng dạng I KIi - hệ số cường độ ứng suất dạng tải sinh biến dạng dạng I thứ i Kth - giá trị tới hạn hệ số cường độ ứng suất KIC - độ dai phá hủy vật liệu KIC KGCH , KIC TBX - độ dai phá hủy vật liệu làm KGCH TBX đầu máy D19E KImax - giá trị lớn hệ số cường độ ứng suất dạng I KImin - giá trị nhỏ hệ số cường độ ứng suất dạng I ∆K - số gia hệ số cường độ ứng suất đầu vết nứt ∆Kth - ngưỡng phát triển vết nứt vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-7 (∆K)th* - ngưỡng phát triển vết nứt vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-8 Kđ - hệ số tải trọng động Kr - hệ số cường độ ứng suất dư Km - hệ số cường độ ứng suất thời điểm mở vết nứt k1 - hệ số tính tới độ khơng đồng vật liệu k2 - hệ số tính tới nội ứng suất kσ kτ - hệ số tập trung ứng suất pháp ứng suất tiếp thực tế L - tuổi thọ (số giờ, km) chi tiết thuộc phận chạy đầu máy ni - tổng số chu ký ứng suất σi (hoặc τi) Ni - số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn chế σ i - IX No - số chu trình ứng suất sở mσ, mτ - số mũ đường cong mỏi Wohler cho trường hợp ứng suất pháp ứng suất tiếp MX.K, MX.H - Mô men xoắn tác dụng lên trục bánh xe đầu máy làm việc chế độ kéo hãm Pđm - tổng trọng lượng đầu máy p, q - số đặc trưng cho chống mỏi vật liệu phương trình đường cong mỏi R - hệ số phi đối xứng chu trình ứng suất Smax - ứng suất lớn “ khâu yếu “ chi tiết gây phá huỷ xác suất P% Sgh - giới hạn mỏi mẫu chuẩn chu trình ứng suất N0 tb - khoảng thời gian, km tác động blốc ứng suất, tính theo khu gian đặc trưng cho trạng thái vận hành đầu máy up (zp) - phân vị với xác suất phá huỷ P% u, σ0 , m - thông số phân bố khởi thuỷ Veibull phương trình đồng dạng phá hủy mỏi Wm - chiều rộng mẫu thử nghiệm xác định da/dN KIC Wmu, Wctu - mômen chống uốn mẫu chuẩn trơn, chi tiết Wmx, Wctx - mômen chống xoắn mẫu chuẩn trơn, chi tiết w - Kích thước vùng biến dạng dẻo V - vận tốc đầu máy fi - tần số tải trọng thứ i f0 - tần số tải trọng nhỏ ft - độ nhún tĩnh hệ thống lị xo giá chuyển f(g) - tham số khơng thứ ngun, hệ sơ' hình học kết cấu có vết nứt FK.đm, FH.đm - Lực kéo khởi động lớn nhất, lực hãm lớn đầu máy FK.tk, FH.tk - lực kéo, hãm tác dụng lên vị trí kéo bầu dầu KGCH FK.TBX, FH.TBX - Lực kéo, hãm tác dụng lên trục bánh xe YP - áp lực ngang KGCH lên TBX đầu máy vào đường cong ss - độ lệch bình phương trung bình đại lượng ngẫu nhiên lg(σmax - u) sσ, sτ - hệ số an toàn mỏi ứng suất phápvà ứng suất tiếp s - hệ số an toàn mỏi toàn phần ασ ; ατ - hệ số tập trung ứng suất lý thuyết β - hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia cơng εσ ετ- hệ số ảnh hưởng kích thước chi tiết ε∞ - hệ số ảnh hưởng kích thước tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi chi tiết ϕK - hệ số ma sát quốc hãm bánh xe φσ - hệ số độ nhạy vật liệu ứng với chu trình khơng đối xứng µ - hệ số Poisson Π - gọi tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên -XΠu, Πx - tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi chi tiết bị uốn, bị xoắn λ - số blốc (khối) tải trọng tác động phổ tải vσ - hệ số đặc trưng tính vật liệu, tập trung ứng suất yếu tố tỷ lệ σmax - ứng suất lớn điểm phân tố khảo sát chi tiết σc - giới hạn chảy σb - giới hạn bền σt - ứng suất tĩnh σR - giới hạn mỏi vật liệu với hệ số chu trình ứng xuất R σN - ứng suất ứng với số chu trình N σ-1ct - giới hạn mỏi chi tiết σ0 - giới hạn bền mỏi mẫu thí nghiệm với chu trình mạch động σ −1k - giới hạn mỏi uốn tuý, chu trình đối xứng, có xét tới hệ số tập trung ứng suất σ-1KGCH, τ-1KGCH - giới hạn mỏi vật liệu chịu uốn xoắn KGCH đầu máy D19E σ-1TBX, τ-1TBX - giới hạn mỏi vật liệu chịu uốn xoắn trục bánh xe đầu máy D19E σ −1 τ −1 - giới hạn mỏi vật liệu chịu uốn xoắn mẫu chuẩn σ −1 ;τ −1 - giới hạn mỏi trung bình mẫu vật liệu chịu uốn xoắn σ m τ m - ứng suất pháp ứng suất tiếp trung bình - σ a τ a - ứng suất pháp ứng suất tiếp biên độ σe, τe - ứng suất pháp ứng suất tiếp tương đương ξ - thơng số phương trình đồng dạng phá hủy mỏi tuyệt đối ψσ , ψτ , ψτ σ ψστ - hệ số ảnh hưởng bất cân đối đến biên độ giới hạn vật liệu ψb - hệ số bám mặt lăn bánh xe ray DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT KGCH: Khung giá chuyển hướng TBX: Trục bánh xe TĐĐ: Truyền động điện ĐCĐK: Động điện kéo ĐSVN: Đường sắt Việt Nam HSCĐUS: Hệ số cường độ ứng suất HSATM: Hệ số an toàn mỏi GHBM: Giới hạn bền mỏi ... độ bền mỏi tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hướng trục bánh xe đầu máy diesel q trình vận dụng Từ đưa giải pháp ngăn chặn vết nứt mỏi, nâng cao độ bền mỏi, đảm bảo độ tin cậy, độ bền khung giá chuyển. .. Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học giao thông vận tải Phạm Lê Tiến Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hớng trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng đờng sắt Việt Nam. .. chưa đươc quan tâm mức Bởi vậy, đề tài: ? ?Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hướng trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng đường sắt Việt Nam. ” góp phần giải vấn đề mà thực tế