NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ KHỚP NỐI MỀM ĐƢỜNG 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng - Năm 2018 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 : 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Văn Luận Đà Nẵng - Năm 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Đặng Hiếu Dân iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii TÓM TẮT LUẬN VĂN vi vii viii CHƢƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm kết cấu tầng đƣờng sắt 1.2 Công dụng yêu cầu ray 1.2.1 Công dụng 1.2.2 Yêu cầu ray 1.2.3 Các yếu tố kích thƣớc hình dáng trọng lƣợng ray 1.3 Những hƣ hỏng ray mức độ khuyết tật 1.3.1 Để bảo dƣỡng ray đƣợc tốt, kéo dài thời gian sử dụng ray 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 kết mối nối ray 1.4.1 Mối nối 1.4.2 Phụ tùng liên kết mối nối 10 1.5 Tổng quan kết nghiên cứu hƣớng với đề tài 16 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TƢƠNG TÁC GIỮA ĐẦU MÁY VÀ ĐƢỜNG RAY 18 2.1 Nghiên cứu động lực học đầu máy - đƣờng ray 18 2.1.1 Khái niệm bậc tự 18 2.1.2 Một số mơ hình động lực học đầu máy- đƣờng ray thƣờng dùng 22 a Mơ hình đầu máy toa xe từ dạng đơn giản đên phức tạp 23 b.Mơ hình kết cấu đƣờng ray dạng dầm (ray) dày vô hạn đặt đàn hồi 24 iv c.Mơ hình kết cấu đƣờng ray dạng dầm (ray) dày vô hạn đặt gối đàn hồi 25 d Mơ hình tổng hợp đầu máy toa xe-kết cấu đƣờng ray 26 2.2 Lý luận phân tích chấn động đồn tàu theo phƣơng thẳng đứng 41 2.3 Quan hệ bánh xe đƣờng ray 44 2.4 Các tham số 46 2.5 Một số tiêu chuẩn động lực học 48 2.5.1 Tỷ số giảm tải 48 2.5.2 Gia tốc thẳng đứng gia tốc ngang 49 2.5.3 Chuyển vị thẳng đứng ray 49 2.5.4 Hệ số chống lật D 49 2.5.5 Một số giả thiết 50 2.6 Mơ hình phần mềm kết tính tốn 51 2.6.1.Kết tính tốn chuyển vị thẳng đứng theo mơ hình phần mềm với nhiều tốc độ khác đầu máy D11H cho trƣờng hợp mối nối có lập lách 54 2.6.2 Kết tính tốn tải trọng động thẳng đứng theo mơ hình phần mềm với nhiều tốc độ khác cho trƣờng hợp mối nối có lập lách 56 CHƢƠNG NGHIEN CỨU ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 59 3.1 Mục đích thí nghiệm 59 3.2 Máy móc thiết bị đo 59 3.3 Quá trình thực nghiệm đo chuyển vị mối nối 63 3.3.1 Khảo sát, lựa chọn vị trí đo đạc thử nghiệm 63 3.3.2 Sơ đồ đo trƣờng: 63 3.4 Kết đo trƣờng cho đầu máy D11H 65 CHƢƠNG THIẾT KẾ KHỚP NỐI RAY 68 4.1 Tính tốn nội lực phát sinh ray 68 4.1.1 Lực cản dọc 69 4.1.2 Lực cản ngang 69 4.1.3 Lực cản đứng 70 4.1.4 Độ cứng nhịp cầu ray (EJ) 70 a Độ cứng mặt phẳng thẳng đứng EJ1 70 v b b Độ cứng mặt phẳng ngang EJ2 70 4.2 Lực nhiệt độ chuyển dịch co giãn ray 70 4.2.1 Lực nhiệt độ ray Pt ứng suất t 70 4.2.2 Tính tốn khe hở nhiệt hai đoạn ray 73 4.3 Kết cấu nguyên lý làm việc khớp nối mềm 74 4.4 Cấu tạo khớp nối 76 4.5 Kết tính tốn phần mềm vị trí khớp nối mềm có lập lách 78 4.5.1 Kết tính tốn chuyển vị thẳng đứng theo mơ hình phần mềm với nhiều tốc độ khác đầu máy D11H cho trƣờng hợp khớp nối mềm có lập lách 78 4.5.2 Kết tính tốn tải trọng động thẳng đứng theo mơ hình phần mềm với nhiều tốc độ khác cho trƣờng hợp khớp nối mềm có lập lách 80 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 5.1 Kết luận 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 vi TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ KHỚP NỐI MỀM ĐƢỜNG RAY XE LỬA Học viên: Đặng Hiếu Dân Mã số: 8520116 Khóa: 32 Chun ngành: Kỹ thuật khí động lực Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt: Vấn đề giảm lực động tác dụng lên ray đầu máy- toa xe nhƣ giảm chuyển vị mối nối vốn đƣợc quan tâm tính tốn, đo đạc có nhu cầu cải tiến cơng nghệ từ lâu Việt Nam nƣớc Tuy nghiên cứu áp dụng theo nhiều hƣớng khác Đề tài “Nghiên cứu thiết kế khớp nối mềm đƣờng ray xe lửa” theo hƣớng công nghệ, dùng vật liệu phù hợp thiết kế khớp nối để giảm lực xung kích giảm chuyển vị mối nối.Việc thực đề tài dựa nghiên cứu kết cấu tầng Đƣờng sắt thiết lập sở tính tốn động lực học đầu máy – đƣờng ray để 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 Đƣờng sắt Việt Nam Đây đề tài có hƣớng thành cơng có tính áp dụng thực tiễn lớn cho ngành Đƣờng sắt nói riêng ngành Giao thơng vận tải nƣớc ta Từ khóa: “mối nối đƣờng sắt”, “đƣờng ray”, “khớp nối mềm”, “vật liệu composite”, “đầu máy xe lửa” Abstract: STUDY OF FLEXIBLE RAIL JOINT DESIGN The problem of reducing the driving forces on rail and car-car as well as reduction of displacement at joints, which have been considered, measured and have a long need to improve technology in Vietnam and abroad However, research and application in many different directions The topic of "Study on the design of rail couplings" goes in the direction of technology, using materials suitable to design coupling to reduce the shock force and reduce the displacement at the joint Based on the kinetic modeling and experimental design, the accuracy of the model is chosen, coupling material is recalculated to model the scientific basis for design and testing Vietnam Railway This is a new direction and if successful, it is a great practical application for the railway industry in particular and the transportation industry in our country Keywords –“ rail couplings, "" rails, "" soft couplings, "" composite materials","locomotives” vii D Bảng 1-1 Kích thƣớc chủ yếu số loại ray ĐSVN Bảng 1-2 Mức độ ray khuyết tật nặng khuyết tật nguy hiểm theo quy định Bảng 2-1 Các dao động tự đầu máy 30 Bảng 2-2 Một số tham số đầu máy D11H, D19E.D20E 46 Bảng 2-3 Một số tham số kết cấu đƣờng ray 47 Bảng 3-1 Bảng máy móc thiết bị đo 61 Bảng 4-1 Nhiệt độ ray lắp đặt điều chỉnh khe hở mối 74 viii Hình 1-1 Mặt cắt ray Hình 1-2 Các loại mối nối: a.Mối nối kê đơn; b.Mối nối treo;c.Mối nối kép Hình 1-3 Các loại mối nối ray 10 Hình 1-4 Các loại dập lách 11 Hình 1-5 Mặt cắt ngang lập lách điển hình 11 Hình 1-6 Mối nối dập lách hai đầu 12 Hình 1-7 Bulơng lập lách 13 Hình 1-8 Lập lách dùng bulơngcó đầu ké dài 14 Hình 1-9 Đệm vênh 14 Hình 1-10 Cố định ray tà vẹt 15 Hình 1-11 Mối nối ray với lập lách đặc biệt liên kết ray P65 P50 15 Hình 1-12 Sơ đồ bố trí ray- tà vẹt theo TCCS02-2009 17 Hình 2-1 Hệ tọa độ không gian bậc tự 18 Hình 2-2 Mơ hình hệ bậc tự 19 Hình 2-3 Dao động riêng hệ bậc tự không cản 21 Hình 2-4 Mơ hình hệ hai bậc tự 22 Hình 2-5 Mơ hình động lực học tƣ đơn giản đến phức tạp 23 Hình 2-6 Mơ hình bánh xe di động ray dài vơ hạn đặt đàn hồi 24 Hình 2-7 Mơ hình bánh xe di động lớp 25 Hình 2-8 Mơ hình dạng lớp đặt gối đàn hồi 25 Hình 2-9 Mơ hình kết cấu đƣờng ray dạng dầm (ray) dày vô hạn đặt gối đàn hồi 25 Hình 2-10 Sơ đồ xác định độ cứng gối ray D 26 Hình 2-11 Quan hệ nhân động lực học hệ thống bánh xe - ray 28 Hình 2-12 Mơ hình dao động mặt cắt dọc đầu máy trục 29 Hình 2-13 Mơ hình dao động ngang đầu máy trục 29 ix Hình 2-14 Mơ hình dao động mặt cắt đứng đầu máy trục 30 Hình 2-15 Các lực tác dụng lên trục bánh thứ 32 Hình 2-16 Các lực tác dụng lên giá khung chuyển hƣớng trƣớc 33 Hình 2-17 Các lực tác dụng lên thân đầu máy 34 Hình 2-18 Lực tác dụng lên ray 42 Hình 2-19 Mơ hình đầu máy,toa xe - đƣờng ray xét theo phƣơng thẳng đứng 43 Hình 2-20 Quan hệ tƣơng tác bánh xe ray dạng lò xo 44 Hình 2-21 Quan hệ lực lƣợng co giãn lò xo 45 Hình 2-22 Sơ đồ mơ hình khung giá chuyển hƣớng hai trục bánh đầu máy D11H ray 54 Hình 2-23 Chuyển vị thẳng đứng ray vị trí mối nối ứng với V=40km/h54 Hình 2-24 Chuyển vị thẳng đứng ray vị trí mối nối ứng với V=60km/h 55 Hình 2-25 Chuyển vị thẳng đứng ray vị trí mối nối ứng với V=80km/h 55 Hình 2-26 Chuyển vị thẳng đứng ray vị trí mối nối ứng với V=100km/h 56 Hình 2-27 Tải trọng động thẳng đứng ứng với V=40km/h 56 Hình 2-28 Tải trọng động thẳng đứng ứng với V=60km/h 57 Hình 2-29 Tải trọng động thẳng đứng ứng với V=80km/h 57 Hình 2-30 Tải trọng động thẳng đứng ứng với V=100km/h 58 Hình 3-1 Thiết bị đo chuyển vị LVDT, 4-20 mA 60 Hình 3-2 Bộ thu nhận liệu với thiết bị đo DAQ 61 Hình 3-3 Máy tính, Gá dƣới đế ray thiết bị đo chuyển vị ray 62 Hình 3-4 Ơ tơ, máy phát điện bình khí 62 Hình 3-5 Địa hình trƣờng km802+700 thuộc khu gian công ty đƣờng sắt Quảng Nam-Đà Nẵng quản lý 63 Hình 3-6 Sơ đồ đo chuyển vị đứng ray vị trí 64 82 - Từ hình từ 4-9 đến hình 4-12 thể chuyển vị thẳng đứng ray vị trí mối nối 1;1 có cấu lập lách với khoảng cách a=710mm, b=630mm, c=550mm tính theo mơ hình động lực học Từ hình vẽ trên, so sánh với chuyển vị thẳng đứng mối nối ray ứng với vận tốc tƣơng ứng tính mơ hình có lập lách Đối chiếu với kết tính tốn từ mơ hình (các hình vẽ 2.5 đến 2.8) dạng phổ đồ thị biên độ chuyển vị gần nhƣ giống quy luật biến đổi Tuy nhiên, giá tri biên độ phổ hình 4-6 đến 4-9 có giá trị gần 1,75mm giá tri biên độ phổ hình 2-24 đến 2-25 gần 2,5mm - Từ hình từ 4-13 đến hình 4-16 thể giá trị lực động thẳng đứng ray vị trí mối nối 1;1 có cấu lập lách với khoảng cách a=710mm, b=630mm, c=550mm tính theo mơ hình động lực học Từ hình vẽ trên, so sánh với giá trị lực động thẳng đứng mối nối ray ứng với vận tốc tƣơng ứng tính mơ hình có lập lách Đối chiếu với kết tính tốn từ mơ hình (các hình vẽ 2.9 đến 2.12) dạng phổ đồ thị biên độ lực động gần nhƣ giống quy luật biến đổi Tuy nhiên, giá trị biên độ phổ hình 410 đến 4-13 có giá trị nhỏ giá tri biên độ phổ hình 2-9 đến 2-12 nhiều Điều cho phép kết luận có khớp nối mềm lực động thẳng đứng, chuyển vị thẳng đứng tác dụng lên ray mối nối giảm nhiều Đây yếu tố có lợi cho động lực học đồn tàu hƣ hỏng ray, góp phần đảm bảo an toàn Đƣờng sắt 83 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong chƣơng đề tài giới thiệu sơ qua số khái niệm kết cấu tầng mối nối đƣờng sắt lý chọn đề tài Chƣơng 2, đề tài phân tích chi tiết lý luận quan hệ tiếp xúc bánh xe ray làm sở để tính tốn Cơ sở lựa chọn sử dụng cách mơ quan hệ tiếp xúc bánh xe ray, đƣa ví dụ mơ hình động lực học để tính tốn thơng số ray mối nối.Từ kết so sánh đƣa kết luận: kết tính tốn phƣơng pháp sai khác khơng nhiều, áp dụng phƣơng pháp để tính tốn tải trọng động đồn tàu nhƣ để kiểm toán phận kết cấu tầng đƣờng sắt Đồng thời thông qua kết đo thực tiễn điều kiện bình thƣờng để kiểm chứng mơ hình tính tốn ta thấy rằng: Quy luật biến thiên chuyển vị ray, lực động theo thời gian t kết mơ hình kết đo đạc tƣơng đồng Tuy nhiên giá trị âm dƣơng lớn có sai khác, chủ yếu nguyên nhân sau: - Trong mơ hình tính cịn số tham số giả định tác giả chƣa xem xét hết điều kiện thực tế, toán dừng lại 17 bậc tự cho đầu máy toa xe mà chƣa xem xét hết bậc tự nhƣ toán thực tế - Quan hệ tiếp xúc bánh xe ray dừng lại dạng tuyến tính (đạng lị xo), thực tế dạng tiếp xúc không gian elipxoit - Các tham số kết cấu tầng nhƣ modun đàn hồi, độ cứng, hệ số giảm chấn phận đặc biệt hệ số đàn hồi lớp đá balat C hệ số giả định chƣa sát với điều kiện thực tế - Khi tiến hành đo đạc kiểm nghiệm ngồi thực tế khơng có thiết bị chuyên dụng để đo cho kết cấu tầng đƣờng sắt, đo cần thiết bị trợ giúp gá dƣới đế ray để chuyển vị trí đặt đƣợc thiết bị đo - Độ phân giải thiết bị đo đạt 10-3s, cần độ phân giải cao Trên ngun nhân dẫn đến sai số mơ hình tính so với kết đo đạc ngồi hiện, nhiên nhìn luật biết đổi phƣơng pháp tƣơng đồng, điều chứng tỏ phƣơng pháp mơ hình đáng tin cậy 84 Ngồi phƣơng pháp theo mơ hình có nhiều tính ƣu việt hơn: - Cho ta biết đƣợc quy luật biến đổi tải trọng động đoàn tàu theo thời gian t(s) - Cho ta biết đƣợc giá trị nhỏ tải trọng động để xem xét an toàn chuyển động đồn tàu thơng qua tỷ số giảm - Cho ta gia giá trị chuyển vị để biết độ an toàn cho ray mối nối Vậy cần bƣớc nghiên cứu đặc tính động lực học mơ hình đầu máy khác để đƣa đƣợc kết luận xác hơn; Nghiên cứu sâu lý luận tiếp xúc ray bánh xe, ma sát ray bánh xe; Nghiên cứu sâu vấn đề động lực học đầu máy đƣờng ray giao thông đƣờng sắt để áp dụng cho đƣờng sắt cao tốc tƣơng lai 5.1 Kết luận Trong chƣơng đề tài giới thiệu sơ qua số khái niệm kết cấu tầng mối nối đƣờng sắt lý chọn đề tài Chƣơng 2, đề tài phân tích chi tiết lý luận quan hệ tiếp xúc bánh xe ray làm sở để tính tốn Cơ sở lựa chọn sử dụng cách mô quan hệ tiếp xúc bánh xe ray, đƣa ví dụ mơ hình động lực học để tính tốn thơng số ray mối nối.Từ kết so sánh đƣa kết luận: -Khi mối nối có thêm khớp mềm có cấu tạo từ vật liệu composite có hình dạng nhƣ 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 Tuy vậy, trình thực đề tài số hạn chế tồn tại: - Trong mơ hình tính cịn số tham số giả định tác giả chƣa xem xét hết điều kiện thực tế, toán dừng lại 17 bậc tự cho đầu máy toa xe mà chƣa xem xét hết bậc tự nhƣ toán thực tế - Quan hệ tiếp xúc bánh xe ray dừng lại dạng tuyến tính (dạng lị xo), thực tế dạng tiếp xúc khơng gian elipxoit 85 - Các tham số kết cấu tầng nhƣ modun đàn hồi, độ cứng, hệ số giảm chấn phận đặc biệt hệ số đàn hồi lớp đá balat C hệ số giả định chƣa sát với điều kiện thực tế - Khi tiến hành đo đạc kiểm nghiệm ngồi thực tế khơng có thiết bị chuyên dụng để đo cho kết cấu tầng đƣờng sắt, đo cần thiết bị trợ giúp gá dƣới đế ray để chuyển vị trí đặt đƣợc thiết bị đo 5.2 Kiến nghị - Trong mơ hình tính cịn số tham số giả định tác giả chƣa xem xét hết điều kiện thực tế, toán dừng lại 17 bậc tự cho đầu máy toa xe mà chƣa xem xét hết bậc tự nhƣ toán thực tế - Quan hệ tiếp xúc bánh xe ray dừng lại dạng tuyến tính (dạng lị xo), thực tế dạng tiếp xúc khơng gian elipxoit - Các tham số kết cấu tầng nhƣ modun đàn hồi, độ cứng, hệ số giảm chấn phận đặc biệt hệ số đàn hồi lớp đá balat C hệ số giả định chƣa sát với điều kiện thực tế - Khi tiến hành đo đạc kiểm nghiệm ngồi thực tế khơng có thiết bị chun dụng để đo cho kết cấu tầng đƣờng sắt, đo cần thiết bị trợ giúp gá dƣới đế ray để chuyển vị trí đặt đƣợc thiết bị đo - Độ phân giải thiết bị đo đạt 10-3s, cần độ phân giải cao Từ vấn đề xin đề xuất hƣớng phát triển đề tài chế tạo khớp nối thử nghiệm thực tế để có điều kiện kiểm chứng 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Nghiên cứu kiểm tốn mật độ tà vẹt bê tơng dự ứng lực cho cầu ray 50kg/m L=25m đƣờng sắt khổ 1000mm 1435mm” Đề tài cấp tác giả Đặng Sỹ Mạnh-2017 [2].Nguyễn Thanh Tùng (2009), Kết cấu tầng đƣờng Sắt NXB Giao thông vận tải [3].Nguyễn Thanh Tùng (2005), Ngun lý tính tốn đƣờng Sắt khơng kết nối Trƣờng Đại học Giao thông vận tải [4].Tiêu chuẩn bảo trì cơng trình đƣờng sắt thƣờng TCCS 02 :2014/VNRA [5].Quy trình bảo dƣỡng đƣờng sắt QĐ số 396/ĐS-PC [6].Trƣơng Trọng Vƣơng (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), Phƣơng pháp phần tử hữu hạn NXB Giao thông vận tải [11] Lê Văn Cử (2015), Động lực học đƣờng sắt ứng dụng NXB Giao thông vận tải