Xây dựng chương trình tính toán thiết kế bộ trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy của sức bền và hiệu ứng tải trọng

Bài viết trình bày cơ sở lý thuyết, từ đó thiết lập các sơ đồ thuật toán và xây dựng chương trình tính toán thiết kế bộ trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy của sức bền và hiệu ứng tải trọng, nhằm xác định đường kính của trục bánh xe tại các mặt cắt xung yếu sao cho đảm bảo độ tin cậy cho trước của hệ.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Xây dựng chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng Development of a calculation program to design wagon wheelsets based on the reliability of strength and effective loads Đỗ Đức Tuấn*, Nguyễn Đức Toàn Trường Đại học Giao thơng vận tải *Email: ddtuan@utc.edu.vn Mobile: 0913905814 Tóm tắt Từ khóa: Bộ trục bánh xe; Chương trình tính toán; Hiệu ứng tải trọng; Sức bền; Thiết kế theo độ tin cậy Bài báo trình bày sở lý thuyết, từ thiết lập sơ đồ thuật tốn xây dựng chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng, nhằm xác định đường kính trục bánh xe mặt cắt xung yếu cho đảm bảo độ tin cậy cho trước hệ Abstract Keywords: Calculation programs; Design based on reliability; Effective loads; Strength; Wheelsets The article presents theoretical fundamentals, from that we established algorithmic diagrams and developed a calculation program to design wagon wheelsets based on the reliability of the strength and effective loads, in order to determine axle diameters at weakness sections, guaranteeing the predetermined system reliability Ngày nhận bài: 05/07/2018 Ngày nhận sửa: 10/9/018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Để tiến hành xây dựng phần mềm thiết kế trục bánh xe đầu máy, toa xe nói chung trục bánh xe toa xe nói riêng theo độ tin cậy, cần tiến hành nội dung sau đây: a Thiết lập chương trình tính tốn độ bền trục bánh xe theo phương pháp truyền thống; b.Thiết lập chương trình phân bổ độ tin cậy cho phần tử trục bánh xe trình thiết kế; c Thiết lập chương trình thiết kế trục bánh xe theo độ tin cậy, có phần thiết kế trục bánh xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng phần thiết kế trục bánh xe theo độ tin cậy mối ghép có độ dơi Việc xây dựng phần mềm thiết kế trục bánh xe đầu máy, toa xe theo độ tin cậy trình bày [3] Mặt khác, việc thiết lập chương trình tính tốn độ bền trục bánh xe đầu máy theo phương pháp truyền thống, thiết lập chương trình phân bổ độ tin cậy cho phần tử trục bánh xe đầu máy trình thiết kế, thiết kế trục bánh xe đầu máy theo độ tin cậy HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 sức bền hiệu ứng tải trọng thiết kế trục bánh xe đầu máy theo độ tin cậy mối ghép có độ dơi trình bày [5], [6], [7] Nội dung báo trình bày trình xây dựng chương trình phân bổ độ tin cậy cho phần tử trục bánh xe toa xe trình thiết kế chương trình thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng trục bánh xe toa xe hãm guốc, bầu dầu ổ bi SƠ ĐỒ KẾT CẤU VÀ SƠ ĐỒ LỰC TÁC DỤNG LÊN TRỤC BÁNH XE TOA XE Sơ đồ kết cấu trục bánh xe toa xe hãm guốc, bầu dầu ổ bi sơ đồ lực tác dụng thể hình [2], [8], [3] Hình Sơ đồ kết cấu sơ đồ lực tác dụng lên trục bánh xe toa xe - Các kích thước rc - bán kính cổ trục; m; r - bánh kính vịng lăn bánh xe, m; l0 - chiều dài cổ trục, m; l1 khoảng cách từ điểm cổ trục tới vòng lăn bánh xe phía, m; l3 - khoảng cách từ điểm cổ trục tới mép ổ bi, m; l4 - khoảng cách từ điểm cổ trục tới điểm đặt lực quán tính, m; l5 - khoảng cách từ điểm cổ trục tới mặt cắt III – III, m; l6 - khoảng cách từ điểm cổ trục tới mặt cắt IV – IV, m; 2s - khoảng cách vòng lăn bánh xe, mm; 2b2 - khoảng cách hai điểm cổ trục trục xe, m Các lực tác dụng [2], [8], [3] - Lực thẳng đứng Ptr - tổng lực thẳng đứng đặt lên cổ trục bên trái (tăng tải), kN; Pf - tổng lực thẳng đứng đặt lên cổ trục bên phải (giảm tải), kN; Pqtr - tải trọng quán tính thẳng đứng đặt lên cổ trục bên trái, kN; Pqf - tải trọng quán tính thẳng đứng đặt lên cổ trục bên phải, kN; Ppgi - tải trọng quán tính phần trục khoảng hai mặt lăn bánh xe, kN; N trr - phản lực thẳng đứng ray đặt lên bánh xe bên trái, kN; N rf - phản lực thẳng đứng ray đặt lên bánh xe bên phải, kN; Ntr - phản lực thẳng đứng điểm tựa vị trí lắp bánh xe bên trái, kN; N f - phản lực thẳng đứng điểm tựa vị trí lắp bánh xe bên phải, kN HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 - Lực ngang H - tải trọng ngang sườn (dọc trục), kN; H trr - lực ma sát ray với bánh xe bên trái, kN; H rf - lực ma sát ray với bánh xe bên phải, kN; H tr - lực ma sát ray với bánh xe điểm tựa vị trí lắp bánh xe bên trái, kN; H f - lực ma sát ray với bánh xe điểm tựa vị trí lắp bánh xe bên phải, kN - Mơ men M tr - mô men đặt lên trục bánh xe mặt cắt ngang tỳ lên bánh xe bên trái, kNm; M f - mô men đặt lên trục bánh xe mặt cắt ngang tỳ lên bánh xe bên phải, kNm; M u - mô men uốn tải trọng tính tốn mặt cắt ngang cần thiết trục xe, kNm Các mặt cắt [2], [8], [3]  - mặt cắt vị trí bắt đầu góc lượn đầu cổ trục; I - I - mặt cắt vị trí vịng lăn bánh xe; II - II - mặt cắt vị trí trục; III - III - mặt cắt vị trí mép ổ bi; IV - IV - mặt cắt vị trí bắt đầu góc lượn chuyển tiếp từ phần bệ bánh sang phần thân trục CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU VÀ CHI TIẾT MÁY THEO SỨC BỀN VÀ HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG 3.1 Mô hình hóa kết cấu trục bánh xe theo quan điểm lý thuyết độ tin cậy Bộ trục bánh xe toa xe hãm guốc, bầu dầu ổ bi, bao gồm trục bánh bánh xe lắp ghép với trục độ dơi (hình 1) Theo lý thuyết độ tin cậy, kết cấu trục bánh xe coi hệ thống phân chia thành ba phần tử liên kết nối tiếp với nhau: phần tử biểu thị " sức bền" B "tải trọng" U, ký hiệu B/U; phần tử bánh xe bên trái lắp ghép có độ dơi với trục, ký hiệu  BXT T phần tử bánh xe bên phải lắp ghép có độ dơi với trục, ký hiệu  BXP T (hình 2) Các phần tử nêu có độ tin cậy tương ứng P1 , P2 , P3 độ tin cậy hệ Ps Đối với hệ liên kết nối tiếp phần tử khơng phụ hồi Ps  P1 P2 P3 Hình Sơ đồ trục bánh xe toa xe hãm guốc, bầu dầu ổ bi theo mô hình lý thuyết độ tin cậy 3.2 Biểu thức tổng quát xác suất không hỏng [1] Sức bền hiệu ứng tải trọng đại lượng ngẫu nhiên, ký hiệu tương ứng B U với luật phân bố g  b  f  u  (hình 3) Chúng có thứ nguyên đơn vị đo Khi xác định luật phân bố sức bền g  b  hiệu ứng tải trọng f  u  , xác định xác suất làm việc khơng hỏng sản phẩm từ tính tiêu khác độ tin cậy Đã biết theo định nghĩa, xác suất khơng hỏng có dạng: P  P  B  U  P  P U < B  (1) Xét đại lượng ngẫu nhiên mới: M  B  U (2) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Đại lượng ngẫu nhiên M có hàm mật độ phân bố f  m  (hình 1), có giá trị trung bình (kỳ vọng)  M   B  U độ lệch chuẩn (sai lệch bình phương trung bình)  M Vì M hiệu sức bền B hiệu ứng tải trọng U, gọi quãng an toàn Theo định nghĩa độ tin cậy, thấy rằng: Khi M  - ứng với trạng thái phá hủy (miền phá hủy) hiệu ứng tải trọng lớn sức bền Khi M > - ứng với trạng thái an toàn (miền an toàn) Khi M = - ứng với ranh giới an tồn/ phá hủy Chỉ số:   Hình Phân bố sức bền hiệu ứng tải trọng M M (3) gọi số độ tin cậy; gọi số an tồn hay số bêta Giá trị  cho biết giá trị trung bình qng an tồn (  M ) nằm cách xa ranh giới an toàn/phá hủy bao nhiều lần độ lệch chuẩn (  M ) Giá trị  lớn cho thấy độ tin cậy cao hay xác suất phá hủy thấp Biểu thức cho phép xác định độ tin cậy trường hợp tổng quát, sức bền B hiệu ứng tải trọng U phân bố theo luật Sau xét số trường hợp cụ thể luật phân bố 3.3 Xác suất không hỏng sức bền hiệu ứng tải trọng có phân bố khác [1] 3.3.1 Khi B U có phân bố chuẩn Nếu B U có phân bố chuẩn với tham số   B ,  B2  ;  U ,  U2  độc lập với nhau, qng an tồn M, hiệu hai đại lượng có phân bố chuẩn, có phân bố chuẩn với tham số:  M   B  U (4)  M2   B2   U2 (5) xác suất không hỏng: P      (6) với     U M  B M  B2   U2 (7)    - hàm phân bố chuẩn chuẩn hóa, tra bảng Phụ lục [1], [4] 3.3.2 Khi B U có phân bố loga chuẩn Nếu B U có phân bố loga chuẩn lnB lnU có phân bố chuẩn Nếu đặt lnB = B’; lnU = U’và quãng an toàn trường hợp M = ln(B/U) xác suất khơng hỏng bằng: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 P      với    B  U '  B2   U2 ' đó:  B'  lnU  B  ln  B   B2 U  ln U  (8) ' - kỳ vọng phương sai đại lượng lnB; U '  U2 ' đại lượng B' ' ' ' (9)  U2 ' ' (10)   B2    ln   1  B  (11)   U2   ln   1  U  (12) B'  U' 3.3.3 Khi B U có phân bố mũ Khi sức bền B hiệu ứng tải trọng U có phân bố mũ với tham số B U , tương ứng B, U  0, xác suất khơng hỏng là: P B  B  U (13) Mặt khác, U  U ; B  B , nên P  U U  B (14) 3.3.4 Khi B có phân bố chuẩn (mũ) U có phân bố mũ (chuẩn) a Trường hợp sức bền B có phân bố chuẩn với tham số   B , B2  hiệu ứng tải trọng U có phân bố mũ với tham số U , U  Xác suất không hỏng:   P  1    B  B đó: t0    2    exp     B U  U  B   1    t0      B  U B2 B (15) (16) b Trường hợp sức bền B có phân bố mũ với tham số B , hiệu ứng tải trọng U có phân bố chuẩn với tham số  U ,  U2  Xác suất không hỏng:      P     U   exp    2U B  B2 U2   1    t0      U  (17) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 đó: t0  U  B2 U2  U2 (18) 3.3.5 Khi B U có phân bố gamma Khi đại lượng B U có phân bố gamma với tham số tương ứng  B ,  B U , U trường hợp tổng quát  B , U  xác suất khơng hỏng: P    B  U  Br /(1 r )  B , U     B    U  (19) đó, theo [3]: U  B  B ;     ;   B B U B ; U  U U B U  với B  , r / 1 r  B U  - hàm beta, với r  U /  B 3.4 Cơ sở lý thuyết phân bổ độ tin cậy trình thiết kế [4] Việc phân bổ độ tin cậy trình thiết kế trục bánh xe đầu máy, toa xe vào độ tin cậy hệ thống phần tử liên kết nối tiếp khơng phục hồi Với hệ có n phần tử liên kết nối tiếp, ta xét làm việc hệ tới lần hỏng Khi xác suất làm việc khơng hỏng hệ: n Ps  t    Pi  t  (20) i 1 đó: Pi  t  - xác suất không hỏng hay hàm tin cậy phần tử thứ i thời điểm t xác định đó; Ps  t  - xác suất khơng hỏng hệ thời điểm Trong trường hợp, tất phần tử có độ tin cậy nhau, xác suất làm việc khơng hỏng hệ Ps  t    Pi  t   n từ xác suất không hỏng phần tử: Pi  t   n Ps  t  (21) (22) Ngoài ra, trường hợp hệ có n phần tử loại, xác định gần xác xuất không hỏng cần thiết phần tử để đảm bảo cho hệ có độ tin cậy cho trước: 1  Ps  t  P t   1  n (23) XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN BỔ ĐỘ TIN CẬY CHO BỘ TRỤC BÁNH XE TOA XE TRONG QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ Như nói, theo Lý thuyết độ tin cậy, trục bánh xe toa xe coi hế thống phần tử liên kết nối tiếp bao gồm: phần tử mô tả quan hệ sức bền hiệu ứng tải trọng (B/U); phần tử mối ghép bánh xe bên trái với trục  BXT T phần tử mối ghép bánh xe bên phải với trục  BXP T với độ tin cậy tương ứng phần tử P1 , P2 , P3 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 4.1 Chức chương trình Từ sở lý thuyết trình bày mục 3.1 3.4, tiến hành thiết lập chương trình tính tốn phân bổ độ tin cậy cho phần tử trục bánh xe toa xe với chức sau: i) Tính tốn độ tin cậy hệ (của trục bánh xe) Ps cho trước độ tin cậy phần tử P1 , P2 , P3 ; ii) Phân bổ độ tin cậy cho phần tử 1,2,3 ( P1 , P2 , P3 ) để đảm bảo độ tin cậy cho trước hệ Ps 4.2 Các giao diện chương trình Các giao diện chương trình thể hình Hình Giao diện tính toán phân bổ độ tin cậy cho phần tử trục bánh xe toa xe XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ TRỤC BÁNH XE TOA XE THEO ĐỘ TIN CẬY CỦA SỨC BỀN VÀ HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG 5.1 Lưu đồ thuật toán Từ sở lý thuyết trình bày mục 3.2-3.3, tiến hành xây dựng lưu đồ thuật tốn chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng thể hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 5.2 Chức chương trình Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình tính toán thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Từ lưu đồ thuật tốn, tiến hành thiết lập chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng với chức sau: Căn vào tải trọng tác dụng (mômen uốn Mu) đặc trưng học vật liệu chế tạo (giới hạn bền μB), với tham số biết phân bố sức bền hiệu ứng tải trọng (hệ số biến động sức bền νB tải trọng νU), với độ tin cậy cho trước hệ (bộ trục bánh xe), chương trình cho phép tính tốn xác định đường kính tối thiểu trục bánh xe mặt cắt xung yếu nhất, tương ứng với tổ hợp quy luật phân bố khác sức bền hiệu ứng tải trọng (B U có phân bố chuẩn; B U có phân bố loga chuẩn; B U có phân bố mũ; B có phân bố chuẩn U có phân bố mũ; B có phân bố mũ U có phân bố chuẩn; B U có phân bố gamma) 5.3 Các giao diện chương trình Các giao diện chương trình thể hình a) b) Hình Giao diện tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng a với B U có phân bố chuẩn; b với B U có phân bố lơga chuẩn Qua thấy rằng, với thông số ban đầu nhau, U B có phân bố khác kết tính tốn khác Cụ thể, U B có phân bố chuẩn đường kính mối ghép bánh xe với trục d = 93,7574 mm, cịn U B có phân bố logarit chuẩn d = 91,4105 mm KẾT LUẬN Từ sở lý thuyết, thiết lập lưu đồ thuật toán lần xây dựng chương trình tính tốn phân bổ độ tin cậy tính tốn thiết kế xác định đường kính trục bánh xe mặt cắt xung yếu theo sức bền hiệu ứng tải trọng để đảm bảo độ tin cậy cho trước hệ Chương trình có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, phù hợp với mục đích nội dung nghiên cứu, cho phép đa dạng hóa phương án tính tốn tăng nhanh tốc độ tính tốn q trình thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Văn Khôi, 2001 Cơ sở đánh giá độ tin cậy NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Dương Hồng Thái, Lê Văn Doanh, Lê Văn Học, 1997 Kết cấu tính tốn toa xe NXB Giao thơng Vận tải [3] Nguyễn Đức Tồn, 2017 Xây dựng chương phần mềm đánh giá độ tin cậy trục bánh xe đầu máy, toa xe trình thiết kế ngơn ngữ lập trình Matlab, Đề tài NCKH, mã số T2017-CK-13, Trường Đại học Giao thông vận tải [4] Đỗ Đức Tuấn, 2013 Độ tin cậy tuổi bền máy NXB Giao thông Vận tải [5] Đỗ Đức Tuấn, Nguyễn Đức Tồn, 2017 Xây dựng chương trình tính tốn sức bền trục bánh xe đầu máy theo phương pháp truyền thống Khoa học Giao thông vận tải, số 60, tháng 10/2017 [6] Đỗ Đức Tuấn, Nguyễn Đức Tồn, 2017 Xây dựng chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe đầu máy theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng Khoa học Giao thông vận tải, số 60, tháng 10/2017 [7] Đỗ Đức Tuấn, Nguyễn Đức Toàn, 2017 Xây dựng chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe đầu máy theo độ tin cậy mối ghép có độ dơi Khoa học Giao thơng vận tải, số 61, tháng 12/2017 [8] В.В Лукин, Л.А.Шадур, В.Н Котуранов, А.А Хохлов, П.С Анисимов, 2000 Конструирование и расчёт вагонов, Москва  ... bày trình xây dựng chương trình phân bổ độ tin cậy cho phần tử trục bánh xe toa xe trình thiết kế chương trình thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy sức bền hiệu ứng tải trọng trục bánh xe. .. Hình Giao diện tính toán phân bổ độ tin cậy cho phần tử trục bánh xe toa xe XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ TRỤC BÁNH XE TOA XE THEO ĐỘ TIN CẬY CỦA SỨC BỀN VÀ HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG 5.1 Lưu... phần thân trục CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU VÀ CHI TIẾT MÁY THEO SỨC BỀN VÀ HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG 3.1 Mô hình hóa kết cấu trục bánh xe theo quan điểm lý thuyết độ tin cậy Bộ trục bánh xe toa xe hãm guốc,