Xây dựng chương trình tính toán thiết kế bộ trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy của các mối ghép có độ dôi

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 mối ghép có độ dôi, nhằm xác định đường kính nhỏ nhất cùng độ dôi của các mối ghép mà vẫn đảm bảo được độ tin cậy cho trước của hệ (bộ trục bánh xe) và của từng phần tử (của từng mối ghép).

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 mối ghép có độ dơi Development of a calculation program to design wagon wheelsets based on the reliability of redundant joints Đỗ Đức Tuấn*, Nguyễn Đức Tồn 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 tốn; Mối ghép có độ dơi; Thiết kế theo độ tin cậy Bài báo trình bày sở lý thuyết, từ thiết lập sơ đồ thuật toán xây dựng chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy mối ghép có độ dơi, nhằm xác định đường kính nhỏ độ dôi mối ghép mà đảm bảo độ tin cậy cho trước hệ (bộ trục bánh xe) phần tử (của mối ghép) Abstract Keywords: Calculation programs; Design based on reliability, Redundant joints; Wheelsets The article presents theoretical fundamentals, from that we establish algorithmic diagrams and develop a calculation program to design wagon wheelsets based on the reliability of redundant joints, in order to determine the minimum diameter and the redundancy of joints while still guarantee the predetermined system reliability (wheelsets) and individual element reliability (each joint) Ngày nhận bài: 06/7/2018 Ngày nhận sửa: 03/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ 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 sức bền hiệu ứng tải trọng thiết kế trục bánh xe đầu máy theo độ tin cậy mối ghép có độ dơi trình bày [6], [7], [8] Đối với trục bánh xe toa xe cần thiết thiết lập chương trình tính tốn tương tự trục bánh xe đầu máy nêu Việc thiết lập chương trình phân bổ độ tin cậy cho phần tử trục bánh xe toa xe trình thiết kế thiết lập chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe 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 trình bày báo khác Hội nghị KH&CN tồn quốc Cơ khí lần thứ V Nội dung báo trình bày trình xây dựng chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe hãm guốc, bầu dầu ổ bi theo độ tin cậy mối ghép có độ dơi Đây phần tính tốn cho trục bánh xe toa xe, khác biệt cách so với nội dung tính tốn cho trục bánh xe đầu máy trình bày [8] Cơ sở ban đầu cho việc xây dựng chương trình sơ đồ kết cấu sơ đồ lực tác dụng lên trục bánh xe toa xe guốc, bầu dầu ổ bi trình bày [2], [9], [3] CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ TRỤC BÁNH XE TOA XE THEO ĐỘ DƠI MỐI GHÉP 2.1 Mơ 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 phục hồi Ps  P1 P2 P3 Hình Kết cấu trục bánh xe toa xe hãm guốc, bầu dầu ổ bi Hình Sơ đồ trục bánh xe toa xe hãm guốc, bầu dầu ổ bi theo mơ hình lý thuyết độ tin cậy HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Một cách tổng quát, xác suất làm việc không hỏng Pkc kết cấu lắp ghép có độ dơi xác định tích xác suất làm việc khơng hỏng theo độ bền mối ghép Pmg (theo độ dôi) xác suất làm việc không hỏng độ bền chi tiết Pct (theo giới hạn chảy) [1] Pkc  Pmg Pct (1) đó: Pmg  P  Ptd  Ptd ,max  Pct  P( td   ch ) với: Ptd - tải trọng tương đương (lực dọc trục mômen xoắn) tác dụng lên mối ghép, kN; Ptd ,max - tải trọng tương đương lớn (giới hạn) mà mối ghép truyền được, kN;  td - ứng suất tương đương mặt cắt nguy hiểm chi tiết tác dụng tải trọng, MPa;  ch - giới hạn chảy vật liệu chi tiết bao, MPa 2.2 Xác suất làm việc không hỏng theo độ dôi mối ghép Pmg Xác suất làm việc không hỏng theo độ dôi Pmg xác định theo biểu thức [1] Pmg      (2) đó:  - số độ tin cậy;    - hàm phân bố chuẩn chuẩn hóa, xác định Phụ lục [1], [5]  nmg  2 mg max n  nmg  (3)  Ptd ,max (4) Ptd đó: nmg - hệ số an tồn (trung bình) độ bền mối ghép; Ptd ,max , Ptd ,max - tải trọng tương đương lớn (giới hạn) theo độ bền giá trị trung bình (kỳ vọng) nó, kN; Ptd , Ptd - tải trọng tương đương (thực tế) tác dụng lên mối ghép giá trị trung bình (kỳ vọng) nó, kN;  max - hệ số biến động tải trọng tương đương lớn Ptd ,max ;  - hệ số biến động tải trọng tương đương Ptd Trong trường hợp tổng quát, mối ghép đồng thời chịu lực dọc trục Pa mơmen xoắn M x điều kiện bền có dạng lực tác dụng tương đương Ptd [4]  2M x  Ptd  Pa     Ptd ,max   dlpf , kN  d  (5) Ngoài ra, xét đến suy giảm kết dính chi tiết lắp ghép theo thời gian [1], HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018  dlpf  2M x  , kN Ptd  Pa     Ptd ,max  k  d  (6) đó: Ptd ,max - tải trọng tương đương lớn mà mối ghép truyền được, xem hàm số hai đại lượng ngẫu nhiên p f [1],[4]; d - đường kính mối ghép, mm; l - chiều dài mối ghép, mm; p - áp suất bề mặt mối ghép, MPa; f - hệ số ma sát; k - hệ số tính đến khả giảm lực dính kết theo thời gian, k = 1,5  [1] Trong trường hợp mối ghép chịu tải trọng dọc trục Pa , có xu hướng làm cho chi tiết dịch chuyển tương đối theo chiều dọc trục, bề mặt mối ghép xuất lực ma sát chống lại dịch chuyển Khi độ bền mối ghép đảm bảo điều kiện [4] Pa  Pa ,max   dlpf k , kN (7) Trong trường hợp mối ghép chịu mômen xoắn M x độ bền mối ghép đảm bảo điều kiện [1], [4]  d 2lpf , kNm 2k Áp suất sinh bề mặt mối ghép xác định sau [1, 4]: (  u ) E , MPa p d (1  ) M x  M x ,max  (8) (9) đó:  - độ dơi mối ghép, mm; u - đại lượng đặc trưng cho độ phẳng (san bằng) nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết lắp ghép [1, 4]: u  1,  Rz1  Rz  , mm (10) với: Rz1 , Rz - chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt lắp ghép, phụ thuộc vào độ bóng chi tiết, mm; E - mơđun đàn hồi vật liệu, MPa;  - hệ số Poisson; d - đường kính trục (đặc) hay đường kính moay-ơ, mm;  - hệ số, xác định theo biểu thức [1, 4] d  1   d    2 d  1    d2  (11) với: d - đường kính ngồi của moay-ơ, mm Giá trị trung bình p xác định theo (9) thay   [1] p (  u ) E , MPa d (1  ) (12) Giá trị trung bình độ dơi  xác định hiệu giá trị trung bình sai lệch trục e lỗ E Trong hệ thống lỗ biểu diễn qua giá trị miền dung sai cách tra bảng đường kính te , lỗ t E sai lệch trục ei [1] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018   e  E  ei  0,5  te  t E  (13) Dung sai độ dôi: t  te2  tE2 (14) Sai lệch bình phương trung bình độ dôi: s  2 te  t E Hệ số biến động độ dôi: v  s /  Hệ số biến động áp suất: v p  s  v  u 1 u /  (15) (16) (17) Hệ số biến động tải trọng tương đương lớn Ptd ,max : vmax  v 2p  v 2f (18) đó:  f - hệ số biến động hệ số ma sát f 2.3 Xác suất làm việc không hỏng theo giới hạn chảy vật liệu chi tiết Pct Giá trị trung bình ứng suất tương đương  td [1]  td  2p d  1    d2  (19) Hệ số biến động  td ứng suất  td hệ số biến động  p áp suất bề mặt lắp ghép [1] Xác suất làm việc không hỏng Pct theo độ bền chi tiết [1]: Pmg      ,   với nct   ch  td nct  nct2 vch2  v 2p (20) (21) đó: nct -hệ số an tồn theo giá trị trung bình giới hạn chảy ứng suất  td ;  ch - hệ số biến động giới hạn chảy XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ TRỤC BÁNH XE TOA XE THEO ĐỘ TIN CẬY CỦA ĐỘ DƠI MỐI GHÉP 3.1 Chức chương trình Từ sở lý thuyết trình bày trên, tiến hành thiết lập chương trình tính tốn ngơn ngữ lập trình Matlab theo trình tự sau Căn vào tải trọng tác dụng đặc trưng học vật liệu chế tạo, chương trình cho phép tính tốn xác định độ dơi đường kính tối thiểu mối ghép trục bánh xe mà đảm bảo độ tin cậy cho trước theo độ dôi hệ (bộ trục bánh xe) phần tử (của mối ghép) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.2 Lưu đồ thuật toán Lưu đồ thuật tốn chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy mối ghép có độ dơi thể hình Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy mối ghép có độ dơi 3.3 Các giao diện chương trình Giao diện tính tốn phân bổ độ tin cậy cho trục bánh xe toa xe thể hình Bộ trục bánh xe toa xe gồm ba phần tử: hiệu ứng tải trọng B/U; mối ghép có độ dơi bánh xe bên trái  BXT T mối ghép có độ dơi bánh xe bên phải  BXT  P Giả sử cho trước độ tin cậy phần tử P = 0,99 999, chương trình tính độ tin cậy hệ (của trục bánh xe) P = 0,99 997 Hình Giao diện tính tốn phân bổ độ tin cậy cho trục bánh xe toa xe HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Mặt khác, cho trước độ tin cậy hệ P = 0,99 999, chương trình tính độ tin cậy phần tử P = 0,999 999 Các thơng số tính tốn cụ thể thể giao diện hình với độ tin cậy cho trước hệ P = 0,99 999, có thơng số sau: Độ tin cậy cho trước phần tử: P = 0,999 999; Lực dọc tác dụng lên trục bánh xe toa xe: Pa = 40,7813 kN; Hệ số biến động lực dọc: Pa = 0,15; Giới hạn chảy vật liệu:  ch = 370 MPa; Hệ số biến động giới hạn chảy:  ch = 0,08; Mô đun đàn hồi vật liệu: E = 2.105 MPa; Chiều dài mối ghép: l = 190 mm; Đường kính ngồi bánh xe: d = 950 mm; Hệ số k: k = 3; Hệ số ma sát mối ghép: f = 0,08; Hệ số biến động hệ số ma sát;  f = 0,08; Độ nhám bề mặt chi tiết: Rz1  Rz  0, 0006 mm; Sai lệch bình Hình Giao diện nhập số liệu đầu vào hiển thị kết tính tốn đường kính độ dơi mối ghép với độ tin cậy mối ghép P = 0,999 999 phương trung bình độ dôi s = 0,005 Với thông số nêu, ta có kết tính tốn sau: - Đường kính mối ghép bánh xe (bên phải bên trái) với trục d = 119,9491 mm - Độ dôi mối ghép bánh xe (bên phải bên trái) với trục  = 0,142 mm Tương tự trên, giả sử cho trước độ tin cậy hệ (bộ trục bánh xe) P = 0,9 999, từ chương trình phân bổ độ tin cậy, ta có độ tin cậy phần tử (từng mối ghép) P = 0,99 997 Khi với thơng số tính tốn trình bày trên, với độ tin cậy cho trước phần tử P = 0,99 997 (hình 6) thì: - Đường kính mối ghép bánh xe (bên phải bên trái) với trục d = 94,4162 mm - Độ dôi mối ghép bánh xe (bên phải bên trái) với trục  = 0,125 mm Hình Giao diện nhập số liệu đầu vào hiển thị kết tính tốn đường kính độ dơi mối ghép với độ tin cậy mối ghép P = 0,99 997 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tuy nhiên, độ tin cậy cho trước mối ghép giảm từ P = 0,999 999 xuống P = 0,99 997 đường kính mối ghép bánh xe với trục giảm từ d = 119,9491 mm xuống d = 94,4162 mm; độ dôi mối ghép giảm từ  = 0,142 mm xuống  = 0,125 mm KẾT LUẬN Từ thơng số đầu vào cho, chương trình cho phép tính tốn xác định độ dơi đường kính tối thiểu mối ghép bánh xe với trục bánh với trục toa xe mà đảm bảo độ tin cậy cho trước theo độ dôi phần tử (của mối ghép) hệ (của trục bánh xe) Chương trình cho phép đa dạng hóa phương án tính tốn tăng nhanh tốc độ tính tốn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Lộc, 2006 Thiết kế phân tích hệ thống khí theo độ tin cậy NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Dương Hồng Thái, Lê Văn Doanh, Lê Văn Học, 1997 Kết cấu tính tốn toa xe NXB Giao thơng vận tải, Hà Nội [3] Nguyễn Đức Toàn 2017 Xây dựng 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, 2005 Công nghệ sửa chữa đầu máy diesel NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội [5] Đỗ Đức Tuấn, 2013 Độ tin cậy tuổi bền máy NXB Giao thông vận tải, Hà Nội [6] 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 [7] 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 [8] 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 [9] В.В Лукин, Л.А.Шадур, В.Н Котуранов, А.А Хохлов, П.С Анисимов (2000), Конструирование и расчёт вагонов, Москва  ... tốn chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy mối ghép có độ dơi thể hình Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình tính tốn thiết kế trục bánh xe toa xe theo độ tin cậy mối ghép. .. kết cấu sơ đồ lực tác dụng lên trục bánh xe toa xe guốc, bầu dầu ổ bi trình bày [2], [9], [3] CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ TRỤC BÁNH XE TOA XE THEO ĐỘ DÔI MỐI GHÉP 2.1 Mơ hình hóa kết cấu trục bánh xe theo. .. tốn xác định độ dơi đường kính tối thiểu mối ghép bánh xe với trục bánh với trục toa xe mà đảm bảo độ tin cậy cho trước theo độ dôi phần tử (của mối ghép) hệ (của trục bánh xe) Chương trình cho