1. Việc phõn tớch kết cấu thực tế của KGCH đầu mỏy D19E thuộc lụ đầu tiờn gồm 10 đầu mỏy đang vận dụng tại Xớ nghiệp đầu mỏy Hà Nội cho thấy kết cấu của một số phận khụng tương thớch với bản vẽ do nhà chế tạo Trung Quốc cung cấp, cụ thể là:
- Tấm trờn của xà dọc KGCH khụng đủ rộng đểđỡ toàn phần tấm đỡ gối đỡ
cao su giảm chấn liờn kết với giỏ xe (04 vị trớ);
- Tấm dưới của xà dọc KGCH khụng cú tấm đỡ hỡnh thoi tại cỏc vị trớ liờn kết với khối đỡ lũ xo và thanh kộo của bầu dầu đầu trục (06 vị trớ);
- Tất cả cỏc tấm kết cấu hàn thành xà dọc và xà ngang của KGCH đều cú độ
Cỏc phõn tớch núi trờn cũn cho thấy kết cấu KGCH được thiết kế tại những vựng nguy hiểm và nhạy cảm trờn xà dọc là khụng hợp lý: cỏc chõn của thanh kộo khụng cú cạnh vỏt theo phương phỏp quỏ độ liờn kết với tấm dưới của xà dọc để
giảm ứng suất cục bộ.
Chế độ tải trọng mụ phỏng của nhà chế tạo Trung Quốc sử dụng phần mềm Ansys 5.5.3 trong tớnh toỏn đó khụng phản ỏnh được chếđộ tải trọng thực tế và chế độ khai thỏc của đầu mỏy D19E trờn ĐSVN, dẫn đến một số giỏ trị ứng suất cú sự
khỏc biệt lớn giữa tớnh toỏn và kết quả thực tế.
Việc đỏnh giỏ độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của nhà chế tạo Trung Quốc theo sơ đồ mỏi cơ bản Goodman, đó cú đường giới hạn ứng suất tớnh toỏn cú thụng số
cao hơn nhiều so với thực tếđo đạc nhưng vẫn xuất hiện vết nứt và vết nứt lại nằm sõu trong vựng được coi là an toàn. Vỡ vậy cần phải xem lại việc lựa chọn tiờu chuẩn tớnh toỏn độ bền cho phự hợp với điều kiện ĐSVN.
2. Việc tớnh toỏn lý thuyết kiểm nghiệm độ bền bằng phần mềm chuyờn dựng đó xỏc định được cỏc vị trớ và cỏc trị số nội lực ở cỏc mặt cắt, cỏc điểm xung yếu nhất trờn KGCH và TBX đầu mỏy D19E, giỏ trị ứng suất tại cỏc điểm đó nờu thấp hơn khỏ nhiều so với trị sốứng suất cho phộp. Cỏc kết quả này là cơ sở để đỏnh giỏ một cỏch đầy đủ hơn về độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của KGCH và TBX đầu mỏy D19E trong quỏ trỡnh vận dụng hiện naỵ
3. Dựa theo cỏc kết quả tớnh toỏn lý thuyết và cỏc kết quảđo đạc từ thực tế
của Viện cơ học Việt Nam và chuyờn gia Trung Quốc, đó xỏc định được hàm phõn bố của giới hạn mỏi, tớnh toỏn được giỏ trị giới hạn mỏi và hệ số an toàn mỏi của KGCH và TBX theo xỏc suất phỏ huỷ P% bằng lý thuyết đồng dạng phỏ huỷ mỏi tuyệt đối và tương đối; đồng thời đó xõy dựng được phần mềm tớnh toỏn chuyờn
dựng cho KGCH và TBX đầu mỏỵ Kết quả như sau:
- Tớnh toỏn theo lý thuyết đồng dạng phỏ huỷ mỏi tuyệt đối
+ Đối với TBX:
- Ứng suất tại cỏc mặt cắt đều cú trị số nhỏ hơn nhiều so với giỏ trị GHBM
của TBX;
- Hệ số an toàn mỏi s = f(P%) của cỏc mặt cắt trờn TBX đầu mỏy D19E đều lớn hơn hệ số an toàn mỏi cho phộp.
+ Đối với KGCH:
Tại cỏc điểm nguy hiểm, theo kết quả tớnh toỏn lý thuyết, giỏ trị ứng suất khụng lớn hơn giỏ trị GHBM; cũn khi tớnh toỏn theo kết quả đo đạc của Viện Cơ
học và phớa Trung Quốc, nhận thấy đó cú nhiều điểm vượt quỏ giỏ trị GHBM (σ-
1KGCH) của KGCH ứng với xỏc suất phỏ hủy 100 % ở nhiều trạng thỏi vận hành
Mặt khỏc, tại cỏc điểm nguy hiểm, theo kết quả tớnh toỏn lý thuyết, cú giỏ trị ứng suất cú cỏc giỏ trị hệ số an toàn mỏi lớn hơn hệ số an toàn mỏi cho phộp; cũn khi tớnh toỏn theo kết quảđo đạc của Viện Cơ học và phớa Trung Quốc, nhận thấy
đó cú nhiều điểm cú cỏc giỏ trị hệ số an toàn mỏi nhỏ hơn hệ số an toàn mỏi cho phộp, ứng với xỏc suất phỏ hủy 100 % ở nhiều trạng thỏi vận hành khỏc nhau, thậm chớ cú điểm với hệ số an toàn mỏi nhỏ hơn nhiều so với hệ số an toàn mỏi cho phộp.
- Tớnh toỏn theo lý thuyết đồng dạng phỏ huỷ mỏi tương đối
+ Đối với TBX:
- Ứng suất tại cỏc mặt cắt của TBX đều cú trị số nhỏ hơn nhiều giỏ trị
GHBM của TBX;
Hệ số an toàn mỏi s = f(P%) của cỏc mặt cắt trờn TBX đầu mỏy D19E đều lớn lớn hơn hệ số an toàn mỏi cho phộp.
+ Đối với KGCH:
Tại cỏc điểm nguy hiểm, giỏ trịứng suất tớnh theo kết quả tớnh toỏn lý thuyết và theo kết quả đo đạc của Viện Cơ học và phớa Trung Quốc đều nhỏ hơn giỏ trị
GHBM của KGCH (σ−1KGCH;τ−1KGCH = f( )P )
Cũng tại cỏc điểm nguy hiểm, giỏ trị hệ số an toàn mỏi được tớnh theo kết quả tớnh toỏn lý thuyết và theo kết quả đo đạc của Viện Cơ học và phớa Trung Quốc đều lớn hơn hệ số an toàn mỏi cho phộp.
- Tớnh theo ngưỡng phỏt triển vết nứt mỏi của vật liệu
+ Đối với TBX: Tại cỏc mặt cắt đều cú giỏ trị số gia hệ số cường độứng suất nhỏ hơn giỏ trị ngưỡng phỏt triển vết nứt mỏi ((∆K)<(∆K)th*). Do đú cú thể kết luận TBX đầu mỏy D19E đảm bảo độ bền mỏị
+ Đối với KGCH: Khi vận hành đầu mỏy ở khu gian khú khăn (độ dốc lớn,
đường cong bỏn kớnh nhỏ) đó cú ba điểm cú giỏ trị số gia hệ số cường độứng suất vượt giỏ trị ngưỡng phỏt triển vết nứt mỏi ((∆K)>(∆K)th* ). Cũng tại ba điểm này giỏ trịứng suất của KGCH (được tớnh theo kết quả đo được của Viện Cơ học Việt Nam) đó vượt quỏ giỏ trị GHBM (σ-1KGCH) ứng với xỏc suất phỏ hủy 100 %; đồng thời cú giỏ trị hệ số an toàn mỏi nhỏ hơn hệ số an toàn mỏi cho phộp ứng với xỏc suất phỏ hủy 100 %. Như vậy tại ba điểm đú vết nứt sẽ xuất hiện và phỏt triển, tựy thuộc vào tần số phụ tải tỏc dụng lờn cỏc điểm đú khi vận hành đầu mỏy ở cỏc khu gian khú khăn. Ngoài ra trờn KGCH cũn một số điểm đó cú giỏ trị số gia hệ số
cường độứng suất gần đạt tới giỏ trị ngưỡng phỏt triển vết nứt mỏị
Đỏnh giỏ về tuổi thọ mỏi đối với cỏc điểm xuất hiện vết nứt và phỏt triển trờn KGCH:
Khi vận hành đầu mỏy ở khu gian khú khăn (lờn dốc cao kết hợp với việc đi vào
đường cong bỏn kớnh nhỏ, với vận tốc tương đối thấp), tại cỏc điểm cú giỏ trị ứng suất vượt ngưỡng nhận cỏc giỏ trịứng suất tương đối cao, khi tần số cỏc xung ứng suất càng nhỏ thỡ số chu trỡnh ứng suất càng giảm mạnh. Đó cú điểm tuổi thọ mỏi (chu trỡnh ứng suất) giảm cũn 50%, đặc biệt cú điểm chịu giỏ trị ứng suất cao và tần số cỏc xung ứng suất nhỏ thỡ tuổi thọ mỏi giảm chỉ cũn 16% so với tuổi thọ
thiết kế.
Qua đú thấy được sựảnh hưởng của tần số tải trọng đến tuổi thọ mỏi, tần số tải trọng càng nhỏ tuổi thọ mỏi càng giảm.
4. Đó xỏc định được giỏ trị GHBM và HSATM của KGCH đầu mỏy D19E
lụ nhập thứ 3 theo phương trỡnh đồng dạng tuyệt đốị
Tại cỏc điểm nguy hiểm trờn KGCH giỏ trịứng suất theo kết quả tớnh toỏn lý thuyết và kết quảđo đạc của Viện Cơ học Việt Nam và phớa Trung Quốc đều nhỏ
hơn giỏ trị GHBM của KGCH và giỏ trị hệ số an toàn mỏi đều lớn hơn hệ số an toàn mỏi cho phộp. Qua đú thấy rằng, kết cấu và kớch thước khụng hợp lý gõy ra sự
tập trung ứng suất cục bộ càng lớn độ bền mỏi càng giảm, xỏc suất xuất hiện vết nứt càng lớn
5. Từ cỏc cỏc kết quả tớnh toỏn thấy rằng chương trỡnh tớnh toỏn hàm phõn bố
của giới hạn mỏi, giỏ trị GHBM, HSATM theo phương trỡnh đồng dạng tuyệt đối nờn sử dụng để tớnh toỏn cho chi tiết dạng hộp rỗng (KGCH), cũn chương trỡnh tớnh toỏn hàm phõn bố của giới hạn mỏi, giỏ trị GHBM, HSATM theo phương trỡnh đồng dạng tương đối nờn sử dụng để tớnh toỏn cho chi tiết dạng trục trụ đặc (TBX).
6. Đó đề xuất một số biện pháp nâng cao độ bền mỏi cho KGCH đầu mỏy D19E đối với lụ nhập đầu tiờn đang sử dụng ở Xớ nghiệp đầu mỏy Hà Nội:
- Bố trớ hợp lý cỏc gõn gia cường làm giảm sự tập trung ứng suất cuc bộ; - Khống chế chặt chẽ cụng nghệ hàn như: chọn vật liệu cơ bản và vật liệu hàn hợp lý, chọn phương phỏp hàn, chếđộ hàn thớch hợp, khửứng suất dư…;
- Tuõn thủ chặt chẽ về chu trỡnh kiểm tra vết nứt trong quỏ trỡnh sử dụng; - Duy tu, bảo dưỡng và sửa chữa đường sắt đảm bảo yờu cầu kỹ thuật;
- Trong quỏ trỡnh vận hành đầu mỏy ở những khu gian cú độ dốc cao và
đường cong bỏn kớnh nhỏ khụng nờn chạy tàu với vận tốc quỏ nhỏ, nhanh chúng
trỏnh vận hành đầu mỏy ở tốc độ v ≈ 15 km/h trờn đường đốo dốc cao, khi chịu ứng suất trung bỡnh lớn và tần số nhỏ.
kết luận chung
Nội dung của Luận ỏn đó giải quyết được những vấn đề cơ bản sau đõy: 1. Đó ỏp dụng thành cụng lý thuyết đồng dạng phỏ hủy mỏi cho kết cấu khung giỏ chuyển hướng và trục bỏnh xe đầu mỏy D19E sử dụng trong ngành
đường sắt Việt Nam. Kết quả tớnh toỏn cho thấy: khung giỏ chuyển hướng của đợt
đầu tiờn gồm 10 đầu mỏy D19E nhập từ Trung Quốc về Việt Nam khụng đảm bảo
độ bền mỏị Điều này phự hợp với quỏ trỡnh vận hành thực tế của chỳng trờn đường sắt Việt Nam, đú là sau một số chu trỡnh ứng suất (khoảng hơn 100 000 km chạy), một số tấm trong khung giỏ chuyển hướng đó xuất hiện vết nứt, như đầu mỏy D19E 902, D19E 904, D19E 905 và D19E 907.
2. Trờn cơ sở sử dụng cỏc đại lượng khụng thứ nguyờn, đó xõy dựng được một phương trỡnh lan truyền vết nứt mỏi cú xột tới tần số tải trọng, dựng để tớnh số
chu trỡnh ứng suất (tuổi thọ mỏi). Phương trỡnh lan truyền vết nứt dạng khụng thứ
nguyờn này chưa được tỡm thấy trong số cỏc phương trỡnh lan truyền vết nứt hiện cú.Việc sử dụng phương trỡnh mới này đó cho phộp dự bỏo được tuổi thọ mỏi của khung giỏ chuyển hướng đầu mỏy D19E khi vận dụng trờn một số khu gian của
đường sắt Việt Nam.
3. Đó xõy dựng thành cụng một phần mềm chuyờn dụng bằng ngụn ngữ VB v.6. cho phộp xỏc định độ bền mỏi và hệ số an toàn mỏi theo những xỏc suất phỏ hủy khỏc nhau cho cỏc kết cấu bộ phận chạy đầu mỏy D19E trờn đường sắt Việt Nam. Đõy là điểm mới trong việc tớnh toỏn cỏc chỉ tiờu về khả năng làm việc của chi tiết mỏy mà trong cỏc sỏch giỏo khoa tương tự chưa đề cập tớị
4. Đó tiến hành hành loạt thớ nghiệm bao gồm thớ nghiệm phõn tớch thành phần húa học, thử nghiệm xỏc định cỏc đặc trưng cơ tớnh và đặc trưng mỏi, thử
nghiệm xỏc định tốc độ lan truyền vết nứt mỏi và độ dai phỏ huỷ mỏi của vật liệu chế
tạo khung giỏ chuyển hướng và trục bỏnh xe đầu mỏy D19E tại cỏc Phũng thớ nghiệm của Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam, Trường Đại học Giao thụng Vận tải, Viện Cơ khớ năng lượng và mỏ (TKV). Từ cỏc thớ nghiệm nờu trờn đó xỏc
định được cỏc thụng số về mỏc thộp, cơ tớnh, giới hạn mỏị Đặc biệt đõy là lần đầu tiờn ở Việt Nam núi chung và trong ngành đường sắt Việt Nam nú riờng, đó tiến
hành thớ nghiệm về cơ học phỏ hủy trờn cỏc thiết bị hiện đại INSTRON 8801 của
Vương quốc Anh, theo tiờu chuẩn ASTM E 399-90 và ASTM E 467 của Mỹ nhằm
xỏc định hệ số cường độứng suất tới hạn KIC (MPạm1/2) cho vật liệu chế tạo khung giỏ chuyển hướng và trục bỏnh xẹ Cỏc kết quả thớ nghiệm là cơ sở cho việc tớnh toỏn độ bền mỏi và dự bỏo tuổi thọ mỏi theo phương trỡnh lan truyền vết nứt.
5. Kết quả tớnh toỏn, dự bỏo đó được triển khai ứng dụng cho đầu mỏy D19E sử
dụng tại Xớ nghiệp Đầu mỏy Hà Nội, nhằm so sỏnh với cỏc kết quả thống kờ về
tỡnh trạng nứt mỏi của khung giỏ chuyển hướng và đưa ra cỏc khuyến nghị cho việc chạy tàu an toàn theo quan điểm của quỏ trỡnh lan truyền vết nứt mỏi và tốc độ vận hành của đoàn tầụ
6. Đó đề xuất một số biện phỏp nhằm đảm bảo và nõng cao độ bền mỏi cho KGCH đầu mỏy D19E đối với đợt nhập đầu tiờn đang sử dụng tại Xớ nghiệp đầu mỏy Hà Nội, trong đú lưu ý khi vận hành đầu mỏy ở những khu gian cú độ dốc cao và đường cong bỏn kớnh nhỏ khụng nờn chạy tàu với tốc độ thấp v ≈ 15 km/h, khi kết cấu chịu ứng suất trung bỡnh lớn và tần số nhỏ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt
[1] - Bỏo cỏo kột quảđo kiểm tra và đỏnh giỏ trạng thỏi ứng suất - biến dạng động
trờn khung giỏ chuyển hướng ĐM D19E-903 và D19E-907. Viện Cơ học, Hà Nội-
2003.
[2]- B.N. ARZAMAXOV. Vật liệu học. Nhà xuất bản Giỏo dục 2000
[3]. Nguyễn Hữu Dũng. Cấu tạo và tớnh toỏn ĐM Diezel. Nhà xuất bản Giao thụng vận tảị 2005
[4]. An Hiệp, Trần Vĩnh Hưng, Nguyễn Văn Thiệp. Thiết kế chi tiết mỏy trờn mỏy tớnh. Nhà xuất bản Giao thụng vận tảị 2006
[5]. Hướng dẫn sử dụng ĐM D19Ẹ Xớ nghiệp ĐM Hà Nộị 2002
[6] Phan Văn Khụị Tuổi thọ mỏi của kết cấu thộp ngoài biển, NXB Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 1997.
[7] Kết cấu hàn. Bộ mụn cụng nghệ kim loại Trường ĐH Bỏch khoa Hà Nộị Hà Nội – 2000.
[8]. Kim loại – Phương phỏp thử mỏi nhiều chu trỡnh và ớt chu trỡnh. Tiờu chuẩn
Việt Nam. TCVN: 4169 - 85
[9]. Nguyễn Hữu Lộc. Thiết kế và phõn tớch hệ thống cơ khớ theo độ tin cậy. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 2005
[10]. Khuất Tất Nhưỡng. Kỹ thuật ĐM toa xe hiện đạị Nhà xuất bản Giao thụng vận tảị 2002
[11]. Nguyễn Văn Phỏi, Nguyễn Quốc Việt. Tớnh toỏn độ bền mỏi. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 2004
[12]. Phạm Ngọc Phỳc, Ngụ Văn Quyết. Tớnh toỏn độ bền mỏi chi tiết mỏy cú kể tới xỏc suất phỏ hủỵ “Tuyển tập cỏc cụng trỡnh khoa hoạc Hội nghị Cơ học vật rắn biến dạng toàn quốc lần thứ VI”. Hà Nộị 11- 1999
[13]. Phạm Ngọc Phỳc, Ngụ Văn Quyết. Ứng dụng lý thuyết xỏc suất thụng kờ trong Tớnh toỏn độ bền mỏi chi tiết mỏỵ Quõn đội nhõn dõn. Hà Nộị 2001
[14]- P.Ị ORLOP. Cẩm nang cơ khớ. Tập 1. Nhà xuất bản Hải phũng 2002
[15]. Phõn tớch vết nứt khung giỏ chuyển của ĐM”đổi mới” của Việt Nam. CSR. Ziyang Locomotive Works, 2005
[16]. Ngụ Văn Quyết. Nhập mụn cơ học phỏ hủy – Fracture mechanics. Hội Cơ
học Việt Nam. 1987
[18]- Ngụ Văn Quyết. Về bản chất vật lý của phương trỡnh đồng dạng phỏ huỷ mỏị “Tạp chớ Khoa học giao thụng vận tải”. Số 12 thỏng 11 - 2005
[19]- Ngụ Văn Quyết, Trần Xuõn Khỏị Phương phỏp mới tớnh độ bền mỏi của bỏn trục cầu sau ụ tụ. “Tuyển tập cỏc cụng trỡnh khoa hoạc Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VII”. Hà Nộị 12- 2002
[20]- Ngụ Văn Quyết, Trần Xuõn Khỏị Phương phỏp xỏc định cỏc thụng sốđường
cong mỏi của chi tiết mỏỵ “Tạp chớ Khoa học và kỹ thuật”. Học viện Kỹ thuật Quõn sự. Số 100/III/2002
[21]- Ngụ Văn Quyết, Đỗ Đức Tuấn, Phạm Lờ Tiến. Về phương trỡnh lan truyền vết nứt mỏị “Tạp chớ Khoa học giao thụng vận tải”. Số 12 thỏng 11 - 2005