®¸nh gi¸ kiÓm nghiÖm ®é bÒn khung gi¸ chuyÓn h−íng
lß xo kh«ng khÝ l¾p cho toa xe kh¸ch viÖt nam chÕ t¹o
PGS. TS. Lª v¨n häc
ThS. KiÒu c«ng thµnh
Bé m«n §Çu m¸y - Toa xe
Khoa C¬ khÝ - Tr−êng §¹i häc GTVT
Tãm t¾t: Víi môc tiªu n©ng cao chÊt l−îng vμ t¨ng tèc ®é ch¹y tμu, ®Æc biÖt lμ c¸c ®oμn
tμu kh¸ch ch¹y tuyÕn ®−êng Hμ Néi - TP Hå ChÝ Minh, nh÷ng n¨m gÇn ®©y §−êng S¾t ViÖt
Nam ®ang chÕ t¹o c¸c lo¹i toa xe kh¸ch míi cã chÊt l−îng cao, trong ®ã cã gi¸ chuyÓn h−íng
lμ bé phËn rÊt quan träng quyÕt ®Þnh chÊt l−îng vμ tèc ®é ®oμn tÇu. Gi¸ chuyÓn h−íng lß xo
kh«ng khÝ ®−îc chÕ t¹o t¹i ViÖt Nam cã kÕt cÊu khung vâng lμ lo¹i gi¸ chuyÓn h−íng hiÖn ®¹i,
®¸p øng ®−îc yªu cÇu tèc ®é
≥
120 km/h khi l¾p cho toa xe kh¸ch. ViÖc ®¸nh gi¸ chÝnh x¸c ®é
bÒn cña khung gi¸ chuyÓn h−íng lß xo kh«ng khÝ (kÕt cÊu khung vâng) lμ vÊn ®Ò rÊt quan träng
vμ cÇn thiÕt phôc vô cho thiÕt kÕ vμ chÕ t¹o míi toa xe hiÖn ®¹i, ®¶m b¶o an toμn cao, tiÕt kiÖm
nguyªn liÖu. Bμi b¸o ®Ò cËp viÖc ¸p dông ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n ®Ó ®¸nh gi¸ ®é bÒn
khung gi¸ chuyÓn h−íng lß xo kh«ng khÝ cã kÕt cÊu khung vâng, sö dông phÇn mÒm SAP 2000
- Mét ph−¬ng ph¸p hiÖn ®¹i hiÖn nay, võa cã ý nghÜa thùc tiÔn cao vμ ý nghÜa khoa häc.
Summary: Making accurate evaluation of the strength of bogie-airbag's frames (body
work-bow back) is an important matter and necessary for designing and making new carriages
with modernity, high safety and fuel - saving consumption. This paper presents the application
of the limited element evaluating method using Software Sap 2000 a new modern and updated
method with high practicality and scientific significance.
i. Th«ng sè kü thuËt, s¬ ®å tÝnh to¸n vμ c¸c lo¹i t¶i träng t¸c dông lªn khung
gi¸ chuyÓn h−íng lß xo kh«ng khÝ (kÕt cÊu khung vâng) do ViÖt Nam chÕ t¹o
862
670
694
Φ360
2200
3150
16288
2135
1850
1775
1575
982
640
160
90
550
174
588
256
430
480
Φ168
13
150
862
670
694
Φ360
2200
3150
16288
2135
1850
1775
1575
982
640
160
90
550
174
588
256
430
480
Φ168
13
150
- S¬ ®å tÝnh to¸n:
S¬ ®å tÝnh to¸n gi¸ chuyÓn h−íng lß xo kh«ng khÝ kÕt cÊu khung vâng lµ mét hÖ khung siªu
tÜnh gåm c¸c thanh liªn kÕt cøng víi nhau.
550
694
1575
227
558
1100
1575
O
z
y
x
A
A
B
B
C
C
D
D
550
694
1575
227
558
1100
1575
O
z
y
x
A
A
AA
AA
B
B
BB
BB
C
C
CC
CC
D
D
DD
DD
- C¸c ®Æc tr−ng h×nh häc:
10
200
180
150
180 1018010
Φ20
14
12
14 14 14
230
12
160
12
12
140
220
140
Φ
A - A C - C D - D
10
200
180
150
10
200
180
150
180 1018010
Φ20
14
12
14 14 14
230
180 1018010
Φ20
14
12
14 14 14
230
12
160
12
12
140
220
140
Φ
12
160
12
12
140
220
140
Φ
A - A C - C D - D
MÆt c¾t B - B cã tiÕt diÖn thay ®æi tõ tiÕt diÖn mÆt c¾t A - A ®Õn tiÕt diÖn mÆt c¾t C - C
MÆt c¾t F (cm2) Jx (cm4) Jy (cm4) Jz (cm4)
A - A 84,56 5949,76 3186,76 2762,42
B - B 84,56 ÷ 219,38 5949,76 ÷ 32054 3186,76 ÷ 66179,6 2762,42 ÷ 34125,59
C - C 219,38 32054 66179,6 34125,59
D - D 91,44 3273,36 1874,66 13968,7
- Th«ng sè kü thuËt cña gi¸ chuyÓn h−íng lß xo kh«ng khÝ kÕt cÊu khung vâng:
Träng l−îng gi¸ chuyÓn: 5000 kg.
Kho¶ng c¸ch trôc trong mét gi¸ chuyÓn: 2200 mm.
Kho¶ng c¸ch gi÷a hai mÆt l¨n b¸nh xe: 1054 mm.
§−êng kÝnh b¸nh xe: 838 mm
Kho¶ng c¸ch hai lß xo kh«ng khÝ: 1575 mm
§é cao tù mÆt ray ®Õn mÆt trªn cña lß xo trung −¬ng d−íi t¶i träng: 840 mm.
§é cao tõ mÆt ray ®Õn cèi chuyÓn h−íng: 772 mm
Tæng ®é nhón tÜnh cña lß xo d−íi t¶i träng: 228 mm
Tæng ®é nhón tÜnh cña lß xo d−íi t¶i träng/ §é nhón lß so hép trôc: 190/38.
§é cøng hÖ lß xo: 184,2 kN/m
Tèc ®é thiÕt kÕ: 120 km/h
L¾p cho toa xe kh¸ch thÕ hÖ II
- C¸c lo¹i t¶i träng t¸c dông lªn gi¸ chuyÓn h−íng lß xo kh«ng khÝ kÕt cÊu khung vâng:
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
2
P
2
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
8
P
2
P
2
P
2
P
2
+ T¶i träng th¼ng ®øng
tÜnh vμ ®éng:
P = Pt + P® = Pt.(1 + k®)
P = 194,24 (KN)
+ T¶i träng th¼ng ®øng ®èi xøng chÐo:
Pch = 5
chb
chb
cc
c.c
+ = 89
(KN)
cb, cch - lÇn l−ît lµ ®é
cøng cña tæ hîp lß xo ®Æt lªn 1 bÇu dÇu vµ ®é cøng ®èi xøng chÐo cña khung gi¸
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
Pch
2
+ T¶i träng th¼ng ®øng
phô thªm do t¶i träng ngang
s−ên g©y ra:
P2P2
P2P2
P2P2
P2P2
2P3
2P3
P2P2
P2P2
P2P2
P2P2
2P3
2P3
P2 = 19,85 (KN)
P3 = 2P2.
5
2
b
b= 39,71 (KN)
+ T¶i träng do t¸c
dông chung cña lùc ngang
s−ên vμ lùc ray - b¸nh xe
g©y ra:
z0
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
H
2
H
2
P4
P4
z0
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
H2
4
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
T2
2
H
2
H
2
H
2
H
2
P4
P4
P4
T1 = 1,12 (KN);
T2 = 1,3 (KN)
Ti - lùc n»m ngang däc do bÇu dÇu ®Æt lªn khung gi¸ ë bé trôc b¸nh tr−íc vµ sau
H1 = 21,11 (KN) ; H2 = 25,06 (KN)
H = H1 + H2 = 46,17 (KN) - tæng lùc ngang s−ên øng víi mét gi¸ chuyÓn h−íng
P4 =
5
0
b2
z
2
H⋅ = 3,155 (KN)
2b5 - kho¶ng c¸ch gi÷a hai t©m chèt treo
z0 - lµ kho¶ng c¸ch tõ mÆt ph¼ng qua ®−êng tim trôc b¸nh xe tíi mÆt ph¼ng khung gi¸
+ T¶i träng sinh ra khi h·m ®Æt lªn gi¸ chuyÓn h−íng:
* T¶i träng th¼ng ®øng
phô thªm ®Æt lªn khung
chuyÓn h−íng do lùc qu¸n
tÝnh h·m sinh ra
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
2P5
2P5
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
P5
2
2P5
2P5
2P5
2P5
P5 = 3,62 (KN)
z0
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
4
Tth
4
z0
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
16
Tth
4
Tth
4
Tth
4
Tth
4
* T¶i träng n»m ngang
®Æt lªn khung chuyÓn h−íng
do lùc qu¸n tÝnh h·m:
Tth = 76,91 (KN)
ii. TÝnh to¸n ®é bÒn khung x−¬ng thïng xe b»ng ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u
h¹n
1. øng dông ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n vµo gi¸ chuyÓn h−íng kÕt cÊu khung
vâng
C¸c thµnh phÇn néi lùc cã thÓ xuÊt hiÖn trong thanh gåm cã: P1, P2 …, P6
Khi t¸ch thanh ra c¸c thµnh phÇn néi lùc nµy trë thµnh ngo¹i
lùc .
P2
P1
P3P
5
P4
P
6
α
3
4
P2
P1
P3P
5
P4
P4
P
6
α
3
4
- C¸c thµnh phÇn lùc {P1 P4} g©y ra c¸c chuyÓn vÞ däc trôc
{q1 q4}.
Tõ ph−¬ng tr×nh m« t¶ mèi quan hÖ gi÷a chuyÓn vÞ däc thanh
q(x) vµ lùc ®Æt lªn thanh g©y ra chuyÓn vÞ, rêi r¹c ph−¬ng tr×nh
nµy theo c¸c ®iÓm nót 3, 4 ta cã hÖ sau:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
4
1
4
1
p
p
q
q
l
1
l
1l
1
l
1
EF
- C¸c thµnh phÇn lùc {P2 P3 P5 P6} g©y ra chuyÓn vÞ uèn {q2 q3 q5 q6}.
Tõ ph−¬ng tr×nh vi ph©n nªu lªn mèi quan hÖ gi÷a hµm chuyÓn vÞ cña phÇn tö thanh theo
ph−¬ng z víi lùc t¸c dông g©y ra c¸c thµnh phÇn chuyÓn vÞ, ®Ó gi¶i ®−îc ph−¬ng tr×nh nµy ta rêi
r¹c ho¸ nã theo c¸c ®iÓm nót 3, 4 theo ph−¬ng cña c¸c thµnh phÇn chuyÓn vÞ vµ cã:
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−−−
−
6
5
3
2
6
5
3
2
22
22
2
3
y
p
p
p
p
q
q
q
q
l4l6l2l6
l612l612
l2l6l4l6
l6l4l612
l
EJ
Tr−êng hîp tæng qu¸t ta cã:
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−−−
−
−
−
−
6
5
4
3
2
1
6
5
4
3
2
1
y
2
yy
2
y
2
y
3
y
3
y
3
y
y
2
yy
2
y
2
y
3
y
2
y
3
y
p
p
p
p
p
p
q
q
q
q
q
q
l
EJ4
l
EJ6
0
l
EJ2
l
EJ6
0
l
EJ6
l
EJ12
0
l
EJ6
l
EJ12
0
00
l
EF
00
l
EF l
EJ2
l
EJ6
0
l
EJ4
l
EJ6
0
l
EJ6
l
EJ12
0
l
EJ6
l
EJ12
0
00
l
EF
00
l
EF
Hay: ;
T)3(
T)3(
T)3( PqK =
(
)
1
T)3(
T)3(
T)3( KPq −
=
trong ®ã: = {q
T)3(
q1 q2 q3 q4 q5 q6}; = {P
T)3(
P1 P2 P3 P4 P5 P6}
- ChuyÓn to¹ ®é phÇn tö sang hÖ to¹ ®é tæng thÓ
cña kÕt cÊu
α
3
4
q6
q4
q5
q3
q1
q2
x
z
x3
z3
qx3
qz3
x4
z4
qx4
qz4
α
3
4
q6
q4
q5
q3
q1
q2
x
z
x3
z3
qx3
qz3
x4
z4
qx4
qz4
α
3
4
q6
q4
q5
q3
q1
q2
x
z
x3
z3
qx3
qz3
x3
z3
qx3
qz3
x4
z4
qx4
qz4
C¸c thµnh phÇn chuyÓn vÞ c¸c nót cña thanh trong
hÖ to¹ ®é tæng thÓ.
{qx3 qz3 θ3 qx4 qz4 θ4}
Tõ h×nh vÏ ta cã:
α+α= sinqcosqq 213x ;
α
+
α
−= cosqsinqq 213z
33 q=θ ;
α
+α= sinqcosqq 544x
α+α−= sinqsinqq 544z ;
64 q=θ
VËy ta cã :
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
αα−
αα
αα−
αα
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
θ
θ
6
5
4
3
2
1
4
4z
4x
3
3z
3x
q
q
q
q
q
q
100000
0cossin000
0sincos000
000100
0000cossin
0000sincos
q
q
q
q
Hay:
R
(3) = T(3) T
3
q