®¸nh gi¸ ®é bÒn mái khung gi¸ chuyÓn h−íng
®Çu m¸y D9E trªn c¬ së ph−¬ng tr×nh
®ång d¹ng ph¸ huû mái
PGS. TS. §ç ®øc tuÊn
Bé m«n §Çu m¸y - Toa xe
Khoa C¬ khÝ - Tr−êng §H GTVT
PGS. TS. Ng« v¨n quyÕt
Häc viÖn kü thuËt qu©n sù
ThS. Ph¹m lª tiÕn
Tr−êng Trung häc §−êng s¾t
Tãm t¾t: Bμi b¸o giíi thiÖu ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu vμ c¸c kÕt qu¶ ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái
(hÖ sè an toμn mái) cña khung gi¸ chuyÓn h−íng ®Çu m¸y D9E ®ang sö dông trªn ®−êng s¾t
ViÖt Nam trªn c¬ së lý thuyÕt ®ång d¹ng ph¸ huû mái.
Summary: In this article, the Fatigue Strength of direction frame of locomotives D9E has
been determined based on the equation of similar Fatigue failure. The new method of
computing and concrete examples are also presented.
I. ®Æt vÊn ®Ò
§Ó ®¸nh gi¸ ®−îc ®é bÒn mái vµ tuæi thä mái cña c¸c kÕt cÊu bé phËn ch¹y ®Çu m¸y diezel
nãi chung vµ xe ®Çu m¸y D9E nãi riªng nh− khung gi¸ chuyÓn h−íng, bé trôc b¸nh xe, cÇn sö
dông kÕt qu¶ x¸c ®Þnh c¸c ®Æc tr−ng mái cña mÉu vËt liÖu. C¸c kÕt qu¶ nµy ®· ®−îc tr×nh bµy
trong [2]. Tõ c¸c kÕt qu¶ ®ã ®· tiÕn hµnh ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái (hÖ sè an toµn mái) cña trôc
b¸nh xe ®Çu m¸y D9E ®ang sö dông trªn ®−êng s¾t ViÖt Nam trªn c¬ së lý thuyÕt ®ång d¹ng
ph¸ huû mái t−¬ng ®èi [6].
Trong bµi b¸o nµy tr×nh bµy ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu vµ c¸c kÕt qu¶ ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái
(hÖ sè an toµn mái) cña khung gi¸ chuyÓn h−íng ®Çu m¸y D9E trªn c¬ së lý thuyÕt ®ång d¹ng
ph¸ huû mái t−¬ng ®èi.
II. C¬ së ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái khung gi¸ chuyÓn h−íng ®Çu m¸y D9E
theo ph−¬ng tr×nh ®ång d¹ng ph¸ huû mái t−¬ng ®èi
2.1. C¬ së lý thuyÕt tÝnh hÖ sè an toµn
Khung gi¸ chuyÓn h−íng ®Çu m¸y D9E võa chÞu m« men xo¾n, võa chÞu m« men uèn vµ
lùc däc xµ nªn øng suÊt t¹i ®iÓm nguy hiÓm cña mÆt c¾t nguy hiÓm (D - D) thay ®æi theo chu kú
øng suÊt kh«ng ®èi xøng (r ≠ - 1) [3] vµ theo [5] víi tr−êng hîp kτ / kσ ≠ 1 (kτ / kσ <1), ta cã:
HÖ sè an toµn mái:
]s[
)]1s)(
k
k
1(21[ss
s.s
s
22
≥
−−++
=
σ
σ
τ
τσ
τσ , (1)
HÖ sè an toµn mái thµnh phÇn:
mma
1
..
k
.
s
τψ+σψ+
ε
σ
σ
=
τσσ
σ
σ
−
σ, (2)
mma
1
..
k
.
s
σψ+τψ+
ε
τ
τ
=
σττ
τ
τ
−
τ, (3)
trong ®ã:
+ vµ - Giíi h¹n bÒn mái khi chÞu uèn vµ xo¾n cña mÉu chuÈn;
1−
σ1−
τ
+ vµ - øng suÊt ph¸p vµ tiÕp trung b×nh;
m
σm
τ
+ vµ - øng suÊt ph¸p vµ tiÕp biªn ®é;
a
σa
τ
+ kσ vµ kτ - HÖ sè tËp trung øng suÊt ph¸p vµ tiÕp thùc tÕ;
+ εσ vµ ετ - hÖ sè ¶nh h−ëng kÝch th−íc;
+ ψσ , ψτ , ψτ σ vµ ψστ - hÖ sè ¶nh h−ëng cña vËt liÖu.
2.2. Ph−¬ng tr×nh ®ång d¹ng ph¸ huû mái t−¬ng ®èi
D¹ng tæng qu¸t cña ph−¬ng tr×nh ®ång d¹ng ph¸ huû mái t−¬ng ®èi [1]
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛Π+ε= ∞s
s.
p
u
'b
ghmax 10'aSS , (4)
trong ®ã:
+ Smax - øng suÊt lín nhÊt t¹i “ kh©u yÕu nhÊt “ trong chi tiÕt m¸y sÏ g©y ra sù ph¸ huû ë
x¸c suÊt P% (øng suÊt lín nhÊt Smax nµy cã thÓ lµ øng suÊt ph¸p hoÆc øng suÊt tiÕp);
+ Sgh - Giíi h¹n mái cña mÉu chuÈn ë chu tr×nh øng suÊt N0;
+ ε∞ - HÖ sè ¶nh h−ëng cña kÝch th−íc tuyÖt ®èi tíi søc chèng ph¸ huû mái cña tiÕt m¸y;
+ up - (cßn ký hiÖu lµ zp ) - ph©n vÞ víi x¸c suÊt ph¸ huû P%;
khi Smax ≤ Sgh th× P (Smax ≤ Sgh) = 0
+ ss - §é lÖch b×nh ph−¬ng trung b×nh cña ®¹i l−îng øng suÊt S;
+ a’, b’ lµ nh÷ng h»ng sè míi cña vËt liÖu lµm tiÕt m¸y, ph¶n ¸nh ®Æc tr−ng cÊu tróc cña vËt
liÖu vµ ®iÒu kiÖn lµm viÖc thùc tÕ cña tiÕt m¸y.
+ Π - ®−îc gäi lµ chØ tiªu ®ång d¹ng Π ph¸ huû mái kh«ng thø nguyªn.
ý nghÜa cña Π lµ: mÉu chuÈn cña tiÕt m¸y thùc cã h×nh d¹ng vµ kÝch th−íc kh¸c nhau
nh−ng nÕu cã cïng trÞ sè Π th× sÏ cã cïng mét hµm ph©n phèi giíi h¹n mái khi cïng mét tr¹ng
th¸i øng suÊt.
C«ng thøc tÝnh to¸n chØ tiªu Π nh− sau [1]:
Tr−êng hîp tiÕt m¸y chÞu uèn:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=Π
ctu
mu
mu
ctu
uW.G
W.G , (5)
Tr−êng hîp tiÕt m¸y chÞu xo¾n:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=Π
ctx
mx
mx
ctx
xW.G
W.G , (6)
trong ®ã:
+ Gmu ; Gmx - gra®ien t−¬ng ®èi cña øng suÊt chÞu uèn vµ xo¾n cña mÉu chuÈn tr¬n;
+ ctu
G; ctx
G- gra®ien t−¬ng ®èi cña øng suÊt uèn vµ xo¾n cùc ®¹i cña tiÕt m¸y;
+ Wmu ; Wmx - m«men chèng uèn vµ xo¾n cña mÉu chuÈn tr¬n;
+ Wctu ; Wctx - m«men chèng uèn vµ xo¾n cña tiÕt m¸y;
ChØ tiªu Π phô thuéc vµo tr¹ng th¸i øng suÊt (kÐo, nÐn, uèn, xo¾n...) còng nh− phô thuéc
vµo chÝnh khÝch th−íc cña tiÕt m¸y.
iii. øng dông ph−¬ng tr×nh ®ång d¹ng ph¸ huû mái t−¬ng ®èi ®Ó tÝnh hÖ sè
an toμn mái cho khung gi¸ chuyÓn ®Çu m¸y D9E
Qua c¸ch tÝnh to¸n ®é bÒn khung gi¸ chuyÓn ®Çu m¸y D9E ë [2], [4] ta chän mÆt c¾t D - D
trªn xµ däc khung gi¸ chuyÓn lµ mÆt c¾t nguy hiÓm nhÊt v× cã Mu vµ Mx lín nhÊt, ®−îc thÓ hiÖn
trªn h×nh 1.
§èi víi xµ däc khung gi¸ chuyÓn cã kÕt cÊu h×nh hép rçng vµ thay ®æi kÝch th−íc theo
chiÒu däc cña xµ däc khung gi¸ chuyÓn vËy cã thÓ xem xÐt sù ®ång d¹ng vÒ n¨ng l−îng vµ vËt
chÊt, trong tÝnh to¸n mái ta cã thÓ coi xµ däc khung gi¸ chuyÓn cã kÕt cÊu trô bËc rçng. VËy tÝnh
®−îc hÖ sè an toµn mái cho khung gi¸ chuyÓn theo chØ tiªu ®ång d¹ng Π nh− sau:
ChuyÓn mÆt c¾t D - D thµnh h×nh vµnh kh¨n, gi÷ nguyªn chu vi ngoµi vµ trÞ sè diÖn tÝch mÆt
c¾t kh«ng ®æi, vµ tÝnh ®Õn s¸t mÆt tiÕp xóc cã gèi ®ì ®µn håi, ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 2 vµ b¶ng 1.
H×nh 1. KÕt cÊu khung gi¸ chuyÓn h−íng ®Çu m¸y D9E
H×nh 2. H×nh d¹ng quy ®æi dïng ®Ó tÝnh to¸n theo chØ tiªu ®ång d¹ng
B¶ng 1. KÝch th−íc cña mÉu vμ khung gi¸ chuyÓn h−íng ®Çu m¸y D9E
§èi t−îng D (mm) d (mm) di (mm) ρ (mm)
MÉu 17 12 0 10
Khung gi¸ chuyÓn h−íng 384 307,1 269,7 50
3.1. TÝnh chØ tiªu ®ång d¹ng Π
®èC¸c c«ng thøc tÝnh to¸n gradien øng suÊt t−¬ng i
(
)
XG ¸p dông tÝnh cho khung gi¸
chuyÓn h−íng theo [1] vµ ®−îc thÓ hiÖn trong b¶ng 2.
B¶ng 2. C«ng thøc gradien øng suÊt t−¬ng ®èi
KÝch th−íc t−¬ng ®èi Uèn Xo¾n
d
D≥ 1,5 u
G = ρ
3,2 + d
2 Gx = ρ
15,1 + d
2
d
D < 1,5 u
G = ρ
ϕ+ )1(3,2 + d
2Gx = ρ
15,1 + d
2
trong ®ã: ϕ =
)2
t
(4
1
+
ρ
; t = 2
dD −
hØ tiªu Π cho khung gi¸ chuyÓn h−íng theo c¸c c«ng thøc (5) vµ (6)
®−îc cho trong b¶ng 3.
B¶ng 3. TrÞ sè chØ tiªu
Π
cña khung gi¸ chuyÓn h−íng ®Çu m¸y D9E
MÉu Khung gi¸ chuyÓn h−íng
KÕt qu¶ tÝnh to¸n c
Tr¹ng th¸i
øng suÊt Wm ( mm3 ) Gm ( mm-1 ) Wct ( mm3 ) ct
G( mm ) Π
-1
Uèn 172,8 0,454 1 158 509 0,0565 1,856.10-5
Xo¾n 345,6 0,2816 2 317 018 0,0295 1,562.10-5
T
(
MX
)
T
(
MX
)
MU MU