Đồ án môn học Kết cấu tính toán đầu máy toa xe

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN ĐẦU MÁY TOA XE VÀ TÀU ĐIỆN METRO ----------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY

TOA XE

Giáo viên hƣớng dẫn : ThS VŨ VĂN HIỆP

Sinh viên thực hiện : MAI VĂN TÚ

Lớp : 64DCDM01

Mã sinh viên : 64DCDM3020

Page 1

Hà Nội, năm 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................. 2

LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 4

CHƢƠNG 1 ........................................................................................................... 6

TỔNG QUAN VỀ GIÁ CHUYỂN HƢỚNG TOA XE HÀNG Ở VIỆT NAM .. 6

1.1. Các loại giá chuyển hƣớng toa xe hàng đang đƣợc sử dụng trên Đƣờng sắt Việt Nam. ...................................................................................................... 6

1.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................. 6

1.1.2. Kết cấu của một số loại GCH toa xe hàng ......................................... 6

1.2. Đánh giá chung các loại GCH toa xe hàng đang sử dụng ở Việt Nam. . 11

CHƢƠNG 2 ......................................................................................................... 12

LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN TÍNH TOÁN, CƠ SỞ TÍNH TOÁN, KIỂM NGHIỆM MÁ GIÁ TOA XE HÀNG VIỆT NAM............................................. 12

2.1. Phƣơng án thiết kế..................................................................................... 12

2.2. Thông số kết cấu của giá chuyển hƣớng G – G do Ấn Độ sản xuất ......... 13

2.3. Cơ sở tính toán, kiểm nghiệm má giá toa xe hàng .................................... 14

CHƢƠNG 3 ......................................................................................................... 16

TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM ĐỘ BỀN MÁ GIÁ TOA XE HÀNG DƢỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG THẲNG ĐỨNG ..................................................... 16

3.1. Các lực tác dụng lên má giá toa xe hàng .................................................. 16

3.1.1. Tải trọng thẳng đứng tĩnh. .................................................................. 16

3.1.2. Tải trọng thẳng đứng động .................................................................. 17

3.1.3. Tải trọng thẳng đứng phụ thêm do lực ngang sƣờn gây ra. ................ 17 3.2. Sự phân bố và điểm đặt của P trên kết cấu cơ bản của má giá…….…….19 3.3. Đặc trƣng hình học của kết cấu má giá…………………...……………..19

3.3.1. Đặc trƣng hình học của mặt cắt I, II, III (thanh 1)………..…………20 3.3.2. Đặc trƣng hình học của mặt cắt VIII và VIIIa (thanh 5)…………….20

3.3.3. Đặc trƣng hình học của mặt cắt IX và X (thanh 2)………………….21

3.3.4. Đăc trƣng hình học của các mặt cắt IV và V (thanh 3)………….…..22

Page 2

3.3.5. Đặc trƣng hình học của mặt cắt VI và VII (thanh 4)…………...……23

3.4. Biểu đồ momen do các lực X1, X2, X3, X4, X5 gây ra…………..……….23

3.4.1. Biểu đồ momen uốn do lực X1 = 1 gây ra………………...…………23

3.4.2. Biểu đồ momen do lực X2 = 1 gây ra……………………..…………24 3.4.3. Biểu đồ momen do lực X3 = 1 gây ra…………………..……………25 3.4.4. Biểu đồ momen do lực X4 = 1 gây ra…………………..……………25 3.4.5. Biểu đồ momen do lực X5 = 1 gây ra………………..………………26

3.4.6. Biểu đồ momen do tải trọng P gây ra………………..………………27 3.5. Xây dựng và giải hệ phƣơng trình chính tắc……………..……………...27 3.6. Kiểm nghiệm điều kiện bền……………………………..………………30

KẾT LUẬN…………………………………………………………………….35

Page 3

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………….………………..36

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, giao thông vận tải đƣờng sắt đang là một trong các hình thức

giao thông vận tải quan trọng của một xã hội phát triển. Ở Việt Nam thì công

cuộc đổi mới của ngành Đƣờng sắt Việt Nam (ĐSVN) trong những năm qua đã

có những chuyển biến đáng kể về đầu máy cũng nhƣ toa xe, nhằm nâng cao chất

lƣợng chạy tàu cũng nhƣ chất lƣợng phục vụ.

Chuyên ngành Đầu máy toa xe ngày càng trở nên quan trọng hơn nữa, vì

để đáp ứng đƣợc những yêu cầu về phát triển giao thông đƣờng sắt thì đội ngũ

kỹ thuật nắm một vài trò cực kỳ quan trọng. Và để đáp ứng đƣợc tốc độ phát

triển của ngành đƣờng sắt thì phải cần một đội ngũ rất lớn, có trình độ, có những

phẩm chất tốt đẹp, có những đức tính của thế kỷ 21 – thế kỷ của công nghiệp

hoá, hiện đại hoá.

Trên đầu máy cũng nhƣ trên toa xe có rất nhiều bộ phận, các bộ phận này

có mối liên hệ với nhau để giúp cho đầu máy toa xe có thể hoạt động đƣợc. Một

bộ phận không thể thiếu trên cả đầu máy và toa xe đó là: “ giá chuyển hƣớng”.

Giá chuyển hƣớng là bộ phận chạy của đầu máy và toa xe, giúp cho đoàn tàu

thông qua đƣờng cong một cách dễ dàng cũng nhƣ nâng cao tính êm dịu khi tàu

chạy, cũng là bộ phận chịu tác dụng của các lực xung kích, lực hãm, lực

kéo…Trên toa xe hàng, giá chuyển hƣớng khá là đa dạng, với đặc thù là chuyên

chở các loại hàng hoá với khối lƣợng hàng hoá lớn, và thậm trí là hàng hoá siêu

trƣờng siêu trọng, tải trọng tác dụng lên giá chuyển hƣớng là rất lớn vì vậy đòi

hỏi giá chuyển hƣớng phải đƣợc tính toán thiết kế một cách chi tiết và cẩn thận

đảm bảo đủ độ bền trƣớc tải trọng mà má giá phải chịu.

Đồ án: “Kết cấu tính toán Đầu máy toa xe” là một đồ án nằm trong

chƣơng trình đào tạo của chuyên ngành Đầu máy toa xe, đây là một đồ án rất

quan trọng và cần thiết dành cho sinh viên chuyên ngành Đầu máy toa xe. Nó

giúp cho sinh viên biết đƣợc kết cấu cũng nhƣ nguyên lý hoạt động của của bộ

Page 4

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

phận trên đầu máy, toa xe, nắm chắc kiến thức đã đƣợc học, vận dụng những

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

kiến thức đã học vào thực tế làm cho việc học không bị nhàn chán vì lý thuyết

xuông khô khan.

Trên cơ sở đó, đồ án môn học: “Kết cấu tính toán đầu máy toa xe” của

em với đề tài: “Tính toán kiểm nghiệm độ bền của Má Giá toa xe hàng dưới tác

dụng của tải trọng thẳng đứng” sẽ cho chúng ta thấy đƣợc điều kiện làm việc

của Má giá toa xe hàng là rất khắc nghiệt, vì vậy đỏi hỏi khi tính toán thiết kế

Má giá phải nắm chắc kiến thức không chỉ về lý thuyết mà còn cả thực tế, tính

toán cẩn thận để tạo ra đƣợc những loại Má giá có độ tin cậy cao, làm việc ổn

định, lâu dài với chi phí hợp lý.

Vì đây là đồ án chuyên ngành đầu tiên trong chuyên ngành đầu máy toa

xe của em nên khó có thể tránh khỏi những thiếu xót nên mong thầy (cô) trong

bộ môn giúp đỡ em để trong những đồ án sau em sẽ có thêm kinh nghiệm để

tránh vấp phải những thiếu xót và tốt hơn nữa.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy (cô) trong bộ môn: “Đầu máy toa xe”

đã giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án môn học này, đặc biệt là ThS Vũ Văn Hiệp

đã giúp đỡ em một cách tận tình để em có thể hoàn thành tốt và đúng tiến độ đồ

án này.

Em xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, ngày 20/10/2016

Sinh viên thực hiện

Page 5

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Mai Văn Tú

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ GIÁ CHUYỂN HƢỚNG TOA XE HÀNG Ở VIỆT NAM

1.1. Các loại giá chuyển hƣớng toa xe hàng đang đƣợc sử dụng trên

Đƣờng sắt Việt Nam.

1.1.1. Giới thiệu chung

Giá chuyển hƣớng (GCH) là bộ phận chạy của đầu máy và toa xe, giúp

cho đoàn tàu thông qua đƣờng cong một cách dễ dàng cũng nhƣ nâng cao tính

năng êm dịu khi tàu chạy, cũng là bộ phận chịu tác dụng của các lực xung kích,

lực hãm, lực kéo…

Do lịch sử để lại, hiện nay trên đƣờng sắt Việt Nam đàn sử dụng rất nhiều

loại GCH có kết cấu, tính năng động lực khác nhau đƣợc nhập từ nhiều nƣớc

nhƣ Mỹ, Ấn Độ, Bỉ, Rumani, Nga, Trung Quốc,… Tuỳ theo trình độ phát triển

công nghệ, điều kiện kinh tế, xã hội, điều kiện địa lý của mỗi nƣớc mà có quan

điểm thiết kế khác nhau. Mỗi loại có ƣu nhƣợc điểm riêng cũng nhƣ cách bảo

dƣỡng sửa chữa là khác nhau, điều này gây nên những khó khăn cho công tác

vận dụng và công tác chế tạo, sửa chữa.

Hiện nay đƣờng sắt Việt Nam sử dụng khá nhiều loại GCH toa xe hàng

(tổng cộng có khoảng 4212 toa xe hàng khổ đƣờng 1000mm), tuy nhiên phổ

biến hơn cả vẫn là các loại sau:

- GCH toa xe hàng QC, Mi Sơn do Trung Quốc sản xuất.

- GCH toa xe hàng do Ấn Độ sản xuất.

- GCH toa xe hàng do Rumani, Mỹ, Bỉ sản xuất.

- GCH toa xe hàng do Công ty xe lửa Gia Lâm sản xuất gồm: 34B, GL–

GCH-02.

1.1.2. Kết cấu của một số loại GCH toa xe hàng

Page 6

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

a) Kết cấu của GCH toa xe hàng QC do Trung Quốc sản xuất

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Đây là GCH toa xe hàng thép đúc liền, có độ bền tƣơng đối cao, sử dụng

bầu dầu ổ trƣợt, loại này có tính năng động lực không tốt do độ nhún tĩnh nhỏ.

 Cấu tạo:

Hình 1.1: Kết cấu GCH toa xe hàng QC

1: Bánh xe 4: Guốc hãm

2: Má giá 5: Lò xo trung ƣơng

3: Bầu dầu 6: Xà nhún

 Thông số kỹ thuật:

Page 7

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Khoảng cách trục trong một GCH: 1659 (mm)

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Bánh xe thép đúc cán liền: Ф750 x 130 (mm)

Khoảng cách hai tâm bàn trƣợt: 1120 (mm)

Bàn trƣợt: 90 x 92 x180 (mm)

Tải trọng trục: 14 (T/trục)

Tổng độ nhún tĩnh trong một giá chuyển : 23 mm

b) Kết cấu GCH toa xe hàng do Ấn Độ sản xuất

 Cấu tạo:

Page 8

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Hình 1.2: Kết cấu GCH toa xe hàng do Ấn Độ sản xuất

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

1 : Bánh xe 6: Bầu dầu 11 : Khe trƣợt

2 : Má giá 7: Cối chuyển hƣớng

3 : Xà nhún giảm chấn ma sát 8 : Bàn trƣợt dƣới

4: Lò xo trung ƣơng 9: Xà mang guốc hãm

5: Cá hãm, guốc hãm 10: Đế guốc hãm

 Thông số kỹ thuật:

Đây là loại giá chuyển toa xe hàng thép đúc, có độ bền tƣơng đối cao:

σb >500 MPa, đƣợc ram ở nhiệt độ thích hợp cới các thông số nhƣ sau:

Khoảng cách trục trong một GCH: 1700(mm)

Bánh xe thép đúc cán liền: Ф780 x 135 (mm)

Khoảng cách hai tâm bàn trƣợt: 1120(mm)

Hộp trục: bầu dầu ổ bi kim (không có hộp bao)

Sử dụng hệ lò xo trung ƣơng

Tải trọng trục: 13,5 (T/trục)

Độ nhún tĩnh trong một giá chuyển: 45 ÷ 50 (mm)

Qua nhiều năm vận dụng thì GCH Ấn Độ đƣợc đánh giá là giá chuyển

hƣớng có tính năng động lực tốc, độ ổn định cao, độ an toàn cao, ít hỏng hóc,

vận dụng và sửa chữa dễ dàng. Loại GCH này đang đƣợc ngành đƣờng sắt

nghiên cứu thiết kế để thay thế cho các loại GCH hiện tại đã quá lỗi thời và độ

bền kém.

c) GCH toa xe hàng kiểu GL-GCH02 do công ty xe lửa Gia Lâm sản xuất

 Cấu tạo:

1: Bánh xe 6: Đế guốc hãm

2: Má giá 7: Bầu dầu ổ bi

3: Cá hãm, guốc hãm 8: Bàn trƣợt dƣới

4: Xà nhún 9: Xà mang guốc hãm

Page 9

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

5: Hệ lò xo trung ƣơng

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Hình 1.3: Kết cấu GCH toa xe hàng kiểu GL – GCH02

 Các thông số kỹ thuật:

Đây là loại giá chuyển toa xe hàng thép hàn, có độ bền tƣơng đối, chế tạo đơn

giản, các thông số kỹ thuật nhƣ sau:

Khoảng cách trục trong một GCH: 1650 (mm)

Bánh xe thép đúc cán liền: Ф780 x 135 (mm)

Page 10

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Khoảng cách hai tâm bàn trƣợt: 1120 (mm)

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Hộp trục: kết cấu bầu dầu ổ bi kim (không có hộp bao)

Sử dụng hệ lò xo trung ƣơng

Tải trọng trục: 13,5 (T/trục)

Tổng độ nhún tĩnh trong một giá chuyển: 45 ÷ 50 (mm)

1.2. Đánh giá chung các loại GCH toa xe hàng đang sử dụng ở Việt Nam.

Mỗi loại GCH toa xe hàng đang sử dụng ở Việt Nam có kết cấu khác

nhau do đó có những đặc điểm rất khác nhau trong quá trình vận dụng cũng nhƣ

sửa chữa.

Xét về công nghệ chế tạo, trên đƣờng sắt Việt Nam hiện nay đang sử dụng

cả hai loại GCH má thép đúc và má thép hàn. Tuyệt đại bộ phận GCH thép đúc

đƣợc chế tạo ở nƣớc ngoài, GCH chế tạo trong nƣớc trƣớc đây sử dụng công

nghệ hàn tán, GCH thép hàn mới đƣợc chế tạo tại Việt Nam trong những năm

gần đây là GCH toa xe hàng 34B, đƣợc sử dụng cho các toa xe hàng đóng mới

năm 2002

Xét về số lƣợng và thời gian, GCH thép đúc đƣợc sử dụng từ năm 1963

với GCH Rumani, tiếp theo là GCH QC của Trung Quốc…loại này đang chiếm

phần lớn số lƣợng GCH toa xe hàng ở trên đƣờng sắt Việt Nam.

Về cấu tạo, các GCH thép đúc đều đƣợc lắp ghép từ má giá, xà nhún với

một hệ lò xo trung ƣơng. Trong quá trình vận dụng loại này có sức bền và độ an

toàn cao, bảo dƣớng sửa chữa đơn giản.

Về tính năng động lực, theo lý thuyết so với GCH thép đúc, GCH thép

hàn 1 hệ lò xo hộp trục có ƣu điểm nổi bật là giảm đƣợc trọng lƣợng dƣới lò xo,

giảm chấn ma sát hộp trục làm giảm biên độ dao động đứng và ngang, đƣợc

quan tâm sử dụng cho các đoàn tàu chạy với tốc độ >120km/h.

Xu hƣớng phát triển của ngành đƣờng sắt

Trong những năm gần đây, đặc biệt là sau khi chuyển đổi tổ chức Tổng

công ty Đƣờng sắt với sự ra đời của Công ty Vận tải hàng hoá đƣờng sắt, lĩnh

vực vận tải hàng hoá đƣợc chú trọng và đang khởi sắc. Doanh thu ngày càng

Page 11

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

cao, chiếm tỷ trọng tới gần 40% tổng doanh thu vận tải.

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Tháng 02/2004, tấn xếp hàng hoá tăng trƣởng 44,8%, tần km hàng hoá

tăng trƣởng 40,8% so với cùng kỳ năm trƣớc.

Để đảm bảo chất lƣợng cho các toa xe hàng, việc quan tâm đầu tiên là

phải có bộ GCH tốt. Do vậy giá chuyển hƣớng toa xe hàng phải thoả mãn các

yêu cầu sau:

- Có kết cấu tiên tiến, đặc biệt phải có độ bền cao, ao toàn trong vận tải.

- Tốc độ, tải trọng tƣơng thích với điều kiện sử dụng của đƣờng sắt Việt

Nam.

- Cấu tạo đơn giản, các chi tiết đƣợc tiêu chuẩn hoá có tính lắp lẫn cao

thuận lợi trong bảo dƣỡng sửa chữa.

CHƢƠNG 2

LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN TÍNH TOÁN, CƠ SỞ TÍNH TOÁN, KIỂM

NGHIỆM MÁ GIÁ TOA XE HÀNG VIỆT NAM

2.1. Phƣơng án thiết kế

Hiện nay đƣờng sắt Việt Nam sử dụng khoảng 4212 toa xe hàng các loại

khổ đƣờng 1000 mm, với các loại toa xe khác nhau, giá chuyển hƣớng khác

nhau, trong đó toa xe G đƣợc sử dụng nhiều nhất với số lƣợng khoảng 1762

chiếm 41%. Trong các loại toa xe G phổ biến nhất là loại toa xe G – G nhập của

Ấn Độ, đây là loại toa xe có tự nặng nhẹ nhất nhƣng chịu đƣợc tải trọng lớn.

Từ những phân tích ở trên, cũng nhƣ ở chƣơng 1,cũng nhƣ dựa vào ƣu

nhƣợc điểm của các loại GCH toa xe hàng đang sử dụng ở trên đƣờng sắt Việt

Nam, em thấy GCH toa xe hàng G – G do Ấn Độ sản xuất có tính năng ƣu việt,

độ an toàn cao, vận dụng bảo dƣỡng sửa chƣa dê dàng. Vì vậy phƣơng án của

em là về: “Má giá toa xe hàng G – G do Ấn độ sản xuất”.

Má giá là chi tiết trực tiếp nhận lực từ xà nhún truyền xuống, nên nó cũng

là chi tiết chịu lực chính tất cả các loại tải trọng đều có giá trị rất lớn. Vì vậy

Page 12

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

việc thiết kế chi tiết má giá đòi hỏi phải hợp lý về khả năng chịu lực, độ bền

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

cũng nhƣ tính năng động lực của kết cấu.

Hình 2.1: Hình dạng má giá G – G do Ấn Độ sản xuất

2.2. Thông số kết cấu của giá chuyển hƣớng G – G do Ấn Độ sản xuất

- Chiều dài toa xe: 13706 (mm)

- Chiều dài thùng xe: 12800 (mm)

- Chiều rộng thùng xe: 2500 (mm)

- Chiều cao thùng xe: 2600 (mm)

- Tự nặng của toa xe: 18 (tấn)

- Trọng tải: 56 (tấn)

- Khổ đƣờng: 1000 (mm)

- Tải trọng trục: 14 (T/trục)

- Tổng độ nhún tĩnh trong một giá chuyển: 45 ÷ 50 (mm)

- Cự ly trục: 1700 (mm)

- Khoảng cách hai tâm bàn trƣợt: 1120 (mm)

- Khoảng cách giữa 2 vòng lăn bánh xe: 2s = 1054 (mm)

- Sử dụng bầu dầu ổ bi, với thông số ổ bi: Ф100 x Ф250 x60 (mm)

- Đƣờng kính bánh xe: Ф780 (mm)

Má thép đúc, cối chuyển đúc liền với xà nhún, giảm chấn nêm ma sát ở xà

nhún, xà hãm đúc, kiểu rƣợt, một hệ lò xo trung ƣơng.

Thông số lò xo trung ƣơng: 5 tổ lò xo

+ lò xo ngoài: Φ27 x Φ113 x 185 (mm)

Page 13

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

+ lò xo trong : Φ16 x Φ66 x 185 (mm)

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

- Bội suất hãm giá chuyển: 6

- Trọng lƣợng 1 giá chuyển hƣớng: Qgc = 3 (tấn)

- Vật liệu chế tạo: thép có ứng suất bền lớn 550 MPa, ứng suất chảy lớn

hơn 300 MPa.

- Vận tốc tính toán: 80km/h (22,22 m/s)

2.3. Cơ sở tính toán, kiểm nghiệm má giá toa xe hàng

Thứ tự truyền lực trong giá chuyển hƣớng toa xe hàng:

Tải trọng từ thùng xe cối chuyển hƣớng xà nhún lò xo trung

ƣơng má giá bầu dầu cổ trục bánh xe đƣờng sắt. Truyền phản lực

từ đƣờng sắt lên theo thứ tự ngƣợc lại.

Đối với giá chuyển hƣớng toa xe hàng, khi tính toán độ bền cần phải xét

tới các loại tải trọng: tải trọng thẳng đứng tĩnh, tải trọng thẳng đứng động, lực

ngang sƣờn do lực ly tâm và lực gió gây ra, tải trọng gây ra do lực tác dụng giữa

bánh xe và đƣờng ray, lực ngang gây ra do tải trọng ngang sƣờn, tải trọng sinh

ra do lực hãm.

Tuy nhiên khi tính toán độ bền của má giá chịu tải trọng thẳng đứng thì

chỉ xét đến tải trọng thẳng đứng tĩnh Pt, tải trọng thẳng đứng động Pđ, tải trọng

thẳng đứng phụ thêm do lực ngang sƣờn gây ra Pn, lực thẳng đứng sinh ra do

hãm P’. Các tải trọng này có tính đối xứng với cả hai mặt phẳng thẳng đứng dọc

và nằm ngang của bản thân má giá, có thể gộp lại vào bài toán chung. Tuy

nhiên, lực thẳng đứng sinh ra do hãm có khi không xảy ra cùng lúc với một

trong ba tải trọng kia, nên đƣợc xử lý thành một bài toán riêng.

Trong tính toán, trọng lƣợng riêng của má giá gộp vào chung với tải trọng

thẳng đứng tĩnh. Tải trọng tính toán P đặt lên thanh ngang dƣới của má giá,

thông qua cụm lò xo trung ƣơng, tập trung tại một số điểm. Sự phân chia tải

trọng này phụ thuộc vào việc sắp xếp cụ thể của cụm lò xo ở đầu một xà nhún và

tỷ lệ thuận với độ cứng của lò xo đặt tại mỗi điểm.

Page 14

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Do má giá và tải trọng tính toán P đều đối xứng đối với mặt phẳng thẳng

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

đứng dọc mà sơ đồ tính toán của má giá đƣợc tạo thành bởi đƣờng trục tâm hình

của mặt cắt ngang các thanh. Nội lực tại mặt cắt ngang các thanh má giá gồm:

momen uốn trong mặt phẳng má giá, lực cắt và lực kéo nén dọc trục, không có

momen xoắn.

Nhƣ sơ đồ tính toán, má giá gồm có 3 ô kín tạo thành khung cứng

phẳng,là kết cấu siêu tĩnh bậc 9. Xét tới tính chất đối xứng đối với mặt phẳng

thẳng đứng ngang đi qua giữa má giá của kết cấu má giá và tải trọng đặt lên nó,

bậc siêu tĩnh giảm xuống chỉ còn 5.

Tại mặt cắt ngang nằm trên trục đối xứng, lực cắt (ẩn lực phản đối xứng)

không tồn tại.

Trong tính toán chỉ cần xem xét một nửa má giá, trong đó mối liên kết của

nửa má giá đã bỏ đi đối với nửa còn lại đƣợc thay thế bằng các ràng buộc tƣơng

ứng: ngoặc vuông ([ ) – momen uốn, thanh nối – lực dọc trục.

Hình 2.2: Má giá và sơ đồ tính toán má giá

Để xác định nội lực của má giá, thƣờng dùng phƣơng pháp lực; ở đây cần

Page 15

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

lƣu ý, các thanh tạo thành má giá nối kết với nhau trong một vùng rộng lớn và

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

kích thƣớc mặt cắt ngang các thanh tại vùng kết nối là đại lƣợng đáng kể so với

chiều dài của chúng. Qua các công trình nghiên cứu, đặc điểm này của má giá có

thể đƣợc xử lý nhƣ sau:

- Khi lập sơ đồ tính toán, cho rằng trong vùng nối kết (đƣợc vẽ đậm nét ở

sơ đồ tính toán, biểu đồ momen uốn và lực dọc trục giảm nhỏ dần theo quy luật

đƣờng thẳng trên một đoạn dài vừa vặn bằng chiều cao mặt cắt ngang của thanh

đƣợc xét bắt đầu thừ chỗ góc lƣợn của vùng nối kết; biểu đồ lực cắt không cần

vẽ vì vùng nối kết đƣợc coi là tuyệt đối cứng; trên các đoạn thanh nằm giữa hai

vùng nối kết, các biểu đồ nội lực đƣợc vẽ theo cách thông thƣờng.

- Kết cấu cở bản của má giá theo phƣơng pháp lực đƣợc lựa chọn với các

ẩn lực momen uốn X1, X3; lực dọc trục X2, X4; lực cắt X5.

CHƢƠNG 3

TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM ĐỘ BỀN MÁ GIÁ TOA XE HÀNG DƢỚI

TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG THẲNG ĐỨNG

Tải trọng thẳng đứng đặt lên má giá bao gồm: Tải trọng thẳng đứng tĩnh

Pt, tải trọng thẳng đứng động Pđ, tải trọng thẳng đứng phụ thêm do lực ngang

sƣờn gây ra Pn, lực thẳng đứng sinh ra cho hãm P’. Tuy nhiên ta chỉ xét ba lực

đầu tiên, vì lực thẳng đứng sinh ra do hãm P’ có khi không xảy ra cùng một lúc

với ba tải trong kia, nên đƣợc xét thành một bài toán riêng.

3.1. Các lực tác dụng lên má giá toa xe hàng

3.1.1. Tải trọng thẳng đứng tĩnh.

Tải trọng thẳng đứng tĩnh đƣợc xác định theo tải trọng trục cho phép, vì

nhƣ vậy đảm bảo cho giá chuyển hƣớng lắp ráp đƣợc cho các toa xe hàng có

trọng tải khác nhau.

Page 16

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Tải trọng tĩnh đặt lên một má giá đƣợc tính theo công thức:

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

trong đó:

qo – tải trọng trục cho phép: qo = 14 (T/trục);

Q1 – trọng lƣợng của tất cả các chi tiết kể từ chi tiết nằm dƣới sát

má giá:

Q1 = 2,4 (T);

m – số lƣợng má giá trong một giá chuyển: m = 2;

do đó: (kN)

3.1.2. Tải trọng thẳng đứng động

Tải trọng thẳng đứng động đặt vào một má giá đƣợc tính theo công thức:

trong đó:

kd – hệ số tải trọng động thẳng đứng, đƣợc tính theo công thức:

với: a = 0,15 cho phần tử má giá dƣới lò xo của giá chuyển hƣớng

b – hệ số xét tới ảnh hƣởng của số lƣợng trục bánh xe mtr trong

một giá chuyển hƣớng: ;

c và d - hệ số, phụ thuộc vào vận tốc toa xe:

ta có vận tốc của toa xe: v = 22 m/s nên c = 0,00036, d = 0;

v – vận tốc của toa xe, m/s;

ft – tổng độ nhún tĩnh của trang trí lò xo ứng với trọng lƣợng

toàn thể, ft = 0,045 ÷ 0,05 (m), chọn ft = 0,045 (m);

do đó:

=> (kN)

Page 17

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

3.1.3. Tải trọng thẳng đứng phụ thêm do lực ngang sườn gây ra.

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Do ảnh hƣởng của lực ly tâm khi toa xe qua đƣờng cong và lực gió, gọi

chung là lực ngang sƣờn, các má giá ở về một bên toa xe chịu thêm một phần tải

trọng thẳng đứng, các má giá ở bên kia thì ngƣợc lại, đƣợc giảm tải.

Khi bỏ qua biến dạng của lò xo, trị số của tải trọng thẳng đứng phụ thêm

gây ra bởi tải trọng ngang sƣờn, đặt lên má giá đƣợc tính theo công thức:

trong đó:

Hlt – lực ly tâm của phần toa xe ở bên trên chi tiết đƣợc xét, đƣợc tính

theo công thức: , N;

với:

Qo – trọng lƣợng toàn thể của toa xe:

Qo = (56 – 2.3).10 = 500 (kN)

v – vận tốc của toa xe khi vào đƣờng cong,

R – bán kính đƣờng cong, R = 100 (m); g – gia tốc trọng trƣờng, g = 10 m/s2;

hr – độ siêu cao của ray ngoài, với khổ đƣờng 1m,

thì hr = 0,08 (m);

2s – khoảng cách vòng lăn bánh xe, 2s = 1054 (mm);

Tuy nhiên ở đây ta có thể tính toán một cách xấp xỉ, lấy lực ly tâm bằng

7,5% trọng lƣợng toàn thể của toa xe:

Hgi - lực gió đặt lên thùng xe,

trong đó: w – áp suất gió đặt lên thùng xe: w = 500 (N/m2);

lth – chiều dài thùng xe: lth = 12,8 (m);

Page 18

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

hth – chiều cao thùng xe: hth = 2,6 (m);

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE



hlt và hgi – khoảng cách thẳng đứng từ điểm đặt lực Pn tới điểm đặt lực

lần lƣợt của Hlt và Hgi: ta có hlt = 1,72 (m) hgi = 2,125 (m);

3.2. Sự phân bố và điểm đặt của P trên kết cấu cơ bản của má giá

 Tổng tải trọng thẳng đứng:

 Kết cấu cơ bản của má giá:

Hình 3.1: Kết cấu cơ bản của má giá

3.3. Đặc trƣng hình học của kết cấu má giá

Page 19

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Đặc trƣng hình học của các mặt cắt ở đây là: Jz, F trên sơ đồ ta thấy các

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

mặt cắt (I, II, III); (VI, VII); (VIII, VIIIa); (IX, X) đều có đặc trƣng hình học

giống nhau.

3.3.1. Đặc trưng hình học của mặt cắt I, II, III (thanh 1)

Hình 3.2: Đặc trƣng hình học của mặt cắt I, II, III

F1 = 76.220 = 16720 (mm2) = 0,01672 (m2)

3.3.2. Đặc trưng hình học của mặt cắt VIII và VIIIa (thanh 5)

Page 20

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Hình 3.3: Đặc trƣng hình học của mặt cắt VIII, VIIIa

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

F5 = 8400 (mm2) = 0,0084 (m2)

3.3.3. Đặc trưng hình học của mặt cắt IX và X (thanh 2)

Hình 3.4: Đặc trƣng hình học của mặt cắt IX, X

Ta quy về dạng đơn giản nhƣ sau:

Page 21

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Hình 3.5: Đặc trƣng hình học của mặt cắt IX, X dạng đơn giản

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

F2 = 160.18 + 2.18.42 = 4392 (mm2) ≈ 0,0044 (m2)

3.3.4. Đăc trưng hình học của các mặt cắt IV và V (thanh 3)

Hình 3.6: Đặc trƣng hình học của mặt cắt IV, V

Ta quy về hình đơn giản: (hình 3.7)

Page 22

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

F3 = 14.1,8 + 2.7,2.1,8 = 51,12 (cm2) = 0,00512 (m2)

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Hình 3.7: Đặc trƣng hình học của mặt cắt IV, V dạng đơn giản

3.3.5. Đặc trưng hình học của mặt cắt VI và VII (thanh 4)

Đặc trƣng hình học của mặt cắt VI và VII giống với đặc trung hình học

của mặt cắt IV và V cho nên:

F4 = 0,00512 (m2)

Jz4 = 0,12.10-4 (m4)

3.4. Biểu đồ momen do các lực X1, X2, X3, X4, X5 gây ra

3.4.1. Biểu đồ momen uốn do lực X1 = 1 gây ra

Ta có: h1 = 0,076 (m)

l1 = 0,18 (m)

h2 = 0,06 (m)

l1 = 0,14 (m)

h5 = 0,07 (m)

Page 23

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

l5 = 0,18 (m)

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Hình 3.8: Biểu đồ momen uốn do lực X1 = 1 gây ra

3.4.2. Biểu đồ momen do lực X2 = 1 gây ra

Page 24

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Hình 3.9: Biểu đồ momen uốn do lực X2 = 1 gây ra

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Ta có: a0 = 0,488 (m)

a1 = 0,16 (m)

a2 = l2 + a1 = 0,3 (m)

3.4.3. Biểu đồ momen do lực X3 = 1 gây ra

Hình 3.10: Biểu đồ momen do lực X3 = 1 gây ra

Ta có: h3 = 0,09 (m)

l3 = 0,256 (m)

h4 = 0,09 (m)

l4 = 0,2 (m)

3.4.4. Biểu đồ momen do lực X4 = 1 gây ra

Ta có: n = 0,16 (m)

m = 0,296 (m)

f = 0,36 (m)

Page 25

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

e = 0,188 (m)

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Hình 3.11: Biểu đồ momen do lực X4 = 1 gây ra

3.4.5. Biểu đồ momen do lực X5 = 1 gây ra

Page 26

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Hình 3.12: Biểu đồ momen do lực X5 = 1 gây ra

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Ta có: a3 = 0,172 (m) a4 = 0,196 (m) a5 = 0,212 (m)

3.4.6. Biểu đồ momen do tải trọng P gây ra

Hình 3.13: Biểu đồ momen do tải trọng P gây ra

Ta có: l6 = 0,092 (m) t = 0,64 (m)

l7 = 0,088 (m) r = 0,42 (m)

s = 0,252 (m) lgc = 0,85 (m)

góc β = 370 α = 40

3.5. Xây dựng và giải hệ phƣơng trình chính tắc

Hệ phƣơng trình chính tắc có dạng:

Page 27

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Xác định các hệ số δij và các số hạng tự do Δip, ta chỉ xét biến dạng uốn

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

cong và kéo nén, bỏ qua ảnh hƣởng của biến dạng cắt vì ảnh hƣởng của nó là rất

nhỏ.

Với:

- momen uốn trong kết cấu cơ bản lần lƣợt gây ra bởi các ẩn lực

đơn vị ;

- lực dọc trục trong kết cấu cơ bản lần lƣợt gây ra bởi các ẩn lực

đơn vị ;

MP – nội lực trong kết cấu cơ bản do tải trọng P gây ra;

EJz, EF – là độ cứng của mặt cắt ngang các thanh làn lƣợt khi chịu uốn và

Page 28

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

chịu kéo nén, (trục z có phƣơng vuông góc với mặt phẳng giá).

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Tƣơng tƣ ta tính ra các giá trị còn lại nhƣ sau:

Page 29

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Do đó ta có hệ phƣơng trình sau:

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Chia 2 vế của hệ phƣơng trình cho 104/E ta đƣợc hệ nhƣ sau:

(I)

Giải hệ phƣơng trình (I) theo phƣơng pháp Gauss ta đƣợc các nghiệm nhƣ sau:

3.6. Kiểm nghiệm điều kiện bền

Sử dụng phƣơng pháp nhân biểu đồ ta vẽ đƣợc biểu đồ momen tổng hợp

do các lực đơn vị gây ra (hình 3.14)

Ứng suất lớn nhất do tải trọng thẳng đứng gây ra trong các thanh của má

giá đƣợc xác định theo công thức:

Ứng suất pháp:

Page 30

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Ứng suất tiếp:

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

trong đó:

F – diện tích bề mặt cắt ngang của thanh;

Jz và Wz – momen quán tính và momen chống uốn của mặt cắt ngang đối

với trục trung hoà z;

Sz – momen tĩnh của phần cắt ngang chứa điểm đƣợc xét đối với trục

trung hoà z;

δ - chiều dày của thanh tại điểm đƣợc xét:

Page 31

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Hình 3.14: Biểu đồ momen tổng hợp gây ra

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Ứng suất

tƣơng Momen Lực Momen Chiều Ứng suất Ứng suất đƣơng Lực cắt dọc dày δ quán tính Jz Mặt cắt W (m3) F (m2) S (m3) tiếp (τ) M pháp (σ) (σtđ) Q (kN) (kN/m2) (kN.m) N (kN) (m4) (m) (kN/m2) (LTB3)

(kN/m2)

I – I 9,3618 31,61 0 0,00021 0,0167 0,000192 0,000084 0,03 46472,814 0 46472,814

II – II 6,249 31,61 -20,0543 0,00021 0,0167 0,00048 0,000084 0,03 31649,957 -38,199 31650,026

III – III 2,379 31,61 -20,0543 0,00021 0,0167 0,00048 0,000084 0,03 13221,386 -38,199 13221,551

IV – IV 2,048 2,284 15,888 0,00109 0,034 0,000204 0,00012 0,024 1946,076 184,571 1972,159

V – V 5,739 2,284 15,887 0,00109 0,034 0,00048 0,00012 0,03 5332,314 304,533 5358,339

Page 32

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

VI – VI 2,405 -17,789 -17,904 0,00109 0,034 0,00048 0,00012 0,03 1683,216 -2387,2 4464,234

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

VII-VII 6,295 -17,789 -17,904 0,00109 0,034 0,00048 0,00012 0,03 5252,023 -2387,2 6684,303

VIII-VIII 1,502 -29,99 0,004894 0,0084 0,00048 0,0000343 0,03 -3263,332 3263,332 0 0

VIIIa-VIIIa 1,7298 -29,99 0,001323 0,0084 0,00048 0,0000343 0,03 -2262,755 2262,755 0 0

IX – IX 3,196 13,412 0,001323 0,0051 0,000204 0,0000119 0,024 2415,722 9580 16767,973 0

X - X -7,823 13,412 0,001323 0,0051 0,000204 0,0000119 0,024 -5913,076 9580 17615,155 0

Page 33

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

Bảng 3.1: Thông số kiểm nghiệm bền má giá toa xe hàng

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

Ta có ứng suất cho phép là: [σ] = 620 MN/m2 = 620000 kN/m2

Các giá trị ứng suất tƣơng đƣơng ở trên đƣợc tính theo lý thuyết bền số 3.

Nhìn vào bảng ứng suất ta thấy tại các mặt cắt nguy hiểm giá trị ứng suất

luôn luôn nhỏ hơn giá trị ứng suất cho phép, vì vậy má giá luôn đảm bảo điều

Page 34

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

kiện bền dƣới tác dụng của tải trọng thẳng đứng.

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

KẾT LUẬN

Má giá là một chi tiết trong giá chuyển hƣớng chịu tác động rất lớn của tải

trọng, trong mọi điều kiện vận hành, trong mọi loại tải trọng.

Má giá toa xe hàng G – G là một loại má giá có độ bền cao, tuổi thọ lâu

dài, kết cấu đơn giản, dễ dàng trong việc vận dụng, bảo dƣỡng và sửa chữa. Vì

vậy trong tƣơng lai chúng ta nên ƣu tiên sử dụng và thiết kế các loại má giá theo

Page 35

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

kiểu má giá loại này.

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐẦU MÁY TOA XE

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Kết Cấu Tính Toán Toa Xe – Dƣơng Hồng Thái, Lê Văn Doanh, Lê

Văn Hoc ; NXB GTVT – 1997

[2] Cấu Tạo Và Tính Toán Đầu Máy Diesel – Nguyễn Hữu Dũng; NXB

Page 36

MAI VĂN TÚ – 64DCDM01

GTVT - 2005