Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên đường sắt Việt Nam

I

I

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o

Tr−êng ®¹i häc giao th«ng vËn t¶i

----------------

Ph¹m Lª TiÕn

Nghiªn cøu ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái vµ tuæi

thä mái cña khung gi¸ chuyÓn h−íng vµ

trôc b¸nh xe ®Çu m¸y D19E vËn dông trªn

®−êng s¾t ViÖt Nam

Chuyªn ngµnh: Khai th¸c b¶o tr× ®Çu m¸y xe löa, toa xe

M· sè: 62.52.44.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hµ Néi - 2011

- II -

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o

Tr−êng ®¹i häc giao th«ng vËn t¶i

----------------

Ph¹m Lª TiÕn

Nghiªn cøu ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái vµ tuæi

thä mái cña khung gi¸ chuyÓn h−íng vµ

trôc b¸nh xe ®Çu m¸y D19E vËn dông trªn

®−êng s¾t ViÖt Nam

Chuyªn ngµnh: Khai th¸c b¶o tr× ®Çu m¸y xe löa, toa xe

M· sè: 62.52.44.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS. TS. §ç §øc TuÊn

2. PGS. TS. Ng« V¨n QuyÕt

Hµ Néi - 2010

- III -

Lêi cam ®oan

T«I xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i.

C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nghiªn cøu nªu trong luËn ¸n lµ trung

thùc vµ ch−a tõng ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c.

T¸c gi¶ luËn ¸n

Ph¹m Lª TiÕn

- IV -

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi

điều kiện giúp đỡ: Khoa Cơ khí; phòng Đào tạo Sau đại học; phòng Khoa học; Bộ

môn Đầu máy toa xe; phòng thí nghiệm VILAS 047-Trung tâm Khoa học công

nghệ Trường Đại học Giao thông vận tải; Phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu￾Trường Đại học giao thông vận tải; Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu COMFA￾Viện Khoa học vật liệu; Phòng thí nghiệm vật liệu tính năng kỹ thuật cao-Viện Cơ

khí năng lượng và mỏ; Ban khoa học công nghệ, Ban đầu máy toa xe, Xí nghiệp

đầu máy Hà Nội-Tổng công ty đường sắt Việt Nam; Viện Cơ học Việt Nam; Học

Viện Kỹ thuật Quân sự.

Tác giả vô cùng cảm ơn GS.TS Đỗ Đức Tuấn, PGS.TS Ngô Văn Quyết,

những người Thầy đã định hướng, và gửi lời cảm ơn đến GS.TSKT Phạm Văn

Lang, ThS. Nguyễn Ngọc Viên, TS. Lương Xuân Bính, đã cung cấp các tài liệu

quý báu trong quá trình thực hiện Luận án. Cảm ơn các thầy, cô giáo Bộ môn Đầu

máy toa xe, Khoa cơ khí, Trường đại học giao thông vận tải.

Trong quá trình làm tác giả đã có trao đổi và gửi cảm ơn tới NCS. Trần Viết

Bản, ThS. Trần Văn Khanh, ThS. Nguyễn Trung Kiên và nhiều người bạn nữa đã

nhiệt tình cung cấp các tài liệu quý báu.

Hà nội, tháng 7 năm 2011

Phạm Lê Tiến

- V -

MỤC LỤC

Lời nói đầu...................................................................................................... 1

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ............................................... 3

1.1. Khái niệm về cơ học phá huỷ.....................................................................................................3

1.1.1. Khái niệm về độ bền cơ học phá huỷ.....................................................................................3

1.1.2. Ứng dụng của cơ học phá huỷ trong kỹ thuật.....................................................................4

1.1.3. Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi ........................................................................5

1.1.4. Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi ......................................................................................................6

1.2 Bản chất sự phá huỷ mỏi ..............................................................................................................7

1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá......................................................11

1.4. Tổng quan về đầu máy diezel truyền động điện D19E vận dụng trên

đường sắt Việt nam .......................................................................................................................15

1.4.1. Khái niệm về đầu máy D19E ....................................................................................................15

1.4.2. Tình hình vận dụng ĐM D19E đang sử dụng trên ĐSVN ..........................................16

1.5 Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở trong và ngoài nước .............................................18

1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở ngoài nước .........................................................................18

1.5.2. Tình hình nghiên cứu vấn đề ở trong nước ........................................................................21

1.6. Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài.....................26

1.7 Kết luận chương 1 ............................................................................................................................28

Chương 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi

khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy..................30

2.1. Sự lan truyền vết nứt mỏi ...........................................................................................................30

2.1.1 Cơ học phá huỷ đối với vết nứt mỏi.........................................................................................30

2.1.2 Đặc điểm của vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt ........................................................................32

2.1.3 Tốc độ phát triển vết nứt mỏi......................................................................................................33

2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi..................................................................................36

2.2.1. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối ....................................................36

2.2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối .....................................38

2.3. Đề xuất một dạng phương trình lan truyền vết nứt có kể tới tần số

tải trọng đối với KGCH đầu máy D19E .............................................................................39

2.3.1 Những nhận xét ................................................................................................................................40

2.3.2. Cơ sở lý thuyết ...............................................................................................................................41

2.3.3. Những giả thiết ...............................................................................................................................42

2.3.4. Phương pháp xây dựng ..............................................................................................................42

2.4. Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn ...................................................................44

- VI -

2.4.1. Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải ổn định ..............................44

2.4.2. Tính độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải không ổn định ..........................46

2.5. Dự báo tuổi thọ mỏi .......................................................................................................................46

2.5.1. Khái niệm cơ bản về tuổi thọ mỏi ..........................................................................................46

2.5.2. Các phương pháp ước lượng sức sống các bộ phận khi đặt tải không ổn định.. 47

2.6. Kết luận chương 2 ...........................................................................................................................48

Chương 3: Nghiên cứu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học,

đặc trưng mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hướng và

trục bánh xe đầu máy D19E ..................................................... 49

3.1. Phân tích thành phần kim loại, xác định mác .................................................................49

3.1.1. Phân tích vật liệu trục bánh xe đầu máy D19E..................................................................49

3.1.2. Phân tích vật liệu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E .......................................50

3.2. Xác định tiêu chuẩn thử nghiệm .............................................................................................51

3.2.1. Tiêu chuẩn thử nghiệm xác định giới hạn mỏi .................................................................51

3.2.2. Tiêu chuẩn thử nghiệm tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ ......................51

3.3. Chế tạo các mẫu vật liệu thử nghiệm ...................................................................................54

3.3.1. Chuẩn bị phôi của mẫu vật liệu thử nghiệm .....................................................................54

3.3.2. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học ..............................................55

3.3.3. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định giới hạn mỏi ..............................................................55

3.3.4. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai

phá huỷ ...............................................................................................................................................56

3.4 Thiết bị thử nghiệm……………………………………………….......…………....................……57

3.4.1. Thiết bị thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của mẫu .............................................57

3.4.2. Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi ........................................................................58

3.4.3. Thiết bị thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ ..............59

3.5. Thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của mẫu thử nghiệm:

giới hạn chảy, giới hạn bền, môđun đàn hồi và hệ số biến dạng ...........................61

3.6. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi ........................................................................................63

3.6.1. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu KGCH ...............................................63

3.6.2. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu TBX ...................................................66

3.7. Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ ...................69

3.7.1. Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của

mẫu vật liệu KGCH ......................................................................................................................69

3.7.2. Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của

mẫu vật liệu TBX ............................................................................................................................74

3.8. Kết luận chương 3 ............................................................................................................................77

- VII -

Chương 4: Tính toán độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi khung giá

chuyển hướng và trục bánh xe của đầu máy D19E....................78

4.1. Đặc điểm kết cấu của KGCH và TBX đầu máy diezel D19E ................................78

4.1.1. Giới thiệu tổng thể đầu máy D19E kiểu CKD7F ..............................................................78

4.1.2. Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E .....................................................................................80

4.1.3. Kết cấu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E ...........................................................81

4.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền khung giá chuyển hướng

và trục bánh xe đầu máy D19E ..............................................................................................82

4.2.1. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền KGCH đầu máy D19E ............................82

4.2.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền TBX đầu máy D19E .................................87

4.3. Tính toán độ bền mỏi theo lý thuyết cơ học phá huỷ .................................................92

4.3.1. Tính độ bền mỏi mỏi theo lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi ...................................92

4.3.2. Tính toán độ bền mỏi theo ngưỡng phát triển vết nứt mỏi .......................................125

4.4. Dự báo tuổi thọ mỏi KGCH đầu máy D19E ..................................................................133

4.5. Một số biện pháp nâng cao độ bền mỏi cho KGCH ...................................................136

4.5.1. Giảm mức độ ứng suất tập trung cục bộ của kết cấu KGCH ...................................137

4.5.2. Tránh vận dụng đầu máy khi chịu tải với tần số nhỏ bất lợi ....................................139

4.6. Kết luận chương 4 .........................................................................................................................139

Kết luận chung ............................................................................................. 143

- VIII -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

a0 - chiều dài vết nứt ban đầu.

a - chiều dài vết nứt ứng với số chu trình ứng suất N.

ath - giá trị tới hạn của chiều dài vết nứt.

aσ, aτ

- tuổi thọ tương đối cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp.

att - chiều dài vết nứt thực tế.

a’,b’ - những hằng số mới của vật liệu làm chi tiết.

A và B - các hằng số của vật liệu làm khung giá chuyển hướng, trong phương trình lan

truyền vết nứt mỏi được đề xuất có xét tới tần số tải trọng.

C, n - các hệ số phụ thuộc vật liệu chế tạo chi tiết trong phương trình của Paris.

da/dN - tốc độ lan truyền vết nứt trong một chu trình ứng suất.

E - môđun đàn hồi.

g, h, ω - các chuyển vị thành phần tương ứng với ba dạng tải sinh ra biến dạng .

G - građien tuyệt đối của ứng suất lớn nhất.

G - građien tương đối của ứng suất lớn nhất.

Gmu , Gmx - građien tương đối ứng suất lớn nhất của mẫu khi uốn và xoắn.

Gctu , Gctx - građien tương đối ứng suất lớn nhất của chi tiết khi uốn và xoắn.

KI

- hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I.

KIi - hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I thứ i.

Kth - giá trị tới hạn của hệ số cường độ ứng suất.

KIC - độ dai phá hủy của vật liệu.

KIC KGCH , KIC TBX - độ dai phá hủy của vật liệu làm KGCH và TBX đầu máy D19E.

KImax - giá trị lớn nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I.

KImin - giá trị nhỏ nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I.

∆K - số gia hệ số cường độ ứng suất ở đầu vết nứt.

∆Kth - ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-7

.

(∆K)th

*

- ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-8

Kđ - hệ số tải trọng động.

Kr - hệ số cường độ các ứng suất dư.

Km - hệ số cường độ các ứng suất tại thời điểm mở vết nứt.

k1 - hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu.

k2 - hệ số tính tới nội ứng suất.

kσ và kτ - hệ số tập trung ứng suất pháp và ứng suất tiếp thực tế.

L - tuổi thọ (số giờ, km) của chi tiết thuộc bộ phận chạy của đầu máy.

ni - tổng số chu ký ứng suất của σi

(hoặc τi).

Ni - số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn chế

σ i

- IX -

No - số chu trình ứng suất cơ sở.

mσ, mτ - số mũ của đường cong mỏi Wohler cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp.

MX.K, MX.H - Mô men xoắn tác dụng lên trục bánh xe khi đầu máy làm việc ở chế độ kéo và hãm.

Pđm - tổng trọng lượng đầu máy.

p, q - các hằng số đặc trưng cho sự chống mỏi của vật liệu trong phương trình đường cong mỏi

R - hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất.

Smax - ứng suất lớn nhất tại “ khâu yếu nhất “ trong chi tiết sẽ gây ra sự phá huỷ ở xác suất P%

Sgh - giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N0.

tb - khoảng thời gian, km tác động của một blốc ứng suất, tính theo các khu gian đặc

trưng cho các trạng thái vận hành đầu máy.

up (zp) - phân vị với xác suất phá huỷ P%.

u, σ0 , m - các thông số phân bố khởi thuỷ của Veibull trong phương trình đồng dạng phá hủy mỏi

Wm - chiều rộng mẫu thử nghiệm xác định da/dN và KIC .

Wmu, Wctu - mômen chống uốn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết.

Wmx, Wctx - mômen chống xoắn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết.

w - Kích thước vùng biến dạng dẻo.

V - vận tốc của đầu máy.

fi - tần số tải trọng thứ i.

f0 - tần số tải trọng nhỏ nhất.

ft

- độ nhún tĩnh của hệ thống lò xo giá chuyển.

f(g) - tham số không thứ nguyên, hoặc là hệ sô' hình học của kết cấu có vết nứt.

FK.đm, FH.đm - Lực kéo khởi động lớn nhất, lực hãm lớn nhất của đầu máy.

FK.tk, FH.tk - lực kéo, hãm tác dụng lên một vị trí thanh kéo bầu dầu trên KGCH

FK.TBX, FH.TBX - Lực kéo, hãm tác dụng lên một trục bánh xe.

YP - áp lực ngang của KGCH lên một TBX khi đầu máy đi vào đường cong.

ss

- độ lệch bình phương trung bình của đại lượng ngẫu nhiên lg(σmax - u).

sσ, sτ - hệ số an toàn mỏi ứng suất phápvà ứng suất tiếp.

s - hệ số an toàn mỏi toàn phần.

ασ ; ατ - hệ số tập trung ứng suất lý thuyết.

β - hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công.

εσ và ετ- hệ số ảnh hưởng kích thước của chi tiết.

ε∞ - hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của chi tiết.

ϕK - hệ số ma sát giữa quốc hãm bánh xe.

φσ - hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng.

µ - hệ số Poisson.

Π - được gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên.

- X -

Πu, Πx - chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi khi chi tiết bị uốn, bị xoắn.

λ - số blốc (khối) tải trọng tác động trong phổ tải.

vσ - hệ số đặc trưng mới các cơ tính vật liệu, đối với sự tập trung ứng suất cả yếu tố tỷ lệ.

σmax - ứng suất lớn nhất ở một điểm nào đó của phân tố đang khảo sát của chi tiết.

σc - giới hạn chảy.

σb - giới hạn bền.

σt

- ứng suất tĩnh.

σR - giới hạn mỏi của vật liệu với hệ số chu trình ứng xuất R.

σN - ứng suất ứng với số chu trình N.

σ-1ct - giới hạn mỏi của chi tiết.

σ0 - giới hạn bền mỏi các mẫu thí nghiệm với chu trình mạch động.

σ −1k

- giới hạn mỏi uốn thuần tuý, chu trình đối xứng, có xét tới hệ số tập trung ứng suất.

σ-1KGCH, τ-1KGCH - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của KGCH đầu máy D19E.

σ-1TBX, τ-1TBX - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của trục bánh xe đầu máy D19E.

σ −1

và

−1

τ - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn.

σ −1;τ −1 - giới hạn mỏi trung bình của mẫu vật liệu khi chịu uốn và xoắn.

σ m

và m

τ

-

- ứng suất pháp và ứng suất tiếp trung bình.

σ a

và a

τ - ứng suất pháp và ứng suất tiếp biên độ.

σe

, τe

- ứng suất pháp và ứng suất tiếp tương đương.

ξ - thông số của phương trình đồng dạng phá hủy mỏi tuyệt đối.

ψσ , ψτ

, ψτ σ và ψστ - hệ số ảnh hưởng sự bất cân đối đến biên độ giới hạn của vật liệu.

ψ b

- hệ số bám giữa mặt lăn bánh xe và ray.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1. KGCH: Khung giá chuyển hướng.

2. TBX: Trục bánh xe.

3. TĐĐ: Truyền động điện.

4. ĐCĐK: Động cơ điện kéo.

5. ĐSVN: Đường sắt Việt Nam.

6. HSCĐUS: Hệ số cường độ ứng suất.

7. HSATM: Hệ số an toàn mỏi.

8. GHBM: Giới hạn bền mỏi.

- XI -

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG BIỂU

HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ: Trang

Hình 1.1. Sự định hướng các mầm tinh thể so với các lực tác động 8

Hình 1.2. Sự xuất hiện các vết nứt mỏi 8

Hình 1.3. Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902 17

Hình 1.4. Vết nứt trên tấm cạnh ngoài và tấm đáy của xà dọc KGCH số 907 18

Hình 1.5. Giản đồ Haigh 19

Hình 1.6. Sơ đồ vị trí các điểm đo kiểm tra trên KGCH đầu máy D19E – 903 23

Hình 1.7. Biểu đồ Goodman - Gerber 24

Hình 1.8. Biểu đồ Kuay 24

Hình 2.1. Hệ toạ độ và các thành phần ứng suất của trường ứng suất ở đầu vết nứt 30

Hình 2.2. Vùng đàn - dẻo tại đầu vết nứt mỏi 32

Hình 2.3. Vùng dẻo ở đầu vết nứt khi chịu tải chu kỳ 33

Hình 2.4. Đuờng cong da/dN-∆K trong hệ tọa độ đối số 35

Hình 2.5. Tuổi thọ mỏi của kết cấu 47

Hình 3.1. Các vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu TBX đầu máy D19E 49

Hình 3.2. Vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu KGCH Đầu máy D19E 50

Hình 3.3. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm đặc trưng cơ học. 55

Hình 3.4. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm mỏi 55

Hình 3.5. Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu KGCH 56

Hình 3.6. Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu TBX 56

Hình 3.7. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt

và độ dai phá huỷ 57

Hình 3.8. Hình dạng mẫu thử đặc trưng mỏi vật liệu 57

Hình 3.9. Thiết bị thử cơ tính vật liệu thử nghiệm 58

Hình 3.10. Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi 58

Hình 3.11. Thiết bị thử mỏi, độ dai phá huỷ INTON 8801 60

Hình 3.12. Hình dạng mẫu thử cơ tính vật liệu 61

Hình 3.13. Kết quả thử nghiệm cơ tính vật liệu thép 12Mn 62

Hình 3.14. Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các

mẫu vật liệu KGCH ở mức ứng suất 1 65

Hình 3.15. Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các

mẫu vật liệu TBX ở mức ứng suất 1 68

Hình 3.16. Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu KGCH 70

Hình 3.17. Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu KGCH 70

Hình 3.18. Các thông số điều chỉnh viêc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH 71

- XII -

Hình 3.19. Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu KGCH 71

Hình 3.20. Kết quả thí nghiệm da/dN của mẫu vật liệu KGCH 72

Hình 3.21. Thí nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH 72

Hình 3.22. Mẫu sau khi thử đặc trưng mỏi vật liệu KGCH 72

Hình 3.23. Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu KGCH 73

Hình 3.24. Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu KGCH sau khi thử nghiệm 73

Hình 3.25. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu KGCH 73

Hình 3.26. Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu TBX 74

Hình 3.27. Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu TBX 75

Hình 3.28 Các thông số điều chỉnh việc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu TBX 75

Hình 3.29. Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu TBX 75

Hình 3.30. Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu TBX 76

Hình 3.31. Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu TBX sau khi thử nghiệm 76

Hình 3.32. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu TBX 76

Hình 4.1. Hình tổng thể đầu máy D19E 79

Hình 4.2. Hình tổng thể giá chuyển hướng đầu máy D19E 80

Hình 4.3. Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E 81

Hình 4.4. Kết cấu khung giá đầu máy D19E 82

Hình 4.5. Các lực tác dụng lên khung giá chuyển hướng đầu máy 84

Hình 4.6. Các lực tác dụng lên KGCH với tổ hợp 1 85

Hình 4.7. Kết quả tính toán lý thuyết KGCH với tổ hợp 1 86

Hình 4.8. Các lực tác dụng trên TBX 90

Hình 4.9. Các lực tác dụng lên TBX với tổ hợp 1 91

Hình 4.10. Kết quả tính toán lý thuyết TBX với tổ hợp 1 92

Hình 4.11. Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện tròn 94

Hình 4.12. Sơ đồ trục bậc đặc tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết 96

Hình 4.13. Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện hình hộp rỗng 97

Hình 4.14. Mặt cắt D – D trên xà dọc của KGCH 98

Hình 4.15. Sơ đồ trục bậc rỗng tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết 99

Hình 4.16. Sơ đồ khối tính toán ξTBX = f(P), f (P) σ −1TBX ;τ −1TBX = , sTBX = f(P) 107

Hình 4.17. Kết quả tính ξTBX = f(P); f (P) σ −1TBX ;τ −1TBX = ; sTBX = f(P) của mặt

cắt I của TBX đầu máy D19E 108

Hình 4.18. Sơ đồ khối tính toán ξKGCH = f(P) và f (P) σ −1KGCH ;τ −1KGCH = 110

Hình 4.19. Sơ đồ khối tính toán sKGCH = f(P) 111

Hình 4.20. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); f (P) σ −1KGCH ;τ −1KGCH = ; sKGCH = f(P)

của điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét 113

- XIII -

Hình 4.21. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); f (P) σ −1KGCH ;τ −1KGCH = ; sKGCH = f(P) của

điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc 115

Hình 4.22.Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); f (P) σ −1KGCH ;τ −1KGCH = ; sKGCH = f(P) của

điểm P9, KGCH đầu máy D19E theo kết quả tính toán lý thuyết 115

Hình 4.23. Sơ đồ khối tính toán Πu , Πx , f (P) σ −1TBX ;τ −1TBX = và sTBX = f(P) 117

Hình 4.24. Kết quả tính toán Πu; Πx; f (P) σ −1TBX ;τ −1TBX = ; sTBX = f(P) của mặt cắt I

của TBX đầu máy D19E 119

Hình 4.25. Sơ đồ khối Tính Πu , Πx , f (P) σ −1KGCH ;τ −1KGCH = và sKGCH = f(P) 120

Hình 4.26. Kết quả tính toán Πu ; Πx; f (P) σ −1KGCH ;τ −1KGCH = ; sKGCH = f(P) của

điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét. 122

Hình 4.27. Kết quả tính toán Πu ; Πx; f (P) σ −1KGCH ;τ −1KGCH = ; sKGCH = f(P) của

điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc 123

Hình 4.28. Kết quả tính toán Πu ; Πx; f (P) σ −1KGCH ;τ −1KGCH = ; sKGCH = f(P) của

điểm P9 trên KGCH theo lý thuyết 124

Hình 4.29. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); f (P) σ −1KGCH ;τ −1KGCH = ; sKGCH = f(P) của

điểm A9 KGCH đầu máy D19E đợt nhập thứ 3 vượt đèo Khe Nét 124

Hình 4.30. Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu KGCH 126

Hình 4.31. Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu TBX 132

Hình 4.32. Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K), xác định các hệ số của

vật liệu làm KGCH trong phương trình lan truyền vết nứt mỏi 134

BẢNG BIỂU:

Bảng 1.1. Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc 21

Bảng 1.2 Các số liệu thống kê ứng suất đo được của Viện Cơ học khi đầu máy

D19E 903 vượt đèo Khe Nét. 23

Bảng 3.1. Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu TBX đầu máy D19E 49

Bảng 3.2. Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu KGCH đầu máy D19E 50

Bảng 3.3. Thầnh phần các nguyên tố hoá học cơ bản của vật liệu đế đỡ giảm

chấn trên KGCH đầu máy D19E 54

Bảng 3.4. Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 12Mn 61

Bảng 3.5. Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 55 62

Bảng 3.6. Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu KGCH 64

Bảng 3.7. Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu KGCH đầu máy

D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi 65

Bảng 3.8. Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu TBX 67

Bảng 3.9. Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu TBX đầu máy

D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi 68

- XIV -

Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của vật liệu làm KGCH 74

Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC vật liệu làm TBX 77

Bảng 4.1. Các lực tác dụng trên KGCH với tổ hợp 1 84

Bảng 4.2. Các lực tác dụng trên KGCH với tổ hợp 2 85

Bảng 4.3. Giá trị ứng suất tại các điểm trên KGCH đầu máy 903 86

Bảng 4.4. Giá trị ứng suất tại các điểm trên KGCH đầu máy 907 86

Bảng 4.5. Các lực tác dụng trên TBX với tổ hợp 1 90

Bảng 4.6. Các lực tác dụng trên TBX với tổ hợp 2 91

Bảng 4.7. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt của TBX 92

Bảng 4.8. Phân vị ứng với xác suất phá huỷ 103

Bảng 4.9. Kết quả tính toán ξTBX = f(P); f (P) σ −1TBX ;τ −1TBX = ; sTBX = f(P) của

các mặt cắt của TBX đầu máy D19E 109

Bảng 4.10. Các giá trị ứng suất ở các điểm trên KGCH khi vượt đèo Khe Nét 112

Bảng 4.11. Thống kê các mức đỉnh biến dạng động của các điểm trên KGCH 113

Bảng 4.12. Kết quả tính sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt

đèo Khe Nét 113

Bảng 4.13. Xác suất phá hủy tại các điểm trên KGCH có giá trị ứng suất lớn hơn

GHBM và HSATM nhỏ hơn giá trị cho phép khi vượt đèo Khe Nét 114

Bảng 4.14. Các mức giá trị ứng suất của điểm 34 trên KGCH 114

Bảng 4.15. Kết quả tính toán sTBX = f(P) của các mặt cắt TBX đầu máy D19E 119

Bảng 4.16. Kết quả tính toán sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt

đèo Khe Nét 122

Bảng 4.17. Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu KGCH 125

Bảng 4.18. Chiều dài vết nứt trên KGCH khi tàu chạy vượt đèo Khe Nét 128

Bảng 4.19. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th

*

tại các điểm trên KGCH

khi tàu chạy từ ga Kim Liên lên Trạm Đỉnh Đèo 129

Bảng 4.20. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th

*

tại điểm 34 trên KGCH

tính theo kết quả đo được của Trung Quốc 130

Bảng 4.21. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th

*

tại các điểm trên KGCH

theo kết quả tính toán lý thuyết 130

Bảng 4.22. Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu TBX 131

Bảng 4.23. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th

*

tại các mặt cắt của TBX

theo kết quả tính toán lý thuyết 133

Bảng 4.24. Số chu trình ứng suất N tại điểm P4 KGCH bắt đầu phá huỷ 135

Bảng 4.25. Số chu trình ứng suất N tại điểm A2 KGCH bắt đầu phá huỷ 135

Bảng 4.26. Số chu trình ứng suất N tại điểm A9 KGCH bắt đầu phá huỷ. 136

- 1 -

Lêi nãi ®Çu

Giao thông Vận tải đường sắt là một trong các hình thức giao thông vận tải

quan trọng của một xã hội phát triển. Công cuộc đổi mới của ngành Đường sắt Việt

Nam trong những năm qua đã thu được nhiều thắng lợi: Chất lượng vận tải đường

sắt đã không ngừng được nâng cao, góp phần thu hút khách hàng đến với đường

sắt nhiều hơn, từng bước nâng cao thị phần vận tải đường sắt trong hệ thống giao

thông vận tải quốc gia.

Để đạt được mục tiêu đó, chất lượng đầu máy toa xe của ngành Đường sắt

Việt Nam đã có nhiều thay đổi lớn để đảm bảo đủ sức kéo đáp ứng yêu cầu phát

triển của ngành và của xã hội. Những đầu máy có công suất lớn, độ bền cao để

thực hiện kéo khoẻ, chạy nhanh được thay thế dần những đầu máy công suất nhỏ,

công nghệ lạc hậu đã không còn phù hợp với yêu cầu về sức kéo của ngành đường

sắt. Đổi mới khoa học- công nghệ, đặc biệt là sức kéo, sức chở đang được lãnh đạo

ngành đường sắt quan tâm theo hướng An toàn - Chất lượng - Tiết kiệm. Vừa qua

ngành đường sắt nước ta đã chế tạo và lắp ráp thành công đầu máy kéo đẩy, đầu

máy D19E.... Chủ trương của ngành là tiếp tục nhập, chế tạo, lắp ráp ra những đầu

máy theo yêu cầu của ngành giao thông vận tải sắt ngày càng có chất lượng cao.

Mặt khác, việc nâng cao an toàn và tốc độ chạy tàu đối với các trang thiết bị hiện

có là chủ trương lớn đang được thực hiện.

Để đáp ứng các yêu cầu đặt ra, đã xuất hiện những yếu tố kỹ thuật công

nghệ, kết cấu và vật liệu nhằm nâng cao độ bền kết cấu, tăng tốc độ chạy tàu, góp

phần thúc đẩy sản xuất và sự phát triển đi lên của ngành đường sắt. Tuy nhiên

trong quá trình thực hiện đã nảy sinh những vấn đề về an toàn và độ tin cậy của các

bộ phận, thiết bị. Một trong những vấn đề đó là: Hầu hết các đầu máy truyền động

điện được nhập về Việt Nam chỉ được nhà cung cấp giao kèm theo các thông số kỹ

thuật cơ bản của đầu máy mà không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về

cách sử dụng phù hợp với đặc thù tuyến đường, điều kiện môi trường đường sắt

Việt Nam, không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về qui trình kiểm tra, bảo

dưỡng sửa chữa cũng như các đặc tính vật liệu của các kết cấu. Trong bộ phận

chạy của đầu máy thì khung giá chuyển hướng và trục bánh xe là hai kết cấu quạn

trọng. Do ảnh hưởng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đến việc nâng

cao an toàn và tốc độ chạy tàu, chúng ta phải kiểm tra định kỳ theo qui định trong

quá trình vận dụng. Đồng thời chúng ta phải tính toán kiểm nghiệm về độ bền, độ

cứng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy nhằm ngăn ngừa các

hư hỏng có thể xảy ra hoặc có thể gây ra các sự cố, các trở ngại chạy tàu, các hư

hỏng cơ khí gây thiệt hại khó lường về vật chất cũng như tính mạng con người.