Báo cáo khoa học: "đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển h-ớng đầu máy D9E trên cơ sở ph-ơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi" ppt

đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hớng
đầu máy D9E trên cơ sở phơng trình
đồng dạng phá huỷ mỏi


PGS. TS. Đỗ đức tuấn
Bộ môn Đầu máy - Toa xe
Khoa Cơ khí - Trờng ĐH GTVT
PGS. TS. Ngô văn quyết
Học viện kỹ thuật quân sự
ThS. Phạm lê tiến
Trờng Trung học Đờng sắt


Tóm tắt: Bi báo giới thiệu phơng pháp nghiên cứu v các kết quả đánh giá độ bền mỏi
(hệ số an ton mỏi) của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E đang sử dụng trên đờng sắt
Việt Nam trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi.
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. đặt vấn đề
Để đánh giá đợc độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của các kết cấu bộ phận chạy đầu máy diezel
nói chung và xe đầu máy D9E nói riêng nh khung giá chuyển hớng, bộ trục bánh xe, cần sử
dụng kết quả xác định các đặc trng mỏi của mẫu vật liệu. Các kết quả này đã đợc trình bày
trong [2]. Từ các kết quả đó đã tiến hành đánh giá độ bền mỏi (hệ số an toàn mỏi) của trục
bánh xe đầu máy D9E đang sử dụng trên đờng sắt Việt Nam trên cơ sở lý thuyết đồng dạng
phá huỷ mỏi tơng đối [6].
Trong bài báo này trình bày phơng pháp nghiên cứu và các kết quả đánh giá độ bền mỏi
(hệ số an toàn mỏi) của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E trên cơ sở lý thuyết đồng dạng

phá huỷ mỏi tơng đối.
II. Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hớng đầu máy D9E
theo phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối
2.1. Cơ sở lý thuyết tính hệ số an toàn
Khung giá chuyển hớng đầu máy D9E vừa chịu mô men xoắn, vừa chịu mô men uốn và
lực dọc xà nên ứng suất tại điểm nguy hiểm của mặt cắt nguy hiểm (D - D) thay đổi theo chu kỳ

ứng suất không đối xứng (r - 1) [3] và theo [5] với trờng hợp k


/ k

1 (k


/ k

<1), ta có:
Hệ số an toàn mỏi:
]s[
)]1s)(
k
k
1(21[ss
s.s
s
22

++
=

, (1)
Hệ số an toàn mỏi thành phần:
mma
1

k
.
s
++



=





, (2)
mma
1

k
.
s

++



=





, (3)
trong đó:
+ và - Giới hạn bền mỏi khi chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn;
1

1

+ và -
ứng suất pháp và tiếp trung bình;
m

m

+ và -
ứng suất pháp và tiếp biên độ;
a

a

+ k

và k


- Hệ số tập trung ứng suất pháp và tiếp thực tế;
+

và

- hệ số ảnh hởng kích thớc;
+


,


,



và

- hệ số ảnh hởng của vật liệu.
2.2. Phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối
Dạng tổng quát của phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối [1]

+=

s
s.
p
u
'b
ghmax
10'aSS
, (4)
trong đó:
+ S
max
- ứng suất lớn nhất tại khâu yếu nhất trong chi tiết máy sẽ gây ra sự phá huỷ ở
xác suất P% (ứng suất lớn nhất S
max
này có thể là ứng suất pháp hoặc ứng suất tiếp);
+ S
gh
- Giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N
0
;
+

- Hệ số ảnh hởng của kích thớc tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của tiết máy;
+ u
p
- (còn ký hiệu là z

p
) - phân vị với xác suất phá huỷ P%;
khi S
max
S
gh
thì P (S
max
S
gh
) = 0
+ s
s
- Độ lệch bình phơng trung bình của đại lợng ứng suất S;

+ a, b là những hằng số mới của vật liệu làm tiết máy, phản ánh đặc trng cấu trúc của vật
liệu và điều kiện làm việc thực tế của tiết máy.
+ - đợc gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên.
ý nghĩa của là: mẫu chuẩn của tiết máy thực có hình dạng và kích thớc khác nhau
nhng nếu có cùng trị số thì sẽ có cùng một hàm phân phối giới hạn mỏi khi cùng một trạng
thái ứng suất.
Công thức tính toán chỉ tiêu nh sau [1]:
Trờng hợp tiết máy chịu uốn:

=
ctu
mu
mu
ctu
u
W.G
W.G
, (5)
Trờng hợp tiết máy chịu xoắn:








=
ctx
mx
mx
ctx
x
W.G
W.G
, (6)
trong đó:
+

G
mu
;
G
mx
- građien tơng đối của ứng suất chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn trơn;
+
ctu
G
;
ctx
G
- građien tơng đối của ứng suất uốn và xoắn cực đại của tiết máy;
+ W
mu
; W
mx
- mômen chống uốn và xoắn của mẫu chuẩn trơn;
+ W
ctu
; W
ctx
- mômen chống uốn và xoắn của tiết máy;
Chỉ tiêu phụ thuộc vào trạng thái ứng suất (kéo, nén, uốn, xoắn ) cũng nh phụ thuộc
vào chính khích thớc của tiết máy.
iii. ứng dụng phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối để tính hệ số
an ton mỏi cho khung giá chuyển đầu máy D9E
Qua cách tính toán độ bền khung giá chuyển đầu máy D9E ở [2], [4] ta chọn mặt cắt D - D
trên xà dọc khung giá chuyển là mặt cắt nguy hiểm nhất vì có M
u

và M
x
lớn nhất, đợc thể hiện
trên hình 1.
Đối với xà dọc khung giá chuyển có kết cấu hình hộp rỗng và thay đổi kích thớc theo
chiều dọc của xà dọc khung giá chuyển vậy có thể xem xét sự đồng dạng về năng lợng và vật
chất, trong tính toán mỏi ta có thể coi xà dọc khung giá chuyển có kết cấu trụ bậc rỗng. Vậy tính
đợc hệ số an toàn mỏi cho khung giá chuyển theo chỉ tiêu đồng dạng nh sau:
Chuyển mặt cắt D - D thành hình vành khăn, giữ nguyên chu vi ngoài và trị số diện tích mặt
cắt không đổi, và tính đến sát mặt tiếp xúc có gối đỡ đàn hồi, đợc thể hiện trên hình 2 và bảng 1.

H×nh 1. KÕt cÊu khung gi¸ chuyÓn h−íng ®Çu m¸y D9E

Hình 2. Hình dạng quy đổi dùng để tính toán theo chỉ tiêu đồng dạng
Bảng 1. Kích thớc của mẫu v khung giá chuyển hớng đầu máy D9E
Đối tợng D (mm) d (mm) d
i
(mm)
(mm)
Mẫu 17 12 0 10
Khung giá chuyển hớng 384 307,1 269,7 50
3.1. Tính chỉ tiêu đồng dạng
đốCác công thức tính toán gradien ứng suất tơng i
(
)
XG
áp dụng tính cho khung giá
chuyển hớng theo [1] và đợc thể hiện trong bảng 2.
Bảng 2. Công thức gradien ứng suất tơng đối
Kích thớc tơng đối

Uốn Xoắn
d
D
1,5
u
G
=

3,2
+
d
2

G
x
=

15,1
+
d
2

d
D
< 1,5
u
G
=

+ )1(3,2

+
d
2
G
x
=

15,1
+
d
2

trong đó: =
)2
t
(4
1
+

; t =
2
dD

hỉ tiêu cho khung giá chuyển hớng theo các công thức (5) và (6)
đợc cho trong bảng 3.
Bảng 3. Trị số chỉ tiêu

của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E
Mẫu Khung giá chuyển hớng
Kết quả tính toán c

Trạng thái
ứng suất
W
m
( mm
3
)
G
m
( mm
-1
)
W
ct
( mm
3
)
ct
G
( mm )

-1
Uốn 172,8 0,454 1 158 509 0,0565 1,856.10
-5
Xoắn 345,6 0,2816 2 317 018 0,0295 1,562.10
-5

T
(
M

X
)
T
(
M
X
)

M
U
M
U

3.2. Tính hệ số ảnh hởng của kích thớc
Từ phơng trình đồng dạng (4) theo [1] có thể tính đợc:


+=
s.
p
u
'b
10'a


+=
s.
p
u
'b

10'a

Các thông số thành phần đợc xác định thông qua kết quả thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu
khung giá chuyển hớng theo [2] đợc cho trong bảng 4.
Bảng 4. Kết quả thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hớng đầu máy D9E
Giới hạn mỏi Chu trình giới hạn
Tỷ số
Mẫu vật liệu
1
(kG/cm
2
)
N
gh
N
0
bu1
/


Khung giá chuyển hớng 1800 2.10
6
0,353 - 0,429
Theo [1] ta xác định đợc:



=

.

=

.

= 0,5
Hệ số ảnh hởng kích thớc tuyệt đối của mặt cắt ngang là tỷ số giới hạn mỏi ở chu kỳ ứng
suất tiếp của mẫu có kích thớc bất kỳ và giới hạn mỏi của mẫu chuẩn (d
o
, h
o
= 7 ữ 10 mm ).
a = a

= a

= 0,5 ; b = + k ( 1- ) c
= 0,2515 ; = 0,5581
c =
b
2,0


=
4600
3000
= 0,6522 ; k =
b
1

= 0,39
Thay các trị số ta có: b

= b


= 0,1809
Lấy xác suất phá huỷ p
0
0
= 50
0
0
U
p
= 0
Vậy hệ số ảnh hởng kích thớc của khung giá chuyển hớng đợc tính nh sau:
'b
'a

+=
'b
'a

+=
Thay vào công thức kết quả tính đợc cho trong bảng 5.

Bảng 5. Hệ số ảnh hởng của kích thớc

Đối tợng




Khung giá chuyển hớng 0,5697 0,5675
3.3. Xác định hệ số tập trung ứng suất thực tế
Hệ số k

và k

đợc xác định theo hình P.26 và P.27 trong [1].
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải Số 9 - 12/2004

111
Với: r / d = 50 / 307,1 = 0,16
D / d = 384 / 307,1 = 1,25
Kết quả cho trong bảng 6.

Bảng 6. Hệ số tập trung ứng suất thực tế
Đối tợng
k

k

Khung giá chuyển hớng 1,52 1,25
3.4. Xác định hệ số ảnh hởng của vật liệu
Kết quả thử nghiệm mẫu vật liệu khung giá chuyển hớng đầu máy D9E đối với xà dọc
tơng đơng thép đúc mác SC 42 theo JIS G5101[2], [4]. Vậy giá trị hệ số ảnh hởng của vật
liệu [1] cho trong bảng 7.

Bảng 7. Hệ số ảnh hởng của vật liệu
Vật liệu










Thép đúc mác SC 42 0,15 0,14 0,1 0,16
3.5. Hệ số an toàn mỏi của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E
Xác định giá trị ứng suất trung bình

, ứng suất biên độ [5] trên cơ sở từ các kết quả tính toán
hệ số động [2] thay vào các công thức (1), (2) và (3) tính đợc hệ số an toàn mỏi thành phần và
toàn phần của khung giá chuyển hớng. Kết quả tính toán cho trong bảng 8.
Bảng 8. Kết quả tính hệ số an ton mỏi khung giá chuyển hớng
ứng suất trung
bình (KG/cm
2
)
ứng suất biên
độ (KG/cm
2
)
Hệ số an toàn

ứng suất pháp
Hệ số an toàn
ứng suất tiếp
Hệ số an toàn
mỏi toàn phần
m

m

a

a

s

s

s
546 58 114,66 12,18 4,5 8,2 2,8
Theo [1] trang 187 tìm đợc [s] = 1,2 - 1,5.
Trong trờng hợp này, khung giá chuyển hớng đầu máy D9E có hệ số an toàn mỏi lớn
hơn hệ số an toàn mỏi cho phép. Nh vậy có thể kết luận khung giá chuyển hớng đảm bảo độ
bền mỏi.
iv. Sử dụng phần mềm tính toán
Sử dụng phần mềm MDT 6.0, việc tính toán đợc tiến hành theo ISO(DIN743), nhập số liệu
theo trình tự:
- Nhập kích thớc;
- Nhập đặc trng cơ tính vật liệu;
- Nhập tải trọng và ứng suất;

- Nhập các yếu tố ảnh hởng tới độ bền.
Việc nhập các số liệu đợc minh hoạ nh hình 3 và hình 4.

Hình 3. Kích thớc hình học quy đổi dùng để tính toán theo chỉ tiêu đồng dạng

Hình 4. Tính toán hệ số an ton mỏi theo phần mềm MDT6.0
Kết quả tính toán độ bền mỏi nh sau:
- Sự thay đổi của chu kỳ ứng suất;
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải Số 9 - 12/2004

113
- Dáng điệu của ứng suất lớn nhất, nhỏ nhất và biên độ ứng suất đợc chỉ ra trên hình 4;
Hệ số an toàn mỏi tính theo phần mềm MDT 6.0 là: s = 2,677;
Hệ số an toàn mỏi tính theo chỉ tiêu là: s = 2,8.
Vậy sai số tơng đối của hệ số an toàn mỏi giữa cách tính theo chỉ tiêu và tính theo phần
mềm MDT 6.0 là:
044,0
8,2
677,28,2
=

=

Tức là = 4,4%. Nếu chấp nhận sai số này, thì việc tính toán độ bền mỏi của khung giá
chuyển hớng đầu máy theo chỉ tiêu và tính theo phần mềm MDT 6.0 là tơng đơng nhau.

v. Kết luận
Theo phơng pháp đồng dạng pháp huỷ mỏi có sử dụng kết quả thí nghiệm mỏi của mẫu
đã xác định đợc độ bền mỏi có tính đến đặc trng độ nhạy của vật liệu, sự tập trung ứng suất,
yếu tố kích thớc nên kết quả tỏ ra chính xác và hợp lý, và có thể tính cho các bộ phận, kết cấu

khác trên đầu máy.
Qua kết quả nghiên cứu và tính toán thấy rằng độ bền mỏi của vật liệu và kết cấu của
khung giá chuyển hớng đầu máy D9E lớn hơn giới hạn cho phép, điều ấy cho phép có thể tiến
hành khôi phục hoặc cải tạo, nâng cấp chất lợng khung giá chuyển hớng để tiếp tục khai thác
và sử dụng.
Tài liệu tham khảo
[1]. Ngô Văn Quyết. Cơ sở lý thuyết mỏi. NXB "Giáo dục". Hà Nội, 2000.
[2]. Đỗ Đức Tuấn. Nghiên cứu, thử nghiệm đánh giá độ bền giá xe và giá chuyển hớng đầu máy D9E vận
dụng trên đờng sắt Việt Nam. Đề tài NCKH cấp Bộ, mã số B2000 35 - 106TĐ. Hà Nội, 2001.
[3]. Ngô Văn Quyết, Trần Xuân Khái. Phơng pháp mới tính độ bền mỏi của bán trục cầu sau ô tô. Tuyển
tập Công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VII, 18 - 20/12/2002 - Tập III, Cơ học vật rắn
biến dạng, trang 488. NXB "Đại học Quốc gia Hà Nội", 2002.
[4]. Đỗ Đức Tuấn. Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi kết cấu khung giá chuyển hớng đầu máy D9E sử
dụng trên đờng sắt Việt Nam. Tuyển tập Công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VII,
18 - 20/12/2002. Tập III, Cơ học vật rắn biến dạng, trang 640. NXB "Đại học Quốc gia Hà Nội", 2002.
[5]. Phạm Lê Tiến. Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi trục bánh xe đầu máy D9E trên cơ sở lý thuyết đồng
dạng phá huỷ mỏi. Luận án cao học. Hà Nội, 2003.
[6]. Đỗ Đức Tuấn, Ngô Văn Quyết, Phạm Lê Tiến. Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi trục bánh xe
đầu máy D9E trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi. Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số
7/2004. Hà Nội, 2004