Báo cáo khoa học: "nghiên cứu mối quan hệ giữa một số yếu tố có liên quan đến vận tốc thông qua ghi nhằm nâng cao tốc độ chạy tàu" pdf

nghiên cứu mối quan hệ
giữa một số yếu tố có liên quan
đến vận tốc thông qua ghi
nhằm nâng cao tốc độ chạy tu





ncs Đào trọng chơng
Khái quát về tốc độ thông qua ghi đờng sắt
Vận tốc đoàn tàu phụ thuộc rất nhiều yếu tố nh đầu máy toa xe, trạng thái đờng sắt, kiến
trúc tầng trên, thông tin tín hiệu, chiều dài ga, số lợng ga, đờng cong trên tuyến. Riêng xét về
đờng sắt đã có nhiều vấn đề ảnh hởng đến tốc độ đoàn tàu nh phơng hớng, thuỷ bình,
phụ kiện, loại ray, tà vẹt; loại hình ghi, kết cấu ghi Khi đoàn tàu qua ghi thì vận tốc phải giảm
nên ảnh hởng chung đến vận tốc đoàn tàu trên tuyến. Vì vậy, tính toán vận tốc qua ghi ngoài
việc phải xét đến một số yếu tố nh tổn thất động năng do va đập khi bánh xe vào ray; điều
kiện chống bánh xe trờn trên ray; khả năng tàu bị lật đổ qua ghi; sức chịu đựng của vật liệu ghi
và các liên kết; điều kiện đảm bảo êm thuận của khách đi tàu ta còn nghiên cứu mối quan hệ
giữa bán kính đờng cong; lực va đập thẳng đứng tâm ghi; góc xung kích của ghi; ảnh
hởng của độ hao mòn thẳng đứng tâm ghi với vận tốc. Trong báo cáo khoa học này sẽ
đề cập đến những vấn đề trên
Tốc độ đon tu qua ghi
Bao gồm tốc độ thông qua hớng thẳng và tốc độ thông qua hớng rẽ
1. Tốc độ qua ghi theo hớng thẳng: Có một số nguyên nhân ảnh hởng:
a. Góc va đập vào ray hộ bánh: (hình 1)

c

Hình 1. Góc va đập vo ray hộ bánh.
Nếu tốc độ đoàn tàu qua ghi theo hớng thẳng quá lớn sẽ phá huỷ cấu kiện ghi và giá xe.

b. Góc va đập vào ray chân thỏ khi tàu đi theo hớng A:

A












c


c
B
Hình 2. Bánh xe qua khoảng trống có hại của tâm ghi.

Nh ray hộ bánh, gờ bánh xe cũng va đập vào ray chân thỏ sinh ra lực va đập lớn khi qua

khoảng trống có hại do đó nếu để tàu chạy tốc độ lớn qua ghi cũng gây ra phá hỏng kết cấu ghi.
c. Góc va đập vào ray cánh ghi chỗ yết hầu ghi:
Khi đoàn tàu đi theo hớng B gờ bánh xe tựa sát vào ray cánh ghi, góc xung kích này phụ
thuộc vào số hiệu ghi.
d. Yếu tố không trơn phẳng ở chỗ khoảng trống có hại:
2. Tốc độ đon tu qua ghi theo hớng rẽ
Các nguyên nhân ảnh hởng đến tốc độ đoàn tàu qua ghi theo hớng rẽ và quan hệ của
các yếu tố đó với vận tốc
a. Tổn thất động năng:
Khi tàu đi từ đờng thẳng vào đờng rẽ (hình 2a) và từ đờng thẳng vào đờng cong của
ghi, do tốc độ tức thời của toa xe, gờ bánh xe đập vào đờng ray, lúc đó một phần động năng
của đoàn tàu bị tiêu trừ đợc tính nh sau:
= V
2
sin
2

c
(
c
là góc va đập)


c

Vcos

c
Vsin

c






Hình 2. Đon tu đi vo hớng rẽ của ghi.

Mối quan hệ giữa V,
c
, đợc biểu diễn qua các đồ thị tại hình 3.

Hình 3. Biểu thị mối quan hệ giữa V,

c
,

.

b. Gia tốc ly tâm cha đợc tiêu trừ
c
:
Gia tốc ly tâm
c
đợc tính:

c
=
R6.3

V
2
2


trong đó: V tốc độ đoàn tàu (km/h); R bán kính đờng cong dẫn (m).
Mối quan hệ giữa V,
c
,
c
,
c
, đợc biểu thị qua hình 4.

Hình 4. Biểu diễn mối quan hệ giữa giữa V,

c
,

c
,

c
,

.
c. Độ tăng gia tốc ly tâm cha đợc tiêu trừ:
=
L.R
V

V
L
R
V
dt
d
3
2
c
==


L là chiều dài trục giá cố định của toa xe khách, thờng lấy l = 18 m.
d. Giảm tốc độ do trắc dọc tâm ghi bị hạ thấp:













1

1

2


v
n

v
o

Hình 5. Bánh xe đon tu khi qua tâm ghi có độ trắc dọc thay đổi.
Từ hình 5 cho thấy:
V
0
=
1
n
cos
V


trong đó: V
n
là vận tốc theo hớng chuyển động ngang sau khi ra tâm ghi; V
o
là vận tốc đoàn
tàu trớc khi vào tâm ghi.
Quan hệ giữa bán kính đờng cong với vận tốc
Do hớng rẽ của ghi có đờng cong trong ghi và bán kính đờng cong này cũng khác nhau
theo từng loại ghi nên đã ảnh hởng đến vận tốc của đoàn tàu khi thông qua.

Vì hạn chế của gia tốc ly tâm cha đợc cân bằng ta có quan hệ giữa V, R:
Khi không có siêu cao: R =
0
2
2
6,3
V


Khi có siêu cao: R =
)
S
h
g6,3
V
0
2
2
+(

Vì sự hạn chế lợng tăng lên của gia tốc ly tâm cha đợc cân bằng, quan hệ bán kính
đờng cong với tốc độ nh sau
Khi không có siêu cao: R =
b.6,3
V
0
3
3

Khi có siêu cao: R =
b
Sb6,3
ghV
6,3
V
0
3
3








+

Vì sự hạn chế của gia tốc chuyển hớng ta có quan hệ giữa bán kính đờng cong tròn với
tốc độ:
R =
.b.6.3
V
2
2


Vì sự hạn chế của tổn thất động năng ta có quan hệ giữa bán kính đờng cong tròn với tốc
độ là: R =

0
2
W
V2

Do đó, tốc độ là hàm số của bán kính đờng cong tròn đợc biểu thị là đờng biểu diễn
quan hệ giữa vận tốc qua ghi với bán kính đờng cong tròn khi không có siêu cao và có siêu
cao (hình 6).


Hình 6. Đờng quan hệ giữa tốc độ với bán kính đờng cong tròn.
Từ hình 6 ta thấy với bán kính lớn đờng cong tròn cực đại thì gia tốc ly tâm cha đợc cân
bằng và tổn thất động năng có ảnh hởng lớn nhất tới tốc độ, lợng tăng gia tốc ly tâm cha
đợc cân bằng có ảnh hởng thứ 2 và gia tốc chuyển hớng có ảnh hởng nhỏ nhất đến tốc độ.
v
n
v
0
r

1

1
P
A A
Hình 7. Bánh xe qua tâm ghi.
Quan hệ giữa lực va đập
thẳng đứng tâm ghi với tốc độ
Khi bánh xe đi qua tâm ghi,
từ ray chân thỏ lăn về ray tâm ghi

bánh xe của nó dần dần rời khỏi
ray chân thỏ vì bánh xe là một
hình côn, làm cho bánh xe hạ
xuống, còn bánh xe lăn đến ray
tâm, do ray tâm có độ dốc dọc về
phía đầu phía tâm ghi làm cho
bánh xe nâng cao dần lên, xem
hình 7. Do đó bánh xe đi qua tâm
ghi ta coi nh cũng nh đi qua mối
nối của ray trên đờng.

Lực va đập lớn nhất R
y
max đối với ray chân thỏ, khi bánh xe đi thuận chiều vào tâm ghi, có
thể tính bằng công thức:
maxR
y
= V
knp
um

V - phần tốc độ thẳng đứng va đập của bánh xe đối với tâm ghi (cm

/sec);
m
np
- lợng chất tính đổi của tâm ghi tác dụng tơng hỗ với bánh xe (KGsec
2
/cm)
u

k
- là độ cứng tiếp xúc giữa bánh xe và ray, KG/cm.
Do quan hệ với các góc va đập, lực va đập max R
y
= V
n
tg
knp
uxm

Để biết đợc lực xung kích maxR
y
cần biết hệ số độ cứng K giữa ray và nền móng của nó
và môđun W của mặt cắt của tâm ghi và ứng suất cho phép:

[]
y
y
y
kW4
Rmax
=

Từ đó tính đợc tốc độ chạy của bánh xe chính là tốc độ cho phép của bánh xe đi qua tâm
ghi:
V
n
=
[
]

knp
y
umtg
kW4



m
np
= 1,9 KGsec
2
/cm;
m - lợng chất tâm ghi tính theo 1/2 khối lợng của mỗi m tâm ghi;
K - là hệ số cứng giữa ray và nền móng (hệ số nền đàn hồi).
K =
EI4
u
4
, cm
-1

E - môđun đàn hồi của tâm ghi KG/cm
2
;
I - mômen quán tính của mặt cắt ở chỗ ray tâm bắt đầu chịu tải là chỗ đầu ray tâm
rộng 20 mm;

u - môđun đàn hồi của nền móng (cm
4
);

Quan hệ giữa tốc độ v góc xung kích
Khi đầu máy toa xe chạy ngợc chiều vào hớng rẽ góc va đập của gờ bánh với lỡi ghi
phải xác định theo số cho phép của tổn thất động năng và hệ số leo ray.Vì hạn chế tổn thất
động năng ta dùng công thức quan hệ giữa tốc độ với góc va đập là: siny =
V
Wg

Do hạn chế leo ray nên ta có quan hệ giữa tốc độ với đại lợng hạn chế leo ray và góc va
đập theo công thức: tgy =
V
B
0
.

Ta thấy góc va đập lỡi ghi là hàm số của tốc độ là V = f(
y
) sơ đồ đờng biểu diễn của nó
(hình 8).

V (km/h)

Hình 8. Biểu diễn quan hệ giữa vận tốc với góc xung kích.
Quan hệ giữa tốc độ với độ hao mòn thẳng đứng tâm ghi
Lực va đập lớn nhất Ry max đối với ray chân thỏ, khi bánh xe đi thuận chiều vào tâm ghi,
có thể tính bằng công thức sau:
maxRy = V
knp
um

Trong công thức trên: phần tốc độ thẳng đứng của va đập của bánh xe đối với tâm ghi

(cm

/Sec); m
np
- lợng chất tính đổi của tâm ghi tác dụng tơng hỗ với bánh xe (KGsec
2
/cm);
u
k
là độ cứng tiếp xúc giữa bánh xe và ray KG(cm); tốc độ va đập V
0
bánh xe va đập tâm ghi là:
V
0
=
1
n
cos
V


trong công thức:
V
n
- là tốc độ tiến lên của bánh xe chạy
- góc hình thành giữa mặt ray chân với đờng nằm ngang vì góc tơng đối nhỏ có
thể coi trị số phân tốc độ V của tốc độ V
p
:
V = V

n
sin V
n
tg
Ta tính đợc lực va đập:
max R
y
= V
n
tg
knp
uxm

Lực va đập của bánh xe đối với tâm ghi
[]
y
y
y
kw4
Rmax
=

Tốc độ chạy của bánh xe cũng là tốc độ cho phép của bánh xe đi qua tâm ghi:
V
n
=
[
]
knp
y

umtg
kW4




với: m
np
= 1,9 m/K và m - lợng chất tâm ghi tính theo 1/2 khối lợng của mỗi m tâm ghi;
K là hệ số cứng giữa ray và nền móng (hệ số nền đàn hồi):
K =
EI4
u
4
(cm
-1
)
E - môđun đàn hồi của tâm ghi KG/cm
2
;
I - mômen quán tính của mặt cắt ở chỗ ray tâm bắt đầu chịu tải tại vị trí chỗ đầu ray tâm
rộng 20 mm;

u - môđun đàn hồi của nền móng (cm
4
)
Kết luận
Những kết quả nghiên cứu và những đánh giá bằng thực nghiệm trên đã đều đợc kiểm
toán bằng nhiều số liệu của nớc ngoài để các nhà tính toán thiết kế ghi tham khảo, lựa chọn.
Một số công thức đợc chỉ ra sử dụng các phơng pháp tính toán gần đúng có độ tin cậy cao.

Hầu hết các công thức đợc tính toán theo các phơng trình vi phân tuyến tính bậc cao ứng
dụng kết quả của các thuật toán Ơ le hoặc sức bền vật liệu và các chuyên ngành khác. Những
kiến thức khoa học này đã đóng góp tích cực cho khoa học đờng sắt thêm phong phú và là một
cơ sở lý thuyết quan trọng trong việc lựa chọn thiết kế ghi đờng sắt nhằm mục đích nâng cao
tốc độ chạy tàu trên tuyến.

Tài liệu tham khảo
[1] PGS TS. Nguyễn Thanh Tùng (chủ biên). Kết cấu tầng trên đờng sắt. Đại học Giao thông vận tải,
1996.
[2] PGS TS Nguyễn Thanh Tùng. Lực động thẳng đứng tác dụng trên đờng khi đoàn tàu chuyển động V
100 Km/h. NXB Trờng Đại học GTVT, Hà Nội 1997.
[3] Sổ tay thiết kế ghi đờng sắt Trung Quốc. Tập thể các tác giả Các kỹ s thiết kế đờng sắt Trung Quốc
[4] A. B. , . . C -
T. , 1975 Ă