Báo cáo khoa học: "TÁC DỤNG ĐỘ RƠ NGANG CÁC TRỤC CỦA GIÁ CHUYỂN HƯỚNG 3 TRỤC ĐẦU MÁY TRÊN ĐƯỜNG CONG" pptx

TÁC DỤNG ĐỘ RƠ NGANG CÁC TRỤC CỦA GIÁ CHUYỂN
HƯỚNG 3 TRỤC ĐẦU MÁY TRÊN ĐƯỜNG CONG


ThS. MAI VĂN THẮM
Bộ môn Đầu máy - Toa xe
Khoa Cơ khí
Trường Đại học Giao thông Vận tải


Tóm tắt: Bài báo giới thiệu tác dụng độ rơ ngang các trục của giá chuyển hướng 3 trục
đầu máy và kết quả tính toán trên đầu máy D13E để thấy được tác dụng của nó đối với việc
giảm lực dẫn hướng, tăng tốc độ cho phép khi thông qua đường cong.

Summary: The paper presents the influence of lateral movement of the axes of a 3-axis
bogie and the calculation results obtained for locomotives D13E to show its role in decreasing
the guiding force and increasing the speed when the locomotives run on curved tracks.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Độ rơ ngang của trục bánh ±θ là khả năng di chuyển lớn nhất theo chiều ngang về mỗi phía
của trung tâm trục bánh so với trung tâm dọc giá chuyển hướng, nó bao gồm những di chuyển
có thể của trục bánh so với bầu dầu và của bầu dầu so với khung giá chuyển hướng theo phương
ngang. Độ rơ ngang lớn có thể giúp các giá chuyển hướng nhiều trục dễ dàng thông qua các
đường cong bán kính nhỏ về mặt hình học cũng như về mặt động lực học, vì thế trục bánh của
các giá chuyển hướng 3 trục thường có độ rơ ngang lớn. Độ rơ ngang của các đầu máy có giá
chuyển hướng 3 trục ở nước ta được ghi trong bảng 1. Sau đây chúng ta sẽ đi sâu phân tích kỹ
hơn nội dung của các vấn đề nêu trên.
CT 2
II. NỘI DUNG

2.1. Tác dụng của độ rơ ngang đối
với thông qua đường cong về hình
học
Bảng 1. Độ rơ ngang các trục
.
ĐỘ RƠ NGANG
Đầu máy
Trục đầu và Trục cuối θ
1
và θ
3
Trục P giữa θ
2
D13E
± 8mm ± 20,5mm
D14E
±14mm
± 15mm
D19E
±14mm
± 15mm
D18E
± 10mm
± 20mm
Đường cong nhỏ nhất mà giá
chuyển hướng có thể thông qua về
hình học là đường cong mà giá
chuyển hướng đứng trong đó thì trục
đầu và trục cuối giáp ray ngoài còn
trục giữa giáp ray trong.

Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008


Bán kính của nó khi các trục không có độ rơ ngang có thể xác định theo quan hệ trong
hình 1a bằng công thức:

σ
=
8
L
R
2
min
[m] (1)
trong đó: L là cự ly trục cứng của giá chuyển hướng [m];
σ là khe hở giữa lợi bánh và ray ở đường cong [m];
Khi các trục có độ rơ ngang trục giữa θ
2
có thể di chuyển ra phía ngoài còn các trục đầu và
cuối có độ rơ ngang θ
1
di chuyển vào trong làm cho bán kính thông qua bé nhất R
min
giảm (hình
1b).
CT 2

Hình 1. Tính bán kính đường cong bé nhất


L
Ω
σ
3
1

L
Ω
3
1
σ
θ
2
θ
1
R
mi

n
(a)
2
2
R
min
(b)
2.2. Tác dụng của độ rơ ngang đối với thông qua đường cong về động lực học
Như đã nói ở trên khi trục giữa có độ rơ ngang lớn, nó có thể di chuyển ra phía ngoài làm
cho giá chuyển hướng đi qua được những đường cong bán kính bé hơn (hình 2a). Nhưng khi độ
rơ ngang lớn đến một mức nào đó, trục 2 có thể di chuyển đến mức chạm ray ngoài (hình 2b)
làm phát sinh thêm các lực dẫn hướng Y
2
ở trục này để gánh vác bớt một phần cho các trục dẫn,
làm giảm lực dẫn hướng ở trục dẫn, tạo điều kiện nâng cao tốc độ cho phép trên đường cong và
giảm bớt hao mòn lợi bánh.
Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008

Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008


Φ
H
2

H
2
1
3
2

A



Y
1
Y
3
Ω
θ
Q
2
Q
2
Φ








a)

CT 2







Y
1

Y
3
Ω
θ
Q
2
Φ
Y
2
Φ
Q
2
H
2
H
2
1
2
3

A
b)
Hình 2.Trục giữa có độ rơ ngang lớn trên đường cong
Sau đây chúng ta sẽ thực hiện tính toán cụ thể thông qua mô hình giá chuyển hướng của
đầu máy Ấn độ để thấy được rõ hơn được tác dụng của giải pháp này. Giá chuyển hướng của
đầu máy Ấn độ có độ rơ ngang lớn ở trục giữa θ
2
= ±20,5mm và độ rơ ngang của trục dẫn
θ
1
= θ
3
= ±8mm. Khi chạy trên đường cong ở vị trí chéo nhất, bánh 1 giáp ray ngoài có lực dẫn
hướng Y
1
, bánh 3 giáp ray trong có lực dẫn hướng Y
3
như vẽ trên hình 3. Vì tâm quay Ω nằm
giữa trục 2 và trục 3 nên thành phần 2Q
2
của lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường ray sẽ kéo
trục 2 ra phía ray ngoài. Có 2 trường hợp có thể xảy ra:
1- Nếu trục 2 di chuyển hết độ rơ ngang 20,5mm mà lợi bánh xe vẫn chưa chạm cạnh ray

ngoài (hình 2a) thì thành phần 2Q
2
sẽ truyền lên khung giá chuyển hướng.


μ

P
B
A B
μP
B

Q
3
p

X
1

μP
B
μP
B
X
3
2S
Q
1
d
3
d
1
C
t
Q
1

Q
3
H
1
H
3
H
3
H
1
Ω
T
t
Q
2
Q
2
H
2
H
2
μ
P
B
μ
P
B
Y
3
Y

1
p
1

p
2

X
2
d
2
O
a
1
a
2
C
g
T
g

Hình 3. Sơ đồ các lực tác dụng vào khung giá chuyển hướng trước của đầu máy D13E
khi giá chuyển hướng ở vị trí chéo nhất
Căn cứ trên sơ đồ lực tác dụng vào khung giá chuyển hướng (hình 3) ta viết được hai
phương trình cân bằng để giải ra 2 lực dẫn hướng Y
1
và Y
3
:
CT 2

∑
=−++−++−⇔= 0)QQQ(2TCYY0Y
32131
(a)

[]
∑
=++−−+−+⇔= 0S).HHH(p.Qp.Q2
2
p
).TC(p.Y0M
321312tt3
A
(b)
(trong đó: Y
1
và Y
3
– là các lực dẫn hướng ở trục 1 và trục 3;
(2)
C
t
, T
t
, C
g
, T
g
– lần lượt là lực ly tâm và lực siêu cao của thùng xe, giá chuyển hướng;
a

1
, a
2
– là khoảng cách từ trục 1và trục 3 đến cối chuyển hướng trước;
p
1
, p
2
– là khoảng cách từ trục 1 và trục 3 đến trục 2;
Q
1
, Q
2
, Q
3
– là thành phần ngang của các lực ma sát của các bánh xe với mặt đường
ray

22
i
i
Bii
SX
X
PCosQ
+
μ=αΦ=
(3)
H
1

, H
2
, H
3
– là thành phần dọc của các lực ma sát nói trên:
22
i
Bii
SX
S
PSinH
+
μ=αΦ=
(4)
Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008


CT 2
X
i
- là cự ly tâm quay của trục bánh thứ i [m];
2S - là giang cách ngang 2 vòng lăn của một trục bánh [m];
hướng Y
1
, Y
3
phụ thuộc lực ly tâm
C ng lực với sự hỗ
trợ của phần mềm MATLAB như đã giới thiệu trong Tạp chí Khoa học GTVT số 5 tháng 11-
2003

ành phần 2 Q
2
nói trên sẽ được cân bằng bởi phản lực của đường ray, đó là lực dẫn
hướng Y (hình 2b) mà không truyền được lên khung giá chuyển hướng. Bởi vì thành phần lực
2 Q
Việc giải hệ phương trình (2) để tính trị số các lực dẫn
hĩa là phụ thuộc tốc độ V có thể thực hiện dễ dàng bằng phương pháp cộng
, [1].
2 – Trong trường hợp trục 2 chưa di chuyển hết độ rơ ngang θ
2
= 20,5 mm đã chạm ray
ngoài thì th
2
2
không truyền lên khung giá chuyển hướng nên nó không có mặt trong các phương trình
cân bằng lực của khung giá chuyển hướng.
Khi này ta viết được ba phương trình cân bằng lực để tính các lực dẫn hướng như sau:
)c(0Q.2Y0Y
)b(0H.Sp.Q2
p
).TC(a).TC(p.Y0M
i3gg1tt3
A
=−−−+−+⇔=
∑∑

2
)a(0Q.2Q.2)TC(
222
31tt

=+−⇔=
=−+−+
∑
(5)
Giải hệ 3 phương trình này ta được 3 lực dẫn hướng Y
1
, Y
2
và Y
3
. Hệ ph
cũng có thể giải bằng phần mềm nói trên khi ta lưu ý đến thời điểm chuyển đổi từ trạng thái
hình 2a sang trạng thái hình 2b để chuyển từ hệ phương trình (2) sang hệ phương trình (5). Đó
là lú
R = 150 m ta được dạng đồ thị biểu diễn lực dẫn hướng
ở trục dẫn phụ thuộc tốc độ như hình 4. Trong đó Y là những đường biểu diễn lực dẫn hướng ở
trục
● Lực dẫn hướng ở trục 2 chỉ xuất hiện từ khi bánh ngoài của trục này tiếp xúc với ray
à V = 30 km/h) và lực này ngày càng giảm khi tốc độ tăng, lực dẫn hướng
này sẽ bằng không (hoặc gần bằng không) khi giá chuyển hướng chiếm vị trí dây cung và từ tốc
độ n
khi này bánh ngoài của trục 3 cũng tiếp xúc với ray ngoài,
trước tốc độ đó, khi giá chuyển hướng ở vị trí tự do Y = 0, sau tốc độ đó giá chuyển hướng
)TC(YY0Y
gg31
−++−⇔=
∑
ương trình này
c nếu không có độ rơ ngang thì lợi bánh 2 còn cách cạnh ray ngoài một khoảng y
2

= θ
2
và
giá chuyển hướng đang ở vị trí tự do.
Tính toán với các độ rơ ngang và các thông số cụ thể của giá chuyển hướng đầu máy Ấn
Độ khi chạy trên đường cong bán kính
1
1, đường nét liền là trường hợp trục 2 có độ rơ ngang lớn, còn đường nét đứt là khi trục 2
không có độ rơ ngang. Các đường Y
2
và Y
3
biểu diễn trị số lực dẫn hướng xuất hiện ở trục 2 và
trục 3.
III. KẾT LUẬN
ngoài (trên đồ thị l
ày trở đi không thay đổi nữa.
● Lực dẫn hướng ở trục 3 chỉ xuất hiện khi giá chuyển hướng chuyển từ vị trí tự do sang vị
trí dây cung (khoảng V = 86 km/h)
3
Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008


CT 2
chuyển hướng giảm đi, làm cho giá
chuy
chuyển sang vị trí dây cung, Y
3
tăng theo hướng ngược lại.
● Nguyên nhân làm cho lực dẫn hướng Y1 giảm chủ yếu là do khi trục 2 đã tựa vào cạnh

ray thì moment của các lực ma sát tác dụng vào khung giá
ển hướng nhanh chóng chuyển sang vị trí khác để thiết lập lại trạng thái cân bằng.

Hình 4. Đồ thị lực dẫn hướng của đầu máy D13E, [3]
● Qua khảo sát việc thông qua đường cong của đầu máy trên những đường cong bán kính
thay đổi từ R = 75 m đ uan trọng là giải pháp
này
à một điều dễ dàng vì cần có những giải pháp thích hợp về mặt
cấu t
ến R = 400 m chúng ta có thể rút ra một kết luận q
chỉ phát huy được tác dụng trên các đường cong bán kính lớn và khi đầu máy chạy với tốc
độ cao vì trong những đường cong bán kính nhỏ, ví dụ trên đường cong R = 100 m ngay cả khi
giá chuyển hướng ở vị trí dây cung, trục giữa phải có độ rơ ngang θ
2
> 25,9 mm [3] mới có thể
chạm đến ray ngoài ngay khi giá chuyển hướng chuyển từ vị trí chéo nhất sang vị trí tự do, nói
chung trên những đường cong bán kính dưới 150 m phải đến khi tốc độ cao bánh ngoài trục
giữa có độ rơ ngang lớn mới tiếp xúc được với ray ngoài, tốc độ này nhiều khi đã vượt quá tốc
độ cho phép của đường. Biện pháp này chỉ phát huy được tác dụng trên những đường cong bán
kính lớn hơn hoặc bằng 150 m.
Cũng phải nói thêm rằng để tạo được độ rơ ngang lớn đối với các trục giữa là trục bánh chủ
động của đầu máy không phải l
ạo đối với những bộ phận trung gian giữa bộ phận trên lò xo với bộ phận dưới lò xo ở chỗ
treo đông cơ điện kéo hay ở trong bộ truyền động bánh răng của hộp giảm tốc trục hoặc bầu dầu
để chúng làm việc bình thường ngay cả khi có sự di chuyển ngang lớn (θ
2
= ± 14 ÷ 20 mm) giữa
trục bánh xe và khung giá chuyển hướng.
Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008

Tạo nên độ rơ ngang lớn ở trục giữa các giá chuyển hướng 3 trục là một giải pháp để giá
chuyển hướng đầu máy thông qua các đườn
CT 2
g cong bán kính nhỏ được dễ dàng đồng thời trên
đườn
5 năm 2007 (trang 5) hiện nay, hệ thống mạng lưới sắt Việt nam có 3.468
đườn
am khảo
yễn Hữu Dũng. Giải bài toán thông qua đường cong của ĐMTX trên máy tính, đăng trên Tạp chí
Khoa học Giao thông vận tải số 5 tháng 11-2003.
huẩn ngành 22 TCN 348-06, Hà nội 2006.
g cong bán kính lớn có tác dụng giảm lực dẫn hướng, góp phần làm giảm hao mòn lợi bánh
xe, tạo điều kiện nâng cao tốc độ cho phép khi thông qua đường cong. Tuy vậy để có được độ rơ
ngang lớn ở các trục giữa giá chuyển hướng cần có thêm những giải pháp thích hợp về cấu tạo
cho bộ phận trung gian giữa trên lò xo và dưới lò xo để bảo đảm sự làm việc bình thường của bộ
phận truyền động.
Đường sắt nước ta có nhiều đoạn đường cong, theo số liệu của Báo Đường sắt Việt nam số
18 ra ngày 3 tháng
g cong (chỉ tính đường chính tuyến), chiếm tỷ lệ 26,1% tổng chiều dài toàn tuyến. Trong
số đó, có hơn một nghìn đường cong có bán kính R < 300 m, cá biệt có 7 đoạn đường cong có
bán kính R < 100 m, 758 đoạn đường cong bán kính 100 m < R < 225 m. Vì vậy sử dụng các
giá chuyển hướng 3 trục có độ rơ ngang lớn cho các đầu máy đang vận dụng trên mạng lưới
đường sắt Việt nam là một giải pháp hợp lý để nâng cao tốc độ chạy tầu và giảm hao mòn lợi
bánh.
Tài liệu th
[1] Ngu
[2] Bộ GTVT. Tiêu c
[3]
Mai Văn Thắm. Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu của giá chuyển hướng đầu máy Ấn

♦ Độ đến tính năng động lực”. Hà nội 2007

Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008