Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt thép p43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ x quang

M CL C
TRANG T A
QUY T Đ NH GIAO Đ TÀI
XÁC NH N C A CÁN B H

NG D N......................................................... i

Lụ L CH KHOA H C .......................................................................................... ii
L I CAM ĐOAN ................................................................................................. iii
L I C M N ....................................................................................................... iv
TịM T T ...............................................................................................................v
M C L C ........................................................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH .................................................................................. xii
DANH SÁCH CÁC B NG ................................................................................ xvi
Ch

ng 1.GI I THI U ..........................................................................................1

1. M c tiêu đ tƠi ............................................................................................................... 2
β. N i dung nghiên c u ..................................................................................................... 2
γ. Ph m vi vƠ gi i h n nghiên c u .................................................................................... 3
4.Tính m i c a đ tƠi......................................................................................................... 3
η. K t c u c a lu n văn t t nghi p .................................................................................... 3

Ch

ng β.T NG QUAN ........................................................................................5

β.1. Ch c năng đ
β.1.1.Đ

ng ray xe lửa/ tƠu h a ........................................................................ 5

ng ray xe lửa ...................................................................................................... 5

β.1.β.TƠu h a ..................................................................................................................... 8
β.β.Hình d ng vƠ kích th

c hình h c c a ray[9] ............................................................. 9

β.γ.Ph tùng n i gi ray .................................................................................................. 10
β.γ.β.Ph ki n gi ray v i tƠ vẹt g [9]............................................................................ 11

vii


β.γ.γ.Ph ki n gi ray v i tƠ vẹt bê tông[9] .................................................................... 13
β.γ.4.M i n i ray vƠ ph ki n m i n i[9] ....................................................................... 14
β.γ.η.TƠ vẹt ...................................................................................................................... 16
β.γ.θ.L p đá ba lát ........................................................................................................... 17
β.4. Đi u ki n ho t đ ng[9] ........................................................................................... 19
β.η.Thông s kỹ thu t thép ray ........................................................................................ 19
β.θ.T i tr ng[10] ............................................................................................................. 20
β.θ.1.K t c u toa xe ......................................................................................................... 20
β.θ.β. B ph n ch y ......................................................................................................... 20
β.θ.γ Phơn b t i lên đ

ng ray ...................................................................................... 22

β.θ.γ.β.Tr c xe ............................................................................................................... 23
β.7.Các d ng h h ng m i do ti p xúc lăn trên đ

β.7.1. Đ nh p nhô đ

ng ray ............................................. 25

ng s t ......................................................................................... 25

β.7.β.H h ng m i do ti p xúc lăn trên đ
β.8.Các nghiên c u trong vƠ ngoƠi n

ng ray[ββ]................................................... 26

c......................................................................... 33

β.8.1. Các nghiên c u ngoƠi n

c ................................................................................... 33

β.8.β. Các nghiên c u trong n

c ................................................................................... 41

β.9. K t lu n .................................................................................................................... 44

Ch

ng γ.C S Lụ THUY T ..........................................................................45

γ.1. Hi n t

ng m i c a kim lo i.................................................................................... 45

γ.1.1. Hi n t

ng m i ..................................................................................................... 45

γ.1.β. Gi i h n m i ......................................................................................................... 46
γ.1.γ. Đ

ng cong m i.................................................................................................... 46

γ.β. Nh ng ch tiêu phá h y m i ..................................................................................... 50
γ.β.1. Ch tiêu v

ng su t vƠ bi n d ng ......................................................................... 50

viii


γ.β.β. Ch tiêu v năng l

ng .......................................................................................... 51

γ.β.γ. Ch tiêu v v t n t m i .......................................................................................... 52
γ.γ. Nh ng y u t

nh h

ng t i đ b n m i ................................................................. 53

γ.γ.1. V t li u vƠ quá trình xử lỦ nhi t............................................................................ 53

γ.γ.β. Tr ng thái ng su t................................................................................................ 55
3.3.3. Kích th

c tuy t đ i .............................................................................................. 58

γ.γ.4. Hình d ng k t c u.................................................................................................. 59
γ.γ.η. Cơng ngh gia cơng c khí .................................................................................... 61
3.3.6. Oxi hóa và thoát cacbon ........................................................................................ 62
3.γ.7. nh h

ng c a hi n t

ng Fretting (hi n t

ng m i ậ mòn ậ r ) ........................ 63

γ.4. C ch lan truy n v t n t ......................................................................................... 64
γ.4.1. Các pha trên đ

ng cong m i Wöhler .................................................................. 64

γ.4.β. Nghiên c u b mặt phá h y m i c a các ti t máy th c t .................................... 64
γ.4.γ. Gi i thích c ch c a s phá h y m i ................................................................... 65
γ.4.η. Các d ng ph

ng trình lan truy n v t n t m i ..................................................... 66

γ.4.θ. Đi u ki n ngừng lan truy n v t n t m i................................................................ 67
3.2. Ti p xúc Hertz: ........................................................................................................ 67
γ.β.1.Gi i thi u v Hertz [β9] ......................................................................................... 67

3.β.β.Đ nh lu t Hertz [β9] ............................................................................................... 68
γ.γ.Ph

ng pháp nhi u x tia X ...................................................................................... 73

3.3.1. Nguôn gôc tia x vƠ ng du ̣ng[8] ........................................................................... 73
3.3.2. Nhiễu xa ̣ tia X ....................................................................................................... 74
3.3.3. Công th c Bragg[8]............................................................................................... 75
γ.γ.4.Thông s máy nhi u x [8]...................................................................................... 77
γ.γ.η.Các lo i máy nhi u x cầm tay: ............................................................................. 78
3.4. C s cơu truc ma ̣ng tinh thể ................................................................................... 78

ix


γ.4.1. M ng không gian vƠ ô c s [1β] ........................................................................ 78
γ.4.β. M ng Bravais [1β]................................................................................................. 79
γ.4.γ H s x p vƠ s s p x p ........................................................................................ 82
3.4.4.Cơu truc ma ̣ng tinh thể của pha ferit va austenite [3] ............................................ 83
γ.4.η. Ch s Miller ......................................................................................................... 83
γ.4.θ. Ch s Miller đ

c đ nh nghĩa nh sau ................................................................. 83

γ.4.7. Để xác đ nh ch s Miller cần ph i theo trình t sau ............................................ 84
3.4.8. Các b mặt nhi u x c a pha ferit vƠ austennite: .................................................. 85
γ.η.Hi u ch nh đ
γ.θ.Ph

ng nhi u x x-ray [31] ...................................................................... 86

ng pháp xác đ nh v trí đ nh[γ1] ....................................................................... 88

γ.θ.1 Ph

ng pháp parabola ............................................................................................ 88

γ.θ.β. Ph

ng pháp đ

3.7.Ph

ng cong Gaussian[γ1] ............................................................... 90

ng pháp ti n hƠnh x ̉ ly d liê ̣u đo đa ̣c[31] ...................................................... 90

γ.7.1. Hi u ch nh n n nhi u x ....................................................................................... 90
3.7.2.Ch n ph m vi bê rô ̣ng đay nhi u x X :................................................................ 91

Ch

ng 4.NGHIÊN C U Đ XU T THI T K CHI TI T M U ...................92

4.1.Kh o sát đi u ki n lƠm vi c c a đ

ng ray .............................................................. 92

4.β.Xét mơ hình th c t bánh xe lửa ti p xúc v i đ

ng s t .......................................... 94

4.γ.Từ mô hình th c t chuyển qua phù h p v i mơ hình thí nghi m ............................ 96
4.γ.1. Mơ hình thí nghi m ............................................................................................... 96
4.γ.β.Nghiên c u đ xu t m u thí nghi m ...................................................................... 98
4.γ.γ.Tính tốn l c F khi con lăn tác d ng lên m u thí nghi m.................................... 100
4.γ.4.Xử lỦ k t qu th c nghi m[1θ] ............................................................................ 101

Ch

ng η.TH C NGHI M VÀ TệNH TOÁN K T QU THệ NGHI M.......105

Ch

ng θ.K T LU N VÀ KI N NGH ...........................................................122

x


TÀI LI U THAM KH O ..................................................................................124
PH L C ...........................................................................................................127

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình β.1. Đ

ng ray....................................................................................................5

Hình β.β.Bánh xe ti p xúc đ
Hình β.γ.Tuy n đ
Hình β.4.Đ

ng ray .........................................................................6

ng ray ..........................................................................................7

ng ray đặt trên bê tơng ..........................................................................8

Hình β.η.TƠu h a .........................................................................................................8
Hình β.θ.Hình d ng mặt c t ray ..................................................................................9
Hình β.7.Mặt c t ray P4γ ..........................................................................................10
Hình β.8. Liên k t ray v i tƠ vẹt g ..........................................................................12
Hình β.9.Hình d ng, kích th

c c a đinh móc vƠ đinh vít c a Liên Xơ ..................13

Hình β.10.Các lo i đinh đƠn h i................................................................................13
Hình β.11.Ph i ki n tia r phơng cóc c a Liên Xơ ...................................................14
Hình 2.12. M i n i đ

ng ray...................................................................................15

Hình β.1γ.B trí tƠ vẹt ch m i n i ...........................................................................15
Hình β.14.Các lo i l p lách dẹp ................................................................................15
Hình β.1η.L p lách β đầu dùng cho thép ray P4γ vƠ Pη0 .........................................16
Hình β.1θ.Các lo i tƠ vẹt g ......................................................................................17
Hình β.17.TƠ vẹt bê tơng hai kh i .............................................................................17
Hình β.18.Mặt c t ngang c a l p đá ba lát trên đ

đ

ng thẳng ...................................18

ng 14γη mm ........................................................................................................18

Hình β.19.Hình d ng thép ray ...................................................................................19
Hình β.β0. K t c u toa xe ..........................................................................................20
Hình β.β1.Giá chuyển h

ng toa xe[9] .....................................................................21

Hình β.ββ.B tr c bánh xe ........................................................................................22
Hình β.βγ.Tr c xe .....................................................................................................23
Hình 2.24.Bánh xe .....................................................................................................23
Hình β.βη. Đ nh p nhô ng n trên b mặt đ

xii

ng ray[ββ] ........................................25


Hình β.βθ. Mặt c t ngang thể hi n đ nh p nhơ[ββ].................................................26
Hình β.β7. Đ nh p nhơ dƠi trên b mặt đ

ng ray[22] ...........................................26

Hình β.β8.S lan truy n v t n t do m i ti p xúc lăn[19] .........................................27
Hình β.β9. Tình tr ng ban đầu c a v t n t[ββ] .........................................................27
Hình β.γ0. Các giai đo n khác nhau c a v t n t

góc c a đ

ng ray[ββ] ..............28

Hình β.γ1. S tróc l p v trên b mặt .......................................................................28
Hình β.γβ. S bóc l p v trên b mặt đ
Hình β.γγ. Mặt c t ngang c a hi n t

ng ray

các giai đo n khác nhau ...........29

ng tróc l p v b mặt ...................................29

Hình β.γ4.Các giai đo n xu t hi n c a v t l i lõm ...................................................29
Hình β.γη.V t l i lõm b t đầu phát triển r ng h n ...................................................30
Hình β.γθ.V t n t hình ovan .....................................................................................30
Hình β.γ7.V t n t d c trên thanh ray ........................................................................31
Hình β.γ8. V t n t d c trên mặt c t ngang thanh ray ...............................................31
Hình β.γ9.V t n t d c trên thanh ray ........................................................................32
Hình 2.40. Các h h ng do v t bánh xe lửa ..............................................................33
Hình β.41. H h ng m i do v t bánh xe lửa kéo dƠi trên di n r ng .........................33
Hình β.4β. Đ

ng cong gi a s chu kỳ vƠ lan truy n v t n t thép U71Mn vƠ U7ηV

v i thí nghi m m i ....................................................................................................34
Hình β.4γ.Góc lan truy n v t n t c a thép ray. ........................................................34
Hình β.44. Mặt c t ngang v i các v t n t đ

c ch p theo kính hiển vi quang h c..35

Hình β.4η. Đánh giá đ c ng t vi theo đ sơu khác nhau d

i b mặt ti p xúc lăn.

...................................................................................................................................36
Hình 2.46. Máy thí nghi m m i Cemef Tribotester ..................................................36
Hình β.47. M u thí nghi m m i ................................................................................37
Hình β.48. Đánh giá đ c ng t vi vƠ chi u r ng ti p xúc theo s chu kỳ ...............38
Hình β.49. Đánh giá đ c ng b mặt theo s chu kỳ v i t i tr ng tr c 700N ..........38
Hình β.η0. M u thí nghi m .......................................................................................39
Hình β.η1. Máy thí nghi m m i[βθ] .........................................................................40
Hình 2.52. Đ

ng cong m i do ti p xúc lăn .............................................................41

xiii


Hình γ.1.S tích lũy phá h y m i
Hình γ.β. Đ

kim lo i [23] ....................................................46

ng cong m i Wöhler [1] .....................................................................47

Hình γ.γ. Đ th các ng su t gi i h n [βγ] ..............................................................48
Hình γ.4. Đ

ng cong th c nghi m biểu di n các biên đ gi i h n ........................50

Hình γ.η. Đ

ng cong Wohler trong h tr c logarit [1] ...........................................51

Hình γ.θ. M i quan h gi a ng su t vƠ bi n d ng nhằm xơy d ng ch tiêu năng
l

ng [19] ..................................................................................................................52

Hình γ.8. Nh ng n i có t p trung ng su t [1] .........................................................60
Hình 3.9. Các pha trên đ

ng cong m i Wưhler [23]...............................................64

Hình 3.10. Nh ng giai đo n lan truy n v t n t m i [1] ............................................65
Hình γ.11.Đ

ng lan truy n v t n t m i [23] ..........................................................66

Hình γ.1β. Di n tích ti p xúc Hertz sau khi tác d ng l c lên v t thể .......................68
Hình γ.1γ.Đ nh lu t Hertz cho v t trịn[β9] ..............................................................69
Hình γ.14.Ti p xúc Hertz cho đ

ng ray v i bánh xe lửa[β9] .................................69

Hình γ.1η. Mặt c t hình dáng c a bánh xe vƠ đ
ph

ng x [β9] ............................................................................................................70

Hình γ.1θ. Mặt c t hình dáng c a bánh xe vƠ đ
ph

ng ray ti p xúc v i nhau theo
ng ray ti p xúc v i nhau theo

ng y [β9] ............................................................................................................71

Hình γ.17.Di n tích ti p xúc có hình d ng elip khi bánh xe lửa tác d ng l c lên
đ

ng ray[29] ............................................................................................................72

Hình γ.18.

ng su t ti p xúc sinh ra khi bánh xe lửa tác d ng l c lên đ

ng ray[β9]

...................................................................................................................................73
Hình γ.19. Nguyên lỦ nhi u x [8] ............................................................................75
Hình γ.β0. Đ

ng nhi u x X - quang ......................................................................77

Hình γ.β1. Máy nhi u x tia X (X’Pert Pro ậ Panalytical - Hà lan) .........................77
Hình γ.ββ.Máy nhi u x cầm tay AXFGγ00η ..........................................................78

Hình γ.βγ. M ng khơng gian c a tinh thể r n lỦ t
Hình γ.β4. Mặt tinh thể l p ph
Hình β.βη: Hi u ch nh n n c a đ

ng, ô đ n v vƠ hằng s m ng .79

ng có các điểm c t. ...............................................84
ng nhi u x ........................................................87

xiv


Hình 2.26.Gi n đ nhi u x ......................................................................................91
Hình 2.27. Ch n (xo,yo) vƠ (xn,yn) băng 5 lơn bê rô ̣ng trung bốnh ............................91
Hình 4.1.S đ tuy n đ

ng s t Vi t Nam ...............................................................92

Hình 4.2.Mơ hình hóa bánh xe lửa ti p xúc Hertz lên đ
Hình 4.γ.Bánh xe lửa tác d ng l c Q lên đ

ng ray[β9]. .....................94

ng ray gi ng nh hai hình tr trịn ....97

Hình 4.4.Ti p xúc gi a hai hình tr [γγ] ...................................................................97
Hình 4.7. lăn θ08 -2Z .............................................................................................99
Hình 4.8. B n v kỹ thu t m u thí nghi m thép ray P4γ ..........................................99
Hình η.1.M u dùng thí nghi m m i lăn ..................................................................106
Hình 5.2.Máy thí nghi m m i đa năng ...................................................................107

Hình η.γ. Các m u thí nghi m sau khi t o m i .......................................................110
Hình η.4.M u thí nghi m chia ra thƠnh hai phần ....................................................111
Hình η.η.M u thí nghi m sau khi c t ......................................................................111
Hình η.θ. Biểu đ đo nhi u x X-quang .................................................................115
Hình η.7. Đ

ng nhi u x sau khi hi u ch nh .........................................................115

Hình η.θ. Biểu đ đo nhi u x X-quang .................................................................116
Hình η.9. Đ

ng nhi u x sau khi hi u ch nh .........................................................116

Hình η.10. Biểu đ đo nhi u x X-quang ...............................................................117
Hình η.11. Đ

ng nhi u x sau khi hi u ch nh .......................................................117

Hình η.1β. Biểu đ đo nhi u x X-quang ...............................................................118
Hình η.1γ. Đ

ng nhi u x sau khi hi u ch nh .......................................................118

Hình η.14. Biểu đ đo nhi u x X-quang ...............................................................119
Hình η.1η. Đ

ng nhi u x sau khi hi u ch nh .......................................................119

Hình η.1θ. Biểu đ liên h gi a b r ng B v i s chu kỳ .......................................120

xv


DANH SÁCH CÁC B NG
B ng β.1.Thông s kỹ thu t thép ray ........................................................................19
B ng β.β.ThƠnh phần hóa h c c a thép ray ..............................................................19
B ng β.γ.Đặc tính c h c c a thép ray .....................................................................20
B ng β.1. H s bi n d ng t vi thể hi n ng su t t n d trong m i m u đ ng. ......43
B ng γ.1.S li u Nf c a m t s kim lo i th

ng dùng[1] ........................................46

B ng γ.β.M i quan h gi a thƠnh phần hóa h c vƠ đặc tr ng c h c c a v t li u[1]
...................................................................................................................................53
B ng γ.γ. nh h

ng c a kích th

c h t t i đ b n m i [1] ....................................54

B ng γ.4. Các gi i h n b n vƠ m i c a m t s lo i v t li u[1] ................................57
B ng γ.η. nh h

ng c a hình dáng mặt c t ngang c a m u t i ..............................58

kh năng ch ng phá h y m i [1] ...............................................................................58
B ng 3.6.Giá tr t i h n Katb c a m t s lo i v t li u [1] ........................................67
B ng γ.7. Tra h s m vƠ n[β9] .................................................................................71
B ng γ.8.M ng không gian c a h tinh thể ...............................................................79
B ng γ.9. Quan h gi a hằng s m ng vƠ bán kính nguyên tử c a kim lo i có .......82

c u trúc tinh thể l p ph

ng tơm mặt vƠ l p ph

B ng γ.9. H s h p thu c a ph

ng tơm kh i. ...............................82

ng pháp iso-inclination và side-inclination có và

khơng có gi i h n vùng nhi u x ..............................................................................87
B ng 4.1.B ng gi tƠu h a tuy n th ng nh t B c ậ Nam[11] ..................................93
B ng 4.β.B ng gi tƠu h a các tuy n đ a ph

ng.....................................................93

B ng 4.γ. S chu kỳ ho t đ ng c a xe lửa theo từng năm ........................................94
B ng η.1.Thông s kỹ thu t c a máy. .....................................................................106
B ng η.β.K ho ch thí nghi m m i lăn ...................................................................107
B ng η.γ.Ti n hƠnh thí nghi m m i lăn ..................................................................108
B ng η.4. K t qu nhi u x X ậ quang. ..................................................................120

xvi


Ch

ng 1

GI I THI U

Đ

ng s t cao t c là m t gi i pháp giao thông công c ng t

ng lai cho vùng

đơ th và liên vùng. Vì v y đ b n c a đ

ng ray r t quan tr ng cho vi c phát triển

đ

ng nh h

ng s t cao t c. Hi n nay nhi u hi n t

mƠ đ b n m i là hi n t
và tu i th c a đ

ng đ n tu i th c a thép ray

ng khá ph c t p. M t s ph

ng pháp phơn tích k t c u

ng ray trong đó vi c nghiên c u xác đ nh quá trình m i đ

ray khá thi t th c v i Vi t Nam khi mà h th ng đ

ng

ng s t toàn qu c đang l p k

ho ch nâng c p.
Hi n t

ng m i là hi n t

ng khá ph c t p, x y ra khi ng su t thay đ i theo

ng su t này t n t i trên v t li u chi ti t máy có tr s nh h n gi i h n

th i gian.

b n, th m chí cịn nh h n gi i h n đƠn h i c a v t li u chi ti t máy đó. Tuy nhiên nó
l i gây ra nh ng d ng h h ng trầm tr ng nh t, không ph c h i đ
nghiêm tr ng v kinh t và nh ng h u qu nguy hiểm. Hi n t

c, gây t n th t

ng m i do ti p xúc

lăn (Rolling Contact Fatigue) là m t trong nh ng d ng khác nhau c a đ
đ

c xem xét liên quan đ n vi c b o trì đ

b t đầu trên b mặt đ

ng s t tr

ng s t cần

ng s t và tu i th c a nó.V t n t nh s

c khi lan truy n theo chi u ngang trong các giai

đo n và v t n t s ti p t c phát triển theo chi u d c từ b mặt ti p xúc vào bên
trong đ

ng ray gây ra hi n t

ng n t gƣy đ

ng s t và ti m n tai n n nghiêm

tr ng n u khơng có bi n pháp kh c ph c h u qu k p th i.
Cùng v i s phát triển c a khoa h c kỹ thu t, hi n t
đ

ng phá h y m i đƣ

c ti n hành nghiên c u r ng rãi trên c s c h c và v t lý c a đ b n m i

kim lo i đƣ xơy d ng c s lý thuy t m i và ti n hành th c nghi m kiểm ch ng.
Trong đó có thể kể đ n nh ng cơng trình nghiên c u có đóng góp quan tr ng đ i
v i lĩnh v c khoa h c nghiên c u v m i v t li u: Các nhà khoa h c Nga nh
Ordin, Ivanova, Xêrenxen… [1], các nhƠ khoa h c Anh, Mỹ nh

Wohler,

Gafa,… [1] đƣ ti n hành nghiên c u c s c h c và v t lý c a đ b n v t li u
kim lo i d

i tác d ng c a t i tr ng thay đ i ậ đ b n m i, xây d ng lý thuy t và

1


ti n hành các th c nghi m kiểm ch ng vào nh ng năm β0 c a th kỷ XX…;
Nh ng nhà khoa h c ng

i Mỹ - D.L.Davidson vƠ S.Suresh [1] đƣ nghiên c u

v nh ng khái ni m, lý thuy t n n t ng v gi i h n lan truy n v t n t m i vào
năm 199γ; Donald J. Wulpi [1], m t chuyên viên v luy n kim và là m t nhà
n Đ đƣ xu t b n m t b sách nói v tồn b các h h ng c a chi

khoa h c

ti t máy, trong đó có trình bƠy v hi n t
ch cũng nh

ng n t m i và mòn do m i, m t s c

đặc điểm vi mô, vĩ mô c a v t n t m i (năm 1999); VƠo năm

2001, vi c cơng b cơng trình nghiên c u ắ

nh h

ng c a l ch đ n s

lan

truy n v t n t m i” lƠ m t thành t u c a Tatsuro MORITA và Kenji SAITO [1],
nh ng nhà khoa h c ng

i Nh t đƣ ti n hành mô ph ng trên máy tính, so sánh và

kiểm ch ng bằng th c nghi m m i quan h gi a c

ng đ

ng su t v i h s lan

truy n v t n t m i.
Thép ray P43 là lo i s n ph m thép mà Vi t Nam không s n xu t đ
HƠng năm để ph c v v n t i đ
hàng ch c km thanh ray đƣ đ

ng s t vƠ đ m b o an toàn tuy n đ

ng pháp khác nhau đ

ray, trong s đó lƠ ph
h ng m i

ng s t

c thay th theo đ nh chu n hi n t i. Vi c nghiên

c u xác đ nh th i h n thanh ray là v n đ ngƠnh đ
ph

c.

ng s t quan tâm. Nhi u

c ng d ng để nghiên c u kh o sát đ b n c a đ

ng pháp nhi u x X - quang. Ph

ng

ng pháp nƠy đánh giá sai

giai đo n s m c a thép ray là m t vi c làm m i, khó khăn, địi h i các

kỹ thu t ph c t p, các thi t b phân tích hi n đ i. Nó mang l i nh ng hiểu bi t cần
thi t v nh ng sai h ng m i nh h
đ

ng đ n đ b n vƠ các tính năng khác c a thép

ng ray.
1. M c tiêu đ tài
Sử d ng ph

ng pháp nhi u x X - quang để kh o sát ng su t d vƠ s bi n

đ i trong m ng tinh thể nhằm đánh giá s m i s m c a thép đ

ng ray P43.

2. N i dung nghiên c u
Nhi m v c a lu n văn t t nghi p cao h c “Nghiên c u xác định trạng thái
mỏi bề mặt c a thỨp P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X - quang ” quan
tơm đ n :

2


 T ng quan lý thuy t v các hi n t

ng m i.

 Nghiên c u đ xu t chi ti t m u thí nghi m.
 Ch t o thử nghi m chi ti t m u, thử nghi m m i trên máy thí nghi m m i
đa năng (phịng thí nghi m REME).
 Xây d ng đ

ng cong m i Wohler cho thép ray.

 Nghiên c u xác đ nh tr ng thái m i c a thép ray sử d ng ph

ng pháp nhi u

x tia X.
3. Ph m vi và gi i h n nghiên c u

Do th i gian và kh i l

ng nghiên c u l n nên đ tài t p trung nghiên c u

phát triển xác đ nh tr ng thái m i c a thép đ
 Thí nghi m đ

ng ray:

c th c hi n cho các chi ti t m u thí nghi m d ng tr ct o m i

cho chi ti t m u do ti p xúc lăn.
 V t li u ch t o các chi ti t m u thí nghi m m i lƠ thép đ

ng ray ch a qua

sử d ng .
 Đánh giá s m i s m c a thép ray bằng ph

ng pháp nhi u x X ậ quang..

4.Tính m i c a đ tài
 Thi t l p xác đ nh m i liên h gi a m c đ bi n c ng do m i lăn v i b r ng
đ

ng nhi u x .

 Cho phép d báo th i h n ph c v c a thanh ray d

i t i xác đ nh.

5. K t c u c a lu n văn t t nghi p
Đ tƠi ắNghiên c u xác đ nh tr ng thái m i b mặt c a thép P43 dùng làm
đ

ng ray bằng nhi u x X - quang” g m có θ ch
- Ch

ng vƠ phần ph l c.

ng 1 nhằm gi i thi u lý do ch n đ tài, các m c tiêu chính và gi i h n

ph m vi nghiên c u.
- T ng quan v đ
c ađ
n

cđ

ng ray xe lửa, tàu h a cũng nh các d ng h h ng m i lăn

ng ray, kh o sát các nghiên c u đ b n m i c a đ
c trình bƠy trong ch

- Ch

ng ray trong và ngoài

ng β.

ng γ lƠ gi i thi u v c s lý thuy t m i, đ nh lu t Hertzian kh o sát s

ti p xúc c h c để xác đ nh đ

c ng su t ti p xúc khi bánh xe tác d ng l c lên

3


đ

ng ray ph c v nghiên c u đ xu t m u thí nghi m m i. NgoƠi ra, đ nh lu t

Bragg vƠ ph

ng pháp Parabol, Gaussian lƠ c s để phân tích k t qu ch p X ậ

quang.
- Ch

ng 4 kh o sát đi u ki n làm vi c c a đ

ng ray vƠ đ a ra mơ hình th c

t gi ng v i mơ hình thí nghi m để đ xu t hình dáng và ch t o chi ti t m u thí
nghi m đ

c dùng thí nghi m t o m i lăn trên máy thí nghi m m i đa năng t i

phịng thí nghi m REME.

- Trên c s phân tích, kh o sát vƠ đánh giá các n i dung nghiên c u đ
c p

các ch

ng 1, β, γ, 4 v i m c đích cu i cùng đánh giá phơn tích k t qu

sau khi th c hi n thí nghi m t o m i lăn, nhi u x X ậquang vƠ soi kim t
đó d đoán đ

ng. Từ

c s m i s m trên b mặt thép ray P4γ. Đơy cũng lƠ n i dung chính

c a đ tài lu n văn t t nghi p đ
- Ch

cđ

c trình bƠy trong ch

ng θ lƠ k t lu n, ki n ngh vƠ h

- Ph l c.

4

ng η.

ng phát triển đ tài.

Ch

ng 2

T NG QUAN
Trong ch

ng nƠy gi i thi u t ng quan v đ

các d ng h h ng m i lăn c a đ
đ

ng ray trong vƠ ngoƠi n
2.1. Ch c năng đ
2.1.1.Đ
Đ

ng ray xe lửa, tàu h a cũng nh

ng ray, kh o sát các nghiên c u đ b n m i c a

c.

ng ray xe lửa/ tàu h a

ng ray xe lửa

ng ray là thành phần c b n trong giao thông đ

v i b ph n chuyển ray (bẻ ghi) d n h
Ray dùng để d n h

ng s t. Đ

ng ray cùng

ng cho tàu h a di chuyển mà không cần lái.

ng cho bánh xe, tr c ti p ch u l c từ bánh xe truy n xu ng và

truy n l c xu ng tà vẹt. L c từ bánh xe truy n xu ng là l c luôn thay đ i nó g m:
l c thẳng đ ng, l c nằm ngang và tác d ng d c theo thanh ray.

Hình 2.1. Đ

ng ray

Ngồi ra ray cịn ch u l c do nhi t đ thay đ i gơy ra. D

i tác d ng c a các

l c đó, ray có thể b nén, kéo, u n, xo n và có thể đ p bẹp, mài mịn.

ng su t ti p

xúc gi a ray và bánh xe r t l n.
Do v y thép lƠm ray đòi h i ph i có ch t l
đ

ng s t ng

ng cao. Trong th i gian đầu c a

i ta sử d ng v t li u s t sau nhi u th p k phát triển ng

5

i ta đƣ


chuyển sang dùng thép để lƠm ray. H n n a nh ng khuy t t t trên thép cũng đòi h i
ph i đ

c lo i trừ để tránh nguy c phá ho i đ

ng ray. D ng ray ph bi n nh t là

d ng mặt c t ch I khơng đ i x ng, cán nóng[9]. Nói chung t i tr ng càng l n thì
địi h i kích th

c ray ph i l n t

ng ng.

Khi tàu chuyển đ ng, l c ma sát gi a ray và bánh xe t o nên s c bám cho
các bánh ch đ ng c a đầu máy. Mu n có đ s c bám để sinh ra l c kéo thì khi
kh i đ ng, đ i v i các bánh ch đ ng c a đầu máy yêu cầu mặt đ nh ray ph i ph
nhám. Tuy nhiên, n u mặt đ nh ray quá nhám s gây ra s c c n l n đ i v i các bánh

xe c a toa xe. Vì v y, đ i v i các bánh xe c a l i yêu cầu mặt đ nh ray ph i đ nhẵn
[9]. Thông th

ng, khi luy n thép, mặt đ nh ray không cần gia công đặc bi t v n

đ m b o đ s c bám cho các bánh ch đ ng c a đầu máy và l c c n cũng không
quá l n đ i v i các bánh xe khác. Khi cần thi t, ng

i ta r i cát lên mặt đ nh ray để

tăng s c bám.
Ray làm vi c nh m t dầm dặt trên các g i đƠn h i là tà vẹt. D

i tác d ng

c a t i tr ng đoƠn tƠu, ray b u n. Để ch u u n t t, yêu cầu ray ph i c ng. Khi tàu
chuyển đ ng th

ng có l c xung kích tác d ng lên ray. Vì v y, yêu cầu ray ph i đ

đ dẻo nh t đ nh. Vì ng su t ti p xúc gi a bánh xe và ray r t l n nên thép ray ph i
đ r n để ch u l c t t và khơng b mài mịn nhanh. Ray ph i có đ đ dai để đầu ray
khơng b đ p bẹp[9].

Hình 2.2.Bánh xe ti p xúc đ

6

ng ray

Tuy n đ
là tƠ vẹt đ

ng ray g m β ray song song v i nhau đặt trên các thanh ngang g i

c đặt trên l p đá dăm g i lƠ đá ba lát. Liên k t gi a các thanh ray vƠ

thanh n i tƠ vẹt lƠ đinh ray, đinh c hoặc kẹp. Lo i liên k t ph thu c m t phần vƠo
lo i v t li u tƠ vẹt, các lo i đinh đ

c dùng khi tƠ vẹt bằng g còn n u tƠ vẹt

bằng bê tơng thì phần l n dùng kẹp ray hoặc dùng liên k t bằng bulơng.
TƠ vẹt th

ng có mặt c t hình ch nh t đặt d

theo chi u ngang so v i h

i thanh ray[9]. TƠ vẹt đ

c đặt

ng tƠu ch y. Thanh ray g i lên tƠ vẹt vƠ g n c đ nh lên

tƠ vẹt.
Vai trò c a tƠ vẹt lƠ truy n áp l c từ thanh ray xu ng l p đá ba lát r i xu ng
n n đ t vƠ c đ nh kho ng cách gi a hai thanh ray t o thƠnh kh đ

ng ray. Thanh

tƠ vẹt truy n th ng lƠm bằng g t t, có lo i bằng thép hoặc composite. NgƠy nay,
ng

i ta cƠng ngƠy cƠng sử d ng nhi u tƠ vẹt bằng bê tông do s khan hi m c a g

đ ng th i nh ng do u điểm c a bê tông v kh năng ch u l c cũng nh đ b n.

Hình 2.3.Tuy n đ
V i lo i tƠ vẹt bằng g , ng

i ta th

ng ray

ng đặt b n đ m gi a thanh ray vƠ tƠ vẹt

tăng di n tích truy n áp l c c a thanh ray xu ng tƠ vẹt (để lƠm gi m ng su t).
Hoặc ng
ng

i ta b t đinh thẳng từ thanh ray xu ng xuyên qua l trên b n đ m, hoặc

i ta b t đinh liên k t b n đ m v i thanh tƠ vẹt, còn thanh ray b t vƠo b n đ m

bằng kẹp[9]. Các thanh tƠ vẹt có ch c năng phơn b áp l c xu ng l p đá ba lát, r i
từ đá ba lát truy n xu ng n n đ t, ngoƠi ra nhi m v c a thanh tƠ vẹt còn lƠ gi
kho ng cách c đ nh gi a β thanh ray kho ng cách nƠy g i lƠ kh đ

7

ng s t. L p đá


ba lát lƠ đá dăm thô (đá xay, đá v n) có tính ch t vừa c ng vừa đƠn h i (khó vỡ),
l p đá ba lát cịn có ch c năng tiêu thốt n

c.

NgoƠi ra thanh ray cịn có thể đặt tr c ti p lên t m bê tông. Trên đo n đ
ch y qua cầu, thanh tƠ vẹt hay đ

ng

c g n tr c ti p lên dầm d c g , bê tông c t thép

hoặc thép.

Hình 2.4.Đ

ng ray đặt trên bê tơng

2.1.2.Tàu h a
Tàu h a là m t lo i ph
Tàu h a ch y trên đ

ng ti n giao thông g m đầu tàu và các toa n i l i.

ng s t vƠ đ

c dùng để v n chuyển ng

i, trang thi t b hay

các v t t khác. M t con tàu có thể l p m t hay nhi u h n s đầu tàu và các toa,
trong đó có thể là toa hành khách và toa hàng. Nhi u con tàu l p đặt β đầu máy
đầu tàu, g i là hai đầu kéo. M t con tƠu cũng có thể ch y ng
tr

c (t c đi tƠu ch y

c, đầu máy ch y sau). Tàu h a là thành t trung tâm c a v n t i đ

lo i hình v n t i ph bi n vƠ t

ng đ i rẻ ti n.

Hình 2.5.TƠu h a

8

2

ng s t - m t


2.2.Hình d ng vƠ kích th

c hình h c c a ray[9]

L c ch y u quy t đ nh hình d ng c a ray lƠ l c thẳng đ ng do bánh xe truy n
xu ng. D

i tác d ng c a l c nƠy, ray b u n nh

m t dầm dặt trên các g i đƠn

h i. Ta bi t rằng: m t dầm ch u u n t t nh t khi mặt c t c a nó có d ng hình ch I.
Vì v y, ng

i ta l y hình ch I lƠm c s để thi t k mặt c t c a ray. Đầu ray ph i

ti p xúc t t v i mặt lăn bánh xe, thơn ray không quá dƠy để g bánh không va vƠo
thân ray.
Mặt đ nh ray lƠm h i l i v i bán kính

1 để

v i tr c ray. Theo kinh nghi m khai thác đ

l c truy n từ bánh xe xu ng trùng

ng s t, tr s R1 = 200 ÷ 300 mm là

phù h p. Bán kính R1 càng nh thì ng su t ti p xúc

mặt đ nh ray càng l n. Ray

P43 có Ri = 300mm, chi u r ng mặt đ nh ray B = 70mm.

Để chuyển từ mặt đ nh ray sang má ray, ng
r1 = 1γmm t

i ta dùng mặt cong có bán kính

ng ng v i bán kính ch mặt cong chuyển từ g bánh xe sang mặt lăn

bánh xe.
Má ray làm thẳng đ ng đ i v i các lo i ray ≤ P4γ hoặc nghiêng ra ngoài v i
đ nghiêng 1:3 hoặc 1:4 đ i v i các lo i ray ≥ Pη0.
Từ má ray chuyển sang cằm ray (mặt d

i c a đầu ray), ng

cong bán kính r2 để tăng di n tích ti p xúc v i l p lách th
có r2 = 2mm. Mặt d

i ra dùng mặt

ng dùng r2 nh . Ray P43

i c a đầu ray có đ d c 1:m gi ng mặt trên đ ray. Ray P43

có 1:m = 1:3, các lo i ray ≥ Pη0 có 1:m = 1:4.

Hình 2.6.Hình d ng mặt c t ray

9

Từ đầu ray chuyển sang thơn ray ng

i ta dùng các mặt cong có bán kính r3 =

3 ÷5 mm và r4 = 10 ÷16 mm.
Mặt c a thân ray làm thẳng đ ng v i các lo i ray ≤ Pγ8, các lo i ray ≥ P4γ,
mặt thân ray là mặt cong R3 = 350 ÷ 450 mm. Ray P43 có R3 = 350 mm.
Chuyển ti p từ thơn ray sang đ ray ng
ph i t

i ta dùng r3 = 15 ÷ 2η mm. Đ ray

ng đ i dƠy để đ m b o sau khi ra lò, đ ray không b ngu i nhanh quá.

Chi u r ng c a đ ray căn c vào chi u cao c a ray và ph i đ m b o n đ nh để
ch ng b l t ray.
Tỷ l chi u r ng và chi u cao c a ray th
Tùy theo kỹ thu t ch t o c a từng n

ng dùng là

�

= 0,81 ÷ 0,89.

c nên ray có chi u dài khác nhau: Liên

Xơ dùng ray dài 12,5 m và 25 m, Trung Qu c dùng ray 12,5 m, Pháp 18 ÷ 24 m.
Đ c có 3 lo i: 38, 45 và 60 m, Anh 11,89 và 18,29 m, Mỹ 11,89 vƠ βγ,78 m …

Hình 2.7.Mặt c t ray P43
2.3.Ph tùng n i gi ray
2.3.1.Yêu cầu đ i v i ph tùng n i gi ray[9]

10


Ph tùng n i gi ray cần đ m b o liên k t chặt gi a ray v i tà vẹt và gi a ray
v i ray để gi c ly ray đ

c t t vƠ đ m b o ray khơng b xơ.

Ph i có đ b n cao, đặc bi t đ i v i tƠ vẹt bê tơng có tu i th cao, do đó u
cầu ph tùng n i ray cũng ph i có tu i th t

ng ng.

Ph i có đ đƠn h i cao, đ i v i tƠ vẹt b tơng có tu i th cao do đó yêu cầu
ph tùng n i gi ray cũng ph i có tu i th t
Có kh năng gi c ly đ

ng ng.

ng ray khơng đ i, có thể đi u ch nh c ly ray d

dàng, chính xác.
Các chi ti t đ n gi n, g n nhẹ, để ch t o vƠ sửa ch a, l p ráp. Ph ki n liên
k t cần m t l

ng s t thép l n, do đó thi t k cần đ m b o để gia cơng vƠ có thể ch

t o hƠng lo t để h giá thƠnh.
Đ m b o có thể đi u ch nh cao đ ray trong quá trình sửa ch a mƠ khơng ph i
nơng vƠ chin tƠ vẹt.
Có thể dùng cho ray hƠn li n.
Thu n ti n vƠ đ n gi n trong kiểm tra vƠ thay th .
2.3.2.Ph ki n gi ray v i tà vẹt g [9]
Để ray đặt tr c ti p lên tƠ vẹt vƠ đ

c ghìm gi vƠo tƠ vẹt bằng đinh móc,

đinh vít hoặc đinh đƠn h i. Dùng γ đinh để ghìm gi đ ray: hai đinh đóng phía lịng
trong đ

ng vƠ m t đinh đóng phía ngoƠi. D

i tác d ng c a l c thẳng đ ng P vƠ

l c ngang Q, đ nh phía trong ch ng l c nh , đinh ngoƠi ch ng l c đ y ngang. Đinh
móc th

ng có mặt c t hình vuông, m i c nh 1θmm, dƠi 1θη mm đ

c ch t o từ

thép CT1, CTβ, CTγ vƠ không b n t khi u n ngu i.
Để th c hi n đ nghiêng c a ray, t i ch kê ray, mặt tƠ vẹt ph i đ o v i đ d c
1:20.

11

Hình 2.8. Liên k t ray v i tƠ vẹt g
Tr

c khi đóng đinh, ng

i ta ph i khoan l sơu 1β0 mm, r ng 1β mm để các

th g khơng b phá ho i. Nh v y có thể tăng s c ch ng nh c a đinh móc lên
γ0% vƠ tăng s c đ p ngang lên β0%. Đ i v i tƠ vẹt g thông m i, l c ghìm gi
ch ng nh c a đinh móc lƠ β000kg, l c ch ng đ p ngang bằng 0,7η l c ch ng nh .
Đ i v i đinh vít, l c ch ng nh l n h n 0,η đ n 1 lần so v i đinh móc vƠ l c
ch ng đ p ngang.
Liên Xơ, Trung Qu c, Vi t Nam dùng đinh móc lƠ ph bi n,
Tơy Âu ng

i ta th

các n

c

ng dùng đinh vít.

Trên hình β.9 biểu th hình d ng vƠ kích th
Liên Xơ.

12

c c a đinh móc vƠ đinh vít c a


Hình 2.9.Hình d ng, kích th

c c a đinh móc vƠ đinh vít c a Liên Xơ

Để đ m b o ghìm gi ray tƠ vẹt đ

c ch c ch n, ng

Hình biểu th m t s lo i đinh đƠn h i đƣ đ

c sử d ng

Lo i ph ki n n i gi ray do di n tích ch u l c d
th

i ta dùng đinh đƠn h i.

Áo, Anh, Th y Sĩ vƠ Mỹ.
i đ ray quá nh nên đ ray

ng c a vƠo tƠ vẹt lƠm cho tƠ vẹt ch ng h ng.

Hình 2.10.Các lo i đinh đƠn h i
Để tăng th i h n sử d ng c a tƠ vẹt g , ng

i ta đặt thêm t m đ m thép kê đ

ray.
2.3.3.Ph ki n gi ray v i tà vẹt bê tông[9]
Ray đặt tr c ti p lên t m lót đƠn h i, khơng dùng đ m s t, t m lót cao su đ

c

a chu ng h n t m lót g vì nó ít h h ng, th i gian sử d ng lơu h n vƠ ít b bi n
d ng d .
Để ghìm gi ray vƠo tƠ vẹt, ng

i ta dùng cóc c ng hoặc cóc đƠn h i, m t đầu

cóc tỳ tr c ti p vƠo tƠ vẹt hoặc tỳ vƠo t m lót đƠn h i, cịn m t đầu cóc ép lên đ
ray, sau đó dùng đinh tia r phơng hoặc bu lơng ghìm chặt vƠo tƠ vẹt.
Trên hình biểu th liên k t dùng đinh tia r phông c c c a Liên Xơ, lo i nƠy
dùng cóc đƠn h i RN, m t đầu cóc tì vƠo t m lót đƠn h i. Đinh tia r phông đ

c

b t vƠo lõi g chon trong bê tông. Lo i ph i ki n nƠy luôn ép m t cách đƠn h i
xu ng ray, mặt khác ng

i ta có thể thay đ i chi u dƠi lá thép d

c các cóc RN để

có thể dùng cho nhi u lo i ray có chi u r ng đ ray khác nhau mƠ không cần thay
đ i kích th

c vƠ v trí các đinh tia r phông. Tuy v y cần l u Ủ lƠ vi c thay ray ch

th c hi n đ

c khi đầu n m ray m i vƠ ray cũ có b r ng gi ng nhau.

13


Hình 2.11.Ph i ki n tia r phơng cóc c a Liên Xơ
1. T m lót đƠn h i d

i chơn cóc

β. T m lót đƠn h i d

i ray

γ. Đ m cách đi n

mi ng cóc

4. Đinh tia r phơng
η. Cóc đƠn h i
θ. Lõi g
2.3.4.M i n i ray và ph ki n m i n i[9]
2.3.4.1.M i n i ray
M i n i lƠ ch n i hai đầu ray v i nhau, chi u r ng khe h m i n i ph i đ m
b o hai đầu ray có thể co giƣn khi nhi t đ thay đ i. Khi bánh xe lăn qua m i n i,
phát sinh l c xung kích tác d ng lên ray. Vì v y, v mặt c u t o vƠ bi n pháp duy tu
b o qu n m i n i có Ủ nghĩa quan tr ng để duy trì tr ng thái c a tuy n đ

ng.

M i n i đ i x ng có s lần l c xung kích tác d ng lên m i n i gi m đi m t
nửa so v i m i n i so le, toa xe ch y qua n đ nh h n vƠ có thể c gi i hóa đặt ray.

14


a) M i n i đ i x ng b) M i n i so le
Hình 2.12. M i n i đ

a) M i n i kê đ n

ng ray

b) M i n i treo

c) M i n i kê kép

Hình 2.13.B trí tƠ vẹt ch m i n i
2.3.4.2.Ph ki n liên k t m i n i
Để liên k t hai đầu ray, ng
ray không b xê d ch theo ph

i ta dùng l p lách vƠ bu long, đ m b o hai đầu

ng thẳng đ ng.

K t qu nghiên c u cho th y l p lách lƠm vi c nh m t món dầm t a trên hai

g i. Nh ng lo i l p lách có ti t di n dẹt, l p lách có đi, l p lách có t m đ m đ u
khơng thích h p khi ch u u n có nhi u nh

c điểm. Vì v y đ i v i ray P4γ vƠ Pη0

hi n nay dùng l p lách hai đầu, lo i nƠy c ng, kh e, mặt ti p xúc v i ray r ng nên
lƠm vi c t t.

Hình 2.14.Các lo i l p lách dẹp
Lo i l p lách hai đầu c a Liên Xô ch t o từ thép cacbon Mactanh CTθ vƠ
CT7, lo i l p lách dùng cho ray P4γ vƠ Pη0 có θ l bu lơng.

15