Báo cáo khoa học: "MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÔ PHỎNG TRONG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MỘT SỐ MÁY VÀ THIẾT BỊ SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG TIÊU BIỂU"

MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MƠ PHỎNG
TRONG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MỘT SỐ MÁY
VÀ THIẾT BỊ SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG TIÊU BIỂU
PGS. TS. NGUYỄN VĂN VỊNH
KS. NGUYỄN THOẠI ANH
Bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ
Khoa Cơ khí
Trường Đại học Giao thơng Vận tải
Tóm tắt: Báo cáo trình bày tóm tắt những kết quả nghiên cứu thu được khi tiến hành đề
tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2006-04-18 “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mơ phỏng trong
tính tốn, thiết kế một số máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng tiêu biểu”. Các kết quả của
đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ cho việc tính tốn thiết kế, chế tạo
trong nước các thiết bị như: máy sàng, máy trộn BTXM, hệ thống rung động đúc dầm BTCT và
phục vụ giảng dạy.
Summary: The report briefly represents achieved result when carrying out scientific
research subject at ministerial level B2006-04-18 “Study and Application of imitation
technology in calculation and design of machinery and production equipment for specific
construction material”. Results of this subject can be used as useful reference for calculation,
design and domestic manufacturing of equipments such as: sieve machine concrete mixing
plant, reinforced-concrete girder casting system as well as for training.
CK

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm đổi mới vừa qua, dưới sự lãnh đạo của Đảng sự nghiệp phát triển kinh
tế-xã hội của đất nước đã thu được những thắng lợi hết sức to lớn. Cơ sở hạ tầng, bộ mặt của
các đô thị đạng thay đổi từng ngày. Đóng góp vào thành tích chung đó có những đóng góp của
ngành xây dựng dân dụng, xây dựng các cơng trình giao thơng, thuỷ lợi… Cùng với tốc độ phát
triển của ngành xây dựng là nhu cầu ngày càng lớn các máy móc thiết bị thi cơng nói chung,
máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng nói riêng. Để đáp ứng nhu cầu trên, ngành chế tạo
máy nước nhà cần phải có những bước đột phá trong q trình nội địa hố, chế tạo sản phẩm cơ
khí trong nước.

Để tiết kiệm ngoại tệ, tận dụng tiềm năng cơ khí trong nước, các đơn vị cơ khí, các viện
nghiên cứu trong nước đã mạnh dạn tính tốn, thiết kế, chế tạo các máy móc thiết bị, sản xuất
vật liệu xây dựng nhằm thay thế thiết bị ngoại nhập. Qua quá trình sử dụng các thiết bị chế tạo
trong nước đã bộc lộ một số nhược điểm cơ bản như chất lượng còn thấp, tuổi thọ ngắn, độ tin
cậy, độ bền chưa cao.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, nhiều phần mềm mạnh của công
nghệ CAD, CAM đã xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi. Kỹ thuật mô phỏng ngày càng phát
triển, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó có ngành chế tạo máy.
Do máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng rất đa dạng và phong phú về chủng loại nên
bước đầu chúng tôi chỉ lựa chọn 03 loại máy tiêu biểu cho các nhóm máy là: máy sàng, máy


trộn bê tông xi măng và hệ thống rung động đúc dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực làm đối
tượng nghiên cứu của đề tài.
II. NỘI DUNG
2.1. Đánh giá tình hình chế tạo, sử dụng máy sàng, máy trộn bê tông xi măng, bàn rung
hiện nay ở Việt Nam
Qua quá trình khảo sát ở các đơn vị xây dựng CTGT lớn ở Việt Nam là Tổng công ty xây
dựng Thăng Long, Tổng công ty xây dựng CTGT 8 và một số đơn vị khác. Chúng tôi thấy rằng
đa số các máy móc thiết bị nói trên chủ yếu là thiết bị ngoại nhập.
Để chế tạo các trạm trộn BTXM, bê tơng nhựa nóng và các loại bàn rung đúc cấu kiện bê
tông cốt thép, hiện nay ở Việt Nam đã có một số đơn vị tự thiết kế, chế tạo các loại máy sàng,
máy trộn BTXM, bàn rung, hệ thống rung động đúc dầm.
Đối với các loại trạm trộn BTNN, cơng ty cơ khí ơtơ 1/5, cơng ty cơ khí cơng trình và một
số đơn vị cơ khí khác bên cạnh với việc nhập khẩu các loại máy sàng từ Hàn Quốc, đã chế tạo
lắp đặt sàng rung quán tính trên trạm để thay thế thiết bị nhập ngoại. Từ thực tế đưa vào sử dụng
đã cho thấy, các loại máy sàng chế tạo trong nước có chất lượng chưa cao và tuổi thọ ngắn khi
làm việc trong mơi trường khắc nghiệt, nhiều bụi.
Qua q trình khảo sát tình hình sử dụng và chế tạo các loại máy sàng, máy trộn BTXM, hệ
ván khuôn đúc dầm BTCT hiện nay ở Việt Nam chúng tơi có một số nhận xét sau đây:

- Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và kỹ thuật mô phỏng chúng ta hồn
tồn có thể tự thiết kế, chế tạo trong nước các loại thiết bị trên để thay thế thiết bị nhập ngoại
với sự trợ giúp của các phần mềm tiên tiến hiện có.
- Với khả năng cơng nghệ của nền cơ khí nước nhà, chúng ta hồn tồn có thể làm chủ
công nghệ và chế tạo được các sản phẩm có chất lượng tương đương các thiết bị nhập ngoại nếu
chúng ta có những cơng trình nghiên cứu cơ bản, toàn diện về các máy và thiết bị sản xuất
VLXD.
2.2. Mô phỏng hoạt động của một số máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng tiêu
biểu
2.2.1. Máy sàng rung
Ứng dụng ngơn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 để tính tốn năng suất và cơng suất của
máy sàng rung vơ hướng, máy sàng rung có hướng
Dựa trên các cơng thức tính tốn năng suất và cơng suất của máy sàng rung đã được diễn
giải chi tiết trong các tài liệu chuyên ngành, với mục đích khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến
năng suất và công suất của máy, chúng tơi đã sử dụng ngơn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 để
xây dựng chương trình tính tốn với sơ đồ thuật tốn như trên hình 1.
Ứng dụng phần mềm Dynamic Designer Motion mơ phỏng q trình thiết kế và lắp ghép
máy sàng rung.
Trên cơ sở khai thác các tính năng ưu việt của phần mềm Dynamic Designer Motion
(DDM) chúng tôi đã tiến hành thiết kế và mô phỏng hoạt động của máy sàng rung. Kết quả cụ

CKck

ck


thể thể hiện trên hình 3.

Hình 1. Sơ đồ thuật tốn xác định năng suất, cơng suất của máy sàng rung

CK

Hình 2. Giao diện tính tốn năng sất và cơng suất của máy sàng rung

Hình 3. Hình vẽ tổng thể của máy sàng rung vô hướng trong Inventor

2.2.2. Máy trộn bê tơng xi măng
Ứng dụng ngơn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 để tính tốn năng suất và cơng suất của
máy trộn
Tương tự như trên, chúng tôi cũng xây dựng chương trình tính năng suất và cơng suất của
máy trộn với sơ đồ thuật tốn như trên hình 4.


Hình 4. Sơ đồ khối thuật tốn xác định năng suất, cơng suất máy trộn kiểu Rơto, hành tinh

CKck

ck

Hình 5. Giao diện tính tốn năng sất và cơng suất của máy trộn kiểu Rôto, hành tinh


Ứng dụng phần mềm Dynamic Designer Motion mô phỏng quá trình thiết kế và lắp
ghép máy trộn bê tơng xi măng kiểu rô to.
Tương tự như trên, chúng tôi cũng tiến hành mô phỏng cho máy trộn bê tông xi măng kiểu
Rơ to

Hình 6. Mơ hình máy trộn bê tơng xi măng kiểu Rô to được mô phỏng

2.3. Nghiên cứu động lực học của một số máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng tiêu

biểu
2.3.1. Nghiên cứu động lực học của bộ máy trộn bê tông xi măng kiểu dẫn động ngang một
trục
Với mục đích đặt ra là nghiên cứu ảnh hưởng của các lực động tới biến dạng các trục trong
hệ máy trộn của trạm trộn HZ25 - (do Trung Quốc chế tạo) trong quá trình vận hành máy. Để
đơn giản, trong quá trình nghiên cứu nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cho phép, chúng tơi đưa
ra mơ hình bài tốn như sau:
CK

(a)

(b)

Hình 7. Sơ đồ ngun lý của bộ máy trộn (a) và mơ hình động lực học (b)
1- Động cơ điện; 2- Hộp gảm tốc; 3- Bộ truyền xích; 4- Vỏ thùng trộn; 5-Bàn tay trộn;
6- Cánh tay trộn; 7- Trục trộn; 8- ổ bi đỡ

Viết phương trình chuyển động và kết quả bài tốn.
Chúng tơi sử dụng phương trình Lagrange loại 2 để thiết lập phương trình chuyển động cho
mơ hình đã lập và có kết quả như sau:
Hệ phương trình vi phân chuyển động.

⎧⎪J1r .&q&1 + Sq1 − S.i.q 2 = M(q& 1 )
⎨ r
⎪⎩J 2 &q& 2 − S.i.q1 + S.i 2 .q 2 = M C
Hệ này có thể biểu diễn dưới dạng ma trận như sau:


⎡J1r 0 ⎤ ⎡&q&1 ⎤ ⎡S − i.S ⎤ ⎡q1 ⎤ ⎡M (q& 1 )⎤
x

⎢
⎥x⎢ ⎥ + ⎢
⎥=⎢
⎥
2 ⎥ ⎢
r
&&
⎣⎢ 0 J 2 ⎥⎦ ⎣q 2 ⎦ ⎣− i.S i S ⎦ ⎣q 2 ⎦ ⎣M C ⎦
Kết quả bài tốn

Dùng phần mềm MATLAB 7.02 giải hệ phương trình với các thông số cụ thể. Kết quả cho
chúng ta đồ thị chuyển vị, đồ thị vận tốc, đồ thị gia tốc của trục động cơ điện, của trục trộn.

Hình 8. Sơ đồ giải phương trình bằng Simulink

CKck

ck

Hình 9. Đồ thị biểu diễn gia tốc, vận tốc, chuyển vị góc q1, q2, mô men động trên trục trộn

Nhận xét:

- Các đồ thị cho kết quả sát với lý thuyết, do đó mơ hình mà đề tài xây dựng là phù hợp.
Vận tốc góc và gia tốc góc của trục động cơ ở thời điểm mở máy (khoảng 2/20s) có giá trị rất
lớn, sau đó giá trị ổn định, giá trị của gia tốc góc gần bằng khơng. Từ đó, chúng ta thấy rằng
phải điều chỉnh tốc độ động cơ trong giai đoạn mở máy để giảm giá trị gia tốc góc, tăng thời
gian mở máy.
- Trên đồ thị hình 9, vận tốc góc của trục động cơ biến thiên từ 0 cho đến giá trị ổn định
trong một khoảng thời gian rất ngắn, do đó gia tốc góc của trục trộn cũng tăng nhanh và giảm

đột ngột về 0. Như vậy trong giai đoạn mở máy trục trộn phải chịu thêm một mơ men qn tính
tương đối lớn. Do đó khi tính tốn thiết kế chúng ta phải kể đến đại lượng này.


2.3.2. Nghiên cứu động lực học của máy sàng rung
Mô hình dao động của sàng rung

y

m
my
Fx

Sx
Kx

F
Sy/2

(a)

α

Fy

x

mx

Ky/2

Sy/2

(b)

Hình 10. Mơ hình dao động của sàng rung có hướng (a); vơ hướng (b)

Phương trình dao động của sàng rung có hướng
Xét phương trình cân bằng lực theo hai phương X và Y đối với sàng rung có hướng ta có:
Theo phương X (phương ngang):
..

.

m. X + K X . X + SX .X = m 0 .r0 .ω2 . cos(α).sin(ω.t )
Theo phương Y (phương thẳng đứng):
..

.

m. Y + K y . Y + S y .Y = m 0 .r0 .ω 2 . sin(α ). sin(ω.t )

Xét phương trình cân bằng lực theo hai phương X và Y đối với sàng rung vô hướng ta có:
Theo phương X (phương ngang):
..

CK

(mh+m). X + Kx.X = mr ω 2cos( ω t)
Theo phương Y (phương thẳng đứng):

..

(mh+m). Y + Ky.Y = mr ω 2sin( ω t)
Ứng dụng phần mềm Matlab - Simulink để giải bài toán dao động của sàng rung

Hình 11. Sơ đồ khối giải phương trình dao động sàng rung có hướng, vơ hướng


Giải bài tốn với các thơng số của một máy sàng cụ thể

Máy sàng rung có hướng mã hiệu PDU do Cộng hồ liên bang Nga chế tạo có các thơng số
kỹ thuật như sau:
- Góc dao động so với phương ngang

α = 380

- Độ cứng theo phương dao động X :

SX = 1,418.104 N/m

- Độ cứng theo phương dao động Y:

Sy = 84.103 N/m

- Khối lượng dao động của toàn hệ

mh = 1915 kg

- Hệ số dập tắt dao động theo phương X: Kx = 1,68.103 Ns/m
- Hệ số dập tắt dao động theo phương Y:

KY = 280 Ns/m

- Khối lượng lệch tâm

m = 83 kg

- Bán kính lệch tâm

r = 0,0515 m

Nhập các thông số của sàng như trên vào chương trình Simulink, tiến hành chạy chương
trình, thu được kết quả như trên hình 12.

CKck

ck

Hình 12. Dao động của mặt sàng rung có hướng theo phương dao động Y, X

Nhận xét

Với loại sàng rung có các thơng số như trên thì biên độ dao động của sàng theo phương dao
động Y (phương trục của lị xo) có trị số Ay = 4 mm, biên độ dao động theo phương dao động X
(phương vng góc với trục của lị xo) có trị số Ax = 3,5 mm.

Hình 13. Dao động của mặt sàng rung có hướng theo phương dao động Y, X


Nhận xét

Với loại sàng rung có các thơng số như trên thì biên độ dao động của sàng theo phương
thẳng đứng (phương Y) có trị số Ay = 3 mm, biên độ dao động theo phương ngang (phương X)
có trị số Ax = 1,4 mm.
2.3.3. Nghiên cứu động lực học hệ thống rung động đúc dầm cầu bê tông cốt thép dự
ứng lực
Xây dựng mơ hình động lực học

Dựa trên kết cấu thực của hệ thống rung động đúc dầm ở hình 14, sau khi đã sử dụng các
giả thiết để đơn giản hố, chúng tơi có được mơ hình động lực học một khối lượng thể hiện trên
hình 15.
7

5

4

6

3
2
8

1

CK

Hình 14. Mặt cắt ngang hệ thống rung động đúc dầm BTCT.
1- Tấm ván đáy; 2- Tà vẹt bê tông; 3- Tăng đơ liên kết giữa tà vẹt và ván khuôn; 4- Ván khuôn thép;
5- Tăng đơ liên kết ván khuôn hai bên; 6- Đầm rung; 7- Dầm BTCT; 8- Nền đất rải đá dăm

Y
m

∑P

y

S

K

X

O

Hình 15. Mơ hình động lực học một khối lượng.

Phương trình chuyển động của hệ:

m&y& + ky& + sy =

∑ p.sin ωt

Lực động của hệ tác dụng xuống nền:
Fđ = K.y& + sy

Trong đó:
m - Khối lượng quy dẫn của hệ; s, k - Hệ số độ cứng và hệ số dập tắt dao động quy dẫn của

nền; y - Chuyển vị theo phương đứng của m.
Xây dựng mơ hình thuật tốn và giải trên Matlab-Simulink

Hình 16. Sơ đồ khối thuật tốn giải hệ phương trình chuyển động

Các kết quả thu được như chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực động tác dụng xuống nền được
thể hiện trên các hình 17 và hình 18 sau đây:

CKck

ck

Hình 17. Chuyển vị, vận tốc của thành ván khn

Hình 18. Gia tốc của thành ván khuôn; lực tác động của hệ ván khuôn lên nền

Nhận xét:

- Chúng tôi tiến hành nghiên cứu động lực học của hệ thống rung động đúc dầm BTCT dự
ứng lực có kích thước lớn và kết quả nghiên cứu cho thấy: Biên độ dao động của thành ván
khuôn trong một hệ thống cụ thể đưa vào tính tốn - trên cơng trường TAISEI phía bắc cầu
Thăng Long trung bình A = 0,4 mm. Như vậy là hợp lý vì người ta thường quy định giá trị này
[A] = 0,4 ÷ 0,8 mm.


- Có thể sử dụng mơ hình động lực học trên để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ
rung động của hệ thống, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng đầm lèn của phiến dầm.
III. KẾT LUẬN

Công trình nghiên cứu của chúng tơi đã thực hiện các nội dung cơ bản sau đây:

1. Khảo sát tình hình chế tạo sử dụng máy sàng, máy trộn BTXM, bàn rung hiện nay ở Việt
Nam.
2. Ứng dụng phần mềm Dynamic Designer mô phỏng hoạt động và sử dụng ngôn ngữ lập
trình Visual Basic 6.0 để xây dựng chương trình tính năng suất, công suất của các loại thiết bị
trên.
3. Nghiên cứu động lực học của máy sàng, máy trộn bê tông xi măng và hệ thống rung
động đúc dầm BTCT dự ứng lực.
4. Từ các kết quả khảo sát ảnh hưởng của các thông số cấu tạo và thông số làm việc đến
quá trình làm việc của các thiết bị bằng mơ hình động lực học, đề tài đã chỉ ra những giá trị hợp
lý của những thông số trên và quy trình tính tốn, thiết kế các loại máy trên theo quan điểm
động lực học.
5. Ngồi ra, chúng tơi đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định độ cản nhớt của
các loại vật liệu và tìm hiểu bản chất của quá trình truyền dao động từ vỏ ván khuôn vào bên
trong bê tông cốt thép.
Các kết quả khoa học mới được thể hiện ở chỗ:
- Xác định được giá trị độ cản nhớt của các loại vật liệu khác nhau.
CK

- Xây dựng được các chương trình mơ phỏng hoạt động và nghiên cứu tính tốn động lực
học các loại thiết bị đã lựa chọn.

Các kết quả nghiên cứu thu được như đã trình bày ở trên có ý nghĩa khoa học và thực tiễn,
có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ sản xuất và đào tạo.
Tài liệu tham khảo
[1] - TS. Trần Quang Quý, TS. Nguyễn Văn Vịnh, TS. Nguyễn Bính; Máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây
dựng; Nhà xuất bản giao thông vận tải 2001
[2] - TS. Nguyễn Thiệu Xuân, PGS-TS. Trần Văn Tuấn, KS. Nguyễn Thị Thanh Mai, ThS. Nguyễn Kiếm
Anh; Máy sản xuất vật liệu và cấu kiện xây dựng; Nhà xuất bản xây dựng, Hà nội 2000
[3] - Nguyễn Hữu Tình, Lê Tuấn Hùng, Phạm Thị Yến Ngọc, Nguyễn Thị Lan Hương; Cơ sở Matlab và
ứng dụng; Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2001

[4] - Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Kiểm, Nguyễn Trung Dũng, Hà Trấn Đức; Lập tình Matlab; Nhà
xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2003
[5]- Nguyễn Thị Ngọc Mai; Microsoft VisualBasic Lập trình cơ sở dữ liệu 6.0; Nhà xuất bản Lao động Xã hội
[6] - TS. Nguyễn Văn Vịnh; Động lực học Máy xây dựng - Xếp dỡ; Trường đại học Giao thông Vận tải,
Hà nội, 2006
[7] - Tổng công ty xây dựng Sông Đà; Sổ tay Máy xây dựng; Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà nội,
2000
[8] - PGS-TS. Trần Văn Tuấn; Cơ sở kỹ thuật rung trong xây dựng và sản xuất vật liệu xây dựng; Nhà
xuất bản Xây dựng, Hà nội, 2005♦


CHẨN ĐỐN KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ DIESEL
BẰNG PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG VÀ PHÂN TÍCH DẦU BƠI TRƠN
GS. TS. ĐỖ ĐỨC TUẤN
Bộ môn Đầu máy - Toa xe

ThS. LÊ LĂNG VÂN
Bộ mơn Kỹ thuật máy
Khoa Cơ khí
Trường Đại học Giao thơng Vận tải
Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu phân tích dầu bơi trơn và phân tích dao động
trong chẩn đoán kỹ thuật. Bài báo đánh giá khả năng ứng dụng của phân tích dầu bơi trơn và
phân tích dao động trong thực tế. Bài báo cũng đề cập tới khả năng của phương pháp này
trong chẩn đốn tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel dựa trên các kết quả phân tích dầu bơi
trơn và hạt mài mịn tại Xí nghiệp Đầu máy Hà nội, Việt Nam..
Summary: This paper presents a research of oil and vibration analysis in machine
condition monitoring and evaluating the use of oil and particle analysis in practice. The paper
also mentions to capable of this method in diesel engine diagnostic based on the result of oil
and vibration analysis at Hanoi Locomotive Entreprise, Vietnam.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Phân tích dầu bơi trơn và phân tích dao động là một phương pháp đã và đang được nghiên
cứu ứng dụng trong chẩn đốn kỹ thuật máy móc nói chung và động cơ đốt trong nói riêng. Nhờ
những tiến bộ của các thiết bị phân tích, phân tích dầu bơi trơn và phân tích dao động ngày càng
trở nên hiệu quả và trở thành một cơng cụ trong chẩn đốn tình trạng kỹ thuật của động cơ đốt
trong và thiết bị máy móc. Những tiến bộ này đã làm cho kết quả chẩn đốn có độ tin cậy cao
hơn, ngăn ngừa được một số các hư hỏng bất thường và giảm thiểu thời gian dừng máy để sửa
chữa hay bảo dưỡng. Bài báo đề cập đến một khía cạnh của phân tích tích dầu bơi trơn đó là
phân tích hình dáng hạt mài mịn, kích thước và số lượng hạt mài mịn có trong dầu bơi trơn dựa
trên kết quả phân tích các mẫu dầu bơi trơn động cơ diesel trên đầu máy D12E sử dụng tại Xí
nghiệp Đầu máy Hà nội.
II. NỘI DUNG
2.1. Ứng dụng của phân tích dầu bơi trơn

Hạt mài mịn trong dầu bơi trơn động cơ diesel cho các thơng tin quan trọng về tình trạng
kỹ thuật của động cơ vì vậy phân tích dầu bơi trơn trở thành một cơng cụ để chẩn đốn kỹ thuật
động cơ diesel. Các công ty đường sắt của Mỹ vào cuối những năm 40 và đầu những năm 50 đã
nhận ra rằng kim loại trong dầu bôi trơn đã cho biết tình trạng mịn của các chi tiết máy trên
động cơ điêzen của đầu máy. Ngày nay phân tích dầu bơi trơn và hạt mài mịn đã được sử dụng
để chuẩn đốn tình trạng kỹ thuật của rất nhiều loại máy khác nhau như động cơ, hộp số của
máy bay trực thăng, các loại máy móc xây dựng, giao thơng hay các nhà máy cơng nghiệp khác.
Phân tích dầu bơi trơn và hạt mài mòn tiến hành cùng với phân tích dao động đã trở thành một
cơng cụ hiệu quả để chuẩn đốn tình trạng kỹ thuật của máy móc trong các ngành cơng nghiệp
nói chung và ngành giao thơng vận tải nói riêng.
Các chi tiết máy của động cơ diesel như píttơng, xécmăng, xilanh, bạc trục, bánh răng... sẽ
sinh các hạt kim loại nhỏ, mịn trong quá trình làm việc bình thường. Vào thời điểm mịn khốc
liệt kích thước của hạt sẽ tăng lên và hình dạng của hạt cũng thay đổi. Người ta đã xác định

CKck

ck


được dạng hạt thay đổi liên quan như thế nào đến dạng mài mịn. Do đó việc phân tích dạng hạt
mài mòn cho phép xác định được trạng thái mòn trong máy và từ đó có thể xác định được tình
trạng kỹ thuật của máy. Ưu điểm của phân tích dầu bơi trơn và hạt mài mịn là:
- Nhiều thơng tin tình trạng kỹ thuật của máy chỉ có thể thu được từ q trình phân tích
dầu bơi trơn.
- Mức độ đầu tư về trang thiết bị khơng địi hỏi quá cao.
- Dầu bôi trơn chứa đựng các thông tin về dạng hỏng của nhiều chi tiết khác nhau.
Kết hợp phân tích dao động và phân tích dầu bơi trơn mang lại một cơng cụ hiệu quả trong
chẩn đốn kỹ thuật động cơ diesel nói riêng và máy móc nói chung.
2.2. Phân tích thành phần kim loại

Phân tích thành phần kim loại có trong dầu bơi trơn có thể biết được nguồn gốc hạt mài
mòn. Khi xuất hiện nguyên tố Crơm, nguồn gốc của các hạt mài mịn này có thể là từ xéc măng,
xilanh. Nếu thành phần sắt trong mẫu dầu cao, nguồn gốc hạt mài mòn từ hai loại chi tiết trên có
thể được dự báo với mức độ tin cậy nhất định. Để có các dự đốn với độ tin cậy cao, cần dựa
vào hình dáng hạt mài để phân biệt với các nguồn gốc phát sinh khác. Khi xuất hiện nguyên tố
đồng (Cu), nguồn gốc có thể là từ bạc biên hay các loại ổ trượt. Nếu xuất hiện cùng với đồng
cịn có thiếc với hàm lựơng cao thì có thể dự đốn hạt này có nguồn gốc phát sinh từ bạc biên.
Máy phân tích thành phần kim loại dùng trong nghiên cứu này là Máy phân tích thành phần kim
loại ALLOY PRO 9388 (hình 1).

CK

Hình 1. Máy phân tích thành phần kim loại ALLOY PRO 9388

Hình 2. Xác định thành phần kim loại của Píttơng động cơ trên đầu máy D12E

2.3. Phân tích hình dáng hạt mài mịn

Mẫu dầu sử dụng trong nghiên cứu này được lấy từ các đầu máy diesel D12E sử dụng tại
Xí nghiệp Đầu máy Hà nội trong khoảng thời gian từ tháng 2/2006 đến tháng 4/2007. Q trình
mài mịn bình thường từ các mẫu dầu trên đầu máy 660, 657, 658, số lượng hạt ít và kích thước
hạt nhỏ (từ 0,2 đến 5 μm).

Hình 3. Mẫu dầu có hạt mài mịn (lấy từ Đầu máy 660 ngày 17/5/2006)

CKck

ck

Hình 4. Mẫu dầu có hạt mài mịn nhiều và kích thước hạt bắt đầu tăng
(lấy từ Đầu máy 658 ngày 18/5/2006)

Q trình mài mịn khác nhau sẽ sản sinh các hạt mài mịn khác nhau. Hình dáng hạt mài
mịn có thể là hình cầu, hình sợi dài, hình sợi xoắn, hình dạng tấm, mảnh nhỏ… Dạng hạt hình
cầu có kích thước tương tự nhau theo cả 3 phương trong hệ trục toạ độ 3 chiều. Dạng hạt này
thường xuất hiện trong các mẫu dầu lấy từ các đầu máy vừa qua cấp trung tu hay đại tu.

Hình 5. Hạt mài mịn dạng hình cầu (mẫu dầu lấy từ Đầu máy 660 ngày 17/5/2006)

Dạng hạt hình elíp: trong một số trường hợp các hạt có thành phần bao gồm các nguyên tố
là kim loại bị mài mòn từ các chi tiết trong động cơ như xéc măng, xi lanh [1].


Hình 6. Hạt mài mịn dạng hạt hình elíp (mẫu dầu từ Đầu máy 658 ngày 18/5/2006)

Dạng hạt hình viên sỏi có nguồn gốc do mỏi bề mặt hay do dính, hoặc gây ra khi bề mặt bị
cào xước bởi kim loại có bề mặt nhám [2]. Dạng hạt này xuất hiện khi các bề mặt trượt trên nhau
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, điều kiện bôi trơn khơng phù hợp. Các dạng hạt này có thể
là đồng hay hợp kim của đồng, thép tôi. Mức độ xuất hiện của dạng hạt này cịn phụ thuộc vào
mơi trường mà đầu máy đang vận hành. Dựa và mầu sắc có thể phân biệt được các hạt tinh thể
than và kim loại. Khi xúp páp của động cơ bị mài mịn dạng hạt này xuất hiện nhiều [4].

Hình 7. Hạt mài mịn dạng hình viên sỏi (mẫu dầu từ Đầu máy 658 ngày 18/5/2006)

CK

Dạng hạt hình tấm mỏng đơi khi cịn bị xoắn nhưng thơng thường là tương đối phẳng.
Dạng hạt này xuất hiện nhiều khi đầu máy vận hành bình thường. Dạng hạt trở nên mỏng hơn
trong điều kiện bơi trơn tốt. Q trình nghiên cứu cho thấy có thể có một số nhận xét như sau:
1. Quá trình mịn bình thường của các chi tiết trong động cơ: Q trình này cho kích thước
hạt hình dạng tấm có chiều dày lớn nhất đạt 10 µm.
2. Cào xước bề mặt xilanh: xảy ra khi các chi tiết kim loại gây ra các vết xước trên bề mặt
trượt. Dạng hạt chủ yếu là dạng tấm hay sợi kích thước của những loại hạt này từ 8 đến 20 µm [2].
3. Tróc rỗ bề mặt xúp páp: Dạng hỏng này gây ra các hạt có hình dáng hình cầu. Hình
dáng hạt hình cầu phát sinh do bề mặt bị mỏi. Thơng thường các hạt này có đường kính lớn nhất
khoảng 50 µm.
4. Dính, xước bề mặt bạc biên: xảy ra khi các bề mặt trượt chịu tải trọng và nhiệt độ cao.
Tải trọng và nhiệt độ càng lớn tỉ lệ các hạt có kích thước lớn so với các hạt có kích thước nhỏ
càng cao [4].
2.4. Kích thước hạt mài mòn

Độ lớn của các hạt mài mòn thay đổi từ vài micro mét đến khoảng 100 hay 300 micro mét.
Hình dạng của các hạt mài mịn thay đổi theo tình trạng mài mịn. Kích thước hạt lớn sẽ phản
ánh tình trạng mòn khốc liệt của máy. Nghiên cứu cho thấy:

- Mịn bình thường của động cơ sẽ có các hạt mài mịn dạng hình cầu kích thước từ
5 - 10 µm.
- Cào xước: Khi các bề mặt mềm của bạc biên bị cào xước, các hạt mài mịn có hình dạng sợi.
- Tróc rỗ bề mặt do mỏi: Kích thước hạt lớn nhất có thể tới 100 µm.


- Mịn do thiếu dầu bơi trơn: Dạng mịn này các hạt có kích thước lớn phụ thuộc vào tải
trọng và tốc độ. Ứng suất tiếp xúc trên bề mặt càng lớn kích thước của hạt càng lớn.
- Mịn do dính: Các hạt mài mịn lớn hơn 10 micro mét, dạng hạt là tấm, thường gặp đối
với mòn các răng của bánh răng, hạt mịn từ xupáp.

Kích thước hạt đo được từ các mẫu dầu của các đầu máy có sự cố dao động trong khoảng
100 - 120 µm.
2.5. Số lượng hạt mài mòn

Xác định số lượng hạt thường là một u cầu đối với các q trình chuẩn đốn tình trạng
kỹ thuật của máy. Lượng hạt mài mịn được xác định bằng cách đếm hạt sẽ sơ bộ phản ánh tình
trạng mịn của các chi tiết. Việc đếm các hạt mài mòn trên một ml dần, số hạt trên ml dầu hay
hình dạng, kích cỡ của hạt phản ánh tình trạng mịn. Số lượng hạt mài mịn đếm được trên các
các mẫu dầu của 2 đầu máy vào đại tu đều vượt quá 100 hạt mài trên một ml.
2.6. Phân tích dao động

Thiết bị đo và phân tích dao động được dùng trong nghiên cứu này là thiết bị đo bao gồm
các đầu đo vận tốc và đầu đo gia tốc, bộ khuếch đại và phần mềm xử lý là DasyLab. Thí nghiệm
đo được tiến hành tại Xí nghiệp Đầu máy Hà nội ngày 29.6 và 29.6.2006, ngày 6.1.2007 và trên
đầu máy D12E số hiệu 642, 648 và 643 trước khi và sau khi đại tu. Đầu đo dao động dùng trong
phép đo này là đầu đo vận tốc. Đầu đo vận tốc bao gồm 3 đầu đo riêng biệt theo 3 phương x, y,
z. Đầu đo theo phương x và y lần lượt được gá lắp ở đầu và mặt bên của thân động cơ. Đầu đo
theo phương z được lắp phía trên nắp máy và có thể di chuyển để đo tại các xi lanh khác nhau
của động cơ.

CKck

ck

Hình 8. Phổ dao động đo được trên đầu máu D12E 643, đo ngày 6.1.2007
(trạng thái động cơ làm việc tốt)

Các thông số đo được ghi lại nhờ phần mềm DasyLab. Các thơng số đo ban đầu có thể là
biên độ dao động (chuyển vị, mm), vận tốc dao động (mm/s) hay gia tốc (mm/s2). Chuyển vị,
vận tốc và gia tốc đuợc ghi theo miền thời gian và các file dữ liệu này có thể biến đổi FFT thành
các phổ công suất hay phổ mật độ công suất theo miền tần số phục vụ cho các mục đích chẩn
đốn khác nhau.
Khi động cơ làm việc tốt, phổ dao động thu được phân bố đều đặn trên đồ thị biên độ vận
tốc dao động theo thời gian. Khi trạng thái kỹ thuật của các cụm chi tiết xéc măng, xi lanh


không tốt hay khi bơm cao áp không phun nhiên liệu vào xi lanh, đầu đo vận tốc Z sẽ cho tín
hiệu biên độ vận tốc dao động thay đổi bất thường (hình 9).

Hình 9. Tín hiệu dao động khi động cơ có xi lanh hư hỏng
(đo trên đầu máy D12E 642 ngày 29.6.2006)

Cơ sở dữ liệu trong quá trình đo có thể lưu trữ trong các tệp tin dạng Excel, có thể biến đổi
FFT, xử lí vi phân hoặc tích phân, đánh giá, so sánh với các dữ liệu đo và tính tốn ra các giới
hạn cảnh báo.
III. KẾT LUẬN

CK

Kỹ thuật chuẩn đoán trạng thái kỹ thuật của động cơ đốt trong bằng cách phân tích dầu bơi

trơn và phân tích dao động đã được nghiên cứu ở một số nước trên thế giới và đã có được thành
cơng bước đầu. Nghiên cứu này kết hợp phương pháp phân tích dao động và phân tích dầu bơi
trơn trên động cơ diesel K6S230DR sử dụng trên đầu máy D12E. Khi kích thước hạt mài mịn
vượt q giới hạn 120 micromét, thành phần kim loại (Cu, Fe, Cr) tăng cao, hình dáng hạt mài
có thay đổi bất thường và dao động vượt quá các giới hạn (vận tốc dao động vượt quá 20mm/s,
gia tốc dao động vượt quá 7 mm/s2) có thể có các hư hỏng về xécmăng, xilanh, píttơng, bạc
biên, hay xupáp của động cơ. Phân tích dầu bơi trơn và hạt mài mòn khẳng định các kết quả của
phân tích dao động. Phân tích dầu bơi trơn và hạt mài mịn có thể chẩn đốn tình trạng kỹ thuật
của máy từ một nguồn thông tin khác hơn so với phân tích dao động và do đó người phân tích
có thể tự tin hơn khi đưa ra các kết luận chuẩn đốn. Phân tích dầu bơi trơn có thể củng cố các
dự đốn về những hư hỏng có thể có đối với các cụm chi tiết trong động cơ như xécmăngxilanh-píttơng, bạc biên, xupáp khi các thơng số về dao động đã có các dấu hiệu cảnh báo.

Tài liệu tham khảo
[1] Calder, N., Marine Diesel engines: Maintenance, troubleshooting, and repair, International Marine,
1992.
[2] Bowen, E.R. & Westcott, V.C., Wear particle atlas, Naval Air Engineering Center, 1976.
[3] Doebelin, E. O., Measurement systems, McGraw- Hill Companies, 1990.
[4] Hunt, Trevor M., Handbook of wear debris analysis and particle detection, Elsevier Applied Science,
1993.
[5] Rao, J. S., Vibratory condition monitoting of machines, Published by Addison - Wesley, America,
2000 ♦


NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG MÁY XÂY DỰNG - XẾP DỠ
BẰNG VIỆC ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỬA CHỮA MÁY
THEO CỤM - TỔNG THÀNH
PGS. TS. NGUYỄN ĐĂNG ĐIỆM
Bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ
Khoa Cơ khí
Trường Đại học Giao thơng Vận tải

Tóm tắt: Bản báo cáo trình bày kết quả nghiên cứu và ứng dụng các biện pháp nâng cao
hiệu quả sử dụng khai thác máy thông qua việc áp dụng các quy tắc tập trung hóa sửa chữa và
sửa chữa xe máy theo cụm - tổng thành, trên cơ sở so sánh hiệu quả của hai phương pháp: sửa
chữa đơn chiếc và sửa chữa theo cụm - tổng thành.
Summary: The report represents reseach result and application of improvement methods
of effeciency using of application of concentrated rules in term of repairing and repairing
machine in group-general, it is basis to have effective comparision of two methods: single
repairing and group-repairing.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình sử dụng Máy xây dựng - xếp dỡ, các xí nghiệp khai thác (XNKT) cần chú
ý đến công tác bảo dưỡng kỹ thuật (BDKT) và sửa chữa (SC) máy để làm tăng tuổi thọ của
máy. Tuy nhiên công tác SC máy cần được tiến hành như thế nào để nâng cao hiệu quả sử dụng
máy là một vấn đề rất đáng được quan tâm. Bài báo trình bày biện pháp nâng cao hiệu quả sử
dụng máy thông qua việc áp dụng phương pháp sửa chữa máy theo cụm - tổng thành.
II. NỘI DUNG

Trong thành phần của một cơ sở kỹ thuật về cơ giới hóa xây dựng, ngồi XNKT và nhà
máy sửa chữa (NMSC) cần có thêm một xí nghiệp chun mơn hóa thứ ba để thực hiện sửa
chữa các cụm - tổng thành, đồng thời cung cấp phụ tùng, vật tư và vốn tổng thành luân chuyển
cho XNKT. Việc tổ chức những xí nghiệp như vậy sẽ làm giảm chi phí cho cơng tác xây dựng
cơ sở kỹ thuật cần thiết và giảm chi phí đơn vị cho việc bảo toàn khả năng hoạt động của máy
dẫn tới làm tăng tiềm năng tối ưu của máy, tiềm năng đó được xác định theo mức độ hiệu quả
khai thác.
Khi áp dụng đồng thời phương pháp sửa chữa máy theo cụm - tổng thành và tập trung
hóa sửa chữa ta sẽ gặp những vấn đề phức tạp do có quá nhiều yếu tố liên quan, cho nên hợp
lý hơn là nên giải bài toán trên theo phương pháp phân tích hệ thống. Như vậy, để giải quyết
vấn đề nêu trên cần thiết lập một sơ đồ của phương pháp nghiên cứu chung, sơ đồ đó biểu thị
hệ thống “Độ tin cậy - Công nghệ - Cơ sở sản xuất - Chi phí” trong các thành phần chủ yếu

của hệ thống.

CKck

ck


Phương pháp tối ưu hóa vốn tổng thành luân chuyển theo tiêu chuẩn cực đại khả
năng hoạt động (năng suất) của trạm máy

Bài tốn có thể được phát biểu như sau: Giả sử có một khoản tiền C để mua máy và cụm tổng thành luân chuyển (các cụm máy thay thế), cần phải phân chia số tiền đó cho việc mua máy
và mua cụm - tổng thành luân chuyển như thế nào để có được một số lượng máy lớn nhất trong
trạng thái hoạt động tốt.
Trong điều kiện trên, số lượng máy cần cụm - tổng thành luân chuyển ( N m.lc ) được xác
định như sau:

N m.lc

⎛
⎜C −
⎜
=⎝

Q

∑n

⎞
⎟
⎠

aj .C aj ⎟

j=1

(1)

Cm

Trong đó:
Q - Số chủng loại cụm - tổng thành luân chuyển;
n aj - Số lượng cụm - tổng thành loại j;
C aj , C m - Tương ứng là giá thành cụm - tổng thành loại j và giá thành máy.
Trong trường hợp Q = 1 (chỉ xét 1 chủng loại cụm tổng thành) thì bài tốn được giải như
sau:
CK

Số lượng máy trung bình hoạt động tốt ( N t ) được xác định bằng tích số của số lượng
( N m.lc ) với hệ số sẵn sàng khi sửa chữa bằng phương pháp cụm - tổng thành. ( K kc ) và với xác
suất máy không phải nằm chờ sửa chữa do có cụm - tổng thành thay thế ( Pkc ). Cực đại hóa số
lượng máy hoạt động tốt ( N t ) chính là phép giải của bài toán, do vậy hàm mục tiêu có dạng:
N t = N m.lc .K sc .Pkc →

Max

(2)

Biến đổi (2) theo (1) ta có:

Nt = (

C
C
).(1 − n a . a ).K sc .Pkc →
Cm
C

Max

(3)

Trong biểu thức (3), thừa số (C/Cm) sẽ xác định số lượng máy có thể mua được ( N m.đc )
bằng nguồn kinh phí (C) nếu như không mua cụm - tổng thành, tức là phải sửa chữa bằng
phương pháp đơn chiếc. Như vậy có nghĩa là phải có một giá trị nào đó về số lượng cụm - tổng
thành để làm cho số lượng tương đối máy hoạt động tốt.
( N t .tđ ) đạt giá trị cực đại, số lượng này nhận được từ phép chia của số lượng máy hoạt
động tốt ( N t ) cho số lượng máy có thể mua được (Nm.đc = C/Cm). Từ những diễn giải trên, biểu
thức (3) có thể được viết dưới dạng:


N t.tđ = (1 − n a .

Ca
).K sc .Pkc
C

→

Max

(4)

Trong biểu thức (4), sự thay đổi số lượng cụm - tổng thành luân chuyển na sẽ làm ảnh
hưởng gấp đôi đến trị số Nt.tđ : Nếu na tăng thì thừa số thứ nhất (trong ngoặc đơn) sẽ giảm, lúc
đó Nt.tđ sẽ giảm, nhưng đồng thời xác suất Pkc sẽ tăng, điều đó dẫn tới Nt.tđ cũng sẽ tăng. Như
vậy có nghĩa là sẽ tồn tại một trị số n *a nào đó về số lượng cụm - tổng thành mà làm cho kết quả
tính tốn theo biểu thức (4) đạt cực đại, tức là Nt.tđ → Max.
Xác suất Pkc được xác định theo lý thuyết phục vụ đám đông trên cơ sở là dòng nhu cầu
thay thế các cụm - tổng thành được coi ở dạng đơn giản nhất. Nếu các cụm - tổng thành được
sửa chữa tại một nhà máy sửa chữa với công suất sản xuất lớn hơn so với số lượng cần sửa chữa
theo nhu cầu của XNKT thì sự thay đổi mức nhu cầu sửa chữa của XNKT sẽ không làm ảnh
hưởng đến thời gian quay vịng của cụm - tổng thành, lúc đó số lượng luồng phục vụ của các
cụm tổng thành luân chuyển sẽ có một trị số rất lớn. Cịn nếu cụm - tổng thành được sửa chữa
tại xưởng của XNTK thì trong trường hợp này phải có một hệ thống phục vụ đám đơng có kỳ
vọng.
Để xác định hiệu quả của phương pháp tổ chức sửa chữa theo cụm - tổng thành ΔNt.tđ so
với phương pháp sửa chữa đơn chiếc thì từ (4) ta trừ đi hệ số sẵn sàng Ksđ trong điều kiện sửa
chữa đơn chiếc:
C ⎞
⎛
ΔN t .tđ = ⎜1 − n a a ⎟K sc .Pkc − K sđ
C ⎠
⎝
P kc
N t.tđ

(5)

ck

Pkc
Ksc

1-n a.c a/c
N t.tđ

max
N t.tđ

Ksđ

n'

a

n*a

CKck

n ''
a

n

a

Hình 1. Quan hệ giữa hiệu quả sửa chữa theo phương pháp cụm tổng thành
so với tiềm năng của vốn luân chuyển.

Trên hình 1 biểu thị mối quan hệ giữa hiệu quả sửa chữa theo cụm - tổng thành với tiềm
năng của vốn luân chuyển, trong đó các trị số n 'a và n 'a' xác định ranh giới phạm vi hiệu quả của
việc áp dụng phương pháp sửa chữa theo cụm - tổng thành, ngồi ranh giới đó thì phương pháp
áp dụng sẽ khơng có hiệu quả.
Điều nêu trên được giải thích như sau: với na < n'a thì xác suất Pkc sẽ thấp do không đủ số
lượng vốn luân chuyển cho việc áp dụng phương pháp sửa chữa theo cụm - tổng thành, còn nếu
na > n"a sẽ dẫn tới sự dư thừa vốn luân chuyển và như vậy trị số sác xuất Pkc sẽ không tăng,
trong cả hai trường hợp đều làm tăng chi phí cho vốn luân chuyển.
Bài tốn nhiều thơng số sẽ xuất hiện trong trường hợp khi vốn luân chuyển bao gồm nhiều
chủng loại cụm - tổng thành ( Q ≥ 2 ). Trong trường hợp này bài toán được giải cho từng chủng
loại riêng biệt giống như bài tốn một thơng số và hiệu quả tổng cộng của phương pháp sửa
chữa theo cụm - tổng thành sẽ bằng tổng hiệu quả đối với từng chủng loại riêng biệt:
ΔN t .tđ . ∑ =

Q

∑ ΔN

t . tđ

(6)

j=1

Cũng cần nói thêm rằng mơ hình hóa tối ưu hóa vốn luân chuyển cũng được áp dụng trong
trường hợp khi tổng chi phí C được sử dụng cho việc mua bổ sung thêm các cụm - tổng thành
và mua máy bổ sung cho trạm (Nbs). Trong trường hợp này, trị số C trong các biểu thức từ (1)
đến (5) được thay bằng C'.
CK

Trong đó:
C ' = C + N bs .C m
Hiện nay ở Việt Nam, mơ hình tổ chức sửa chữa này đã được áp dụng ở một số đơn vị và
đưa lại hiệu quả thiết thực. Ưu điểm nổi bật của phương pháp sửa chữa theo cụm - tổng thành là
thời gian máy nằm chờ sửa chữa được rút ngắn đến mức thấp nhất, trên cơ sở đó thời gian sử
dụng - khai thác máy cũng được kéo dài đến mức tối đa. Một ví dụ điển hình nhất là Nhà máy
sửa chữa lớn xe - máy công binh Z143 (thuộc Binh chủng công binh - Bộ Quốc phịng) đã áp
dụng mơ hình sửa chữa xe - máy theo cụm - tổng thành trong nhiều năm nay. Các cụm - tổng
thành do nhà máy sửa chữa, thay thế là động cơ đốt trong, hộp số, ly hợp, các bộ truyền động và
một số bộ phận công tác của các loại xe - máy công binh. Mô hình tổ chức sửa chữa trên đây
của nhà máy Z143 cần được nghiên cứu nhân rộng cho các đơn vị khác để làm tăng hiệu quả sử
dụng máy trong quá trình thi cơng.

Tài liệu tham khảo
[1]. PGS. TS. Nguyễn Đăng Điệm - Nghiên cứu tổ chức sửa chữa lớn Máy xây dựng và làm đường - Báo
cáo tổng hợp chuyên đề nghiên cứu, Hà Nội, 2004
[2]. PGS. TS. Nguyễn Đăng Điệm - Tổ chức tối ưu công tác sửa chữa Máy thi công - xếp dỡ. Tài liệu
giảng dạy cao học. Hà Nội, 2005♦


NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN VÀ TUỔI THỌ MỎI
CỦA KHUNG GIÁ CHUYỂN HƯỚNG VÀ TRỤC BÁNH XE ĐẦU MÁY D19E
TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỒNG DẠNG PHÁ HUỶ MỎI DẠNG TƯƠNG ĐỐI
PGS. TS. NGÔ VĂN QUYẾT
Học viện Kỹ thuật Quân sự

GS. TS. ĐỖ ĐỨC TUẤN
Trường Đại học Giao thông Vận tải

ThS. PHẠM LÊ TIẾN

Trường Cao đẳng nghề Đường sắt I
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu phương pháp nghiên cứu và các kết quả đánh giá độ bền mỏi
(hệ số an toàn mỏi) và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy
D19E đang sử dụng tại Xí nghiệp đầu máy Hà Nội trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi
dạng tương đối.
Summary: In this article, authors present the reseach method and the evaluation result of
Fatigue Strength (calculation ratio of Fatigue Safety) and fatigue longivity of bogie frame and
wheel shafts of locomotive - type D19E which have been operating by Hanoi Locomotive
Enterprise basing on theory of relativity similar fatigue failure.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Đầu máy D19E là loại đầu máy chiếm một tỷ lệ lớn trong tổng số các loại đầu máy hiện có
của nước ta. Sau khoảng 2 năm vận dụng loại đầu máy này tại Xí nghiệp đầu máy Hà Nội, các
xà dọc của một số lớn khung giá chuyển hướng đã xuất hiện các vết nứt, dẫn tới nguy cơ mất an
tồn rất lớn cho việc chạy tàu.
Để có cơ sở tiếp tục sử dụng, khái thác loại đầu máy này trong thời gian tới với yêu cầu tốc
độ chạy tàu ngày càng được nâng cao, thời gian vừa qua ngành đường sắt Việt Nam đã đề xuất
vấn đề nghiên cứu và đánh giá độ bền mỏi của các kết cấu bộ phận chạy của đầu máy, trong đó
có trục của bánh xe và khung giá chuyển hướng.
Để đánh giá được độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng đầu máy D19E
cần có các kết quả chính xác về các đặc trưng mỏi của vật liệu bằng cả phương pháp thực
nghiệm và bằng cả phương pháp tính tốn lý thuyết. Trong bài báo này trình bày phương pháp
đánh giá độ bền mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe của đầu máy D19E (đợt 1) ở
Xí nghiệp đầu máy Hà Nội theo phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi tương đối [2].
II. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN
2.1. Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hướng đầu máy D19E theo phương
trình đồng dạng phá huỷ mỏi tương đối
a. Cơ sở lý thuyết tính hệ số an tồn

Khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vừa chịu mô men xoắn, vừa chịu
mô men uốn và lực dọc trục nên ứng suất tại điểm nguy hiểm của mặt cắt nguy hiểm thay đổi
theo chu kỳ ứng suất đối xứng (r = - 1). Hệ số an toàn mỏi được xác định như sau:
Gọi:
kσ - Hệ số tập trung ứng suất pháp thực tế;
kτ - Hệ số tập trung ứng suất tiếp thực tế.

CKck

ck


Với trường hợp kτ/kσ = 1, các số liệu thí nghiệm thu được hầu như phân bố trên một đường
tròn. từ dạng phương trình chính tắc của đường trịn có điểm là gốc toạ độ, có thể viết được:

1
1
1
+ 2 = 2
2
sσ sτ
s

(1)

Trong đó:
s - Hệ số an tồn mỏi do một chế độ tải trọng tương đương gây ra sự phá huỷ như chế độ
tải trọng M và T.
sσ - Hệ số an toàn ứng suất pháp;
sτ - Hệ số an toàn ứng suất tiếp;

sσ =

σ −1 kct
σa

(2)

sτ =

τ − 1 kct
τa

(3)

σa - Biên độ ứng suất pháp do mômen uốn M gây ra;
τa - Biên độ ứng suất tiếp do mômen xoắn T gây ra;
σ-1kct - Ứng suất pháp lớn nhất tại khâu yếu nhất trong chi tiết máy sẽ gây ra sự phá huỷ ở
chu kỳ đối xứng với số chu kỳ ứng suất cơ sở N0;

CK

τ-1kct - Ứng suất tiếp lớn nhất tại khâu yếu nhất trong chi tiết máy sẽ gây ra sự phá huỷ ở
chu kỳ đối xứng với số chu kỳ ứng suất cơ sở N0.
Từ đó suy ra điều kiện khơng phá huỷ vì mỏi là:
s=

s σ .s τ
s σ2 + s 2τ

≥ [s]

,

(4)

b. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi tương đối [2]

Dạng tổng quát của phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi tương đối là:

(

S max = Sgh ε ∞ + a ' Π b '10

u p .s s

),

(5)

Trong đó:
Smax - 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 Smax này có thể là ứng suất pháp hoặc ứng suất tiếp);
Sgh - Giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N0;
ε - Hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của tiết máy;
up - (còn ký hiệu là zp) - phân vị với xác suất phá huỷ P%; khi Smax ≤ Sgh thì P(Smax ≤ Sgh) = 0.
ss - Độ lệch bình phương trung bình của đại lượng ứng suất S;
a’,b’ - Những hằng số mới của vật liệu làm tiết máy;

Π - Chỉ tiêu đồng dạng Π phá huỷ mỏi không thứ nguyên.

Cơng thức tính tốn chỉ tiêu Π như sau:
Trường hợp tiết máy chịu uốn:

Πu =

G ctu .Wmu
,
G mu .Wctu

(6)

Trường hợp tiết máy chịu xoắn:

Πx =

G ctx .Wmx
,
G mx .Wctx

(7)

Trong đó:

G mu; G mx - Građien tương đối của ứng suất chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn trơn;

Π u; Π x - Građien tương đối của ứng suất uốn và xoắn cực đại của tiết máy;
Wmu; Wmx - Mômen chống uốn và xoắn của mẫu chuẩn trơn;
Wctu; Wctx - Mômen chống uốn và xoắn của tiết máy.
2.2. Ứng dụng phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi tương đối để tính hệ số an toàn

mỏi cho trục bánh xe và khung giá chuyển hướng dầu máy D19E
a. Tính cho trục bánh xe đầu máy D19E

Qua cách tính tốn độ bền trục bánh xe đầu máy D19E [8] ta tính hệ số an toàn cho mặt cắt
IV là mặt cắt nguy hiểm.
Chọn mặt cắt IV (phần trục để lắp ổ đỡ động cơ điện kéo) là mặt cắt nguy hiểm nhất vì có
Mu và Mx lớn nhất.
- Tính chỉ tiêu đồng dạng Π
+ Khi trục bị uốn:

CKck

ck

Xác định với mẫu và chi tiết theo [2].
* Đối với mẫu: tính građien tương đối G mu

G mu =

2
2 , 3 (1 + ϕ )
+
d
ρ

Trong đó:
ϕ=

1
;

t
+ 2)
4(
ρ

t=

D-d
2

* Đối với chi tiết: tính G ctu theo bảng P-3 trong [2]:
+ Khi trục bị xoắn (tính theo cơng thức (7))

* Đối với mẫu: tính G mx theo [2], ta có:
D
1,15 2
+ .
Kích thước tương đối: d < 1,5; G mx =
ρ
d

* Đối với chi tiết: tính G ctx theo bảng P-3 trong [2], ta có:


Thay vào cơng thức tính được các thơng số và Πu, Πx (bảng 1).
Bảng 1. Kết quả tính tốn các thông số Πu, Πx

G mu

Wm (mm3 )

Đối với mẫu

G mu = 0,454

Wmu = 172,8

Đối với chi tiết

G ctu = 0,107

Wctu = 622 950,4

Đối với mẫu

G mx = 0,2816

Wmx = 345,6

G ctx = 0,049

Wctx = 1 245 900,8

Các thông số
Khi trục bị uốn
Khi trục bị xoắn

Đối với chi tiết

Π

Πu = 6,537.10 -5
Πx = 4,827.10 -5

- Tính giới hạn mỏi của trục có trạng thái tập trung ứng suất khi chịu uốn và xoắn của
chu kỳ đối xứng ứng với chu kỳ ứng suất cơ sở N0

Từ dạng tổng quát của phương trình đồng dạng phá huỷ khơng thứ ngun, theo cơng thức
(5) ta có:
σ-1kct = σ-1m ( εσ.∞ + a’σ .Πub’ σ . 10
τ-1kct = τ-1m ( ετ.∞ + a’τ. Πxb’τ. 10

U p .S
σ

U p .S
τ

),

),

Trong đó:
σ-1kct - Ứng suất pháp lớn nhất tại khâu yếu nhất trong chi tiết máy (trục bánh xe) sẽ gây ra
sự phá huỷ ở xác suất P% = 50%;
CK

τ-1kct - Ứng suất tiếp lớn nhất tại khâu yếu nhất trong chi tiết máy (trục bánh xe) sẽ gây ra sự
phá huỷ ở xác suất P% = 50%;
σ-1m - Ứng suất pháp lớn nhất của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất No;
τ-1m - Ứng suất tiếp lớn nhất của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất No;

ε∞ - Hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối đến sức chống phá huỷ mỏi;
a’; b’ - Hệ số mỏi của vật liệu làm tiết máy phản ánh đặc trưng cấu trúc của vật liệu và điều
kiện làm việc thực tế của tiết máy.
Xác định các thông số thành phần:
ε∞ = εσ.∞ = ετ.∞ =

(Sτ)d∞
(Sτ)do

= 0,5

Theo [2] và kết quả thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của vật liệu làm trục bánh xe,
xác định được: a’, b’.
Lấy sác xuất phá huỷ P% = 50%

Up = 0

Xác định các thông số thành phần và kết quả tính Smax (bảng 2).
Bảng 2. Kết quả tính tốn các thông số thành phần và Smax

Khi trục bị uốn
Khi trục bị xoắn

ε∞
0,5
0,5

a’
a’σ = 0,5
a’τ = 0,5

b’
b’σ = 0,2122
b’τ = 0,09

Smax (MPa)
σ-1kct = 151
τ-1kct = 103,55