Tiến Sĩ Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D1

Luận án tiến sĩ năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên đường sắt Việt Nam


MỤC LỤC
Lời nói đầu 1
Chương 1: Tổng quan vềvấn đềnghiên cứu . 3
1.1. Khái niệm vềcơhọc phá huỷ . 3
1.1.1. Khái niệm về độbền cơhọc phá huỷ . 3
1.1.2. Ứng dụng của cơhọc phá huỷtrong kỹthuật . 4
1.1.3. Những khái niệm cơbản vềLý thuyết mỏi 5
1.1.4. Những chỉtiêu phá huỷmỏi 6
1.2 Bản chất sựphá huỷmỏi 7
1.3 Độbền vật liệu của kết cấu và các chỉtiêu đánh giá 11
1.4. Tổng quan về đầu máy diezel truyền động điện D19E vận dụng trên
đường sắt Việt nam . 15
1.4.1. Khái niệm về đầu máy D19E 15
1.4.2. Tình hình vận dụng ĐM D19E đang sửdụng trên ĐSVN 16
1.5 Tình hình vềvấn đềnghiên cứu ởtrong và ngoài nước . 18
1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề ởngoài nước . 18
1.5.2. Tình hình nghiên cứu vấn đề ởtrong nước 21
1.6. Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đềtài . 26
1.7 Kết luận chương 1 28
Chương 2: Cơsởlý thuyết đánh giá độbền mỏi và dựbáo tuổi thọmỏi
khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy 30
2.1. Sựlan truyền vết nứt mỏi . 30
2.1.1 Cơhọc phá huỷ đối với vết nứt mỏi . 30
2.1.2 Đặc điểm của vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt 32
2.1.3 Tốc độphát triển vết nứt mỏi 33
2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷmỏi 36
2.2.1. Phương trình đồng dạng phá huỷmỏi dạng tuyệt đối 36
2.2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷmỏi dạng tương đối .38
2.3. Đềxuất một dạng phương trình lan truyền vết nứt có kểtới tần số
tải trọng đối với KGCH đầu máy D19E . 39
2.3.1 Những nhận xét 40
2.3.2. Cơsởlý thuyết . 41
2.3.3. Những giảthiết . 42
2.3.4. Phương pháp xây dựng 42
2.4. Tính toán độbền mỏi theo các hệsốan toàn . 44
- VI - 2.4.1. Tính toán độbền mỏi theo các hệsốan toàn khi đặt tải ổn định 44
2.4.2. Tính độbền mỏi theo các hệsốan toàn khi đặt tải không ổn định 46
2.5. Dựbáo tuổi thọmỏi . 46
2.5.1. Khái niệm cơbản vềtuổi thọmỏi 46
2.5.2. Các phương pháp ước lượng sức sống các bộphận khi đặt tải không ổn định 47
2.6. Kết luận chương 2 . 48
Chương 3: Nghiên cứu thửnghiệm xác định các đặc trưng cơhọc,
đặc trưng mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hướng và
trục bánh xe đầu máy D19E . 49
3.1. Phân tích thành phần kim loại, xác định mác . 49
3.1.1. Phân tích vật liệu trục bánh xe đầu máy D19E 49
3.1.2. Phân tích vật liệu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E . 50
3.2. Xác định tiêu chuẩn thửnghiệm . 51
3.2.1. Tiêu chuẩn thửnghiệm xác định giới hạn mỏi . 51
3.2.2. Tiêu chuẩn thửnghiệm tốc độlan truyền vết nứt và độdai phá huỷ 51
3.3. Chếtạo các mẫu vật liệu thửnghiệm . 54
3.3.1. Chuẩn bịphôi của mẫu vật liệu thửnghiệm . 54
3.3.2. Mẫu vật liệu thửnghiệm xác định các đặc trưng cơhọc 55
3.3.3. Mẫu vật liệu thửnghiệm xác định giới hạn mỏi 55
3.3.4. Mẫu vật liệu thửnghiệm xác định tốc độlan truyền vết nứt và độdai
phá huỷ . 56
3.4 Thiết bịthửnghiệm . 57
3.4.1. Thiết bịthửnghiệm xác định đặc trưng cơhọc của mẫu . 57
3.4.2. Thiết bịthửnghiệm xác định giới hạn mỏi 58
3.4.3. Thiết bịthửnghiệm xác định tốc độlan truyền vết nứt và độdai phá huỷ 59
3.5. Thửnghiệm xác định các đặc trưng cơhọc của mẫu thửnghiệm:
giới hạn chảy, giới hạn bền, môđun đàn hồi và hệsốbiến dạng . 61
3.6. Thửnghiệm xác định giới hạn mỏi 63
3.6.1. Thửnghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu KGCH . 63
3.6.2. Thửnghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu TBX . 66
3.7. Thửnghiệm xác định tốc độlan truyền vết nứt và độdai phá huỷ . 69
3.7.1. Thửnghiệm xác định tốc độlan truyền vết nứt và độdai phá huỷcủa
mẫu vật liệu KGCH 69
3.7.2. Thửnghiệm xác định tốc độlan truyền vết nứt và độdai phá huỷcủa
mẫu vật liệu TBX 74
3.8. Kết luận chương 3 77
- VII -
Chương 4: Tính toán độbền mỏi và dựbáo tuổi thọmỏi khung giá
chuyển hướng và trục bánh xe của đầu máy D19E 78
4.1. Đặc điểm kết cấu của KGCH và TBX đầu máy diezel D19E 78
4.1.1. Giới thiệu tổng thể đầu máy D19E kiểu CKD
7F
78
4.1.2. Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E . 80
4.1.3. Kết cấu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E . 81
4.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độbền khung giá chuyển hướng
và trục bánh xe đầu máy D19E 82
4.2.1. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độbền KGCH đầu máy D19E 82
4.2.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độbền TBX đầu máy D19E . 87
4.3. Tính toán độbền mỏi theo lý thuyết cơhọc phá huỷ .92
4.3.1. Tính độbền mỏi mỏi theo lý thuyết đồng dạng phá huỷmỏi .92
4.3.2. Tính toán độbền mỏi theo ngưỡng phát triển vết nứt mỏi . 125
4.4. Dựbáo tuổi thọmỏi KGCH đầu máy D19E 133
4.5. Một sốbiện pháp nâng cao độbền mỏi cho KGCH . 136
4.5.1. Giảm mức độ ứng suất tập trung cục bộcủa kết cấu KGCH . 137
4.5.2. Tránh vận dụng đầu máy khi chịu tải với tần sốnhỏbất lợi 139
4.6. Kết luận chương 4 . 139
Kết luận chung . 143


Lêi nãi ®Çu
Giao thông Vận tải đường sắt là một trong các hình thức giao thông vận tải
quan trọng của một xã hội phát triển. Công cuộc đổi m ới của ngành Đường sắt Việt
Nam trong những năm qua đã thu được nhiều thắng lợi: Chất lượng vận tải đường
sắt đã không ngừng được nâng cao, góp phần thu hút khách hàng đến với đường
sắt nhiều hơn, từng bước nâng cao thịphần vận tải đường sắt trong hệthống giao
thông vận tải quốc gia.
Để đạt được mục tiêu đó, chất lượng đầu máy toa xe của ngành Đường sắt
Việt Nam đã có nhiều thay đổi lớn để đảm bảo đủsức kéo đáp ứng yêu cầu phát
triển của ngành và của xã hội. Những đầu máy có công suất lớn, độbền cao để
thực hiện kéo khoẻ, chạy nhanh được thay thếdần những đầu máy công suất nhỏ,
công nghệlạc hậu đã không còn phù hợp với yêu cầu vềsức kéo của ngành đường
sắt. Đổi m ới khoa học- công nghệ, đặc biệt là sức kéo, sức chở đang được lãnh đạo
ngành đường sắt quan tâm theo hướng An toàn - Chất lượng - Tiết kiệm. Vừa qua
ngành đường sắt nước ta đã chếtạo và lắp ráp thành công đầu máy kéo đẩy, đầu
máy D19E Chủtrương của ngành là tiếp tục nhập, chếtạo, lắp ráp ra những đầu
máy theo yêu cầu của ngành giao thông vận tải sắt ngày càng có chất lượng cao.
Mặt khác, việc nâng cao an toàn và tốc độchạy tàu đối với các trang thiết bịhiện
có là chủtrương lớn đang được thực hiện.
Để đáp ứng các yêu cầu đặt ra, đã xuất hiện những yếu tố kỹ thuật công
nghệ, kết cấu và vật liệu nhằm nâng cao độbền kết cấu, tăng tốc độchạy tàu, góp
phần thúc đẩy sản xuất và sự phát triển đi lên của ngành đường sắt. Tuy nhiên
trong quá trình thực hiện đã nảy sinh những vấn đềvềan toàn và độtin cậy của các
bộphận, thiết bị. Một trong những vấn đề đó là: Hầu hết các đầu máy truyền động
điện được nhập vềViệt Nam chỉ được nhà cung cấp giao kèm theo các thông sốkỹ
thuật cơbản của đầu máy mà không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về
cách sửdụng phù hợp với đặc thù tuyến đường, điều kiện môi trường đường sắt
Việt Nam, không có các khuy ến cáo hoặc các hướng dẫn vềqui trình kiểm tra, bảo
dưỡng sửa chữa cũng như các đặc tính vật liệu của các kết cấu. Trong bộphận
chạy của đầu máy thì khung giá chuyển hướng và trục bánh xe là hai kết cấu quạn
trọng. Do ảnh hưởng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đến việc nâng
cao an toàn và tốc độchạy tàu, chúng ta phải kiểm tra định kỳtheo qui định trong
quá trình vận dụng. Đồng thời chúng ta phải tính toán kiểm nghiệm về độbền, độ
cứng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy nhằm ngăn ngừa các
hưhỏng có thểxảy ra hoặc có thểgây ra các sựcố, các trởngại chạy tàu, các hư
hỏng cơkhí gây thiệt hại khó lường vềvật chất cũng nhưtính mạng con người.
- 2 - Đối với ngành Đường sắt Việt Nam, đầu máy diesel truyền động điện đóng
vai trò là sức kéo chủyếu trong hiện tại và những năm tiếp theo. Chính vì vậy mà
việc đánh giá chất lượng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trên đầu
máy diesel truyền động điện có ý nghĩa lớn trong công tác lựa chọn, thiết kế, kiểm
tra, bảo dưỡng sửa chữa bộphận chạy, cũng nhưphương pháp vận dụng đầu máy.
Hiện nay, phương pháp tính toán của cơhọc phá hủy đàn hồi và các tiêu
chuẩn thửnghiệm tính năng phá hủy đối với các loại vật liệu đều đã được hoàn
thiện. Phương pháp cơhọc phá hủy đàn hồi được ứng dụng vào việc phân tích kết
cấu phá hủy giòn và vấn đềphát triển vết nứt mỏi trong kết cấu . đều có thểnhận
được kết quảcó ý nghĩa quan trọng và cần thiết.
Bởi vậy, việc nghiên cứu xác định đặc trưng mỏi của mẫu vật liệu cũng như
phương pháp xác định độan toàn mỏi của kết cấu, chi tiết cho phép đánh giá một
cách đầy đủhơn vềtình trạng độbền mỏi và tuổi thọmỏi của khung giá chuyển
hướng và trục bánh xe đầu máy diesel trong quá trình vận dụng hiện nay. Từ đó
đưa ra các giải pháp ngăn chặn vết nứt mỏi, nâng cao độbền mỏi, đảm bảo độtin
cậy, độbền của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trong quá trình vận dụng,
khai thác ở đường sắt nước ta là một vấn đềquan trọng, cấp thiết đang được đặt ra.
- 3 - chư¬ng 1
tæng quan vÒ vÊn ®Ò nghiªn cøu
1.1. Khái niệm vềcơhọc phá huỷ
Cơhọc phá huỷlà một môn khoa học được hình thành và phát triển trong
những năm gần đây, cơhọc phá huỷ đã có những kết quảnghiên cứu đáng kể. Hệ
thống lý luận và phương pháp đo của cơhọc phá huỷsau vài chục năm phát triển
và hoàn thiện ngày càng chính xác hơn. Cơhọc phá huỷcó tác dụng ngày càng
quan trọng trong việc thiết kếchống phá huỷ, khống chếphá huỷvà phân tích sự
cốphá huỷkết cấu.
1.1.1. Khái niệm về độbền cơhọc phá huỷ
Từcác công trình nghiên cứu vềcơhọc phá hủy của các nhà khoa học ta có
thểnhận thấy quan điểm quan trọng nhất của cơhọc phá huỷlà: Vật liệu và kết cấu
đều không thểtránh khỏi các khuy ết tật và vết nứt trong luy ện kim và gia công; Do
đó, giả định cơbản của cơhọc phá huỷ là: trong kết cấu luôn tồn tại vết nứt hoặc
những khuyết tật khác; Vì vậy, đối tượng nghiên cứu của nó cũng chính là kết cấu
mang vết nứt. Theo quan điểm của cơhọc phá huỷ, trong các chi tiết hoặc kết cấu
có vết nứt, chỉkhi trường ứng suất tại đầu vết nứt và kích thước nứt đạt tới một
mức độnào đó thì mới bịphá huỷ. Trên cơsởnày, lý thuyết cơhọc phá huỷ đưa ra
một sốquan điểm cơbản và yêu cầu đối với thiết kếchi tiết và kết cấu nhưsau:
* Đối với kết cấu công tác có vết nứt, mức độmạnh, yếu của trường ứng suất tại
đầu vết nứt, có thểdùng một tham sốcơhọc phá huỷgọi là hệsốcường độ ứng
suất K, để tính toán: Bất luận hình thức kết cấu và loại hình vết nứt nào thì
HSCĐUS K đều phải thoảmãn yêu cầu K ≤KC / n thì mới bảo đảm không bịphá
huỷ, K
C
là độdai phá huỷ, trịsốcủa nó có thểdùng thửnghiệm cơhọc phá huỷ
tiêu chuẩn đo được, n là hệsốan toàn.
* Đối với kết cấu chịu tải biến động, theo lý thuyết cơhọc phá huỷcó thểchia ra
hai loại sau đểxửlý [10]:
1. Nếu sốgia hệsốcường độ ứng suất ∆K<∆Kth
thì vết nứt sẽkhông tiếp tục
phát triển; ∆Kth
là trị số tới hạn của vết nứt phát triển thêm, có thể dùng thử
nghiệm tiêu chuẩn đểxác định.
2. Nếu sốgia HSCĐUS ∆K>∆Kth
thì vết nứt sẽtiếp tục phát triển từtừtheo
một quy luật nào đó; Nhưng trước khi kích thước a của vết nứt phát triển tới kích
thước tới hạn ath, thì kết cấu sẽkhông phát sinh mất ổn định hoặc bịphá huỷ. Bởi
vậy, tốc độphát triển vết nứt của vật liệu da/dN là một lượng đo khảnăng chống
phát triển vết nứt của vật liệu. Trên cơsởnày,với kết cấu có vết nứt ban đầu là a0 và kích thước tới hạn là ath, thì tuổi thọphát triển vết nứt Np của nó có thểtính


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
[1] - Báo cáo két quả đo kiểm tra và đánh giá trạng thái ứng suất - biến dạng động
trên khung giá chuyển hướng ĐM D19E-903 và D19E-907. Viện Cơhọc, Hà Nội-
2003.
[2]- B.N. ARZAMAXOV. Vật liệu học.Nhà xuất bản Giáo dục 2000
[3]. Nguyễn Hữu Dũng. Cấu tạo và tính toán ĐM Diezel. Nhà xuất bản Giao thông
vận tải. 2005
[4]. An Hiệp, Trần Vĩnh Hưng, Nguyễn Văn Thiệp. Thiết kếchi tiết máy trên máy
tính. Nhà xuất bản Giao thông vận tải. 2006
[5]. Hướng dẫn sửdụng ĐM D19E. Xí nghiệp ĐM Hà Nội. 2002
[6] Phan Văn Khôi. Tuổi thọmỏi của kết cấu thép ngoài biển, NXB Khoa học và
kỹthuật – Hà Nội 1997.
[7] Kết cấu hàn. Bộmôn công nghệkim loại Trường ĐH Bách khoa Hà Nội. Hà
Nội – 2000.
[8]. Kim loại – Phương pháp thửmỏi nhiều chu trình và ít chu trình. Tiêu chuẩn
Việt Nam. TCVN: 4169 - 85
[9]. Nguyễn Hữu Lộc. Thiết kếvà phân tích hệthống cơkhí theo độtin cậy. Nhà
xuất bản khoa học và kỹ thuật. 2005
[10]. Khuất Tất Nhưỡng. Kỹthuật ĐM toa xe hiện đại. Nhà xuất bản Giao thông
vận tải. 2002
[11]. Nguyễn Văn Phái, Nguyễn Quốc Việt. Tính toán độbền mỏi. Nhà xuất bản
khoa học và kỹthuật. 2004
[12]. Phạm Ngọc Phúc, Ngô Văn Quyết. Tính toán độbền mỏi chi tiết máy có kể
tới xác suất phá hủy. “Tuyển tập các công trình khoa hoạc Hội nghịCơhọc vật
rắn biến dạng toàn quốc lần thứVI”. Hà Nội. 11- 1999
[13]. Phạm Ngọc Phúc, Ngô Văn Quyết. Ứng dụng lý thuyết xác suất thông kê
trong Tính toán độbền mỏi chi tiết máy. Quân đội nhân dân. Hà Nội. 2001
[14]- P.I. ORLOP. Cẩm nang cơkhí. Tập 1. Nhà xuất bản Hải phòng 2002
[15]. Phân tích vết nứt khung giá chuy ển của ĐM”đổi mới” của Việt Nam. CSR.
Ziyang Locomotive Works, 2005
[16]. Ngô Văn Quyết. Nhập môn cơhọc phá hủy – Fracture mechanics. Hội Cơ
học Việt Nam. 1987
[17]- Ngô Văn Quyết. Cơsởlý thuyết mỏi.Nhà xuất bản Giáo dục 2000
- 146 - [18]- Ngô Văn Quyết. Về bản chất vật lý của phương trình đồng dạng phá huỷ
mỏi. “Tạp chí Khoa học giao thông vận tải”. Số12 tháng 11 - 2005
[19]- Ngô Văn Quyết, Trần Xuân Khái. Phương pháp mới tính độbền mỏi của bán
trục cầu sau ô tô. “Tuyển tập các công trình khoa hoạc Hội nghịCơhọc toàn quốc
lần thứVII”. Hà Nội. 12- 2002
[20]- Ngô Văn Quyết, Trần Xuân Khái. Phương pháp xác định các thông số đường
cong mỏi của chi tiết máy. “Tạp chí Khoa học và kỹthuật”. Học viện Kỹthuật
Quân sự. Số100/III/2002
[21]- Ngô Văn Quyết, Đỗ Đức Tuấn, Phạm Lê Tiến. Vềphương trình lan truyền
vết nứt mỏi. “Tạp chí Khoa học giao thông vận tải”. Số12 tháng 11 - 2005
[22]- Ngô Văn Quyết, Đỗ Đức Tuấn, Phạm Lê Tiến. Nghiên cứu hiện tượng nứt
trong khung giá chuyển hướng của loại ĐM D19E vận dụng ởxí nghiệp ĐM Hà
Nội. “Tạp chí Khoa học giao thông vận tải”. Số 12 tháng 11 - 2005
[23]- Đỗ Đức Tuấn. Nghiên cứu đánh giá độbền giá xe và giá chuyển hướng ĐM
D9E vận dụng trên đường sắt Việt Nam. Đềtài NCKH B2000-35-106 TĐ. Hà Nội
2000.
[24]- Đỗ Đức Tuấn. Đánh giá độ bền và độ bền mỏi kết cấu giá xe giá chuyển
hướng và trục bánh xe ĐM Diesel Nhà xuất bản Xây dựng. Hà Nội 2005
[25]- Đỗ Đức Tuấn, Trần Văn Khuê. Xác định ứng suất dưtrên khung giá chuyển
hướng và trục bánh xe ĐM D9E sửdụng trên đường sắt Việt Naml. Tuy ển tập các
công trình khoa hoạc Hội nghịCơhọc toàn quốc lần thứVII. Hà Nội. 12- 2002,
Tập III, Cơhọc vật rắn biến dạng
[26]- Đỗ Đức Tuấn, Phạm Lê Tiến. Đánh giá độbền mỏi khung giá chuyển hướng
ĐM D9E trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá hủy mỏi. “Tạp chí Khoa học giao
thông vận tải”. Số09 /2004
[27]- V.PKOGAEP. Sổtay tính toán độbền tuổi thọchi tiết máy và kết cấu. Nhà
xuất bản Hải phòng 2006
[28]. Yêu cầu vềtính toán sức bền Toa xe – Phương tiện giao thông đường sắt.
22TCN 340-05: Qui phạm kỹ thuật khai thác đường sắt. Bộ giao thông vận tải.
2008. (Dựthảo 3)
Tài liệu tiếng Anh
[29]. H. ISHIZUKA, V. SATO. Fretting fatigue strength of axles for bullet train
and their maintenance. Sydney Australia 1992
[30]. Operation and maintenance instructions. - Type CKD
7F
diesel locomotive.
Ziyang diesel locomotive works, P.R.CHINA. 2002