CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN MỎI KẾT CẤU BỘ PHẬN CHẠY ĐẦU MÁY, TOA XE TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 1. Tổng quan các nghiên cứu về mỏi ở ngoài nước Hiện nay các nghiên cứu về mỏi trên thế giới khá đa dạng và phong phú với các trường phái khác nhau và các phương pháp khác nhau. Mỗi trường phái, mỗi phương pháp nghiên cứu đều cần đến nhiều loại thiết bị và thí nghiệm khác nhau, dẫn đến việc nghiên cứu ngày càng phức tạp và tốn kém. Mặc dù vậy kết quả nghiên cứu theo các phương pháp khác nhau nhiều khi không mang lại các kết quả như nhau.
Liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu về mỏi của kết cấu cơ khí nói chung và trên đầu máy, toa xe nói nói riêng, có thể điểm qua một số công trình sau đây: - Một số nước như Australia, Mỹ, Nhật… đã dùng giản đồ Haigh để tính độ bền mỏi và tính toán phá huỷ mỏi của trục bánh xe đầu máy, căn cứ theo tốc độ phát triển của vết nứt xác định bằng thực nghiệm, xây dựng đường cong biểu thị quan hệ giữa tốc độ vết nứt mỏi phát triển và số gia cường độ ứng suất da/dN - K của vật liệu kim loại trong hệ toạ độ đối số. - Trong quy phạm FKM của Cộng hoà Liên bang Đức, độ bền mỏi của vật liệu được tính toán qua số gia của độ bền vô tận của cấu trúc và hệ số độ bền làm việc. - Một số nước đã thí nghiệm để xác định giới hạn mỏi, tốc độ lan truyền vết nứt mỏi và độ dai phá hủy của vật liệu theo các tiêu chuẩn khác nhau và đã thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM E 399-90 và ASTM E 467. - Việc tính toán độ bền mỏi của vật liệu ở Liên Xô trước đây và Cộng hoà Liên bang Nga ngày nay đã được qui định trong tiêu chuẩn 25.504-82 của Nga và dựa trên lý thuyết đồng dạng thống kê phá hủy mỏi để tính cho các chi tiết thực có kích thước tương đối lớn, có kể tới nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau.
Dưới đây liệt kê các phương pháp nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi của kết cấu nói chung. Các phương pháp nghiên cứu liên quan tới ứng suất trong kết cấu nói chung 14 1. Một số phương pháp truyền thống tính toán độ bền mỏi a. Phương pháp tính toán của A.
Tính toán theo lý thuyết của Harris c. Tính toán lý thuyết của Bollenrnath -Troost d. Tính toán theo lý thuyết của Siebel 1. Phương pháp sử dụng giản đồ Haigh (Australia, Mỹ, Nhật) 1.
Các nghiên cứu ở Cộng hoà Liên bang Đức 1. Phương pháp Miner - Đánh giá độ bền mỏi của chi tiết và kết cấu bằng phương pháp tích luỹ tuyến tính các tổn thương mỏi 1. Phương pháp đồng dạng phá hủy mỏi - Các nghiên cứu ở Liên Xô trước đây và Cộng hoà Liên bang Nga ngày nay a. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối b.
Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối 1. Các phương pháp nghiên cứu liên quan tới tốc độ phát triển vết nứt mỏi 1. Các nghiên cứu ở một số nước Australia, Trung Quốc, Nhật 1. Phương pháp ứng suất danh nghĩa 1.
Phương pháp thay đổi ứng suất cục bộ a. Phương pháp hiệu chỉnh Neuber b. Phương pháp đo thử 1. Phương pháp cơ học phá hủy 1.
Các phương pháp nghiên cứu liên quan tới phương trình lan truyền vết nứt 1. Phương trình lan truyền vết nứt mỏi với chu kỳ ứng suất đối xứng a. Phương trình của Paris b. Phương trình của Mc Clintoct - Donahue c.
Phương trình của Forman d. Phương trình của Weertman e. Phương trình của Heald g. Phương trình của Paris mở rộng h.
Phương trình của Weiss i. Phương trình của Tomkins 15 1. Phương trình lan truyền vết nứt mỏi với chu kỳ ứng suất phi đối xứng a. Phương trình của Broek – Schijve b.
Phương trình của Forman c. Phương trình của Weertman d. Phương trình của Erdogan e. Phương trình của Mc Evily - Wei 1.
Phương trình lan truyền vết nứt mỏi của Paris 1. Phương trình lan truyền vết nứt mỏi của G. Các nghiên cứu về mỏi liên quan tới bộ phận chạy đầu máy, toa xe Ở các nước tiên tiến, việc nghiên cứu đánh giá độ bền và độ bển mỏi của kết cấu trên đầu máy, toa xe đã được thực hiện một cách bài bản thông qua các nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu thử nghiệm tại hiện trường. Từ các nghiên cứu này đã tiến hành dự báo tuổi thọ mỏi còn lại cho các kết cấu và khuyến nghị cho việc sử dụng đầu máy, toa xe trong tương lai tương ứng với các điều kiện khai thác cụ thể.
Phương pháp xác định độ bền mỏi của khung giá chuyển hướng đầu máy, toa xe của các nhà khoa học Liên bang Nga. Một phương pháp được Xavoxkin A.L thuộc Trường Đại học Giao thông Đường sắt Moskva đề xuất và đã được sử dụng để đánh giá độ bền mỏi của khung giá chuyển hướng toa xe tự chạy EP2 [13]. Theo phương pháp này, để xác định các đặc trưng mỏi của khung giá chuyển hướng, ngoài việc tính toán lý thuyết cần tiến hành các thử nghiệm tải trọng tĩnh và thử nghiệm tải trọng động. Các nghiên cứu ở Trung Quốc Viện khoa học đường sắt Trung Quốc đã tiến hành kiểm tra động lực học và ứng suất động lực khung giá chuyển hướng đối với đầu máy D19E 903 trên tuyến Hà Nội - Đà Nẵng.
Việc đánh giá độ bền mỏi và đánh giá tuổi thọ được thực hiện theo sơ đồ mỏi cơ bản Goodman. Tình hình nghiên cứu về mỏi ở trong nước 1. Tình hình nghiên cứu về mỏi nói chung Cho đến nay các nghiên cứu đánh giá độ bền và đặc biệt nghiên cứu về độ bền mỏi của kết cấu nói chung còn rất hạn chế do thiết bị và phòng thí nghiệm chưa được 16 trang bị một cách đầy đủ và đồng bộ. Các nghiên cứu đánh giá độ bền và độ bền mỏi kết cấu đầu máy, toa xe cũng không nằm ngoài bối cảnh đó.
Đặc biệt vấn đề thử nghiệm tại hiện trường là rào cản lớn nhất cho việc thực hiện các nghiên cứu này. Các công trình nghiên cứu về mỏi ở trong nước nói chung và trong lĩnh vực cơ khí nói riêng còn rất khiêm tốn. Tuy nhiên vẫn có thể kể ra những tác giả nghiên cứu về mỏi ở trong nước như: GS. Nguyễn Trọng Hiệp; PGS.
Phan Văn Khôi [1]; PGS. Ngô Văn Quyết [2] và các cộng sự [3], [4], [9], [10]…Trong một số lĩnh vực đã có một số công trình nghiên cứu về mỏi đối với kết cấu khung giá và kết cấu lò xo trên ôtô, trong máy xây dựng. Trong lĩnh vực cơ khí đường sắt, các nghiên cứu về mỏi càng ít ỏi. Nghiên cứu về độ bền mỏi kết cấu cơ khí nói chung và trên các phương tiện giao thông đường sắt nói riêng ở Việt Nam hiện nay còn khá hạn chế.
Tuy vậy trong thời gian gần đây đã có một số nghiên cứu bước đầu về đánh giá độ bền và độ bền mỏi kết cấu bộ phận chạy trong đó có khung giá chuyển hướng và bộ trục bánh xe đầu máy, toa xe. Dưới đây là một số công trình đã được công bố: Hiện nay đường sắt Việt Nam đang sử dụng hàng trăm đầu máy diezel và hàng ngàn toa xe các loại. Độ bền nói chung và độ bền mỏi nói riêng của bộ phận chạy đầu máy, toa xe trong đó có khung giá chuyển hướng và bộ trục bánh xe liên quan trực tiếp tới an toàn vận hành của đoàn tầu. Cho đến nay các nghiên cứu về độ bền mỏi kết cấu nói chung ở Việt Nam và trong ngành ĐSVN còn rất hạn chế.
Với xu hướng tốc độ đoàn tầu ngày càng được nâng cao, việc nghiên cứu độ bền mỏi kết cấu bộ phận chạy đầu máy, toa xe trong ngành ĐSVN là vấn đề cần được quan tâm đúng mức. Nghiên cứu về mỏi đối với đầu máy, toa xe 1. Đánh giá tuổi thọ mỏi của kết cấu KGCH đầu máy, toa xe theo giả thuyết tích luỹ tuyến tính các tổn thương mỏi Công trình đáng lưu ý nhất bao gồm : 1. Nghiên cứu thử nghiệm và đánh giá độ bền giá chuyển hướng đầu máy D9E vận dụng trên đường sắt Việt Nam.
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2000-35- 106TĐ do GS. Đỗ Đức Tuấn chủ trì. Nghiên cứu thử nghiệm độ bền thùng xe, bệ xe và giá chuyển hướng toa xe khách Rumani sử dụng tại Xí nghiệp toa xe Sài Gòn. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2010-04-111 do GS.
Đỗ Đức Tuấn chủ trì. Đánh giá tuổi thọ mỏi của kết cấu KGCH đầu máy theo lý thuyết đồng dạng phá hủy mỏii 1. 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, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Phạm Lê Tiến (2011), Trường Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội. Đề xuất lựa chọn một số phương pháp đánh giá độ bền mỏi kết cấu bộ phận chạy đầu máy toa xe trong điều kiện Việt Nam Từ các nghiên cứu khá đa dạng về mỏi ở ngoài nước, thấy rằng trong điều kiện Việt Nam hiện nay có thể lựa chọn một số phương pháp sau đây.
Đánh giá độ bền mỏi của chi tiết và kết cấu bằng phương pháp truyền thống (cổ điển) Cơ sở tính toán của phương pháp này được dựa trên đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mức ứng suất lớn nhất của chu trình và thời lượng hoạt động tương ứng, hay nói khác dựa vào đường cong mỏi f N . Biểu thức đánh giá của phương pháp này có thể biểu diễn dưới dạng [13] max k tt = gh ; (1.1) trong đó: max - giá trị ứng suất lớn nhất; tt - giá trị ứng suất tính toán đối với vật liệu kết cấu trong trường hợp chưa xét tới mỏi; k - hệ số tính tới việc giảm thấp khả năng chịu tải của vật liệu kết cấu khi chịu tác động của tải trọng thay đổi; Tích k tt = gh thường được gọi là cường độ mỏi hay giới hạn mỏi của vật liệu kết cấu. Khi gh , mẫu kết cấu coi như có tuổi thọ vô hạn, hay nói khác là đảm bảo để trong suốt thời hạn phục vụ không xảy ra phá hoại mỏi. Khi ứng suất xuất hiện trong kết cấu do tác động của tải trọng khai thác thay đổi theo chu kỳ bất đối xứng với ứng suất trung bình bằng ứng suất tĩnh t , với biên độ ngẫu nhiên bd a .