LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển toa xe theo nhu cầu của xã hội trong ngành vận tải đường sắt, cùng với quá trình công nghiệp hóa hiên đại hóa ngày nay, nền kinh tế nước ta ngày một phát triển và lĩnh vực giao thông vận tải cũng theo đó mà đi lên. Lượng hàng hóa phải vận chuyển cũng ngày càng nhiều, và chúng cơ bản được vận chuyển qua nhiều hình thức khác nhau. Tuy nhiên có một số mặt hàng thiết bị có khối lượng lớn, kích thước cồng kềnh như tua bin thủy điện, máy biến áp của các trạm trung chuyển của lưới điện,… vượt quá khả năng tải của các loại toa xe thông thường. Do đó, chúng ta có thể chọn một giải pháp an toàn, đáp ứng được yêu cầu trên là dùng các toa xe siêu trọng như các loại toa xe 8 trục, 12 trục, 16 trục, 20 trục và nhiều hơn. Mặc dù vậy, xét đến công dụng và tiềm lực của nước ta thì toa xe 12 trục sẽ là một lựa chọn hợp lý trong tương lai gần.
Tính năng và hiệu quả sử dụng của toa xe phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng thiết kế, chế tạo và điều kiện sử dụng. Việc đánh giá chất lượng toa xe có thể theo một số phương pháp khác nhau phụ thuộc vào mục đích và phương tiện xác định các chỉ tiêu cần đánh giá. Trong đó các chỉ tiêu động lực học dao động, độ êm dịu và an toàn khi chuyển động, tính an toàn điều khiển và tính tiết kiệm nhiên liệu (năng suất) được xét đến phổ biến hơn.
Dựa trên cơ sở đó, em đã được giao đề tài “Tính toán động lực học cho toa xe chở hàng 12 trục”. Với những nội được trình bày trong đồ án gồm 3 chương như sau :
Chương 1. Giới thiệu tao xe chở hàng .
Chương 2. Tính toán động lực học cho toa xe chở hàng 12 trục .
Chương 3. Khảo sát động lực học toa xe chở hàng 12 trục .
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TOA XE CHỞ HÀNG
1.1. Các loại xe thông dụng
Có nhiều cách phân loại toa xe người ta thường dùng 5 cách sau đây :
1.1.1. Phân loại theo số trục trong một toa xe
Gồm có loại xe 2 trục, loại xe 4 trục, 6 trục, xe 8 trục, 12 trục, 16 trục, 20 trục... tùy theo tải trọng và kích thước của hàng hoá, số tấn tải chịu đựng của đường sắt, trọng tải có thể đến 200 Tấn .
1.1.4. Phân theo hình thức khai thác vận dụng của ngành Đường sắt
- Xe vận dụng : Là những toa xe hiện đang vận dụng chạy trên các tuyến đường sắt .
- Xe gửi lại : Là những toa xe có trạng thái kỹ thuật tốt, nhưng chưa dùng tới khi cần thiết sẽ dùng được ngay .
- Xe khách dự bị : Là những xe khách chưa dùng đến còn để trong ga hoặc ở trạm sửa chữa .
- Xe thử : Là những xe chuyên chạy trong một khu vực, hoặc một số tuyến nhất định .
- Xe bối thân : Là những xe lấy ra để nối thêm vào những đoàn tàu khách khi khách quá đông, đoàn tàu hàng khi hàng quá nhiều vượt quá số toa quy định .
- Xe đệm : Khi hàng hoá quá dài vượt quá chiều dài một hay hai xe, ta lấy xe mặt bằng nối thêm làm xe đệm, xe này không chịu trọng lượng của hàng hoá. Hoặc toa xe đệm giữa đầu máy và các toa xe cuối khi cần giảm độ chấn động dọc cho đoàn xe khách .
- Xe dùng riêng : Là những xe hàng hoặc khách đặc biệt để dùngcho mục đích riêng .
1.1.5. Phân loại theo công dụng
Phân loại theo công dụng gồm xe khách và xe hàng .
Về xe khách có các loại : Xe ghế cứng, ghế mềm, xe giường ngủ xe hàng cơm, xe hành lý, xe công vụ, xe du lịch, xe hai tầng, ...Hình 1.7 là loại toa xe kiểu 2 tầng .
CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC TOA XE CHỞ HÀNG 12 TRỤC
2.1. Xây dựng mô hình tính toán
2.1.1. Mô hình toa xe 12 trục và các thông số
Toa xe mà ta khảo sát có cấu trúc đối xứng, tức là các giá chuyển hướng đều cùng loại, có các thông số giống nhau, các bệ có các thông số giống nhau .
Giả thiết toa xe đang chuyển động về phía bên trái với vận tốc V.
- C1; C2 : Là hệ số cản nhớt của giảm chấn lắp trên 1 giá chuyển hướng (Ns/m) .
- K1; K2 : Là độ cứng lò xo lắp trên 1 giá chuyển hướng (N/m) .
- L : Là 1 nửa khoảng cách giữa 2 cối chuyển của thân toa xe, tính bằng (m) .
- a: Là 1 nửa khoảng cách giữa 2 cối chuyển nối với giá chuyển hướng của 1 bệ (m) .
- l : Là 1 nửa khoảng cách giữa trục bánh trên 1 giá chuyển hướng (m) .
- V: Là vận tốc của toa xe (km/h) .
2.3. Giải hệ phương trình vi phân
Do đây là hệ phương trình vi phân tương đối phức tập, nên để giải hệ này chính xác và nhanh, đồng thời kiểm tra được quá trình dao động của từng hệ bằng sơ đồ trạng thái thì em đã sử dụng phần mền Matlab 6.0 để giải và kiểm nghiệm.
2.3.1. Xác định tần số dao động tự do
Xét hệ không có cản nhớt C và ngoại lực tác dụng F(t). Khi đó phương trình vi phân có dạng :
[M]{x’’}+[K].{x} ={0} (2.11)
2.3.3. Vận tốc cộng hưởng của hệ
Vận tốc cộng hưởng (Vch) được xác định bởi công thức :
Vch = 3,6.f. Lr = 3,6. (km/h) . (2.16)
2.3.5. Xác định các phương trình chuyển động của hệ
Xác định các chuyển vị của hệ thông qua giải phương trình vi phân :
[M]{x’’}+ [C].]{x’}+[K].{x} ={F} (2.17)
Ta biến đổi (I) như sau :
{x’’}= - [M]-1.[K].{x} - [M]-1.[C].{x’} +[M]-1.{F(t)} (2.18)
{x’} = [O].{x}+[I].{x’}+{0} (2.19)
Tương tự, ta cũng có thể biểu diễn{x’} như sau :
Khi đó ta có hệ phương trình sau :
{x’’}= - [M]-1.[K].{x} - [M]-1.[C].{x’} +[M]-1.{F(t)} (2.20)
{x’} = [O].{x}+[I].{x’}+{0}
Dựa vào đồ thị hình 2.7 ta có thể nhận thấy rằng, khi toa xe chạy với vận tốc : V = 60 (km/h), toa xe có lắp đầy đủ lò xo, giảm chấn, thì ta thấy :
- Trong khoảng từ 0 cho đến 7s biên độ của dao động tăng lên đột ngột sau đó giảm dần đến một mức ổn định .
- Từ sau 7s hình dạng của đồ thị là 1 sóng dao động điều hòa hình sin có biên độ nhỏ, như vậy sẽ đảm bảo được độ êm dịu cho hàng hóa trên xe, tránh gây xóc lắc mất an toàn đối với hàng hóa trên xe .
- Đồ thị của chuyển vị góc đạt được độ ổn định sớm hơn nhiều so với chuyển vị thẳng đứng của bệ phụ sau .
- Thử tiến hành khảo sát ở 1 số vận tốc khác và khác các vận tốc cộng hưởng đã tính và in kết quả trên, ta cũng thấy rằng các dao động của toa xe cũng nhanh chóng đạt được độ ổn đinh .
2.3.6. Tính lực động tác dụng lên các bộ phận của toa xe
Sau khi xác đinh được các chuyển vị và vận tốc theo phương thẳng đứng của từng bộ phận, ta thay số vào tính toán các lực động tác dụng lên các bộ phận :
2.3.6.1. Khảo sát tại vận tốc của toa xe: V = 60 (km/h)
a, Lực động tác dụng lên thân xe
Qua hình ta thấy :
- Đường màu đỏ là đồ thị ứng với lực Ftmax
- Đường màu đứt đoạn màu đỏ là đồ thị ứng với lực Fsmax
- Đường màu vàng là đồ thị ứng với lực F12max
- Đường màu đứt đoạn màu vàng là đồ thị ứng với lực F23max
- Đường màu đen là đồ thị ứng với lực F45max
- Đường màu đứt đoạn màu đen là đồ thị ứng với lực F56max
- Đường màu lục là đồ thị ứng với lực F78max
- Đường màu đứt đoạn màu lục là đồ thị ứng với lực F89max
- Đường màu lơ đồ thị ứng với lực F1011max
- Đường màu đứt đoạn màu lơ là đồ thị ứng với lực F1112max
Như vậy, dựa vào đồ thị 2.11 ta thấy tai vận tốc : V = 70 (km/h), lực cực đại của tất cả các thành phần đều lớn nhất còn trong khoảng 40 đến dưới 70 ngoài lực động tác dụng lên thân toa xe thì lực cực đại các thành phần còn lại đều có sự biến thiên không theo 1 chiều trong khi lực cực đại tác dụng lên thân toa xe lại tăng dần đều .
CHƯƠNG 3
KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC TOA XE CHỞ HÀNG 12 TRỤC
Toa xe chở hàng chạy trên đường sắt mà chúng ta cần khảo sát là toa xe có 12 trục bánh (hình 1.3). Bộ phận chạy của toa xe bao gồm 8 giá chuyển hướng ở hai đầu xe (hình 1.11). Để giảm lực động và rung động cho thân xe trên giá chuyển hướng người ta lắp thêm hệ lò xo và giảm chấn.
Khi chạy trên đường do độ không bằng phẳng của mặt đường ray nên toa xe sẽ bị rung động gây ảnh hưởng sấu đến an toàn chạy tàu và chất lượng hàng hóa. Dưới đây ta sẽ đi khảo sát động lực học của toa xe đang vận hành cụ thể ở các vận tốc : V = 40 (km/h); V = 60 (km/h) như sau :
3.1. Khảo sát động lực học của toa xe vận hành tại vận tốc : V = 40 (km/h)
3.1.1. Tần số vòng và tần số dao động tự do tác dụng lên toa xe
Áp dụng theo công thức :
ω = 2.π.f (3.1)
Trong đó:
- ω : Là tần số vòng của dao động (rad/s) .
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của lò xo và lực cản giảm chấn đến tính năng động lực cảu toa xe
Để thuận tiện cho việc so sánh với kết quả. Ở đây ta sẽ khảo sát trong hai trường hợp là toa xe không sử dụng giảm chấn và toa xe có sử dụng hệ thống giảm chấn .
3.3. Nhận xét
Qua phần khảo sát ở hai vận tốc : V = 40 (km/h) và V = 60 (km/h) ta nhận thấy rằng:
- Ở vận tốc: V = 60 (km/h) thì chuyển vị của thân, bệ trước, bệ sau của toa xe có biên độ dao động êm hơn, thời gian đi vào trạng thái ổn định ngắn hơn so với vận tốc: V = 40 (km/h) .
- Khi hệ thống không có lắp giảm chấn, ta thấy lực động tác dụng lên thân của toa xe không ngừng tăng lên theo thời gian cho tới vô cùng, điều này rất nguy hiểm, nó có thể gây phá hỏng các kết cấu của toa xe. Như vậy, qua việc khảo sát này ta nhận thấy vai trò của các giảm chấn là rất quan trọng…
KẾT LUẬN
Qua thời gian hơn 3 tháng tìm hiểu, nghiên cứu làm nhiệm vụ của đề tài tốt nghiêp “Tính toán động lực học cho toa xe chở hàng có 12 trục” em đã có thể bổ sung thêm vào vốn kiến thức của mình các kiến thức cơ bản về động lực học, cũng như tìm hiểu nắm bắt và biết cách ứng dụng phần mềm vào quá trình học tập và làm việc.
Bên cạnh đó em cũng có được trải nghiệm tự mình tìm hiểu giải quyết một vấn đề là thế nào, em cũng cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo: Ths. ……………... Đề tài chỉ là một mô hình đơn giản thôi nhưng giải quyêt được nó em cũng có một ít kinh nghiêm để từ đó có thể làm cơ sở sau này giải quyết các vấn đề phức tạp, khó khăn hơn.
Về đề tài này, các nhiệm vụ cụ thể của nó giúp ta khảo sát được dao động, lực tác dụng của một hệ dao động, xem xét được tình trạng hệ dao động khi xảy ra cộng hưởng rất trực quan thông qua việc mô phỏng trên phần mềm matlab. Bên cạnh cho phép ta xem xét, khảo sát được ảnh hưởng của các thông số của xe đến các quy luật đó.
Trong quá trình làm đồ án do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót trong đồ án. Vậy em rất mong quý thây cô chỉ bảo và giúp đỡ em để đồ án của em được hoàn thiện hơn và tích lũy kinh nghiệm sau này ra ngoài thực tế.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa cơ khí, đặc biệt là thầy giáo: Ths. ………….. đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn !
…….Hà nội….tháng….năm 20…
Sinh viên thực hiện
…………………
PHỤ LỤC
%file chuong trinh dao dong doan.m:
% file doan.m
% CHUONG TRINH TINH DAO DONG CUA TOA XE CHO HANG 12 TRUC
% CHAY TREN DUONG CO DANG HINH SIN
%-----------------------------------
t=20; %thoi gian khao sat
% ma tran khoi luong
M=diag([m1 J1 m2 J2 m3 J3 m4 J4 m5 J5 m6 J6 m7 J7]);
% ma tran do cung
%K=magic(14);
K1=[2*k1 0 -k1 0 -k1 0 0 0 0 0 0 0 0 0];
K2=[0 2*k1*L^2 k1*L 0 -k1*L 0 0 0 0 0 0 0 0 0];
K3=[-k1 k1*L 2*k2+k1 0 0 -k2 0 -k2 0 0 0 0 0 0];
K4=[0 0 0 2*k2*a^2 0 0 k2*a 0 -k2*a 0 0 0 0 0];
K5=[-k1 -k1*L 0 0 k1+2*k2 0 0 0 0 0 -k2 0 -k2 0];
K6=[0 0 0 0 0 2*a^2*k2 0 0 0 0 a*k2 0 -a*k2 0];
K7=[0 0 -k2 k2*a 0 0 k2+3*kb 0 0 0 0 0 0 0];
K8=[0 0 0 0 0 0 0 2*l^2*kb 0 0 0 0 0 0];
K9=[0 0 -k2 -k2*a 0 0 0 0 k2+3*kb 0 0 0 0 0];
K10=[0 0 0 0 0 0 0 0 0 2*l^2*kb 0 0 0 0];
K11=[0 0 0 0 -k2 k2*a 0 0 0 0 k2+3*kb 0 0 0];
K12=[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2*l^2*kb 0 0];
K13=[0 0 0 0 -k2 -k2*a 0 0 0 0 0 0 k2+3*kb 0];
K14=[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2*l^2*kb];
K=[K1;K2;K3;K4;K5;K6;K7;K8;K9;K10;K11;K12;K13;K14];
% ma tran can nhot
%C=magic(14);
C1=[2*c1 0 -c1 0 -c1 0 0 0 0 0 0 0 0 0];
C2=[0 2*c1*L^2 c2*L 0 -c1*L 0 0 0 0 0 0 0 0 0];
C3=[-c1 c1*L 2*c2+c1 0 0 -c2 0 -c2 0 0 0 0 0 0];
C4=[0 0 0 2*c2*a^2 0 0 c2*a 0 -c2*a 0 0 0 0 0];
C5=[-c1 -c1*L 0 0 c1+2*c2 0 0 0 0 0 -c2 0 -c2 0];
C6=[0 0 0 0 0 2*a^2*c2 0 0 0 0 a*c2 0 -a*c2 0];
C7=[0 0 -c2 c2*a 0 0 c2+3*cb 0 0 0 0 0 0 0];
C8=[0 0 0 0 0 0 0 2*l^2*cb 0 0 0 0 0 0];
C9=[0 0 -c2 -c2*a 0 0 0 0 c2+3*cb 0 0 0 0 0];
C10=[0 0 0 0 0 0 0 0 0 2*l^2*cb 0 0 0 0];
C11=[0 0 0 0 -c2 c2*a 0 0 0 0 c2+3*cb 0 0 0];
C12=[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2*l^2*cb 0 0];
C13=[0 0 0 0 -c2 -c2*a 0 0 0 0 0 0 c2+3*cb 0];
C14=[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2*l^2*cb];
C=[C1;C2;C3;C4;C5;C6;C7;C8;C9;C10;C11;C12;C13;C14];
% TINH VECTO RIENG VA TAN SO DAO DONG RIENG
[X,U]=eig(K,M);
wn=sqrt(U); % tan so dao dong rieng rad/s
fn=diag(wn)/(2*pi); % tan so dao dong rieng Hz
Vch=3.6*fn*Lr; % van toc cong huong km/h
disp('TAN SO DAO DONG RIENG(Hz) VAN TOC CONG HUONG(km/h)');
disp([fn Vch]);
V=input('Van toc cua toa xe (km/h): V=');
w=2*pi*V/3.6/Lr; % tan so goc kich thich tu duong rad/s
% thoi gian tre cua cac truc banh xe phia sau
tc1=0;% thoi gian tr cua truc banh thu 1
tc2=l/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 2
tc3=2*l/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 3
tc4=3*l/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 4
tc5=4*l/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 5
tc6=5*l/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 6
tc7=2*L/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 7
tc8=(2*L+l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 8
tc9=(2*L+2*l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 9
tc10=(2*L+3*l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banhthu10
tc11=(2*L+4*l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 11
tc12=(2*L+5*l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banhthu12
%chuyen vi theo phuong thang dung cua banh
% TINH LUC CUC DAI
F40max=1.0e+005*[0.0705 0.0709 4.8079 0.9569 1.4493 1.0365 0.1242 3.2098 1.0098 0.0978 2.3290 0.0123 0.0567 0.4325];
F50max=1.0e+005*[0.1290 0.1302 0.5192 4.9553 3.2182 1.0365 4.1252 0.2093 1.0051 0.0338 4.3290 4.3420 0.0554 1.4420];
Ftmax=[F40max(1,1) F50max(1,1) F60max(1,1) F70max(1,1)];
tc6=5*l/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 6
tc7=2*L/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 7
tc8=(2*L+l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 8
tc9=(2*L+2*l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 9
tc10=(2*L+3*l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banhthu10
tc11=(2*L+4*l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banh thu 11
tc12=(2*L+5*l)/(V*1000/3600);% thoi gian tr cua truc banhthu12
%chuyen vi theo phuong thang dung cua banh
y1=y0*sin(w*(t-tc1));
y2=y0*sin(w*(t-tc2));
y3=y0*sin(w*(t-tc3));
y4=y0*sin(w*(t-tc4));
y5=y0*sin(w*(t-tc5));
y6=y0*sin(w*(t-tc6));
y7=y0*sin(w*(t-tc7));
y8=y0*sin(w*(t-tc8));
y9=y0*sin(w*(t-tc9));
F0=Mn*F00;
A=[O E;-Mn*K -Mn*C];
F=[Ov;F0];
xc= A*x+F;
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 - GIÁO TRÌNH DAO ĐỘNG KĨ THUẬT - GV.Nguyễn Bá Nghị (2011) - Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội.
2 - ĐỀ TÀI NGIÊN CỨ KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG “MATLAB TÌM HIỂU VÀ ỨNG DỤNG GIẢI CÁC BÀI TOÁN KỸ THUẬT” - Ths. Nguyễn Bá Nghị (2002) - Trường Đại Học Giao Thông Vận tải.
3 - BÀI GIẢNG: CƠ SỞ VỀ MATLAB - Biên Soạn.Nguyễn Thị Hồng Thúy.
4 - CÁC TRANG WED THAM KHẢO.
- https://vi.wikipedia.org/
- http://daumaytoaxe.com/
- https://www.google.com.vn/
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"