MỤC LỤC

Mục lục

Lời nói đầu

1. Chương 1: Giới thiệu chung về toa xe chở hàng

1.1.Giới thiệu về toa xe chở hàng.

1.1.1.Công dụng của toa xe chở hàng.

1.1.2.Các bộ phận của toa xe chở hàng và công dụng của chúng

1.2.Biến dạng song hình sin của đường ray.

1.3.Bài toán tính toán động lực học toa xe

1.4.Nội dung nghiên cứu.

1.5.Phương pháp nghiên cứu

2. Chương 2 : Tính toán dao động của toa xe chở hàng có lắp giảm chấn thủy lực

2.1. Lập mô hình tính toán học .

2.2.Lập phương trình vi phân chuyển động của toa xe .

2.3.Giải hệ phương trình vi phân.

2.3.1.Xác định các chuyển vị    

2.3.2. Xác định tần số dao động tự do của toa xe .

2.3.3.Phương trình trạng thái dao động của hệ.

2.3.4.Tính lực độngtác dụng giữa các bộ phận

2.3.5.Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng .

3. Chương 3 :  Tính toán dao động của toa xe chở hàng có lắp thêm phần tử đàn hồi ở đầu mỗi trục

3.1.Mô hình tính toán của toa xe.

3.2.Lập phương trình vi phân chuyển động cho toa xe .

3.3.Giải hệ phương trình vi phân .

3.3.1.Xác định các chuyển vị 

3.3.2. Xác định tần số dao động tự do của toa xe .

3.3.3.Phương trình trạng thái dao động của hệ.

3.3.4.Tính lực độngtác dụng giữa các bộ phận

3.3.5.Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng

Kết luận

Tài liệu tham khảo

LỜI NÓI ĐẦU

       Đường sắt Việt Nam được xây dựng từ năm 1881 tính đến nay đã được gần 130 năm, luôn là phương tiện giao thông vận tải của mọi tầng lớp nhân dân, đặc biệt là nhân dân lao động, là phương tiện chủ yếu không thể thiếu được trong đời sống xã hội cũng như trong sự phát triển kình tế, chính trị văn hóa, an ninh quốc phòng.

       Trong suốt quá trình phát triển của mình, đường sắt Việt Nam là một trong những mạng lưới giao thông quan trọng nối liền các khu vực trong cả nước, nó gắn liền với cuộc đấu tranh giữ nước của dân tộc, gắn liền với quá trình thúc đẩy lưu thông sản phẩm trong toàn xã hội, làm cho thị trường ổn định, luôn có mặt trong quá trình phát triển của tất cả các lĩnh vực kinh tế - xã hội của quốc gia.

       Lịch sử phát triển của đất nước đã luôn khẳng định vai trò không thể thiếu được của đường sắt, đây là phương tiện vận tải mang tính công cộng cao, thuận lợi đặc biệt là với những đối tượng có nhu cầu phục vụ lớn, là phương tiện vận tải hiệu quả, là hình thức vận tải rẻ, tiện lợi, ít ô nhiễm môi trường, có khả năng hỗ trợ rất tốt cho giao thông đô thị. Là một trong những phương tiện giao thông ổn định, an toàn, rất phù hợp với việc đáp ứng các yêu cầu của du lịch, đặc biệt có vai trò quan trọng trong vận chuyển phục vụ quốc phòng.

       Hiện nay trên thế giới, rất nhiều quốc gia xây dựng và đầu tư vào đường sắt để thúc đẩy sự phát triển kính tế - xã hội của mình.

       Đường sắt Việt Nam trong quá khứ đã nối liền với đường sắt quốc tế qua Trung Quốc và các nước Châu Âu, trong một tương lai gần sẽ nối với các nước Đông Nam Á, góp phần vào việc hòa nhập toàn diện của nước ta với khu vực và thế giới.

         Đề tài “ Tính toán động lực học cho xe chở hàng có lắp giảm chấn thủy lực” nghiên cứu về động lực học toa xe khi nó chạy trên đường ray kể từ đó rút ra lời khuyên cho tàu khi chạy trên đường với các vận tốc khác nhau . Đồng thời cũng khảo sát trong trường hợp toa xe chở hàng có lắp thêm phần tử đàn hồi ở mỗi đầu trục , qua đó so sánh được lực tác dụng lên toa xe trong 2 trường hợp từ đó rút ra kết luận

        Trong suốt quá trình nghiên cứu, với sự cố gắng lỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo Ths. ……………… đã giúp tôi hoàn thành đề tài này. Song do thời gian có hạn nên trong đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong có sự thông cảm và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo cùng các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.

        Em xin trân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TOA XE CHỞ HÀNG

1.1. Giới thiệu về toa xe chở hàng.

1.1.1.Công dụng của xe chở hàng.

   Như chúng ta đã biết vận tải đường sắt có lịch sử ra đời và phát triển tương đối sớm so với các loại vận tải khác .Và ngày nay dù cho rất nhiều hình thức vận tải khác ra đời và phát triển mạnh nhưng vận tải đường sắt vẫn giữ 1 vai trò rất quan trọng trong thị phần vận chuyển người và hàng hóa . Ta có thể thấy ưu điểm của vận tải đường sắt so với các hình thức vận tải khác như sau :

·           Có năng lực vận chuyển lớn với tốc độ tương đối cao .

·           Có thể vận chuyển dc nhiều loại hàng hóa kể cả những hàng hóa tương đối cồng kềnh và với quãng đường xa.

·           Có độ an toàn cao, giá thành vận chuyển thấp phù hợp với nhu cầu vận chuyển

·           Mức độ tiêu hao năng lượng cho 1 sản phẩm tương đối nhỏ, và ít gây ô nhiễm môi trường

1.1.2. Các bộ phận cơ bản của toa xe chở hàng và công dụng của chúng.

   Toa xe chở hàng là một bộ phận của đoàn tàu đảm nhiệm việc chuyên chở hàng hóa . Toa xe chở hàng gồm các bộ phận chính là : giá chuyển hướng (bộ phận chạy), thân xe, đầu móc nối và thiết bị hãm .

Hình 1.1 . Toa xe chở hàng.

-        Giá chuyển hướng : là bộ phận quan trọng nhất và hiện đại nhất của toa xe chở hàng . Nó phải đảm bảo độ an toàn cho chuyển động của toa xe trên đường sắt với độ ổn định cần thiết, đảm bảo lực tác dụng lên hàng hóa và lên các phần tử của đường ray là nhỏ nhất , đảm bảo sức cản đối với toa xe là nhỏ nhất khi di chuyển. Toa xe chở hàng chạy trên đường sắt phổ biến nhất hiện nay là toa xe có 4 trục bánh , bộ phận chạy của toa xe gồm 2 giá chuyển hướng ở 2 đầu toa xe.

    Giá chuyển hướng được cấu tạo tự các bộ trục bánh, bầu dầu, lò xo. Ngoài ra trên giá chuyển hướng còn có khung giá hoặc má giá , trên đó được lắp các chi tiết của hệ thống treo lò xo, hệ thống hãm và các chi tiết phụ khác để truyền tải trọng từ thùng xe xuống giá chuyển

Hình 1.2. Giá chuyển hướng.

-         Thân xe : dung để chứa hàng hóa. Bệ trên than xe được lắp ráp thiết bị đầu móc nối và một phần của thiết bị hãm.

-         Thiết bị đầu đấm móc nối : dung để nối các toa xe với nhau và nối với đầu máy , tiếp nhận , truyền lực kéo và lực đấm từ đầu máy và từ toa xe này đến toa xe khác và giữ chúng ở khoảng cách nhất định .

-         Thiết bị hãm : dung để tạo ra lực cản nhân tạo cho đoàn tàu chuyển động hoặc cho riêng toa xe nhằm điều chỉnh tốc độ một cách hợp lý, dừng hay giữ đoàn tàu ở một vị trí trên đường.

1.2.Biến dạng sóng hình sin của mặt đường .

Trong quá trình sản xuất hay trong quá trình sử dụng đường ray không bằng phẳng tuyệt đối , nó có những nhấp nhô . những nhấp nhô này chính là nguyên nhân phát sinh ra các dao động và các lực động tác dụng lên toa xe.

Nhấp nhô của đường ray là bất kỳ nhưng để tiện lợi trong quá trình tính toán người ta thường quy về 2 dạng là hình sin và hình parapol

                                                y

Hình 1.3. Nhấp nhô mặt đường dạng hình sin.

Biểu diễn nhấp nhô mặt đường dưới dạng :

Từ quan hệ giữa chu kỳ và tần số góc của kích thích mặt đường :  và giữa chu kỳ với vận tốc xe :   ta rút ra

Trong đó : v là vận tốc của toa xe (m/s).

  chiều dài 1 đoạn đường ray cũng chính là chiều dài bước sóng .

Vậy phương trình sóng dạng hình sin của mặt đường có dạng :

Hay :

1.3.Bài toán tính toán động lực học của toa xe .

Khi toa xe chạy trên đường sắt , nó phải chịu rất nhiều lực tác dụng khác nhau : lực trong mặt phẳng thẳng đứng , lực trong mặt phẳng nằm ngang , lực dọc thân xe . Để hòa hoãn cái lực với nhau người ta thường sử dụng lò xo lắp trên giá chuyển hướng của toa xe . Nhưng đây chính là nguyên nhân gây ra các dao động theo nhiều phương nhiều chiều trong quá trình hoạt động của toa xe ở các tốc độ khác nhau làm ảnh hưởng đến độ êm dịu khi chạy gây ra những ảnh hưởng nhất định trong quá trình vận chuyển hàng hóa và ảnh hưởng tới chất lượng của hàng hóa . Không những thế nó còn có thể làm ảnh hưởng tới tuổi thọ của đầu máy toa xe và hạ tầng đường sắt , làm ảnh hưởng tới độ an toàn , độ tin cậy của phương thức vận chuyển này .

Dao động của toa xe rất phức tạp . Nếu ta coi thân xe là một vật thể cứng với hệ tọa độ Oxyz đi qua trọng tâm của nó thì thân xe là một vật thể có 6 bậc tự do cũng có nghĩa là dao động của thân xe là dao động được hợp thành bởi 6 dao động khác nhau . Đó là dao động đường và dao động góc lần lượt theo 3 trục tọa độ :

·        Dao động dịch dọc : là dao động đường của thân xe dọc theo trục x.

·        Dao động lăn ngang : là dao động góc của thân xe quanh trục x.

·        Dao động dịch ngang : là dao động đường của thân xe dọc theo trục y.

·        Dao động gật đầu : là dao động góc của thân xe quanh trục y.

·        Dao động nổi : là dao động đường của thân xe dọc theo trục z.

·        Dao động lắc đâu : là dao động góc của thân xe quanh trục z.

Và cũng tương tự như vậy với 2 giá chuyển .

Trong nội dung đồ án này ta chỉ xét bài toán dao động trong mặt phẳng đứng dọc có nghĩa là ta chỉ xét dao động nổi và dao động lắc đầu

1.4. Nội dung nghiên cứu.

 Đề tài nghiên cứu tập trung cho các vấn đề sau đây :

·        Toa xe chở hàng có lắp hệ lò xo và giảm chấn trên giá chuyển hướng .

·        Toa xe chở hàng có lắp hệ lò xo , giảm chấn trên giá chuyển hướng và có lắp thêm phần tử đàn hồi ở đầu mỗi trục bánh xe .

Ta thực hiện các bước sau cho 2 trường hợp ở trên :

1.     Lập mô hình toán học và lập hệ phương trình vi phân chuyển động của các bộ phân toa xe chở hàng .

2.     Tính toán tần số riêng và vecto riêng cho xe chở hàng .

3.     Tính toán dao động và lực động của các bộ phận của toa xe khi chạy ở một tốc độ cụ thể .

Trên thực tế khi hoạt động thì toa xe sẽ chịu ảnh hưởng biến dạng đàn hồi của đường ray, tuy nhiên trong bài toán nghiên cứu này ta chỉ xét trong trường hợp là bỏ qua biến dạng đàn hồi của đường ray có nghĩa là đường ray cứng tuyệt đối.

1.5. Phương pháp nghiên cứu.

·        Nghiên cứu các dạng nhấp nhô của đường ray kể từ đó rút ra phương trình nhấp nhô của đường bằng các phép tính toán học.

·        Giải các bài toán động lực học toa xe bằng định luật II newton viết hệ phương trình vi phân chuyển động rồi giải gần đúng hệ phương trình đó bằng cách viết lập trình trên phần mềm matlab

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG TOA XE CHỞ HÀNG CÓ LẮP GIẢM CHẤN THỦY LỰC

2.1. Lập mô hình tính toán học .

  Mô hình toa xe hàng có 2 bậc tự do lắp giảm chấn thủy lực chạy trên đường không bằng phẳng được mô tả trên hinh 1. Để đơn giản người ta bỏ qua biến dạng đàn hồi của đường ray và của mặt bánh xe.

2L

                                                             x

M,J                                                                                 V 

                     K               C                                   K                 C

                                                                                     2l

Hình 2.1. Mô hình tính toán của toa xe chở hàng lắp giảm chấn thủy lực

  Các thông số của toa xe gồm:

     M - Khối lượng thân xe (kg);

     J – Momen quán tính của thân xe đới với trục đi qua trọng tâm (kgm²);

     K – độ cứng của lò xo trên 1 giá chuyển hướng (N/m);

     C – Hệ số cản của giảm chấn lắp trên 1 giá chuyển hướng (Ns/m);

     2L – Cự li giữa 2 trục tâm cối chuyển hướng của to axe (m);

     2l – Cự li giữa 2 trục bánh xe trong cùng 1 giá chuyển (m);

 Các tọa độ x,  biểu thị chuyển vị thẳng đứng ( nổi) của trọng tâm thân xe và chuyển vị góc của thân xe trong mặt phẳng đứng dọc . Còn y_t , y_s lần lượt là chuyển vị của mặt đế lò xo của giá chuyển trước và sau; y₁, y₂, y₃, y₄ biểu thị cao độ của đường ray tại chỗ tiếp xúc với các bánh xe.

Bảng thông số kỹ thuật cần thiết cho tính toán:

Bảng 2.1.Thông số tính toán

2.2. Lập phương trình vi phân chuyển động của toa xe .

Phân tích lực tác dụng vào các vật

                                                      x

K() + C()            K() + C() 

Theo định luật II Newton ta có:

m =  K()  C() K()  C() 

J =  KL() + CL()KL() CL()

Viết lại phương trình trên thì ta được phương trình như sau:

    J          

Hệ phương trình vi phân của hệ có thể viết lại dưới dạng như sau :

Trong đó  là vecto tọa độ suy rộng:

Với  là ma trận quán tính :

[K] là ma trận độ cứng :

[C] là ma trận cản nhớt :

{F} là vecto lực kích thích đo độ nhấp nhô của mặt đường :

2.3.Giải hệ phương trình vi phân.

2.3.1. Xác định các chuyển vị   

Ta có giữa các , và các  ,  ,  ,  có quan hệ như sau:

  Còn các y₁ , y₂ ,y₃ , y₄ mặc dù giống hệt nhau nhưng do có sự chậm hơn nhau về thời gian nên có quan hệ như sau :

 Với  :  ;  ;

Trong đó v là vận tốc chạy của toa xe (m/s)

Trong trường hợp đường có dang song hình sin ta có:

Trong đó : = là tần số góc của kích thước của sóng mặt đường ray ; ở đây  là chiều dài bước song và bằng chiều dài của 1 thanh ray, còn các góc pha :

          ,   ,

 Trong đó  là vận tốc theo chiều thẳng đứng của mặt đế dưới của lò xo . Ta có :

          ,  

 Trong đó các  ,     ,   được xác định:

2.3.2. Xác định tần số dao động tự do của toa xe .

Để xác định tần số dao động riêng của hệ ta có thể bỏ qua tác dụng của các giảm chấn và phường trình biểu diễn dao dộng tự do của toa xe chở hàng có dạng như sau :

Đi tìm nghiệm của phương trình trên dưới dạng :

Ta có : 

Thay  và  vào phương trình trên ta được:

Hay 

Giải bài toán giá trị riêng và vecto riêng bằng cách tìm giá trị  của để định thức của ma trận trong dấu ngoặc đơn phải bằng 0:

Kết quả ta sẽ tìm được 2 tần số dao động tự do của hệ :

Và 2 vecto riêng :

Lập trình bằng phần mềm matlab với tên File là  ta tìm được kết quả như sau :

cac vec to rieng

    0.0050         0

         0    0.0011

Tần số dao động riêng(Hz):

  ,

Vận tốc cộng hưởng (km/h):

  ,

2.3.3.Phương trình trạng thái dao động của hệ.

Để giải và tìm nghiệm của phương trình vi phân :

Trước hết ta cần thực hiện phép biến đổi chuyển vế và nhân hai vế với  ta được :

Đặt  ,  thì phương trình trên sẽ tương đương với hệ dưới đây:

Lại đặt :  , tức là ta cũng có  thì hệ trên có thể được viết lại như sau :                              

Trong đó :

Với : là ma trận cỡ 2x2 với các phần tử đều bằng 0

là ma trận đơn vị của ma trận cỡ 2x2  

Với   là vecto cột có 2 phần tử đều bằng 0 :

Phương trình :          

 chính là phương trình trạng thái  của hệ .

Giải phương trình trên ta sẽ xác định được  tức là sẽ xác định được chuyển vị  và vận tốc  của các bộ phận toa xe .

2.3.4.Tính lực độngtác dụng giữa các bộ phận

        Để tính lực động tác dụng lên thân xe (lực tác dụng tại hai cối chuyển) cần phải tính chuyển vị tương đối và vận tốc tương đối giữa cối chuyển và khung giá chuyển hướng. Gọi  ,  ,  ,  lần lượt là chuyển vị và vận tốc tương đối giữa các cối chuyển với khung giá trước và sau thì có:

Lực động tác dụng lên thân xe tại vị trí lắp 2 cối chuyển là :

Lập trình bằng phần mềm matlab với 2 file gồm file chính “hbtd.m” và file hàm “hbtd01.m” là thu được kết quả như sau :

Ta khảo sát lực tác động lớn nhất lên 2 cối chuyển với các tốc độ khác nhau từ 40 đến 140km/h bằng lập trình matlab , kết quả ta thu được như sau

Bảng 2.2. Lực động lớn nhất tác dụng lên thân xe ở các vận tốc khác nhau

2.3.5.Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng .

Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi cho toa xe chạy với vận tốc cộng hưởng . ta cho tàu chạy với vận tốc V=101.3km/h

Lập trình bằng matlab cho chạy với V=101.3 ta thu được kết quả sau :

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG CỦA TOA XE CHỞ HÀNG CÓ LẮP PHẦN TỬ ĐÀN HỒI Ở ĐẦU TRỤC

3.1.Mô hình tính toán của toa xe.

Trong các bài toán tính dao động ta thường giả thiết là đường ray có độ cứng tuyệt đối.

Mô hình tính toán của toa xe chở hàng chạy với vận tốc v trên đường không bằng phẳng được thể hiện trên hình 3.1

                                                      2L

,

                            ,

             ,    k                 c        ,               k               c        ,

,

                               2l                                              

Hình 3.1.Mô hình tính toán của toa xe chở hàng có lắp phần tử đàn hồi ở đầu trục

Trong đó các thông số kỹ thuật của toa xe là :

·          ,  là khối lượng của 2 khung giá chuyển trước và sau trục (=).

·          ,  là mô men quán tính của khung giá trước và sau đối với trục đi qua trọng tâm ( = ).

·          ,  là khối lượng và mô men quán tính của thân xe đối với trục đi qua trọng tâm .

·        2l là khoảng cách giữa 2 trục bánh trong 1 giá chuyển .

·        2L là khoảng cách giữa hai cối chuyển hướng.

·        k là độ cứng của lò xo trung ương lắp trên 1 giá chuyển .

·        c là độ nhớt của giảm chấn lắp trên một giá chuyển.

·          là độ cứng của phần tử đàn hồi lắp ở đầu trục

·          ,  và  ,  lần lượt là chuyển vị thẳng đứng và chuyển vị góc của khung giá chuyển trước và sau.

·          ,  là chuyển vị thẳng đứng và chuyển vị góc của thân xe.

·          ,  ,  ,  là chuyển vị thẳng đứng của các trục bánh xe , cũng là cao độ nhấp nhô của đường tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe và ray .

Bảng thông số kỹ thuật cần thiết cho tính toán:

Bảng 3.1.Thông số

3.2.Lập phương trình vi phân chuyển động cho toa xe .

Tách các vật và phân tích lực tác dụng vào các vật đó :

                   k()                                        k()

                + c()                                    + c()

()   ()     ()   ()

Theo định luật II newton ta có :

·         =

·         =

·         =

·          =

·         =

·         =

Viết lại hệ phương trình trên như sau :

·       

·       

·       

·       

·       

·       

Hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ có thể viết lại dưới dạng sau đây:

Trong đó :

 là vecto tọa độ suy rộng:

 là ma trận quán tính ( là ma trận đường chéo):

        là ma trận độ cứng :

 là ma trận cản nhớt :

là vecto lực kích thích độ nhấp nhô mặt đường:

3.3.Giải hệ phương trình vi phân .

3.3.1.Xác định các chuyển vị  ,  ,  , .

Ta có y₁ , y₂ ,y₃ , y₄ mặc dù giống hệt nhau nhưng do có sự chậm hơn nhau về thời gian nên có quan hệ như sau :

 Với  :  ;  ;

Trong đó v là vận tốc chạy của toa xe (m/s)

Trong trường hợp đường có dang song hình sin ta có:

Trong đó : = là tần số góc của kích thước của sóng mặt đường ray ; ở đây  là chiều dài bước song và bằng chiều dài của 1 thanh ray, còn các góc pha :

          ,   ,

 Trong đó  là vận tốc theo chiều thẳng đứng của mặt đế dưới của lò xo . Ta có :

          ,   

 Trong đó các  ,     ,   được xác định:

3.3.2. Xác định tần số dao động tự do của toa xe .

Để xác định tần số dao động riêng của hệ ta có thể bỏ qua tác dụng của các giảm chấn và phường trình biểu diễn dao dộng tự do của toa xe chở hàng có dạng như sau :

Đi tìm nghiệm của phương trình trên dưới dạng :

Ta có : 

Thay  và  vào phương trình trên ta được:

Hay 

Giải bài toán giá trị riêng và vecto riêng bằng cách tìm giá trị  của để định thức của ma trận trong dấu ngoặc đơn phải bằng 0:

Kết quả ta sẽ tìm được 6 tần số dao động tự do của hệ :

Và 6 vecto riêng :

Lập trình bằng phần mềm matlab với tên File là  ta tìm được:

   cac vec to rieng

    0.0008   -0.0011   -0.0182   -0.0182    0.0000         0

    0.0000   -0.0000   -0.0000   -0.0000   -0.0408         0

    0.0050    0.0000    0.0002   -0.0000    0.0000         0

    0.0000   -0.0011    0.0000    0.0001    0.0000         0

    0.0008    0.0011   -0.0182    0.0182   -0.0000         0

         0         0              0              0                0      0.0408

Tần số dao động riêng (Hz):

  ;  ;   ;

Vận tốc cộng hưởng(km/h):

 ;  ;  ;

Nhận xét : từ kết quả trên cho thấy trên thực tế hiện tượng cộng hưởng xảy ra với 2 vận tốc :  ;

3.3.3.Phương trình trạng thái dao động của hệ.

Để giải và tìm nghiệm của phương trình vi phân :

Trước hết ta cần thực hiện phép biến đổi chuyển vế và nhân hai vế với  ta được :

Đặt  ,  thì phương trình trên sẽ tương đương với hệ dưới đây:

Lại đặt :  , tức là ta cũng có  thì hệ trên có thể được viết lại như sau :                               

Trong đó :

Với : là ma trận cỡ 6x6 với các phần tử đều bằng 0

là ma trận đơn vị của ma trận cỡ 6x6  

Với   là vecto cột có 6 phần tử đều bằng 0 :

Phương trình :          

 chính là phương trình trạng thái  của hệ .

Giải phương trình trên ta sẽ xác định được  tức là sẽ xác định được chuyển vị  và vận tốc  của các bộ phận toa xe .

3.3.4.Tính lực độngtác dụng giữa các bộ phận

        Để tính lực động tác dụng lên thân xe (lực tác dụng tại hai cối chuyển) cần phải tính chuyển vị tương đối và vận tốc tương đối giữa cối chuyển và khung giá chuyển hướng. Gọi  ,  ,  ,  lần lượt là chuyển vị và vận tốc tương đối giữa các cối chuyển với khung giá trước và sau thì có:

Lực động tác dụng lên thân xe tại vị trí lắp 2 cối chuyển là :

Lập trình bằng phần mền matlab với file gồm file chính txch.m và file hàm txch01.m với V=60km/h  ta được kết quả như sau:

Ta khảo sát lực tác động lớn nhất lên 2 cối chuyển với các tốc độ khác nhau từ 40 đến 140km/h bằng lập trình matlab , kết quả ta thu được như sau :

Bảng 3.2.Lực động tác dụng lên 2 đầu thân xe

Từ bảng kết quả trên ta thấy tàu chịu lực tác động nhỏ nhất khi chạy với vận tốc từ 40 đến 60km/h . Khi tàu chạy với vận tốc từ 80 đến 120km/h thì tàu chịu tác động lớn nhất nguyên nhân chính là do hiện tượng cộng hưởng vì tàu chạy với vận tốc đó rất gần với vận tốc riêng V=92.4km/h vs V=120.1km/h. Còn khi tàu chạy với vận tốc lớn hơn ta thấy lực tác động lên xe giảm đi nhưng do vận tốc quá lớn vì thế ta nên để tàu chạy với vận tốc 40-60km/h để lực chịu tác động là nhỏ nhất .

3.3.5.Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng

Khi cho xe chạy với vận tốc cộng hưởng thì sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng

Với V=92.4 , lập trình bằng phần mềm matlab ta sẽ được kết quả sau :

Nhận xét:

- Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng, biên độ của các dao động tăng lên rất lớn gây khó chịu cho hành khách đi trên đường, đồng thời có thể phá hoại các kết cấu của toa xe. Do đó không nên cho tàu chạy với vận tốc trùng với một trong các vận tốc riêng.

* So sánh lực tác dụng lên 2 cối chuyển trong 2 trường hợp : Toa xe chở hàng có lắp giảm chấn thủy lực và toa xe chở hàng lắp giảm chấn thủy lực có lắp thêm phần tử đàn hồi ở đầu trục , với các vận tốc khác nhau từ 40-140km/h :

Bảng 2.2. Lực động lớn nhất tác dụng lên thân xe ở các vận tốc khác nhau.

Bảng 3.2.Lực động tác dụng lên 2 đầu thân xe .

Từ bảng 2.2 và bảng 3.2 ta thấy : khi lắp thêm phần tử đàn hồi có độ cứng  vào mỗi đầu trục bánh của toa xe thì lực tác dụng lên thân xe cũng như 2 cối chuyển đều nhỏ đi rất nhiều . Từ kết quả này ta có thể thấy tác dụng rất lớn của phần tử đàn hồi trong việc giảm lực tác dụng vào toa xe cũng như giảm rung động cho toa xe khi nó chuyển động .

KẾT LUẬN

Kết quả thu được như sau :

- Viết được phương trình nhấp nhô của mặt đường theo đạng hình sin .

- Giải bài toán động lực học toa xe chở hàng có giảm chấn thủy lực và toa xe chở hàng lắp giảm chấn thủy lực có lắp thêm phần tử đàn hồi ở đầu trục khi chạy trên đường ray , suất ra được đồ thì của lực tác dụng lên toa xe trong cả 2 trường hợp.

- Thông qua việc khảo sát lực tác dụng lên toa xe trong hai trường hợp trên ở những vận tốc khác nhau ta thấy được tác dụng rất lớn của phần tử đàn hồi giúp cho toa xe chở hàng khi di chuyển sẽ êm dịu hơn tránh những tổn thất do rung động của toa xe xảy ra với những hàng hóa dễ vỡ…

Phương hướng phát triển đề tài:

 Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của đường ray lên toa xe nhưng chỉ trong trường hợp đường ray cứng tuyệt đối , nhưng trên thực tế thì đường ray không cứng tuyệt đối mà nó có độ đàn hồi . vì vậy phương hướng phát triển của đề tài là : Nghiên cứu tính toán động lực học của toa xe chở hàng lắp giảm chấn thủy lực chuyển động trên đường ray có đàn hồi .

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.     Nguyễn Bá Nghị, Bài  giảng động lực học máy, ĐH Giao thông vận tải, Hà Nội 2008.

2.     Nguyễn Bá Nghị - Phạm Hoàng Vương,  Bài giảng dao động kỹ thuật, ĐH Giao thông vận tải

3.     Đỗ Đức Tuấn - Nguyễn Phú Chinh - Lê Văn Học, Cấu tạo và nghiệp vụ đầu máy toa xe, Nhà xuất bản giao thông vận tải - 1998.

4.     Dương Hồng Thái - Lê Văn Doanh - Lê Văn Học, Kết cấu và tính toán toa xe, Nhà xuất bàn giao thông vận tải 1997.

5.     Lê Thị Tuyết Hương, Luận án thạc sĩ  KHKT: Xác định các thông số cơ bản của giá chuyển hướng toa xe khách Việt Nam, Trường ĐH Giao thông vận tải, Hà Nội 2001.

PHỤ LỤC

Lập trình matlab cho toa xe chở hàng có lắp phần tử đàn hồi ở đầu trục :

% file txch.m

% CHUONG TRINH TINH DAO DONG CUA TOA XE CHO HANG 6BTD CHAY TREN DUONG CO

% BAN CO DANG SONG HINH SIN

 global M K C w l L y0 tc2 tc3 tc4

% CAC THONG SO CUA TOA XE VA DUONG RAY

L=6;              % nua cu ly giua 2 gia chuyen, m

l=1;              % nua cu ly giua 2 truc banh, m

m1=1500;          % khoi luong khung chuyen truoc,kg

J1=600;           % momen quan tinh gia chuyen truoc,kgm^2

m2=40000;         % khoi luong thung xe,kg

J2=850000;        % momen quan tinh than xe,kgm^2

m3=m1;            % khoi luong gia chuyen sau,kg

J3=J1;            % momen quan tinh gia chuyen sau,kgm^2

kb=10000000;      % do cung phan tu dan hoi,N/m

k=4000000;        % do cung lo xo trung uong,N/m

c=20000;          % he so can nhot cua giam chan Ns/m

Lr=12.5;          % chieu dai ray(bang chieu dai song hinh sin),m

y0=0.01;          % bien do song hinh sin cua duong,m

% CAC MA TRAN

M=[m1 J1 m2 J2 m3 J3]; % ma tran khoi luong

M=diag(M);

% ma tran do cung

K=[k+2*kb     0      -k     -k*L       0          0;

    0      2*l*l*kb   0       0        0          0;

    -k        0      2*k      0       -k          0;

    -k*L      0       0    2*L*L*k    k*L         0;

    0         0      -k      k*L      k+2*kb      0;

    0         0       0       0        0      2*l*l*kb];

% ma tran can nhot

C=[c     0    -c    -c*L     0     0;

    0    0     0     0       0     0;

    -c   0    2*c     0      -c    0;

    -c*L 0     0   2*L*L*c  c*L    0;

    0    0    -c     c*L     c     0;

    0    0     0     0       0     0 ];

% tinh vec to rieng va tan so dao dong rieng

[X,U]=eig(K,M);

disp('cac vec to rieng')

disp(X)

w0=sqrt(U);          % tan so dao dong rieng,rad/s

f=diag(w0)/(2*pi);   % tan so dao dong rieng, Hz

Vch=3.6*f*Lr;        % van toc cong huong, km/h

disp('tan so dao dong rieng(Hz) van toc cong huong(km/h)')

disp([f Vch])

V=input('van toc toa xe(km/h):V=') % nhap gia tri van toc xe

w=2*pi*V/3.6/Lr;     % tan so goc kich thich tu duong

% thoi gian tre cua cac truc banh xe phia sau

tc2=2*l/(V*1000/3600);

tc3=2*L/(V*1000/3600);

tc4=2*(L+l)/(V*1000/3600);

% giai phuong trinh vi phan

x0=[0 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0 0.02 0]'; % dieu kien ban dau

tf=8;                               % thoi gian chay cua toa xe

[t,x]=ode45('txch01',tf,x0);

subplot(2,1,1)

plot(t,x(:,1)*1000)

title('CHUYEN VI THANG DUNG CUA KHUNG GIA TRUOC')

ylabel('x1-mm')

grid

subplot(2,1,2)

plot(t,x(:,2)*57)

title('CHUYEN VI GOC CUA KHUNG GIA TRUOC')

ylabel('phi1-do')

grid

pause

subplot(2,1,1)

plot(t,x(:,3)*1000)

title('CHUYEN VI THANG DUNG CUA KHUNG GIA SAU')

ylabel('x3-mm')

grid

subplot(2,1,2)

plot(t,x(:,4)*57)

title('CHUYEN VI GOC CUA KHUNG GIA SAU')

ylabel('phi3-do')

grid

pause

subplot(2,1,1)

plot(t,x(:,5)*1000)

title('CHUYEN VI THANG DUNG CUA THAN XE')

xlabel('Thoi gian - s')

ylabel('x2-mm')

grid

subplot(2,1,2)

plot(t,x(:,6)*1000')

title('CHUYEN VI GOC CUA THAN XE')

xlabel('Thoi gian - s')

ylabel('phi2-do')

grid

pause

% TINH LUC TAC DUNG LEN THAN XE

% chuyen vi, van toc dau truoc va sau cua than xe

Xt=x(:,3)+L*x(:,4);     % chuyen vi dau truoc xe

Xs=x(:,3)-L*x(:,4);     % chuyen vi dau sau xe

Xtc=x(:,9)+L*x(:,10);   % van toc dau xe truoc

Xsc=x(:,9)-L*x(:,10);   % van toc dau xe sau

% Chuyen dong tuong doi

Zt=Xt-x(:,1);

Zs=Xs-x(:,5);

% van toc tuong doi

Ztc=Xtc-x(:,7);

Zsc=Xsc-x(:,11);

% luc dong tac dung len dau truoc va dau sau than xe

Ft=k*Zt+c*Ztc;

Fs=k*Zs+c*Zsc;

subplot(2,1,1)

plot(t,Ft/1000,'black')

title('LUC TAC DUNG LEN COI TRUOC-kN')

grid

subplot(2,1,2)

plot(t,Ft/1000,'black')

title('LUC TAC DUNG LEN COI TRUOC-kN')

xlabel('thoi gian-s')

grid

%% Tinh luc dong lon nhat cua 2 coi chuyen

disp('Luc dong lon nhat cua hai coi chuyen la:')

Ftmax=max(Ft);

Fsmax=max(Fs);

Fttmax=max(Ftmax,Fsmax)

% File ham txch01.m

function xc=txch01(t,x)

global M K C y0 w kb l L tc2 tc3 tc4

y1=y0*sin(w*t);

y2=y0*sin(w*(t-tc2));

y3=y0*sin(w*(t-tc3));

y4=y0*sin(w*(t-tc4));

y1c=y0*w*cos(w*t);

y2c=y0*w*cos(w*(t-tc2));

y3c=y0*w*cos(w*(t-tc3));

y4c=y0*w*cos(w*(t-tc4));

O=zeros(6,6);   % ma tran 0 co 6x6

E=eye(6);       % ma tran don vi co 6x6

Ov=zeros(6,1);  % vec to O co 6x1

Mn=inv(M);      % ma tran nghich dao cua M

F00=[kb*y1+kb*y2; kb*l*y1-kb*l*y2; 0; 0; kb*y3+kb*y4; kb*l*y3-kb*l*y4];

F0=Mn*F00;

A=[O E; -Mn*K -Mn*C];

F=[Ov;F0];

xc=A*x+F;

Lập trình matlab tính toán cho toa xe chở hàng có lắp giảm chấn thủy lực :

% file chinh hbtd.m

% chuong trinh tinh dao dong he hbtd

 global M K C k c y0 w l L tc2 tc3 tc4 % khai bao bien toan bo

 m=40000; % khoi luong than xe,kg

J=850000; % momen quan tinh cua than xe,kgm^2

k=4000000; % do cung lo xo,N/m

c=20000; % he so can nhot giam chan,Ns/m

L=6; % nua cu ly giua 2 gia chuyen

l=1; % nua cu ly giua 2 truc banh

M=[m 0; 0 J]; % ma tran quan tinh

K=[2*k 0; 0 2*k*L*L]; % ma tran do cung

C=[2*c 0; 0 2*c*L*L]; % ma tran can nhot

y0=0.01; % bien do song cua duong,m

Lr=12.5; % Chieu dai buoc song(la chieu dai cua mot ray,m

% tinh vec to rieng va tan so dao dong rieng

[X,U]=eig(K,M);

disp('cac vec to rieng')

disp(X)

w0=sqrt(U); % tan so dao dong rieng,rad/s

fn=diag(w0)/(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 toa xe(km/h):V=') % nhap gia tri van toc xe

w=2*pi*V/3.6/Lr; % tan so goc kich thich tu duong

% thoi gian tre cua cac truc banh xe phia sau

tc2=2*l/(V*1000/3600);

tc3=2*L/(V*1000/3600);

tc4=2*(L+l)/(V*1000/3600);

% giai phuong trinh vi phan

 tf=6; % thoi gian dao dong

 x0=[0 0 0 0]; % dieu kien ban dau

 [t,x]=ode45('hbtd01',tf,x0); % ham ode45 giai phuong trinh vi phan

 subplot(2,1,1)

plot(t,x(:,1)*1000)

title('CHUYEN VI THANG DUNG CUA THAN XE')

xlabel('Thoi gian - s')

ylabel('x2-mm')

grid

subplot(2,1,2)

plot(t,x(:,2)*1000')

title('CHUYEN VI GOC CUA THAN XE')

xlabel('Thoi gian - s')

ylabel('phi2-do')

grid

pause

% TINH LUC TAC DUNG LEN THAN XE

% chuyen vi, van toc dau truoc va sau cua than xe

Xt=x(:,1)+L*x(:,2); % chuyen vi dau truoc xe

Xs=x(:,1)-L*x(:,2); % chuyen vi dau sau xe

Xtc=x(:,3)+L*x(:,4); % van toc dau xe truoc

Xsc=x(:,3)-L*x(:,4); % van toc dau xe sau

% Chuyen dong tuong doi

Zt=Xt-x(:,1);

Zs=Xs-x(:,3);

% van toc tuong doi

Ztc=Xtc-x(:,2);

Zsc=Xsc-x(:,4);

% luc dong tac dung len dau truoc va dau sau than xe

Ft=k*Zt+c*Ztc;

Fs=k*Zs+c*Zsc;

subplot(2,1,1)

plot(t,Ft/1000,'black')

title('LUC TAC DUNG LEN COI TRUOC-kN')

grid

subplot(2,1,2)

plot(t,Ft/1000,'black')

title('LUC TAC DUNG LEN COI TRUOC-kN')

xlabel('thoi gian-s')

grid

%% Tinh luc dong lon nhat cua 2 coi chuyen

disp('Luc dong lon nhat cua hai coi chuyen la:')

Ftmax=max(Ft);

Fsmax=max(Fs);

Fttmax=max(Ftmax,Fsmax)

% file ham hbtd01.m

function xc=hbtd01(t,x)

global M K C k c y0 w l L tc2 tc3 tc4

y1=y0*sin(w*t);

y2=y0*sin(w*(t-tc2));

y3=y0*sin(w*(t-tc3));

y4=y0*sin(w*(t-tc4));

y1c=y0*w*cos(w*t);

y2c=y0*w*cos(w*(t-tc2));

y3c=y0*w*cos(w*(t-tc3));

y4c=y0*w*cos(w*(t-tc4));

yt=(y1+y2)/2;

ys=(y3+y4)/2;

ytc=(y1c+y2c)/2;

ysc=(y3c+y4c)/2;

F=[k*yt+k*ys+c*ytc+c*ysc; k*L*yt-k*L*ys+c*L*ytc-c*L*ysc];

Om=zeros(2); % ma tran 0 co 2x2

Mn=inv(M); % ma tran nghich dao cua M

E=eye(2); % ma tran don vi co 2x2

Ov=zeros(2,1); % vecto0 co 2x1

A=[Om E; -Mn*K -Mn*C]; % ma tran [A]

f0=Mn*F; %vecto f0

f=[Ov;f0]; % vecto f

xc=A*x+f; % phuong trinh trang thai

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"