MỤC LỤC
MỤC LỤC.....1
1.1. Giới thiệu về toa khách. 5
1.1.1. Công dụng và phân loại toa xe khách. 5
1.1.2. Các bộ phận cơ bản của toa xe khách và công dụng của chúng. 6
1.3. Bài toán tính toán động lực học toa xe. 10
1.4. Nội dung nghiên cứu. 11
1.5. Phương pháp nghiên cứu. 12
2.1. Mô hình tính toán. 13
2.2.Lập hệ phương trình vi phân chuyển động khi xe chạy trên đường đàn hồi 15
2.3. Giải hệ phương trình vi phân. 21
2.3.1. Nhấp nhô của đường ray.copy lên chương 1 thực tế do đàn hồi của đá dăm nên đường có đàn hồi 21
2.3.2. Xác định tần số dao động tự do của toa xe. 22
2.3.3. Phương trình trạng thái của hệ dao động. 25
2.3.4 Tính lực động tác dụng giữa các bộ phận. 26
2.3.5. Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng. 32
3.1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo. 34
3.1.1. Thay đổi độ cứng lò xo để phân phối độ nhún đạt 7/3 nhưng tổng độ nhún không thay đổi so với thiết kế ban đầu. 34
3.1.2. Tăng độ nhún tĩnh của cả toa xe lên 160 mm.. 35
3.1.3. Tăng độ nhún tĩnh của cả toa xe lên 200 mm.. 36
3.2. Tăng độ cứng của đường ray (kd) lên 10 lần. 37
Chương trình tính toán khi nhấp nhô mặt đường hình sin: 40
1.1. Giới thiệu về toa khách. 6
1.1.1. Công dụng và phân loại toa xe khách. 6
1.1.2. Các bộ phận cơ bản của toa xe khách và công dụng của chúng. 7
1.2. Biến dạng sóng hình sin của mặt đường. 10
1.3. Bài toán tính toán động lực học toa xe. 11
1.4. Nội dung nghiên cứu. 12
1.5. Phương pháp nghiên cứu. 13
2.1. Mô hình tính toán. 14
2.2. Lập hệ phương trình vi phân chuyển động khi xe chạy trên đường đàn hồi 16
2.3. Giải hệ phương trình vi phân. 22
2.3.1. Nhấp nhô của đường ray.copy lên chương 1 thực tế do đàn hồi của đá dăm nên đường có đàn hồi 22
2.3.2. Xác định tần số dao động tự do của toa xe. 23
2.3.3. Phương trình trạng thái của hệ dao động. 26
2.3.4 Tính lực động tác dụng giữa các bộ phận. 27
2.3.5. Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng. 33
3.1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo. 35
3.1.1. Thay đổi độ cứng lò xo để phân phối độ nhún đạt 7/3 nhưng tổng độ nhún không thay đổi so với thiết kế ban đầu. 35
3.1.2. Tăng độ nhún tĩnh của cả toa xe lên 160 mm.. 36
3.1.3. Tăng độ nhún tĩnh của cả toa xe lên 200 mm.. 37
3.2. Tăng độ cứng của đường ray (kd) lên 10 lần. 38
Chương trình tính toán khi nhấp nhô mặt đường hình sin: 41
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 toa xe khách có xét tính đàn hồi của đường ray” nghiên cứu về động lực học của toa xe khi nó chạy trên đường đàn hồi để từ đó rút ra những lời khuyên khi tàu chạy trên đường ray với các vận tốc khác nhau. Đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống treođến mức độ êm dịu của toa xe để đưa ra sự thay đổi về kết cấu hệ thống treo làm cho mức độ êm dịu của toa tốt hơn.
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 chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày …. tháng … năm 20….
Sinh viên thực hiện
…………………
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÀI TOÁN TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC TOA XE
1.1. Giới thiệu về toa khách
1.1.1. Công dụng và phân loại toa xe khách
Để thực hiện tốt công cuộc tái cơ cấu vận tải của Bộ Giao thông Vận tải đưa ra thì nâng cao năng lực của vận tải đường sắt là một trong những mục tiêu lớn đề ra. Vận tải đường sắt có lịch sử ra đời và phát triển tương đối sớm so với các loại hình vận tải còn lại, và ngày nay vẫn tiếp tục phát triển và giữ vai trò quan trọng trong thị phần vận chuyển người và hàng hóa . Ta có thể thấy rõ một vài ưu điểm của vận tải đường sắt so với các loại hình vận chuyển khác như sau:
· Có năng lực vận chuyển lớn, tốc độ vận chuyển tương đối cao.
· Vận chuyển được tất cả các loại hàng hóa trên quãng đường tương đối xa.
· Ít bị ảnh hưởng bởi khí hậu thời tiết và mức độ an toàn tương đối cao.
· Có giá thành vận chuyển tương đối thấp, khả năng thông hành lớn và năng suất lao động tương đối cao.
· Mức tiêu hao nhiên liệu cho một đơn vị sản phẩm nhỏ và ít gây ôi nhiễm môi trường.
Tuy nhiên ngoài vận chuyển hàng hóa thì vận chuyển hành khách cũng đóng vai trò rất quan trọng trong vận tải đường sắt.Để nâng cao lượng hành khách sử dụng vận tải đường sắt thì nâng cao chất lượng phục vụ cho hành khách đóng vai trò then chốt. Qua đó ngành đường sắt không ngừng cải tiến, nâng cấp toa xe khách như sau:
· Đảm bảo đúng giờ xuất phát và giờ đến ga của đoàn tàu.
· Nâng cao tính an toàn và sự tiện nghi cho hành khách.
· Nâng cao chất lượng phụ vụ của nhân viên trên tàu.
· Thiết kế chỗ ưu tiên cho hành khách khuyết tật.
Đối với toa xe ghế ngồi có thiết kế chỗ ưu tiên cho hành khách khuyết tật, quy định số lượng ghế ngồi cho người khuyết tật ít nhất là 10% tổng số chỗ trong toa xe, trong đó có ít nhất một chỗ dành cho xe lăn. Chỗ ngồi cho người khuyết tật có vị trí lắp biển ký hiệu để chỉ dẫn cho người khuyết tật dễ nhận biết.Đối với toa xe giường nằm có thiết kế chỗ ưu tiên cho hành khách khuyết tật thì có ít nhất một phòng ngủ dành cho người đi xe lăn, ghế ngồi cho người khuyết tật không được thiết kế loại ghế lật hoặc ghế gập…
Thiết kế, lắp đặt thiết bị thông tin hiện đại và đầy đủ. Để cho hành khách có thể nắm bắt đầy đủ thông tin cần thiết khi đang trên tàu…
1.1.2. Các bộ phận cơ bản của toa xe khách và công dụng của chúng
Toa xe là một phần của đoàn tàu, đảm nhiệm việc chuyên chở hành khách và hàng hóa. Toa xe được tạo bởi bốn bộ phận cơ bản là:
Giá chuyển hướng (bộ phận chạy), thânxe, đầu đấm móc nối và thiết bị hãm
- Giá chuyển hướng: là bộ phận quan trọng nhất của toa xe hiện đại, nó phải đảm bảo an toàn chuyển động của toa xe trên đường sắt với độ bình ổn cần thiết, đảm bảo lực động tác dụng tương hỗ lên hàng hóa được chuyên chở và lên các phần tử của đường sắt là nhỏ nhất, đảm bảo sao cho sức cản chuyển động của toa xe là nhỏ nhất.
Giá chuyển hướng được cấu tạo từ các bộ trục bánh, bầu dầu, lò xo. Ngoài ra trên giá chuyển hướng còn 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, xà nhún trên đó có cối chuyển hướng và các bàn trượt.
Đặc điểm khác biệt quan trọng nhất của giá chuyển toa xe khách với giá chuyển toa xe hàng là ở hệ thống quang treo hệ thống lò xo.
Thứ tự truyền lực:
Thân xe cối chuyển hướng hoặc bàn trượt xà nhún lò xo trung ương hệ thống quang treo khung giá chuyển lò xo bầu dầu bầu dầu cổ trục bánh xe đường sắt.
Phương pháp liên kết của khung giá chuyển hướng với bánh xe: khung giá tựa trên hộp dầu qua các phần tử đàn hồi, không cần các thanh dẫn hướng.
- Thânxe: dùng đế chứa hành khách đối với toa xe khách hoặc dùng để chứa hàng hóa đối với toa xe hàng.
Trên bệ thânxe được lắp ráp thiết bị đầu đấm móc nối và một phần của thiết bị hãm, bệ thùng xe tựa lên cối chuyển hướng.
- Thiết bị đầu đấm móc nối: dùng để nối các toa xe với nhau và nối với đầu máy, tiếp nhận và truyền lực kéo hoặc lực đấm từ đầu máy và từ toa xe này đến toa xe khác.
- Thiết bị hãm: dùng để tạo lực cản nhân tạo đoàn tàu chuyển động hoặc cho riêng toa xe nhằm điều chỉnh tốc độ chuyển động, dừng tàu hay giữ đoàn tàu ở một vị trí nào đó trên đường.
Ngoài các bộ phận cơ bản kể trên trong toa xe khách còn có các trang thiết bị quan trọng khác như hệ thống điện, nước, sưởi ấm… nhằm đảm bảo các nhu cầu tối thiểu cho hành khách đi tàu trên đường sắt.
Các yêu cầu kỹ thuật của toa xe khách:
Yêu cầu quan trọng nhất đối với một toa xe nói chung và từng bộ phận nói riêng là đảm bảo an toàn chuyển động của đoàn tàu trên đường sắt.
Toa xe phụ thuộc vào từng dạng cần phải đảm bảo vận hành an toàn và tin cậy khi đoàn tàu chuyển động với vận tốc cao, giá thành nhỏ trong chế tạo, kinh tế trong vận dụng, phù hợp với kết cấu, các tham số của đường sắt và các phương tiện thông tin tín hiệu trên đường phù hợp với các điều kiện của các xí nghiệp vận dụng sửa chữa toa xe trong ngành.
Đồng thời đối với toa xe khách phải đảm bảo một mức độ nhất định nhu cầu của hành khách khi đi tàu, đảm bảo điều kiện vệ sinh môi trường, đảm bảo một số tiêu chuẩn thẩm mỹ nhất định.
1.2. Biến dạng sóng hình sin của mặt đường
Trong quá trình sản xuất cũng như trong quá trình sử dụng, đường ray không phẳng tuyệt đối, nó có những nhấp nhô. Những nhấp nhô này là nguyên nhân phát sinh các dao động và lực động tác dụng lên toa xe.
Nhấp nhô của đường ray nói chung là bất kỳ nhưng để tiện lợi cho quá trình tính toán, ta thường quy nhấp nhô của đường về hai dạng hình sin và hình parabol ứng với hại trường hợp:
- Khi các ray được hàn lại với nhau thì nhấp nhô mặt đường được cho là hình sin.
Biểu diễn nhấp nhô mặt đường dưới dạng: .
Từ quan hệ giữa chu kỳ và tần số góc của kích thích từ đường: và giữa chu kỳ với vận tốc xe: ta rút ra:
(s-1).
Trong đó: v là vận tốc xe (m/s)
L là chiều dài một đoạn ray, cũng là chiều dài bước sóng (m)
Vậy phương trình sóng hình sin của mặt đường có dạng:
Nếu gọi x là quãng đường đi được thì: x = v.t
Do đó phương trình sóng hình sin theo quãng đường có dạng:
1.3. Bài toán tính toán động lực học toa xe
Khi toa xe chuyển động trên đường sắt, nó phải chịu tác động của rất nhiều loại lực khác nhau: lực trong mặt phẳng thẳng đứng, lực trong mặt phẳng nằm ngang, lực dọc thân xe. Để hòa hoãn tác dụng của lực, người ta sử dụng các hệ lò xo lắp trên các giá chuyển hướng toa xe. Nhưng đây lại là nguyên nhân sinh ra hàng loạt các dao động theo nhiều phương chiều trong quá trình vận hành ở các mức độ khác nhau, ảnh hưởng đến tính êm dịu, gây ra những cảm giác khó chịu cho hành khách hoặc không đảm bảo chất lượng chuyên chở hàng hóa. Thậm chí còn gây ra mất an toàn nghiêm trọng trong quá trình vận hành như mất tải bất ngờ đối với trục bánh hoặc trật bánh làm ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của đầu máy toa xe và hạ tầng đường sắt cũng như độ tin cậy của phương thức vận tải này..
Dao động của toa xe rất phức tạp. Một số loại dao động có thể kết hợp với nhau tạo thành dao động tổng hợp. Đối với thân xe nếu ta coi 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 hợp thành của 6 dao động khác nhau, đó là những 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 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 theo trục z.
- Dao động lắc đầu: là dao động góc của thân xe quanh trục z.
Và cũng tương tự như vậy đối với hai giá chuyển.
Trong nội dung đồ án này chỉ xét bài toán dao động trong mặt phẳng thẳng đứng dọc nghĩa là chỉ xét dao động nổi và lắc đầu.
Nghiên cứu về dao động của toa xe cần giải quết một số vấn đề sau:
- Nghiên cứu về tần số, biên độ và gia tốc của dao động để làm cơ sở để tính toán xác định tính êm dịu của toa xe.
- Xác định tốc độ tới hạn để ngăn ngừa khả năng phát sinh hiện tượng cộng hưởng trong quá trình vận hành toa xe.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số để tử đó đưa ra thiết kế hợp lý cho các hệ thống giảm chấn của toa xe.
1.4. Nội dung nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Các dạng nhấp nhô của đường ray.
- Lập hệ phương trình vi phân chuyển động của các bộ phận toa xe khách.
- Tính tần số riêng và véc tơ riêng của toa xe khách.
- Tính toán dao động và lực động của các bộ phận của toa xe khi xe chạy với một tốc độ cụ thể.
- Khảo sát ảnh hưởng của các thông số của hệ thống treo như lò xo, giảm chấn đến tính năng động lực của toa xe.
Khi nghiên cứu có kể đến ảnh hưởng của đường đàn hồi.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các dạng nhấp nhô của đường để từ đó rút ra phương trình nhấp nhô của đường bằng các phép tính toán học
- Giải bài toán động lực học toa xe dựa vào định luật II Newton viết phương trình vi phân chuyển động rồi giải gần đúng hệ phương trình đó bằng cách lập trình trên phần mềm Matlab.
- Khảo sát ảnh hưởng của các thông số của hệ thống treo ta cũng lập trình trên phần mềm Matlab.
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG CỦA TOA XE
2.1. Mô hình tính toán
Trong các bài toán tính dao động ta thường giả thiết là đường ray cứng tuyệt đối. Thực tế các thanh ray được đặt trên nền đá ba lát có tính đàn hồi, do đó việc đưa các yếu tố đàn hồi của đường vào để giải bài toán dao động của toa xe khách khi chạy trên đường là cần thiết và sát với thực tế hơn.
Hình 2.1: Mô hình tính toántoa xe khách có hai hệ lò xo chạy trên đường
ray đàn hồi
Các thông số chính của hệ:
2L: khoảng cách giữa hai cối chuyển hướng.
2l: khoảng cách giữa hai trục bánh trong một giá chuyển.
x1, x2, x6, x7: chuyển vị thẳng đứng của các bánh xe.
x3, x5 và , : chuyển vị thẳng đứng và chuyển vị góc của hai khung giá chuyển trước và sau.
x4 và : chuyển vị thẳng đứng và chuyển vị góc của thân xe.
y1, y2, y6, y7: độ cao nhấp nhô mặt đường tại vị trí tiếp xúc với các bánh xe.
kt, ct: độ cứng của lò xo trung ương và hệ số cản của giảm chấn lắp trên một giá chuyển hướng.
kb, cb: độ cứng của lò xo bầu dầu và hệ số cản của giảm chấn đặt trên một trục bánh.
kd và cd là độ cứng và hệ số cản của đường.
Bảng các thông số cần thiết cho tính toán:
TT | Thông số kỹ thuật | Ký hiệu | Trị số | Đơn vị |
|---|
1 | Khối lượng thân xe | m4 | 36000 | kg |
|---|
2 | Khảng cách hai tâm cối chuyển | 2L | 14 | m |
|---|
3 | Mômen quán tính của thùng xe | J4 | 2255650 | Nm2 |
|---|
4 | Khối lượng giá chuyển hướng (không kể đến hai trục bánh) | m3, m5 | 1000 | kg |
|---|
5 | Mô men quán tính giá chuyển hướng đôi | J3, J5 | 910 | Nm2 |
|---|
6 | Khoảng cách hai trục bánh trên một giá chuyển hướng | 2l | 1,980 | M |
|---|
7 | Khối lượng của một trục bánh | m1, m2, m6, m7 | 1500 | kg |
|---|
8 | Độ cứng tổng cộng lò xo trung ương | kt | 3000000 | N/m |
|---|
9 | Độ cứng tổng cộng lò xo bầu dầu | kb | 9000000 | N/m |
|---|
10 | Hệ số cản giảm chấn trung ương | ct | 60000 | Ns/m |
|---|
11 | Hệ số cản giảm chấn bầu dầu | cb | 10000 | Ns/m |
|---|
12 | Độ cứng lò xo của đường | kd | 87563425 | N/m |
|---|
- Độ nhún tĩnh của lò xo trung ương:
- Độ nhún tĩnh lò xo bầu dầu:
- Độ nhún tổng cộng:
2.2.Lập hệ phương trình vi phân chuyển động khi xe chạy trên đường đàn hồi
Tách các vật và phân tích lực tác dụng vào các vật đó.
Theo định luật II Newton.
Hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ có thể viết lại dưới dạng sau đây:
Trong đó:
{x}là véc tơ tọa độ suy rộng:
[M] là ma trận quán tính:
[K] là ma trận độ cứng:
[C] là ma trận cản nhớt:
[F] là véc tơ lực kích thích do sự không bằng phẳng của mặt đường:
2.3. Giải hệ phương trình vi phân
2.3.1. Nhấp nhô của đường ray.copy lên chương 1 thực tế do đàn hồi của đá dăm nên đường có đàn hồi
Nhấp nhô mặt đường có dạng sóng hình sin:
Chiều cao nhấp nhô đường dưới bánh xe thứ nhất là:
Chiều cao nhấp nhô đường dưới các bánh xe tiếp theo là:
Trong đó tc2, tc6, tc7 là thời gian chậm của ba trục bánh phía sau so với trục bánh thứ nhất, với:
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 ảnh hưởng của các giảm chấn và phương trình biểu diễn dao động tự do của toa xe khách có dạng:
Đi tìm nghiệm của phương trình trên dưới dạng:
Thì ta có:
Giải bài toán trị riêng và véc tơ riêng (3.1) bằng cách tìm giá trị của để định thức của ma trận trong dấu ngoặc đơn bằng 0:
Kết quả ta sẽ tìm được 10 tần số dao động tự do của hệ:
Và 10 véc tơ riêng:
Lập trình bằng phần mềm Matlab với tên File là “txk.m” ta tìm được10 tần số dao động tự do (rad/s):
; ; = 59; ;
; ; .
Hay ta tìm được:
; ; ; ; ; ; .
Mà: , nên
Từ đó tính được 10 vận tốc tới hạn hay 10 vận tốc khi tàu chạy sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng:
v1 = 75,1km/h; v2 = 84,9 km/h; v3 = v4 =932km/h; v5 = 978,3 km/h;
v6 = 978,5km/h; v7 = v8 = 1850,2km/h; v9 = v10 = 1851,4km/h.
Nhận xét: Từ kết quả trên ta thấy thực tế vận tốc để xảy ra cộng hưởng chỉ xảy ra với 2 vận tốc : v1 = 75,1km/h; v2 = 84,9 km/h
Đồ thị 10 dạng dao động riêng ứng với 10 tần số riêng:
Hình 2.2: Các dạng dao động riêng
2.3.3. Phương trình trạng thái của hệ dao động
Để giải và tìm nghiệm riêng của phương trình vi phân:
trước hết cần thực hiện một số phép biến đổi chuyển vế và nhân 2 vế với ta có
Mặt khác ta lại có :
=[O1] + [I] + [O2]
Lại có thể viết lại dưới dạng sau:
(3.2)
Trong đó: [O1] là ma trận cỡ 10x10 có các phần tử đều bằng 0;
[I] là ma trận đơn vị cỡ 10x10;
[O2] là véc tơ cột có 10 phần tử là các số 0.
Bằng cách đặt:
Thì phương trình (3.2) được viết lại là:
(3.3)
Phương trình (3.3) được gọi là phương trình trạng thái của hệ dao động.
Giải phương trình (3.3) sẽ xác định được tức sẽ xác định được chuyển vị và vận tốc dao động của các bộ phận của 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 , là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của bánh xe 1
, là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của bánh xe 1
, là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của giá chuyển trước đằng trước
, là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của giá chuyển trước đằng sau
, là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của thân xeđằng trước
, là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của thân xe đằng trước
, là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của giá chuyển sau đằng trước
, là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của giá chuyển sau đằng sau
, là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của bánh xe 6
, là chuyển vị thẳng đứng và vận tốc của bánh xe 7
Hình 2.3 Chuyển vị thẳng đứng của các bánh xe
Hình 2.4 Chuyển vị của các giá truyền
Hình 2.5 Chuyển vị của thân xe
Vậy lực động ở cối chuyển trước và sau là
.
Lực động từ bánh xe tác động lên đường là:
Lực động từ các giá chuyển tác dụng lên các bánh xe:
Qua kết quả trên ta nhận thấy thân tàu chịu tác động nhỏ nhất khi tàu chạy với khoảng vận tốc 40-60 km/h.Nguyên nhân của hiện tượng trên là tàu chạy với vận tốc gần với vận tốc riêng có nghĩa là khi tàu chạy trong khoảng 70 km/h thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng.Còn khi tàu chạy với tốc độ lớn hơn mặc dù vẫn đạt mức cho phép nhưng lại chưa đạt yêu cầu.
Hình 2.6 Đồ thị lựcđộng tác khi v=100Km/h
2.3.5. Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng
Khi cho xe chạy với vận tốc bằng một trong các vận tốc cộng hưởng thì sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng.
Với v = 932 km/h, lập trình bằng phần mềm Matlab với tên File là txk.m ta có
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.
CHƯƠNG III: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG LÒ XO ĐẾN TÍNH
NĂNG ĐỘNG LỰC HỌC TOA XE
3.1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo
Theo nhận xét phân phối độ nhún giữa lò xo thứ cấp và lò xo sơ cấp nằm trong khoảng 5/5 đến 6/4 và trong thiết kế toa xe này phân phối độ nhún tĩnh là 54/46. Nhưng thực tế những năm gần đây các nhà sản xuất lại thường sản xuất các loại toa xe có phân phối độ nhún tĩnh ở mức 7/3 và tổng độ nhún tĩnh tăng lên 200 mm nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của độ cứng lò xo đến tính năng động lực toa xe ở một số trường hợp sau:
- Thay đổi độ cứng các lò xo để phân phối độ cứng đạt 7/3 và độ nhún tĩnh vẫn không thay đổi.
- Tăng độ nhún tĩnh của cả toa xe lên 140, 160, 180, 200 mm.
3.1.1. Thay đổi độ cứng lò xo để phân phối độ nhún đạt 7/3 nhưng tổng độ nhún không thay đổi so với thiết kế ban đầu
Độ nhún tĩnh của cả toa xe theo thiết kế là 120 mm. Để phân phối độ nhún đạt 7/3 thì độ nhún tĩnh của lò xo thứ cấp là:
Độ nhún tĩnh của lò xo sơ cấp là:
Khi đó độ cứng lò xo trung ương là:
Độ cứng mỗi lò xo bầu đầu là:
Lập trình bằng phần mềm matlab cho vận tốc tàu hỏa từ 30km/h đến 120km/h
3.1.2. Tăng độ nhún tĩnh của cả toa xe lên 160 mm
Muốn phân phối độ nhún tĩnh đạt 7/3 thì độ nhún tĩnh của lò xo trung ương là:
Độ nhún tĩnh của lò xo sơ cấp là:
Khi đó độ cứng mỗi lò xo trung ương là:
Độ cứng mỗi lò xo bầu dầu là:
Lập trình bằng phần mềm Matlab, cho tàu chạy với các tốc độ khác nhau từ 40 km/h đến 120 km/h ta thu được lực động lớn nhất tác dụng lên 2 cối chuyển :
v (km/h) | 40 | 50 | 60 | 80 | 100 | 120 |
|---|
Max(Ft5,Ft6) (N) | 18217 | 24861 | 29794 | 18585 | 18746 | 18874 |
|---|
3.1.3. Tăng độ nhún tĩnh của cả toa xe lên 200 mm
Muốn phân phối độ nhún tĩnh đạt 7/3 thì độ nhún tĩnh của lò xo trung ương là:
Độ nhún tĩnh của lò xo sơ cấp là:
Khi đó độ cứng mỗi lò xo trung ương là:
Độ cứng mỗi lò xo bầu dầu là:
Lập trình bằng phần mềm Matlab, cho tàu chạy với các tốc độ khác nhau từ 40 km/h đến 120 km/h ta thu được lực động lớn nhất tác dụng lên 2 cối chuyển :
v (km/h) | 40 | 50 | 60 | 80 | 100 | 120 |
|---|
Max(Ft5,Ft6) (N) | 15646 | 24138 | 17211 | 15956 | 16083 | 16187 |
|---|
3.2. Tăng độ cứng của đường ray (kd) lên 10 lần
Theo thông số kỹ thuật thì
kd = 87563425 (N/m)
Vậy khi tăng độ cứng của đường ray lên gấp 10 lần ta có
kd1 = 875634250 (N/m)
Lập trình bằng phần mềm Matlab, cho tàu chạy với các tốc độ khác nhau từ 40 km/h đến 120 km/h và kd1 = 875634250 (N/m)ta thu được lực động lớn nhất tác dụng lên 2 cối chuyển là
v (km/h) | 40 | 50 | 60 | 80 | 100 | 120 |
|---|
Max(Ft5,Ft6) (N) | 12079 | 18333 | 17211 | 11297 | 9481 | 7835 |
|---|
KẾT LUẬN
* Kết quả thu được như sau:
- Viết được phương trình nhấp nhô của mặt đường theo hai dạng : dạng hình sin và hình parabol.
- Giải bài toán động lực học toa xe khi xe chạy trên đường đàn hồi thấy được mô hình đường đàn hồi gấn với thực tế. Đồng thời thấy được mô hình nhấp nhô của đường có dạng hình parabol cho kết quả chính xác hơn.
- Khảo sát ảnh hưởng của các thông số hệ thống treo đến tính năng động lực học của toa xe. Từ đó đề xuất phương án làm cải thiện tính năng động lực học của toa xe.
* Phương hướng phát triển đề tài:
Để tài tập trung nghiên cứu đến ảnh hưởng của mô hình đường đàn hồi nhưng bên cạnh đó vẫn còn những nội dung chưa tìm hiểu như tấm đệm cao su, tà vẹt và đá ba lát. Vì vậy phương hướng phát triển tiếp theo của đề tài là:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tấm đệm cao su bên dưới đường ray.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng tà vẹt.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Bá Nghị, Bài giảng động lực học máy, ĐH Giao thông vận tải, Hà Nội 2008.
[2] 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.
[3] Dương Hồng Thái - Lê Văn Doanh - Lê Văn Học, Kết cấu và tính toán toa xe, Nhà xuất bàn giao thông vận tải 1997.
[4] 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.
[5] Trần Mạnh Hùng, Luận án thạc sĩ KHKT: Nghiên cứu lựa chọn tham số cơ bản của giá chuyển hướng ba trục cho toa xe chuyên dùng chở Container, Trường ĐH Giao thông Vận tải, Hà Nội 2000.
PHỤ LỤC
Chương trình tính toán khi nhấp nhô mặt đường hình sin:
% file txk.m
% CHUONG TRINH TINH DAO DONG TOA XE KHACH 10BTD
% CHAY TREN DUONG RAY CO DANG SONG HINH SIN
global wn V K M L kt kb ct cb kd xt m3 m4 m5 Ls y1 y2 y6 y7 l y1c y2c y6c y7c % Khai bao bien toan bo
V=input('Nhap van toc cua tau (km/h) V= ');
tf=6; % Thoi gian dao dong
x0=zeros(1,20); % Dieu kien ban dau
% Giai phuong trinh vi phan
[t,x]=ode45('txk0',tf,x0);
m1=1500;m2=m1;m6=m1;m7=m1; % Khoi luong cac truc banh 1, 2, 6, 7 [kg]
m3=1000; m5=m3; % Khoi luong cac gia chuyen huong [kg]
m4=36000; % Khoi luong toa xe [kg]
J3=910; J5=J3; % Momen quan tinh cac gia chuyen huong [kg.m^2]
J4=2255650; % Momen quan tinh cua toa xe [kg.m^2]
L=7; % Khoang cach tu tam coi chuyen den tam toa xe [m]
l=0.99; % Khoang cach tu tam truc banh den tam coi chuyen [m]
kt=3000000; % Do cung lo xo trung uong lap tren mot gia chuyen [N/m]
kb=9000000; % Do cung lo xo bau dau lap tren mot truc banh [N/m]
kd=87563425; % Do cung lo xo cua duong [N/m]
ct=60000; % He so can giam chan trung uong tren mot gia chuyen [Ns/m]
cb=10000; % He so can giam chan bau dau tren mot truc banh [Ns/m]
cd=0; % He so can giam chan cua duong [Ns/m]
y0=0.006; % Bien do dao dong song nhap nho hinh sin cua duong [m]
Ls=12.5; % Chieu dai buoc song(la chieu dai cua mot ray) [m]
v=V/3.6; % Van toc cua tau [m/s]
w=2*pi*v/Ls; % Tan so dao dong cua song nhap nho hinh sin cua duong [rad/s]
% Thoi gian cham cua ba truc banh phia sau so voi truc banh thu nhat
tc2=2*l/v; tc6=2*L/v; tc7=2*(l+L)/v;
% phuong trinh dao dong cua duong doi voi bon banh xe
y1=y0*cos(w*t);
y2=y0*cos(w*(t-tc2));
y6=y0*cos(w*(t-tc6));
y7=y0*cos(w*(t-tc7));
% Dao ham bac nhat cua cac dao dong cua duong doi voi tung banh xe
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"