đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hớng
đầu máy D9E trên cơ sở phơng trình
đồng dạng phá huỷ mỏiPGS. TS. Đỗ đức tuấn
Bộ môn Đầu máy - Toa xe
Khoa Cơ khí - Trờng ĐH GTVT
PGS. TS. Ngô văn quyết
Học viện kỹ thuật quân sự
ThS. Phạm lê tiến
Trờng Trung học Đờng sắtTóm tắt: Bi báo giới thiệu phơng pháp nghiên cứu v các kết quả đánh giá độ bền mỏi
(hệ số an ton mỏi) của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E đang sử dụng trên đờng sắt
Việt Nam trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi.
Summary: In this article, the Fatigue Strength of direction frame of locomotives D9E has
been determined based on the equation of similar Fatigue failure. The new method of
computing and concrete examples are also presented.

I. đặt vấn đề
Để đánh giá đợc độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của các kết cấu bộ phận chạy đầu máy diezel
nói chung và xe đầu máy D9E nói riêng nh khung giá chuyển hớng, bộ trục bánh xe, cần sử
dụng kết quả xác định các đặc trng mỏi của mẫu vật liệu. Các kết quả này đã đợc trình bày
trong [2]. Từ các kết quả đó đã tiến hành đánh giá độ bền mỏi (hệ số an toàn mỏi) của trục
bánh xe đầu máy D9E đang sử dụng trên đờng sắt Việt Nam trên cơ sở lý thuyết đồng dạng
phá huỷ mỏi tơng đối [6].
Trong bài báo này trình bày phơng pháp nghiên cứu và các kết quả đánh giá độ bền mỏi
(hệ số an toàn mỏi) của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E trên cơ sở lý thuyết đồng dạng






, (1)
Hệ số an toàn mỏi thành phần:
mma
1

k
.
s
++



=





, (2)
mma
1

k
.
s



và k


- Hệ số tập trung ứng suất pháp và tiếp thực tế;
+

và

- hệ số ảnh hởng kích thớc;
+


,


,



và

- hệ số ảnh hởng của vật liệu.
2.2. Phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối
Dạng tổng quát của phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối [1]





p
) - phân vị với xác suất phá huỷ P%;
khi S
max
S
gh
thì P (S
max
S
gh
) = 0
+ s
s
- Độ lệch bình phơng trung bình của đại lợng ứng suất S;

+ a, b là những hằng số mới của vật liệu làm tiết máy, phản ánh đặc trng cấu trúc của vật
liệu và điều kiện làm việc thực tế của tiết máy.
+ - đợc gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên.
ý nghĩa của là: mẫu chuẩn của tiết máy thực có hình dạng và kích thớc khác nhau
nhng nếu có cùng trị số thì sẽ có cùng một hàm phân phối giới hạn mỏi khi cùng một trạng
thái ứng suất.
Công thức tính toán chỉ tiêu nh sau [1]:
Trờng hợp tiết máy chịu uốn:








G
mu
;
G
mx
- građien tơng đối của ứng suất chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn trơn;
+
ctu
G
;
ctx
G
- građien tơng đối của ứng suất uốn và xoắn cực đại của tiết máy;
+ W
mu
; W
mx
- mômen chống uốn và xoắn của mẫu chuẩn trơn;
+ W
ctu
; W
ctx
- mômen chống uốn và xoắn của tiết máy;
Chỉ tiêu phụ thuộc vào trạng thái ứng suất (kéo, nén, uốn, xoắn ) cũng nh phụ thuộc
vào chính khích thớc của tiết máy.
iii. ứng dụng phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối để tính hệ số
an ton mỏi cho khung giá chuyển đầu máy D9E
Qua cách tính toán độ bền khung giá chuyển đầu máy D9E ở [2], [4] ta chọn mặt cắt D - D
trên xà dọc khung giá chuyển là mặt cắt nguy hiểm nhất vì có M
u

Uốn Xoắn
d
D
1,5
u
G
=

3,2
+
d
2

G
x
=

15,1
+
d
2

d
D
< 1,5
u
G
=

+ )1(3,2

Trạng thái
ứng suất
W
m
( mm
3
)
G
m
( mm
-1
)
W
ct
( mm
3
)
ct
G
( mm )

-1
Uốn 172,8 0,454 1 158 509 0,0565 1,856.10
-5
Xoắn 345,6 0,2816 2 317 018 0,0295 1,562.10
-5

T
(
M

10'a

Các thông số thành phần đợc xác định thông qua kết quả thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu
khung giá chuyển hớng theo [2] đợc cho trong bảng 4.
Bảng 4. Kết quả thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hớng đầu máy D9E
Giới hạn mỏi Chu trình giới hạn
Tỷ số
Mẫu vật liệu
1
(kG/cm
2
)
N
gh
N
0
bu1
/


Khung giá chuyển hớng 1800 2.10
6
0,353 - 0,429
Theo [1] ta xác định đợc:



=

.



= 0,39
Thay các trị số ta có: b

= b


= 0,1809
Lấy xác suất phá huỷ p
0
0
= 50
0
0
U
p
= 0
Vậy hệ số ảnh hởng kích thớc của khung giá chuyển hớng đợc tính nh sau:
'b
'a

+=
'b
'a

+=
Thay vào công thức kết quả tính đợc cho trong bảng 5.

Bảng 5. Hệ số ảnh hởng của kích thớc


Bảng 7. Hệ số ảnh hởng của vật liệu
Vật liệu










Thép đúc mác SC 42 0,15 0,14 0,1 0,16
3.5. Hệ số an toàn mỏi của khung giá chuyển hớng đầu máy D9E
Xác định giá trị ứng suất trung bình

, ứng suất biên độ [5] trên cơ sở từ các kết quả tính toán
hệ số động [2] thay vào các công thức (1), (2) và (3) tính đợc hệ số an toàn mỏi thành phần và
toàn phần của khung giá chuyển hớng. Kết quả tính toán cho trong bảng 8.
Bảng 8. Kết quả tính hệ số an ton mỏi khung giá chuyển hớng
ứng suất trung
bình (KG/cm
2
)
ứng suất biên
độ (KG/cm
2
)
Hệ số an toàn

- Nhập các yếu tố ảnh hởng tới độ bền.
Việc nhập các số liệu đợc minh hoạ nh hình 3 và hình 4.

Hình 3. Kích thớc hình học quy đổi dùng để tính toán theo chỉ tiêu đồng dạng

Hình 4. Tính toán hệ số an ton mỏi theo phần mềm MDT6.0
Kết quả tính toán độ bền mỏi nh sau:
- Sự thay đổi của chu kỳ ứng suất;
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải Số 9 - 12/2004

113
- Dáng điệu của ứng suất lớn nhất, nhỏ nhất và biên độ ứng suất đợc chỉ ra trên hình 4;
Hệ số an toàn mỏi tính theo phần mềm MDT 6.0 là: s = 2,677;
Hệ số an toàn mỏi tính theo chỉ tiêu là: s = 2,8.
Vậy sai số tơng đối của hệ số an toàn mỏi giữa cách tính theo chỉ tiêu và tính theo phần
mềm MDT 6.0 là:
044,0
8,2
677,28,2
=

=

Tức là = 4,4%. Nếu chấp nhận sai số này, thì việc tính toán độ bền mỏi của khung giá
chuyển hớng đầu máy theo chỉ tiêu và tính theo phần mềm MDT 6.0 là tơng đơng nhau.

v. Kết luận
Theo phơng pháp đồng dạng pháp huỷ mỏi có sử dụng kết quả thí nghiệm mỏi của mẫu
đã xác định đợc độ bền mỏi có tính đến đặc trng độ nhạy của vật liệu, sự tập trung ứng suất,
yếu tố kích thớc nên kết quả tỏ ra chính xác và hợp lý, và có thể tính cho các bộ phận, kết cấu