I
Bộ giáo dục và đào tạo

- II Bộ giáo dục và đào tạo

Trờng đại học giao thông vận tải

Trờng đại học giao thông vận tải

----------------

----------------

Phạm Lê Tiến

Phạm Lê Tiến

Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi
thọ mỏi của khung giá chuyển hớng và
trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên
đờng sắt Việt Nam

Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi
thọ mỏi của khung giá chuyển hớng và
trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên
đờng sắt Việt Nam

Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe

Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe



TôI xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Trng i hc giao thụng vn ti; Trung tõm ỏnh giỏ h hng vt liu COMFA-

Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung

Vin Khoa hc vt liu; Phũng thớ nghim vt liu tớnh nng k thut cao-Vin C

thực và cha từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

khớ nng lng v m; Ban khoa hc cụng ngh, Ban u mỏy toa xe, Xớ nghip
u mỏy H Ni-Tng cụng ty ng st Vit Nam; Vin C hc Vit Nam; Hc
Vin K thut Quõn s.

Tác giả luận án

Tỏc gi vụ cựng cm n GS.TS c Tun, PGS.TS Ngụ Vn Quyt,
nhng ngi Thy ó nh hng, v gi li cm n n GS.TSKT Phm Vn
Lang, ThS. Nguyn Ngc Viờn, TS. Lng Xuõn Bớnh, ó cung cp cỏc ti liu
quý bỏu trong quỏ trỡnh thc hin Lun ỏn. Cm n cỏc thy, cụ giỏo B mụn u

Phạm Lê Tiến

mỏy toa xe, Khoa c khớ, Trng i hc giao thụng vn ti.
Trong quỏ trỡnh lm tỏc gi ó cú trao i v gi cm n ti NCS. Trn Vit
Bn, ThS. Trn Vn Khanh, ThS. Nguyn Trung Kiờn v nhiu ngi bn na ó
nhit tỡnh cung cp cỏc ti liu quý bỏu.

H ni, thỏng 7 nm 2011

3.1. Phân tích thành phần kim loại, xác định mác ................................................................. 49

1.1.3. Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi

........................................................................ 5

.............................................................................................................. 7

2.5. Dự báo tuổi thọ mỏi

....................................................................................................................... 46

2.5.1. Khái niệm cơ bản về tuổi thọ mỏi

.......................................................................................... 46

1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá ...................................................... 11

3.1.1. Phân tích vật liệu trục bánh xe đầu máy D19E .................................................................. 49

1.4. Tổng quan về đầu máy diezel truyền động điện D19E vận dụng trên

3.1.2. Phân tích vật liệu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E

đường sắt Việt nam

....................................................................................................................... 15

....................................... 50



........................................................................ 21

3.3.2. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học .............................................. 55

..................................................................... 54

1.6. Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài ..................... 26

3.3.3. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

1.7 Kết luận chương 1

3.3.4. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai

............................................................................................................................ 28

.............................................................. 55

Chương 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi
khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy..................30

3.4 Thiết bị thử nghiệm……………………………………………….......…………....................……57

2.1. Sự lan truyền vết nứt mỏi

3.4.1. Thiết bị thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của mẫu

........................................................................................................... 30


2.2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối .....................................38

3.6.1. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu KGCH

2.3. Đề xuất một dạng phương trình lan truyền vết nứt có kể tới tần số

3.6.2. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu TBX

tải trọng đối với KGCH đầu máy D19E

............................................................................. 39

2.3.1 Những nhận xét ................................................................................................................................ 40
2.3.2. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................................... 41
2.3.3. Những giả thiết

............................................................................................................................... 42

2.3.4. Phương pháp xây dựng

.............................................................................................................. 42

2.4. Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn

................................................................... 44

............................................... 63

................................................... 66



................................ 78

.............................................................. 78

- chiều dài vết nứt ban đầu.

aσ, aτ - tuổi thọ tương đối cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp.

4.1.2. Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E ..................................................................................... 80

att

4.1.3. Kết cấu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E

a’,b’ - những hằng số mới của vật liệu làm chi tiết.

........................................................... 81

4.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền khung giá chuyển hướng
và trục bánh xe đầu máy D19E

.............................................................................................. 82

4.2.1. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền KGCH đầu máy D19E
4.2.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền TBX đầu máy D19E
4.3. Tính toán độ bền mỏi theo lý thuyết cơ học phá huỷ

............................ 82



G

- građien tương đối của ứng suất lớn nhất.

.................................................................. 133

4.5. Một số biện pháp nâng cao độ bền mỏi cho KGCH ................................................... 136

G mu , G mx - građien tương đối ứng suất lớn nhất của mẫu khi uốn và xoắn.

4.5.1. Giảm mức độ ứng suất tập trung cục bộ của kết cấu KGCH

................................... 137

G ctu , G ctx - građien tương đối ứng suất lớn nhất của chi tiết khi uốn và xoắn.

4.5.2. Tránh vận dụng đầu máy khi chịu tải với tần số nhỏ bất lợi

.................................... 139

KI

- hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I.

4.6. Kết luận chương 4 ......................................................................................................................... 139

KIi

- hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I thứ i.

- hệ số cường độ các ứng suất tại thời điểm mở vết nứt.

k1

- hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu.

k2

- hệ số tính tới nội ứng suất.

kσ và kτ - hệ số tập trung ứng suất pháp và ứng suất tiếp thực tế.
L

- tuổi thọ (số giờ, km) của chi tiết thuộc bộ phận chạy của đầu máy.

ni

- tổng số chu ký ứng suất của σi (hoặc τi).

Ni

- số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn chế σ i


- IX No

- số chu trình ứng suất cơ sở.

-XΠu, Πx - chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi khi chi tiết bị uốn, bị xoắn.


- hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất.

σb

- giới hạn bền.

Smax

- ứng suất lớn nhất tại “ khâu yếu nhất “ trong chi tiết sẽ gây ra sự phá huỷ ở xác suất P%

σt

- ứng suất tĩnh.

Sgh

- giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N0.

σR

- giới hạn mỏi của vật liệu với hệ số chu trình ứng xuất R.

tb

- khoảng thời gian, km tác động của một blốc ứng suất, tính theo các khu gian đặc

σN

- ứng suất ứng với số chu trình N.


- Kích thước vùng biến dạng dẻo.

σ −1 và τ −1 - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn.
σ −1 ;τ −1 - giới hạn mỏi trung bình của mẫu vật liệu khi chịu uốn và xoắn.

V

- vận tốc của đầu máy.

σ m và τ m - ứng suất pháp và ứng suất tiếp trung bình.

fi

- tần số tải trọng thứ i.

σ a và τ a - ứng suất pháp và ứng suất tiếp biên độ.

f0

- tần số tải trọng nhỏ nhất.

σe, τe - ứng suất pháp và ứng suất tiếp tương đương.

ft

- độ nhún tĩnh của hệ thống lò xo giá chuyển.

ξ

f(g)

β

- hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công.

εσ và ετ- hệ số ảnh hưởng kích thước của chi tiết.
ε∞

- hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của chi tiết.

ϕK

- hệ số ma sát giữa quốc hãm bánh xe.

φσ

- hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng.

µ

- hệ số Poisson.

Π

- được gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên.

1.
2.
3.
4.
5.


Hình 3.20. Kết quả thí nghiệm da/dN của mẫu vật liệu KGCH

72

Hình 3.21. Thí nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH

72

Hình 1.2. Sự xuất hiện các vết nứt mỏi

8

Hình 3.22. Mẫu sau khi thử đặc trưng mỏi vật liệu KGCH

72

Hình 1.3. Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902

17

Hình 3.23. Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu KGCH

73

Hình 1.4. Vết nứt trên tấm cạnh ngoài và tấm đáy của xà dọc KGCH số 907

18

Hình 3.24. Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu KGCH sau khi thử nghiệm


Hình 2.1. Hệ toạ độ và các thành phần ứng suất của trường ứng suất ở đầu vết nứt

30

Hình 3.29. Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu TBX

75

Hình 2.2. Vùng đàn - dẻo tại đầu vết nứt mỏi

32

Hình 3.30. Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu TBX

76

Hình 2.3. Vùng dẻo ở đầu vết nứt khi chịu tải chu kỳ

33

Hình 3.31. Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu TBX sau khi thử nghiệm

76

Hình 2.4. Đuờng cong da/dN-∆K trong hệ tọa độ đối số

35

Hình 3.32. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu TBX


82

Hình 3.4. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm mỏi

55

Hình 4.5. Các lực tác dụng lên khung giá chuyển hướng đầu máy

84

Hình 3.5. Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu KGCH

56

Hình 4.6. Các lực tác dụng lên KGCH với tổ hợp 1

85

Hình 3.6. Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu TBX

56

Hình 4.7. Kết quả tính toán lý thuyết KGCH với tổ hợp 1

86

Hình 4.8. Các lực tác dụng trên TBX

90

Hình 4.12. Sơ đồ trục bậc đặc tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết

96

Hình 3.11. Thiết bị thử mỏi, độ dai phá huỷ INTON 8801

60

Hình 4.13. Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện hình hộp rỗng

97

Hình 3.12. Hình dạng mẫu thử cơ tính vật liệu

61

Hình 4.14. Mặt cắt D – D trên xà dọc của KGCH

98

Hình 3.13. Kết quả thử nghiệm cơ tính vật liệu thép 12Mn

62

Hình 4.15. Sơ đồ trục bậc rỗng tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết
Hình 4.16. Sơ đồ khối tính toán ξTBX = f(P), σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) , sTBX = f(P)

Hình 3.14. Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các
mẫu vật liệu KGCH ở mức ứng suất 1


Hình 4.20. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P)

Hình 3.18. Các thông số điều chỉnh viêc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH

71

của điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét

mẫu vật liệu TBX ở mức ứng suất 1

113


- XIII -

- XIV -

Hình 4.21. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của

Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của vật liệu làm KGCH

điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc

115

Hình 4.22.Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm P9, KGCH đầu máy D19E theo kết quả tính toán lý thuyết
Hình 4.23. Sơ đồ khối tính toán Πu , Πx , σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) và sTBX = f(P)

Hình 4.25. Sơ đồ khối Tính Πu , Πx , σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) và sKGCH = f(P)


Hình 4.31. Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu TBX

132

Hình 4.32. Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K), xác định các hệ số của
134

BẢNG BIỂU:
Bảng 1.1. Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc

92

Bảng 4.8. Phân vị ứng với xác suất phá huỷ

103

các mặt cắt của TBX đầu máy D19E

109

Bảng 4.10. Các giá trị ứng suất ở các điểm trên KGCH khi vượt đèo Khe Nét

112

Bảng 4.11. Thống kê các mức đỉnh biến dạng động của các điểm trên KGCH

113

Bảng 4.12. Kết quả tính sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt


Hình 4.24. Kết quả tính toán Πu; Πx; σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) ; sTBX = f(P) của mặt cắt I
của TBX đầu máy D19E

74

đèo Khe Nét

113

Bảng 4.13. Xác suất phá hủy tại các điểm trên KGCH có giá trị ứng suất lớn hơn
GHBM và HSATM nhỏ hơn giá trị cho phép khi vượt đèo Khe Nét

114

Bảng 4.14. Các mức giá trị ứng suất của điểm 34 trên KGCH

114

Bảng 4.15. Kết quả tính toán sTBX = f(P) của các mặt cắt TBX đầu máy D19E

119

Bảng 4.16. Kết quả tính toán sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt
21

Bảng 1.2 Các số liệu thống kê ứng suất đo được của Viện Cơ học khi đầu máy

đèo Khe Nét


Bảng 3.5. Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 55

62

Bảng 3.6. Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu KGCH

64

D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi

65
67

Bảng 3.9. Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu TBX đầu máy
D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi

129

tính theo kết quả đo được của Trung Quốc

130

Bảng 4.21. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các điểm trên KGCH
theo kết quả tính toán lý thuyết
Bảng 4.22. Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu TBX

130
131

Bảng 4.23. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các mặt cắt của TBX

quan trọng của một xã hội phát triển. Công cuộc đổi mới của ngành Đường sắt Việt
Nam trong những năm qua đã thu được nhiều thắng lợi: Chất lượng vận tải đường
sắt đã không ngừng được nâng cao, góp phần thu hút khách hàng đến với đường
sắt nhiều hơn, từng bước nâng cao thị phần vận tải đường sắt trong hệ thống giao
thông vận tải quốc gia.
Để đạt được mục tiêu đó, chất lượng đầu máy toa xe của ngành Đường sắt
Việt Nam đã có nhiều thay đổi lớn để đảm bảo đủ sức kéo đáp ứng yêu cầu phát
triển của ngành và của xã hội. Những đầu máy có công suất lớn, độ bền cao để
thực hiện kéo khoẻ, chạy nhanh được thay thế dần những đầu máy công suất nhỏ,
công nghệ lạc hậu đã không còn phù hợp với yêu cầu về sức kéo của ngành đường
sắt. Đổi mới khoa học- công nghệ, đặc biệt là sức kéo, sức chở đang được lãnh đạo
ngành đường sắt quan tâm theo hướng An toàn - Chất lượng - Tiết kiệm. Vừa qua
ngành đường sắt nước ta đã chế tạo và lắp ráp thành công đầu máy kéo đẩy, đầu
máy D19E.... Chủ trương của ngành là tiếp tục nhập, chế tạo, lắp ráp ra những đầu
máy theo yêu cầu của ngành giao thông vận tải sắt ngày càng có chất lượng cao.
Mặt khác, việc nâng cao an toàn và tốc độ chạy tàu đối với các trang thiết bị hiện
có là chủ trương lớn đang được thực hiện.
Để đáp ứng các yêu cầu đặt ra, đã xuất hiện những yếu tố kỹ thuật công
nghệ, kết cấu và vật liệu nhằm nâng cao độ bền kết cấu, tăng tốc độ chạy tàu, góp
phần thúc đẩy sản xuất và sự phát triển đi lên của ngành đường sắt. Tuy nhiên
trong quá trình thực hiện đã nảy sinh những vấn đề về an toàn và độ tin cậy của các
bộ phận, thiết bị. Một trong những vấn đề đó là: Hầu hết các đầu máy truyền động
điện được nhập về Việt Nam chỉ được nhà cung cấp giao kèm theo các thông số kỹ
thuật cơ bản của đầu máy mà không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về
cách sử dụng phù hợp với đặc thù tuyến đường, điều kiện môi trường đường sắt
Việt Nam, không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về qui trình kiểm tra, bảo
dưỡng sửa chữa cũng như các đặc tính vật liệu của các kết cấu. Trong bộ phận
chạy của đầu máy thì khung giá chuyển hướng và trục bánh xe là hai kết cấu quạn
trọng. Do ảnh hưởng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đến việc nâng
cao an toàn và tốc độ chạy tàu, chúng ta phải kiểm tra định kỳ theo qui định trong

và hoàn thiện ngày càng chính xác hơn. Cơ học phá huỷ có tác dụng ngày càng
quan trọng trong việc thiết kế chống phá huỷ, khống chế phá huỷ và phân tích sự
cố phá huỷ kết cấu.
1.1.1. Khái niệm về độ bền cơ học phá huỷ
Từ các công trình nghiên cứu về cơ học phá hủy của các nhà khoa học ta có
thể nhận thấy quan điểm quan trọng nhất của cơ học phá huỷ là: Vật liệu và kết cấu
đều không thể tránh khỏi các khuyết tật và vết nứt trong luyện kim và gia công; Do
đó, giả định cơ bản của cơ học phá huỷ là: trong kết cấu luôn tồn tại vết nứt hoặc
những khuyết tật khác; Vì vậy, đối tượng nghiên cứu của nó cũng chính là kết cấu
mang vết nứt. Theo quan điểm của cơ học phá huỷ, trong các chi tiết hoặc kết cấu
có vết nứt, chỉ khi trường ứng suất tại đầu vết nứt và kích thước nứt đạt tới một
mức độ nào đó thì mới bị phá huỷ. Trên cơ sở này, lý thuyết cơ học phá huỷ đưa ra
một số quan điểm cơ bản và yêu cầu đối với thiết kế chi tiết và kết cấu như sau:
* Đối với kết cấu công tác có vết nứt, mức độ mạnh, yếu của trường ứng suất tại
đầu vết nứt, có thể dùng một tham số cơ học phá huỷ gọi là hệ số cường độ ứng
suất K, để tính toán: Bất luận hình thức kết cấu và loại hình vết nứt nào thì
HSCĐUS K đều phải thoả mãn yêu cầu K ≤ KC / n thì mới bảo đảm không bị phá
huỷ, KC là độ dai phá huỷ, trị số của nó có thể dùng thử nghiệm cơ học phá huỷ
tiêu chuẩn đo được, n là hệ số an toàn.
* Đối với kết cấu chịu tải biến động, theo lý thuyết cơ học phá huỷ có thể chia ra
hai loại sau để xử lý [10]:
1. Nếu số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K∆Kth thì vết nứt sẽ tiếp tục phát triển từ từ theo
một quy luật nào đó; Nhưng trước khi kích thước a của vết nứt phát triển tới kích
thước tới hạn ath, thì kết cấu sẽ không phát sinh mất ổn định hoặc bị phá huỷ. Bởi
vậy, tốc độ phát triển vết nứt của vật liệu da/dN là một lượng đo khả năng chống
phát triển vết nứt của vật liệu. Trên cơ sở này,với kết cấu có vết nứt ban đầu là a0
và kích thước tới hạn là ath, thì tuổi thọ phát triển vết nứt Np của nó có thể tính

tiêu chuẩn thiết kế kết cấu an toàn và phương pháp đánh giá. Ứng dụng của cơ học
phá huỷ trong kỹ thuật ta thấy có thể chia ra một số mặt sau:
1. Dùng quan điểm cơ bản và chuẩn tắc độ bền phá huỷ để bổ sung cho lý
thuyết độ bền truyền thống, chỉ đạo việc thiết kế kết cấu, tức là kết cấu thiết kế
chẳng những phải thoả mãn các yêu cầu của độ bền truyền thống, mà còn đồng thời
thoả mãn yêu cầu của cơ học phá huỷ, đặc biệt là tính năng chống phá huỷ mỏi.
2. Dùng lý thuyết cơ học phá huỷ làm căn cứ, đưa ra yêu cầu, đặc biệt là đối
với phương pháp và quá trình công nghệ chế tạo và kiểm tu kết cấu, đưa ra các
quy trình tương ứng để vừa thoả mãn yêu cầu ứng dụng vừa đạt hiểu quả kinh tế
tương đối cao.
3. Dùng lý thuyết cơ học phá huỷ tiến hành phân tích sự cố phá huỷ kết cấu,
đưa ra giải pháp đề phòng và biện pháp giải quyết.
4. Lấy việc nâng cao tính chống phá huỷ của kết cấu làm mục đích, nghiên cứu
tạo ra vật liệu mới có tính năng chống phá huỷ tốt.
5. Xuất phát từ nghiên lý cơ bản của cơ học phá huỷ, đề xuất phương pháp mới
để ngăn nứt trong thiết kế và kiểm tu kết cấu.
Cơ học phá huỷ đàn hồi chẳng những là cơ sở của toàn bộ hệ thống lý luận
cơ học phá huỷ, mà còn là nội dung phát triển thành thục nhất, hoàn thiện nhất
trong hệ thống cơ học phá huỷ. Cơ học phá huỷ đàn hồi là nền tảng của toàn bộ lý
thuyết cơ học phá huỷ. Phương pháp phân tích chủ yếu của nó là dùng phương
pháp cơ đàn hồi để tiến hành phân tích trường ứng suất tại đầu vết nứt và khu vực


-5phụ cận. Nội dung phân tích bao gồm: Hình dạng, độ lớn, phương vị của vết nứt
(hoặc khuyết tật giống vết nứt) và phân tích tính năng vật liệu có vết nứt.
1.1.3. Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi
Theo lý thuyết cơ học phá huỷ ta nhận thấy lý thuyết mỏi là một nhánh của
cơ học phá huỷ chuyên nghiên cứu về ứng xử của vật liệu và chi tiết dưới tác động
của ứng suất thay đổi theo thời gian có kể tới ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố,
đồng thời nêu ra phương pháp tính toán và những giải pháp kỹ thuật nhằm nâng

-6e. Đường cong mỏi: Đường cong mỏi là đường cong biểu diễn mối liên hệ giữa các
ứng suất thay đổi với các số chu trình ứng suất tương ứng.
Ứng suất thay đổi có thể là ứng suất lớn nhất hoặc là biên độ ứng suất.
Đường cong mỏi cổ điển S = f(N) còn gọi là đường cong Veller (Wohler's Curve).
1.1.4. Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi
Để đánh giá quá trình phá hủy mỏi, các nhà nghiên cứu về phá hủy mỏi đưa
ra những chỉ tiêu sau đây:
a. Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng [17]
Nếu gọi S là ứng suất, N số chu trình ứng suất tương ứng thì chỉ tiêu về ứng
suất và biến dạng lần lượt là:
(l.2)
Sim. Ni = const
K
hay Fn = S(N /n) n (dạng thức đựơc sử dụng tại Mỹ và Anh),
(l.3)
trong đó: Fn - độ bền mỏi ứng với n chu trình;
S - ứng suất ứng với N chu trình;
Kn - số mũ đường cong mỏi Wohler.
k
và chỉ tiêu biến dạng: ep .Np bd = Ce
(l.4)
trong đó: ep - độ dãn dài tới hạn tại lúc phá hủy;
Np - số chu trình ứng suất tại lúc phá hủy;
Kbd - số mũ (≈ 0,01 ÷ l,0);
Ce - hằng số.
b. Chỉ tiêu về năng lượng
CE. Feltner và J.D. Marlow đưa ra chỉ tiêu này với nội dung sau: sự phá hủy
mỏi bắt đầu xảy ra tại thời điểm khi mà tổng số năng lượng tản mác (quá trình này
chỉ xảy ra một chiều) đạt tới giá trị đúng bằng công biến dạng riêng khi chất tải tĩnh.
Các tác giả trên đã tính được trị số tới hạn của năng lượng tản mác trong vật


n - hằng số tăng bền do biến dạng chu trình;
K - hằng số của vật liệu.
Phát triển thuyết cân bằng năng lượng khi phá hủy, nhà nghiên cứu I .Ivanova đã


-7khởi xướng thuyết cấu trúc - năng lượng và đưa ra chỉ tiêu phá hủy [18]:
1
N c = c p .T p .E.γ . A. 2
βm
Và

αt = βm.

LT .G
c p .Tb .E

-8-

(l.7)
(l.8)

Nc - tuổi thọ ứng với ứng suất Sc;
cp - nhiệt dung riêng của kim loại ở nhiệt độ 20oC.
Tb - nhiệt độ sôi tuyệt đối; E - mô đun đàn hồi (Young's Modulus); G – Mô đun
trượt (Shear Modulus); LT = ẩm nhiệt sôi; γ - trọng lượng riêng; A - đương lượng
cơ của nhiệt; βm hằng số, giá trị trung bình: βm = 8,5 kG/ mm2 .
c. Chỉ tiêu về vết nứt mỏi
Động học của quá trình phá hủy mỏi bao giờ cũng gồm có các giai đoạn xuất
hiện, hình thành, phát sinh và phát triển vết nứt. Vết nứt mỏi lan truyền với tốc độ


c

d

(l.9)

trong đó: S - trạng thái ứng suất ;
F - đặc trưng hình học của chi tiết ;
C - điều kiện vật liệu và điều kiện làm việc của chi tiết.
1.2 Bản chất sự phá huỷ mỏi
Các công trình nghiên cứu về phá hủy mỏi đã cho thấy sự phá huỷ mỏi là kết
quả của các biến dạng dẻo và đàn hồi luân phiên nhau, lặp lại nhiều lần, phân bố
không đều trên toàn bộ thể tích chi tiết do tính không đồng nhất vật liệu, những hư
hỏng đầu tiên xuất hiện trong các vi khối định hướng không thuận lợi so với tác
động của tải trọng, chịu trước các ứng suất dư và bị yếu bởi các khuyết tật cục bộ.
Tích tụ dần dần tổng cộng lần lượt, những hư hỏng cục bộ bắt đầu sự phá huỷ tổng
quát đối với chi tiết [14].
Sự toả nhiệt phát sinh trong các vi khối bị biến dạng đóng vai trò to lớn
trong các quá trình hư hỏng mỏi. Do nhiệt độ tăng nên độ bền mỏi vật liệu trong
các vi khối giảm xuống, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành những
sự trượt dẻo mới, mà đến lượt mình, lại tạo khả năng nâng cao nhiệt độ.
Quá trình xuất hiện vết nứt mỏi gồm vài giai đoạn (hình 1.1). Các vết nứt
phát sinh ở những giai đoạn đặt tải đầu tiên tại các gianh giới các khối tinh thể như

Hình 1.2 Sự xuất hiện các vết nứt mỏi

Ở một giai đoạn đặt tải nhất định, các tầng kim loại giống như là một bức
tranh khảm hạt bị biến dạng dẻo (hình 1.2a) và các hạt chịu ứng suất ít hơn do sự
định hướng thuận hơn các mặt phẳng tinh thể so với các ứng suất tiếp tuyến. Sự

phẳng kết tinh định hướng như nhau. Nhưng hiếm có các trường hợp phân bố kề
cận các tinh thể định hướng như nhau.
Trị số trung bình của ứng suất cần thiết để vượt qua rào cản giữa các hạt
quyết định sức bền mỏi của vật liệu. Giới hạn mỏi có thể được xem xét như là mức
trung bình ứng suất mà trong đó các vết nứt vẫn còn trong phạm vi các hạt và được
chữa một phần hoặc chữa hoàn toàn trong các giai đoạn nghỉ.
Sức cản của vật liệu đối với sự trượt bên trong hạt phụ thuộc vào các tính
chất cơ lý của vật liệu và vào cấu trúc tinh thể mịn của hạt.
Chuyển động của các lỗ trống bị kìm hãm bởi sự tích tụ các nguyên tử tạp,
bởi các gianh giới pha và gianh giới các thành phần cấu trúc, bởi các bề mặt của
các khối tinh thể (sự hình thành tinh thể bên trong hạt với kích thước vài trăm
micrômet).
Ra khỏi phạm vi các hạt, vết nứt phát triển tăng vọt biến thành vết nứt nhìn
thấy được và đổi hướng, chạy theo các đoạn vật liệu yếu nhất gần như vuông góc
với hướng tác động của các ứng suất cực đại (hình 1.2c). Sự phát triển vết nứt tăng
nhanh là do sự tập trung ứng suất đột ngột xuất hiện ở nền vết nứt. Sự nóng lên
diễn ra khi phá huỷ cục bộ đã làm mềm kim loại, tạo điều kiện thuận lợi cho sự lan
toả vết nứt. Vết nứt nhìn thấy được có thể phát triển dưới tác động của ứng suất
thấp hơn nhiều so với các ứng suất cần thiết để vượt qua rào cản giữa các hạt, trong

- 10 khi đó các ứng suất cần thiết để làm lan toả vết nứt sẽ giảm bớt theo mức phát triển
của vết nứt [14].
Một số lượng lớn các vết nứt phát triển đồng thời (hình 1.2d). Vài vết nứt
chạm phải chướng ngại, dừng lại; Những vết nứt khác tiếp tục phát triển. Ở một
giai đoạn nhất định, quá trình bị hạn chế trong một phạm vi nhất định; chủ yếu lan
rộng một vết nứt hoặc một nhóm vết nứt gần nhau trội hơn các vết nứt khác do trên
đoạn đã cho tập trung nhiều khuyết tật vật liệu, do sự quá ứng suất cục bộ, hoặc do
sự định hướng không thuận lợi của các tinh thể so với các ứng suất tác động. Các
vết nứt gần nhau liên kết lại tạo ra hệ phân nhánh sâu. Những sự trượt dẻo mới và
các vết nứt không xuất hiện nữa, còn những gì đã kịp hình thành thì ngưng lại hoặc

thông thường. Các màng hút thu thấm qua các vết nứt tế vi vào sâu trong kim loại và
phá vỡ liên tục của kim loại và gây ra sự yếu lớp sát bề mặt.
Thứ ba, cần chú ý tới các yếu tố công nghệ. Lớp bề mặt luôn bị hư hỏng
nhiều hoặc ít bởi việc gia công trước đó. Việc gia công cơ khí, về bản chất, là quá
trình biến dạng dẻo và phá huỷ kim loại, nó xẩy ra cùng với sự cắt hạt, làm tróc và
bứt hạt, cùng với sự xuất hiện các vết nứt tế vi và cùng với sự xuất hiện ở các lớp
bề mặt và sát bề mặt các ứng suất kéo tổng cộng gần tới giới hạn chảy của vật liệu.
Sự toả nhiệt khi gia công cơ khí gây ra sự tái kết tinh một phần lớp bề mặt, đôi khi
còn đi với sự biến đổi pha và biến đổi cấu trúc.
Khi nung nóng trong quá trình xử lý nhiệt, ở lớp bề mặt thường diễn ra sự
thay đổi pha và thay đổi hoá học ví dụ trong các loại thép - sự khử cacbon (phân
huỷ xenmentit cùng với sự hình thành lớp vỏ pherit không bền).
Thứ tư, bề mặt kim loại bị tấn công của tất cả các dạng ăn mòn gặp trong
khai thác gây ra những hư hỏng ăn sâu lớp bề mặt. Sự ăn mòn thường lan toả theo
các lớp xen giữa các hạt và theo các vết nứt tế vi.
Như vậy, ở lớp bề mặt tập trung nhiều loại khuyết tật khác nhau như khuyết
tật trông thấy, khuyết tật tế vi, khuyết tật á tế vi do các yếu tố vật lý, hoá học, cơ khí
gây ra và những khuyết tật không thể tránh khỏi theo các điều kiện công nghệ hình
thành lớp bề mặt, cũng như do vai trò đặc biệt của lớp bên ngoài như là một bề mặt
phân chia giữa kim loại và môi trường xung quanh. Lớp bề mặt là nơi tập trung ứng
suất vốn có của từng chi tiết. Có thể làm giảm bớt ảnh hưởng của nó bằng một tập
hợp các biện pháp nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn.
Tất cả các yếu tố phá vỡ tính liên tục tính đồng nhất của lớp bề mặt và tạo ra
các nguồn ứng suất đứt gãy cao đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển các
vết nứt đầu tiên và làm giảm rõ rệt độ bền tuần hoàn của vật liệu. Ngược lại, sự nén
chặt (làm khít) cấu trúc bản chất phân tán của lớp bề mặt, tạo các ứng suất nén sơ
bộ trong lớp bề mặt dù không sâu lắm (biến cứng, cán lăn) cũng nâng cao đáng kể
sức kháng tải trọng tuần hoàn của vật liệu.
1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá
Từ các công trình nghiên cứu về độ bền kết cấu ta nhận thấy độ bền kết cấu

Qua các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, các vật liệu
bền cao có một độ dẻo xác định, nên đối với chúng, nguy hiểm thực sự không phải
là các vết nứt kích thước bất kỳ, mà chỉ khi vết nứt có chiều dài tới hạn a. Sự phát
triển vết nứt kích thước trước tới hạn sẽ bị biến dạng trong nó kìm hãm. Nhưng khi
có sự phối hợp xác định giữa ứng suất làm việc và chiều dài khuyết tật thì trạng
thái cân bằng của vết nứt bị phá vỡ và phá huỷ tự phát sẽ xảy ra.
Đánh giá độ tin cậy của các vật liệu bền cao theo kích thước khuyết tật cho
phép (nhỏ hơn tới hạn), các nhà nghiên cứu đã đưa ra chỉ tiêu K và được dùng
nhiều nhất. Chỉ tiêu K gọi là HSCĐUS tại đỉnh vết nứt.
Chỉ tiêu K đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I (biến dạng phẳng do
kéo, tại đó bề mặt của vết nứt tách xa nhau ra theo phương vuông góc với phương


- 13 dịch chuyển của vết nứt) được kí hiệu là KI, còn khi đạt trị số tới hạn, lúc vết nứt
ổn định chuyển sang không ổn định, ký hiệu là KIC. Tiêu chuẩn KIC cho biết ứng
suất gần đỉnh vết nứt đạt tới giá trị (cường độ) nào tại thời điểm phá huỷ. Nó liên hệ
ứng suất trung bình σtb đặt vào với chiều dài tới hạn a của vết nứt [2]:
K IC = σ tb α .π .a
(1.10)
Trong đó: α - hệ số không thứ nguyên, đặc trưng cho hình học của vết nứt.
Từ biểu thức (1.10) suy ra KIC có thứ nguyên là MPa.mm1/2.
Trị số KIC được xác định bằng thực nghiệm theo tiêu chuẩn nhất định.
Đại lượng KIC phụ thuộc vào mức độ biến dạng dẻo tại đỉnh vết nứt và đặc
trưng khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt dẻo/dai. Vì lẽ đó chỉ tiêu KIC
được gọi là độ dai phá huỷ. Nó càng lớn khi khả năng chống phá huỷ dẻo và độ tin
cậy của vật liệu càng cao. Ngoài đặc trưng định tính cho độ tin cậy, KIC còn bổ
sung cho các thông số σc và E khi tính độ bền các chi tiết làm từ vật liệu bền cao .
Nó cho phép xác định kích thước an toàn của vết nứt tại một ứng suất làm việc
nhất định, hay ngược lại, ứng suất an toàn khi khuyết tật có kích thước đã biết.
Độ bền lâu là tính chất vật liệu chống lại sự phát triển của phá huỷ từ từ (từ

sẽ phát triển cho đến khi trong miền tiết diện làm việc đang nhỏ dần, ứng suất tăng
đến mức gây ra phá huỷ tức thời. Vùng gẫy đặc trưng cho giai đoạn phá huỷ cuối
cùng này.
Dựa vào các kết quả thử mỏi các mẫu (theo các tiêu chuẩn thử nghiệm) sẽ
đánh giá khả năng làm việc của vật liệu trong điều kiện tải tuần hoàn. Thử được
tiến hành trên các thiết bị đặc biệt, tạo ra tải tuần hoàn trong vật liệu (kéo - nén,
uốn, xoắn). Mẫu được thử lần lượt ở các mức ứng suất khác nhau, đồng thời xác
định số lượng chu trình cho đến khi phá huỷ. Kết quả thử được biễu diễn ở dạng
đường cong mỏi, trong toạ độ loga: ứng suất cực đại của chu trình σmax (hoặc σa)số chu trình tải N.
Qua nghiên cứu ta nhận thấy đường cong mỏi cho phép xác định các chỉ tiêu
mỏi sau đây:
1. Độ bền tuần hoàn – giới hạn mỏi vật lý hay là giới hạn mỏi hạn chế. Nó đặc
trưng cho khả năng có sẵn trong vật liệu, tức là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể
chịu đựng được trong một khoảng thời gian làm việc xác định.
2. Độ bền tuần hoàn lâu - số lượng chu trình (hay là số giờ làm việc) mà vật liệu
có thể chịu được cho đến khi tạo ra vết nứt mỏi có độ lớn xác định hoặc cho đến
khi xảy ra phá huỷ mỏi ở ứng suất đã cho. Độ bền lâu cũng có thể là không giới
hạn (khi σmax < σ-1) và giới hạn (khi σmax > σ-1).
Đường cong mỏi trong vùng độ bền lâu hạn chế được xác định trên cơ sở gia
công thống kê các kết quả thử nghiệm. Phải làm như vậy vì độ bền lâu khá phân
tán do nó rất nhạy với trạng thái bề mặt mẫu.
Độ bền lâu và bền mỏi tuần hoàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó tổ
chức, trạng thái ứng suất lớp bề mặt, chất lượng bề mặt và tác động của môi trường
ăn mòn, có ý nghĩa quyết định. Sự có mặt ứng suất dư nén trên bề mặt sẽ làm cho
vết nứt mỏi khó hình thành và phát triển, và tất nhiên là tăng giới hạn mỏi. Ảnh
hưởng rất xấu là ứng suất dư kéo và các kiểu tập trung ứng suất:


- 15 - Do kt cu - s thay i hỡnh dỏng tit din chi tit: dng qu t hai u, l,
kờnh, trm tr.v.v..

lõu ca vt liu.
1.4. Tổng quan về đầu máy diesel truyền động điện D19E vận dụng trên
SVN
1.4.1. Khỏi quỏt v u mỏy D19E

- 16 Theo yờu cu phỏt trin ca ngnh SVN vi mc tiờu phn u kộo kho,
chy nhanh, rỳt ngn gi chy tu, khụng ngng nõng cao cht lng vn ti, m
trng im l tuyn ng st Thng nht. Ngnh SVN ó hp ng vi ng
st Trung Quc ch to 40 u mỏy diesel T loi CKD7F cú ký hiu D19E.
c a vo Vit Nam s dng t nm 2002. B phn chy l giỏ chuyn hng
loi 3 trc vi 13 tn / trc. u mỏy cú thit k cỏc h thng iu khin bng vi
x lý, h thng ún nhn tớn hiu t ng, h thng cp giú 2 ng v b phn
hóm in tr... u mỏy cú kt cu ca giỏ chuyn hng hin i, nhng cht
lng ca KGCH u mỏy t u ang vn dng ti Xớ nghip u mỏy H Ni
cha t yờu cu
Nm 2006 2007, Nh mỏy xe la Gia Lõm ng st Vit Nam, ó tin
hnh lp rỏp 20 u mỏy D19E trờn c s nhp cỏc tng thnh t Trung Quc, giao
cho Xớ nghip u mỏy H Ni v Xớ nghip u mỏy Si Gũn, nõng tng s u
mỏy D19E ca mi xớ nghip lờn 30 mỏy
u mỏy D19E ang l sc kộo ch cụng trờn tuyn ng st thng nht
kộo cỏc tu khỏch . Quỏ trỡnh khai thỏc vn dng ó phỏt huy c nhiu u
im ca nú v ang c ỏnh giỏ cao. Mt vi nhc im ca u mỏy ny
cng ó v ang c khc phc trit . Song vn cú th khng nh c rng
u mỏy D19E l loi u mỏy cú cht lng cao, cụng ngh tiờn tin, phự hp vi
kh nng, iu kin hin cú v yờu cu, c im vn dng trờn cỏc tuyn ng
ca SVN.
Qua vic phõn tớch cỏc c im c bn nht ca b phn chy ca u mỏy
D19E l mi u mỏy cú 2 giỏ chuyn hng, mi giỏ chuyn hng cú 3 b TBX.
Giỏ chuyn hng ca u mỏy cú nhim v ton b phn trng lng ca u
mỏy t giỏ xe truyn xung, ng thi truyn cỏc lc kộo v lc hóm t bỏnh xe

vết nứt phát sinh, phát triển vào tôn thép cơ bản của xà dọc KGCH.
- Đầu máy D19E – 902 ngày 28 / 01 / 2003. km chạy: 113 091 km
Phát hiện KGCH có vết nứt ở tấm đáy xà dọc KGCH 1
- Đầu máy D19E – 907 ngày 10 / 02 / 2003. km chạy: 118 693 km
Phát hiện KGCH có vết nứt ở tấm đáy xà dọc KGCH 1
- Đầu máy D19E – 904 ngày 11 / 03 / 2003. km chạy: 135 874 km
Phát hiện KGCH có vết nứt ở tấm đáy xà dọc KGCH 1
- Đầu máy D19E – 904 ngày 10 / 8 / 2004. km chạy: 219 223 km

Hình 1.3 Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902

- 18 Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm
đứng xà dọc KGCH 2
- Đầu máy D19E – 902 ngày 07 / 04 / 2005. Sau khi gia cường.
Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm
đứng xà dọc KGCH
- Đầu máy D19E – 905 ngày 06 / 04 / 2005. km chạy: 230 786 km
Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm
đứng xà dọc KGCH
Nhà máy Tư Dương - Trung Quốc đã khắc phục bảo hành bằng cách mang
một số tấm tôn thép và que hàn từ Trung Quốc sang để hàn táp vào các vị trí nứt và
các vị trí khác nghi là sung yếu. Đồng thời phía Trung Quốc tổ chức một đoàn
khảo sát gồm các nhà khoa học của Bộ Đường sắt Trung Quốc và Trường Đại học
Giao thông Tây Nam Thành Đô, mang theo thiết bị đo đạc, khảo sát độ biến dạng
đàn hồi tại các vị trí xung yếu trên KGCH và bánh xe.
Ngành ĐSVN đã tạo điều kiện, lập các đoàn tàu theo yêu cầu của phía
Trung Quốc, để tiến hành khảo sát. Đồng thời ngành ĐSVN cũng tổ chức mời
Viện Cơ học Việt Nam cùng tiến hành đo đạc khảo sát độc lập, để có số liệu đôi
chứng với phía Trung Quốc.
Ngày 06 / 4 / 2010 một trong 2 KGCH của đầu máy 907 của đợt đầu tiên đã


R=-1

+σmax

-σmin
N=10

ứng suất lớn nhất σmax

0

4

0

R=-∞

N=105

-σmax

R=0

σmin ứng suất nhỏ nhất
+σmin

R=+∞

σW

σa =

σ max + σ min
2
1− R
.σ m
1+ R

Cách diễn tả theo Haigh có ưu điểm là các số gia ứng suất có thể nhận ra
được cho nhiều hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất R khác nhau. Các đường
với các giá trị tải trọng lớn nhất bằng nhau σmax và các giá trị tải trọng nhỏ nhất
bằng nhau σmin lập ra những đường thẳng nghiêng với góc 450 nằm trên hai trục
ứng suất σa và σm.
Muốn tìm được những giá trị bền mỏi cho những tỷ lệ ứng suất nào đó, trong
trường hợp chỉ biết được giá trị độ bền mỏi σW với tải trọng đối xứng (R = -1),
người ta có thể dựa vào đường thẳng Goodman và tính xấp xỉ như sau:


σ D = σ ¦W 1 −


σm 

Rm 

(1.12)

Trong đó: σm là ứng suất trung bình
Rm là giới hạn bền kéo
b. Một số nước như Australia, Trung Quốc, Nhật… đã tính độ bền mỏi và tính

và kết luận kiểm tra, tuổi thọ của tấm này sẽ vượt quá 3 000 000 km.
- Phân tích vết nứt: Góc bù giữa bề mặt đường hàn và bề mặt tấm nối là quá
nhỏ tạo ra ứng suất tập trung, vì vậy trong quá trình vận hành đầu máy, nguồn tạo
ra vết nứt là có từ trước và đựơc mở rộng ra.


- 21 -

- 22 -

Bảng 1.1: Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc
Số điểm
kiểm tra
Cấp ứng
suất
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

70~75
75~80

2,5
7,5
12,5
17,5
22,5
27,5
32,5
32,5
37,5
42,5
47,5
52,5
57,5
62,5
67,5
72,5
77,5

Trên 3 000 000 km

555380
432136
141285
27292
7418
1280
237

60~65
65~70
70~75
75~80
80~85
85~90
95~100

2,5
7,5
12,5
17,5
22,5
27,5
32,5
37,5
42,5
47,5
52,5
57,5
62,5
67,5
72,5
77,5
82,5
87,5
97,5

370749
313946

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: GS.TS Nguyễn Trọng Hiệp; PGS,TS Phan Văn Khôi; PGS.TS Ngô
Văn Quyết và các cộng sự…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,
dầu khí... Trong lĩnh vực cơ khí đường sắt, các nghiên cứu về mỏi càng ít ỏi.

a. Đánh giá tuổi thọ mỏi của kết cấu KGCH Đầu máy D9E vận dụng trên ĐSVN
theo giả thuyết tích luỹ tuyến tính các tổn thương mỏi
Công trình đáng lưu ý nhất đó là đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2000-35106TĐ “Nghiên cứu thử nghiệm và đánh giá độ bền giá chuyển hướng đầu máy
D9E vận dụng trên đường sắt Việt Nam” do GS.TS. Đỗ Đức Tuấn chủ trì.
Đề tài đã tính mỗi bậc ứng suất cao hơn giới hạn mỏi đều gây ra một phần
tổn thương cho vật liệu. Số đo tổn thương do bậc ứng suất thứ i gây ra, (i = 1,2,
...,m) có quan hệ tới số chu trình ứng suất, và được xác định bằng tỷ số:
ni
,
Ni

Di =

(1.14)

trong đó:
ni- số lượng chu trình ứng suất mà phần tử phải chịu tương ứng với số gia
hay với mức ứng suất σ i không đổi;
Ni- số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn
chế σ i , được xác định theo đường cong mỏi.
Theo tài liệu [24] thì quan hệ biểu thị sự tích luỹ tổn thương mỏi cho đến khi
m



(1.15)

Trong thực tế, thường sử dụng nhiều tiêu chuẩn đánh giá mức độ tích luỹ tổn
thương mỏi khác nhau, tuỳ theo môi trường và điều kiện làm việc của kết cấu. Tiêu
chuẩn đó còn được gọi là tổn thương mỏi cho phép [D]. Trong trường hợp này,
điều kiện không phá huỷ mỏi của phần tử kết cấu có dạng:
n

D =

 ni 
 ≤ [D],
 i

∑  N
i =1

(1.16)

Nếu ký hiệu tổng số chu trình ứng suất động đã tích luỹ là ntl, còn mức độ
tổn thương đã tích luỹ là Dtl thì tuổi thọ mỏi của kết cấu (hay nói khác, số chu trình
làm việc đến phá huỷ mỏi) là:
N cl =

ntl .Dcl ntl .{[D ] − Dtl }
=
,
Dtl
Dtl

A10
P2
A11
P4
A1
A2
P7
A9

92
57
20
80
26
87
140
160

δε m (µm/m)
120
155
36
135
135
102
133
206

2
2ε a (µm/m) σmax

định lượng theo thiết kế) sẽ bị thu hẹp lại đáng kể.
Giả sử, σ-1 bị suy giảm từ 50 ÷ 70 %. Khi đó trên biểu đồ hình 1.9 và hình 1.10,
vùng phân bố các điểm trạng thái ứng suất tại các điểm đo có sự giao cắt với đường
cong giới hạn phía trong. Điều đó đồng nghĩa với việc có khả năng xuất hiện vết nứt
mỏi tại một vùng nào đó vào thời gian rất ngắn so với tuổi thọ thiết kế.
σmax/min
5000

σa

4000

4000

3000

3000
2000
2000
1000

1000

Σσ
0

1000 2000 3000 4000 5000

Hình 1.7. Biểu đồ Goodman - Gerber




φσ
+ σ t  1 −
(k σ )D

σt +σa






(1.18)

trong đó: σ-1 là giới hạn mỏi của vật liệu
φσ là hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng
Hệ số dự trữ độ bền mỏi sσ phụ thuộc vào độ chính xác của việc xác định các
lực tác dụng lên khung giá và độ chính xác của việc xác định hệ số tập trung ứng
suất, vào chất lượng vật liệu và chất lượng gia công. V.B.Model đề nghị xác định
hệ số (kσ)D theo công thức sau: (kσ)D = kσ.

k1k 2

β

(1.19)

trong đó: k1 - hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu
k2 - hệ số tính tới nội ứng suất


Đối với các kết cấu hàn có thể lấy sσ ≥ 2, còn trị số (kσ)D = kσ.
Trên cơ sở của các mẫu thử nghiệm, hệ số dự trữ độ bền phải lấy sσ ≥ 2. Đối
với KGCH lấy sσ = 2 ÷ 2,5.
Các ứng suất nhận được phải nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu. Hệ số an
toàn phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép.
d. Tính toán độ bền mỏi TBX của các tài liệu giảng dạy và học tập
Khi Đầu máy chuyển động, các tải trọng tác dụng lên trục bánh xe thay đổi
cả về chiều và trị số một cách tuần hoàn. Trục lại là chi tiết có nhiều chỗ mối ghép,

có nhiều góc lượn chuyển tiếp…vì thế dễ phát sinh vết nứt do mỏi.
Trục bánh xe là chi tiết đặc biệt có ý nghĩa quan trọng về mặt an toàn khi vận
hành, do đó yêu cầu phải tính toán hết sức cẩn thận và phải đảm bảo hệ số an toàn
cao. Mặt khác để đảm bảo tính năng động lực và tiết kiệm vật liệu trục bánh xe
phải có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ nhất.
Khi tính toán trục theo độ bền mỏi, chế độ làm việc trung bình của trục có thể
lấy theo tốc độ kỹ thuật của đầu máy. Đối với đầu máy hàng có thể lấy bằng 50 ÷
60 km/h. Đối với đầu máy kéo khách có thể lấy khoảng 80 ÷ 90 km/h.
Ảnh hưởng của mômen xoắn và mômen uốn trong mặt phẳng nằm ngang ở các
giá trị tốc độ trên không lớn và có thể bỏ qua, khi đó chỉ cần xét đến mô men uốn
trong mặt phẳng thẳng đứng.
Hệ số động lực theo phương thẳng đứng có thể xác định theo công thức [3]:
Kd = 0,1 + 0,2

V
ft

(1.22)

Trong đó: V - vận tốc của đầu máy (km/h)

Vì vậy nghiên cứu thực nghiệm (thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật
liệu, thử nghiệm độ dai phá huỷ của vật liệu, thử nghiệm tốc độ lan truyền vết nứt
mỏi) cho phép đánh giá một cách đầy đủ hơn về tình trạng độ bền mỏi và tuổi thọ
mỏi của KGCH và TBX đầu máy D19E trong quá trình vận dụng hiện nay.
Từ trước đến nay, việc nghiên cứu tính toán độ bền mỏi kết cấu đầu máy nói
chung và kết cấu bộ phận chạy nói riêng trong ngành Đường sắt nước ta chưa đươc
quan tâm đúng mức. Bởi vậy, đề tài: “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.” là góp phần giải quyết một vấn đề mà thực tế sản xuất đang
đặt ra một cách cấp bách.
1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá độ bền
mỏi và tuổi thọ mỏi của KGCH và trục bánh xe đầu máy D19E.
2. Hướng đề tài nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu và điều kiện làm việc của
KGCH và TBX đầu máy tới độ bền và tuổi thọ mỏi của nó. Tiến hành nghiên cứu
lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu làm KGCH và
TBX đầu máy D19E đợt nhập đầu tiên đang sử dụng tại Xí nghiệp đầu máy Hà
Nội, trên cơ sở đó tính toán độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ còn lại của kết cấu
KGCH và TBX đầu máy.
3. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm và sử dụng phương trình
đồng dạng phá huỷ mỏi
- Sử dụng các phần mềm cơ học, toán học và các thiết bị thí nghiệm chuyên
dùng để hỗ trợ.
4. Người hướng dẫn:
GS .TS. Đỗ Đức Tuấn - Trường Đại học Giao thông Vận tải
PGS .TS. Ngô Văn Quyết - Học Viện Kỹ thuật Quân sự

- 28 5. Nội dung chính của luận án:

đánh giá độ bền và tuổi thọ mỏi của vật liệu kết cấu. Vì vậy Luận án đề xuất việc
nghiên cứu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá hủy của
vật liệu kết cấu.


- 29 4. Vic tớnh toỏn bn mi trong nc thng ỏp dng theo phng
phỏp tớch lu tuyn tớnh cỏc tn thng mi, tuy nhiờn nhiu kt qu nghiờn cu
cho thy rng quy lut tớch lu tuyn tớnh cỏc tn thng mi t ra ớt tin cy. Do
mỏy tớnh ngy cng c s dng rng rói nờn phng phỏp th nghim, thng kờ
tr thnh phng phỏp hu hiu tớnh toỏn, phng phỏp ny cho phộp xem xột
y hn c im ngu nhiờn ca tt c cỏc i lng n nh ca bn v
tui th mi. Phng phỏp xỏc sut tớnh bn mi cỏc chi tit trong phm vi
nhiu chu trỡnh c ỏp dng trong tớnh toỏn thit k ch to, kim tra v sa cha
cỏc chi tit b phn chy ca u mỏy. Vỡ vy Lun ỏn chn phng phỏp tớnh toỏn
theo lý thuyt ng dng phỏ hy mi.
Vic nghiờn cu tớnh toỏn bn v d bỏo tui th mi ca KGCH v TBX
u mỏy núi chung v u mỏy D19E núi riờng trờn c s ng dng lý thuyt C
hc phỏ hu l nhm gúp phn vo vic xut cỏc gii phỏp xõy dng tiờu chun
v quy trỡnh s dng hp lý trong cụng tỏc vn dng, khai thỏc u mỏy, gúp phn
m bo tin cy v an ton vn hnh on tu - mt vn m thc t sn xut
ang t ra cho ngnh ng st hin nay.

- 30 chơng 2
cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ
mỏi của kgch và tbx
2.1. S lan truyn vt nt mi
Mụ t quỏ trỡnh lan truyn vt nt trong vt liu, nhiu nh nghiờn cu ó
xõy dng nhng biu thc toỏn hc trong ú phn ỏnh mi quan h gia chiu di
vt nt vi cỏc c trng ca ch ti trng gõy ra ng sut v cỏc thụng s kớch
thc ca kt cu hoc chi tit.


KI
2π r

cos

σy =
τ xy
σ

z

nứt là a xuyên thấu, chịu tác dụng ứng suất kéo σ thẳng góc với bề mặt vết nứt [10].
Tường hợp vết nứt ở một cạnh, hệ số hiệu chỉnh là:

θ
3θ 
 1 − sin sin

2
2
2 

θ 

KI
2πr
KI

cos

yz

xz

=0 ;

g =

KI
G

r
θ 
θ 
co s  1 − 2 µ + sin 2 
2π
2
2

h=

KI
G

r
θ
θ
sin  2 − 2 µ − cos 2 
2π
2

(g ) =

 a 
 a 
1 ,12 − 0 , 231 
 + 10 , 55 

 b 
 b 

2

 a 
+ 21 , 72 

 b 

3

 a 
+ 30 , 95 

 b 

4

(2.3)

Với những kết cấu cụ thể khi xác định được kích thước phá hỏng của vết nứt
(khi vết nứt lan truyền từ chiều dài kỹ thuật cho phép ban đầu a0 tới chiều dài tới hạn

Trong trường hợp chịu tải chu trình, không những ứng suất, mà còn
HSCĐUS, vùng biến dạng dẻo, độ mở vết nứt và các thông số khác đều biến đổi
liên tục có chu trình. Dưới đây là kết quả lời giải, trên hình 2.3 [17].
Giả sử tải trọng thay đổi gây ra ứng suất biến đổi có chu trình với biên độ
ứng suất là σa = 2σ0, từ trạng thái kéo (a) với ứng suất σ sang trạng thái nén (b) với
ứng suất - ∆σ, rồi lại từ trạng thái nén (c) với ứng suất (σ - ∆σ) sang trạng thái kéo
(d) với ứng suất + ∆σ, sau đó mới lặp lại chu ký mới. Kích thước vùng biến dạng
dẻo ở đầu vết nứt được xác định lần lượt như sau:
Lúc đầu (hình 2.3), vùng biến dạng dẻo được tính như trường hợp chịu tải
tĩnh:

W mon =

1  KI

π  σ 0





2

,

(2.4)

Vùng biến dạng dẻo khi chịu nén (hình 2.3b):
W rev =



x

σ0

KI - ∆KI

x

x

Wmon

a)

b)

c)

σ - ∆σ

+∆σ

σ

σy

σy

2σ

1  ∆K I

π  σ 0





2

2

,


1K
 =  a
π

σ0

(2.6)
2


 ,


(2.7)


Đối với kết cấu có vết nứt ban đầu, chủ yếu là quá trình phát triển của vết
nứt nhìn thấy, cũng tức là vết nứt phát triển giai đoạn II. Cho tới nay, kích thước
nhỏ nhất của vết nứt nhìn thấy quy định chưa thống nhất, mà chỉ công nhận tiêu
chuẩn, cho nên tiêu chuẩn phân chia các giai đoạn phát triển của vết nứt cũng không
thống nhất. Xuất phát từ góc độ ứng dụng, nói chung có thể cho kích thước nhỏ nhất
của vết nứt nhìn thấy là 0,1∼0,5 mm, độ sâu của vết nứt là 0,15 mm.
2.1.3.2 Tốc độ phát triển mỏi của vết nứt
- Khái niệm về Tốc độ phát triển mỏi của vết nứt
Kết cấu có vết nứt, dưới tác dụng của tải trọng biến đổi, vẫn có thể công tác
bình thường trong thời gian dài mà không bị phá huỷ. Tốc độ phát triển mỏi của
vết nứt dùng da/dN biểu thị, do da/dN có thể đo được từ mẫu thử, nên người ta
thường biểu thị nó là ∆a/∆N, trong đó: ∆N biểu thị lượng tăng số lần tuần hoàn
của tải trọng biến đổi (hoặc ứng suất biến đổi); ∆a biểu thị lượng tăng của chiều dài
vết nứt tương ứng với ∆N. Do đó, ý nghĩa vật lý của ∆a/∆N hoặc da/dN là lượng
gia tăng của chiều dài vết nứt dưới số lần tuần hoàn đơn vị.
- Công thức tốc độ phát triển mỏi của vết nứt
Các nhà khoa học đã triển khai nghiên cứu về tốc độ phát triển vết nứt, Paris
đã chỉ ra, trong phạm vi cơ học phá huỷ đàn hồi, HSCĐUS K là một tham số để
mô tả trường ứng suất đầu vết nứt, như vậy, số gia biến đổi ∆K sẽ là tham số thứ
hai khống chế tốc độ vết nứt phát triển da/dN. Do đó, Paris đề xuất công thức kinh
nghiệm về tốc độ vết nứt phát triển mỏi như sau:
da
= C(∆K)n
dN

(2.10)

Trong đó: ∆K – số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K = Kmax - Kmin
C, n - các hệ số phụ thuộc vật liệu, do thử nghiệm xác định.
Đối với vật liệu khác nhau, năng lực chống vết nứt phát triển khác nhau, do


Vïng I
∆Κth

Vïng III

Vïng I
lg ∆K

∆Κth

Vïng II

Vïng III

a)
b)
Hình 2.4. Đuờng cong da/dN-∆K trong hệ tọa độ đối số

lg ∆Κ

Tại vùng I: ∆K < ∆Kth, về cơ bản vết nứt không phát triển (tốc độ phát
triển da/dN < 10-7∼10-8 mm/chu trình), ∆Kth gọi là trị số ngưỡng vết nứt phát triển,
vật liệu khác nhau có ∆Kth khác nhau. Ngoài ra, ∆Kth chịu ảnh hưởng của đặc tính
tuần hoàn ứng suất R tương đối lớn, nói chung, R tăng thì ∆Kth giảm.
Vùng II: ∆K > ∆Kth vết nứt phát triển theo qui luật da/dN = C(∆K)n, trong
vùng II này trên hình 2.4b dùng đường gãy biểu thị, trên mỗi đoạn thẳng có trị số C
và n khác nhau.
Vùng III: Vết nứt mỏi phát triển nhanh chóng và dẫn đến phá huỷ kết cấu.
Để xét đến ảnh hưởng của ứng suất bình quân σ đối với tốc độ phát triển vết


(2.15)

i =1

Giả thiết rằng, chi tiết có ứng suất khối không đều nhau, xét một phân tố
khối của chi tiết. Hàm ứng suất này được cho bởi:

σ = σmax f(x, y, z)

(2.12)

Trong đó: C, m, n – các hệ số có quan hệ đến vật liệu, môi chất do thực
nghiệm xác định.
Để có thể đồng thời xét đến ảnh hưởng của ứng suất bình quân và tính dai
phá huỷ của vật liệu đến tốc độ phát triển của vết nứt, và quan tâm đến khi Kmax đạt
đến tính dai phá huỷ ứng suất phẳng (hoặc tính dai phá huỷ biến phẳng) KC và
da/dN lớn vô hạn, nhà nghiên cứu G.R. Forman đưa ra công thức tốc độ phát triển
mỏi của vết nứt như sau:

- Ảnh hưởng của tần số gia tải đối với sự phát triển mỏi của vết nứt.
Nói chung, ảnh hưởng của tần số gia tải và nhiệt độ đối với da/dN có quan
hệ gắn bó với số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K. Khi ∆K tương đối thấp, ảnh
hưởng của tần số gia tải đối với phát triển vết nứt, rất nhỏ. Nhưng khi trị số ∆K
tương đối lớn, đặc biệt ở nhiệt độ cao, do tác dụng tương hỗ của tần số gia tải và nhu
biến, tần số gia tải có ảnh hưởng rõ rệt đối với tốc độ phát triển của vết nứt mỏi, kết
quả của nó là: Tần số gia tải giảm nhỏ, tốc độ phát triển vết nứt da/dN tăng lớn.
2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi
2.2.1. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối
Từ công trình nghiên cứu của Xerenxe-Kogaev ta có thể tóm tắt Phương

 V0 
σ0




khi σmax ≥ u;

0
khi σmax < 0.
trong đó: u, σ0, m - những thông số của phân bố
Biểu diễn I là đại lượng dưới dấu tích phân được viết giản cách như sau:

(2.17)