Luận văn 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

Nội dung text: Luận văn 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

1. I Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr−êng ®¹i häc giao th«ng vËn t¶i Ph¹m Lª TiÕn Nghiªn cøu ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái v tuæi thä mái cña khung gi¸ chuyÓn h−íng v trôc b¸nh xe ®Çu m¸y D19E vËn dông trªn ®−êng s¾t ViÖt Nam Chuyªn ngnh: Khai th¸c b¶o tr× ®Çu m¸y xe löa, toa xe M sè: 62.52.44.01 LU ẬN ÁN TI ẾN S Ĩ K Ỹ THU ẬT Hµ Néi - 2011 I
2. II Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr−êng ®¹i häc giao th«ng vËn t¶i Ph¹m Lª TiÕn Nghiªn cøu ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái v tuæi thä mái cña khung gi¸ chuyÓn h−íng v trôc b¸nh xe ®Çu m¸y D19E vËn dông trªn ®−êng s¾t ViÖt Nam Chuyªn ngnh: Khai th¸c b¶o tr× ®Çu m¸y xe löa, toa xe M sè: 62.52.44.01 LU ẬN ÁN TI ẾN S Ĩ K Ỹ THU ẬT NG ƯỜI H ƯỚNG D ẪN KHOA H ỌC: 1. GS. TS. §ç §øc TuÊn 2. PGS. TS. Ng« V¨n QuyÕt Hµ Néi - 2010
3. III Lêi cam ®oan T«I xin cam ®oan ®©y l c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i. C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nghiªn cøu nªu trong luËn ¸n l trung thùc v ch−a tõng ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh no kh¸c. T¸c gi¶ luËn ¸n Ph¹m Lª TiÕn
4. IV LỜI C ẢM ƠN Để hoàn thành Luận án, tác gi ả trân tr ọng c ảm ơn các c ơ quan đã t ạo m ọi điều ki ện giúp đỡ : Khoa Cơ khí; phòng Đào t ạo Sau đại h ọc; phòng Khoa h ọc; B ộ môn Đầu máy toa xe; phòng thí nghi ệm VILAS 047-Trung tâm Khoa h ọc công ngh ệ Trường Đạ i h ọc Giao thông v ận t ải; Phòng thí nghi ệm Sức b ền v ật li ệu- Tr ường Đạ i h ọc giao thông v ận t ải; Trung tâm đánh giá h ư h ỏng v ật li ệu COMFA- Vi ện Khoa h ọc v ật li ệu; Phòng thí nghi ệm v ật li ệu tính n ăng k ỹ thu ật cao-Vi ện C ơ khí n ăng l ượng và m ỏ; Ban khoa h ọc công ngh ệ, Ban đầu máy toa xe, Xí nghi ệp đầu máy Hà N ội-Tổng công ty đường s ắt Vi ệt Nam; Vi ện C ơ h ọc Vi ệt Nam; H ọc Vi ện K ỹ thu ật Quân s ự. Tác gi ả vô cùng c ảm ơn GS.TS Đỗ Đứ c Tu ấn, PGS.TS Ngô Văn Quy ết, nh ững ng ười Th ầy đã định h ướng, và g ửi l ời c ảm ơn đến GS.TSKT Ph ạm V ăn Lang, ThS. Nguy ễn Ng ọc Viên, TS. L ươ ng Xuân Bính, đã cung c ấp các tài li ệu quý báu trong quá trình th ực hi ện Luận án. C ảm ơn các th ầy, cô giáo B ộ môn Đầu máy toa xe, Khoa c ơ khí, Tr ường đạ i h ọc giao thông v ận t ải. Trong quá trình làm tác gi ả đã có trao đổi và g ửi cảm ơn t ới NCS. Tr ần Vi ết Bản, ThS. Tr ần V ăn Khanh, ThS. Nguy ễn Trung Kiên và nhi ều ng ười b ạn n ữa đã nhi ệt tình cung c ấp các tài li ệu quý báu. Hà n ội, tháng 7 n ăm 2011 Ph ạm Lê Ti ến
5. V MỤC L ỤC Lời nói đầ u 1 Ch ươ ng 1: T ổng quan v ề v ấn đề nghiên c ứu 3 1.1. Khái ni ệm v ề c ơ h ọc phá hu ỷ 3 1.1.1. Khái ni ệm v ề độ b ền c ơ h ọc phá hu ỷ 3 1.1.2. Ứng d ụng c ủa c ơ h ọc phá hu ỷ trong k ỹ thu ật 4 1.1.3. Nh ững khái ni ệm c ơ b ản v ề Lý thuy ết mỏi 5 1.1.4. Nh ững ch ỉ tiêu phá hu ỷ m ỏi 6 1.2 B ản ch ất s ự phá hu ỷ m ỏi 7 1.3 Độ b ền v ật li ệu c ủa k ết c ấu và các ch ỉ tiêu đánh giá 11 1.4. T ổng quan v ề đầ u máy diezel truy ền độ ng điện D19E v ận d ụng trên đường s ắt Vi ệt nam 15 1.4.1. Khái ni ệm v ề đầ u máy D19E 15 1.4.2. Tình hình v ận d ụng ĐM D19E đang s ử d ụng trên ĐSVN 16 1.5 Tình hình v ề v ấn đề nghiên c ứu ở trong và ngoài n ước 18 1.5.1 Tình hình nghiên c ứu v ấn đề ở ngoài n ước 18 1.5.2. Tình hình nghiên c ứu v ấn đề ở trong n ước 21 1.6. M ục tiêu, h ướng, ph ươ ng pháp và n ội dung nghiên c ứu c ủa đề tài 26 1.7 K ết lu ận ch ươ ng 1 28 Ch ươ ng 2: C ơ s ở lý thuy ết đánh giá độ b ền m ỏi và d ự báo tu ổi th ọ m ỏi khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe đầu máy 30 2.1. S ự lan truy ền v ết n ứt m ỏi 30 2.1.1 C ơ h ọc phá hu ỷ đố i v ới v ết n ứt mỏi 30 2.1.2 Đặc điểm c ủa vùng đàn - d ẻo ở đầ u v ết n ứt 32 2.1.3 T ốc độ phát tri ển v ết n ứt m ỏi 33 2.2. Ph ươ ng trình đồng d ạng phá hu ỷ m ỏi 36 2.2.1. Ph ươ ng trình đồng d ạng phá hu ỷ m ỏi d ạng tuy ệt đố i 36 2.2.2. Ph ươ ng trình đồng d ạng phá hu ỷ m ỏi d ạng t ươ ng đối 38 2.3. Đề xu ất m ột d ạng ph ươ ng trình lan truy ền v ết n ứt có k ể t ới t ần s ố tải tr ọng đố i v ới KGCH đầ u máy D19E 39 2.3.1 Nh ững nh ận xét 40 2.3.2. C ơ s ở lý thuy ết 41 2.3.3. Nh ững gi ả thi ết 42 2.3.4. Ph ươ ng pháp xây d ựng 42 2.4. Tính toán độ b ền m ỏi theo các h ệ s ố an toàn 44
6. VI 2.4.1. Tính toán độ b ền m ỏi theo các h ệ s ố an toàn khi đặt t ải ổn đị nh 44 2.4.2. Tính độ b ền m ỏi theo các h ệ số an toàn khi đặt t ải không ổn đị nh 46 2.5. D ự báo tu ổi th ọ mỏi 46 2.5.1. Khái ni ệm c ơ b ản v ề tu ổi th ọ m ỏi 46 2.5.2. Các ph ươ ng pháp ước l ượng s ức s ống các b ộ ph ận khi đặ t t ải không ổn đị nh 47 2.6. K ết lu ận ch ươ ng 2 48 Chương 3: Nghiên c ứu th ử nghi ệm xác định các đặc tr ưng cơ h ọc, đặc tr ưng m ỏi m ẫu v ật li ệu khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe đầu máy D19E 49 3.1. Phân tích thành ph ần kim lo ại, xác đị nh mác 49 3.1.1. Phân tích v ật li ệu tr ục bánh xe đầ u máy D19E 49 3.1.2. Phân tích v ật li ệu khung giá chuy ển h ướng đầu máy D19E 50 3.2. Xác định tiêu chu ẩn th ử nghi ệm 51 3.2.1. Tiêu chu ẩn th ử nghi ệm xác đị nh gi ới h ạn m ỏi 51 3.2.2. Tiêu chu ẩn th ử nghi ệm t ốc độ lan truy ền v ết n ứt và độ dai phá hu ỷ 51 3.3. Chế t ạo các m ẫu v ật li ệu th ử nghi ệm 54 3.3.1. Chu ẩn b ị phôi c ủa m ẫu v ật li ệu th ử nghi ệm 54 3.3.2. M ẫu v ật li ệu th ử nghi ệm xác đị nh các đặ c tr ưng c ơ h ọc 55 3.3.3. M ẫu v ật li ệu th ử nghi ệm xác đị nh gi ới h ạn m ỏi 55 3.3.4. M ẫu v ật li ệu th ử nghi ệm xác đị nh t ốc độ lan truy ền v ết n ứt và độ dai phá hu ỷ 56 3.4 Thi ết b ị th ử nghi ệm 57 3.4.1. Thi ết b ị th ử nghi ệm xác đị nh đặ c tr ưng c ơ h ọc c ủa m ẫu 57 3.4.2. Thi ết b ị th ử nghi ệm xác đị nh gi ới h ạn m ỏi 58 3.4.3. Thi ết b ị th ử nghi ệm xác đị nh t ốc độ lan truy ền v ết n ứt và độ dai phá hu ỷ 59 3.5. Th ử nghi ệm xác đị nh các đặ c tr ưng c ơ h ọc c ủa m ẫu th ử nghi ệm: gi ới h ạn ch ảy, gi ới h ạn b ền, mô đun đàn h ồi và h ệ s ố bi ến d ạng 61 3.6. Th ử nghi ệm xác đị nh gi ới h ạn mỏi 63 3.6.1. Th ử nghi ệm xác định gi ới h ạn m ỏi c ủa v ật li ệu KGCH 63 3.6.2. Th ử nghi ệm xác định gi ới h ạn m ỏi c ủa v ật li ệu TBX 66 3.7. Th ử nghi ệm xác đị nh t ốc độ lan truy ền v ết n ứt và độ dai phá hu ỷ 69 3.7.1. Th ử nghi ệm xác định t ốc độ lan truy ền v ết n ứt và độ dai phá hu ỷ c ủa mẫu v ật li ệu KGCH 69 3.7.2. Th ử nghi ệm xác định t ốc độ lan truy ền v ết n ứt và độ dai phá hu ỷ c ủa m ẫu v ật li ệu TBX 74 3.8. K ết lu ận ch ươ ng 3 77
7. VII Chươ ng 4: Tính toán độ b ền m ỏi và d ự báo tu ổi th ọ mỏi khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe của đầu máy D19E 78 4.1. Đặc điểm k ết c ấu c ủa KGCH và TBX đầu máy diezel D19E 78 4.1.1. Gi ới thi ệu t ổng th ể đầu máy D19E ki ểu CKD 7F 78 4.1.2. K ết c ấu tr ục bánh xe đầ u máy D19E 80 4.1.3. K ết c ấu khung giá chuy ển h ướng đầ u máy D19E 81 4.2. Tính toán lý thuy ết ki ểm nghi ệm độ b ền khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe đầ u máy D19E 82 4.2.1. Tính toán lý thuy ết ki ểm nghi ệm độ b ền KGCH đầu máy D19E 82 4.2.2. Tính toán lý thuy ết ki ểm nghi ệm độ b ền TBX đầu máy D19E 87 4.3. Tính toán độ b ền m ỏi theo lý thuy ết c ơ h ọc phá hu ỷ 92 4.3.1. Tính độ b ền m ỏi m ỏi theo lý thuy ết đồ ng d ạng phá hu ỷ m ỏi 92 4.3.2. Tính toán độ b ền m ỏi theo ng ưỡng phát tri ển v ết n ứt mỏi 125 4.4. D ự báo tu ổi th ọ m ỏi KGCH đầu máy D19E 133 4.5. M ột s ố bi ện pháp nâng cao độ b ền m ỏi cho KGCH 136 4.5.1. Gi ảm m ức độ ứng su ất t ập trung c ục b ộ c ủa k ết c ấu KGCH 137 4.5.2. Tránh v ận d ụng đầ u máy khi ch ịu t ải v ới t ần s ố nh ỏ b ất l ợi 139 4.6. K ết lu ận ch ươ ng 4 139 Kết lu ận chung 143
8. VIII DANH M ỤC CÁC KÝ HI ỆU a0 - chi ều dài v ết n ứt ban đầ u. a - chi ều dài v ết n ứt ứng v ới s ố chu trình ứng su ất N. ath - giá tr ị t ới h ạn c ủa chi ều dài v ết n ứt. aσ, a τ - tu ổi th ọ t ươ ng đối cho tr ường h ợp ứng su ất pháp và ứng su ất ti ếp. att - chi ều dài v ết n ứt th ực t ế. a’,b’ - nh ững h ằng s ố m ới c ủa v ật li ệu làm chi ti ết. A và B - các h ằng s ố c ủa v ật li ệu làm khung giá chuy ển h ướng, trong ph ươ ng trình lan truy ền v ết n ứt m ỏi được đề xu ất có xét t ới t ần s ố t ải tr ọng. C, n - các h ệ s ố ph ụ thu ộc v ật li ệu ch ế t ạo chi ti ết trong ph ươ ng trình của Paris. da/dN - t ốc độ lan truy ền v ết n ứt trong m ột chu trình ứng su ất. E - mô đun đàn h ồi. g, h, ω - các chuy ển v ị thành ph ần t ươ ng ứng v ới ba d ạng t ải sinh ra bi ến d ạng . G - gra đien tuy ệt đố i c ủa ứng su ất l ớn nh ất. G - gra đien t ươ ng đối c ủa ứng su ất l ớn nh ất. Gmu , Gmx - gra đien t ươ ng đối ứng su ất l ớn nh ất c ủa m ẫu khi u ốn và xo ắn. Gctu , Gctx - gra đien t ươ ng đối ứng su ất l ớn nh ất c ủa chi ti ết khi u ốn và xo ắn. KI - hệ s ố c ường độ ứng su ất đố i v ới d ạng t ải sinh ra bi ến d ạng d ạng I. KIi - hệ s ố c ường độ ứng su ất đố i v ới d ạng t ải sinh ra bi ến d ạng d ạng I th ứ i. Kth - giá tr ị t ới h ạn c ủa h ệ s ố c ường độ ứng su ất. KIC - độ dai phá h ủy c ủa v ật li ệu. KIC KGCH , K IC TBX - độ dai phá h ủy c ủa v ật li ệu làm KGCH và TBX đầu máy D19E. KImax - giá tr ị l ớn nh ất c ủa h ệ s ố c ường độ ứng su ất d ạng I. KImin - giá tr ị nh ỏ nh ất c ủa h ệ s ố c ường độ ứng su ất d ạng I. ∆K - s ố gia h ệ s ố c ường độ ứng su ất ở đầ u v ết n ứt. -7 ∆Kth - ng ưỡng phát tri ển v ết n ứt c ủa v ật li ệu v ới h ệ s ố R = 0,1 ứng v ới da/dN = 10 . * -8 (∆K) th - ng ưỡng phát tri ển v ết n ứt c ủa v ật li ệu v ới h ệ s ố R = 0,1 ứng v ới da/dN = 10 Kđ - h ệ s ố t ải tr ọng độ ng. Kr - h ệ s ố c ường độ các ứng su ất d ư. Km - h ệ s ố c ường độ các ứng su ất tại th ời điểm m ở v ết n ứt. k1 - h ệ s ố tính t ới độ không đồ ng nh ất c ủa v ật li ệu. k2 - h ệ s ố tính t ới n ội ứng su ất. kσ và k τ - h ệ s ố t ập trung ứng su ất pháp và ứng su ất ti ếp th ực t ế. L - tu ổi th ọ (s ố gi ờ, km) c ủa chi ti ết thu ộc b ộ ph ận ch ạy c ủa đầ u máy. ni - t ổng s ố chu ký ứng su ất c ủa σi (ho ặc τi). σ i Ni - s ố l ượng chu trình d ẫn t ới phá hu ỷ m ỏi t ươ ng ứng v ới gi ới h ạn m ỏi h ạn ch ế
9. IX No - s ố chu trình ứng su ất c ơ s ở. mσ, m τ - s ố m ũ c ủa đường cong m ỏi Wohler cho tr ường h ợp ứng su ất pháp và ứng su ất ti ếp. MX.K , M X.H - Mô men xo ắn tác d ụng lên tr ục bánh xe khi đầu máy làm vi ệc ở ch ế độ kéo và hãm. Pđm - t ổng tr ọng l ượng đầ u máy. p, q - các h ằng s ố đặ c tr ưng cho s ự ch ống m ỏi c ủa v ật li ệu trong ph ươ ng trình đường cong m ỏi R - h ệ s ố phi đố i x ứng c ủa chu trình ứng su ất. Smax - ứng su ất l ớn nh ất t ại “ khâu y ếu nh ất “ trong chi ti ết s ẽ gây ra s ự phá hu ỷ ở xác su ất P % Sgh - giới h ạn m ỏi c ủa m ẫu chu ẩn ở chu trình ứng su ất N 0. tb - kho ảng th ời gian, km tác độ ng c ủa m ột bl ốc ứng su ất, tính theo các khu gian đặ c tr ưng cho các tr ạng thái v ận hành đầu máy. up (z p) - phân v ị v ới xác su ất phá hu ỷ P %. u, σ0 , m - các thông s ố phân b ố kh ởi thu ỷ c ủa Veibull trong ph ươ ng trình đồng d ạng phá h ủy m ỏi Wm - chi ều r ộng m ẫu th ử nghi ệm xác đị nh da/dN và K IC . Wmu , W ctu - mômen ch ống u ốn c ủa m ẫu chu ẩn tr ơn, c ủa chi ti ết. Wmx , W ctx - mômen ch ống xo ắn c ủa m ẫu chu ẩn tr ơn, c ủa chi ti ết. w - Kích th ước vùng bi ến d ạng d ẻo. V - v ận t ốc c ủa đầ u máy. fi - t ần s ố t ải tr ọng th ứ i. f0 - t ần s ố t ải tr ọng nh ỏ nh ất. ft - độ nhún t ĩnh c ủa h ệ th ống lò xo giá chuy ển. f(g) - tham s ố không th ứ nguyên, ho ặc là h ệ sô' hình h ọc c ủa k ết c ấu có v ết n ứt. FK. đm, FH. đm - L ực kéo kh ởi độ ng l ớn nh ất, l ực hãm l ớn nh ất c ủa đầ u máy. FK.tk , F H.tk - l ực kéo, hãm tác d ụng lên m ột v ị trí thanh kéo b ầu d ầu trên KGCH FK.TBX , F H.TBX - L ực kéo, hãm tác d ụng lên m ột tr ục bánh xe. YP - áp l ực ngang c ủa KGCH lên m ột TBX khi đầ u máy đi vào đường cong. ss - độ l ệch bình ph ương trung bình c ủa đạ i l ượng ng ẫu nhiên lg( σmax - u). sσ, sτ - h ệ s ố an toàn m ỏi ứng su ất phápvà ứng su ất ti ếp. s - h ệ s ố an toàn m ỏi toàn ph ần. ασ ; ατ - h ệ s ố t ập trung ứng su ất lý thuy ết. β - h ệ s ố tính tới ch ất l ượng b ề m ặt gia công. εσ và ετ- h ệ s ố ảnh h ưởng kích th ước c ủa chi ti ết. ε∞ - h ệ s ố ảnh h ưởng c ủa kích th ước tuy ệt đố i t ới s ức ch ống phá hu ỷ m ỏi c ủa chi ti ết. ϕK - h ệ s ố ma sát gi ữa qu ốc hãm bánh xe. φσ - h ệ s ố độ nh ạy c ủa v ật li ệu ứng v ới chu trình không đối x ứng. µ - h ệ s ố Poisson. Π - được g ọi là ch ỉ tiêu đồng d ạng phá hu ỷ m ỏi không th ứ nguyên.
10. X Πu, Πx - ch ỉ tiêu đồng d ạng phá hu ỷ m ỏi khi chi ti ết b ị u ốn, b ị xo ắn. λ - s ố bl ốc (kh ối) t ải tr ọng tác độ ng trong ph ổ t ải. vσ - h ệ s ố đặ c tr ưng m ới các c ơ tính v ật li ệu, đố i v ới s ự t ập trung ứng su ất c ả y ếu t ố t ỷ l ệ. σmax - ứng su ất l ớn nh ất ở m ột điểm nào đó c ủa phân t ố đang kh ảo sát c ủa chi ti ết. σc - gi ới h ạn ch ảy. σb - gi ới h ạn b ền. σt - ứng su ất t ĩnh. σR - gi ới h ạn m ỏi của v ật li ệu v ới h ệ s ố chu trình ứng xu ất R. σN - ứng su ất ứng v ới s ố chu trình N. σ-1ct - gi ới h ạn m ỏi c ủa chi ti ết. σ0 - gi ới h ạn b ền m ỏi các m ẫu thí nghi ệm v ới chu trình m ạch độ ng. σ −1k - gi ới h ạn m ỏi u ốn thu ần tuý, chu trình đối x ứng, có xét tới h ệ s ố t ập trung ứng su ất. σ-1KGCH , τ-1KGCH - gi ới h ạn m ỏi c ủa v ật li ệu khi ch ịu u ốn và xo ắn c ủa KGCH đầ u máy D19E. σ-1TBX , τ-1TBX - gi ới h ạn m ỏi c ủa v ật li ệu khi ch ịu u ốn và xo ắn c ủa tr ục bánh xe đầ u máy D19E. σ −1 và τ −1 - gi ới h ạn m ỏi c ủa v ật li ệu khi ch ịu u ốn và xo ắn c ủa m ẫu chu ẩn. σ −1;τ −1 - gi ới h ạn m ỏi trung bình c ủa m ẫu v ật li ệu khi ch ịu u ốn và xo ắn. σ m và τ m - ứng su ất pháp và ứng su ất ti ếp trung bình. - σ a và τ a - ứng su ất pháp và ứng su ất ti ếp biên độ. σe, τe - ứng su ất pháp và ứng su ất ti ếp t ươ ng đươ ng. ξ - thông s ố c ủa ph ươ ng trình đồng d ạng phá h ủy m ỏi tuy ệt đố i. ψσ , ψτ , ψτ σ và ψστ - h ệ s ố ảnh h ưởng s ự b ất cân đố i đế n biên độ gi ới h ạn c ủa v ật li ệu. ψ b - h ệ s ố bám gi ữa m ặt l ăn bánh xe và ray. DANH M ỤC CÁC CH Ữ VI ẾT T ẮT 1. KGCH: Khung giá chuy ển h ướng. 2. TBX: Tr ục bánh xe. 3. TĐĐ : Truy ền độ ng điện. 4. ĐCĐK: Động c ơ điện kéo. 5. ĐSVN: Đường s ắt Vi ệt Nam. 6. HSC ĐUS: H ệ s ố c ường độ ứng su ất. 7. HSATM: H ệ s ố an toàn m ỏi. 8. GHBM: Gi ới h ạn b ền m ỏi.
11. XI DANH M ỤC HÌNH V Ẽ, BI ỂU ĐỒ VÀ B ẢNG BI ỂU HÌNH V Ẽ, BI ỂU ĐỒ : Trang Hình 1.1. S ự đị nh h ướng các m ầm tinh th ể so v ới các l ực tác độ ng 8 Hình 1.2. S ự xu ất hi ện các v ết n ứt m ỏi 8 Hình 1.3. V ết n ứt trên xà d ọc KGCH đầ u máy D19E s ố 902 17 Hình 1.4. V ết n ứt trên t ấm c ạnh ngoài và t ấm đáy c ủa xà d ọc KGCH s ố 907 18 Hình 1.5. Gi ản đồ Haigh 19 Hình 1.6. S ơ đồ v ị trí các điểm đo ki ểm tra trên KGCH đầu máy D19E – 903 23 Hình 1.7. Bi ểu đồ Goodman - Gerber 24 Hình 1.8. Bi ểu đồ Kuay 24 Hình 2.1. H ệ to ạ độ và các thành ph ần ứng su ất c ủa tr ường ứng su ất ở đầu v ết n ứt 30 Hình 2.2. Vùng đàn - d ẻo t ại đầ u v ết n ứt m ỏi 32 Hình 2.3. Vùng d ẻo ở đầ u v ết n ứt khi ch ịu t ải chu k ỳ 33 Hình 2.4. Đuờng cong da/dN-∆K trong h ệ t ọa độ đố i s ố 35 Hình 2.5. Tu ổi th ọ m ỏi c ủa k ết c ấu 47 Hình 3.1. Các v ị trí phân tích thành ph ần kim lo ại c ủa v ật li ệu TBX đầ u máy D19E 49 Hình 3.2. V ị trí phân tích thành ph ần kim lo ại c ủa v ật li ệu KGCH Đầ u máy D19E 50 Hình 3.3. K ết c ấu và kích th ước m ẫu th ử nghi ệm đặ c tr ưng c ơ h ọc. 55 Hình 3.4. K ết c ấu và kích th ước m ẫu th ử nghi ệm m ỏi 55 Hình 3.5. M ẫu th ử nghi ệm đặ c tr ưng m ỏi v ật li ệu KGCH 56 Hình 3.6. M ẫu th ử nghi ệm đặ c tr ưng m ỏi v ật li ệu TBX 56 Hình 3.7. K ết c ấu và kích th ước m ẫu th ử nghi ệm xác đị nh t ốc độ lan truy ền v ết n ứt và độ dai phá hu ỷ 57 Hình 3.8. Hình d ạng m ẫu th ử đặc tr ưng m ỏi v ật li ệu 57 Hình 3.9. Thi ết b ị th ử c ơ tính v ật li ệu th ử nghi ệm 58 Hình 3.10. Thi ết b ị th ử nghi ệm xác định gi ới h ạn m ỏi 58 Hình 3.11. Thi ết b ị th ử m ỏi, độ dai phá hu ỷ INTON 8801 60 Hình 3.12. Hình d ạng m ẫu th ử c ơ tính v ật li ệu 61 Hình 3.13. K ết qu ả th ử nghi ệm c ơ tính v ật li ệu thép 12Mn 62 Hình 3.14. Đồ th ị hàm m ật độ b ố xác su ất chu trình ứng su ất th ử nghi ệm m ỏi các m ẫu v ật li ệu KGCH ở m ức ứng su ất 1 65 Hình 3.15. Đồ th ị hàm m ật độ b ố xác su ất chu trình ứng su ất th ử nghi ệm m ỏi các m ẫu v ật li ệu TBX ở m ức ứng su ất 1 68 Hình 3.16. Các thông tin và thông s ố chung vi ệc th ử nghi ệm v ật li ệu KGCH 70 Hình 3.17. Các thông s ố c ủa m ẫu th ử nghi ệm v ật li ệu KGCH 70 Hình 3.18. Các thông s ố điều ch ỉnh viêc th ử nghi ệm xác đị nh K IC c ủa m ẫu v ật li ệu KGCH 71
12. XII Hình 3.19. Ki ến t ạo v ết n ứt ban đầ u c ủa m ẫu v ật li ệu KGCH 71 Hình 3.20. K ết qu ả thí nghi ệm da/dN c ủa m ẫu v ật li ệu KGCH 72 Hình 3.21. Thí nghi ệm xác đị nh K IC c ủa m ẫu v ật li ệu KGCH 72 Hình 3.22. M ẫu sau khi th ử đặ c tr ưng m ỏi v ật li ệu KGCH 72 Hình 3.23. T ải tr ọng theo v ị trí v ết n ứt c ủa m ẫu v ật liệu KGCH 73 Hình 3.24. Kích th ước v ết n ứt c ủa m ẫu v ật li ệu KGCH sau khi th ử nghi ệm 73 Hình 3.25. K ết qu ả thí nghi ệm xác đị nh độ dai phá hu ỷ K IC c ủa m ẫu v ật li ệu KGCH 73 Hình 3.26. Các thông tin và thông s ố chung vi ệc th ử nghi ệm v ật li ệu TBX 74 Hình 3.27. Các thông s ố c ủa m ẫu th ử nghi ệm v ật li ệu TBX 75 Hình 3.28 Các thông s ố điều ch ỉnh vi ệc th ử nghi ệm xác đị nh K IC c ủa m ẫu v ật li ệu TBX 75 Hình 3.29. Ki ến t ạo v ết n ứt ban đầ u c ủa m ẫu v ật li ệu TBX 75 Hình 3.30. T ải tr ọng theo v ị trí v ết n ứt c ủa m ẫu v ật li ệu TBX 76 Hình 3.31. Kích th ước v ết n ứt c ủa m ẫu v ật li ệu TBX sau khi th ử nghi ệm 76 Hình 3.32. K ết qu ả thí nghi ệm xác đị nh độ dai phá hu ỷ K IC c ủa m ẫu v ật li ệu TBX 76 Hình 4.1. Hình t ổng th ể đầ u máy D19E 79 Hình 4.2. Hình t ổng th ể giá chuy ển h ướng đầ u máy D19E 80 Hình 4.3. K ết c ấu tr ục bánh xe đầu máy D19E 81 Hình 4.4. K ết c ấu khung giá đầ u máy D19E 82 Hình 4.5. Các l ực tác d ụng lên khung giá chuy ển h ướng đầ u máy 84 Hình 4.6. Các l ực tác d ụng lên KGCH v ới t ổ h ợp 1 85 Hình 4.7. K ết qu ả tính toán lý thuy ết KGCH v ới t ổ h ợp 1 86 Hình 4.8. Các l ực tác d ụng trên TBX 90 Hình 4.9. Các l ực tác d ụng lên TBX v ới t ổ h ợp 1 91 Hình 4.10. K ết qu ả tính toán lý thuy ết TBX v ới t ổ h ợp 1 92 Hình 4.11. S ơ đồ để tính hàm phân b ố ξ cho ti ết di ện tròn 94 Hình 4.12. S ơ đồ tr ục b ậc đặ c tính h ệ s ố t ập trung ứng su ất lý thuy ết 96 Hình 4.13. S ơ đồ để tính hàm phân b ố ξ cho ti ết di ện hình h ộp r ỗng 97 Hình 4.14. M ặt c ắt D – D trên xà d ọc c ủa KGCH 98 Hình 4.15. S ơ đồ tr ục b ậc r ỗng tính h ệ s ố t ập trung ứng su ất lý thuy ết 99 Hình 4.16. S ơ đồ kh ối tính toán ξTBX = f(P), σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P) , s TBX = f(P) 107 Hình 4.17. K ết qu ả tính ξTBX = f(P); σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P) ; s TBX = f(P) c ủa m ặt c ắt I c ủa TBX đầ u máy D19E 108 Hình 4.18. S ơ đồ kh ối tính toán ξKGCH = f(P) và σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P) 110 Hình 4.19. S ơ đồ kh ối tính toán sKGCH = f(P) 111 Hình 4.20. K ết qu ả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P); s KGCH = f(P) c ủa điểm A9 KGCH đầ u máy D19E vượt đèo Khe Nét 113
13. XIII Hình 4.21. K ết qu ả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P); s KGCH = f(P) c ủa điểm 34, KGCH đầ u máy D19E theo k ết qu ả đo được c ủa Trung Qu ốc 115 Hình 4.22.K ết qu ả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P); s KGCH = f(P) c ủa điểm P9, KGCH đầ u máy D19E theo k ết qu ả tính toán lý thuy ết 115 Hình 4.23. S ơ đồ kh ối tính toán Πu , Πx , σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P) và sTBX = f(P) 117 Hình 4.24. K ết qu ả tính toán Πu; Πx; σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P); s TBX = f(P) c ủa m ặt c ắt I của TBX đầ u máy D19E 119 Hình 4.25. S ơ đồ kh ối Tính Πu , Πx , σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P) và sKGCH = f(P) 120 Hình 4.26. K ết qu ả tính toán Πu ; Πx; σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P) ; s KGCH = f(P) c ủa điểm A9 KGCH đầ u máy D19E vượt đèo Khe Nét. 122 Hình 4.27. K ết qu ả tính toán Πu ; Πx; σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P); s KGCH = f(P) c ủa điểm 34, KGCH đầ u máy D19E theo k ết qu ả đo được c ủa Trung Qu ốc 123 Hình 4.28. Kết qu ả tính toán Πu ; Πx; σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P) ; s KGCH = f(P) c ủa điểm P9 trên KGCH theo lý thuy ết 124 Hình 4.29. Kết qu ả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P) ; s KGCH = f(P) c ủa điểm A9 KGCH đầ u máy D19E đợ t nh ập th ứ 3 vượt đèo Khe Nét 124 Hình 4.30. Đồ th ị quan h ệ gi ữa log(da/dN) và log( ∆K) c ủa v ật li ệu KGCH 126 Hình 4.31. Đồ th ị quan h ệ gi ữa log(da/dN) và log( ∆K) c ủa v ật li ệu TBX 132 Hình 4.32. Đồ th ị quan h ệ gi ữa log(da/dN) và log( ∆K), xác định các h ệ s ố c ủa v ật li ệu làm KGCH trong ph ươ ng trình lan truy ền v ết n ứt m ỏi 134 BẢNG BI ỂU: Bảng 1.1. Các s ố li ệu ứng su ất đo được trên KGCH c ủa Trung Qu ốc 21 Bảng 1.2 Các s ố li ệu th ống kê ứng su ất đo được c ủa Vi ện C ơ h ọc khi đầ u máy D19E 903 v ượt đèo Khe Nét. 23 Bảng 3.1. K ết qu ả phân tích thành ph ần kim lo ại v ật li ệu TBX đầ u máy D19E 49 Bảng 3.2. K ết qu ả phân tích thành ph ần kim lo ại v ật li ệu KGCH đầ u máy D19E 50 Bảng 3.3. Th ầnh ph ần các nguyên t ố hoá h ọc c ơ b ản c ủa v ật li ệu đế đỡ gi ảm ch ấn trên KGCH đầu máy D19E 54 Bảng 3.4. K ết qu ả th ử nghi ệm xác đị nh c ơ tính c ủa v ật li ệu thép 12Mn 61 Bảng 3.5. Kết qu ả th ử nghi ệm xác đị nh c ơ tính c ủa v ật li ệu thép 55 62 Bảng 3.6. K ết qu ả th ử nghi ệm m ỏi các m ẫu v ật li ệu KGCH 64 Bảng 3.7. K ết qu ả x ử lý s ố li ệu th ử nghi ệm m ỏi m ẫu v ật li ệu KGCH đầ u máy D19E s ử d ụng để xây d ựng đường cong m ỏi 65 Bảng 3.8. K ết qu ả th ử nghi ệm m ỏi các m ẫu v ật li ệu TBX 67 Bảng 3.9. K ết qu ả x ử lý s ố li ệu th ử nghi ệm m ỏi m ẫu v ật li ệu TBX đầ u máy D19E s ử d ụng để xây d ựng đường cong m ỏi 68
14. XIV Bảng 3.10. K ết qu ả thí nghi ệm xác đị nh độ dai phá hu ỷ KIC của v ật li ệu làm KGCH 74 Bảng 3.11. K ết qu ả thí nghi ệm xác đị nh độ dai phá hu ỷ K IC vật li ệu làm TBX 77 Bảng 4.1. Các l ực tác d ụng trên KGCH v ới t ổ h ợp 1 84 Bảng 4.2. Các l ực tác d ụng trên KGCH v ới t ổ h ợp 2 85 Bảng 4.3. Giá tr ị ứng su ất t ại các điểm trên KGCH đầu máy 903 86 Bảng 4.4. Giá tr ị ứng su ất t ại các điểm trên KGCH đầu máy 907 86 Bảng 4.5. Các l ực tác d ụng trên TBX v ới t ổ h ợp 1 90 Bảng 4.6. Các l ực tác d ụng trên TBX v ới t ổ h ợp 2 91 Bảng 4.7. K ết qu ả ứng su ất t ại các m ặt c ắt c ủa TBX 92 Bảng 4.8. Phân v ị ứng v ới xác su ất phá hu ỷ 103 Bảng 4.9. K ết qu ả tính toán ξTBX = f(P); σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P) ; s TBX = f(P) c ủa các m ặt c ắt c ủa TBX đầ u máy D19E 109 Bảng 4.10. Các giá tr ị ứng su ất ở các điểm trên KGCH khi v ượt đèo Khe Nét 112 Bảng 4.11. Th ống kê các m ức đỉnh bi ến d ạng động c ủa các điểm trên KGCH 113 Bảng 4.12. K ết qu ả tính s KGCH = f(P) c ủa các điểm KGCH đầ u máy D19E vượt đèo Khe Nét 113 Bảng 4.13. Xác su ất phá h ủy t ại các điểm trên KGCH có giá tr ị ứng su ất l ớn h ơn GHBM và HSATM nh ỏ h ơn giá tr ị cho phép khi vượt đèo Khe Nét 114 Bảng 4.14. Các m ức giá tr ị ứng su ất c ủa điểm 34 trên KGCH 114 Bảng 4.15. Kết qu ả tính toán s TBX = f(P) c ủa các m ặt c ắt TBX đầ u máy D19E 119 Bảng 4.16. Kết qu ả tính toán s KGCH = f(P) c ủa các điểm KGCH đầ u máy D19E vượt đèo Khe Nét 122 Bảng 4.17. K ết qu ả th ử nghi ệm xác đị nh t ốc độ lan truy ền v ết n ứt v ật li ệu KGCH 125 Bảng 4.18. Chi ều dài v ết n ứt trên KGCH khi tàu ch ạy v ượt đèo Khe Nét 128 * Bảng 4.19. K ết qu ả tính toán (∆K) Ii và ng ưỡng (∆K) th tại các điểm trên KGCH khi tàu ch ạy từ ga Kim Liên lên Tr ạm Đỉ nh Đèo 129 * Bảng 4.20. Kết qu ả tính toán (∆K) Ii và ng ưỡng (∆K) th tại điểm 34 trên KGCH tính theo k ết qu ả đo được c ủa Trung Qu ốc 130 * Bảng 4.21. Kết qu ả tính toán (∆K) Ii và ng ưỡng (∆K) th tại các điểm trên KGCH theo k ết qu ả tính toán lý thuy ết 130 Bảng 4.22. K ết qu ả th ử nghi ệm xác định t ốc độ lan truy ền v ết n ứt v ật li ệu TBX 131 * Bảng 4.23. Kết qu ả tính toán (∆K) Ii và ng ưỡng (∆K) th tại các m ặt c ắt c ủa TBX theo k ết qu ả tính toán lý thuy ết 133 Bảng 4.24. Số chu trình ứng su ất N t ại điểm P4 KGCH b ắt đầ u phá hu ỷ 135 Bảng 4.25. S ố chu trình ứng su ất N t ại điểm A2 KGCH bắt đầ u phá hu ỷ 135 Bảng 4.26. S ố chu trình ứng su ất N t ại điểm A9 KGCH bắt đầ u phá hu ỷ. 136
15. 1 Lêi nãi ®Çu Giao thông V ận t ải đường s ắt là m ột trong các hình th ức giao thông v ận t ải quan tr ọng c ủa m ột xã h ội phát tri ển. Công cu ộc đổ i m ới c ủa ngành Đường s ắt Vi ệt Nam trong nh ững n ăm qua đã thu được nhi ều th ắng l ợi: Ch ất l ượng v ận t ải đường sắt đã không ng ừng được nâng cao, góp ph ần thu hút khách hàng đến v ới đường sắt nhi ều h ơn, t ừng b ước nâng cao th ị ph ần v ận t ải đường s ắt trong h ệ th ống giao thông v ận t ải qu ốc gia. Để đạ t được m ục tiêu đó, ch ất l ượng đầ u máy toa xe c ủa ngành Đường s ắt Vi ệt Nam đã có nhi ều thay đổ i l ớn để đả m b ảo đủ s ức kéo đáp ứng yêu c ầu phát tri ển c ủa ngành và c ủa xã h ội. Nh ững đầ u máy có công su ất l ớn, độ b ền cao để th ực hi ện kéo kho ẻ, ch ạy nhanh được thay th ế d ần nh ững đầ u máy công su ất nh ỏ, công ngh ệ l ạc h ậu đã không còn phù h ợp v ới yêu c ầu v ề s ức kéo c ủa ngành đường sắt. Đổ i m ới khoa h ọc- công ngh ệ, đặ c bi ệt là s ức kéo, s ức ch ở đang được lãnh đạo ngành đường s ắt quan tâm theo h ướng An toàn - Ch ất l ượng - Ti ết ki ệm. V ừa qua ngành đường s ắt n ước ta đã ch ế t ạo và l ắp ráp thành công đầu máy kéo đẩ y, đầ u máy D19E Ch ủ tr ươ ng c ủa ngành là ti ếp t ục nh ập, ch ế t ạo, l ắp ráp ra nh ững đầ u máy theo yêu c ầu c ủa ngành giao thông v ận t ải s ắt ngày càng có ch ất l ượng cao. Mặt khác, vi ệc nâng cao an toàn và t ốc độ ch ạy tàu đối v ới các trang thi ết b ị hi ện có là ch ủ tr ươ ng l ớn đang được th ực hi ện. Để đáp ứng các yêu c ầu đặ t ra, đã xu ất hiện nh ững y ếu t ố k ỹ thu ật công ngh ệ, k ết c ấu và v ật li ệu nh ằm nâng cao độ b ền k ết c ấu, t ăng t ốc độ ch ạy tàu, góp ph ần thúc đẩ y s ản xu ất và s ự phát tri ển đi lên c ủa ngành đường s ắt. Tuy nhiên trong quá trình th ực hi ện đã n ảy sinh nh ững v ấn đề v ề an toàn và độ tin c ậy c ủa các bộ ph ận, thi ết b ị. M ột trong nh ững v ấn đề đó là: H ầu h ết các đầ u máy truy ền độ ng điện được nh ập v ề Vi ệt Nam ch ỉ được nhà cung c ấp giao kèm theo các thông s ố k ỹ thu ật c ơ b ản c ủa đầ u máy mà không có các khuy ến cáo ho ặc các h ướng d ẫn v ề cách s ử d ụng phù h ợp v ới đặ c thù tuy ến đường, điều ki ện môi tr ường đường s ắt Vi ệt Nam, không có các khuy ến cáo ho ặc các h ướng d ẫn v ề qui trình ki ểm tra, b ảo dưỡng s ửa ch ữa c ũng nh ư các đặc tính v ật li ệu c ủa các k ết c ấu. Trong b ộ ph ận ch ạy c ủa đầ u máy thì khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe là hai k ết c ấu qu ạn tr ọng. Do ảnh h ưởng c ủa khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe đế n vi ệc nâng cao an toàn và t ốc độ ch ạy tàu, chúng ta ph ải ki ểm tra đị nh k ỳ theo qui đị nh trong quá trình v ận d ụng. Đồ ng th ời chúng ta ph ải tính toán ki ểm nghi ệm v ề độ b ền, độ cứng c ủa khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe đầ u máy nh ằm ng ăn ng ừa các hư h ỏng có th ể x ảy ra ho ặc có th ể gây ra các s ự c ố, các tr ở ng ại ch ạy tàu, các h ư hỏng c ơ khí gây thi ệt h ại khó l ường v ề v ật ch ất c ũng nh ư tính m ạng con ng ười.
16. 2 Đối v ới ngành Đường s ắt Vi ệt Nam, đầ u máy diesel truy ền độ ng điện đóng vai trò là s ức kéo ch ủ y ếu trong hi ện t ại và nh ững n ăm ti ếp theo. Chính vì v ậy mà vi ệc đánh giá ch ất l ượng c ủa khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe trên đầu máy diesel truy ền độ ng điện có ý ngh ĩa l ớn trong công tác l ựa ch ọn, thi ết k ế, ki ểm tra, b ảo d ưỡng s ửa ch ữa b ộ ph ận ch ạy, c ũng nh ư ph ươ ng pháp v ận d ụng đầ u máy. Hi ện nay, ph ươ ng pháp tính toán c ủa c ơ h ọc phá h ủy đàn h ồi và các tiêu chu ẩn th ử nghi ệm tính n ăng phá hủy đố i v ới các lo ại v ật li ệu đề u đã được hoàn thi ện. Ph ươ ng pháp c ơ h ọc phá h ủy đàn h ồi được ứng d ụng vào vi ệc phân tích k ết cấu phá h ủy giòn và v ấn đề phát tri ển v ết n ứt m ỏi trong k ết c ấu đề u có th ể nh ận được k ết qu ả có ý ngh ĩa quan tr ọng và c ần thi ết. Bởi v ậy, vi ệc nghiên c ứu xác đị nh đặ c tr ưng m ỏi c ủa m ẫu v ật li ệu c ũng nh ư ph ươ ng pháp xác định độ an toàn m ỏi c ủa k ết c ấu, chi ti ết cho phép đánh giá m ột cách đầy đủ h ơn v ề tình tr ạng độ b ền m ỏi và tu ổi th ọ m ỏi c ủa khung giá chuy ển hướng và tr ục bánh xe đầu máy diesel trong quá trình v ận d ụng hi ện nay. T ừ đó đư a ra các gi ải pháp ng ăn ch ặn v ết n ứt m ỏi, nâng cao độ b ền m ỏi, đả m b ảo độ tin cậy, độ b ền c ủa khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe trong quá trình v ận d ụng, khai thác ở đường s ắt n ước ta là m ột vấn đề quan tr ọng, c ấp thi ết đang được đặ t ra.
17. 3 ch−¬ng 1 tæng quan vÒ vÊn ®Ò nghiªn cøu 1.1. Khái ni ệm v ề c ơ h ọc phá hu ỷ Cơ h ọc phá hu ỷ là m ột môn khoa h ọc được hình thành và phát tri ển trong nh ững n ăm g ần đây, c ơ h ọc phá hu ỷ đã có nh ững k ết qu ả nghiên c ứu đáng k ể. H ệ th ống lý lu ận và ph ươ ng pháp đo c ủa c ơ h ọc phá hu ỷ sau vài ch ục n ăm phát tri ển và hoàn thi ện ngày càng chính xác h ơn. C ơ h ọc phá hu ỷ có tác d ụng ngày càng quan tr ọng trong vi ệc thi ết k ế ch ống phá hu ỷ, kh ống ch ế phá hu ỷ và phân tích s ự cố phá hu ỷ k ết c ấu. 1.1.1. Khái ni ệm v ề độ b ền c ơ h ọc phá hu ỷ Từ các công trình nghiên c ứu v ề c ơ h ọc phá h ủy c ủa các nhà khoa h ọc ta có th ể nh ận th ấy quan điểm quan tr ọng nh ất c ủa c ơ h ọc phá hu ỷ là: V ật li ệu và k ết c ấu đều không th ể tránh kh ỏi các khuy ết t ật và vết n ứt trong luy ện kim và gia công; Do đó, gi ả đị nh c ơ b ản c ủa c ơ h ọc phá hu ỷ là: trong k ết c ấu luôn t ồn t ại v ết n ứt ho ặc nh ững khuy ết t ật khác; Vì v ậy, đố i t ượng nghiên c ứu c ủa nó c ũng chính là k ết c ấu mang v ết n ứt. Theo quan điểm c ủa c ơ h ọc phá hu ỷ, trong các chi ti ết ho ặc k ết c ấu có v ết n ứt, ch ỉ khi tr ường ứng su ất t ại đầ u v ết n ứt và kích th ước n ứt đạ t t ới m ột mức độ nào đó thì m ới b ị phá hu ỷ. Trên c ơ s ở này, lý thuy ết c ơ h ọc phá hu ỷ đưa ra một s ố quan điểm c ơ b ản và yêu c ầu đố i v ới thi ết k ế chi ti ết và k ết c ấu nh ư sau: * Đối v ới k ết c ấu công tác có v ết n ứt, m ức độ m ạnh, y ếu c ủa tr ường ứng su ất t ại đầu v ết n ứt, có th ể dùng m ột tham s ố c ơ h ọc phá hu ỷ g ọi là h ệ s ố c ường độ ứng su ất K, để tính toán: B ất lu ận hình th ức k ết c ấu và lo ại hình v ết n ứt nào thì HSC ĐUS K đều ph ải tho ả mãn yêu c ầu K ≤ K C / n thì m ới b ảo đả m không b ị phá hu ỷ, K C là độ dai phá hu ỷ, tr ị s ố c ủa nó có th ể dùng th ử nghi ệm c ơ h ọc phá hu ỷ tiêu chu ẩn đo được, n là h ệ s ố an toàn. * Đối v ới k ết c ấu ch ịu t ải bi ến độ ng, theo lý thuy ết c ơ h ọc phá hu ỷ có th ể chia ra hai lo ại sau để x ử lý [10]: 1. N ếu s ố gia h ệ s ố c ường độ ứng su ất ∆K ∆Kth thì v ết n ứt s ẽ ti ếp t ục phát tri ển t ừ t ừ theo một quy lu ật nào đó; Nh ưng tr ước khi kích th ước a c ủa v ết n ứt phát tri ển t ới kích th ước t ới h ạn a th , thì k ết c ấu s ẽ không phát sinh m ất ổn đị nh ho ặc b ị phá hu ỷ. B ởi vậy, t ốc độ phát triển v ết n ứt c ủa v ật li ệu da/dN là m ột l ượng đo kh ả n ăng ch ống phát tri ển v ết n ứt c ủa v ật li ệu. Trên c ơ s ở này,v ới k ết c ấu có v ết n ứt ban đầ u là a 0 và kích th ước t ới h ạn là a th , thì tu ổi th ọ phát tri ển v ết n ứt N p c ủa nó có th ể tính
18. 4 toán nh ư sau: ath da N = (l.1) p ∫  da  a0    dN  Bởi v ậy, k ết c ấu có v ết n ứt kích th ước ban đầ u a 0 dưới tác d ụng c ủa t ải tr ọng bi ến đổ i, v ết n ứt phát tri ển theo m ột quy lu ật nào đó, thì tu ổi th ọ sử d ụng c ủa nó ph ải h ạn ch ế trong th ời h ạn N < N p Theo lý thuy ết c ơ h ọc phá hu ỷ, n ếu k ết c ấu th ực t ế có th ể tho ả mãn các yêu cầu nêu trên thì k ết c ấu đó tho ả mãn được yêu c ầu s ử d ụng an toàn: Do v ậy, đố i với thi ết k ế ch ống phá hu ỷ k ết c ấu thì các tham s ố c ơ b ản nh ư: H ệ s ố c ường độ tr ường ứng su ất K, độ dai phá hu ỷ K c, s ố gia HSC ĐUS phát tri ển v ết n ứt t ới h ạn ∆Kth và t ốc độ phát tri ển v ết n ứt da/dN là các ch ỉ tiêu quan tr ọng c ủa thi ết k ế. 1.1.2. Ứng d ụng c ủa c ơ h ọc phá hu ỷ trong k ỹ thu ật Hi ện nay, r ất nhi ều hãng ch ế t ạo trên th ế gi ới nh ư: máy bay, tàu thuy ền, đầ u máy - toa xe, c ầu c ống, c ơ khí , đều dùng lý thuy ết c ơ h ọc phá hu ỷ để ch ế đị nh tiêu chu ẩn thi ết k ế k ết c ấu an toàn và ph ươ ng pháp đánh giá. Ứng d ụng c ủa c ơ h ọc phá hu ỷ trong k ỹ thu ật ta th ấy có th ể chia ra m ột s ố m ặt sau: 1. Dùng quan điểm c ơ b ản và chu ẩn t ắc độ b ền phá hu ỷ để b ổ sung cho lý thuy ết độ b ền truy ền th ống, ch ỉ đạ o vi ệc thi ết k ế k ết c ấu, t ức là k ết c ấu thi ết k ế ch ẳng nh ững ph ải tho ả mãn các yêu c ầu c ủa độ b ền truy ền th ống, mà còn đồng th ời thoả mãn yêu c ầu c ủa c ơ h ọc phá hu ỷ, đặ c bi ệt là tính n ăng ch ống phá hu ỷ m ỏi. 2. Dùng lý thuy ết c ơ h ọc phá hu ỷ làm c ăn c ứ, đư a ra yêu c ầu, đặ c bi ệt là đối với ph ươ ng pháp và quá trình công ngh ệ ch ế t ạo và ki ểm tu k ết c ấu, đưa ra các quy trình t ươ ng ứng để v ừa tho ả mãn yêu c ầu ứng d ụng v ừa đạ t hi ểu qu ả kinh t ế tươ ng đối cao. 3. Dùng lý thuy ết c ơ h ọc phá hu ỷ ti ến hành phân tích s ự c ố phá hu ỷ k ết c ấu, đư a ra gi ải pháp đề phòng và bi ện pháp gi ải quy ết. 4. Lấy vi ệc nâng cao tính ch ống phá hu ỷ c ủa k ết c ấu làm m ục đích , nghiên c ứu tạo ra v ật li ệu m ới có tính n ăng ch ống phá hu ỷ t ốt. 5. Xu ất phát t ừ nghiên lý c ơ b ản c ủa c ơ h ọc phá hu ỷ, đề xu ất ph ươ ng pháp m ới để ng ăn n ứt trong thi ết k ế và ki ểm tu k ết c ấu. Cơ h ọc phá hu ỷ đàn h ồi ch ẳng nh ững là c ơ s ở c ủa toàn b ộ h ệ th ống lý lu ận cơ học phá hu ỷ, mà còn là n ội dung phát tri ển thành th ục nh ất, hoàn thi ện nh ất trong h ệ th ống c ơ h ọc phá hu ỷ. C ơ h ọc phá hu ỷ đàn h ồi là n ền t ảng c ủa toàn b ộ lý thuy ết c ơ h ọc phá hu ỷ. Ph ươ ng pháp phân tích ch ủ y ếu c ủa nó là dùng ph ươ ng pháp c ơ đàn h ồi để ti ến hành phân tích tr ường ứng su ất t ại đầ u v ết n ứt và khu v ực
19. 5 ph ụ c ận. N ội dung phân tích bao g ồm: Hình d ạng, độ l ớn, ph ươ ng v ị c ủa v ết n ứt (ho ặc khuy ết t ật gi ống v ết n ứt) và phân tích tính n ăng v ật li ệu có v ết n ứt. 1.1.3. Nh ững khái ni ệm c ơ b ản v ề Lý thuy ết m ỏi Theo lý thuy ết c ơ h ọc phá hu ỷ ta nh ận th ấy lý thuy ết m ỏi là m ột nhánh c ủa cơ h ọc phá hu ỷ chuyên nghiên c ứu v ề ứng x ử c ủa v ật li ệu và chi ti ết d ưới tác độ ng của ứng su ất thay đổ i theo th ời gian có k ể t ới ảnh h ưởng c ủa hàng lo ạt các y ếu t ố, đồng th ời nêu ra ph ươ ng pháp tính toán và nh ững gi ải pháp k ỹ thu ật nh ằm nâng cao độ b ền m ỏi. Các nhà nghiên c ứu đã chia lý thuy ết m ỏi thành hai nhánh nh ỏ: m ỏi ng ắn hạn và m ỏi dài h ạn. Mỏi ng ắn h ạn là hi ện t ượng m ỏi x ảy ra khi s ố chu trình ứng su ất nh ỏ h ơn ho ặc b ằng l0 5. Ng ược l ại mỏi dài h ạn là hi ện t ượng m ỏi x ảy ra khi s ố chu trình ứng su ất l ớn h ơn l0 5 a. Hi ện t ượng m ỏi (hay s ự m ỏi): Đó là quá trình tích l ũy d ần d ần s ự phá h ỏng trong bản thân v ật li ệu d ưới tác độ ng c ủa ứng su ất thay đổ i theo th ời gian. Ứng su ất thay đổi này làm xu ất hi ện các v ết n ứt m ỏi, sau đó các v ết n ứt m ỏi ấy phát tri ển và d ẫn tới s ự phá h ủy v ật li ệu. S ự phá h ủy nh ư v ậy được g ọi là s ự phá h ủy vì m ỏi. b. Độ b ền m ỏi: Đó là tính ch ất c ủa v ật li ệu ch ống l ại quá trình phá h ỏng vì m ỏi. c. Độ b ền lâu: Độ b ền lâu (tu ổi th ọ) c ủa v ật li ệu chi ti ết là kho ảng th ời gian làm vi ệc c ủa chúng d ưới tác độ ng v ới m ột ch ế độ t ải tr ọng và các y ếu t ố ảnh h ưởng khác mà không b ị phá h ủy. Độ b ền lâu th ường được tính b ằng gi ờ ho ặc b ằng s ố chu trình ứng su ất. Trong m ột s ố l ĩnh v ực chuyên ngành (ví d ụ l ĩnh v ực đầ u máy, toa xe, ôtô, máy kéo), độ b ền lâu được tính b ằng s ố kilômét làm vi ệc. d. Gi ới h ạn m ỏi: Gi ới h ạn m ỏi c ủa v ật li ệu là m ột trong s ố nh ững đặ c tr ưng c ơ h ọc. Cũng nh ư nh ững đặ c tr ưng c ơ h ọc khác, mu ốn xác đị nh gi ới h ạn m ỏi c ủa m ột lo ại vật li ệu nào đấy, ở m ột điều ki ện nào đấy, ph ải ti ến hành thí nghi ệm theo m ột quy chu ẩn nh ất đị nh. Gi ới h ạn m ỏi c ủa v ật li ệu ở m ột điều ki ện nào đó là giá tr ị l ớn nh ất c ủa ứng su ất thay đổ i theo th ời gian ứng v ới m ột s ố chu trình ứng su ất c ơ s ở mà m ẫu chu ẩn không b ị phá h ủy. Mỗi m ột lo ại v ật li ệu quy đị nh s ố chu trình ứng su ất c ơ s ở riêng. G ọi N o là 7 số chu trình ứng su ất c ơ s ở. Trong nh ững tr ường h ợp đặ c bi ệt, ng ười ta l ấy N 0 = l0 8 đối v ới v ật li ệu kim lo ại nói chung và N 0 = l0 đối v ới các h ợp kim nh ẹ có độ b ền cao. Tùy theo đặc tr ưng c ủa chu trình ứng su ất, gi ới h ạn m ỏi có th ể được xác định ở chu trình ứng su ất đố i x ứng, chu trình ứng su ất m ạch độ ng ho ặc ở chu trình ứng su ất phi đố i x ứng
20. 6 e. Đường cong m ỏi: Đường cong m ỏi là đường cong bi ểu di ễn m ối liên h ệ gi ữa các ứng su ất thay đổ i v ới các s ố chu trình ứng su ất t ươ ng ứng. Ứng su ất thay đổ i có th ể là ứng su ất l ớn nh ất ho ặc là biên độ ứng su ất. Đường cong m ỏi c ổ điển S = f(N) còn g ọi là đường cong Veller (Wohler's Curve). 1.1.4. Nh ững ch ỉ tiêu phá hu ỷ m ỏi Để đánh giá quá trình phá h ủy m ỏi, các nhà nghiên c ứu v ề phá h ủy m ỏi đư a ra nh ững ch ỉ tiêu sau đây: a. Ch ỉ tiêu v ề ứng su ất và bi ến d ạng [17] Nếu g ọi S là ứng su ất, N s ố chu trình ứng su ất t ươ ng ứng thì ch ỉ tiêu v ề ứng su ất và bi ến d ạng l ần l ượt là: m S i . N i = const (l.2) K hay F n = S(N /n) n (d ạng th ức đựơc s ử d ụng t ại M ỹ và Anh), (l.3) trong đó: Fn - độ b ền m ỏi ứng v ới n chu trình; S - ứng su ất ứng v ới N chu trình; Kn - s ố m ũ đường cong m ỏi Wohler. k và ch ỉ tiêu bi ến d ạng: ep .N p bd = C e (l.4) trong đó: ep - độ dãn dài t ới h ạn t ại lúc phá h ủy; Np - s ố chu trình ứng su ất t ại lúc phá h ủy; Kbd - s ố m ũ ( ≈ 0,01 ÷ l,0); Ce - h ằng s ố. b. Ch ỉ tiêu v ề n ăng l ượng CE. Feltner và J.D. Marlow đư a ra ch ỉ tiêu này v ới n ội dung sau: s ự phá h ủy mỏi b ắt đầ u x ảy ra t ại th ời điểm khi mà t ổng s ố n ăng l ượng t ản mác (quá trình này ch ỉ x ảy ra m ột chi ều) đạ t t ới giá tr ị đúng b ằng công bi ến d ạng riêng khi ch ất t ải t ĩnh. Các tác gi ả trên đã tính được tr ị s ố t ới h ạn c ủa n ăng l ượng t ản mác trong v ật li ệu sau N chu trình ứng su ất là: ∆ε Dsum = 2N ∫σ.dεpl (1.5) 0 S ố chu trình ứng su ất (hay tu ổi th ọ) khi phá h ủy N p được xác đị nh t ừ ph ươ ng n trình: lg σ = K − ( )lg N (1.6) a 0 1+ n P n n+1  Dsum ()1+ n  trong đó : K O = lg    2K  n - h ằng s ố t ăng b ền do bi ến d ạng chu trình; K - h ằng s ố c ủa v ật li ệu. Phát tri ển thuy ết cân b ằng n ăng l ượng khi phá h ủy, nhà nghiên c ứu I .Ivanova đã
21. 7 kh ởi x ướng thuy ết c ấu trúc - n ăng l ượng và đư a ra ch ỉ tiêu phá h ủy [18]: 1 N c = c p .Tp .E γ A. 2 (l.7) β m LT .G Và α t = β m . (l.8) c p .Tb .E trong đó: Nc - tu ổi th ọ ứng v ới ứng su ất S c; o cp - nhi ệt dung riêng c ủa kim lo ại ở nhi ệt độ 20 C. Tb - nhi ệt độ sôi tuy ệt đố i; E - mô đun đàn h ồi (Young's Modulus); G – Mô đun tr ượt (Shear Modulus); L T = ẩm nhi ệt sôi; γ - tr ọng l ượng riêng; A - đươ ng l ượng 2 cơ c ủa nhi ệt; βm h ằng s ố, giá tr ị trung bình: βm = 8,5 kG/ mm . c. Ch ỉ tiêu v ề v ết n ứt m ỏi Động h ọc c ủa quá trình phá h ủy m ỏi bao gi ờ c ũng g ồm có các giai đoạn xu ất hi ện, hình thành, phát sinh và phát tri ển v ết n ứt. V ết n ứt m ỏi lan truy ền v ới t ốc độ nh ất đị nh và khi đạt được t ốc độ truy ền âm trong v ật li ệu thì s ự phá h ủy hoàn toàn xảy ra. S ự tích l ũy phá h ỏng m ỏi thì di ễn ti ến c ả quá trình, còn s ự phá h ủy hoàn toàn thì x ảy ra t ức th ời. G ọi v là t ốc độ lan truy ền v ết n ứt, ng ười ta đã xây d ựng được quan h ệ: da v = = f ()S, F,C (l.9) dN trong đó: S - tr ạng thái ứng su ất ; F - đặc tr ưng hình h ọc c ủa chi ti ết ; C - điều ki ện v ật li ệu và điều ki ện làm vi ệc c ủa chi ti ết. 1.2 B ản ch ất s ự phá hu ỷ m ỏi Các công trình nghiên c ứu v ề phá h ủy m ỏi đã cho th ấy s ự phá hu ỷ m ỏi là k ết qu ả c ủa các bi ến d ạng d ẻo và đàn h ồi luân phiên nhau, l ặp l ại nhi ều l ần, phân b ố không đều trên toàn b ộ th ể tích chi ti ết do tính không đồ ng nh ất v ật li ệu, nh ững h ư hỏng đầ u tiên xu ất hi ện trong các vi kh ối đị nh h ướng không thu ận l ợi so v ới tác động c ủa t ải tr ọng, ch ịu tr ước các ứng su ất d ư và b ị y ếu b ởi các khuy ết t ật c ục b ộ. Tích t ụ d ần d ần t ổng c ộng l ần l ượt, nh ững h ư h ỏng c ục b ộ b ắt đầ u s ự phá hu ỷ t ổng quát đối v ới chi ti ết [14]. Sự to ả nhi ệt phát sinh trong các vi kh ối b ị bi ến d ạng đóng vai trò to l ớn trong các quá trình h ư h ỏng m ỏi. Do nhi ệt độ t ăng nên độ b ền m ỏi v ật li ệu trong các vi kh ối gi ảm xu ống, điều này t ạo điều ki ện thu ận l ợi cho s ự hình thành nh ững sự tr ượt d ẻo m ới, mà đến l ượt mình, l ại t ạo kh ả n ăng nâng cao nhi ệt độ . Quá trình xu ất hi ện v ết n ứt m ỏi g ồm vài giai đoạn (hình 1.1). Các v ết n ứt phát sinh ở nh ững giai đoạn đặ t t ải đầ u tiên t ại các gianh gi ới các kh ối tinh th ể nh ư
22. 8 là k ết qu ả s ự tr ượt d ẻo c ủa vài m ặt ph ẳng tinh th ể, song song v ới các tác độ ng các ứng su ất ti ếp tuy ến c ực đạ i, ngh ĩa là h ướng nghiêng m ột góc 45 0 v ới các ứng su ất kéo (các ứng su ất tám m ặt). Tu ỳ theo đị nh h ướng các m ầm tinh th ể, nh ững s ự tr ượt có th ể di ễn ra trong m ột m ặt ph ẳng, đồ ng th ời ở hai m ặt ph ẳng (hình 1.1 III a, b) ho ặc ở ba m ặt ph ẳng (hình 1.1 III c) [14]. a) b) c) I II III Hình 1.1. S ự đị nh h ướng các m ầm tinh th ể so v ới các l ực tác độ ng I, II - thu ận l ợi; III - không thu ận l ợi a b c d Hình 1.2 S ự xu ất hi ện các v ết n ứt m ỏi Ở m ột giai đoạn đặ t t ải nh ất đị nh, các t ầng kim lo ại gi ống nh ư là m ột b ức tranh kh ảm h ạt b ị bi ến d ạng d ẻo (hình 1.2a) và các h ạt ch ịu ứng su ất ít h ơn do s ự định h ướng thu ận h ơn các m ặt ph ẳng tinh th ể so v ới các ứng su ất ti ếp tuy ến. S ự bi ến d ạng d ẻo - đàn h ồi t ổng quát c ủa kim lo ại là do s ự giãn c ủa các h ạt b ị quá ứng su ất, do s ự tr ượt gi ữa các h ạt và do s ự xoay các h ạt v ới nhau. Sự hình thành các v ết n ứt m ầm k ết tinh trong ph ạm vi h ạt là k ết qu ả c ủa s ự tăng s ố l ượng có đị nh h ướng và s ự d ịch chuy ển (khu ếch tán) các bi ến d ạng l ỗ tr ống tới các ranh gi ới h ạt. T ốc độ khu ếch tán t ỷ l ệ v ới ứng su ất và nhi ệt độ và t ất nhiên là được s ự gia t ốc nh ờ s ự nung nóng t ế vi v ật li ệu. Sự tích t ụ l ỗ tr ống gây ra s ự phân tán c ấu trúc, làm xu ất hi ện các l ỗ r ỗ á t ế vi và hình thành các v ết n ứt đầ u tiên. Ở nh ững giai đoạn đầ u, quá trình có tính ch ất thu ận ngh ịch. Khi ứng su ất ng ừng tác độ ng (th ời k ỳ ngh ỉ), các l ỗ tr ống d ịch chuy ển theo h ướng d ịch l ại; nh ững lỗ tr ống tích t ụ d ần d ần tan đi, phân b ố đề u trong các vi kh ối c ủa h ạt; v ật li ệu tr ở lại tr ạng thái ban đầu. Có th ể đẩ y nhanh quá trình này b ằng cách t ăng nhi ệt độ . Các
23. 9 thí nghi ệm đã ch ứng minh, có th ể ch ữa các h ư h ỏng đầ u tiên b ằng cách ủ khu ếch tán (ram) ở 500- 600 0C. Nếu ứng su ất ti ếp t ục tác độ ng thì quá trình h ư h ỏng s ẽ phát tri ển. Các bi ến vị dần d ần lan to ả b ề m ặt h ạt (hình 1.2b). T ại đây, chuy ển độ ng c ủa chúng b ị ng ừng l ại ch ủ y ếu do s ự ng ăn ch ặn được t ạo b ởi s ự đị nh h ướng tinh th ể khác c ủa các h ạt k ề c ận; tính tái đị nh h ướng các m ặt ph ẳng k ết tinh d ẫn đế n s ự làm ngh ẽn tr ượt d ẻo. Một ch ướng ng ại khác là các l ớp xen gi ữa các h ạt (tính d ễ ch ẻ c ủa b ề m ặt) có được do s ự xu ất hi ện các t ạp ch ất b ởi m ạng tinh th ể - nguyên t ử bi ến d ạng mạnh, đôi khi khác h ẳn m ẫu d ạng m ạng tinh th ể h ạt. Hình thành các rào c ản gi ữa các m ặt, kìm hãm có hi ệu qu ả s ự lan to ả các h ư h ỏng. Để v ượt qua rào c ản này c ần ph ải có m ột ứng su ất r ất l ớn gây ra s ự tr ượt bên trong tinh th ể. Ở m ột giai đoạn nh ất đị nh s ẽ di ễn ra s ự phá v ỡ hàng lo ạt các bi ến v ị qua các lớp xen gi ữa các h ạt và s ự chuy ển v ết n ứt t ới h ạt k ề c ận. Ứng su ất đánh th ủng ph ụ thu ộc vào độ b ền l ớp xen gi ữa các h ạt và m ức tái đị nh h ướng các m ặt ph ẳng k ết tinh các h ạt k ề c ận. D ễ v ượt qua h ơn c ả là các l ớp xen gi ữa các h ạt có các m ặt ph ẳng k ết tinh đị nh h ướng nh ư nhau. Nh ưng hi ếm có các tr ường h ợp phân b ố k ề cận các tinh th ể đị nh h ướng nh ư nhau. Tr ị s ố trung bình c ủa ứng su ất c ần thi ết để v ượt qua rào c ản gi ữa các h ạt quy ết đị nh s ức b ền m ỏi c ủa v ật li ệu. Gi ới h ạn m ỏi có th ể được xem xét nh ư là m ức trung bình ứng su ất mà trong đó các v ết n ứt v ẫn còn trong ph ạm vi các h ạt và được ch ữa m ột ph ần ho ặc ch ữa hoàn toàn trong các giai đoạn ngh ỉ. Sức c ản c ủa v ật li ệu đố i v ới s ự tr ượt bên trong h ạt ph ụ thu ộc vào các tính ch ất c ơ lý c ủa v ật li ệu và vào c ấu trúc tinh th ể m ịn c ủa h ạt. Chuy ển độ ng c ủa các l ỗ tr ống b ị kìm hãm bởi s ự tích t ụ các nguyên t ử t ạp, bởi các gianh gi ới pha và gianh gi ới các thành ph ần c ấu trúc, b ởi các b ề m ặt c ủa các kh ối tinh th ể (s ự hình thành tinh th ể bên trong h ạt v ới kích th ước vài tr ăm micrômet). Ra kh ỏi ph ạm vi các h ạt, v ết n ứt phát tri ển t ăng vọt bi ến thành v ết n ứt nhìn th ấy được và đổi h ướng, ch ạy theo các đoạn v ật li ệu y ếu nh ất g ần nh ư vuông góc với h ướng tác độ ng c ủa các ứng su ất c ực đạ i (hình 1.2c). S ự phát tri ển v ết n ứt t ăng nhanh là do s ự t ập trung ứng su ất độ t ng ột xu ất hi ện ở n ền v ết n ứt. S ự nóng lên di ễn ra khi phá hu ỷ c ục b ộ đã làm m ềm kim lo ại, t ạo điều ki ện thu ận l ợi cho s ự lan to ả v ết n ứt. V ết n ứt nhìn th ấy được có th ể phát tri ển d ưới tác độ ng c ủa ứng su ất th ấp h ơn nhi ều so v ới các ứng su ất c ần thi ết để v ượt qua rào c ản gi ữa các h ạt, trong
24. 10 khi đó các ứng su ất c ần thi ết để làm lan to ả v ết n ứt s ẽ gi ảm b ớt theo m ức phát tri ển của v ết n ứt [14]. Một s ố l ượng l ớn các v ết n ứt phát tri ển đồ ng th ời (hình 1.2d). Vài v ết n ứt ch ạm ph ải ch ướng ng ại, d ừng l ại; Nh ững v ết n ứt khác ti ếp t ục phát tri ển. Ở m ột giai đoạn nh ất đị nh, quá trình b ị h ạn ch ế trong m ột ph ạm vi nh ất đị nh; ch ủ y ếu lan rộng m ột v ết n ứt ho ặc m ột nhóm v ết n ứt g ần nhau tr ội h ơn các v ết n ứt khác do trên đoạn đã cho t ập trung nhi ều khuy ết t ật v ật li ệu, do s ự quá ứng su ất c ục b ộ, ho ặc do sự đị nh h ướng không thu ận l ợi c ủa các tinh th ể so v ới các ứng su ất tác độ ng. Các vết n ứt g ần nhau liên k ết l ại t ạo ra h ệ phân nhánh sâu. Nh ững s ự tr ượt d ẻo m ới và các v ết n ứt không xu ất hi ện n ữa, còn nh ững gì đã k ịp hình thành thì ng ưng l ại ho ặc phát triển ch ậm do t ất c ả các bi ến d ạng đã ch ấp nh ận v ết n ứt chính. S ự lan to ả v ết nứt chính cu ối cùng d ẫn đế n s ự phá hu ỷ chi ti ết do gi ảm ti ết di ện th ực c ủa chi ti ết. Trái ng ược v ới giai đoạn đầ u, s ự xu ất hi ện các v ết n ứt bên trong h ạt và gi ữa các h ạt, phát triển trong m ột th ời gian dài, s ự phá hu ỷ k ết thúc di ễn ra m ột cách độ t ng ột và mang đặc tính c ủa s ự gãy giòn. Trên nh ững ch ỗ gãy m ỏi th ường phát hi ện được hai vùng. Vùng phát tri ển mỏi có b ề m ặt m ờ d ạng đồ s ứ, là đặc tính c ủa nh ững ch ỗ gãy có s ự phá hu ỷ k ết tinh tr ực giao tr ội h ơn. Ở các mép v ết n ứt th ường th ấy rõ nh ững đoạn bi ến c ứng được mi ết ph ẳng đế n m ức có độ ánh - đó là k ết qu ả c ủa s ự va đậ p, ép nén và mài mòn các thành v ết n ứt khi v ật li ệu bi ến d ạng tu ần hoàn. Vùng phá hu ỷ k ết thúc có bề m ặt tinh th ể mang đặc tính gãy giòn có s ự phá hu ỷ gi ữa các tinh th ể tr ội h ơn (ví dụ gãy va đập, gãy v ật li ệu giòn). Trong vùng phá hu ỷ th ường th ấy hoa v ăn d ải hình thành t ừ m ột lo ại các đường song song – các v ết chuy ển độ ng nh ảy v ọt c ủa v ết n ứt tu ỳ theo m ức tích t ụ hư h ỏng. Các v ết n ứt đầ u tiên h ầu nh ư luôn xu ất hi ện (ngo ại tr ừ các chi ti ết có khuy ết tật l ớn bên trong) ở l ớp b ề m ặt dày g ần b ằng ba ti ết di ện ngang c ủa h ạt ( đố i v ới thép, trung bình 0,05 – 0,20mm). Th ường xuyên h ơn c ả, các v ết n ứt được hình thành trong các h ạt b ề m ặt b ị h ư h ỏng do tác độ ng c ủa vi ệc gia công c ơ khí tr ước đó. Nh ư v ậy, l ớp b ề m ặt có ý ngh ĩa quy ết đị nh đố i v ới s ức b ền m ỏi. Th ứ nh ất, trong ph ần l ớn các d ạng đặ t t ải, l ớp b ề m ặt ph ải ch ịu ứng su ất c ực đạ i. S ự s ắp x ếp các nguyên t ử ở l ớp b ề m ặt dày đặc h ơn các l ớp n ằm d ưới. Do tác độ ng t ươ ng h ỗ với các l ớp n ằm d ưới ít dày đặc h ơn nên trong l ớp b ề m ặt xu ất hi ện các ứng su ất kéo và hình thành s ự phân tán là các ngu ồn th ế n ăng t ạo ra v ết n ứt. Th ứ hai, các h ạt kim lo ại đi t ới b ề m ặt, v ốn có các liên k ết kim lo ại ch ỉ m ột chi ều v ới kim lo ại n ằm bên d ưới, l ại có ho ạt tính cao, d ễ liên k ết v ới các h ạt c ủa môi
25. 11 tr ường xung quanh. Trên b ề m ặt hình thành các màng hút bám h ơi, khí ẩm, d ầu v.v ch ắc ch ắn mà không th ể lo ại tr ừ được b ằng các ph ươ ng pháp c ơ khí và hoá h ọc thông th ường. Các màng hút thu th ấm qua các v ết n ứt t ế vi vào sâu trong kim lo ại và phá v ỡ liên t ục c ủa kim lo ại và gây ra s ự y ếu l ớp sát b ề m ặt. Th ứ ba, c ần chú ý t ới các y ếu t ố công ngh ệ. L ớp b ề m ặt luôn b ị h ư h ỏng nhi ều ho ặc ít b ởi vi ệc gia công tr ước đó. Vi ệc gia công c ơ khí, v ề b ản ch ất, là quá trình bi ến d ạng d ẻo và phá hu ỷ kim lo ại, nó x ẩy ra cùng v ới s ự c ắt h ạt, làm tróc và bứt h ạt, cùng v ới s ự xu ất hi ện các v ết n ứt t ế vi và cùng v ới s ự xu ất hi ện ở các l ớp bề m ặt và sát b ề m ặt các ứng su ất kéo t ổng c ộng g ần t ới gi ới h ạn ch ảy c ủa v ật li ệu. Sự to ả nhi ệt khi gia công c ơ khí gây ra s ự tái k ết tinh m ột ph ần l ớp b ề m ặt, đôi khi còn đi v ới s ự bi ến đổ i pha và bi ến đổ i c ấu trúc. Khi nung nóng trong quá trình x ử lý nhi ệt, ở l ớp b ề m ặt th ường di ễn ra s ự thay đổi pha và thay đổi hoá h ọc ví d ụ trong các lo ại thép - s ự kh ử cacbon (phân hu ỷ xenmentit cùng v ới s ự hình thành l ớp v ỏ pherit không b ền). Th ứ t ư, b ề m ặt kim lo ại b ị t ấn công c ủa t ất c ả các d ạng ăn mòn g ặp trong khai thác gây ra nh ững h ư h ỏng ăn sâu lớp b ề m ặt. S ự ăn mòn th ường lan to ả theo các l ớp xen gi ữa các h ạt và theo các v ết n ứt t ế vi. Nh ư v ậy, ở l ớp b ề m ặt t ập trung nhi ều lo ại khuy ết t ật khác nhau nh ư khuy ết tật trông th ấy, khuy ết t ật t ế vi, khuy ết t ật á t ế vi do các y ếu t ố v ật lý, hoá h ọc, c ơ khí gây ra và nh ững khuy ết t ật không th ể tránh kh ỏi theo các điều ki ện công ngh ệ hình thành l ớp b ề m ặt, c ũng nh ư do vai trò đặc bi ệt c ủa l ớp bên ngoài nh ư là m ột b ề m ặt phân chia gi ữa kim lo ại và môi tr ường xung quanh. L ớp b ề m ặt là n ơi t ập trung ứng su ất vốn có c ủa t ừng chi ti ết. Có th ể làm gi ảm b ớt ảnh h ưởng c ủa nó b ằng m ột t ập hợp các bi ện pháp nh ưng không th ể lo ại b ỏ hoàn toàn. Tất c ả các y ếu t ố phá v ỡ tính liên t ục tính đồ ng nh ất c ủa l ớp b ề m ặt và t ạo ra các ngu ồn ứng su ất đứ t gãy cao đều t ạo điều ki ện thu ận l ợi cho s ự phát tri ển các vết n ứt đầ u tiên và làm gi ảm rõ r ệt độ b ền tu ần hoàn c ủa v ật li ệu. Ng ược l ại, s ự nén ch ặt (làm khít) c ấu trúc b ản ch ất phân tán c ủa l ớp b ề m ặt, t ạo các ứng su ất nén s ơ bộ trong l ớp b ề m ặt dù không sâu l ắm (bi ến c ứng, cán l ăn) c ũng nâng cao đáng k ể sức kháng t ải tr ọng tu ần hoàn c ủa v ật li ệu. 1.3 Độ b ền v ật li ệu c ủa k ết c ấu và các ch ỉ tiêu đánh giá Từ các công trình nghiên c ứu v ề độ b ền k ết c ấu ta nh ận th ấy độ b ền k ết c ấu là m ột đặ c tr ưng t ổng h ợp bao g ồm các ch ỉ tiêu độ b ền, độ tin c ậy và độ b ền lâu. Các ch ỉ tiêu độ b ền c ủa v ật li ệu được ch ọn theo điều ki ện làm vi ệc c ủa nó. Các ch ỉ tiêu độ b ền khi ch ịu t ải t ĩnh là gi ới h ạn b ền hay gi ới h ạn ch ảy, chúng đặ c tr ưng cho s ự ch ống l ại bi ến d ạng d ẻo c ủa v ật li ệu.
26. 12 Đa s ố các chi ti ết ch ịu t ải tu ần hoàn lâu dài. Ch ỉ tiêu độ b ền c ủa chúng là gi ới h ạn m ỏi σR (khi u ốn đố i x ứng σ- 1 ). Theo các ch ỉ tiêu đã ch ọn s ẽ tính ứng su ất làm vi ệc cho phép. Khi đó, độ b ền v ật li ệu càng cao thì ứng su ất làm vi ệc cho phép càng l ớn và do đó kích th ước và kh ối l ượng c ủa chi ti ết càng nh ỏ. Tuy nhiên, độ b ền v ật li ệu và c ũng là ứng su ất làm vi ệc cao, kéo theo vi ệc tăng bi ến d ạng đàn h ồi: εđh = σb/E, trong đó E là mô đun đàn h ồi pháp. Để h ạn ch ế bi ến d ạng đàn h ồi v ật li ệu c ần có mô đun đàn h ồi cao, đó là ch ỉ tiêu v ề tính b ền v ững của nó. Chính ch ỉ tiêu này, ch ứ không ph ải độ b ền, s ẽ đả m b ảo cho kích th ước c ủa các chi ti ết, các k ết c ấu và hình dáng c ủa chúng gi ữ được chính xác. Độ tin c ậy là tính ch ất c ủa v ật li ệu ch ống l ại phá hu ỷ giòn. Phá hu ỷ giòn gây ra s ự h ỏng b ất ng ờ chi ti ết khi đang làm vi ệc. Nó được xem là nguy hi ểm nh ất b ởi xảy ra v ới t ốc độ l ớn ở ứng su ất th ấp h ơn giá tr ị thi ết k ế, c ũng nh ư b ởi các h ậu qu ả nh ững tai h ại có th ể x ảy ra [2]. Để phòng ng ừa phá hu ỷ giòn, các v ật li ệu k ết c ấu c ần có đủ độ d ẻo ( δ, Ψ) và độ dai va đậ p. Tuy nhiên, các thông s ố c ủa độ tin c ậy, được xác đị nh trên các m ẫu thí nghi ệm không l ớn và không tính đến các điều ki ện làm vi ệc c ủa m ột chi ti ết c ụ th ể, ch ỉ nên dùng cho các v ật li ệu m ềm kém b ền. Đồ ng th ời, tham v ọng gi ảm l ượng kim lo ại c ủa k ết c ấu d ẫn đế n vi ệc s ử d ụng r ộng rãi h ơn các v ật li ệu b ền cao, và t ất nhiên, kém d ẻo h ơn v ới xu h ướng phá hu ỷ giòn cao h ơn. C ũng c ần tính đế n là trong điều ki ện làm vi ệc s ẽ có tác độ ng c ủa các y ếu t ố làm gi ảm thêm độ d ẻo và độ dai c ủa chi ti ết và t ăng thêm nguy c ơ phá hu ỷ giòn. Các y ếu t ố đó có th ể là n ơi t ập trung ứng su ất, nhi ệt độ th ấp, t ải độ ng, t ăng kích th ước chi ti ết (y ếu t ố kích th ước). Để tránh các s ự c ố độ t ng ột trong điều ki ện làm vi ệc, c ần tính c ả độ b ền n ứt của v ật li ệu. Đó là m ột nhóm các thông s ố v ề độ tin c ậy, đặ c tr ưng cho kh ả n ăng vật li ệu hãm l ại s ự phát tri ển c ủa v ết n ứt. Qua các công trình nghiên c ứu c ủa các nhà khoa h ọc cho th ấy, các v ật li ệu bền cao có m ột độ d ẻo xác đị nh, nên đối v ới chúng, nguy hi ểm th ực s ự không ph ải là các v ết n ứt kích th ước b ất k ỳ, mà ch ỉ khi v ết n ứt có chi ều dài t ới h ạn a. S ự phát tri ển v ết n ứt kích th ước tr ước t ới h ạn s ẽ b ị bi ến d ạng trong nó kìm hãm. Nh ưng khi có s ự ph ối h ợp xác đị nh gi ữa ứng su ất làm vi ệc và chi ều dài khuy ết tật thì tr ạng thái cân b ằng c ủa v ết n ứt b ị phá v ỡ và phá hu ỷ t ự phát s ẽ x ảy ra. Đánh giá độ tin c ậy c ủa các v ật li ệu b ền cao theo kích th ước khuy ết t ật cho phép (nh ỏ h ơn t ới h ạn), các nhà nghiên c ứu đã đư a ra ch ỉ tiêu K và được dùng nhi ều nh ất. Ch ỉ tiêu K g ọi là HSC ĐUS t ại đỉ nh v ết n ứt. Ch ỉ tiêu K đối v ới d ạng t ải sinh ra bi ến d ạng d ạng I (bi ến d ạng ph ẳng do kéo, t ại đó b ề m ặt c ủa v ết n ứt tách xa nhau ra theo ph ươ ng vuông góc v ới ph ươ ng
27. 13 dịch chuy ển c ủa v ết n ứt) được kí hi ệu là K I, còn khi đạt tr ị s ố t ới h ạn, lúc v ết n ứt ổn đị nh chuy ển sang không ổn đị nh, ký hi ệu là K IC . Tiêu chu ẩn K IC cho bi ết ứng su ất g ần đỉ nh v ết n ứt đạ t t ới giá tr ị (c ường độ ) nào t ại th ời điểm phá hu ỷ. Nó liên h ệ ứng su ất trung bình σtb đặt vào v ới chi ều dài t ới h ạn a c ủa v ết n ứt [2]: KIC= σ tb α. π . a (1.10) Trong đó: α - h ệ s ố không th ứ nguyên, đặc tr ưng cho hình h ọc c ủa v ết n ứt. 1/2 Từ bi ểu th ức (1.10) suy ra K IC có th ứ nguyên là MPa.mm . Tr ị s ố K IC được xác đị nh b ằng th ực nghi ệm theo tiêu chu ẩn nh ất đị nh. Đại l ượng K IC ph ụ thu ộc vào m ức độ bi ến d ạng d ẻo t ại đỉ nh v ết n ứt và đặc tr ưng kh ả n ăng ch ống l ại s ự phát tri ển c ủa v ết n ứt d ẻo/dai. Vì l ẽ đó ch ỉ tiêu K IC được g ọi là độ dai phá hu ỷ. Nó càng l ớn khi kh ả n ăng ch ống phá hu ỷ d ẻo và độ tin cậy c ủa v ật li ệu càng cao. Ngoài đặc tr ưng định tính cho độ tin c ậy, K IC còn b ổ sung cho các thông s ố σc và E khi tính độ b ền các chi ti ết làm t ừ v ật li ệu b ền cao . Nó cho phép xác định kích th ước an toàn c ủa v ết n ứt t ại m ột ứng su ất làm vi ệc nh ất đị nh, hay ng ược l ại, ứng su ất an toàn khi khuy ết t ật có kích th ước đã bi ết. Độ b ền lâu là tính ch ất v ật li ệu ch ống l ại s ự phát tri ển c ủa phá hu ỷ t ừ t ừ (t ừ ch ối d ần d ần), t ạo cho chi ti ết có kh ả n ăng làm vi ệc trong m ột th ời gian đị nh tr ước (d ự tr ữ). Nguyên nhân m ất kh ả n ăng làm vi ệc (t ừ ch ối d ần d ần) r ất đa d ạng: quá trình m ỏi phát tri ển, b ị mài mòn, rão, ăn mòn, r ộp do b ức x ạ .Các quá trình này s ẽ tích t ụ d ần các ch ỗ h ư h ỏng không h ồi ph ục được trong v ật li ệu và d ẫn t ới phá hu ỷ. T ạo độ b ền lâu cho v ật li ệu có ngh ĩa là làm gi ảm t ốc độ phá hu ỷ t ới các tr ị s ố c ần thi ết. Độ b ền m ỏi đặ c tr ưng cho kh ả n ăng làm vi ệc c ủa v ật li ệu trong điều ki ện chu trình ứng su ất được l ặp l ại nhi ều l ần. Chu trình ứng su ất là t ập h ợp nh ững bi ến đổ i ứng su ất gi ữa hai giá tr ị gi ới h ạn σmax và σmin c ủa nó trong m ột chy k ỳ T. Th ường phân bi ệt các chu trình đối x ứng (r = -1) và không đối x ứng (r thay đổi trong kho ảng r ộng). Các d ạng chu trình khác nhau đặc tr ưng cho các ch ế độ làm vi ệc khác nhau c ủa chi ti ết. Quá trình tích t ụ d ần d ần h ư h ỏng trong v ật li ệu d ưới tác độ ng c ủa các t ải tu ần hoàn, d ẫn t ới s ự thay đổ i tính ch ất c ủa nó, t ới s ự hình thành và phát tri ển các vết n ứt, t ới s ự phá hu ỷ, được g ọi là m ỏi; còn tính ch ống l ại phá hu ỷ do m ỏi g ọi là độ b ền m ỏi. Có th ể tóm t ắt phá hu ỷ m ỏi so sánh v ới phá hu ỷ t ĩnh có m ột lo ạt các đặ c điểm sau đây [2]: 1 - Nó x ảy ra ở ứng su ất khi t ải t ĩnh, nh ỏ h ơn gi ới h ạn ch ảy hay gi ới h ạn b ền t ĩnh. 2 - Phá hu ỷ b ắt đầ u trên b ề m ặt (ho ặc g ần đó), t ại các n ơi có t ập trung ứng su ất (bi ến d ạng) c ục b ộ. T ập trung ứng su ất c ục b ộ t ạo ra b ởi các h ư h ỏng b ề m ặt do t ải
28. 14 tu ần hoàn ho ặc do các rãnh khía d ạng v ết gia công, do tác độ ng c ủa môi tr ường. 3 - Phá hu ỷ x ảy ra theo m ột vài giai đoạn, đặc tr ưng cho các quá trình tích t ụ h ư hỏng trong v ật li ệu, s ự hình thành v ết n ứt m ỏi, s ự phát tri ển d ần d ần và h ợp nh ất của m ột vài v ết thành m ột v ết n ứt r ộng và s ự phá hu ỷ nhanh. 4 - Phá hu ỷ có m ột t ổ ch ức g ẫy đặ c tr ưng, ph ản ảnh l ần l ượt các quá trình c ủa mỏi. M ặt g ẫy bao g ồm ổ phá hu ỷ (n ơi sinh v ết n ứt t ế vi) và hai vùng-mỏi và g ẫy. Ổ phá hu ỷ ti ếp giáp ngay b ề m ặt, có kích th ước không l ớn và b ề m ặt nh ẵn. Vùng m ỏi do các n ấc phát tri ển v ết n ứt m ỏi t ạo ra. Trong vùng này th ấy rõ các n ếp nh ỏ có dạng các đường tròn, ch ứng t ỏ v ết n ứt m ỏi d ịch chuy ển theo t ừng b ước. Vùng m ỏi sẽ phát tri ển cho đế n khi trong mi ền ti ết di ện làm vi ệc đang nh ỏ d ần, ứng su ất t ăng đến m ức gây ra phá hu ỷ t ức th ời. Vùng g ẫy đặ c tr ưng cho giai đoạn phá hu ỷ cu ối cùng này. Dựa vào các k ết qu ả th ử m ỏi các m ẫu (theo các tiêu chu ẩn th ử nghi ệm) s ẽ đánh giá kh ả n ăng làm vi ệc c ủa v ật li ệu trong điều ki ện t ải tu ần hoàn. Th ử được ti ến hành trên các thi ết b ị đặ c bi ệt, t ạo ra t ải tu ần hoàn trong v ật li ệu (kéo - nén, uốn, xo ắn). M ẫu được thử l ần l ượt ở các m ức ứng su ất khác nhau, đồ ng th ời xác định s ố l ượng chu trình cho đến khi phá hu ỷ. K ết qu ả th ử được bi ễu di ễn ở d ạng đường cong m ỏi, trong to ạ độ loga: ứng su ất c ực đạ i c ủa chu trình σmax (ho ặc σa)- số chu trình t ải N. Qua nghiên c ứu ta nh ận th ấy đường cong m ỏi cho phép xác đị nh các ch ỉ tiêu mỏi sau đây: 1. Độ b ền tu ần hoàn – gi ới h ạn m ỏi v ật lý hay là gi ới h ạn m ỏi h ạn ch ế. Nó đặ c tr ưng cho kh ả n ăng có s ẵn trong v ật li ệu, t ức là ứng su ất t ối đa mà v ật li ệu có th ể ch ịu đự ng được trong m ột kho ảng th ời gian làm vi ệc xác đị nh. 2. Độ b ền tu ần hoàn lâu - s ố l ượng chu trình (hay là s ố gi ờ làm vi ệc) mà v ật li ệu có th ể ch ịu được cho đế n khi t ạo ra v ết n ứt m ỏi có độ l ớn xác đị nh ho ặc cho đế n khi x ảy ra phá hu ỷ m ỏi ở ứng su ất đã cho. Độ b ền lâu c ũng có th ể là không gi ới hạn (khi σmax σ-1). Đường cong m ỏi trong vùng độ b ền lâu h ạn ch ế được xác đị nh trên c ơ s ở gia công th ống kê các k ết qu ả th ử nghi ệm. Ph ải làm nh ư v ậy vì độ b ền lâu khá phân tán do nó r ất nh ạy v ới tr ạng thái b ề m ặt m ẫu. Độ b ền lâu và b ền m ỏi tu ần hoàn ph ụ thu ộc vào nhi ều y ếu t ố, trong đó t ổ ch ức, tr ạng thái ứng su ất l ớp b ề m ặt, ch ất l ượng b ề m ặt và tác động c ủa môi tr ường ăn mòn, có ý ngh ĩa quy ết đị nh. S ự có m ặt ứng su ất d ư nén trên b ề m ặt s ẽ làm cho vết n ứt m ỏi khó hình thành và phát tri ển, và t ất nhiên là t ăng gi ới h ạn m ỏi. Ảnh hưởng r ất x ấu là ứng su ất d ư kéo và các ki ểu t ập trung ứng su ất:
29. 15 - Do k ết c ấu - s ự thay đổ i hình dáng ti ết di ện chi ti ết: d ạng qu ả t ạ hai đầ u, l ỗ, kênh, tr ạm tr ổ.v.v - Do công ngh ệ - gh ồ gh ề t ế vi b ề m ặt, v ết x ước, và các v ết gia công c ơ khác; - Do luy ện kim - các khuy ết t ật bên trong d ạng l ỗ tr ống, x ỉ, t ạp phi kim (ôxit, sunfua. Silicat.v.v ). Ảnh h ưởng c ủa t ập trung ứng su ất được đánh giá b ằng h ệ s ố t ập trung ứng su ất hi ệu d ụng Kσ = σ −1 /σ −1k . Đó là t ỷ s ố gi ới h ạn m ỏi c ủa m ột m ẫu nh ẵn σ −1 và gi ới h ạn m ỏi c ủa chính m ẫu đó có t ập trung ứng su ất σ −1k . Gi ới h ạn m ỏi c ũng s ẽ gi ảm khi t ăng kích th ước chi ti ết (y ếu t ố kích th ước) và gi ảm m ạnh h ơn khi có ảnh h ưởng c ủa môi tr ường ăn mòn, gây ra h ư h ại b ề m ặt d ưới dạng các ch ỗ lõm sâu, các l ưới v ết n ứt và các ki ểu t ập trung ứng su ất khác. Ảnh h ưởng ph ối h ợp c ủa các y ếu t ố khác nhau đến gi ới h ạn m ỏi khi thi ết k ế được đánh giá b ằng h ệ s ố (Kσ )D = σ −1 / (σ −1k )D , nó cho bi ết s ố l ần mà gi ới h ạn mỏi c ủa m ẫu nh ẵn đường kính 10 mm l ớn h ơn gi ới h ạn m ỏi c ủa chi ti ết: (K σ )D = ( Kσ /ε σ + 1/ β - 1 ) (1/ βhb ) (1.11) trong đó: ε σ - y ếu t ố kích th ước, đặ c tr ưng s ự gi ảm kh ả n ăng đã có c ủa chi ti ết khi t ăng kích th ước ngang; β - h ệ s ố tính đế n ảnh h ưởng c ủa độ nhám b ề m ặt (trong môi tr ường ăn mòn được thay b ằng βawm ); βhb - h ệ s ố đặ c tr ưng hi ệu qu ả hoá bền b ề m ặt. Từ bi ểu th ức (1.11) suy ra r ằng, ảnh h ưởng c ủa các y ếu t ố đế n kh ả n ăng s ẵn có c ủa chi ti ết càng y ếu n ếu tr ị s ố c ủa các h ệ s ố Kσ , ε σ và β càng g ần b ằng 1 và h ệ số hoá b ền b ề m ặt βhb càng l ớn. Nh ư v ậy kh ả n ăng làm vi ệc c ủa v ật li ệu chi ti ết trong các điều ki ện s ử d ụng được đặ c tr ưng b ởi các ch ỉ tiêu độ b ền sau đây: [2] 1. Các ch ỉ tiêu độ b ền σb, σc, σ-1 quy định ứng su ất làm vi ệc cho phép, kh ối lượng và kích th ước c ủa chi ti ết khi bi ết độ b ền; 2. Mô đun đàn h ồi E, quy đị nh tr ị s ố bi ến d ạng đàn h ồi, t ức độ c ứng v ững c ủa chi ti ết, khi bi ết hình h ọc c ủa chi ti ết; 3. Độ d ẻo δ ,ψ , độ dai va đậ p, độ dai phá hu ỷ K IC , ng ưỡng nhi ệt độ giòn l ạnh T50 ; chúng đánh giá độ tin c ậy c ủa v ật li ệu khi làm vi ệc; 4. Độ b ền lâu tu ần hoàn, t ốc độ mài mòn, rão, ăn mòn; chúng s ẽ xác đị nh độ b ền lâu c ủa v ật li ệu. 1.4. Tæng quan vÒ ®Çu m¸y diesel truyÒn ®éng ®iÖn D19E vËn dông trªn ĐSVN 1.4.1. Khái quát v ề đầ u máy D19E
30. 16 Theo yêu c ầu phát tri ển c ủa ngành ĐSVN v ới m ục tiêu ph ấn đấ u kéo kho ẻ, ch ạy nhanh, rút ng ắn gi ờ ch ạy tàu, không ng ừng nâng cao ch ất l ượng v ận t ải, mà tr ọng điểm là tuy ến đường s ắt Th ống nh ất. Ngành ĐSVN đã h ợp đồ ng v ới Đường sắt Trung Qu ốc ch ế t ạo 40 đầu máy diesel T ĐĐ lo ại CKD 7F có ký hi ệu D19E. Được đưa vào Vi ệt Nam s ử d ụng t ừ n ăm 2002. B ộ ph ận ch ạy là giá chuy ển h ướng lo ại 3 tr ục v ới 13 t ấn / tr ục. Đầ u máy có thi ết k ế các h ệ th ống điều khi ển b ằng vi xử lý, h ệ th ống đón nh ận tín hi ệu t ự độ ng, h ệ th ống c ấp gió 2 đường và b ộ ph ận hãm điện tr ở Đầ u máy có k ết c ấu c ủa giá chuy ển h ướng hi ện đại, nh ưng ch ất lượng c ủa KGCH đầ u máy đợ t đầu đang v ận d ụng t ại Xí nghi ệp đầ u máy Hà N ội ch ưa đạt yêu c ầu Năm 2006 – 2007, Nhà máy xe l ửa Gia Lâm – Đường s ắt Vi ệt Nam, đã ti ến hành l ắp ráp 20 đầ u máy D19E trên c ơ s ở nh ập các t ổng thành t ừ Trung Qu ốc, giao cho Xí nghi ệp đầ u máy Hà N ội và Xí nghi ệp đầ u máy Sài Gòn, nâng t ổng s ố đầ u máy D19E c ủa m ỗi xí nghi ệp lên 30 máy Đầu máy D19E đang là s ức kéo ch ủ công trên tuy ến Đường s ắt th ống nh ất để kéo các t ầu khách . Quá trình khai thác v ận d ụng đã phát huy được nhi ều ưu điểm c ủa nó và đang được đánh giá cao. M ột vài nh ược điểm c ủa đầ u máy này cũng đã và đang được kh ắc ph ục tri ệt để . Song v ẫn có th ể kh ẳng đị nh được r ằng đầu máy D19E là lo ại đầ u máy có ch ất l ượng cao, công ngh ệ tiên ti ến, phù h ợp v ới kh ả n ăng, điều ki ện hi ện có và yêu c ầu, đặ c điểm v ận d ụng trên các tuy ến đường của ĐSVN. Qua vi ệc phân tích các đặ c điểm c ơ b ản nh ất c ủa b ộ ph ận ch ạy c ủa đầ u máy D19E là m ỗi đầ u máy có 2 giá chuy ển h ướng, m ỗi giá chuy ển h ướng có 3 b ộ TBX. Giá chuy ển h ướng c ủa đầ u máy có nhi ệm v ụ đỡ toàn b ộ ph ần tr ọng l ượng c ủa đầ u máy t ừ giá xe truy ền xu ống, đồng th ời truy ền các l ực kéo và l ực hãm t ừ bánh xe lên giá xe đầu máy. M ặt khác giá chuy ển h ướng còn ti ếp nh ận toàn b ộ các l ực tác dụng theo c ả hai ph ươ ng th ẳng đứng và n ằm ngang xu ất hi ện trong quá trình đầu máy chuy ển động để truy ền các l ực đó t ừ đầ u máy xu ống đường và ng ược l ại. Các bộ ph ận c ủa giá chuy ển h ướng làm vi ệc trong điều ki ện r ất n ặng nh ọc và ph ải th ực hi ện nh ững nhi ệm v ụ h ết s ức ph ức t ạp. Do đó nh ững giá chuy ển h ướng c ủa đầ u máy hi ện đại, có công su ất l ớn và t ốc độ cao ph ải tho ả mãn nh ững yêu c ầu v ề độ bền, độ tin c ậy, động l ực h ọc, b ảo d ưỡng s ửa ch ữa 1.4.2. Tình hình v ận d ụng đầ u máy D19E đang s ử d ụng trên ĐSVN Ngành ĐSVN đang khai thác 60 đầu máy D19E, sau th ời gian khai thác đầu máy D19E đã phát huy được hi ệu qu ả trong điều ki ện h ạ t ầng c ủa ĐSVN còn
31. 17 th ấp kém. Đây là lo ại đầ u máy có công su ất phù h ợp v ới h ướng phát tri ển c ủa toàn ngành Đường s ắt v ề s ức kéo. Qua th ống kê ta th ấy đầ u máy D19E có s ố km ch ạy bình quân trong m ột ngày là l ớn nh ất nh ưng tr ở ng ại ch ậm gi ờ tàu do nó gây ra l ại là nh ỏ nh ất. * Tình hình khai thác đầu máy D19E Hi ện nay có 40 đầ u máy đổ i m ớí D19E đang khai thác trên ĐSVN do nhà máy T ư D ươ ng Trung Qu ốc ch ế t ạo, ngành đường s ắt nh ập v ề theo 3 đợ t: - Đợt 1: G ồm 10 đầ u máy s ố hi ệu D19E 901-910, ti ếp nh ận và đư a vào qu ản lý, khai thác t ại Xí nghi ệp đầ u máy Hà N ội t ừ tháng 1/2002. - Đợt 2: G ồm 10 đầ u máy mang s ố hi ệu D19E 911-920, ti ếp nh ận và đư a vảo qu ản lý, khai thác ở Xí nghi ệp đầ u máy Sài Gòn t ừ tháng 12/2002. - Đợt 3: G ồm 20 đầ u máy mang s ố hi ệu D19E 921-940, ti ếp nh ận tháng 8/2004, đư a 10 Đầu máy t ừ 921-930 vào qu ản lý, khai thác t ại Xí nghi ệp đầ u máy Hà N ội t ừ tháng 8/2004; đưa 10 đầu máy t ừ 931-940 vào qu ản lý, khai thác t ại Xí nghi ệp đầ u máy Sài Gòn t ừ tháng 9/2004. * S ự c ố h ư h ỏng giá chuy ển h ướng đầ u máy D19E: Lô đầu tiên, sau khi khai thác được m ột n ăm, s ử d ụng được kho ảng h ơn 100 000 km thì phát hi ện n ứt xà d ọc chính t ại v ị trí l ắp ch ốt c ơ c ấu truy ền l ực kéo, vết n ứt phát sinh, phát tri ển vào tôn thép c ơ b ản c ủa xà d ọc KGCH. - Đầu máy D19E – 902 ngày 28 / 01 / 2003. km ch ạy: 113 091 km Phát hi ện KGCH có v ết n ứt ở t ấm đáy xà d ọc KGCH 1 - Đầu máy D19E – 907 ngày 10 / 02 / 2003. km ch ạy: 118 693 km Phát hi ện KGCH có v ết n ứt ở t ấm đáy xà d ọc KGCH 1 - Đầu máy D19E – 904 ngày 11 / 03 / 2003. km ch ạy: 135 874 km Phát hi ện KGCH có v ết n ứt ở t ấm đáy xà d ọc KGCH 1 - Đầu máy D19E – 904 ngày 10 / 8 / 2004. km ch ạy: 219 223 km Hình 1.3 V ết n ứt trên xà d ọc KGCH đầ u máy D19E s ố 902
32. 18 Phát hi ện KGCH có v ết n ứt t ại v ị trí chân đế l ắp gi ảm ch ấn r ắn bò trên t ấm đứng xà d ọc KGCH 2 - Đầu máy D19E – 902 ngày 07 / 04 / 2005. Sau khi gia cường. Phát hi ện KGCH có v ết n ứt t ại v ị trí chân đế l ắp gi ảm ch ấn r ắn bò trên t ấm đứng xà d ọc KGCH - Đầu máy D19E – 905 ngày 06 / 04 / 2005. km ch ạy: 230 786 km Phát hi ện KGCH có v ết n ứt t ại v ị trí chân đế l ắp gi ảm ch ấn r ắn bò trên t ấm đứng xà d ọc KGCH Nhà máy T ư D ươ ng - Trung Qu ốc đã kh ắc ph ục b ảo hành b ằng cách mang một s ố t ấm tôn thép và que hàn t ừ Trung Qu ốc sang để hàn táp vào các v ị trí n ứt và các v ị trí khác nghi là sung y ếu. Đồ ng th ời phía Trung Qu ốc t ổ ch ức m ột đoàn kh ảo sát g ồm các nhà khoa h ọc c ủa B ộ Đường s ắt Trung Qu ốc và Tr ường Đạ i h ọc Giao thông Tây Nam Thành Đô, mang theo thi ết b ị đo đạ c, kh ảo sát độ bi ến d ạng đàn h ồi t ại các v ị trí xung y ếu trên KGCH và bánh xe. Ngành ĐSVN đã t ạo điều ki ện, l ập các đoàn tàu theo yêu c ầu c ủa phía Trung Qu ốc, để ti ến hành kh ảo sát. Đồ ng th ời ngành ĐSVN c ũng t ổ ch ức m ời Vi ện C ơ h ọc Vi ệt Nam cùng ti ến hành đo đạc kh ảo sát độ c l ập, để có s ố li ệu đôi ch ứng v ới phía Trung Qu ốc. Ngày 06 / 4 / 2010 m ột trong 2 KGCH c ủa đầu máy 907 c ủa đợ t đầu tiên đã được phía Trung Qu ốc kh ắc ph ục các v ị trí xung y ếu l ại xu ất hi ện các v ết n ứt dài qua t ấm c ạnh và t ấm d ấy d ưới c ủa xà d ọc KGCH Vì v ậy lu ận án ch ỉ t ập trung nghiên c ứu ch ủ y ếu cho đối t ượng là lo ại đầ u máy D19E đại di ện cho các đầ u máy diesel T ĐĐ đang khai thác trên ĐSVN. Hình 1.4 V ết n ứt trên t ấm c ạnh ngoài và t ấm đáy c ủa xà d ọc KGCH s ố 907 1.5. Tình hình v ề v ấn đề nghiên c ứu ở trong và ngoài n ước 1.5.1 Tình hình nghiên c ứu v ấn đề ở ngoài n ước
33. 19 Hi ện nay các nghiên c ứu v ề m ỏi trên th ế gi ới khá đa d ạng và phong phú v ới các tr ường phái khác nhau các ph ươ ng pháp khác nhau. M ỗi tr ường phái, m ỗi ph ươ ng pháp nghiên c ứu đề u c ần đế n nhi ều lo ại thi ết b ị và thí nghi ệm khác nhau, d ẫn đế n vi ệc nghiên c ứu ngày càng ph ức t ạp và t ốn kém. M ặc dù v ậy k ết qu ả nghiên c ứu theo các ph ươ ng pháp khác nhau nhi ều khi không mang l ại các k ết qu ả nh ư nhau. Liên quan t ới l ĩnh v ực nghiên c ứu v ề m ỏi c ủa k ết c ấu trên đầu máy, toa xe nói chung và trên đầu máy nói riêng, có th ể điểm qua m ột s ố công trình sau đây: a. M ột s ố n ước nh ư Australia, M ỹ, Nh ật đã dùng gi ản đồ Haigh để tính độ bền m ỏi và tính toán phá hu ỷ m ỏi c ủa TBX đầ u máy. Đường th ẳng Goodman trên gi ản đồ Haigh hình 1.5 có th ể được coi là đường x ấp x ỉ c ủa các s ố gia ứng su ất mà v ật li ệu có th ể ch ịu đự ng được trong th ời gian vô t ận. Biên độ ứng su ất σa Re σa=R eσm R= 1 +σmax σmin N=10 σmin ứng su ất nh ỏ nh ất 4 0 0 R= ∞ 5 ứng su ất l ớn nh ất σmax N=10 R=0 +σ σmax min R=+ ∞ σW Goodman R=1 R=1 R Rm 0 e R (σ ) e dF ứng su ất trung b ình σm Hình 1.5 Gi ản đồ Haigh σ −σ σ +σ Nh ư đã bi ết σ = max min ; σ = max min a 2 m 2 1− R Và cùng v ới t ỷ l ệ ứng su ất , ta có th ể tính được : σ = .σ a 1+ R m Cách di ễn t ả theo Haigh có ưu điểm là các s ố gia ứng su ất có th ể nh ận ra được cho nhi ều h ệ s ố phi đố i x ứng c ủa chu trình ứng su ất R khác nhau. Các đường với các giá tr ị t ải tr ọng l ớn nh ất b ằng nhau σmax và các giá tr ị t ải tr ọng nh ỏ nh ất 0 bằng nhau σmin lập ra nh ững đường th ẳng nghiêng v ới góc 45 nằm trên hai tr ục ứng su ất σa và σm. Mu ốn tìm được nh ững giá tr ị b ền m ỏi cho nh ững t ỷ l ệ ứng su ất nào đó, trong tr ường h ợp ch ỉ bi ết được giá tr ị độ b ền m ỏi σW với t ải tr ọng đố i x ứng (R = -1), ng ười ta có th ể d ựa vào đường th ẳng Goodman và tính x ấp x ỉ nh ư sau:  σ   m  σ D = σ ¦W 1−  (1.12)  Rm 
34. 20 Trong đó: σm là ứng su ất trung bình Rm là gi ới h ạn b ền kéo b. M ột s ố n ước nh ư Australia, Trung Qu ốc, Nh ật đã tính độ b ền m ỏi và tính toán phá hu ỷ m ỏi c ủa TBX đầ u máy, c ăn c ứ theo t ốc độ phát tri ển c ủa v ết n ứt xác định b ằng th ực nghi ệm, xây d ựng đường cong bi ểu th ị quan h ệ gi ữa t ốc độ v ết n ứt mỏi phát tri ển và s ố gia h ệ s ố c ường độ ứng su ất da/dN - ∆K c ủa v ật li ệu kim lo ại trong h ệ to ạ độ đố i s ố. Đường cong da/dN - ∆K chia thành 3 vùng: Vùng 1, ∆K ∆Kth vết n ứt phát tri ển theo qui lu ật da/dN = C( ∆K) . Vùng 3 v ết n ứt m ỏi phát tri ển nhanh chóng và d ẫn đế n phá hu ỷ k ết c ấu [29]. c. Trong quy ph ạm FKM c ủa C ộng Hoà Liên Bang Đức, độ b ền m ỏi c ủa v ật li ệu được tính toán qua biên độ c ủa độ b ền vô t ận c ủa c ấu trúc và h ệ s ố độ b ền làm vi ệc [11]. Quy ph ạm FKM chia c ấu trúc ra ba lo ại hình d ạng khác nhau: C ấu trúc dạng thanh; C ấu trúc d ạng t ấm; C ấu trúc d ạng kh ối. Cụ th ể nh ư v ới c ấu trúc d ạng thanh, độ b ền làm vi ệc c ủa c ấu trúc σBK , τBK được phân bi ệt và tính nh ư sau: σBK = K BK .σAK (1.13) τBK = K BK .τAK Trong đó: KBK - hệ s ố độ b ền làm vi ệc σBK , τBK – biên độ c ủa gi ới h ạn m ỏi c ủa c ấu trúc H ệ s ố b ền làm việc được xác đị nh cho hai tr ường h ợp t ải tr ọng: - Đối v ới t ải tr ọng dao độ ng v ới m ột biên độ: Xác đị nh theo đường cong tu ổi th ọ S – N c ủa c ấu trúc - Đối v ới t ải tr ọng dao độ ng thay đổ i b ất k ỳ: Xác đị nh theo lu ật tính Miner c ơ b ản. d. Vi ện khoa h ọc đường s ắt Trung Qu ốc đã ti ến hành ki ểm tra độ ng l ực h ọc và ứng su ất độ ng l ực khung giá chuy ển h ướng đố i v ới đầ u máy D19E 903 trên tuy ến Hà N ội - Đà N ẵng. Vi ệc đánh giá độ b ền m ỏi và đánh giá tu ổi th ọ được th ực hi ện theo s ơ đồ m ỏi c ơ b ản Goodman, sau đây là thông s ố ki ểm tra và k ết lu ận t ại điểm 34 trên t ấm đứ ng c ủa xà bên b ề m ặt gi ảm ch ấn cho trong b ảng 1.1[15]: - Đánh giá ứng su ất độ ng l ực: Vi ệc ki ểm tra này s ử d ụng lí thuy ết h ư h ỏng tuy ến tính m ỏi để tính d ải ứng su ất t ươ ng đươ ng v ới h ư h ỏng ph ổ ứng su ất trong đo đạc th ực t ế v ới đường cong S - N. - Đối v ới k ết qu ả th ực hi ện: T ừ thông s ố c ủa điểm ki ểm tra 34 trên t ấm đứ ng và k ết lu ận ki ểm tra, tu ổi th ọ c ủa t ấm này s ẽ v ượt quá 3 000 000 km. - Phân tích v ết n ứt: Góc bù gi ữa b ề m ặt đường hàn và b ề m ặt t ấm n ối là quá nh ỏ t ạo ra ứng su ất t ập trung, vì v ậy trong quá trình v ận hành đầu máy, ngu ồn t ạo ra v ết n ứt là có t ừ tr ước và đựơc m ở r ộng ra.
35. 21 B ảng 1.1: Các s ố li ệu ứng su ất đo được trên KGCH c ủa Trung Qu ốc Số điểm Ứng su ất độ ng l ực 34 Ứng su ất độ ng l ực 34 ki ểm tra (kéo hành khách ) (kéo hàng hoá ) Ph ạm vi Ứng su ất Ph ạm vi Ứng su ất Cấp ứng ứng su ất danh định Tần s ố ứng su ất danh định Tần s ố su ất (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) 1 0-5 2,5 555380 0-5 2,5 370749 2 5~10 7,5 432136 5~10 7,5 313946 3 10~15 12,5 141285 10~15 12,5 80928 4 15~20 17,5 27292 15~20 17,5 19696 5 20~25 22,5 7418 20~25 22,5 3138 6 25~30 27,5 1280 25~30 27,5 216 7 30~35 32,5 237 30~35 32,5 77 8 30~35 32,5 80 35~40 37,5 56 9 35~40 37,5 32 40~45 42,5 27 10 40~45 42,5 19 45~50 47,5 22 11 45~50 47,5 4 50~55 52,5 17 12 50~55 52,5 6 55~60 57,5 10 13 55~60 57,5 4 60~65 62,5 4 14 60~65 62,5 1 65~70 67,5 3 15 65~70 67,5 2 70~75 72,5 1 16 70~75 72,5 0 75~80 77,5 1 17 75~80 77,5 1 80~85 82,5 2 18 85~90 87,5 0 19 95~100 97,5 1 Tu ổi th ọ Trên 3 000 000 km Trên 3 000 000 km ước tính e. M ột s ố n ước đã thí nghi ệm để xác đị nh gi ới h ạn m ỏi, t ốc độ lan truy ền v ết n ứt mỏi và độ dai phá h ủy c ủa v ật li ệu theo các tiêu chu ẩn khác nhau. Nh ưng khi xác định t ốc độ lan truy ền v ết n ứt mỏi và độ dai phá h ủy c ủa v ật li ệu th ường th ử nghi ệm trên các m ẫu có rãnh khía v ới m ột v ết n ứt m ỏi được t ạo ra ở đáy c ủa rãnh đó. M ột s ố nước đã th ử nghi ệm theo tiêu chu ẩn ASTM E 399 – 90 và ASTM E 467 [32]. f. Vi ệc tính toán độ b ền m ỏi c ủa v ật li ệu ở Liên Xô tr ước đây và C ộng hoà Liên bang Nga ngày nay đã được qui đị nh trong tiêu chu ẩn 25.504-82 c ủa Nga và d ựa trên lý thuy ết đồ ng d ạng th ống kê phá h ủy m ỏi để tính cho các chi ti ết th ực có kích th ước t ươ ng đối l ớn, có k ể t ới nhi ều y ếu t ố ảnh h ưởng khác nhau.[14]. 1.5.2. Tình hình nghiên c ứu v ấn đề ở trong n ước Các công trình nghiên c ứu v ề m ỏi ở trong n ước nói chung và trong l ĩnh v ực c ơ khí nói riêng còn r ất khiêm t ốn. Tuy nhiên v ẫn có th ể k ể ra nh ững tác gi ả nghiên c ứu v ề mỏi ở trong n ước: GS.TS Nguy ễn Tr ọng Hi ệp; PGS,TS Phan V ăn Khôi; PGS.TS Ngô Văn Quy ết và các c ộng s ự Trong m ột s ố l ĩnh v ực đã có m ột s ố công trình nghiên cứu v ề m ỏi đố i v ới k ết c ấu khung giá và k ết c ấu lò xo trên ôtô, trong máy xây d ựng, dầu khí Trong l ĩnh v ực c ơ khí đường s ắt, các nghiên c ứu v ề m ỏi càng ít ỏi.
36. 22 a. Đánh giá tu ổi th ọ m ỏi c ủa k ết c ấu KGCH Đầ u máy D9E v ận d ụng trên ĐSVN theo gi ả thuy ết tích lu ỹ tuy ến tính các t ổn th ươ ng m ỏi Công trình đáng l ưu ý nh ất đó là đề tài Nghiên c ứu khoa h ọc c ấp B ộ B2000-35- 106T Đ “Nghiên c ứu th ử nghi ệm và đánh giá độ b ền giá chuy ển h ướng đầ u máy D9E v ận d ụng trên đường s ắt Vi ệt Nam” do GS.TS. Đỗ Đứ c Tu ấn ch ủ trì. Đề tài đã tính m ỗi b ậc ứng su ất cao h ơn gi ới h ạn m ỏi đề u gây ra m ột ph ần tổn th ươ ng cho v ật li ệu. S ố đo t ổn th ươ ng do b ậc ứng su ất th ứ i gây ra, (i = 1,2, ,m) có quan h ệ t ới s ố chu trình ứng su ất, và được xác đị nh b ằng t ỷ s ố: ni Di = , (1.14) Ni trong đó: ni- s ố l ượng chu trình ứng su ất mà ph ần t ử ph ải ch ịu t ươ ng ứng v ới s ố gia hay v ới m ức ứng su ất σ i không đổi; Ni- s ố l ượng chu trình d ẫn t ới phá hu ỷ m ỏi t ươ ng ứng v ới gi ới h ạn m ỏi h ạn ch ế σ i , được xác đị nh theo đường cong m ỏi. Theo tài li ệu [24] thì quan h ệ bi ểu th ị s ự tích lu ỹ t ổn th ươ ng m ỏi cho đế n khi m   ni phá h ỏng k ết c ấu nh ư sau: N ếu D = ∑   là t ỷ s ố các chu trình quá kh ứ, thì h ệ s ố i=1  N i  bi ểu th ị tu ổi th ọ còn l ại c ủa chi ti ết ho ặc b ộ ph ận k ết c ấu là m  n   i  DCL = 1− ∑   , (1.15) i=1  N i  Trong th ực t ế, th ường s ử d ụng nhi ều tiêu chuẩn đánh giá m ức độ tích lu ỹ t ổn th ươ ng m ỏi khác nhau, tu ỳ theo môi tr ường và điều ki ện làm vi ệc c ủa k ết c ấu. Tiêu chu ẩn đó còn được g ọi là t ổn th ươ ng m ỏi cho phép [D]. Trong tr ường h ợp này, điều ki ện không phá hu ỷ m ỏi c ủa ph ần t ử k ết c ấu có d ạng: n   ni D = ∑   ≤ [D], (1.16) i =1  N i  Nếu ký hi ệu t ổng s ố chu trình ứng su ất độ ng đã tích lu ỹ là n tl , còn m ức độ tổn th ươ ng đã tích lu ỹ là D tl thì tu ổi th ọ m ỏi c ủa k ết c ấu (hay nói khác, s ố chu trình làm vi ệc đế n phá hu ỷ m ỏi) là: ntl .Dcl ntl .{[D]− Dtl } N cl = = , (1.17) Dtl Dtl Thông th ường, các chi ti ết và k ết c ấu làm vi ệc trong môi tr ường t ự nhiên (ti ếp xúc v ới không khí) và d ễ ti ếp c ận cho vi ệc b ảo d ưỡng, s ửa ch ữa thì [D] =1,0. Các chi ti ết và k ết c ấu quan tr ọng làm vi ệc trong vùng ng ập n ước và không th ể ti ếp cận để s ửa ch ữa thì [D] = 0,3 ÷ 0,6.
37. 23 Để đả m b ảo tính khách quan và bao quát được nhi ều y ếu t ố ảnh h ưởng, trong tr ường h ợp này đề xu ất s ử d ụng đồ ng th ời c ả hai tiêu chu ẩn ki ểm nghi ệm, tức là 0,85 ≤ [D] ≤ 1,0 nh ằm t ạo ra gi ới h ạn trên và gi ới h ạn d ưới v ề tu ổi th ọ m ỏi còn l ại c ủa k ết c ấu. C ần l ưu ý r ằng ch ỉ tiêu [D] = 0,85 trong m ột ch ừng m ực nào đó có th ể ch ỉ mang tính ch ất tham kh ảo. b. Đánh giá độ b ền m ỏi KGCH đầ u máy D19E - Vi ện C ơ h ọc Vi ệt Nam Năm 2003, Vi ện C ơ h ọc Vi ệt Nam đã th ực hi ện các công vi ệc kh ảo sát, ti ến hành đo đạc ki ểm tra tr ạng thái ứng su ất – bi ến d ạng độ ng trên KGCH đầu máy D19E – 903 và D19E – 907 kéo tàu hàng và tàu khách trên tuy ến Hà N ội - Đà Nẵng - Hà N ội. K ết qu ả đo ki ểm tra t ại các điểm nh ạy c ảm v ới tr ạng thái t ập trung ứng su ất đã được th ống kê ở nh ững tình hu ống v ận hành điển hình c ủa đầ u máy, trong b ảng 1.2 và ở m ột s ố khu gian đặ c tr ưng cho các tình hu ống v ận hành điển hình c ủa đầ u máy cho trong ph ụ l ục 1[1]. B ảng 1.2 Các s ố li ệu th ống kê ứng su ất đo được c ủa Vi ện C ơ h ọc khi đầ u máy D19E 903 v ượt đèo Khe Nét. max max 2 Điểm đo ε m (µm/m) δε m (µm/m) 2εa (µm/m) σm (kgf/cm ) A10 92 120 106 193,2 P2 57 155 119 119,7 A11 20 36 50 42,0 P4 80 135 164 168,0 A1 26 135 108 54,6 A2 87 102 81 182,7 P7 140 133 151 294,0 A9 160 206 187 336,0 Hình 1.6 S ơ đồ v ị trí các điểm đo ki ểm tra trên KGCH đầu máy D19E - 903
38. 24 Từ các k ết qu ả đo ki ểm tra tr ạng thái ứng su ất - bi ến d ạng độ ng t ại các điểm đo trên KGCH đầu máy D19E - 903 và D19E - 907 cho th ấy chúng đề u mang đặ c tính của các chu trình không đối x ứng. Theo đặ c tính c ụ th ể c ủa k ết c ấu và trong nh ững điều ki ện đặ c thù tr ạng thái ứng su ất c ục b ộ t ại điểm nào đó c ủa v ật li ệu có th ể tr ở thành d ạng b ị kéo theo c ả 3 chi ều đế n m ức làm cho bi ến d ạng d ẻo b ị ức ch ế và v ết n ứt xu ất hi ện ngay c ả khi v ật li ệu v ẫn hoàn toàn n ằm trong gi ới h ạn đàn h ồi. Nh ư v ậy, v ới s ự suy gi ảm đáng k ể các giá tr ị m ốc σ-1 → σR ; σb → R σ ; Khi đó, vùng n ằm trong gi ới h ạn m ỏi cho phép (không b ị phá hu ỷ m ỏi trong th ời gian được định l ượng theo thi ết k ế) s ẽ b ị thu h ẹp l ại đáng k ể. Gi ả s ử, σ-1 bị suy gi ảm t ừ 50 ÷ 70 %. Khi đó trên bi ểu đồ hình 1.9 và hình 1.10, vùng phân b ố các điểm tr ạng thái ứng su ất t ại các điểm đo có s ự giao c ắt v ới đường cong gi ới h ạn phía trong. Điều đó đồ ng ngh ĩa v ới vi ệc có kh ả n ăng xu ất hi ện v ết n ứt mỏi t ại m ột vùng nào đó vào th ời gian r ất ng ắn so v ới tu ổi th ọ thi ết k ế. σmax/min σa 5000 4000 4000 3000 3000 2000 2000 100 0 1000 Σσ Σσ 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Hình 1.7. Bi ểu đồ Goodman - Gerber Hình 1.8. Bi ểu đồ Kuay c. Tính toán độ b ền m ỏi KGCH c ủa các tài li ệu gi ảng d ạy và h ọc t ập Đối v ới KGCH, hi ện t ượng h ư h ỏng ph ổ bi ến nh ất là do phá h ỏng vì m ỏi. KGCH không nh ững ch ịu tác d ụng c ủa nh ững t ải tr ọng không đổ i mà còn ch ịu tác dụng c ủa các ứng su ất bi ến thiên xu ất hi ện do dao độ ng c ủa đầ u máy, c ủa các k ết cấu trên lò xo, c ũng nh ư dao động c ủa các b ộ ph ận d ưới lò xo nh ư tr ục bánh, độ ng cơ điện kéo và b ản thân khung giá. Các l ực c ũng nh ư các ph ản l ực tác d ụng vào khung giá còn thay đổi c ả theo th ời gian, nh ững s ự thay đổ i đó ph ụ thu ộc r ất nhi ều vào các y ếu t ố nh ư: v ận t ốc chuy ển độ ng c ủa Đầ u máy, ch ất l ượng đường, k ết c ấu của b ộ ph ận ch ạy Ký hi ệu h ệ s ố t ập trung ứng su ất có k ể t ới nh ững y ếu t ố ảnh h ưởng nêu trên bằng (k σ)D. Đã xác định được hệ s ố d ự tr ữ độ b ền m ỏi s σ nh ư sau [3]:
39. 25  φ  σ −1  σ  + σ t 1 −  ()k σ D  ()k σ D  sσ = (1.18) σ t + σ a trong đó: σ-1 là gi ới h ạn m ỏi c ủa v ật li ệu φσ là h ệ s ố độ nh ạy c ủa v ật li ệu ứng v ới chu trình không đối x ứng Hệ s ố d ự tr ữ độ b ền m ỏi s σ ph ụ thu ộc vào độ chính xác c ủa vi ệc xác đị nh các lực tác d ụng lên khung giá và độ chính xác c ủa vi ệc xác đị nh h ệ s ố t ập trung ứng su ất, vào ch ất l ượng v ật li ệu và ch ất l ượng gia công. V.B.Model đề ngh ị xác đị nh k1k 2 hệ s ố (k σ)D theo công th ức sau: (k σ)D = k σ. β (1.19) trong đó: k 1 - h ệ s ố tính t ới độ không đồ ng nh ất c ủa v ật li ệu k2 - h ệ s ố tính t ới n ội ứng su ất kσ - h ệ s ố t ập trung ứng su ất β - h ệ s ố tính t ới ch ất l ượng b ề m ặt gia công Hệ s ố (k σ)D ph ụ thu ộc vào s ự ảnh h ưởng đồ ng th ời c ủa s ự t ập trung ứng su ất được th ể hi ện b ằng h ệ s ố t ập trung ứng su ất k σ, vào ch ất l ượng c ủa b ề m ặt gia công, có th ể tính theo công th ức: 1 (k σ)D = k σ + β - 1 (1.20) Hệ s ố k 1 đối v ới kim lo ại cán và rèn có th ể l ấy b ằng 1,1 Hệ s ố k 2 được xác đị nh trong kho ảng 1 ÷ 1,2 Hệ s ố β ph ụ thu ộc vào độ bóng c ủa m ặt gia công và s ức b ền t ức th ời c ủa v ật li ệu σb, β có th ể xác đị nh nh ờ đồ th ị trong giáo trình “S ức b ền v ật li ệu” và các “S ổ tay k ỹ thu ật”. Hệ s ố t ập trung ứng su ất th ực t ế k σ ph ụ thu ộc vào r ất nhi ều y ếu t ố. Medel cho rằng, khi ch ế t ạo khung giá t ừ các xà bên và xà ngang là các t ấm thép d ập đị nh hình với điều ki ện là đã xem xét k ỹ cách liên k ết c ủa chúng thì có th ể l ấy k σ = 3. Trong th ực t ế khi tính toán ng ười ta th ường coi t ải tr ọng là đơ n gi ản, ngh ĩa là t ỉ số gi ữa σt và σa là không đổi. Khi đó h ệ s ố d ự tr ữ độ b ền có th ể tính theo công th ức: σ −1 sσ = (1.21) ()kσ D .σ B + σ Tφσ Đối v ới các k ết c ấu hàn có th ể l ấy s σ ≥ 2, còn tr ị s ố (k σ)D = k σ. Trên c ơ s ở c ủa các m ẫu th ử nghi ệm, h ệ s ố d ự tr ữ độ b ền ph ải l ấy s σ ≥ 2. Đối với KGCH l ấy s σ = 2 ÷ 2,5. Các ứng su ất nh ận được ph ải nh ỏ h ơn ứng su ất cho phép c ủa v ật li ệu. H ệ s ố an toàn ph ải l ớn h ơn h ệ s ố an toàn cho phép. d. Tính toán độ b ền m ỏi TBX c ủa các tài li ệu gi ảng d ạy và h ọc t ập Khi Đầu máy chuy ển độ ng, các t ải tr ọng tác d ụng lên tr ục bánh xe thay đổ i cả v ề chi ều và tr ị s ố m ột cách tu ần hoàn. Tr ục l ại là chi ti ết có nhi ều ch ỗ m ối ghép,
40. 26 có nhi ều góc l ượn chuy ển ti ếp vì th ế d ễ phát sinh v ết n ứt do m ỏi. Tr ục bánh xe là chi ti ết đặc bi ệt có ý ngh ĩa quan tr ọng v ề m ặt an toàn khi v ận hành, do đó yêu c ầu ph ải tính toán h ết s ức c ẩn th ận và ph ải đả m b ảo h ệ s ố an toàn cao. M ặt khác để đả m b ảo tính n ăng độ ng l ực và ti ết ki ệm v ật li ệu tr ục bánh xe ph ải có kích th ước nh ỏ g ọn và tr ọng l ượng nh ẹ nh ất. Khi tính toán tr ục theo độ b ền m ỏi, ch ế độ làm vi ệc trung bình c ủa tr ục có th ể lấy theo t ốc độ k ỹ thu ật c ủa đầ u máy. Đố i v ới đầ u máy hàng có th ể l ấy b ằng 50 ÷ 60 km/h. Đối v ới đầ u máy kéo khách có th ể l ấy kho ảng 80 ÷ 90 km/h. Ảnh h ưởng c ủa mômen xo ắn và mômen u ốn trong m ặt ph ẳng n ằm ngang ở các giá tr ị t ốc độ trên không l ớn và có th ể b ỏ qua, khi đó ch ỉ c ần xét đế n mô men u ốn trong m ặt ph ẳng th ẳng đứ ng. H ệ s ố độ ng l ực theo ph ươ ng th ẳng đứ ng có th ể xác đnh theo công th ức [3]: V Kd = 0,1 + 0,2 (1.22) ft Trong đó: V - v ận t ốc c ủa đầ u máy (km/h) ft - độ nhún t ĩnh c ủa h ệ th ống lò xo giá chuy ển (mm). e. Th ử nghi ệm xác đị nh GHBM m ẫu v ật li ệu KGCH và TBX Đầu máy D9E Trong đề tài Nghiên c ứu khoa h ọc, c ấp B ộ mã s ố B2000-35-106 T Đ. Tr ường Đại h ọc Giao thông V ận t ải. Hà N ội 2000 do GS. Đỗ Đứ c Tu ấn làm ch ủ nhi ệm đề tài. Đã th ử nghi ệm m ỏi các m ẫu v ật li ệu theo ph ươ ng pháp thí nghi ệm m ỏi m ột bậc, u ốn thu ần túy, chu trình đối x ứng, v ới 4-5 m ức ứng su ất cho t ới khi m ẫu b ị phá h ủy. Đề tài đã xây d ựng ph ươ ng trình đường cong m ỏi v ật li ệu KGCH và TBX đầu máy D9E và đã xác định GHBM m ẫu v ật li ệu: 2 6 Với KGCH: σ-1 = 1800 daN/cm ; N 0 = 2.10 2 7 Với TBX: σ-1 = 2040 daN/cm ; N 0 = 2.10 1.6. M ục tiêu, h ướng, ph ươ ng pháp và n ội dung nghiên c ứu c ủa đề tài Giao thông v ận t ải đường s ắt là m ột trong các hình th ức giao thông v ận t ải quan tr ọng nh ất c ủa xã h ội phát tri ển. Ngành ĐSVN đang ứng d ụng nh ững ti ến b ộ mới c ủa khoa h ọc và công ngh ệ nh ằm t ừng b ước đẩ y m ạnh s ự nghi ệp công nghi ệp hoá và hi ện đạ i hoá. V ừa qua ngành ĐSVN đã ch ế t ạo và l ắp ráp thành công đoàn tàu kéo đẩy. Ch ủ tr ươ ng c ủa ngành là ti ếp t ục ch ế t ạo, s ản xu ất ra nh ững đoàn tàu theo yêu c ầu c ủa giao thông v ận t ải đường s ắt ngày càng có ch ất l ượng cao. M ặt khác, vi ệc nâng cao an toàn và t ốc độ ch ạy tàu đối v ới các trang thi ết b ị hi ện có là ch ủ tr ươ ng l ớn đang được ngành th ực hi ện. Đợt đầ u tiên g ồm 10 Đầ u máy s ố hi ệu D19E 901 – 910, ti ếp nh ận và đư a vào qu ản lý, khai thác t ại Xí nghi ệp đầ u máy Hà n ội t ừ tháng 1/2002. Đã có s ự c ố
41. 27 hư h ỏng KGCH đầ u máy D19E. Sau khi khai thác được kho ảng 1 n ăm, v ận d ụng được kho ảng h ơn 100 000 km thì phát hi ện n ứt xà d ọc chính t ại v ị trí l ắp ch ốt c ơ cấu truy ền l ực kéo, v ết n ứt phát sinh, phát tri ển ở t ấm c ạnh và t ấm d ưới c ủa xà d ọc KGCH. Ngành ĐSVN m ời Vi ện C ơ h ọc Vi ệt Nam ti ến hành đo đạc kh ảo sát tr ạng thái ứng su ất, bi ến d ạng động trên KGCH và đã k ết lu ận nguyên nhân xu ất hi ện v ết nứt t ại vùng nguy hi ểm trên xà d ọc giá chuy ển c ủa đầ u máy D19E là do quá trình phá hu ỷ m ỏi k ết h ợp đồ ng th ời v ới s ự t ập trung ứng su ất. Vì v ậy nghiên c ứu th ực nghi ệm (th ử nghi ệm xác đị nh gi ới h ạn m ỏi c ủa v ật li ệu, th ử nghi ệm độ dai phá hu ỷ c ủa v ật li ệu, th ử nghi ệm t ốc độ lan truy ền v ết n ứt mỏi) cho phép đánh giá m ột cách đầ y đủ h ơn v ề tình tr ạng độ b ền m ỏi và tu ổi th ọ mỏi c ủa KGCH và TBX đầu máy D19E trong quá trình v ận d ụng hi ện nay. Từ tr ước đế n nay, vi ệc nghiên c ứu tính toán độ b ền m ỏi k ết c ấu đầ u máy nói chung và k ết c ấu b ộ ph ận ch ạy nói riêng trong ngành Đường s ắt n ước ta ch ưa đươ c quan tâm đúng m ức. B ởi vậy, đề tài: “Nghiên c ứu đánh giá độ b ền m ỏi và tu ổi th ọ mỏi c ủa khung giá chuy ển h ướng và tr ục bánh xe đầ u máy D19E v ận d ụng trên đường s ắt Vi ệt Nam.” là góp ph ần gi ải quy ết m ột v ấn đề mà th ực t ế s ản xu ất đang đặt ra m ột cách c ấp bách. 1. M ục tiêu nghiên cứu c ủa lu ận án: Kết h ợp nghiên c ứu lý thuy ết và nghiên c ứu th ực nghi ệm nh ằm đánh giá độ b ền mỏi và tu ổi th ọ m ỏi c ủa KGCH và tr ục bánh xe đầ u máy D19E. 2. H ướng đề tài nghiên c ứu: Nghiên c ứu ảnh h ưởng c ủa các thông s ố k ết c ấu và điều ki ện làm vi ệc c ủa KGCH và TBX đầu máy t ới độ b ền và tu ổi th ọ m ỏi c ủa nó. Ti ến hành nghiên c ứu lý thuy ết và nghiên c ứu th ực nghi ệm, th ử nghi ệm m ỏi m ẫu v ật li ệu làm KGCH và TBX đầu máy D19E đợt nh ập đầ u tiên đang s ử d ụng t ại Xí nghi ệp đầ u máy Hà Nội, trên c ơ s ở đó tính toán độ b ền m ỏi và d ự báo tu ổi th ọ còn l ại c ủa k ết c ấu KGCH và TBX đầu máy. 3. Ph ươ ng pháp nghiên c ứu: - Nghiên c ứu lý thuy ết k ết h ợp v ới th ử nghi ệm và s ử d ụng ph ươ ng trình đồng d ạng phá hu ỷ m ỏi - S ử d ụng các ph ần m ềm c ơ h ọc, toán h ọc và các thi ết b ị thí nghi ệm chuyên dùng để h ỗ tr ợ. 4. Ng ười h ướng d ẫn: GS .TS. Đỗ Đứ c Tu ấn - Tr ường Đạ i h ọc Giao thông V ận t ải PGS .TS. Ngô V ăn Quy ết - H ọc Vi ện K ỹ thu ật Quân s ự
42. 28 5. N ội dung chính c ủa lu ận án: - Nghiên c ứu lý thuy ết v ề s ự phát tri ển v ết n ứt m ỏi c ủa v ật li ệu KGCH và TBX đầu máy D19E, phân tích đánh giá độ b ền và tu ổi th ọ m ỏi c ủa các k ết c ấu đó có xét tới ảnh h ưởng c ủa m ột s ố thông s ố k ết c ấu và t ải tr ọng. - Nghiên c ứu th ực nghi ệm xác đị nh thành ph ần hóa h ọc, th ử nghi ệm xác đị nh đặc tr ưng c ơ h ọc và đặc tr ưng m ỏi, th ử nghi ệm xác đị nh t ốc độ lan truy ền v ết n ứt m ỏi và độ dai phá hu ỷ m ỏi của v ật li ệu ch ế t ạo KGCH và TBX đầu máy D19E để tính toán và đánh giá m ột cách đầ y đủ h ơn v ề tình tr ạng độ b ền m ỏi và tu ổi th ọ m ỏi, t ừ đó đề ra m ột s ố bi ện pháp v ề công ngh ệ b ảo d ưỡng, s ửa ch ữa và khai thác h ợp lý. Lu ận án g ồm 4 ch ươ ng và k ết lu ận chung nh ư ph ần m ục l ục. 1.7. K ết lu ận ch ươ ng 1 1. Đã xác định được các ch ỉ tiêu để đánh giá độ tin c ậy và độ b ền lâu c ủa chi ti ết ho ặc k ết c ấu, đó chính là h ệ s ố c ường độ ứng su ất t ại đỉ nh v ết n ứt theo kích th ước v ết n ứt cho phép và gi ới h ạn m ỏi c ủa chi ti ết ho ặc k ết c ấu. 2. Hi ện nay ngành đường s ắt Vi ệt Nam s ử d ụng ch ủ y ếu là đầu máy diesel truy ền động điện. Công d ụng và k ết c ấu c ủa KGCH và TBX c ủa các lo ại đầu máy này c ơ b ản là gi ống nhau. Trong s ố các lo ại đầu máy disel truy ền động điện, đầu máy D19E chi ếm s ố l ượng l ớn nh ất (60 chi ếc). M ặt khác, trong th ời gian t ới ngành ĐSVN s ẽ ti ếp t ục l ắp ráp và t ăng c ường s ố l ượng đầu máy D19E. Đầu máy D19E do nhà máy T ư D ươ ng, Trung Qu ốc ch ế t ạo được nh ập vào Vi ệt Nam t ừ tháng 01 n ăm 2002. Đợt nh ập đầu tiên g ồm 10 đầu máy được ti ếp nh ận và đư a vào qu ản lý, khai thác t ại Xí nghi ệp đầu máy Hà N ội. Sau khi khai thác được kho ảng h ơn m ột n ăm, đầu máy ch ạy được kho ảng h ơn 100 000 km thì phát hi ện n ứt trên xà d ọc chính t ại v ị trí l ắp ch ốt c ơ c ấu truy ền l ực kéo. V ết n ứt phát sinh, phát tri ển vào tôn thép c ơ b ản c ủa xà d ọc khung giá chuy ển h ướng. Đây là hi ện t ượng t ươ ng đối đặc bi ệt, c ần quan tâm nghiên c ứu và x ử lý. Vì nh ững lý do nói trên, lu ận án t ập trung nghiên c ứu cho đố i t ượng c ụ th ể là lo ại đầu máy D19E, đạ i di ện cho các lo ại đầu máy diesel truy ền động điện đang khai thác trên ĐSVN. 3. Vi ệc nghiên c ứu th ử nghi ệm xác đị nh đặ c tr ưng m ỏi m ẫu v ật li ệu ở trong nước th ường ch ỉ th ử nghi ệm xác đị nh GHBM, do v ậy không đủ các đạ i l ượng để đánh giá độ b ền và tu ổi th ọ m ỏi c ủa v ật li ệu k ết c ấu. Vì v ậy Lu ận án đề xu ất vi ệc nghiên c ứu th ử nghi ệm xác đị nh t ốc độ lan truy ền v ết n ứt và độ dai phá h ủy c ủa vật li ệu k ết c ấu.
43. 29 4. Vi ệc tính toán độ b ền m ỏi ở trong n ước th ường áp d ụng theo ph ươ ng pháp tích lu ỹ tuy ến tính các t ổn th ươ ng m ỏi, tuy nhiên nhi ều k ết qu ả nghiên c ứu cho th ấy r ằng quy lu ật tích lu ỹ tuy ến tính các t ổn th ươ ng m ỏi t ỏ ra ít tin c ậy. Do máy tính ngày càng được s ử d ụng r ộng rãi nên ph ươ ng pháp th ử nghi ệm, th ống kê tr ở thành ph ươ ng pháp h ữu hi ệu để tính toán, ph ươ ng pháp này cho phép xem xét đầy đủ h ơn đặc điểm ng ẫu nhiên c ủa t ất c ả các đạ i l ượng ẩn đị nh c ủa độ b ền và tu ổi th ọ m ỏi. Ph ươ ng pháp xác su ất để tính độ b ền m ỏi các chi ti ết trong ph ạm vi nhi ều chu trình được áp d ụng trong tính toán thi ết k ế ch ế t ạo, ki ểm tra và s ửa ch ữa các chi ti ết b ộ ph ận ch ạy c ủa đầu máy. Vì v ậy Lu ận án ch ọn ph ươ ng pháp tính toán theo lý thuy ết đồ ng d ạng phá h ủy m ỏi. Vi ệc nghiên c ứu tính toán độ b ền và d ự báo tu ổi th ọ m ỏi c ủa KGCH và TBX đầu máy nói chung và đầu máy D19E nói riêng trên c ơ s ở ứng d ụng lý thuy ết C ơ học phá hu ỷ là nh ằm góp ph ần vào vi ệc đề xu ất các gi ải pháp xây d ựng tiêu chu ẩn và quy trình s ử d ụng h ợp lý trong công tác v ận d ụng, khai thác đầu máy, góp ph ần đảm b ảo độ tin c ậy và an toàn v ận hành đoàn tàu - m ột v ấn đề mà th ực t ế s ản xu ất đang đặt ra cho ngành đường s ắt hi ện nay.
44. 30 ch−¬ng 2 c¬ së lý thuyÕt ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái v dù b¸o tuæi thä mái cña kgch v tbx 2.1. S ự lan truy ền v ết n ứt m ỏi Mô t ả quá trình lan truy ền v ết n ứt trong v ật li ệu, nhi ều nhà nghiên c ứu đã xây d ựng nh ững bi ểu th ức toán h ọc trong đó ph ản ánh m ối quan h ệ gi ữa chi ều dài vết n ứt v ới các đặ c tr ưng c ủa ch ế độ t ải tr ọng gây ra ứng su ất và các thông s ố kích th ước c ủa k ết c ấu ho ặc chi ti ết. Từ nghiên c ứu th ực nghi ệm, các nhà nghiên c ứu nh ận th ấy r ằng: s ự gia t ăng của chi ều dài v ết n ứt ph ụ thu ộc vào ứng su ất c ủa ph ổ t ải tác độ ng. T ại đầ u v ết n ứt xu ất hi ện vùng đàn - d ẻo, nên luôn có s ự phân b ố l ại ứng su ất. Để đánh giá s ự phân bố l ại ứng su ất, đã đư a ra khái ni ệm: H ệ s ố c ường độ ứng su ất K. 2.1.1 C ơ h ọc phá hu ỷ đố i v ới v ết n ứt m ỏi 2.1.1.1 Tr ường ứng su ất và bi ến d ạng ở đầ u v ết n ứt Qua nghiên c ứu bi ến d ạng ở đầ u v ết n ứt t ừ các công trình nghiên c ứu c ủa các nhà khoa h ọc, ta th ấy r ằng: bề m ặt v ết n ứt là biến d ạng không có ứng su ất, s ự phân b ố ứng su ất t ại chính đầ u nh ọn ở vùng đầu v ết n ứt. Các bi ến d ạng khác xa h ơn k ể t ừ vùng đó và các ngo ại l ực ch ỉ ảnh h ưởng t ới c ường độ c ủa tr ường ứng su ất c ục b ộ. Tr ường ứng su ất ở đầ u v ết n ứt có th ể được phân chia thành ba d ạng c ơ b ản mà m ỗi d ạng ấy được đặ c tr ưng b ởi dáng v ẻ bi ến d ạng, trong ph ạm vi ứng d ụng ta ch ỉ t ập trung nghiên c ứu v ới d ạng I - Phá ch ẻ, trong đó b ề m ặt c ủa v ết n ứt tách xa nhau theo h ướng vuông góc v ới ph ươ ng d ịch chuy ển c ủa v ết n ứt [16, 17]. Nh ững trường ứng su ất và chuy ển v ị t ươ ng ứng v ới t ừng d ạng riêng bi ệt được xác đị nh theo ph ươ ng th ức Irwin, d ựa trên c ơ s ở c ủa ph ươ ng pháp Westegaard. Các d ạng I và II có th ể được nghiên c ứu nh ư nh ững bài toán ph ẳng của lý thuy ết đàn h ồi, t ức là được chia thành các bài toán đối x ứng và phi đối x ứng với m ặt ph ẳng v ết n ứt. Dùng các ký hi ệu mô t ả nh ư hình 2.1. Hình 2.1. H ệ to ạ độ và các thành ph ần ứng su ất c ủa tr ường ứng su ất ở đầ u v ết n ứt
45. 31 Công th ức cu ối cùng để xác đị nh các tr ường ứng su ất và chuy ển v ị đố i v ới dạng I được vi ết nh ư sau [17]: K I θ  θ 3θ  σ x = cos 1 − sin sin  2πr 2  2 2  K I θ  θ 3θ  σ y = cos 1 + sin sin  2πr 2  2 2  (2.1) K I θ θ 3θ τ xy = sin cos cos 2πr 2 2 2 σ z = µ (σ x + σ y ) ; τ yz = τ xz = 0 ; K r θ θ  g =I cos 1 − 2µ + sin 2  G 2π 2 2  K r θ θ  h =I sin 2 − 2µ − cos 2  G 2π 2 2  ω = 0 trong đó: KI - HSC ĐUS c ủa tr ường ứng su ất d ạng I; g, h, ω - các chuy ển v ị thành ph ần t ươ ng ứng v ới ba d ạng; µ - h ệ s ố Poisson; G- mô đun đàn h ồi tr ượt. Cường độ ứng su ất c ủa tr ường ứng su ất không ph ụ thu ộc to ạ độ r, mà nó ph ụ thu ộc vào các to ạ độ c ủa các d ạng, nh ưng không ph ụ thu ộc vào s ự phân b ố c ủa tr ường ứng su ất. T ừ phân tích th ứ nguyên các công th ức (2.1), ta th ấy, các HSC ĐUS c ủa tr ường ứng su ất ph ụ thu ộc t ỷ l ệ vào ngo ại l ực tác độ ng vào v ật th ể đàn h ồi tuy ến tính, hình dáng c ủa v ật th ể và kích th ước c ủa v ết n ứt. 2.1.1.2 Ch ỉ tiêu v ề độ dai ch ống phá hu ỷ Trong k ết c ấu t ồn t ại v ết n ứt, dùng c ơ h ọc đàn h ồi làm ph ươ ng pháp c ơ b ản để phân tích tr ạng thái ứng su ất t ại đầ u v ết n ứt. Xét v ết n ứt d ạng I, v ết n ứt này ch ịu ngo ại l ực th ẳng góc v ới b ề m ặt v ết n ứt, khi ến cho v ết n ứt ch ịu ứng su ất kéo. Các nhà nghiên c ứu đã phân tích lý thuy ết và th ực nghi ệm đề u có k ết lu ận là: HSC ĐUS K c ủa k ết c ấu có v ết n ứt có quan h ệ tuy ến tính v ới ứng su ất ngo ại gia và chi ều dài v ết n ứt, đố i v ới bài toán d ị h ướng t ổng quát có th ể tìm được K I nh ư sau [10]: K a f g I = σ π . ( ) (2.2) trong đó: f(g) - tham s ố không th ứ nguyên, g ọi là h ệ s ố hi ệu ch ỉnh, ho ặc là h ệ sô' hình h ọc c ủa k ết c ấu có v ết n ứt; a - chi ều dài v ết n ứt. Hệ s ố hi ệu ch ỉnh trong m ột s ố tr ường h ợp đã có k ết qu ả c ụ th ể. Đố i v ới t ấm rộng h ữu h ạn có v ết n ứt xuyên th ấu: t ấm r ộng h ữu h ạn, chi ều r ộng là b, chi ều dài v ết
46. 32 n ứt là a xuyên th ấu, ch ịu tác d ụng ứng su ất kéo σ th ẳng góc v ới b ề m ặt v ết n ứt [10]. Tường h ợp v ết n ứt ở m ột c ạnh, h ệ s ố hi ệu ch ỉnh là:  a   a  2  a  3  a  4 f ()g = 1,12 − 0 , 231   + 10 ,55   + 21 , 72   + 30 ,95    b   b   b   b  (2.3) Với nh ững k ết c ấu c ụ th ể khi xác đị nh được kích th ước phá h ỏng c ủa v ết n ứt (khi v ết n ứt lan truy ền t ừ chi ều dài k ỹ thu ật cho phép ban đầ u a 0 t ới chi ều dài t ới h ạn cu ối cùng a th ) giá tr ị K I ti ến t ới giá tr ị K IC , t ức là HSC ĐUS ti ến t ới giá tr ị t ới h ạn (k ết cấu phá h ủy hoàn toàn). G ọi K IC là độ dai phá h ủy bi ến d ạng ph ẳng c ủa v ật li ệu ( đặ c tính b ền c ủa v ật li ệu có v ết n ứt khi b ị phá h ủy). 2.1.2 Đặc điểm c ủa vùng đàn - d ẻo ở đầ u v ết n ứt Các nhà nghiên c ứu về vùng đàn - d ẻo đã ch ỉ ra trong quá trình lan truy ền, tại đầ u v ết n ứt xu ất hi ện m ột vùng đàn - d ẻo. Vùng đàn - d ẻo này được g ọi là vùng ti ền v ết n ứt, c ũng lan truy ền và phát tri ển v ề h ướng gra đien l ớn nh ất c ủa ứng su ất cục b ộ và b ằng cách đó đị nh h ướng cho v ết n ứt chính lan truy ền và phát tri ển theo. Sơ đồ minh ho ạ vùng đàn - d ẻo ở đầ u v ết n ứt được ch ỉ ra trên hình 2.2. Có th ể xác định kích th ước vùng đàn - d ẻo theo lý thuy ết trình bày tóm t ắt d ưới đây. σy 1/2 σy(x) = K I (2 πx) y σ 1/2 y σy(x u) = K I (2 πx u) x W u §Ønh vÕt nøt W W Hình 2.2. Vùng đàn - d ẻo t ại đầ u v ết n ứt m ỏi Trong tr ường h ợp ch ịu t ải chu trình, không nh ững ứng su ất, mà còn HSC ĐUS, vùng bi ến d ạng d ẻo, độ m ở v ết n ứt và các thông s ố khác đề u bi ến đổ i liên t ục có chu trình. D ưới đây là k ết qu ả l ời gi ải, trên hình 2.3 [17]. Gi ả s ử t ải tr ọng thay đổi gây ra ứng su ất bi ến đổ i có chu trình v ới biên độ ứng su ất là σa = 2 σ0, t ừ tr ạng thái kéo (a) v ới ứng su ất σ sang tr ạng thái nén (b) v ới ứng su ất - ∆σ, r ồi l ại t ừ tr ạng thái nén (c) v ới ứng su ất ( σ - ∆σ) sang tr ạng thái kéo (d) v ới ứng su ất + ∆σ, sau đó m ới l ặp l ại chu ký m ới. Kích th ước vùng bi ến d ạng dẻo ở đầ u v ết n ứt được xác đị nh l ần l ượt nh ư sau: Lúc đầu (hình 2.3), vùng bi ến d ạng d ẻo được tính nh ư tr ường h ợp ch ịu t ải 2 1  K   I  tĩnh: W mon =   , (2.4) π  σ 0  Vùng bi ến d ạng d ẻo khi ch ịu nén (hình 2.3b): 2 1  ∆K   I  Wrev =   , (2.5) π  2σ 0 