Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X-quang

Nội dung text: Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X-quang

1. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI BỀ MẶT CỦA THÉP P43 DÙNG LÀM ĐƯỜNG RAY BẰNG NHIỄU XẠ X – QUANG STUDY TO DETERMINE THE STATUS OF SURFACE FATIGUE P43 STEEL RAILS USED BY DIFFRACTED X – RAY Lê Chí Cương *1, Đặng Thiện Ngôn *2, Lê Thể Tiến *3 *1 PGS Tiến Sĩ , Khoa Cơ khí máy – Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM *2 PGS Tiến Sĩ , Khoa Cơ khí máy – Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM *3 Khoa Cơ khí máy – Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM TÓM TẮT Hiện nay nhu cầu thực tế về thí nghiệm mỏi các loại thép ray để tăng độ bền khi sử dụng trong ngành cơ khí giao thông vận tải ở Việt Nam là cấp thiết. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, đề xuất và chế tạo mẫu thí nghiệm mỏi nhằm nghiên cứu kéo dài thời gian sử dụng thép ray P43. Qua đó, cho phép giảm số lượng nhập khẩu và kiểm soát rủi ro thanh ray. Các kết quả thí nghiệm mỏi tiếp xúc lăn trên bề mặt thép ray P43 đóng góp đáng kể đến việc sử dụng hiệu quả thanh ray. Từ khóa: mẫu thí nghiệm mỏi , mỏi tiếp xúc lăn, thép ray P43, X - Quang ABSTRACT Currently, the actual demand for steel fatigue experiments ray for durability when used in mechanical engineering transportation in Vietnam is urgently needed. This paper presents the results of research and prototyping proposed new experiments to study the prolonged use of P43 steel rail. Thereby, allowing importation and reduce the amount of risk controls rails. The experimental results on the rolling contact fatigue surface P43 rails significant contribution to the effective use of rails. Keywords: fatigue specimen, rolling contact fatigue, rail steel P43, diffracted X - Ray. 1. Đặt vấn đề đường ray sau đó lan truyền và tiếp tục Hiện tượng mỏi là hiện tượng khá phát triển theo chiều ngang và chiều dọc từ phức tạp xảy ra khi ứng suất thay đổi theo bề mặt tiếp xúc vào bên trong đường ray thời gian. Ứng suất này tồn tại trên thanh gây ra hiện tượng nứt gãy đường sắt và ray có trị số nhỏ hơn giới hạn bền, thậm tiềm ẩn tai nạn nghiêm trọng nếu không có chí còn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật biện pháp khắc phục hậu quả kịp thời. liệu. Tuy nhiên nó lại gây ra những dạng Thép ray P43 là loại sản phẩm thép hư hỏng trầm trọng nhất, không phục hồi mà Việt Nam không sản xuất được. Hàng được, gây tổn thất nghiêm trọng về kinh tế năm để phục vụ vận tải đường sắt và đảm và những hậu quả nguy hiểm. Hiện tượng bảo an toàn tuyến đường sắt hàng chục mỏi do tiếp xúc lăn (Rolling Contact km thanh ray đã được thay thế theo định Fatigue) là một trong những dạng khác chuẩn hiện tại. Việc nghiên cứu xác định nhau của đường sắt cần được xem xét liên thời hạn thanh ray là vấn đề ngành quan đến việc bảo trì đường sắt và tuổi thọ đường sắt quan tâm. Nhiều phương của nó. Vết nứt nhỏ sẽ bắt đầu trên bề mặt pháp khác nhau được ứng dụng để nghiên 1
2. cứu khảo sát độ bền của đường ray, trong số đó là phương pháp nhiễu xạ X - quang. Phương pháp này đánh giá sai hỏng mỏi ở giai đoạn sớm của thép ray là một việc làm mới, khó khăn, đòi hỏi các kỹ thuật phức tạp, các thiết bị phân tích hiện đại. Nó mang lại những hiểu biết cần thiết về những sai hỏng mỏi ảnh hưởng đến độ bền và các tính năng khác của thép đường ray. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, đề xuất và chế tạo mẫu thí nghiệm mỏi thép ray P43 nhằm nghiên cứu, đánh giá sự mỏi sớm của thép ray bằng phương pháp nhiễu xạ X – quang qua đó cho phép dự báo thời gian sử dụng thanh ray dưới tải xác định. Đồng thời là một đóng góp vào hướng nghiên cứu mỏi tiếp xúc lăn trên bề mặt thanh ray nhằm phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và khu vực phía nam. 2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước ‘‘ Nghiên cứu trạng thái mỏi do tiếp xúc lăn, sự phát triển vết nứt của thép ray U75V và U71Mn“ vào năm 2009 của Hình 1. Mối liên hệ giữa số chu kỳ và Viện Nghiên cứu Tribology, Đại học chiều dài vết nứt lan truyền trong thép Giao thông Tây Nam, Thành Đô, Trung U71Mn và U75V [3] Quốc [3]. Ưu, nhược điểm: Công trình nghiên cứu sự phát triển  Ưu điểm: vết nứt trên đường sắt để lựa chọn vật liệu + Xây dựng được biểu đồ lan truyền làm đường ray dựa trên hiện tượng mỏi do vết nứt của thép ray. tiếp xúc lăn. Kết quả cho biết độ bền của + Xác định được góc vết nứt để từ đó thép U75V vượt trội thép U71Mn. Các chế tạo mẫu phù hợp. góc phát triển vết nứt của bề mặt đường + Đưa ra được thép U71Mn thích hợp sắt làm bằng thép U71Mn là nhỏ hơn so để làm đường ray. với đường sắt làm bằng thép U75V. (hình  Khuyết điểm 1) + Chưa đưa ra yêu cầu thiết kế để hạn chế sự nứt gãy. “Hiện tượng mỏi do tiếp xúc lăn của thép X120Mn12” do Viện công nghệ Outreau, Pháp của các tác giả R. Harzallah, A. Mouftiez, E. Felder, S. Hariri, J-P Maujean[4]. 2
3. Công trình thí nghiệm loại thép Hiện tượng mỏi do tiếp xúc lăn của Hadfield có độ cứng rất cao và sức chống thép được nung kết và tôi cứng” do các mài mòn tốt nhằm đưa vào sử dụng trong tác giả người Nhật R. Gnanamoorthy, N. giao thông đường sắt ở các nước Tây Âu. Rajiv, K. Gopinath, Y. Miyahsita và Y. Các kết quả đã mô tả và thảo luận được Mutoh[5] kiểm tra trên máy đo lường độ cứng, kính Bột kim loại dùng để chế biến bạc hiển vi điện tử quang học, máy quét và đạn và bánh răng được ứng dụng càng phân tích EBSD (hình 2). nhiều trong kinh tế và kỹ thuật. Các bọt khí còn sót lại từ quá trình nung kết được các thợ máy sử dụng chất bôi trơn để làm giảm âm thanh và rung động. Tuy nhiên, độ thấm cũng làm giảm độ bền cơ học và làm giảm tuổi thọ. Vì thế thép được xử lý qua phương pháp nung kết và rèn để đánh giá độ bền cơ học. Hình 2: Mặt cắt ngang với các vết nứt được chụp theo kính hiển vi quang học. [4] Hình 4:Máy thí nghiệm mỏi tiếp xúc lăn[5] Hình 3: Đánh giá độ cứng bề mặt theo số chu kỳ với tải trọng trục 700N [4] Ưu, nhược điểm:  Ưu điểm: + Mô phỏng thí nghiệm tiếp xúc do mỏi lăn theo chế độ làm việc của đường ray. + Vật liệu thép làm đường ray có bề Hình 5: Đường cong mỏi tiếp xúc lăn[5] mặt bị biến cứng theo thời gian làm việc. Ưu, nhược điểm: + Đưa ra được độ biến cứng thép ray  Ưu điểm: trên bề mặt tiếp xúc và ở độ sâu từ 0 - 1 + Xây dựng được đường cong mỏi của mm. thí nghiệm tiếp xúc do mỏi lăn của thép  Khuyết điểm: En 24 qua ba phương pháp xử lý khác + Chưa dự đoán sự lan truyền vết nứt nhau. từ bề mặt tiếp xúc vào bên trong đường ray. 3
4. + Đề xuất được thép En24 được xử lý 3.3. Bài toán thực tế: qua phương pháp rèn để chế tạo bánh răng và bạc đạn.  Khuyết điểm: + Còn nhiều phương pháp xử lý thép chưa được đề cập đến. 3. Nghiên cứu đề xuất thiết kế mẫu thí nghiệm mỏi 3.1. Thép ray P43 Bảng 1: Thành phần hóa học Bảng 2: Đặc tính cơ học 3.2.Điều kiện làm việc đường ray Một ngày sẽ có 14 chuyến tàu chạy từ ga Sài Gòn đi qua tuyến đường sắt Sài Gòn – Nha Trang. Vì vậy, khi dịp tết đến hay lễ số lượng tàu sẽ tăng lên để phục vụ nhu cầu đi lại của hành khách nên ta chọn hệ số an toàn là 1,5 - 1,7. Vậy trong cả năm trung bình một ngày tuyến đường sắt Sài Gòn – Nha Trang sẽ có 24 chuyến tàu chạy qua tuyến đường sắt này. Tuổi thọ trung bình của đường sắt Hình 6:Mô hình hóa bài toán thực tế[6] Việt Nam làm bằng thép P43 tối đa là 20 Tính toán ứng suất tiếp xúc Hertz năm. khi bánh xe lửa tác dụng lực Q lên đường Bảng 3: Số chu kỳ hoạt động của xe lửa ray trong thực tế. Biết vật liệu thép ray theo từng năm P43 và bánh xe lửa có cùng thông số E = 200 GPa và v = 0,3 tiếp xúc tiếp tuyến với Số năm Chu kỳ (vòng) r = ∞. Bán kính lăn bánh xe là r = 460 1 8760 x2 x1 mm và biên dạng bán kính cong theo trục 5 43800 y có ry1 = - 400 mm và ry2 = 300 mm. Lực 10 87600 Q tác dụng của trục lên bánh xe là 12 kN. 15 131400 Tính toán hệ số A và B[6]. 20 175200 = + = + = 1 1 1 = + = + 2 = 1,09 ; = 0,417 4
5. | | cos = = 0,4465 Suy ra: = 63,50. m = 1,41 và n = 0,7474 Bán kính hình elip a và b[6] 3 1 − v 1 − v 1 = m Q + 2 2E 2E A + B 3 1 − v 1 − v 1 = n Q + 2 2E 2E A + B a = 5,34 mm; b = 2,83 mm Ứng suất tiếp xúc Hertz[6] Hình 8.Tiếp xúc giữa hai hình trụ σmax = = 379,5 Mpa 3.5. Máy thí nghiệm mỏi 3.4.Định luật Hertz [6] Để mô hình thí nghiệm phù hợp với Bản chất định luật Hertz bất kỳ hai điều kiện thí nghiệm và giống với mô vật thể nào có tính đàn hồi tiếp xúc tác hình thực tế đều tạo ra ứng suất Hertz như dụng lực đều sinh ra ứng suất Hertz. Khi nhau. Từ máy thí nghiệm mỏi đa năng tại bánh xe lửa tác dụng lực lên đường ray phòng thí nghiệm Cơ Khí và Kỹ Thuật giống như hai hình trụ tròn tác dụng lực Môi Trường có nguyên lý tạo mỏi tiếp lên nhau đều sinh ra ứng suất tiếp xúc xúc lăn phù hợp với mô hình thí nghiệm Hertz [6]. mà ta đã đề xuất. Hình 7 :Bánh xe lửa tác dụng lực Q lên 1. Động cơ 3 pha 0,5HP 2. Khớp cardan đường ray giống như hai hình trụ tròn[6] then hoa 3.Cụm trục chủ động 4.Luynet Vì vậy, từ điều kiện thí nghiệm ta tĩnh 5.Mẫu thí nghiệm 6.Cụm trục bị động đề xuất mô hình thí nghiệm hai hình trụ 7. Cụm tác dụng lực 8.Chân máy bán kính của R1 và R2 tiếp xúc với nhau tỉ 9.Encorder10.Hộp điều khiển 11.Inverter lệ tuyến tính tạo vết lõm có độ sâu theo 12. Khung máy một trục song song như hình 8 giống với Hình 9. Máy thí nghiệm mỏi bánh xe lửa tác dụng lực lên đường ray đều tạo ra ứng suất tiếp xúc Hertz như nhau[7]. 5
6. 1. Động cơ 2. Khớp mềm 3. Cụm trục chủ động 4. Cụm trục bị động 5.Đầu kẹp 6.Mẫu 7. Cơ cấu lắc Hình 10: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi lăn của Hình 11:Ổ lăn 608 -2Z hệ thống cơ khí Đường kính trong d: 8 mm. 3.6.Đề xuất mẫu thí nghiệm mỏi Đường kính ngoài D: 22 mm. Thông qua cơ cấu tác dụng lực hình Bề rộng B của con lăn chính là trụ 1 là con lăn 608 - 2Z có bán kính R . 1 chiều dài tiếp xúc L: 7 mm. Hình trụ 1 theo hình 4.3 là ổ lăn Theo mô hình thí nghiệm hình trụ 1 R = 11 mm ; v = 0,29 ; E = 200 Gpa. 1 1 1 là con lăn có bán kính R thì hình trụ 2 là Biết thông số ổ lăn là R = 11 mm ; 1 1 mẫu thí nghiệm có bán kính R . Vì vậy, ta v = 0,29 ; E = 200 Gpa và thông số mẫu 2 1 1 chế tạo mẫu thí nghiệm phù hợp như hình thí nghiệm. Chiều dài tiếp xúc của ổ lăn 12. tác dụng lên mâu thí nghiệm là L = 7mm. Hình trụ 2 là vật mẫu thí nghiệm chế tạo bằng thép ray P43 R2 = 8 mm ; v2 = 0,3 ; E2 = 200 Gpa Hình 12: Bản vẽ kỹ thuật mẫu thí nghiệm Hình 13: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi lăn 6
7. Ứng suất tiếp xúc khi bánh xe lửa tác dụng lực lên đường ray theo tính toán trong mô hình thực tế giống với mô hình thí nghiệm khi con lăn tác dụng lực lên mẫu thí nghiệm đều có = 379,5 MPa Ta có công thức [7] : 2 Hình 14:Mẫu dùng thí nghiệm mỏi lăn = Các thí nghiệm được thực hiện cho Suy ra: b = F/4170 5 mẫu với một giá trị ứng suất như nhau là = 379,5 MPa. Khởi động hệ thống 4 + máy, đưa mẫu thử thứ nhất vào máy và = cho chịu một tải trọng đã được tính toán + sau một số vòng quay N1 của máy theo số Thế F vào b ta tính toán được lực F = năm của xe lửa hoạt động. Ta lần lượt 134 N. Với : F = P/2. đưa 4 mẫu còn lại cùng chịu một tải 3.7.Thiết kế thí nghiệm trọng như nhau lên máy và thí nghiệm Ảnh hưởng rõ rệt nhất đến thí cho đến số chu kỳ đã được tính toán. nghiệm gồm 1 yếu tố đầu vào: 4.Kết quả thí nghiệm + Z1: Lực tác dụng vào mẫu thí 4.1.Soi kim tương nghiệm với 272 ≥ Z1 ≥ 264 Trước khi thí nghiệm + Thông số đầu ra Y( số chu kỳ tương ứng với số năm sử dụng thép ray P43) Số mẫu thí nghiệm là : k N = n + no + 2k N = 21 + 1 + 2 = 5 3.8.Thí nghiệm mỏi tiếp xúc lăn Mục đích nhằm kiểm tra khảo sát mỏi bề mặt của thép ray P43 dựa trên việc Hình 15 :Mẫu thí nghiệm thép ray tạo mỏi cho số lượng mẫu nhất định với Sau khi thí nghiệm một giá trị ứng suất duy nhất cho các mẫu được chế tạo bằng vật liệu thép P43. Trong phần thực nghiệm này, các thí nghiệm được tiến hành là các thí nghiệm thử mỏi lăn. Các số liệu thu được từ thực nghiệm để thiết lập xác định mối liên hệ giữa mức độ biến cứng do mỏi lăn với bề rộng đường nhiễu xạ. Hình 16: Số năm sử dụng thép ray P43 là 20 năm. 4.2.Nhiễu xạ X – quang Bảng 4 : Kết quả nhiễu xạ X - quang 7
8. - Biết được các dạng hư hỏng bề Số năm Số chu Mẫu sử dụng kỳ N Bề rộng B (0) mặt khi xe lửa tác dụng lên thanh ray từ thép ray (vòng) đó đưa ra chế độ bảo trì thích hợp. 0 1 20 năm 175200 0,294 ± 0,04 TÀI LIỆU THAM KHẢO 0 2 15 năm 131400 0,227 ± 0,076 [1] Ngô Văn Quyết (2000), Cơ sở lý thuyết mỏi, NXB Giáo dục, trang 11 3 10 năm 87600 0,1770± 0,058 - 87. 4 5 năm 43800 0,1730± 0,075 [2] Phùng Rân (2003), Quy hoạch thực nghiệm ứng dụng, Nhà xuất bản 5 1 năm 8760 0,1660 ± 0,092 Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, trang 49 - 86. 0,4 [3] W. Zhong, J.J. Hu, Z.B. Li, Q.Y. 0,3 Liu (2011), Z.R. Zhou A study of rolling contact fatigue crack 0,2 growth in U75V and U71Mn rails, Tribology Research Institute, 0,1 Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Wear , page 388 - 0 392. 0 100000 200000 [4] R. Harzallah, A. Mouftiez, E. Hình 17: Biểu đồ liên hệ giữa bề rộng B Felder, S. Hariri, J.-P. Maujean với số chu kỳ Cemef (2010), Rolling contact Thực nghiệm cho thấy bề rộng B fatigue of Hadfield steel (0,1660 – 0,2940) có xu hướng tăng ứng X120Mn12, Wear , page 647 -654 với thời gian làm việc của thanh ray. Đặc [5] R. Gnanamoorthy, N. Rajiv, K. biệt, sau 10 năm sử dụng thép ray bề rộng Gopinath, Y. Miyahsita, and Y. B tăng nhanh có thể dẫn tới hiện tượng Mutoh (2002), Rolling Contact biến cứng bề mặt và phá hủy thanh ray. Fatigue Behavior of Sintered and 3. Kết luận Hardened Steels, ASM Bài báo trình bày định luật Hertz và International, page 71 -75. phương pháp nhiễu xạ X – quang: [6] Simon Iwnicki (2006), Handbook of - Dự đoán được số tuổi thọ của Railway Vehicle Dynamics, Taylor đường ray. & Francis Group, LLC, page 85 - - Tiết kiệm được chi phí bảo trì 142. đường ray theo định kỳ. [7] ME EN 7960 (2011) - Contact - Tái sử dụng những thanh ray hiện Stresses and Deformations – có mà vẫn còn khả năng sử dụng được Precision Machine Design, trang 1 - bằng phương pháp đo lường không tiếp 10. xúc trong đó nhiễu xạ X –quang. [8] Le Chi Cuong (2004), Development of Automated X – Ray Stress 8
9. Measurement with Its Application, Doctoral Thesis, page 3 -19 [9] B. D. Cullity (2003), Elements of X–ray Diffraction, Prentice Hall Upper Saddle River, page 1 -25, 78 - 96, 259 – 295. [10] Lê Hải Hà, Bùi Thị Trí, Nguyễn Thanh Tùng (2009), Công trình đường sắt – Tập 1, Nhà xuất bản Giao Thông Vận Tải Hà Nội, trang 133 – 203. 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.