车辆工程专业毕业论文--30t轴重货车转向架摇枕的结构及设计.doc

摘要随着我国铁路运输向高速和重载方向发展，转向架摇枕的运用条件日趋苛刻。因此，研究重载运输条件下的摇枕结构及其性能变得尤为重要。本文通过国内外重载运输的发展现状的了解,分析了国内外现有重载货车转向架的结构特点和性能。首先对我国30t轴重转向架进行了结构选型，初步确定了适应我国国情的30t轴重货车转向架的基本结构型式。重点对该转向架的摇枕的结构进行自主设计与分析。运用SolidWorks建立30t轴重货车转向架摇枕的三维模型，并且详细介绍了该转向架摇枕的结构特点及设计步骤，其中包括了外壁和内部筋板厚度、排水口、漏沙孔等工艺孔、摇枕斜楔、旁承台座、弹簧承台、心盘部位、摇枕吊耳。然后对该摇枕进行了有限元应力分析，然后根据分析结果确定摇枕的薄弱地方并进行改进，最终设计得到满足强度要求，并有足够抗疲劳性能的转向架摇枕。 关键词：重载货车；转向架；摇枕；设计；有限元分析AbstractWith the development of railway transportation in China to high speed and heavy, truck bolster conditions using the increasingly harsh.Therefore, studying under heavy haul bolster structure and performance has become particularly important. The current development status at home and abroad through the heavy haul transportation understanding, analysis of the structure characteristics and performance of the existing heavy truck frame at home and abroad to .The first of Chinas 30t axle load bogie structure selection, initially identified the basic structure frame of the axle load 30t China steering. The focus of the steering structure bolster frame of independent design and analysis.Use SolidWorks to set up 30t axle load truck steering frame bolster 3D model, and introduces the structure characteristics and design steps of steering frame bolster, including the outer and inner rib plate thickness, drains, drain sand hole technology of hole, bolster wedge, a side bearing pedestal, spring seat, center plate position, swing hanger lug. Then the bolster the finite element stress analysis, then bolster weak place and determined according to the analysis results, the final design can meet the strength requirements, and has enough fatigue performance of the bogie bolster.Key words: heavy-duty freight car; Bogie;Bogie Bolster; Design;The finite element analysis- IV -目录1 绪论11.1 选题背景11.2 国外重载车辆的现状11.3 我国近年来重载车辆现状21.4 本文主要工作22 国内外大轴重转向架的现状32.1 国外大轴重转向架32.2 我国国内及出口大轴重转向架53 转向架的结构选型83.1 转向架选型原则83.2 转向架结构特点84 转向架摇枕的设计104.1 大轴重转向架载重分析和损伤部位探究104.2 转向架摇枕的三维结构设计124.2.1 总体结构设计124.2.2 外壁和内部筋板厚度的设计134.2.3 排水口、漏沙孔等工艺孔的设计144.2.4 摇枕斜楔的设计154.2.5 旁承台座的设计164.2.6 弹簧承台的设计174.2.7 心盘部位的设计174.2.8 摇枕吊耳的设计184.2.9 棱角的圆弧过渡设计195 转向架摇枕的有限元分析215.1.1 有限元求解问题的思路及方法215.1.2 转向架摇枕承受载荷情况分析225.1.3 转向架摇枕使用Simulation进行有限元分析235.1.4 转向架改进措施275.1.5 本章小结27结论28致谢29参考文献301 绪论1.1 选题背景我们国家自从改革开放到现在，随着国民经济的一直深入的发展和人民生活水平的显著提高，我们对货物运输效率的要求也是越来越高了。由于我国国土面积的广阔，长期以来我国铁路运输以其运量大、能耗低、运价低廉的显著优势在货运方面一直处于不能缺少的地位，是我国最重要的货物运输方式之一。而其中重载货运就是我国铁路当前发展中的重要方向，研发出新一代大轴重专用和通用货车就是“十二五”期间铁路货车技术的很重要的发展目标。但是，从总体来讲我国铁路运输技术还远远不能满足我国国民经济发展的需求，和发达国家相比来讲仍然存在很大的差距。自20世纪50年代以来，重载铁路运输通过其运能大、效率高、运输成本低的各种特点而受到世界各国的广泛重视，尤其是在一些地域辽阔、物资丰富，煤和矿石等大量货物运量占有很大比重的国家，例如美国、南非、加拿大、巴西、澳大利亚等，重载货运的发展尤其迅速。在20世纪60年代中后期，重载运输开始取得实质性的进展。20世纪80年代之后，随着材料、计算机控制、工艺和信息技术等现代高新的技术在车辆上的广泛应用，铁路的重载运输技术以及装备水平都在不断提高，重载列车的牵引重量也有非常大的提高。1.2 国外重载车辆的现状表1.1国外重载货车大轴重转向架的应用情况国家美国加拿大澳大利亚南非巴西俄罗斯转向架类型BarberRide controlBarber s-2Ride controlRide controlScheffelBarberRide control18-57818-579轴重32.4、32.7529.8、32.4332.5、35.726-3039.8、32.525、30轨距（mm）14351435143616071607、16001520牵引重量（t）12000-2000012000-20008000-2000020000-2200021000-3200085000速度（km）60-8060-6560-8050-6050-60-线路代表BNSF,UPCSXDP,CNBHP,QROrex RecharCVRDLKAB运营里程(km)19.20万4.7万462/1600861/627892/905540线路类型准轨准轨准轨、窄轨窄轨、电气宽轨、准轨准轨重载运输在美国、加拿大、澳大利亚、南非和巴西等国家得到较为广泛的应用，瑞典及俄罗斯、德国、法国、挪威等欧洲国家也正在应用重载运输。这些国家的重载运输车辆轴重大、载重大，铁路货运劳动生产率高，经济效益显著。表1.1中对国外大轴重转向架的型号、轴重及运行速度等应用情况进行分析。1.3 我国近年来重载车辆现状我国铁路重载货车引进消化了部分美国技术, 如大容量缓冲器，转动车钩等, 研制了专用货车相继投入运用, 但数量有限、与北美澳大利亚采用第二代重载单元列车的技术差距较大。运输效率有待提高。1.4 本文主要工作发展重载运输,开发30t轴重的重载货车,并保证其具有优良的动力学性能,关键在于货车转向架结构型式的选取和悬挂参数的匹配。随着货车轴重增加,轮轨间的相互作用(特别是垂向相互作用)不断增强,车辆对轨道结构的破坏作用及线路变形也随之加剧,如不采取措施,将会大大增加轨道日常维护工作量,缩短轨道使用寿命。本文以减小30t轴重货车转向架轮轨相互作用力为目的,主要讨论和研究以下内容:(l)根据国外重载运输的发展经验和我国国情,为我国30t轴重货车选择合理的转向架结构型式,并确定其初始参数;(2)在充分考虑货车转向架各种因素的基础上建立重载货车转向架的模型;(3)在仿真模型基础上,研究重载货车摇枕结构对车辆力学性能的影响,提出我国30t轴重货车摇枕的适合结构;(4)运用solidworks建立30t轴重转向架摇枕的三维模型,并进行摇枕有限元计算,根据加载计算结果确定转向架摇枕受载薄弱部位;(5)对我国30t及以上轴重货车转向架的未来研发做出预测2 国内外大轴重转向架的现状2.1 国外大轴重转向架国外的30t及以上轴重重载货车转向架代表有美国研发的一种自导向转向架Dresser DR-1转向架、英国人设计的一种迫导向转向架Devinescales转向架、由传统三大件转向架改进而来的侧架交叉支撑式转向架、英国开发了一种低轨道作用力LTF转向架、法国研究出的一种焊接构架式第一系悬挂货车转向架Y-25转向架、南非研制的Scheffel自导向转向架等。 表2.1国外大轴重转向架归纳Dresser DR-1转向架现有三大件转向架承载鞍上加装一对弓形导向臂，前后轮对的弓形导向臂在摇枕孔附近销接在一起，两个弓形导向臂在水平面内可以相对转动。当车辆通过曲线时，一个轮对产生摇头转动，并通过导向臂迫使转向架上另一个轮对做相反方向的摇头转动，两个轮对相对成八字形并接近曲线的径向位置Devine-scales转向架当车辆进入曲线时，由于车体和转向架间的相对回转运动，导向杠杆系统使同一转向架上两轮对曲线外侧的轴距扩大，曲线内侧的轴距缩小，从而使轮对处于径向位置。在直线线路上，刚性构架和导向杠杆系统使轮对保持与线路中心线相垂直，抑制轮对的蛇行运动、增强车辆的横向稳定性侧架交叉支撑式转向架这种转向架在侧架上焊接筋板，两根交叉支撑通过橡胶衬垫固定在侧架筋板上，两根支撑杆交叉于转向架的中心线上。两根交叉支撑可以从摇枕下部穿过，也可以在摇枕两侧腹板上开孔穿过。交叉支撑可以增加两侧架在水平面内的抗菱形刚度，提高三大件转向架的抗蛇行稳定性，提高车辆的临界速度，但交叉支撑并不妨碍两侧架在纵、垂平面内的相对转动，保持了三大件转向架各车轮载荷均匀的优点。LTF转向架这种转向架采用内置轴箱，即轴箱安装在车轮内侧，采用重量较小的锻铝轴箱，盘形制动，采用构架式两系悬挂：一系悬挂为高圆簧，二系悬挂为橡胶弹簧，它们提供垂向和横向的刚度；二系悬挂中有一个倾斜安装的油压减振器提供垂向和横向减振阻尼。Y-25转向架60年代末法国研制的UIC标准型货车转向架，焊接构架结构，一系螺旋钢弹簧加利诺尔减振器，轴箱定位，两级刚度弹簧，UIC标准球面心盘和常接触弹性旁承，运行速度120km/h。Scheffel自导向转向架在原三大件转向架的基础上加一个副构架，安装在一个轮对的左右两个承载鞍上，前后两个副构架由两根交叉支撑销接。这种交叉支撑结构能保证轮对径向通过曲线，转向架侧架和副构架间在承载鞍前后位置有剪切刚度较小的橡胶垫，也便于轮对径向通过曲线。2.2 我国国内及出口大轴重转向架我国铁路重载货车技术主要还是消化吸收了美国和加拿大的技术。早期主型货车转向架为转8A型转向架,之后我国对既有转8A型转向架进行改造,设计制造了转8AG型和转8G型转向架。转8型系列转向架停产以后为继设计制造了21t轴重的转K1、转K2、转K3和转K4型转向架,因大秦线将开行2万吨重载列车,后分别研制出25t轴重的转K5、转K6型转向架。后来引进南非Scheffel径向转向架技术,研制出25t轴重的转K7型转向架。25t轴重转K5、转K6、转K7型转向架均已装配在C80运煤专用敞车上,并在大秦线上得到运用。虽然目前我国重载专用货车的最大轴重仅为25t，但我国却成功出口了许多轴重大于或等于25t的重载货车转向架。出口的转向架都有出口委内瑞拉30t轴重转向架，出口澳大利亚35.7t轴重转向架，出口巴西25t轴重转向架。表2.2我国国内及出口大轴重转向架归纳转8A型转向架其侧架摇枕定位刚度不足，致使菱形刚度低，容易产生菱形变位，导框式轴箱定位致使转向架蛇行运动稳定性差，滚动轴承损坏过快。转8AG型转向架两个侧架间加装弹性下交叉支撑装置，采用了双作用弹性旁承，采用两级刚度弹簧，加装心盘磨耗盘，使心盘受力均匀，减少上下心盘之间的磨耗；转K7型转向架出口委内瑞拉30t轴重转向架南车集团眉山车辆厂与委内瑞拉某公司签订了自翻车出口合同，该转向架为安装有常摩擦减振装置的控制型转向架，主要由摇枕、侧架、轮对、双列圆锥滚子轴承、减振装置和基础制动装置等组成。出口澳大利亚35.7t轴重转向架齐齐哈尔铁路车辆有限责任公司为澳大利亚力拓矿石公司开发研制了35.7t轴重的货车转向架。该转向架为铸钢三大件控制型转向架，主要由侧架、摇枕、中央弹簧悬挂装置、减振装置、轮对、基础制动装置、弹性旁承等组成。出口巴西25t轴重转向架该转向架为25t轴重新型铸钢三大件转向架,采用Barber S2-M型变摩擦减振器的中央弹簧悬挂装置,斜楔为加宽分离式,加宽了侧架立柱磨耗板和摇枕斜楔插板;下心盘与摇枕铸成一体;侧架与导框顶面焊装磨耗板,滑槽内镶卡入式磨耗板,摇枕斜楔槽内焊插板;基础制动装置为下拉杆式单侧闸瓦制动,采用高磨合成闸瓦,双滚子间隙旁承。3 转向架的结构选型随着货物列车重载化的发展，特别是随着货车轴重的增加，列车与线路间动态相互作用显著增强，加剧了车辆磨损，降低了车辆部件的使用寿命；同时，列车对轨道结果的破坏作用及线路变形也随之加剧。开发低动力作用转向架可以减轻重载列车和线路间的相互作用3.1 转向架选型原则1）减小簧下质量簧下质量对轮轨垂向动作用力特别是低频作用力的影响很大。降低簧下质量的有效措施是采用一系悬挂-三向定位的弹性承载鞍。2）优化车轮参数加大轮径可有效减小轮轨的接触应力，但是轮径增加将导致车辆簧下重量增加，轮轨间相互作用加剧，并且使车辆重心升高，对车辆运行平稳性不利，所以重载轮径应限制在一个合理的范围。3）减小一系横向定位刚度一系弹簧横向定位刚度对轮轨间横向作用力影响很大，减小横向定位刚度不仅可以降低车辆对轨道的动力作用，还可以提高抗脱轨安全性。（但是一系悬挂在纵向和横向的定位刚度对于车辆蛇行稳定性有很大影响，故只能在保证横向蛇行稳定性的前提下减小轴箱弹簧的横向定位刚度。）4）发展径向转向架采用径向转向架能减小或消除轮对冲角，有效的减小轮轨磨损。3.2 转向架结构特点1）该转向架属于30t轴重低动力作用铸钢三大件式货车转向架。需要要货车厂具有丰富的设计和生产三大件货车转向架的经验,并具有较强的铸造能力。与侧架摆动式三大件转向架相比,侧架交叉支撑式转向架结构相对简单,磨耗件小,易于推广,检修方便;2）采用一系悬挂装置,减轻转向架的簧下质量。一系悬挂我决定采用三向定位的弹性承载鞍，这样能降低轮轨动作用力以及轮缘磨耗，也能降低来自轮轨间的高频振动。3）二系悬挂我决定采用装有组合式变阻尼减振装置的两级刚度中央弹簧悬挂系统，采用内、外枕簧不同高度的两级刚度弹簧是提高空车弹簧静挠度的有效措施，即在空车时弹簧具有较小的刚度，使空车弹簧静挠度提高，而在重车时弹簧具有较大的刚度，以承受重车的载荷，这样可使货车转向架的空、重车弹簧静挠度都在合理范围内。故该转向架应采用的两级刚度弹簧为内、外圈弹簧不等高结构，空车时仅外圈弹簧承重，重车时由内、外圈弹簧共同承重。 4）侧架立柱磨耗板采用卡入式结构，材质选定为OCr18Ni9，之所以这样选择是为了在有效提高组装效率的同时，可显著降低侧架摇枕挡的磨耗问题以及侧架立柱磨耗板由于采用折头螺栓紧固所带来的翘曲和断裂的几率。5）摇枕、侧架采用B+级铸钢制造。6）在上、下心盘之间，加装心盘磨耗盘。上、下心盘的平面和圆周边部分都被心盘磨耗盘隔离，这就完全避免了上、下钢质心盘间的直接磨损，也改善了上、下心盘面的承载匀衡性，可以有效提高上、下心盘的使用寿命。7）车轮材质为CL70钢、采用直径为915mm的整体辗钢轮或铸钢车轮:。装用AAR K级双列圆锥滚子轴承，满足轴重30t运用需要。我国主型货车的轴重在21t25t之间，车轮直径为840mm，美国、澳大利亚和巴西等国30t轴重车辆正是采用直径为915mm的车轮。有人研究了轮径变化对30t轴重车辆动力学性能的影响，建议我国30t轴重重载货车轮径取915mm比较合适。8）每台转向架装有4个工作行程为15mm的CCB-3000XT型常接触弹性旁承，使转向架与车体之间具有较为合适的回转阻力矩，在提高转向架高速运行稳定性的同时增强车辆抗侧滚能力。9）弹簧排布方式中央弹簧悬挂装置决定借鉴K6转向架改进为由9组两级刚度弹簧组成，其中摇枕弹簧7组，减振弹簧2组，弹簧的材质为暂时选定为60Si2CrVAT。4 转向架摇枕的设计4.1 大轴重转向架载重分析和损伤部位探究在工程结构和机械设备中,疲劳破坏的现象极为广泛,它普遍存在于每个运动的零部件。甚至有些看上去是静止的结构,但是只要它承受反复作用的载荷,都会导致疲劳破坏。据统计大约有50一90%的机械结构破坏属于疲劳破坏。我国铁路货车的轴重正在由25t向30t发展,车辆的最高商业运行速度正在由80km向120km/h发展。摇枕作为铁路货车转向架主要承载部件之一,在使用过程中承受着巨大的拉、压、冲击、弯曲等交变载荷作用,工况十分恶劣,其主要失效形式是疲劳破坏。另外,车辆运用中难免出现的偏载、超载、轮对擦伤等因素会使摇枕的受力状况更加恶化,加剧了裂纹的产生和扩展。加强摇枕的结构强度是解决摇枕疲劳损伤的一个显著方法，在摇枕设计之前，需要得知摇枕的主要受力情况，以便在设计时控制主要应力集中区域的结构强度。我们可以通过摇枕在经过厂修、段修时发现的主要损伤和裂纹产生部位来大体分析摇枕的主要应力集中区域。图4.1列车车辆对转向架的载荷示意图由上图可以看出，当转向架承受列车车辆的静载荷时，主要是心盘和左右旁承承受载荷，而侧架对摇枕的的作用力集中作用在摇枕的八字面上。图4.2摇枕在竖直方向受到的作用力示意图由此作用力示意图可推测出摇枕最为主要的疲劳裂纹等损伤一般出现的位置为摇枕心盘部位、底部排水口、摇枕八字面部位以及摇枕两端的下弯角部位。经搜集查阅相关资料，也证实了之前的推测。以下便是摇枕最为经常出现损伤的部位的照片。 图4.3摇枕排水口部位裂纹照片 图4.4摇枕下弯角部位裂纹照片 图4.5摇枕八字面裂纹照片 图4.6摇枕心盘部位裂纹照片有资料显示，在所有转向架摇枕检修的损伤裂纹中，心盘部位、八字面部位、下弯角部位以及摇枕下部排水孔部位出现裂纹的比率各占20%。这个数据很直观的告诉我们，想要整体提升转向架摇枕的结构强度和使用寿命，必须在这几个容易产生损伤裂纹的部位进行优化。4.2 转向架摇枕的三维结构设计4.2.1 总体结构设计摇枕的结构设计并不能随心所欲的进行发挥和臆想，要适应摇枕中部受弯矩较大而两端受弯矩较小的情况，故摇枕中央部分的截面要比两端大，使得中央部分具有较大的截面模数，即鱼腹形设计。再者需要考虑到正常装配、生产工艺的简单不复杂、对生产成本的控制等各方面的因素，最终决定借鉴我国转K6和转K7两种经典的25t轴重货车转向架摇枕的总体结构尺寸，来设计30t轴重转向架摇枕。图4.7摇枕总体形状图4.8 摇枕总体尺寸转向架外围的形状尺寸是在K6转向架和K7转向架的结构基础上，做了一些调整。大轴重转向架轴颈、轮径的选取都要比K6转向架和K7转向架的要大，故要满足降低车体及钩缓装置高度不变的要求，就必须将转向架摇枕及侧架进行外部形状上的改变。心盘承载的部位设计成下陷的结构，就可以有效的降低心盘的高度了。根据力的杠杆原理，心盘部位设计成下陷的结构对摇枕旁弯角部位的结构强度就有了更大的需求，因为力臂增大之后力矩也变大了。所以在左右下弯角部位要设计出更大的弧度来满足大载荷对摇枕强度的要求。4.2.2 外壁和内部筋板厚度的设计可以说摇枕外壁和中间的支撑筋板的强度就决定了摇枕的整个结构强度，所以外壁和筋板的设计一定要满足30t轴重重载的要求，但是也不能一味的追求强度而忽视了自重太重的问题，必须按照相关的结构设计标准，既要满足强度要求，也要兼顾考虑降低自重。图4.9 外壁及筋板厚度设计中，相对于转K6型和转K7型转向架摇枕外壁厚度为18mm，30t轴重转向架摇枕加大厚度到22mm，这是保证强度足够又不产生强度过剩、自重过大的合理厚度。设计中还针对摇枕心盘部位、下方排水口部位、摇枕下弯角部位及八字面部位承受载荷较其他部位大的工况条件，必须对这些部位进行结构强度增加的设计处理。4.2.3 排水口、漏沙孔等工艺孔的设计摇枕设计中有一些必须的工艺孔也是必不可少的，比如排水口、漏沙孔等，这些工艺孔的设计不仅是方为了铸造时起模、掉沙方便，在摇枕的日常使用及检修中也扮演者重要的角色。比如排水口，当摇枕在正常使用中遇到下雨天气，雨水会积攒在摇枕中，如果不及时排出便会引起摇枕内部锈蚀，久而久之变减小了摇枕的强度，缩小了摇枕的使用寿命。图4.10 摇枕内部工艺孔设计中比较值得一提的是位于摇枕中部腹板的用于制动中拉杆穿过的两个椭圆孔，它的尺寸大小决定了制动装置是否可以正常使用，所以在设计中参照了K6转向架的设计标准，最终确定了孔的形状大小及方位。4.2.4 摇枕斜楔的设计斜楔是转向架的重要减振元件之一，它构成了转向架的摩擦减振器。K6型转向架和K7型转向架都采用的摩擦减振器与弹簧一起构成弹簧减振装置。弹簧主要起缓冲作用，缓和来自轨道的冲击和振动激扰力，而摩擦减振器作用是减少振动-它的作用力总是与运动的方向相反，起着阻止振动的作用。摩擦减振器结构简单，成本低，制造和维修比较方便，故广泛应用在货车转向架上。摩擦式减振器是借助金属摩擦副的相对运动产生摩擦力，将车辆振动动能转变为热能而散失到大气中，从而减少车辆振动。一般摩擦楔块的一边为45度角，该斜边嵌入摇枕端部的楔形槽中，另一边与垂线的夹角为30度左右，紧紧压在侧架立柱的磨耗板上。其工作原理是：车体重量通过摇枕作用于弹簧上，是弹簧压缩。由于摇枕和楔块之间为45度的斜面，因此在车体作用力和弹簧反作用力的作用下，楔块与摇枕之间、楔块与侧架立柱磨耗板之间产生一定压力。行驶中各摩擦面产生相对摩擦，将车辆振动的冲击力转变为热能从而起到减振的作用。图4.11 摇枕斜楔三维图图4.12 摇枕斜楔剖面图30t轴重转向架摇枕的斜楔设计参照K6型转向架和K7型转向架的斜楔样式，最终斜边与竖直方向的夹角选定为32度。斜楔面的宽度的设计则必须根据选择的外圈弹簧的最大直径并参照其配合关系来确定。最终确定为174mm作为斜楔面的宽度。4.2.5 旁承台座的设计旁承承载的使用大大改善了心盘的受力状态，25t及以上轴重转向架的旁承一般应用弹簧与橡胶复合生产而成。增加了车体与转向架间的回转阻尼，有效抑制转向架与车体的摇头蛇行运动和车体侧滚振动，从而解决了空、重车回转阻力难以协调的技术难题，进一步提高了车辆的临界速度，有效保证车辆运行性能的稳定，降低了运行时的横向加速度，并较大量的缓解了心盘的承载压力，减少了心盘裂纹产生的概率。图4.13摇枕旁承台座三维图图4.14 摇枕旁承台座剖面图旁承台座的设计需要根据旁承种类型号来选择，30t轴重转向架选用的是JC型双作用弹性旁承，它的优点是使用了端部无磨耗弹性定位技术和纵向滚动限位技术来减少车辆弯道行驶时的蛇形运动，从而改善了车辆的平稳性能。4.2.6 弹簧承台的设计弹簧承台是摇枕和侧架都有的，摇枕弹簧承台和侧架弹簧承台之间是弹簧减振装置。30t轴重转向架摇枕的弹簧承台是在一个平面（承台面）上铸有9个突出的圆脐子，主要是起到对弹簧定位的作用。弹簧减振装置的作用是缓和并消减车辆运行时受到的冲击和振动，它由摇枕弹簧和楔块组成，每台转向架有2套。每套摇枕弹簧为9组双圈螺旋圆弹簧，直接放在侧架的弹簧承台上。2个楔块分别装在摇枕楔形槽中，其下各有一组双圈摇枕弹簧。 图4.15 摇枕弹簧承台30t轴重转向架摇枕弹簧承台的9个突出的圆脐子，根据其弹簧是定位弹簧或者减振弹簧等的作用不同其大小是不一样的。反映在设计中便是圆脐子的高度。最中心的圆脐子在设计时必须将高度增加，以便保证弹簧在使用中可以起到应有的作用。4.2.7 心盘部位的设计心盘的功用有以下几点：1、支撑并传递车体重量的1/2，即整个转向架荷重（装用常接触式弹性旁承除外）；2、连接转向架与车体，承受纵向牵引力、冲击力、离心力、风力等，完成牵引任务；3、完成转向架与车体间的相对转动作用，随时进行运行中的转向。心盘从作用位置上可分为上心盘（与车体连接），下心盘（与转向架连接），从结构上分，下心盘可分为与摇枕一体式和组合式两种。30t轴重转向架摇枕的心盘被设计成组合式，在摇枕中心部位设计下心盘部位，并留有心盘螺栓孔和心盘销孔。为便于落车时导向，使上下心盘吻合和防止在运行中发生跳动而分离，上下心盘间穿以中心销，起连接作用。 图4.16摇枕心盘部位摇枕的心盘部位是主要的承载载荷的部位，故必须有一定的强度要求，材料的厚度一定要达到承载的要求。又因为30t轴重转向架摇枕为了在轮径、轴颈变大的情况下满足车身高度要求以及钩缓装置的钩挂要求而设计成为弧型的摇枕外形中间的心盘部位需要承受更大的载荷，故在根据K6型转向架和K7型转向架的设计标准要求上，参照部分资料，最后确定了心盘部位的壁厚为32mm。心盘部位留有心盘螺栓孔和心盘销孔以便于下心盘连接，而且在新盘部位尺寸大小必须与30t轴重转向架摇枕下心盘的406mm直径相配合。在两边突出部位必须设计筋板来起到巩固强度的作用，防止在车辆跳动时引起的摇枕心盘松动等问题。4.2.8 摇枕吊耳的设计摇枕吊耳的主要作用在于摇枕的搬运以及铸造时方便摇枕起模使用。它的设计应该遵循以下几点要求：1、 四个吊耳的时候必须能够承受摇枕的整体重量；2、 两个吊耳的时候必须要能承受翻转重量（单件重量）；3、 吊耳在模具上的位置应以模具重心线为中心；4、 吊耳设计时要注意在吊装时不要与其它零件（如导柱、限位器等）或者同意零件其他部位相互干涉；图4.17摇枕吊耳摇枕吊耳设计时的位置选择和强度设计是最主要的两个方面。吊耳所在的位置必须要能够在起吊时均衡的承受载荷并且要两两对称；摇枕的吊耳一定要保证在起吊及铸造翻模时能足够承受摇枕自身重量。所以30t轴重转向架摇枕的吊耳厚度设计为28mm，这样就有能够满足吊耳强度上的要求了。4.2.9 棱角的圆弧过渡设计就是在转角的地方不用棱角分明的角度，而用圆弧平滑过渡。铸件一般在棱角采用圆弧过渡，其好处在于可以避免应力集中，提高强度，改善熔体在型腔中的流动，有利于充满型腔，便于脱模。摇枕的设计中圆弧过渡是不可缺少的一部分，不仅外壁需要圆弧过渡，内部的筋板等都需要圆弧过渡。既能得到圆润好看的外观，又能方便加工组装，最重要的是减少了应力集中增加了摇枕的结构强度。图4.18摇枕底部圆弧过渡图4.19 摇枕圆弧过渡剖面图30t轴重转向架摇枕在主要承载部位棱角部分都采用了圆弧过渡以减少应力集中增加摇枕结构强度；其余棱角部分均借鉴K6型转向架和K7型转向架的外形构造采用圆弧过渡。5 转向架摇枕的有限元分析有限元法(FiniteElementMethod，FEM)是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种计算方法，是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法。在机械工程中，有限元法已经作为一种常用的方法被广泛使用。凡是计算零部件的应力、应变和进行动态响应计算及稳定分析等都可以用有限元法。Simulation是SolidWorks公司推出的一套有限元分析软件。它作为嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成。运用Simulation，普通的工程师就可以进行工程分析，并可以迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短了产品设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。其基本模块能够提供广泛的分析工具来检验和分析复杂零件和装配体，它能够进行应力分析、应变分析、热分析、设计优化、线性和非线性分析等。不管项目多复杂或应用领域多广，无论是结构、热传导，还是声学分析，对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解的基本步骤是一样的，只是具体公式推导和运算求解不同。5.1.1 有限元求解问题的思路及方法1.基本思路(1)建立数学模型。Simulation对来自SolidWorks的零件或装配体的几何模型进行分析。该几何模型必须能够用正确的适度小的有限单元进行网格划分。通常情况下，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的要求。这种修改可以采取特征消隐、理想化或清除等方法。(2)建立有限元模型。通过离散化过程，将数学模型剖分成有限单元，这一过程成为网格划分。离散化在视觉上将几何模型划分为网格。然而，载荷和支撑在网格完成后也需要离散化，离散化的载荷和支撑将施加到有限元网格的节点上。(3)求解有限元模型。创建有限元模型后，使用Simulation的求解器进行求解。(4)结果分析。总体来说，结果分析是最困难的一步。有限元分析提供了非常详细的数据，这些数据可以用各种格式来表达。对结果的正确解释需要熟悉和理解各种假设、简化约定以及在前面三步中产生的误差。2.使用步骤以上介绍了Simulation有限元分析的基本思路，在实际应用Simulation进行分析时，一般遵循以下步骤：创建算例、应用材料、添加约束、施加载荷、划分网格、运行分析和分析结果。3.SimulationXpress应力分析SolidWorksSimulationXpress为SolidWorks用户提供了一款初步的应力分析工具。通过在计算机上测试用户的设计，SimulationXpress可以帮助用户减少昂贵费时的实体测试，降低成本及减少投入市场的时间。SimulationXpress的向导界面将引导用户完成分析，其中优化分析是可选模块。5.1.2 转向架摇枕承受载荷情况分析列车在正常行驶中不仅仅只收到单一垂直方向的静载荷，在行驶过程中轨道的不平顺，轨道线路的拐弯等不同情况下转向架摇枕所承受的载荷一定是不同的。首先需要对转向架摇枕受载情况进行分析：作用在心盘上的载荷 (KN) 或者 (KN)式中-一个轮对压在钢轨上的允许载荷（允许轴重） n-一台转向架的轴数 -一台转向架的自重（t）表5.1 摇枕垂向静载荷工况载荷工况定义载荷大小1心盘垂向载荷（P）1P2左旁承载荷（R1）+心盘垂向载荷（P） 2P3右旁承载荷（R2）+心盘垂向载荷（P） 2P由此我们可以知道30t轴重转向架摇枕上大概需要承受的垂直静载荷的大小为：则表5.2各工况承载载荷大小载荷工况载荷大小（KN）1529.7421059.4831059.485.1.3 转向架摇枕使用Simulation进行有限元分析(1)建立新算例。算例是由一系列参数定义的，这些参数完整地表达了物理问题的有限元分析。当对一个零件或装配体进行分析时，想得到它在不同工作条件下的反应就要运行不同类型的分析。一个算例的完整定义包括分析类型、材料、负荷、约束和网格。在这一步骤中，可以为算例设定一个名称，并同时设定算例的“类型”为“静态”。将30t轴重转向架摇枕导入算例中。(2)应用材料。在运行算例之前，必须定义模型的材料属性。在Simulation中定义材料不会更新已在SolidWorks中为CAD模型分配的材料。在装配体中，每一个零件可以指定不同的材料。30t轴重转向架摇枕采用B+级钢铸造而成，屈服强度为s=344.5MPa ，抗拉强度为b=551MPa，故采用近似的铸造合金钢作为分析材料。图5.1材料选择(3)添加约束。为了完成一个静态分析，模型必须被正确地约束。Simulation提供了各种夹具来约束模型，一般而言，夹具可以应用到模型的面、边和顶点。单击Simulation工具栏“夹具”下拉菜单的“固定几何体”，完成对零件约束的添加。当某个面添加了约束之后，就可以看到夹具符号出现在该面上。夹具符号分别用箭头和圆角表示各方向的移动和转动自由度的限制。本文中选择“固定几何体”夹具类型，意味着所有的6个自由度，包括三个移动自由度和三个转动自由度都被限制了。30t轴重转向架摇枕添加的约束条件实在弹簧承台面竖直向上的。图5.2添加约束(4)施加载荷。单击Simulation工具栏中“外部载荷”下拉菜单中的“力”，完成对零件载荷的施加，图5.3 添加载荷-工况1图5.4 添加载荷-工况2(5)生成网格。单击Simulation工具栏中的“运行”下拉菜单中的“生成网格”，完成对零件的网格化。图5.5 生成网格-工况1图5.6 生成网格-工况2(6)运行算例。完成应用材料、添加约束、施加载荷和对模型进行网格划分后，就可以进行分析了。单击Simulation工具栏中的“运行”，系统就开始进行分析，并弹出运行窗口，其中会显示分析节点、单元以及自由度的数目。(7)显示结果。运行结束之后，SimulationStudy树中增加了“结果”文件夹，并且“结果”下还有应力、位移、应变和安全系数四个图解选项。图5.7 应力图解-工况1 图5.8 工况1所受应力图5.9 应力图解-工况2 图5.10 工况2摇枕所受应力(8) 生成报告。经过结果分析后，可以将结果生成研究报告，以方便查阅、演示和存档。(9) 制作受力简图，确定最大承载区域。图5.11 摇枕承载最大应力简图摇枕承受载荷应力最大的部位分别是A区（摇枕两端下弯角部位），B区（摇枕底部两排水口附近）。(10)分析及结论： 已知B+级钢的屈服强度： =344.5MPa 则B+级钢的许用应力 表5.3 各工况受载情况统计受载工况受载大小与许用应力比较是否满足强度要求1满足2满足3满足经以上分析，摇枕在两个工况条件下，所承受静态垂向载荷在A、B两应力集中区域承受应力值均小于B+级钢自身的许用应力，故可得出结论：该摇枕满足应力强度要求。5.1.4 转向架改进措施1、加厚心盘座厚度。根据Simulation对30t轴重转向架摇枕的有限元分析可以得出，承载载荷较大的部位依旧是心盘部位，从有限元的分析的位移图解得出结论，心盘周边部位结构强度仍旧欠缺，所以应该对心盘部位加强结构强