（光学工程专业论文）动车组转向架构架强度研究.pdf

摘要 8 7 8 9 6 2 动力分散型动车组由于其具有快捷、安全、舒适、高效的特点，已 成为现代轨道车辆的发展趋势。动车组自身都带有动力，因此转向架结 构比拖车转向架更为复杂。作为主要承载部件的动车转向架构架，其结 构的安全可靠性是动车组研发中的关键项点。国内对动车组的研制开始 于二十世纪九十年代中期，与国外相比在设计规范、制造工艺、运用环 境等方面还缺少成熟的经验。 本论文在大量搜集资料的基础上，分析比较了国内外动车组转向架 的发展及现状，研究了动车组转向架构架的结构特点；构架强度的计算 和试验工况以及动应力测试等内容；同时，还总结了电动车组转向架开 发研制中的经验教训。这对未来高速动车组的研制有一定借鉴作用。 研究表明，加强对减振器座、制动吊座、扭杆座等支吊座的运用工 况的研究，补充和完善动车组转向架构架的强度计算和试验规范等，都 是保证动车组安全运行需要急待研究解决的重要课题。 关键词：动车组、转向架、构架、强度研究 a b s t r a c t p o w e rd e c e n t r a l l z e de muh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n do f m o d e m r a i l w a yr o l l i n gs t o c kw i t hi t sr a p i d ，s a f e ，c o m f o r ta n dh i g he 伍c i e n tf e a t u r e s a sap o w e r e du n i t ，e m u sb o g i ei sm o r ec o m p l i c a t e dt h a nt r a i l e r b o g i e a c c o r d i n 9 1 yt h es a f e t yo fb o g i ef r 锄e ss t r u c t u r eh a sb e e nt h ek e yp o i n ti n e m u r e s e a r c h & d e v e l o p m e n t s t a r t i n gi nt h em i do f9 0 s ，r & do fe m ui n c h i n al a c k sm a t u r ee x p e r i e n c ei nt h ef i e l do fd e s i g nc r i t e r i a ，m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g ya n do p e r a t i n ge n v i r o n m e n t s t h i st h e s i sc o m p a r e st h ed e v e l o p m e n to fe m ud o m e s t i ca n da b r o a d ， a n a l y s i st h es t r u c t u r eo fb o g i ef - r a m e ，s t r e n g t h e nc a l c u l a t i o n ，s t r e n g t h e na n d s t r a i nt e s t i ts u m m a r i z e st h ep r a c t i c a le x p e r i e n c et ob eu s e df o rr e f e r e n c eo f t h ef u t u r eh i g hs p e e de m u c o n c l u s i o n ：f o rt h es a f eo p e r a t i o no fe m u ，r e i n f o r c et h e o p e r a t i n g s t u d yo fh a n g e r s1 i k ed a m p e rs e a t s ，b r a k ec y l i n d e rh a n g e rs e a t s ，t o r s i o nb a r s e a t s e t c ，p e r f e c tt h es t r e n g t ha n a l y s i sa n dt e s tc r i t e r i ao fm o t o rb o g i e f r a m e k e yw o r d s ： e m u ，b o g i e ，b o g i ef r a m e ，s t r e n g t ha n a l y s i s 北京交通大学工程硕士论文 第一章绪论 1 1 高速动车组的兴起 随着经济的持续发展，城市化进程逐渐加快，城市之间的人员和物 资交流f 1 益频繁，对城际间快速交通的需求显著增长。铁路作为一。种经 济、安全、大运量的大众化交通工具，在各个国家的经济生活中具有关 键性的作用。二十世纪五十年代，铁路遇到了航空和高速公路的严峻挑 战，促使各国铁路进行内部的体制改革和运输手段上的技术创新。 1 9 6 4 年1 0 月1 日，日本o 系动车组在东京一大阪的东海道新干线 上开通商业运营，最高时速2 l o 公里，成为世界上第一个高速铁路系统。 新干线所创造的优良的运营业绩，扭转了铁路运输走向夕阳产业的命运， 为各国开发高速铁路技术注入了新的动力。日本先后研发了1 0 0 系、2 0 0 系、采用交流牵引系统的3 0 0 系、e 1 、e 2 、e 3 、e 4 等新型动车组，最 高运营速度也提升到2 7 5 k 州h 。1 9 9 7 年3 月2 2 日采用主动悬挂设计的 5 0 0 系动车组开始运行，其最高时速达到3 0 0 k m h 。由于受东海道线路 条件和成本的影响，5 0 0 系并没有被推广使用，批量生产的是1 9 9 9 年投 入运营的7 0 0 系。最新的8 0 0 系动车组也已于2 0 0 4 年在九州岛开通运行。 继日本之后，法国积极进行高速铁路技术的开发，1 9 7 2 年t g v 0 0 1 试验列车在试验中速度超过了3 0 0 k m h ，1 9 8 1 年2 月第一代t g v _ p s e 创下了3 8 0 k m h 的世界记录，同年9 月在巴黎一里昂之间进入商业运营， 最高运营速度为2 7 0 k m h ，成为欧洲第一条高速铁路。1 9 8 9 年法国第二 代高速列车t g v - a 在大西洋线上将最高运营速度提升至3 0 0 k m ，1 1 ，并在 1 9 9 0 年5 月1 8 日创下了5 1 5 3 k m h 的世界铁路交通速度记录。1 9 9 4 年 “欧洲之星”在伦敦至布鲁塞尔间开行，t h a l y s 将巴黎、布鲁塞尔、 科隆、阿姆斯特丹连在了一起。1 9 9 7 年第三代t g vd u p l e x 双层列车以 高定员的特点投入运营，在速度、乘座舒适性以及经济性上达到了顶峰。 法国t g v 列车的成功运营，促使德国加快了高速列车技术的研发， 1 9 8 8 年5 月i c e 。v 试验列车创造了4 0 6 9 k m h 的世界纪录。1 9 9 1 年汉诺 北京交通，i 学工程硕士论文 威一乌兹堡及曼海姆一斯图加特间的高速路线兴建完成，i c e l 高速列车 开始进入商业运转，其最高营运速度可达2 8 0 k m 1 1 。1 9 9 6 年i c e 2 高速 列车开始投入运营，它由两个短编组列车构成，可根据运营需要进行分 离或合并。德国在2 0 0 0 年推出了新型动力分散的i c e 3 高速动车组和i c t 摆式电动车组，2 0 0 1 年又将i c e t d 内燃摆式动车组投入服务，扩大了 高速铁路的运营范围。 西班牙将引进的t g v 列车命名为a v e ，于1 9 9 2 年4 月开始在马德 里至塞维利亚间之进行商业运转，最高营运时速为3 0 0 k m ，i l ，大大改善 了西班牙中部到南部的交通情况。2 0 0 1 年西班牙又订购了动力分散的 v e l a r oe 和动力集中的t a l 9 0 3 5 0 各1 6 列，最高时速达3 5 0 k m m 。在 引进高速铁路之前，西班牙传统上特有的旅客列车为采用摆式技术的 t a l g o ，最高营运速度为2 0 0 k m ，h 。 意大利在1 9 8 8 年采用e t r 4 5 0 摆式列车开通了罗马至佛罗伦萨约 2 4 0 公里长的高速铁路新线路段，其最高运营时速可达2 5 0 k m 1 1 。1 9 9 6 年在米兰至罗马间开始启用新型动力集中式高速列车e t r 5 0 0 ，此型列 车并没有采用意大利传统的摆式技术，其最高运营速度可达3 0 0 k m h 。 从日本的新干线7 0 0 系、德国的i c e 3 到法国正在研制的t g v 新一 代产品a g v ，这些新研制的高速列车全部采用了动力分散模式、轻量化 铝合金车体和v v v f 交流传动系统。根据欧洲铁路联盟新标准，符合欧 洲国际高速铁路网联运车辆的轴重须小于1 7 t 。动力分散型电动车组已 成为国际上新型高速列车的发展趋势。 1 2 国外典型高速转向架概况 自上个世纪八十年代以来，世界铁路进入了高速化的新时期。世界 各国在发展高速列车时均在高速转向架上投入了很大精力，但目前只有 少数国家的转向架运营速度能够达到或超过3 0 0 k m m 。其根本原因在于 当提高车辆速度的同时，保持和提高车辆的乘坐舒适性是非常困难的。 目前运行速度超过2 5 0 k m h 的高速客车转向架的典型代表有法国t g v 列车的y 2 3 1 、y 2 3 7 ，德国i c e 列车的m d 5 3 0 、s g p 4 0 0 和s f 5 0 0 ，日 北京交通大学工程硕士论文 本新干线3 0 0 系的t d t 2 0 3 、t r 7 0 0 1 ，5 0 0 系的w d t 2 0 5 和7 0 0 系的 t d t 2 0 4 、t r 7 0 0 2 。表1 一l 为典型高速客车转向架的参数。 1 2 1 法国高速转向架 法国第一代高速列车巴黎东南线t g v - p s e 的动车采用y 2 3 0 型 转向架，拖车采用y 2 3 1 型转向架。第二代大西洋线t g v _ a 的拖车采 用y 2 3 7 型转向架( 见图1 1 ) 。第三代双层客车t g v - 2 n 和欧洲之星的 拖车采用y 2 3 7 a 型转向架。 y 2 3 7 型转向架是在y 2 3 1 型转向架基础上改进的，取消了踏面制 动装置，一系悬挂改为转臂式。y 2 3 7 型转向架在一系悬挂装有一个线 性液压减振器，大大改善了转向架动力学性能。y 2 3 1 型转向架当初摇 枕弹簧采用螺旋弹簧是因为当时试验的空气弹簧未能取得理想刚度。装 用螺旋弹簧后引起了一系列问题，诸如车辆间振动相互干扰、转向架振 动易于影响车体振动等。y 2 3 7 型转向架摇枕弹簧改用s r l 0 型高柔性 空气弹簧后，平稳性有了很大改善。 y 2 3 7 a 型是y 2 3 7 的改进型，主要改进是：为减轻自重，将原有钢 制的空气弹簧储风缸改为铝制的，并使其不再传递垂向载荷，以减小缸 壁应力；将一根抗侧滚扭杆增加到两根，每根扭杆与一个车端的两侧相 连接。 图l 一1 法国t g v y 2 3 7 型转向架 北京交通大学工程硕士论文 表1 1 典型高速客车转向架主要参数对比 动车t d t 2 0 4 转向架型号 w d t 2 0 5 s f 5 0 0y 2 3 7 a 拖车t r 7 0 0 2 使用车辆日本7 0 0 系日本5 0 0 系德国i c e 3法国t g v 一2 n 最高速度 2 8 53 0 0 3 3 0 ( 设计速度) 3 0 0 f k m 1 1 ) 使用年份 2 0 0 01 9 9 7 1 9 9 91 9 9 5 轴重 1 1 3 t 1 1 2 t1 6 1 5 t1 7 t 自重( t ) 6 5 动9 2 拖7 5 7 o 轴距( m m ) 2 5 0 02 5 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 轮对 由8 6 0 中7 9 0巾8 6 0 巾7 9 0 中9 2 0巾9 2 0 中8 5 0 踏面形式 圆弧踏面 圆弧踏面圆弧踏面 锥形踏面 圆导筒式r 螺旋弹簧转臂式转臂式转臂式 轴箱定位 + 圆筒橡胶) 无摇枕，自由膜式无摇枕，自由膜无摇枕，自由膜无摇枕，空气弹 车体支持方 空气弹簧与车体直式空气弹簧与车式空气弹簧与簧与车体端部直 式 接联结体直接联结，车体直接联结接联结 二系横向跨 2 6 0 02 6 0 0 距( m m ) 牵引装置单拉杆牵引单拉杆牵引双拉杆牵引双拉杆牵引 再生、盘形、盘式涡 再生、盘形、磁 制动方式 再生、盘形盘形 流道 平行万向轴+ 齿轮装平行万向轴+ 齿平行万向轴+ 齿 驱动方式 置 轮装置轮装置 4 北京交通大学工程硕士论文 1 2 2 德国高速转向架 德国城间高速列车i c e 是德国现代铁路技术的代表作，其配套的高 速客车转向架也因此而天下闻名。i c e 列车目前共发展了三代。i c e l 拖车采用m d 5 3 0 型转向架、i c e 2 拖车采用s g p 4 0 0 型转向架、i c e 3 采 用s f 5 0 0 型转向架( 见图1 2 ) 。 s f 5 0 0 型是德国i c e 家族的最新成员i c e 3 采用的转向架。i c e 3 要求最高运行速度3 3 0 k 州h ，为此每吨质量的功率要从i c e l 的l o k w t 增加到2 0 k w t ，同时要求最大轴重不超过1 7 t ，所以i c e 3 采取了动力分 散的方式，全列车中动力转向架和非动力转向架各占5 0 。动力转向架 和非动力转向架的开发由s g p 公司和a d 仃a n z 公司联合完成。 转向架构架为箱形焊接结构，由两根中间为凹形的侧粱组成，二系 悬挂为加有橡胶堆的空气弹簧，并装有抗侧滚扭杆和抗蛇行减振器。一 系悬挂是螺旋弹簧加垂直减振器，用单侧的拉杆定位。动力转向架上装 有轮装式盘形制动，非动力转向架上每轴装三个制动盘。 图1 2s f 5 0 0 型动车组转向架 1 2 3 日本高速转向架 日本新干线高速旅客列车是世界上最早的高速客运列车。自1 9 6 4 j e 京交通大学工程硕士论文 年以来，经历了四代：o 系为第一代，1 0 0 系为第二代，3 0 0 系为第三代， 5 0 0 系、7 0 0 系为第四代。 新干线电动车组全部采用动力分散方式，其理由是：( 1 ) 减小轴重， ( 2 ) 为频繁加速对各节车提供电力。因此最早的o 系列车全列均为动车， 所有转向架均为动力转向架，后来的1 0 0 系、3 0 0 系和7 0 0 系才有拖车 转向架。 5 0 0 系转向架型号是w d t 2 0 5 ( 见图1 3 ) ，仍采用无摇动台、无摇枕、 无旁承的三无结构，其结构基本上与w d t 9 1 0 1 型相似。转向架轴距 2 5 0 0 m m ，中央空气弹簧横向跨距2 6 0 0 m m ，轮径8 6 0 7 9 0 m m 。在w 1 n 3 5 0 试验车上曾试验过三种轴箱定位，其性能无大差异，设计时从维修工作 简便性作为着重点，决定采用转臂式。动车转向架轴重为1 12 t ，白重仅 6 5 t ，采用了空心轴和铝制转臂等减重措施。5 0 0 系动车组部分转向架上 首次采用了主动和半主动悬挂系统。 立 t 富 图1 35 0 0 系w d t 2 0 5 型动车转向架 北京交通大学工程硕士论文 1 2 4 高速转向架发展方向 由上述典型高速转向架的结构特点与主要参数可以看出高速转向架 的发展方向主要有以下几点： ( 1 ) 采用无摇枕结构。使结构简洁，重量轻，无磨耗，易维护。 ( 2 ) 进行强度分析和优化，并采用新结构和新材料。实现轻量化，减轻 转向架自重特别是簧下重量，降低轮轨冲击。例如：空心车轴、铝合金 齿轮箱和轴箱。 ( 3 ) 通过动力学软件分析和相关结构试验，优化悬挂参数，实现参数的 非线性控制，兼顾高速稳定性和曲线通过能力。 ( 4 ) 采用主动和半主动悬挂装置，提高高速列车的舒适性。 ( 5 ) 开发转向架故障自动诊断系统，实时监测转向架运行状态，及时发 现隐患，实现按状态检修，降低全寿命成本，保证高速运行的安全。 1 3 论文的主要研究内容 动车转向架与拖车转向架相比，增加了牵引电机和齿轮箱等驱动装 置，采用了紧凑型单元式基础制动装置，结构布置更加复杂；侧梁和横 梁上设有各种吊座，受力工况更加复杂；随着运行速度的提高，振动加 速度和频率也明显增加，零部件疲劳的问题更加突出；动车组在持续高 速运行中，任何零部件发生问题都可能影响到整个列车的运行安全，因 此对零部件的可靠性提出了更高的要求。 本文以为广深公司开发研制的动力分散型交直交电动车组转向架为 研究对象，重点研究构架的静强度和疲劳强度。主要研究内容为： ( 1 1 动车转向架的发展趋势 ( 2 ) 动车转向架结构设计要点 ( 3 ) 构架有限元强度分析 ( 4 ) 构架静强度和疲劳强度试验 ( 5 ) 构架动应力测试和疲劳强度评估 北京交通大学工程硕士论文 第二章动车组转向架设计 2 1 研制过程 2 0 0 0 年8 月，与广深铁路股份有限公司签订了关于合作开发研制 动力分散型交直交电动车组的意向书。 2 0 0 0 年1 0 月开始进行方案调研，同关键部件供货商进行技术交流。 2 0 0 1 年2 月签订了合作开发研制动力分散型交直交电动车组协议 书。 2 0 0 1 年2 月开始进行方案设计，5 月通过厂内方案评审。 2 0 0 1 年6 月至1 0 月进行施工设计。 2 0 0 1 年1 1 月至2 0 0 2 年1 月，完成试验构架的试制。 2 0 0 2 年3 月在北京铁科院完成动车构架静强度和一千万次疲劳强度 试验。 2 0 0 2 年5 月和9 月，首台拖车和动车转向架先后组装完成，并通过 厂内鉴定。 2 0 0 3 年完成整车落车调整、称重、通过小曲线和厂内动态调试工作。 2 0 0 4 年3 月在长春通过了部科技司组织的技术设计审查。 2 0 0 4 年5 月至6 月在成都西南交通大学国家牵引动力试验室完成动 车整车滚振试验台试验，纯滚动最高试验速度达到3 0 0 k m h 。 2 0 0 4 年7 月到8 月在北京环行道试验基地完成了动车组环行道的各 项试验，试验内容包括：称重、耐压、动力学、制动、电磁相容、照度、 供电、牵引、空调等专案。 2 0 0 4 年9 月1 2 日到l o 月1 2 同在沈大线、秦沈客运专线完成了正 线的综合性能试验，试验内容包括：动力学、动应力、空气动力学、制 动、噪声、牵引等项目，最高试验速度达到2 5 4 5 k m h 。 2 2 动车组转向架简介 动车组由六动三拖组成，其转向架包括动车转向架和拖车转向架。 动车转向架保持了无摇枕转向架结构简洁，零部件数量少，无磨耗 北京交通大学工程硕士论文 定位，易于维护等特点。为保证安全可靠，对构架的侧梁、横梁和纵向 梁等重要部位进行了加强，并增设了吊挂制动缸的端梁，整个构架呈“目 字型结构，整体刚度和强度都有所提高。参见图2 一l 。 图2 - l 动车转向架 动车一系悬挂采用转臂式轴箱定位、分体式轴箱组成、一系垂直油 压减振器和双圈螺旋式钢弹簧；轴端设有防滑速度传感器和轴端接地装 置；为降低高速运行时的轮重减载率，根据动力学优化结果，适当增加 了轴箱转臂的长度和轴箱弹簧的刚度；轴箱轴承采用德国i c e 3 电动车 组使用的s k f 生产的短圆柱小直径自密封高速轴承；二系采用日本进口 大柔度空气弹簧、低位单拉杆牵引、抗侧滚扭杆、横向油压减振器和抗 蛇行减振器；所有油压减振器采用进口荷兰k o n i 铁路专用减振器。 基础制动采用进口德国k n o r r 的轮盘制动和单元式制动缸，每辆 车设两套停放制动装置，保证车辆在坡道上的停放安全；为保证在频繁 的牵引和制动工况下保持良好的轮轨粘着系数，增设了踏面清扫器。驱 动装置采用了瑞典a b b 生产的2 6 5 k w 交流异步牵引电动机；齿轮箱和 联轴节采用的是瑞典邦巴迪r e g i n a 电动车组上的成熟结构。电机和齿轮 箱通过橡胶节点弹性地安装在构架上，有效地降低了列车运行中产生的 北京交通大学工程硕上论文 冲击和振动，提高了电机和构架吊座的使用寿命。 拖车转向架也采用无摇枕结构。构架为h 型焊接结构；一系悬挂为 转臂式轴箱定位，无磨耗橡胶节点，双圈螺旋式钢弹簧和垂向减振器： 中央悬挂采用空气弹簧直接支撑车体结构和单拉杆牵引，安装了抗蛇行 减振器和抗侧滚扭杆；基础制动系统采用每轴三个轴装式制动盘和单元 式制动缸。参见图2 2 。 图2 - 2 拖车转向架 2 3 转向架技术参数 动车组转向架技术参数见表2 一l 。 2 4 动车转向架结构设计 动车转向架由构架组成、轴箱定位装置、中央悬挂装置、基础制动 装置、驱动装置等部分组成。 2 4 1 构架组成 构架组成主要由1 6 m n r 钢板和2 0 g 无缝钢管焊接而成，横梁和端 梁将两根侧梁贯穿连接在一起，呈“目”字形结构。两横梁间设有两根箱 形纵向加强梁，兼作横向止挡。侧梁上设有轴箱转臂定位座、轴箱弹簧 帽筒、空气弹簧座及各减振器座，横梁上焊有电机吊座、齿轮箱吊座、 牵引吊座、扭杆吊座等，端梁上焊有制动吊座。参见图2 3 。 1 0 北京交通大学工程硕上论文 表2 1 转向架技术参数 轨距 1 4 3 5 m m 限界符合g b l 4 6 1 _ 8 3 车限1 b 构造速度 2 1 0k m m 最高试验速度 2 5 0k m l l 轴重 1 5 5 t 动车8 6 t 自重 拖车6 4 t 固定轴距 2 5 0 0 m m 轴颈中心距2 0 0 0 m m 轮径( 新)9 1 5 m m ( 磨耗到限)动车8 4 5 拖车8 6 5 m m 踏面型式 l m a 型 动车1 0 2 m n m 每轴箱垂向刚度 拖车o 8 4 m n m 空气簧上平面白重下高度9 5 7 m m 空气簧横向间距2 0 0 0 m m 一系垂向减振器阻尼系数 2 5k ：n s ，m 二系横向减振器阻尼系数2 5 k n s m 2 抗蛇行减振器阻尼系数 3 0 0k n s m 抗侧滚扭杆刚度29 m n r a d 齿轮箱传动比3 7 2 牵引电机功率2 6 5 k w 通过最小曲线半径( 5 k m ，1 1 速度 以下) 1 4 5m 车辆连挂时 1 0 0 m 单车调车时 北京交通大学工程硕上论文 图2 3 动车构架组成 侧梁为中部下凹鱼腹形梁，由上、下盖板和左、右立板拼焊成箱型 结构，中部箱型断面尺寸为高3 3 0 宽2 0 0 ，内部设有加强板，保证整体 结构具有足够的强度和刚度。中央下凹部保证给空气簧留出足够的变形 空间。侧梁中央内部空间兼作空气弹簧的附加空气室，并进行气压试验 以保证气密性。侧梁下盖板中央增设了排水孔，用于排出附加空气室内 的冷凝水。附加空气室内均匀涂覆防腐材料，提高了侧梁的抗腐蚀能力。 侧梁上的轴箱弹簧帽筒采用大直径无缝钢管，提高了制造工艺性。 定位座的立板与侧梁下盖板采用圆角过渡，降低了应力集中。 横梁采用外径为巾2 0 3 m m 厚壁为1 4 的无缝钢管，结构简单，抗扭 转能力强，适合于承受各吊座的作用力。为留出布置牵引电机的空间， 缩短了横梁之间的间距。 构架端部增设了箱型的端梁结构，增强了构架的整体刚度，提高了 承载能力。端梁上装有用于吊挂基础制动单元的制动吊座。为避让车体 端部的牵引粱结构，端粱中部局部下凹。 横梁之间设有两个箱型的纵向梁，加强构架中部的强度，同时兼作 转向架的横向挡座。 2 北京交通大学工程硕士论文 横梁上紧密布置了电机吊座、齿轮箱吊座、牵引拉杆座、抗侧滚扭 杆座、踏面清扫器吊座等各种支吊座。各吊座基本都采用座板加立板结 构。为防止互相干涉，对各吊座的结构进行了优化整合，使相邻的两个 吊座共享一个立板。由于立板整合后几乎所有吊座都连成了一体，增加 了制造工艺的难度，又按功能将大吊座分成三段小吊座，组焊到横梁上 后再连成一体。 2 4 2 轴箱定位装置 轴箱定位装置采用转臂式定位，靠转臂端部的橡胶节点来保证轴箱 的纵向和横向定位，为无磨耗免维护结构。轴箱定位装置采用分体式结 构，只需把箍和转臂间的螺栓打开，不用分解轴箱弹簧和定位节点即可 把轮对推出，更换轮对时较为方便。 动车车轴采用l z 5 0 钢实心车轴，轴颈直径1 3 0 m m ，轴颈中心距 2 0 0 0 m m ，轴身设有齿轮座。 车轮采用c l 6 0 a 钢。成品车轮需做静平衡试验，剩余静不平衡量应 小于3 0 9 m 。为安装轮装式制动盘，车轮为直辐板结构，并在辐板上设 有用于制动盘安装的1 2 个安装孔和6 个定位孔。 车轮采用注油压装。在注油压装2 4 小时后可进行反压力检验。轮对 组成后，每车轮处( 包括组装的制动盘) 剩余动不平衡量不大于5 0 9 m ， 同一轮对轮径差不大于o 3 m m 。 轴箱轴承采用了外径2 2 0 m m 的双列短圆柱滚子全密封轴承组。轴 承型号为s k f 生产的b c 2 一0 1 0 3 ，己成功应用于i c e 3 型高速电动车组。 定位节点组成包括定位轴、定位套，是轮对轴箱与构架的联系纽带。 它决定着轮对轴箱相对于构架的定位刚度，并承受两者交变的纵、横向 力。定位套从转臂定位孔两端分别压入，然后用定位轴和盖形螺母锁紧。 轴箱弹簧由内、外两圈弹簧组成，用上、下弹簧夹板组成一体。落 车组装时用构架定位孔和轴箱转臂上的托盘定位，保证轴箱弹簧正位。 用于组装弹簧的工艺螺栓，落车后需取出，保证弹簧的自由振动。 在轴箱转臂和构架间还设有垂向油压减振器和轴箱安全吊。 北京交通大学工程硕士论文 2 4 3 中央悬挂装鼹 中央悬挂装置包括空气弹簧、高度阀、压差阀、横向减振器、抗蛇 行减振器、抗侧滚扭杆、牵引拉杆、牵引支座等主要部件。 二系悬挂采用日本b r i d g e s t o n e 的高柔性大变位空气弹簧，型号为 a p 5 8 1 1 0 a 0 l ，有效直径为m5 8 0 m m ，内部带有节流阀，可替代阻尼器起 减振作用。 空气弹簧系统设有机械式高度调整阀，在载重发生变化时及时充排 风，调整空气弹簧的高度，使车体地板面与站台的高度基本保持一致。 空气弹簧附加空气室由侧梁内室组成，两个附加空气室之间用钢管 相连。管路间设有差压安全阀，防止一侧空气簧破裂后，车体倾斜过度， 威胁行车安全。 横向挡设在牵引支座上，与纵向梁的间隙为4 0 m m 。横向减振器对 称布置在牵引支座的两侧，与构架上的减振器座相连。 牵引装置采用单拉杆结构，杆身为整体锻造，两端装有球形橡胶节 点，分别连接在牵引支座和构架牵引座上。 构架与车体间装有抗侧滚扭杆。当车辆发生侧滚时，车体带动连杆 和扭臂产生相反方向的位移。扭杆反抗发生的扭转变形，从而限制车体 的侧滚角度。 转向架两侧还分别设有抗蛇行减振器，用于减缓轮对蛇行运动对构 架摇头运动的影响，提高转向架的高速运行稳定性。 2 f 4 4 基础制动装置 基础制动装置为轮盘制动，采用德国k n o r r 生产的轮装式制动盘， 每个车轴上装有两套。每套制动盘有两片，对称布置在车轮腹板的两侧， 通过六个定位块和1 2 个安装螺栓固定在腹板上。每套制动盘由配置1 0 英寸单元制动缸的制动夹钳施行制动作用。 每辆动车有两个停放制动缸，以满足车辆在1 2 坡道上的静止停放 要求。正常情况下，向停放制动缸的停放部位充风，可以缓解停放制动。 在无风状态下，可以拉动停放制动缸的拉环实施手动缓解。 1 4 北京交通大学工程硕士论文 为保证在频繁的牵引和制动： 况下保持良好的轮轨粘着系数，每个 动车车轮还设置了踏面清扫器。 2 4 5 驱动装置 每个动车转向架有两套驱动装置。每套驱动装置包括交流牵引电机、 齿轮箱、联轴节和齿轮箱吊杆各一个。 2 4 ，5 1 齿轮箱组成 齿轮箱在牵引电机和车轴之间起减速器的作用。齿轮箱沿轴中心分 为上下两半，用高强度螺栓连接。齿轮箱由安装在车轴上的圆锥轴承所 支承，齿轮箱中的小齿轮轴由两个圆柱轴承和一个球轴承支承。小齿轮 轴车轮侧还设有速度传感器，用于检测电机的实际输出转速。齿轮箱上 有两个观察盖，上部的用于观察大小齿轮啮合情况，前部的用于落车后 检查齿轮的磨损情况。齿轮箱上还设有安全挡。当吊杆发生故障不能吊 挂齿轮箱时，构架上的安全吊会挡住安全挡，防止齿轮箱转动与地面碰 撞。 齿轮箱采用飞溅润滑，内壁设有集油槽给小齿轮轴和大齿轮处的轴 承供油。在电机侧小齿轮轴承设有油保持盘，使停车时能保持轴承润滑。 小齿轮轴和大齿轮的轴承采用迷宫结构密封。密封盖的外部设有挡水槽， 可防止水流入迷富。每组迷宫的内侧都有回油孔，将甩出的油送回齿轮 箱集油槽。齿轮箱下部侧面有玻璃油位计。放油塞置于齿轮箱底部的中 心位置。注油孔设在齿轮箱前部，其密封螺堵上带有磁铁，可以根据吸 附的铁屑来检查齿轮的磨损情况而不需放油。 齿轮箱吊杆杆身为锻件，两端装有橡胶球轴承，将齿轮箱弹性地连 接在转向架构架上。这样可以降低振动、噪声和能量损耗，减轻机械过 载等冲击，提高齿轮箱的使用寿命。 2 4 5 2 联轴节组成 每套联轴节由两个半联轴节通过高强度的具有自锁功能的螺栓连成 一体，其中一半固定在电机轴上，另一半固定在齿轮箱的输入轴上。每 半个联轴节包括有一个外齿轮和一个具有内齿的法兰组成 北京交通大学工程硕士论文 外齿轮采用注油压装的方法，通过过盈配合固定在带锥度的轴上。 它的齿轮外轮廓呈圆弧形，允许内齿筒在一定偏移角度范围内自由移动 旋转。 联轴节内部用重载润滑脂润滑，在齿面上形成一层润滑膜。端部采 用o 形密封圈密封，以防润滑脂流出。联轴节中部设有橡胶挡，用于缓 冲联轴节过大的轴向位移。 2 4 5 3 牵引电机 牵引电机为三相鼠笼式异步电机。牵引时，牵引电机将电能转换为 机械能；制动时，将机械能转换为电能。电机的转矩通过调整电机的电 压和频率来控制。电机用强迫式通风来冷却产生热量的部件，如定子线 圈、定子铁心、转子线圈和轴承。 电机为架悬式，通过三个橡胶球轴承弹性安装在构架上，这样可有 效降低冲击和振动对电机的影响，提高电机的使用寿命。电机上还设有 安全挡，防止安装螺栓松动时电机堕向钢轨。电机上还有一个接线盒以 连接来自逆变器的电缆和用于监测电机温度的温度传感器电缆。 2 5 拖车转向架结构设计 拖车转向架采用无摇枕、无摇动台、无旁承的三无结构，车体与转 向架间用空气弹簧直接支撑，通过牵引拉杆传递牵引力。采用有限元优 化的轻量化钢板焊接构架。一系悬挂采用转臂式轴箱定位，轴箱端部并 联了垂向减振器。安装了抗蛇行减振器，保证转向架高速运行的稳定性。 基础制动采用每辆三个制动盘加防滑器系统。 2 5 1 构架组成 构架为h 型焊接结构，由两根侧梁和两根横梁组成。两横梁问设有 纵向架。侧粱中间下凹为鱼腹形，用4 块钢板组焊成箱形封闭断面。侧 梁内有密封隔板，使侧梁内腔成为空气弹簧的附加空气室。横梁采用外 径为中1 6 5 2 m m ，壁厚为1 4 3 m m 的日本进口无缝钢管。各种吊座均焊 在构架上，通过优化设计，在保证足够强度和刚度的基础上，尽量减轻 了重量。 北京交通大学工程硕士论文 2 5 2 轴箱定位装置 轴箱定位装置包括：轮对组成、弹簧装置、轴端安装、节点装置、 转臂轴箱。 轴箱定位采用转臂式定位结构，纵向和横向定位靠橡胶节点来保证， 橡胶节点的组装方式为从转臂端部压装。 为尽一步降低簧下质量，采用s k f 生产的双列圆柱滚子高速轴承 组，型号为b c 2 一叭0 3 。轮对采用四方所研带的高速轻型轮对。 轴箱弹簧有内、外两圈，组装螺栓头部有一个带孔的螺母，组装时 需穿开口销把紧。 轴端还装有k o n r r 防滑速度传感器和轴端接地装置。 节点装置包括两个橡胶节点、转轴、转轴套和盖形螺母。一系定位 的纵向刚度和横向刚度是由橡胶节点保证，同一转向架各节点刚度值应 做原始记录，相差值应o 2 m n m 。 为方便段方镟修轮对，轴箱定位采用转臂和箍从上下将轴箱体联成 一体的结构，只要打开转臂和箍之间的四个螺栓即可将轮对推出，而无 需分解轴箱弹簧。 2 5 3 中央悬挂装鼍 中央悬挂为无摇枕结构，采用日本进口的高柔性、横向变位可达 1 1 0 m m 的空气弹簧，内部带有节流阀，替代阻尼器起减振作用。两侧设 两个横向减振器和横向挡。横向档与纵向梁的间隙为4 0 2 m m 。车体与 转向架间装有两个对称的抗蛇行减振器，提高车辆运行的稳定性。 在两个附加空气室之间设有带压差阀的通路。压差阀的开启压差为 1 2 0 k p a 。每个空气簧有一个高度控制阀，用于维持车体在不同静载荷下 都与轨面保持一定的高度。 牵引装置为单拉杆结构，牵引拉杆一端与车体上的牵引支座相联， 一端与横梁上的牵引座相联。构架与车体间还装有抗侧滚装置。抗侧滚 扭杆由扭杆、扭臂连杆、支承座、纤维轴承及球关节轴承等组成。当车 体发生侧滚时，通过连杆、扭臂的传递使扭杆发生扭转变形从而限制车 北京交通火学工程硕士论文 体的侧滚角度。 2 5 4 基础制动装置 基础制动装置采用盘形制动，并加装电子防滑器。每轴装有三个德 国k o n r r 的低能耗高性能制动盘，每个制动盘由配置1 0 英寸单元制动 缸的制动夹钳施行制动作用。 北京交通大学工程硕士论文 第三章构架强度分析 依据2 0 0 k m h 及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规 定( 以下简称“暂规”) 对动车组转向架的焊接构架进行了有限元应力 分析和静强度及疲劳强度评估，以力争在设计阶段发现并将有可能的强 度隐患消除。 3 1 构架强度评估方法 “暂规”给出了确定转向架构架超常载荷与模拟运营载荷的一般方 法，以在此基础上通过有限元计算可得构架在超常载荷或模拟运营载荷 下的应力及其分布。将构架在超常载荷下的应力与材料或接头的许用应 力进行比较，可实现对构架静强度的评估；将构架在模拟运营载荷下的 应力与材料或接头的疲劳许用应力进行比较，则可实现对构架疲劳强度 的评估。 3 1 。1 静强度评估方法 在超常载荷作用下，结构各处的应力均应小于相应材料或接头的许 用应力。 3 1 2 疲劳强度评估方法 在模拟运营载荷作用下，各载荷工况得到应力o 。，。蚰，从 中确定其最大值o 。和最小值o 。按代数和计算应力范围o 和平均 应力om 。上述应力应在相应材料或接头的疲劳强度极限线图的界限之 内。 3 1 3 材料及接头强度 动车转向架构架除横梁材质为2 0 g 外，主要用材为0 3 4 5 b 低合金 钢。参照“暂规”，表3 - 1 给出该转向架结构用材及接头的静强度和疲劳 强度许用应力，图3 一l 和图3 2 分别给出了q 3 4 5 b 和2 0 g 的疲劳强度极 限线图。 3 2 载荷条件 依据“暂规”中有关内容，并考虑电机、牵引、制动和减振器等作用 载荷，然后按不同的方案组合，构成用于构架和各吊座静、动应力计算 北京交通大学 程硕十论文 的载荷工况。 表3 一l 结构用材及接头的许用应力，应力单位：m p a 、 材料种类 性能分类、 0 3 4 5 一b0 2 3 5 一a 2 0 g 抗拉强度ob 5 2 03 7 54 6 3 屈服强度os3 4 52 3 5| 无焊缝区 3 4 52 3 53 1 0 超常载荷许用 应力 有焊缝区 3 1 3 2 1 32 8 0 无焊缝区 2 4 01 6 01 7 0 运用载荷许用 应力 有焊缝区 2 1 01 4 51 5 5 无焊缝区 1 3 01 0 0l l o 运用载荷疲劳 极限 有焊缝区 8 5 北京交通人学工程硕士论立 图3 1q 3 4 5 - b 疲劳强度极限图 图3 22 0 g 疲劳强度极限图 北京交通大学工程硕士论文 3 2 1 超常载荷 3 2 1 1 垂向载荷 f ：m 。；= 1 3 4 m l = 1 3 4 ( 1 6 5 4 8 5 2 ) 9 8 = 1 5 6 0 k n 式中： f ：。；为每个转向架构架一侧超常垂向载荷； m l 为转向架上作用的最大静载荷，最恶劣状态轴重按1 6 5 t 考虑 每个转向架重约8 5 t ，则 m 1 ( 轴重4 一每个转向架重2 ) g = ( 1 6 5 4 _ 8 5 2 ) 9 8 = 4 8 0 2 k n 。 3 2 ，1 2 横向载荷 f y m a x = 2 。( 1 0 + m 1 1 2 ) = 1 0 0 ok n 式中： f ，。为每个转向架构架所受的横向超常载荷。 3 2 1 3 斜对称载荷 斜对称载荷按轨道扭曲量1 0 考虑： f 。= ( 警卜 2 0 0 0 42 5 0 04 旦 ! 坐q q 1 4 9 3 式中： f 。为斜对称载荷； l 1 为轮对两滚动圆间距： l 2 为车轴轴径中心线间距离： z 为轨道扭曲量1 0 时，某一车轮升高值 c l 为一个轴箱上轴箱弹簧总刚度。 3 2 1 4 牵引拉杆力 牵引拉杆力按最大制动力选取，为5 0 k n 。 o6 = 5 1 船v 北京变通大学t 程硕士论文 3 2 1 5 齿轮箱吊座力 齿轮箱吊座承受的最大作用力取为1 1 0k n 。 3 2 1 6 制动力 每制动吊座最大制动力取为4 5 k n 。 3 2 1 7 抗蛇行减振器作用力 抗蛇行减振器作用力按其特性取为1 6 k n 。 3 2 1 8 电机吊座力 电机质量6 0 0 埏，用于静强度分析的惯性载荷按垂向、横向和纵向 加速度均为士4 9 选取。 3 2 1 9 一系垂向减振器座力 一系垂向减振器作用力按其特性取为1 0 k n 。 3 2 1 1 0 二系横向减振器座力 二系横向减振器座力按其特性取为1 0 k n 。 采用上述超常载荷，并将各载荷按不同的方案组合，最终确定出适 用于构架静强度计算的超常载荷工况，见表3 2 。 3 2 2 模拟运营载荷 “暂规”中指出了模拟转向架构架主体结构在实际运用中的1 3 个载 荷工况，并给出了这1 3 个工况的载荷确定方法( 见表3 3 ) 和加载方式( 见 图3 2 1 。 这1 3 个载荷工况分别模拟了转向架在直线、曲线、横摆、浮沉及坡 道等线路上构架主体结构的受载情况，用于构架主体结构的疲劳强度评 估。 表3 3 中有关参数按下列方法计算和选取。 3 2 2 1 垂向静载f z 巴：f 堡堕生垡塑k - 1 l o o 州 i4厂 北京交通大学工程硕士论文 式中： f ：为每个转向架构架一侧垂向载荷，轴重按1 5 5 t 考虑，每个转向 架重约8 5 t 。 3 2 2 2 横向力r f ，= o 5 ( f ：+ 0 5 m 2 g ) = o 5 。( 1 1 0 + o 5 8 5 9 8 ) = 7 5 8 k n 式中： f 。为每个转向架构架所受的横向载荷，m z 为一个转向架质量。 3 2 2 3 斜对称载荷 斜对称载荷f 。按轨道扭曲量5 考虑，f 。= 2 6k n 。 另外，还应考虑牵引、制动、减振器、构架上悬吊等载荷对构架疲 劳强度的影响： 3 2 2 4 牵引拉杆力 牵引拉杆力按最大制动力的8 0 选取，为4 0 k n 。 3 2 2 5 齿轮箱吊座力 齿轮箱吊座承受的力取为5 0k n 。 3 2 2 6 制动力 每制动吊座的制动力为3 0 k n 。 3 2 2 7 抗蛇行减振器作用力 抗蛇行减振器作用力按其特性取为1 6 k n 。 3 2 2 8 电机吊座力 电机质量6 0 0 蝇，用于静强度分析的惯性载荷按垂向、横向和纵向 加速度均为士3 9 选取。 3 2 2 9 一系垂向减振器座力 一系垂向减振器作用力按其特性取为1 0 k n 。 3 2 2 1 0 二系横向减振器座力 二系横向减振器座力按其特性取为1 0 k n 。 采用上述模拟运营载荷，并将各载荷按不同的方案组合，最终确定 出适用于构架疲劳强度计算的载荷二：况，见表3 4 。 e 2蠢莓疑馨止r 厘趔 + i ：田卜琳球熙最 妊椎 皋喜h 蚓 蜡蜷 譬鬈l 之张罂 蝠楚r刊斟琳淋赠景 星r末毒h 蝴 坦船2藉唑罂 颦辎 刊斟琳林赠曩 藿蠢 2耋趣蒙婺 制鞲 刊 斟琳林廷嚣 畦 囊塞蠢弩蒜婺 饕 嵴等斟琳林嚣曩脚倒 r 喜蠢冬疑耋臀 *刊斟蜮蜮赠届 捌 ? 扛磐h 剃 宝暴巴罂 m 采 料皂 + l 斟琳排露嚣 淫。 。 鸯龌h 蝴 袋荽古黎。之张罂 翘畦= 斟琳撼嚣嚣 棰 靛禧 孺鞯 r 叵 颦 柽 柩 捌 瀚 h 薅 互。晕井求双1赠h挺赫粘靶联爨球匠蜱抖蒋甲悄 杈魍二f=匿裂o士k赠恻候等 北京交通大学工程硕上论文 表3 3 模拟运营构架计算载荷( n = 0 1 ，b = o 2 ) ，载荷：k n 垂直载荷 工况横向力斜对称载衙 f z lf z 2 1f zf zo 2( 1 + a b ) f z( 1 一a b ) f z0 3 ( 1 + 一b ) f z( 1 一a b ) f z+ f y 4( 1 + o + b ) f z( 1 一+ 且) f z0 5( 1 + n + b ) f z( 1 一a + b ) f z + f y 6( 1 一n b ) f z( 1 + a e ) f zo 7 ( 1 一a b ) f z( 1 + nb ) f zf y 8( 1 一+ b ) f z( 1 + d + b ) f zo 9 ( 1 一q + b ) f z( 1 + q + b ) f z f y 1 0 ( 1 + a b ) f z( 1 一a 一0 ) f z+ f y5 轨道扭曲 1 1 ( 1 + + b ) f z( 1 一q + b ) f z+ f v 5 轨道扭曲 1 2(