（光学工程专业论文）160kmh货车制动盘热应力及强度分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着中国经济的快速发展，对铁路货物运输提出了更高的要求，快速和重载己成 为铁路货物运输的两个重要发展方向。列车载重和速度的提高对列车制动提出更高的 要求，因此制动系统的性能遇到新的挑战，传统的闸瓦制动已经不能满足制动要求。 由于盘形制动功率大、摩擦系数稳定，同时还可减小车轮踏面磨耗，一般在速度高于 1 2 0 k m h 的列车上普遍采用盘形制动。 在常规制动和紧急制动过程中，制动盘作为摩擦副都具有至关重要的作用。尤其 是在紧急制动时，制动盘需承受巨大的热负荷，热量在短时间内无法扩散出去，导致 制动盘表面温度很高，由此产生的热应力是制动盘失效的主要原因，因此分析制动过 程中制动盘的温度场、应力场、静强度及疲劳强度，对于制动盘的设计具有重要的理 论和实际意义。 本文采用有限元分析软件a n s y s l o 0 ，对1 6 0 k m h 的快速货车的轴盘进行分析研 究，根据制动盘的结构特点建立合理的三维模型，充分考虑各种载荷的施加方式，采 用能量折算法确定了摩擦面上的热流密度，通过传热学原理确定了对流换热系数的加 载方式，采用热应力顺序耦合方法计算制动盘在一次紧急制动过程中的温度场和应力 场分布，并进行了静强度和疲劳强度校核。本文主要工作包括： ( 1 ) 根据1 6 0 k m h 货车的计算参数，在考虑制动时的粘着限制及基本阻力的基 础上，对轴重1 8 t ，编组2 4 辆的货物列车进行了紧急制动计算。为制动盘热应力场分 析提供必要的边界条件。 ( 2 ) 确定了制动盘的结构参数及材料的热学性能参数，并根据热分析理论计算 得到制动盘的边界条件。 ( 3 ) 确定了a n s y s 中热载荷的施加方式，对制动盘的温度场进行仿真分析，并 在确定制动盘边界条件及机械载荷后，将得到的温度场结果以多载荷步的方式施加到 结构分析中，采用热一应力顺序耦合方法对制动盘进行一次紧急制动过程的应力场分 析，重点讨论了制动盘盘体各部分的径向应力和周向应力随时间变化的历程。计算结 果表明，制动盘在紧急制动过程中要承受压应力和拉应力组成的疲劳应力的循环作用。 ( 4 ) 在满足静强度的基础上，对制动盘三个应力较高部位进行疲劳强度评定，结 果表明，所选节点的应力幅和平均应力均落在h a i g h 图形式的修正g o o d m a n 疲劳曲线 界限内，其疲劳强度满足要求，制动盘高应力部位不会产生疲劳裂纹。 关键词：快速货车；轴盘；温度场；应力场；强度分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to fe c o n o m yi nc h i n a ，t h e r ea r eh i g h e rr e q u e s ti n f r e i g h tt r a n s p o r t ，h i g h - s p e e da n dh e a v y l o a db e c o m em o r ep r e s s i n gn e e d si nf r e i g h t t r a n s p o r t t h e r e f o r e ，t h el a r g e s c a l e a n dh e i g h t s p e e d f r e i g h t s w i l lb et h em a i n m e a n w h i l e ，b r a k i n gs y s t e ma l s om e e t st h en e wc h a l l e n g e t r a d i t i o n a lt r e a db r a k i n gs y s t e m c a nn o tm e e tt h es h a r p l yi n c r e a s i n gb r a k i n ge n e r g y h o w e v e r ，t h ed i s cb r a k eh a sl a r g e r p o w e r ，i t sf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti ss t a b l e ，w h i c hc a nr e d u c et h ew h e e lt r e a dw e a l t h e r e f o r e ， t h et r a i n sw h o s e s p e e di sf a s t e rt h a n12 0 k m hg e n e r a l l yu s ed i s cb r a k i n gs y s t e m n om a t t e rt h er o u t i n eb r a k i n go rt h ee m e r g e n c yb r a k i n g ，t h eb r a k ed i s cp l a y sak e y r o l e ，e s p e c i a l l yw h e ne m e r g e n c yb r a k i n g ；i te n d u r e sh u g et h e r m a ll o a da sac o m p o n e n to f r u b b i n gp a i r t h et e m p e r a t u r eo ft h es u r f a c eb e c o m e sh i g hb e c a u s et h eh e a tw h i c hi s p r o d u c e db yb r a k i n g t h e r e f o r e ， i th a si m p o r t a n tm e a n i n gt oa n a l y s i st h et e m p e r a t u r ea n d s t r e s sf i e l d t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h eb r a k i n gd i s ci nt h eh i g h s p e e df r e i g h to f16 0 k m hb yf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s10 0 a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s c ， i tb u i l d sr e a s o n a b l e3 dm o d e la n df u l l yc o n s i d e r e dh o wt oa p p l ya l lk i n d so fl o a d s e n e r g y c o n v e r s i o nm e t h o di su s e dt od e t e r m i n et h eh e a tf l u xa p p l i e do nt h ef r i c t i o ns u r f a c e i ta l s of i n d sar e a s o n a b l ew a yt oa p p l yt h eh e a tc o e f f i c i e n tb a s e do nt h eh e a tt r a n s f e rt h e o r y t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sd i s t r i b u t i o na n ds t r e n g t ho ft h ed i s cu n d e ra ne m e r g e n c yb r a k e a r ec a l c u l a t e d s p e c i f i c a l l y ，t h em a i n l yw o r ka n dc o n c l u s i o no ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： c o n s i d e r i n gt h e a d h e s i o no fb r a k i n gr e s t r i c t i o n sa n db a s i cr e s i s t a n tf o r c e ，t h e e m e r g e n c yb r a k eo ft h ef r e i g h tt r a i n ， w h i c hi sc o m p o s e db y2 4t r u c k sw h o s ea x l ei s18 t ， w a sc a l c u l a t e db yi d e n t i f y i n gt h ep a r a m e t e r so f16 0 k m hf r e i g h t t h er e s u l t sw i l lp r o v i d e n e c e s s a r ya n a l y s i sb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h et h e r m a l - s t r e s sa n a l y s i s t h es t r u c t u r ea n dt h e r m a lp a r a m e t e r so ft h eb r a k ed i s ca r es e l e c t e d t h eb o u n d a r y c o n d i t i o no ft h eb r a k ed i s ci sc a l c u l a t e db a s e do nt h et h e r m a la n a l y s i st h e o r yt h et h r e eb a s i c h e a tc o n d u c t i o nw a y sa n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t e m p e r a t u r ef i e l d ) t h et h e r m a lf i e l do ft h eb r a k ed i s ci ss i m u l a t e do nt h eb a s eo ft h ew a yh o wt oa p p l yt h e t h e r m a ll o a d a f t e rd e t e r m i n i n gt h eb r a k ed i s cb o u n d a r yc o n d i t i o na n dl o a d s ，a n d a p p l y i n g t h et h e r m a lf i e l dt ot h es t r u c t u r ei nm u l t i p l es t e p s ，t h et r e s sf i e l di sa n a l y z e di no n c e e m e r g e n c yb r a k ei nt h et h e r m a l - s t r e s sc o u p l e dw a y t h e nt h er a d i a la n dh o o ps t r e s si nt h e b r a k ed i s ci sd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb r a k ed i s cb e a r sp r e s sa n dd r a ws t r e s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 i nt h eb a s i co fs t a t i cs t r e n g t h ，t h ef a t i g u es t r e n g t hi nt h r e eh i g hs t r e s sp a r t so ft h eb r a k e d i s ci sa s s e s s e d t h er e s u l ts h o w st h a ta l ln o d e st h a ta r es e l e c t e df a l li nt h ec u r v eo f h a i g h - g o o d m a n t h ef a t i g u es t r e n g t hm e e t st h er e q u i r e m e n t t h eh i g hs t r e s sp a r t so ft h e b r a k ed i s cw o n ta p p e a rc r a c k s oi ne m e r g e n c yb r a k i n g ，t h es t a t i cs t r e n g t ha n df a t i g u e s t r e n g t hm e e tt h er e q u i r e m e n tw h e nt h e r ea r et h r e ed i s c si ne a c ha x l eo f16 0 k m hf r e i g h t k e y w o r d s - h i g h s p e e df r e i g h t ；s h a f td i s c ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h e r m a ls t r e s sf i e l d ； s t r e n g t ha n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼量皇舅_ ii ii i i 皇曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼舅曼曼曼曼曼 第1 章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 铁路快速货运的必要性 随着世界经济的快速发展和科学技术的飞速进步，世界各国的铁路与公路、航空、 海运等运输行业之间的竞争愈加激烈，各种运输方式的联系也越来越紧密，尤其是门 对门的货物运输方式，由于其具有速度快、地区跨度大、运输品质高的特点，得到快 速发展。因此铁路货物运输的快速化尤为迫切。货运的快速化已经成为当今铁路货车 技术发展的重要方向。 快速铁路货物运输与航空及高速公路运输相比，具有以下几方面的优越性： ( 1 ) 快速且运输能力强； ( 2 ) 能源消耗低，环境污染小； ( 3 ) 正点率高，安全性好； ( 4 ) 具有较好的经济效益和社会效益。 我国地域辽阔、人口众多、客货运输的需求潜量巨大，客运和货运周转量均名列 世界第一，是世界铁路大国之一。但是，由于我国土地资源十分有限、能源结构煤多 油少、资源紧缺，铁路作为国家重要的基础设施和大众化交通工具，具有以上诸多优 势，加快其建设，符合“建设资源节约型、环境友好型社会”的基本战略方针。 为提高铁路在运输市场上的占有率，我国自2 0 世纪9 0 年代中期开始，截至2 0 0 7 年共进行了六次大提速，主要既有干线上客车的时速达到2 0 0 公里以上，部分区段的 时速甚至可达到2 5 0 公里。当前，在高铁客运专线上实现了时速3 5 0 公里。由于中国 既有线路上大多属于客货混运的模式，提高客运的同时必然会减少货车的运行数量。 为全面提升运能，货物列车也必须提高运行速度。 随着人民生活水平的提高，客户对货物运输的时效性要求更高，产业成品和高附 加值货物运输需求量增加。这些货物具有品种多、批量小、批次多的特点，要求进行 高频次、安全、快速的运送。同时，随着世界经济一体化、贸易全球化进程的加快， 我国对外贸易运输量保持快速增长，沿海港口吞吐量及陆路口岸进出境运输量均加速 增长，铁路在对外贸易运输特别是大宗散货运输中将发挥更为重要的作用。为此，我 国曾先后开发了p 6 5 快运行包专列、快运集装箱平车专列等多种货运车辆，但是在运 输工具和组织协调等方面还不能满足客户的要求，导致大量的高附加值货物的长途运 输转移到了航空和公路等部门。 要适应市场的需求，就必须积极发展快捷的铁路货物运输。在保证普通货车时速 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 达到8 0 k m l o o k m 的同时，快运货车的时速应达到1 2 0 k i n 及以上。应根据货物结构不 同，发展结构轻、强度高、灵活多样的各型专用铁路运输工具，简化铁路货运的环节 和手续，尽量缩短运输时间，并保证货物在运行中的品质，从而提高铁路与公路、航 空的竞争优势。 要实现上述目标必须依靠先进的运输工具和运输组织手段。因此，提高货车的速 度是改善货物运输服务质量的直接方法之一。世界上各工业发达国家自2 0 世纪8 0 年 代以来就非常重视快速货车的研制，使其成为铁路货运领域新的重要产品。国外的快 速专用货车主要类型为运输小汽车的专用平车、冷藏车、罐车、驼背运输车、集装箱 平车、公铁两用车等，其速度已达到1 2 0 k m h 1 6 0 k m h 。 根据欧洲国家铁路运营经验，在客运专线上开行快速货车能有效提高铁路利用率。 因此在中国发展快速货车势在必行。铁路科技发展“十一五”规划提出了研究快捷 货运技术，建立快捷货运体系，包括开发完善的1 2 0 k m h 货运机车和货车，研制能适 应高附加值货物运输需求的新型快运货车，研究集装箱多式联运相关技术，开展集装 箱运输组织方法及专用装卸设备、专用货车设备的开发研究等。铁路科技发展“十二 五 规划对上述的研究工作做出了进一步的部署。 1 1 2 国内外铁路货车转向架的发展 早期的铁路货车基本为两轴车，其后随着载重的增加，曾出现过少量的三轴车。 两轴车由于结构简单且维修方便，在欧洲的轻型货车中至今还占有一定比例。随着货 车速度的提高、载重的增加以及需要其具有良好的曲线通过性能，1 9 世纪后期出现了 货车转向架。1 9 世纪4 0 年代，转向架首先出现在美国铁路客车上，随后进入欧洲以及 其它国家。货车由于使用了转向架，单车的载重量由2 5 t 提高到6 0 t 左右。现在，世界 上的铁道货车基本均装有转向架。 众所周知，提高货车性能和速度的关键技术之一就是转向架。过去，货车转向架 一直以钢板铆接结构或铸钢结构为主，悬挂方式主要采用轴箱板簧或中央板簧。二次 大战后，由于货车的运行速度和载重的不断提高，货车转向架向提高运行速度及增加 承载能力的方向发展。到目前为止，世界各国的货车转向架基本有两种发展模式：欧 洲等很多国家发展焊接结构转向架，即采用无摇枕的整体构架和轴箱弹性定位的形式； 美国、俄罗斯和中国等仍采用三大件的模式，即摇枕弹性定位、轴箱无弹性定位的形 式。 2 0 世纪6 0 年代中期，法国铁路开发出一种采用焊接构架和一系螺旋钢簧轴箱定位 的y 2 5 型转向架( 如图1 1 ) 。该转向架轴距1 8 m ，采用整体焊接构架，且立板为单腹 板形式，故较铸钢转向架具有质量轻、柔性好的特点。一系悬挂采用轴箱螺旋钢簧加 单侧顶柱式利诺尔摩擦减振器的方式，簧下质量仅为轮对和轴箱，可大大降低轮轨间 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的动作用力。轴箱螺旋钢弹簧由高度不等的内外簧组成，形成两级刚度，以确保空、 重车的垂向平稳性。该转向架重车载荷为3 7 6 k n ，空车载荷为7 5 k n ，将轴箱弹簧的刚 度突变点选择在转向架载荷为1 3 6 k n 处，以确保在空车运行工况下，不至于发生由于 动载荷引起的刚度突变。转向架的载荷在轴箱外侧是通过弹簧直接作用在轴箱上，内 侧是通过具有安装倾斜角( 2 1 0 2 7 0 ) 的吊环、弹簧帽和弹簧作用在轴箱上。吊环具有 的倾斜角使弹簧帽产生一个同转向架垂直载荷成正比的水平力作用于项柱上，这个水 平力即为摩擦减振器的正压力，所以，该转向架具有随空重车载荷变化而不同的摩擦 阻力。轴箱与导框之间在横向有1 0 r a m 间隙，构架与轴箱之间有横向相对运动，所以 减振器在横向也有一定的减振作用。该转向架在欧洲国家基本采用u i c 标准球面心盘 和弹性旁承。旁承盒上的磨耗板采用合成材料，上旁承采用高锰钢板，摩擦系数稳定。 弹性旁承不仅可承担一部分垂向载荷，还能提供限制转向架的摇头蛇行运动的回转阻 力矩并限制车体的滚摆运动，有利于车辆的抗倾覆安全性。 试验表明，该转向架的运行速度在1 2 0k m h 以下时性能良好，在1 9 6 7 年被国际铁 路联盟确定为欧洲铁路的标准型货车转向架。 图1 1y 2 5 型转向架 为提高货车的运行速度和开行快速货物专列，法国国铁于2 0 世纪8 0 年代在y 2 5 和y 3 0 型转向架的基础上研制成功了1 6 0 k m h 的y 3 7 型转向架( 如图1 2 ) 。该转向架 的最大轴重不能超过1 8 t 。其轴箱定位与y 2 5 型转向架相似，增加了摇动台形式的二系 悬挂，降低了横向刚度，摇动台的最大横向位移为5 8 m m 。同时减小了轴箱与导框间的 横向位移，以限制车体的最大横向位移。其构架为整体焊接构架，侧梁为整体焊接式 双腹板箱形结构，左右两侧梁之间通过两根无缝钢管横梁连接，在横梁上安装基础制 动装置。为了将制动产生的热量一部分通过车轮逸散，另一部分由制动盘承担，每轴 装两个6 1 0 m m 8 0 m m 的制动盘，并装有辅助踏面制动装置。鉴于摇动台和制动盘对 空间的需求，y 3 7 型转向架将轴距增加至2 3 m ，虽然增加了构架质量，但提高了转向 架的临界速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 - 2 y 3 7 型转向架 美国n a c o 公司利用客车转向架摇动台的原理，成功研发了s w i n gm o t i o n ( 摇动 式) 转向架( 如图1 3 ) ，该转向架在三大件转向架的基础上，在两个侧梁间的摇枕弹 簧下增加了弹簧托板，从而克服了传统三大件抗菱刚度低的缺点。并在侧梁与承载鞍 间设置了摇动块，利用摇动台的原理，有效地降低了摇枕与侧架间的横向刚度。其最 高试验速度达到了1 7 6 k m h ，在北美国家有较好的应用。由于加大了悬挂的横向柔度， 该转向架能有效地改善车辆横向运行平稳性和安全性。但s w i n gm o t i o n 转向架受传统 三大件转向架结构的限制，其结构复杂，重量大，磨耗件比较多，维修工作量和维修 成本较大。其基础制动装置仍采用单侧踏面制动，因此在欧洲受到制动距离的限制， 难以满足快速货车的要求。 图1 3s w i n gm o t i o n ( 摇动式) 转向架 瑞典的a b bt r a c t i o n 公司于1 9 8 3 年研制并成功开发了s j 型转向架( 如图1 - 4 ) ， 该转向架采用三大件模式，最高速度为1 6 0 k m h 。两侧梁通过两根横梁连接，通过斜拉 杆与侧梁的一端相连，这种连接方式既提高了构架的抗菱刚度，又保持了三大件转向 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 架低抗扭曲刚度、适应线路垂向不平顺能力强的特点。在轴箱与构架间增加了一系橡 胶堆定位，减轻了簧下质量。二系悬挂采用钟形橡胶堆支撑方式，且设有变摩擦减振 器，降低了横向刚度，提高了转向架的横向动力学性能。和y 2 5 型转向架一样，s j 型 转向架采用球面心盘和常接触弹性旁承。根据三大件转向架的特点，该转向架的基础 制动装置仍采用单侧踏面制动，由于其质量大、磨耗件多、维修工作量大，目前这种 转向架还未得到广泛应用。 。一一一 一一_ 一一一一一一一一一图1 4 瑞典s j 型转向架 一 一一一一一一一一 众所周知，要解决横向运动稳定性和曲线通过性能之间的矛盾，采用径向转向架 是一种有效的措施。南非铁路工程师h e r b e r ts c h e f f e l 最先设计成功了一种轮对自导向 转向架s c h e 彘l 副构架自导向转向架( 如图1 5 ) 。该转向架在传统三大件式转向架 的基础上，用一根弓形梁将每个轮对的左右两侧联系在一起，组成一个副构架，再用 两根对角斜撑拉杆将前后副构架联系在一起，形成自导向机构。由于采用对角斜撑， 可在确保直线运行时轮对可靠定位的基础上，保证轮对在曲线运行时能沿曲线半径方 向自由通过。该转向架在侧架和承载鞍间加装了两块剪切刚度较小( 0 1 7 m n ，m ) 的橡 胶垫，用以支撑侧架并允许轮对有较小的横向位移，有效的降低簧下质量。由于该转 向架曲线通过性能较好，轮缘磨耗很小，运行品质得到很大改进，时速最高可达到 】2 0 k i n 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 5 南非s c h e f f e l 自导向径向转向架 d b 6 6 1 型转向架( 如图1 6 ) 是德国的一种采用焊接构架和一系板簧轴箱定位的 货车转向架。该转向架是德国联邦铁路于2 0 世纪6 0 年代开发研制成功的。其轴箱悬 挂采用导框加板簧和双链吊挂的形式，轴箱的纵向、横向、垂向的弹性定位可通过板 簧双链吊挂来实现。板簧具有良好的非线性特性，具有多级刚度，它既能提供较大的 空车静挠度，又能在装载工况下保持车钩中心线的高度在可容许的范围内，因此可很 好地满足货车空重车对悬挂系统的不同刚度需求。同时板簧间存在摩擦，也起到了减 振器的作用。d b 一6 6 1 型转向架的轴箱在纵向设有弹性定位，以保证车辆具有较好的曲 线通过性能。d b 6 6 1 后改进后定型为d b 9 3 1 型，其轴距由1 8 m 增大至2 m ，可适用 于时速为1 2 0k m 的货车。随后，德国联邦铁路开发了d b 6 8 4 和d b 6 6 5 等结构类似 的货车转向架。同y 2 5 型转向架相比，这类转向架不但结构较复杂，而且质量也较大。 图1 - 6 德国d & 一6 1 型转向架 德国t a l b o t 工厂于8 0 年代末研发出了d r r s 系列转向架，主要有d r r s 1 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 转向架( 图1 - 7 a ) 和d r r s 1 6 0 转向架( 图1 - 7 b ) 。d r r s 一1 2 0 转向架轴重为2 2 5 t ，最 高运行速度1 2 0 k m h 。d r r s 1 6 0 转向架轴重为1 8 t ，最高运行速度为1 6 0 k m h 。 a ) 德国d r r s 1 2 0 型转向架 b ) 德国d r r s 1 6 0 型转向架 图1 7d r r s 系列转向架 该系列转向架是在y 2 5 型转向架的基础上采用双层橡胶圆环形弹簧( d o u b l e r u b b e rr o l l i n gs p r i n g ，简称为d r r s 转向架) 进行轴箱定位，充分利用橡胶弹簧的非 线性特点来保证空重车性能，并通过横向柔性定位以改善曲线通过性能。同y 2 5 型转 向架一样，d r r s 系列转向架均采用常接触弹性旁承和球面心盘。与y 2 5 型转向架相 比，d r r s 采用了纵向弹性定位，所以具有轮轨作用力小、轮缘磨耗少等优点。为满 足不同运行速度下制动距离的要求，d r r s 1 2 0 转向架采用双侧踏面制动；d r r s 1 6 0 转向架采用盘形制动，每轴安装三个制动盘单元，并安装有机械式或电子防滑器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 近年来在欧盟制定轨道车辆噪声强制性标准的推动下，德国柏林工业大学与瑞士 铁路( s b b ) 联合开发了一种轻型低噪声的货车转向架l e i l a 转向架( 如图1 8 ) 。 图1 - 8 轻型低噪声l e i l a 转向架 l e i l a 转向架为内置构架结构，构架为“日”字形，提升了构架的整体刚度。轴重 为2 2 5 t ，最高运行速度为1 2 0 k m h 。一系悬挂在轮对内侧，采用了橡胶弹簧，弹簧嵌 入轴箱内，在轴箱处安装垂向液压减振器。采用交叉杆将两个轮对的轴箱连接起来， 具有自导向功能，减小了通过曲线时的滑动及噪音。在心盘下安装了橡胶弹簧，作为 转向架的二系悬挂，降低了横向刚度，有利于速度提高后，车辆横向平稳性的提升。 基础制动采用轮盘制动，以降低噪声，并装有电子防滑器。心盘为u i c 的标准心盘， 旁承也为标准弹性旁承，均可与运用中的货车车体相匹配。但是，由于l e i l a 转向架的 轴箱为内置式，无法使用线路上轴温检测装备对其进行检测。因此，在设计时加入一 个智能故障诊断系统，可自动进行轴温检测，此外，还可对一些其它的参数进行检测。 与传统转向架相比，l e i l a 转向架由于采用了内置构架式结构，自重降低了大约 1 5 t 。从而可有效地提高载重，且降低制造成本。由于采用了轮盘制动，轮轨磨耗大大 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 低于传统的闸瓦制动，不仅降低了车轮璇修周期，还可降低噪声。l e i l a 转向架于2 0 0 3 年装车进行了线路试验，有望取代y 2 5 成为欧洲铁路的标准货车转向架。 在2 0 1 0 年柏林国际轨道交通技术展会上( i n n o t r a n s ) ，德国的铁路车辆制造商e l h 公司展出了一种新颖的轻型、低噪声转向架r c 2 5 n t ( 图1 - 9 ) 。该转向架采用副构架 结构，同一轮对的两侧轴箱通过一根u 形杆连接在一起，两根杆之间通过铰接连接， 具有良好的自导向功能。r c 2 5 n t 转向架轴重2 5 t ，运行速度1 6 0 k m h 。采用了二系悬 挂装置，摇枕由钢簧承载。轴箱定位装置采用八字橡胶堆，实现了轮对的弹性定位。 构架为整体焊接结构，侧梁采用双腹板箱型结构。制动方式可选择盘形制动和踏面制 动。采用盘形制动可降低车轮磨耗，降低噪声。同y 2 5 转向架一样，该转向架采用u i c 标准心盘和常接触弹性旁承，可方便地与运用中的车辆的转向架进行换装。该转向架 在2 0 1 0 年通过了安全性能的测试。 图1 - 9r c 2 5 n t 转向架 为充分利用快速线路及适应快速货物运输的需要，很多国家都根据各自的实际情 况改进和研发了适合本国国情的快速转向架。除了美国的s w i n gm o t i o n ( 摆动式) 转 向架、法国的y 3 7 型、瑞典的s j 型、瑞典的d d r s 型外，还有意大利f i a t 型( 如图 1 1 0 ) 、英国的t p 2 5 型( 如图1 1 1 ) 等，这些转向架的运行时速均在1 2 0 1 6 0 k m 之间。 其中，法国的y 3 7 型转向架的最高试验速度达到了2 8 1 8 k m h ，创造了货车运行速度的 世界纪录。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 图1 1 0f i a t 快速货车转向架 图1 1 1 英国t f 2 5 型转向架 1 1 3 我国铁路货车的发展 我国铁路货车自改革开放以来发展势头良好，无论在质量、数量还是承载重量上， 我国铁路货车都有了很大的发展。除通用货车外，还设计制造了许多专用车辆，如自 翻车、集装箱专用平车、漏斗车及运输小汽车的双层平车等。为实现提速和重载的目 标，载重也在不断上升，大秦线运煤专用敞车载重已达8 0 t ，货车商业运营时速也从 7 0 8 0 k i n 上升到1 0 0 1 2 0 k m 。 货车转向架方面，建国以前我国没有设计、制造货车的能力，主要靠进口美国、 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 曼曼曼量量曼曼曼曼量曼量曼皇曼皇曼皇曼舅曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼i i i i - - 曼 日本等国的货车，转向架以拱板型为主( 转1 5 、转1 6 ) ，和少量的铸钢三大件式转向 架( 转1 、转2 ) 。建国后，我国先后设计制造了转3 、转4 、转5 、转6 、转8 、转8 a 型转向架。并先后研制出了3 0 t 曲梁( 转9 ) 、6 0 t 老曲梁、新曲梁、6 6 型、6 7 型、6 9 型和改6 9 型转向架，设计研制了带有常摩擦减振器的控制型转向架，自导向、迫导向 径向转向架，带轴箱悬挂装置的构架式转向架等新型转向架。 自1 9 9 6 年起，各工厂先后引进侧架交叉支撑技术、侧架摆动式技术、整体焊接构 架技术、副构架自导向技术等，并先后开发了用于6 0 t 级货车的2 1 t 轴重的转k 1 、转 k 2 、转k 3 、转k 4 型转向架以及用于7 0 t 级通用货车和8 0 t 级专用货车的2 5 t 轴重的转 向架k 5 、转k 6 、转k 7 以及时速为1 6 0 公里的快速货车转向架。 图1 1 2 我国快速货车转向架 由于开行快速货车的迫切形式，我国从2 0 0 0 年开始对快速货车转向架进行研制， 在2 0 0 6 年召开的铁道学会上也提出要深入开展对1 6 0 k m h 货车转向架的可靠性研究。 国内的货车厂家如眉山车辆有限公司、济南轨道交通装备有限责任公司、齐齐哈尔车 辆厂等，都提出了1 6 0 k m h 的设计方案，2 0 0 3 年，我国齐齐哈尔铁路车辆( 集团) 有 限公司与我校快速货车转向架课题组联合研制了1 6 0 k m h 的快速转向架( 如图1 1 2 ) ， 该转向架采用焊接构架结构，两侧梁为双腹板u 型梁，通过两根无缝钢管将两个侧梁 连接起来。中央悬挂装置采用橡胶堆弹簧，连接摇枕与侧梁。摇枕为焊接箱型结构梁， 摇枕端部安装牵引拉杆。一系悬挂采用螺旋钢簧加垂向液压减振器的方式。承载方式 仍采用我国传统的心盘旁承共同承载，采用了平面心盘和常接触弹性旁承。基础制动 装置为盘形制动，每轴装两个制动盘，并且安装了机械式防滑器。 该货车转向架于2 0 0 3 年1 0 月在西南交通大学牵引动力实验室的滚振试验台上进 行了滚动振动模拟试验，其空重车最高试验速度为2 7 0 k m h 。为进一步对该车的动力学 性能进行检验，2 0 0 4 年9 月对配装该型转向架的p x y 型活顶棚车进行了既有线线路动 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 力学试验。试验分别在京承线双桥一洞庙河区间( 曲线运行区间) 、京秦线双桥一丰润 区间( 直道运行区间) 进行，空重车最高试验速度分别达1 8 1 6k m h 和1 7 9 1k m h 。 本次试验速度创造了我国货车转向架正线运行速度的最高纪录。该转向架在2 0 1 1 年初 通过了科技部的验收，标志着我国快速货车转向架研制体系的建立。 1 2 国内外制动盘研究现状综述 1 2 1 盘形制动的优越性 盘形制动是在车轴或车轮辐板侧面装上制动盘，通过制动夹钳将两个闸片紧压制 动盘侧面，进行摩擦制动，把列车动能转化为热能，消散于大气。根据制动盘安装部 位的不同，可分为轴装制动盘( 如图1 1 3 ) 和轮装制动盘( 如图1 1 4 ) ，轴装制动盘一 般用于非动力车，轮装制动盘多用于动车。制动盘的安装如图1 1 5 所示。 图1 1 3 轴装制动盘图1 1 4 轮装制动盘 图1 1 5 制动盘工作原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 与闸瓦制动相比，盘形制动主要有以下几个优点： ( 1 ) 大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗； ( 2 ) 可按照制动要求选择最佳“摩擦副”，使其摩擦性能良好，摩擦系数几乎不 随列车速度而变化，因而制动平稳，几乎没有噪声； ( 3 ) 制动盘可设计成带散热筋的，旋转时具有半强迫通风的作用，以改善散热性 能； ( 4 ) 采用单元制动缸，机构简单、安全、可靠。 1 2 2 制动盘材料的发展 随着列车的快速化及重载化，制动时列车动能越来越大，因此制动系统是实现列 车快速、重载的关键系统之一。制动盘是盘形制动装置中最重要的部件之一，其必须 通过与闸片的摩擦生热将巨大的列车动能转化为热能，并将热量散逸到周围环境中。 因此应根据制动盘的结构和使用条件对其选材。归纳起来，制动盘所用材料必须同时 具备以下三方面的性能： ( 1 ) 稳定的摩擦性能，即要求制动盘摩擦副之间的摩擦系数高且稳定，不随速度、 温度、压力及湿度的变化而变化； ( 2 ) 较高的耐磨损性能，闸片与盘面强烈的摩擦会引起磨耗问题，因此应保证材 料具有相当低的磨损率； ( 3 ) 良好的耐疲劳性能，制动盘要能承受摩擦表面由于急冷急热而造成的热疲劳 冲击。 制动盘早在1 9 3 5 年就开始在法国铁道车辆上使用了，从制动盘材料的发展来看， 各国曾先后采用过普通铸钢、普通铸铁、低合金铸铁，此后由于车速的提高和轻量化 需求，相继开发了特殊合金铸钢、低合金锻钢、铸铁铸钢( 锻钢) 组合材料、碳碳纤 维复合材料和铝合金基复合材料【l 】。灰铸铁制动盘虽然其导热性能良好，但在使用中存 在摩擦面热裂纹和制动盘移位、脱落等问题；铸钢制动盘存在变形大的缺点；蠕墨铸 铁显微结构中的石墨形成三维蠕虫状粒子，这种结构在扫描电子显微镜( s e m ) 下看 起来象珊瑚。其石墨形态再加上圆形边缘不规则表面，使石墨与基体间具有很大的结 合力，限制了裂纹的生成与发展，故其抗拉强度可比普通铸铁高7 5 ，硬度提高4 5 ， 在高温条件下，其耐疲劳强度比铝高5 倍。蠕墨铸铁制动盘铸造性能较球墨铸铁及高 强度灰铸铁好，易于获得致密的健全铸件，且具有较好的导热性、较高的力学性能、 优良的耐热疲劳性能和良好的摩擦磨损性能，在日本已经投入使用，是制动盘盘体的 理想材料l z j 。相关实验表明，制动盘在制动初期出现裂纹后，裂纹的尺寸会随循环次数 的增加而快速增加，裂纹平均扩展速率很大。继而裂纹尺寸的增大幅度减小，扩展速 率基本保持恒定1 3 j 。即对于蠕墨铸铁制动盘，从出现裂纹到完全开裂，仍有比较长时间 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 的稳定的裂纹扩展期，在制动盘实际应用过程中，即使出现裂纹，仍可安全运行相当 长的时间。这对于制动盘的实际应用具有重要意义。 1 2 3 制动盘的研究现状 研究制动盘温度场分布的方法有实验研究法和数值模拟法瞵j ，实验研究法分为动力 制动台模拟实验和实车制动试验。动力制动台试验可借助热像仪直接拍摄制动盘的瞬 时温度分布，在摩擦材料试制以及制动盘和闸片选配上意义较大；实车试验是可靠性 最高、最有效、也是最基本的试验方法。数值模拟法是通过建立制动盘温度场、应力 场的计算分析模型，在计算机上模拟得到列车制动过程中的制动盘的瞬态温度场分布， 为新型制动盘的开发和安全使用提供比较可靠的理论依据。 国内外对结构温度场及应力场的数值模拟分析时，主要采用有限差分法、边界元 法、有限体积法、有限单元法和有限分析法。其中应用最广泛的是有限单元法。随着 计算机技术的迅猛发展和广泛应用，市场上出现了多种功能强大的有限元分析软件， 如a b a q u s n a s t r a n m c s m a r c a n s y s i d i a s 等，使得工程中有限单元法的应用 得到了快速发展。 采用数值模拟法对制动盘的温度场和应力场分析，最初是对原有结构进行简化， 将其对流换热系数、导热系数等参数作为常数来考虑，且采用二维模型1 5 。7 1 。由于二维 模型无法考虑散热筋对制动盘散热效果的影响及制动产生的热量在盘内部的瞬态传 导。这样的求解结果虽然对制动盘的设计和制造有一定的借鉴作用，但只能对制动盘 温度应力场做大致描述，其数值结果对指导实际的设计意义不大。 文献 7 】在制动盘分析中进行了轴对称假设，取制动盘的一个对称角作为分析对象， 建立了制动盘的三维循环对称模型，研究中间带散热筋的轴装制动盘的热应力分布， 将制动产生的热量按照一定的比例以热流密度的方式输入摩擦面。虽然较二维模型的 计算方法有一定改进，但未考虑制动阻力，且假定材料的性能不随温度变化。 文献【8 】选取时速3 0 0 公里高速列车的一节拖车中的一个轴盘为研究对象，建立了 三维模型，并讨论了载荷的加载方式，计算了列车在一次紧急制动情况下的温度场及 应力场，并与实验结果进行了对比，证明了数值模拟的可行性，但在计算过程中没有 考虑温度对材料参数的影响。 文献 9 】在考虑材料非线性基础上，采用能量折算法和摩擦功率法分别确定摩擦面 上热流密度，计算制动盘在紧急制动过程中的温度场分布，并采用热结顺序耦合的方 法分析了紧急制动过程中制动盘应力场的分布情况。结果表明，引起制动盘摩擦面裂 纹萌生的主要应力分量是周向应力。 在频繁的制动和缓解过程中，制动盘表面材料受到交变热应变作用，即使最大的 交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间后，也会导致疲劳破坏。现在普遍认为 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 制动盘摩擦面由于疲劳损伤而出现的裂纹主要有两种：一种是呈网状分布的“龟裂纹”， 这些裂纹分布在摩擦面上，且比较浅；一种是摩擦面上的径向裂纹，这些裂纹数目不 多，但比较长比较深，容易造成制动盘的脆性断裂。 由于紧急制动热量短时间内主要集中在制动盘表面，造成得制动盘内部和表面存 在较大温差，从而在盘体内产生很大的热应力。由于温度过高，制动盘局部温度可能 达到相变温度，发生局部相变，产生相变应力。制动盘的热应力、各种机械应力及相 变应力等相互耦合，构成了盘的破坏应力。研究表明，紧急制动中产生的热应力比摩 擦力、离心力及正压力等大得多，也比常用制动产生的热应力大得多【4 j 。 文献 1 0 1 认为，制动盘表面温度的急剧升降，使制动盘摩擦面处的残余拉应力不断 增大，一旦超过制动盘材料的断裂强度，就会发生龟裂，从而形成疲劳裂纹源，裂纹 源进一步发展，当裂纹尖端的应力强度因子k ，超过材料断裂韧性值k ，r 时，就造成了 制动盘的断裂，分析思路如图1 1 6 所示。 文献【11 1 进行热失效分析后指出，摩擦面热影响层部位为参与周向拉应力状态，是 热疲劳裂纹萌生和扩展的主要应力条件，裂纹垂直于周向应力，沿轮径向发展。 文献 1 2 】指出，制动盘失效的主要原因是，在疲劳应力的循环驱动下，盘体内部的 初始缺陷处引发裂纹，并逐渐扩展至表面。四方机车厂的孙元德等对四方车辆厂生产 的失效的蠕墨铸铁制动