（光学工程专业论文）出口巴基斯坦货车转向架设计及其性能研究(1).pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 长期以来，铁路运输以其运量大、速度快、安全、节能等优势作为人类 最重要的交通运输方式，对世界各国的经济发展起着十分重要的作用。与公 路交通和航空等运输方式相比，铁路是既节省能源，叉对环境污染最少的交 通运输工具。因此，世界各国投入大量资金发展铁路运输，尤其重视发展高 速铁路运输。目前，世界上高速铁路的总里程已近5 0 0 0 公里，但主要是运行 旅客列车，而高速货物列车发展则较为缓慢。因此，铁路要想全面增加运能， 提高货物列车速度势在必行。2 0 0 0 年，巴基斯坦国铁开始进行一项经济重整 项目，拟采用高速重载列车来提高巴基斯坦国铁的运输能力。为此，2 0 0 2 年， 眉山车辆厂技术中心针对巴方要求和巴方宽轨的具体特点，为出口巴基斯坦 货车进行了产品设计。本文即在此背景下对出口巴基斯坦的货车转向架进行 方案设计研究、悬挂参数的选取、动力学性能分析以及关键部件的强度计算 等。 论文首先在对货车转向架进行选型研究的基础上，对出口巴基斯坦的货 车转向架进行了结构方案设计，并详细介绍了转向架各部件的结构特点。根 据转向架的结构特点，建立了相应的动力学计算模型。从丽利用计算机数值 模拟方法对转向架进行了参数优化和动力学计算。根据计算机仿真结果，对 货车转向架的动力学性能进行了详细的分析。 论文对货车转向架受力较大且复杂的侧架、摇枕进行了有限元强度分析。 在各部件的强度满足t b t 1 3 3 5 一1 9 9 6 相关要求的前提下，进行了结构优化。 本文最后介绍了出口巴基斯坦的货车转向架样机的滚振试验情况，结果 表明，各项性能指标均满足g b 5 5 9 9 8 5 中动力学评定标准，达到了预期的 研制目标。 关键词：三大件式转向架；悬挂参数：研究：优化 a b s t r a c t i na l o n gt i m e ，t h er m l w a yt r a n s p o r t a t i o n w a sam o s t i m p o r t a n t t r a n s p o r t a t i o nm e a no fh u m a n t h e r e w i t ha d v a n t a g e ss u c ha sb i gf r e i g h tv o l u m e h i g h s p e e d s a f e t ya n ds a v i n ge n e r g y , w h i c h h a sa ni m p o r t a n ta c t i o nt oe c o n o m y d e v e l o p m e n t si nt h ew o r l d c o m p a r e dw i t hr o a da n da v i a t i o nt r a n s p o r t a t i o n ，t h e r a i l w a yn o to n l ys a v e se n e r g v b u ta l s ol i t t l ep o l l u t e se n v i r o n m e n t t h e r e f o r , al o t o f f i n a n c i n g sa r el a u n c h e di n t od e v e l o p i n gr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni nt h ew o r l d ， e s p e c i a l l yh i g h s p e e dr a i l w a y a tt h ep r e s e n t ，t h et o t a lm i l e a g eo ft h ew o r l d h i g h - s p e e dr a i l w a yi sn e a r l y 5 0 0 0 k m ，w h i c h p a s s e n g e r c a rm a i n l yr u n so n a n d d e v e l o p m e n t o f h i g h - s p e e d f r e i g h tc a ri st a r d i l y s o ，i no r d e rt oi n c r e a s ef r e i g h tv o l u m e s ，i ti si nt h ec h a p t e r o fp o s s i b i l i t i e st o i m p r o v es p e e do ff r e i g h t t r a i n s i n2 0 0 0 ，p a k i s t a nr a i l w a y b e g a n t oc a r r ya ne c o n o m y r e f o r m i n gi t e mw h i c hi sa d o p t i n gh i g h s p e e d ，h e a v y d u t yf r e i g h t t r a i n s i m p r o v e t h e t r a n s p o r t a t i o na b i l i t y o fp a k i s t a n r m l w a y t h e r e f o r ，i n2 0 0 2 ，a c c o r d i n gt ot h er e q u e s ta n dt r a i t so fp a k i s t a nr a i l w a y , t h e t e c h n i c a lc e n t e ro fm e i s h a n r o l l i n gs t o c kw o r k sd e s i g n e dw a g o n s f o rp a k i s t a n r a i l w a y o n t h i sb a c k g r o u n d ，a p r o j e c to f t h eb o g i ef o rt h ep a k i s t a nf r e i g h tc a ri s p u tf o r w a r d ，a n dc h o o s i n go fs u s p e n s i o np a r a m e t e r s ，d y n a m i c sa n a l y s e s a n d i n t e n s i o nc a l c u l a t i n go f k e yp a r t sa r ec a r r i e d i nt h i st h e s i s ，o nb a s i so ft h es t u d yo fab o g i e st y p e ，ad e s i g np r o j e c to ft h e b o g i ef o rf r e i g h tc a ri sp u tf o r w a r d t h es t r u c t u r e so f t h ep r o j e c ta r ei n t r o d u c e d i nd e t a i l a c c o r d i n gt ot r a i t so ft h eb o g i e ，ac o r r e s p o n d i n gd y n a m i c sc a l c u l a t i n g m o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dp a r a m e t e r so p t i m i z i n ga n dd y n a m i c sc a l c u l a t i n go fa b o g i ea r ec a r r i e db yc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，d y n a m i cp e r f o - l l n a n c e so f ab o g i ea r ea n a l y z e di nd e t a i l i nt h i sa r t i c l e t h ef i n i t ee l e m e n ts t r e n g t ha n a l y s i sa r em a d ef o rt h es i d e f r a m ea n db o l s t e rw h i c hb e a rc o n s i d e r a b l ea n dc o m p l i c a t e dl o a d so nt h ef r e i g h t c a r , s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n sa r ea l s om a d ei nt h ep r e c o n d i t i o no f s t r e n g t hm e e t i n g t h er e l e v a n tr e q u i r e m e n t so f t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 f i n a l l y , t h er o l l i n g t e s to f p r o t o t y p ei si n t r o d u c e d t h et e s tr e s u l t ss h o w t h e e v e r yp e r f o r m a n c ei n d e xo f t h eb o g i em e e t st h ed y n a m i ce v a l u a t i o ns t a n d a r di n g b 5 5 9 9 8 5 ，w h i c hr e a c ht h ep r e d i c t i n gr e s e a r c ht a r g e t k e yw o r d s ：t h r e e p i e c es t y l eb o g i e ；s u s p e n s i o np a r a m e t e r ；r e s e a r c h ； o p t i m i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题背景 铁路运输自1 9 世纪初正式开始运营以来，一直以其运量大、速度快、 安全、节能等优势作为人类最重要的交通运输方式，对世界各国的经济发展 起着十分重要的作用。如今全球铁路总长已超过1 2 0 万公里。进入2 0 世纪， 公路、航空、管道等运输方式相继崛起，交通运输进入了多元化的时代。2 0 世纪6 0 年代以后，公路和航空运输飞速发展，铁路运输受到严峻挑战，铁路 客货运量急剧下降。8 0 年代以后，世界各国对环境保护的呼声越来越高。与 公路交通和航空等运输方式相比，铁路是既节省能源，又对环境污染最少的 交通运输工具。因此，各国政府开始再次大量投资发展铁路运输，尤其重视 发展高速铁路运输。目前，世界上高速铁路的总里程已近5 0 0 0 公里，但主要 运行旅客列车，而高速货物列车发展则较为缓慢。特别是在客货混跑的线路 上，提高旅客列车速度的同时，必然会减少货物列车的运行对数。因此，铁 路要想全面增加运能，提高货物列车速度势在必行，这就要求转向架悬挂参 数更合理，以期达到高速重载的目的。 2 0 0 0 年，巴基斯坦国铁开始进行一项经济重整项目，拟采用高速重载列 车来提高巴基斯坦国铁的运输能力。为此将采购约3 0 0 0 3 5 0 0 h p 的新机车， 有效载重约为6 0 吨，速度为1 0 0 k m h 的高边敞车、棚车、平车和守车。眉 山车辆厂在这次招标中全部中标，随即开展了该系列货车的转向架方案选型 及设计，本文即是基于此，进行出口巴基斯坦货车转向架的结构方案设计、 动力学性能分析以及关键部件的强度计算等。因此，论文的选题具有很强的 现实意义和工程实用价值。 1 2 国外货车转向架发展概况f l 】 早期的货车基本上都是两轴车，随着载重的增加也曾出现过少量的三轴 车。两轴车由于结构简单和维修方便，至今仍在欧洲轻型货车中占有一定的 比例。为满足提高车辆运行速度、增加载重和良好益线通过性能的需要，在 1 9 世纪后期开始出现货车转向架。转向架在铁路机车车辆上的运用可以追溯 到1 9 世纪4 0 年代，其最早是用在美国铁路的客车上，后传入欧洲及其他国 家。货车由于使用了转向架，单车载重量从2 5 t 左右提高到6 0t 左右。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 货车转向架过去一直以铸钢结构或钢板铆焊结构为主，悬挂的方式主要 采用中央板簧或轴箱板簧。二战后，随着货物列车载重量和运行速度的不断 提高，货车转向架随之朝着增加其承载能力和提高运行速度的方向发展。目 前，世界各国货车转向架大致以两种不同的模式发展。北美和前苏联仍用三 大件的模式，即采用摇枕弹性定位而轴箱无弹性定位的形式：欧洲等许多国 家则发展焊接构架转向架，即采用无摇枕的整体构架和轴箱弹性定位的形式。 2 0 世纪6 0 年代中期，法国铁路( s n c f ) 开发出一种采用焊接式构架和一系 螺旋钢簧轴箱定位的y 2 5 型转向架。该转向架经试验表明其运行速度在 1 2 0 k m h 速度以下性能良好，故在1 9 6 7 年被国际铁路联盟( u i c ) 确定为西 欧铁路( o r e ) 的标准型货车转向架。 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 型转向架的基础上开发研制成功了一种适用于时速为1 6 0 k i n 的y 3 7 型货车转向架。同y 2 5 型转向架一样，y 3 7 转向架采用轴箱导框、螺 旋钢簧加单侧顶柱式尼诺尔摩擦减振器的方式。转向架构架采用整体焊接构 架，其侧梁为整体焊接箱形结构，在两侧梁之间通过两根无缝钢管做的横梁 联接，并在横梁上安装基础制动装置。y 3 7 转向架增加了二系悬挂并采用了 客车摇动台的形式，以降低其横向刚度。为限制车体的最大横向位移，减小 了轴箱与导框之间的横向间隙。基础制动采用盘型制动加踏面清扫器，每轴 上安装两个制动盘。由于二系采用了摇动台结构和加装盘型制动装置，故将 轴距加大至2 3 m 。扩大轴距虽增加了构架重量，但可大大提高转向架的临界 速度。y 3 7 型转向架采用u i c 标准球面心盘和常接触弹性旁承，具有结构简 单和动力学性能较好的特点。 与此同时，德国也开发了采用板簧轴箱定位的d b 一6 6 1 和d b 一6 6 4 型 焊接构架式转向架，但效果不尽入意。进入9 0 年代，德国联邦铁路( d b ) 在高速铁路线上成功开行了速度为2 5 0 k m h 的i c e 高速客运列车。为充分利 用线路和加快货物运输，德国联邦铁路要求在客运闯隙和夜间开行速度为 1 6 0 k m h 的快速货运列车。在此情况下，德国t a l b o t 工厂研制了一种运行速 度为1 6 0 k m h 的高速货车转向架d r r s 。该转向架是在y 2 5 型转向架的基础 上采用双层圆环形橡胶弹簧进行轴箱定位，利用橡胶弹簧的非线性特点来保 证空重车性能，并以横向柔性定位来改善曲线通过性能。该转向架目前主要 用于集装箱平车和公铁两用车，其最高试验速度达到2 3 0 k m h 。 s j 型转向架是瑞典的a b bt r a c t i o n 公司于1 9 8 3 年开始研制并开发 成功的一种采用三大件模式的高速货车转向架，其最高运行速度为1 6 0 k m h 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 同传统的三大件转向架相比，该转向架在两侧梁之间有两根横向梁连接，并 通过斜拉杆同侧梁的一端相连。如此的连接方式既提高了构架的抗菱刚度， 又保持了三大件转向架所具有的低抗扭曲刚度、适应线路垂向不平顺能力强 的特点。并且在轴箱与构架间增加了一系橡胶堆定位，因而克服了传统的三 大件转向架簧下质量大的缺点。转向架二系悬挂采用钟形橡胶堆支撑方式， 并有变摩擦减振器，这种悬挂方式可降低横向刚度，提高转向架的横向动力 学性能。目前，这种转向架尚未得到大量应用。 近年来美国b a r b e r 公司研制开发成功的三大件式s w i n g m o t i o n ( 摇动式) 转向架在克服抗菱剐度低这一缺点的同时，利用客车转向架摇动台原理，降 低横向刚度。s w i n g m o t i o n 转向架可大大提高运行速度，其最高运行速度可 达1 6 0 k m h ，在北美各国得到了较好的应用。由于加大了悬挂的横向柔度， 故该转向架能有效地改善车辆横向运行的平稳性和运行安全性。但s w i n g m o t i o n 转向架受到三大件转向架结构的限制，重量大，结构复杂，磨耗件较 多，加大了维修工作量和维修成本，且其基础制动装置仍只能采用单侧踏面 制动，故其在欧洲以及其他一些类似的国家受到制动距离的限制，无法满足 快速货物列车的要求。 三大件式转向架和焊接构架式转向架各有利弊，因此各国货车转向架的 发展并不局限于此，而是根据本国的具体情况，在自己的原有基础上不断改 进和研制，以适应其铁路运输发展的需要，7 0 年代以来，许多国家积极发展 高速铁路，在高速客运方面取得了巨大成功，如法国t g v 、德国i c e 、日本 新干线等。为充分利用高速线路以及适应快速货物运输的需要，一些国家研 制出了多种形式的高速货车转向架。除法国的y 3 7 型、德国的d r r s 型、美 国的s w i n gm o t i o n 、瑞典的s j 型外，还有英国的t f 2 5 型、意大利f i a t 型、 日本的r t - x 4 型及前苏联的1 8 1 1 5 型快速转向架，这些转向架能满足 1 2 0 k r n h 1 6 0 k r r d h 的速度运行，其中法国的y 3 7 型转向架最高试验速度达 到了2 8 1 8 k m h ，创造了货车运行速度的世界纪录。 1 3 我国货车转向架发展现状 我国目前正在运用的5 0 多万辆货车中，9 0 以上的车辆装用转8 a 型转 向架。该转向架是在美国b a r b e r 转向架和前苏联哈宁i 转向架的基础上，结 合我国实际情况，于1 9 5 8 年研制成功的老转8 型转向架( 原名6 0 8 ) 。随后， 通过在其基础上进行改进，1 9 6 5 年研制成新转8 ，并定型成转8 a 型转向架。 1 9 6 6 年通过铁道部鉴定后投入批量生产，直至现在【2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 转8 a 型转向架在我国运用3 0 多年来，其运行速度一直维持在7 0 8 0 k m h 左右，基本满足了我国铁路货运的要求。但随着铁路运输市场的发展， 列车运行速度的提高，对货车转向架也提出了新的要求。由于三大件式转向 架存在抗菱刚度低的固有缺陷，制约了该转向架运行速度的进一步提高，难 以满足运输市场的需要。故多年来许多货车工厂、科研部门和大专院校都曾 致力于转8 a 型转向架的改造工作，先后出现了转8 a 型转向架小改、中改等 方案，1 9 9 5 年在大连北车辆段还对一些改进方案进行了试验，但未能取得理 想的效果。 齐齐哈尔车辆厂于1 9 8 6 年在美国a s f 铸钢公司的r i d ec o n t r o l 转向架 的基础上，成功研制了三大件控制型转向架。针对转8 a 型转向架抗菱刚度 不足的缺点，控制型转向架采用了r i d ec o n t r o l 减振器( 直项式常摩擦减振 器) ，加大了摇枕弹簧的静挠度，提高了转向架的正位能力和空车的运行品质。 但控制型转向架在c 6 3 运煤专用敞车上使用后，由于采用常摩擦减振器，重 车时减振能力不足，因此重车运行品质较差，故没有得到更广泛的应用。 2 0 世纪9 0 年代，由于重载运输事业的发展，我国先后研制了多种形式 的2 e 轴重载货车转向架。“八五”期间，由齐齐哈尔车辆厂牵头，国内铁路 科研部门和大专院校参与研制2 e 轴重载货车转向架，该转向架采用三大件 形式，利用了侧架交叉支撑和轴箱橡胶垫等技术。与此同时，株洲车辆厂也 研制了准构架式的2 e 轴转向架。该转向架基本结构仍为三大件式，即将两 侧架和摇枕有机地组合在一起，组成准构架，既保留了三大件转向架适应线 路扭曲能力强的优点，又大大增加了转向架的抗菱刚度。准构架转向架采用 了轴箱悬挂和全旁承支承等新技术、新结构，具有较好的动力学性能。1 9 9 5 年7 月铁道部组织在齐齐哈尔对上述两种2 e 轴转向架进行了线路动力学试 验，由于试验结果不理想，加之这两种转向架结构复杂、通用性差，所以没 有对其再进行更深入的研究和试验。 近年来，随着客运速度的提高，对提高货运列车速度的要求亦日益迫切， 因此铁道部科教司于1 9 9 9 年组织有关部门列专题对转8 a 型转向架进行改 造，并于1 9 9 9 年底在青岛组织了改进方案的线路动力学试验，对多种改进方 案进行比选。最后经转8 a 型转向架改造技术审查会确定，齐齐哈尔车辆厂 提出的侧架下交叉支撑方案成为我国转8 a 型转向架的唯一改造方案，即转 k 2 型转向架方案，此方案于2 0 0 1 年下半年在全国范围内实旋。 “九五”期间，铁道部列专题对新型2 e 轴货车转向架进行攻关。根据 要求，齐齐哈尔、株洲和眉山车辆厂各研制出了一台三大件式和一台构架式 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 转向架，共六个方案。1 9 9 9 年底2 0 0 0 年底，这六种转向架在成都铁路局进 行试运行；2 0 0 0 年末，上述六种转向架在太原进行了线路动力学试验，试验 结果表明，整体效果不甚理想。 为适应我国铁路全面提速的需要，开行快速货运专列，由铁道部组织， 株洲车辆厂研制成功了最高运行速度为1 2 0 k m h 的构架式快速货车转向架， 即z k 3 型转向架。z k 3 型转向架采用焊接构架、多级刚度轴箱悬挂、双斜楔 摩擦减振器、球面心盘、常接触弹性旁承等技术。试验表明，该转向架的动 力学性能满足1 2 0 k m h 的运行要求，1 9 9 9 年3 月，该转向架通过铁道部组织 的技术审查，投入了小批量生产。目前z k 3 转向架主要用于快速集装箱平车 ( x l k ) ，约有2 4 0 0 台。 同欧洲国家6 0 年代后出现的铁路衰退一样，激烈的市场竞争也正在悄 然改变着中国运输市场的格局。尽管近年来全国货运总量在逐年递增，但铁 路在运输市场的占有份额仍有所下降，中国铁路正面临着严峻的挑战。而货 车装备落后导致货运速度低是使中国铁路陷入这局面的主要原因之一。同 客运一样，中国铁路货运要走出这一困境，提速势在必行。 2 0 0 0 年，铁道部组织有关工厂和科研部门对1 4 0 1 6 0 k m h 的快速货车 转向架进行研究，经科研项目招标后开始研制我国首台快速货车转向架，目 前该项目已经启动并正在进行当中。 1 4 本文的主要研究内容 为使出口巴基斯坦货车转向架能够较好地满足巴基斯坦铁路运行要求， 本文将着重研究以下几个方面的内容。 ( 1 ) 首先进行转向架的结构方案设计。 ( 2 ) 确定该转向架各部组成的基本结构和悬挂参数研究，并对其主要部件 摇枕、侧架进行强度分析。 ( 3 ) 根据分析研究，选择各参数，使其达到巴基斯坦国铁德运用要求。 ( 4 ) 通过滚振试验加以分析总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章出口巴基斯坦货车转向架结构方案设计 本章根据巴基斯坦铁路运行要求【3 1 ，在选型研究的基础上，对出口巴基 斯坦货车转向架进行技术方案设计，确定转向架的基本结构及其各组成部件 的结构形式。 2 1 转向架设计要求及主要技术参数 在进行巴基斯坦国铁的转向架设计时，其总原则为采用成熟的技术，适 应巴基斯坦铁路主要运行情况，并且操作简便，容易维护，提高可靠性。其 主要技术参数见表2 1 【”。 表2 1 巴基斯坦三大件式转向架主要技术参数 轨距( r n m ) 1 6 7 6 最高运行速度( k i a a h )1 0 0 ( 空车) 8 0 ( 重车) 轴重( t ) 2 1 转向架自重(t)46 轴距( m m l 1 8 5 0 轴颈中心距( m m ) 2 2 6 0 轴承双列圆锥滚子轴承 轮型及直径( r a m ) d 型巾9 5 0 车轮踏面型式类似l m 的磨耗型踏面 车体承载方式心盘与旁承共同承载 基础制动单侧闸瓦制动 旁承中心距( m m ) 1 7 2 7 下心盘面至轨面距离( 自由状态) ( m m ) 8 1 5 相对摩擦系数0087 通过最小曲线半径( m ) 1 7 5 基础制动杠杆倾角 4 0 。 限界符合巴基斯坦铁路限界 强度符合t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 动力学性能符合g b 5 5 9 9 8 5 2 2 转向架选型研究 巴基斯坦国铁技术规范要求货车最高运行速度为1 0 0 k m h 。为满足这 技术要求，保证货车车辆良好的运行稳定性及安全性，选择合适的转向架结 构型式至关重要【5 】。眉山车辆厂经过广泛的论证提出了三种方案，即谢菲尔 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 外径向臂) 转向架、普通三大件式转向架及焊接转向架。从结构上看，前 两者属铸钢三大件，后者为整体焊接构架。根据巴基斯坦国铁的情况，结合 这三种转向架的结构特点，对出口巴基斯坦货车转向架选型作如下分析。 谢菲尔转向架是根据南非谢菲尔博士的轮对自导向原理而设计的自导 向转向架。主要由轮对、侧架、摇枕、中央悬挂、径向臂组成、弹性剪切橡 胶垫、双作用常接触弹性旁承、基础制动装置等部件构成。其主要优点是双 作用常接触弹性旁承提供合适的回转阻尼，提高了车辆的运行速度；径向臂 组成及弹性剪切橡胶垫保证了轮对的良好定位。这样，解决了车辆运行平稳 性和曲线通过性能的矛盾，使车辆既具有较高的蛇行临界速度又有良好的曲 线通过性能。根据眉山车辆厂研制的眉山谢菲尔转向架的多次试验情况， 谢菲尔转向架具有较高的运行速度和优良的运行品质。其主要缺点是径向臂 组成不仅加大了铸造及机械加工的难度，同时增加了零件数量，为制造、检 修及维护等带来了不便。此外径向臂组成属于簧下系统，振动频率高，其疲 劳强度是一个难关；这种悬挂型式目前还没有大批量投入实际应用，其性能 有待于进一步的实践检验；把该原理运用于宽轨转向架，不论是参数的选取， 还是涉及专利等方面的问题，都需要迸一步的研究。因此，尽管谢菲尔转向 架能够满足1 0 0 k m h 的运行速度，但其可行性尚需论证。 普通三大件式转向架的优点是结构简单，制造、维修方便且成本较低， 并且坚固耐用，轮载分布均匀。在制造、维修及经济方面特别适合巴基斯坦 国家的国情。其缺点是簧下质量大，两侧架通过摇枕、斜楔连接，配合松驰， 抗菱刚度较小，易产生菱形变形。故而曲线通过时，轮缘冲角增大，轮轨磨 耗严重；直线运行时，蛇行运动临界速度较低。 焊接转向架主要由轮对、构架、轴箱弹簧、基础制动等部件组成。采用 球面心盘和弹性常接触旁承。其主要优点是球面心盘和弹性常接触旁承结构 不仅能提高车辆适应线路的能力，改善构架的受力情况，同时提供适当的回 转阻尼。其次刚性构架具有较大的抗菱刚度，这保证了转向架具有较高临界 速度。采用轴箱弹簧支撑，簧下质量轻，可降低轮轨动作用力，减少轮轨磨 耗。眉山车辆厂研制开发了不同轨距和轴重的焊接转向架，在设计、工艺及 制造等方面积累了大景的宝贵经验。其主要缺点从出口泰国铁路的焊接转向 架来看，焊接构架的裂纹问题是个问题，国外( 比如欧洲国家) 的焊接转向 架也存在疲劳裂纹这样的问题，即便是采用球面心盘也难以完全解决构架裂 纹问题。研究表明，疲劳裂纹不仅与构架的结构设计有关，还取决于原材料 的质量、焊接工艺、热处理工艺、车辆的运用情况等多种因素。如果从材料 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 裂纹可以降低到最低限度。因此，焊接转向架可以满足1 0 0 k m h 的运行速度， 但构架的疲劳裂纹问题应引起充分的重视。 在进行转向架的设计时，转向架的选型主要把握两个原则，良好的运用 性能及较低的经济成本。根据经济成本和巴基斯坦的实际情况，通过匹配较 好的悬挂参数，普通三大件式转向架基本能满足巴基斯坦国铁的运营要求州。 故出口敞车、棚车和平车均采用普通三大件式铸钢转向架。 2 3 转向架结构方案设计 巴基斯坦铸钢转向架由摇枕、侧架、轮对、基础制动装置、常接触弹性 旁承装置等组成。转向架总体结构如图2 1 和2 - 2 所示。其具有以下结构特 点：采用变摩擦减振装置。斜楔采用耐磨材料以提高耐磨性，而且方便制造 与检修：旁承为双作用弹性旁承，以适当提高车体与转向架间的回转阻力矩， 改善车辆运行平稳性；采用两级刚度弹簧，提高空车弹簧静挠度，改善垂向 平稳性，保证磨耗后车辆的动力学性能；加装心盘磨耗盘，解决长期存在的 上、下心盘因磨耗严重导致厂、段修检修量大的问题；采用奥贝球铁衬套和 配套4 5 号钢圆销，延长检修周期，减小检修工作量。 图2 1 巴基斯坦三大件铸钢转向架 亘壹套湮盔堂亟研究生学位论文 第9 页 畦啦掣黹9 辅霉鞲_ 喇螂嚼!z 球尽毒毒器增棼k到壕醐印n匦 删样蒋器 越崭靴攀崭_|j(辑-【 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 壁亟 2 3 1 侧架、摇枕组成 巴基斯坦铸钢转向架的构架是由左右两个独立的侧架与一摇枕相连。每 一侧架将同一侧的前后两个轮对轴箱相连，左右两个侧架之间在中央部位用 一横向放置的摇枕连接在一起。侧架和摇枕可以有较大的上下方向的相对移 动，而前后、左右方向的相对位移则限制在间隙容许的范围之内。其材质均 为b 级铸钢。 侧架的两端设有导框，导框通过其插入承载鞍导槽而与轴箱相连。导框 和导槽起到限制轴箱与侧架之间前后、左右方向的相对移动作用。导框上侧 面留有因承载鞍与侧架运行中磨耗而需增加垫板的固定挡。 侧架中央有一较大方形孔，用于安装摇枕和摇枕弹簧。在方孔两侧的立 柱平面上铆有磨耗板，磨耗板材质为4 7 m i l 2 s i 2 t i b ，表面硬度经整体热处理 硬度为4 3 5 8 h r c 。为防止摇枕弹簧横向失稳而导致左右两侧架与摇枕分 离，在侧架方孔后面焊有两个斜块挡。方形孔的下部为面积较大的弹簧承台， 承台上铸出7 个固定弹簧用的圆脐。在侧架内侧面两端铸有安装制动梁的滑 槽，滑槽内安装有材质为t 1 0 的滑槽磨耗板。为保证侧架强度和刚度要求， 整个侧架均为槽形或空心箱形截面，其重量大约为3 7 0 k g 。侧架组成如图2 3 和图2 4 所示。 图2 3 巴基斯坦三大件铸钢转向架侧架 亘童窑塑盔兰巫主堑塞皇堂焦鲨塞蔓! ! 夏 辎瓤 联螟篓 覃姆瑶 珲墀逝颦餐姐_鞯螟蝰辈察悄n 摄熹联革寸n匦 嬖一馔一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 摇枕为封闭的箱形截面，沿长度方向呈鱼腹形。摇枕中央有用螺栓固定 的下心盘，下心盘与摇枕问可添加钢质心盘垫板，以供调整车钩高度；下心 盘承受来自车体的载荷，自摇枕两端经摇枕弹簧传至侧架；摇枕两端下平面 铸有固定摇枕弹簧的圆脐，两端两侧成倒“八”字形斜楔摩擦面，与斜楔副 摩擦面组成一对摩擦副，斜面上焊有材质为2 7 s i m n 的磨耗板；心盘和摇枕 的中心处有一较大的心盘销孔，心盘销安插在此孑l 中。摇枕上平面两端设有 放置弹性旁承的旁承盒，旁承盒内可添加钢质下旁承垫板，以供调整旁承间 隙。其结构简图如图2 5 和图2 6 。 图2 5 巴基斯坦三大件铸钢转向架摇枕 2 3 2 轮对轴箱装置 由于巴基斯坦要求该转向架轴重为2 1 长吨，比我国现有2 1 t 略大，因此 该轴承装置采用符合a a r 标准的6 x1 1 英寸e 型双列圆锥滚子轴承，非标 车轴及轮径为9 5 0 的整体辗钢车轮，其踏面形式与我国l m 磨耗形踏面相似， 轴承与车轴采取过盈压装配合。轴承上设有与侧架起连接作用的承载鞍。承 载鞍材质为b 级铸钢。轮对组成如图2 7 ，整个轮对组成重量为1 2 3 0 k g 。 亘直至鎏查兰塑主堑塞皇堂垡迨塞 蔓! 璺要 乏l = 警耋 釜 盏酱 镁 囊 墨 靼 岬 n 圃 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 ，车轮 图2 7 轮对组成 2 3 3 中央悬挂装置 巴基斯坦铸钢转向架采用一系中央悬挂，包括弹簧和减振器。 每台转向架由1 4 组内外不等高双卷螺旋圆弹簧组成。通过圆脐与侧架 和摇枕定位。其中4 组弹簧上有4 个摩擦楔块，摩擦楔块的斜面部分嵌入摇 枕的楔块槽中，两竖直面紧贴侧架的立柱磨耗板。斜楔减振器为变摩擦力， 其大小与载荷成正比。斜楔主摩擦面与侧架立柱铅垂面的角度为2 。3 0 ， 副摩擦面与水平面成4 5 。，与摇枕斜面相配，组成两对摩擦副。 空车时，外圆弹簧受力，压缩1 7 r a m 左右。此时每组外圆弹簧的垂直刚 度为2 9 0 n r a m 。内圆弹簧比外圆弹簧低3 2 m m ，重车时，内、外弹簧共同承 载，其垂直刚度为6 3 5 n m m ，减振弹簧高于外圆弹簧5 m m ，一方面，它可 为空车提供较大的相对摩擦系数；另一方面，在车辆运行磨耗后，因斜楔与 摇枕、侧架配合松驰而起到补偿作用，以保持转向架良好的动力学性能。 2 3 4 基础制动装置 巴基斯坦铸钢转向架采用的基础制动装置和我国传统三大件转向架基础 制动装置一样，如图2 8 所示。为单侧滑槽制动。制动梁为槽钢弓形制动梁 亘鲢通大学硕士研究生学位论文第15 页 组焊结构。制动梁的两端为闸瓦托，闸瓦托的一侧铸有与侧架间隙配合的滑 块。为避免滑块与侧架的直接磨耗，在滑块的外侧铆有材质为含油尼龙的耐 磨套，且便于以后更换，延长其重复使用次数。为解决制动梁强度不足，经 有限元分析，对薄弱部位进行局部加强。闸瓦为中磷铸铁闸瓦。基础制动装 置中各套、销为奥一贝球铁衬套和配套4 5 号钢耐磨圆销。 列车制动时，制动缸压力传至转向架需放大，称之为转向架制动倍率。 本文研究的转向架基础制动装置的制动倍率为5 6 。 图2 - 8 基础制动装置 2 4 本章小结 本章对巴基斯坦铸钢三大件转向架结构进行了设计，全面阐述了转向架 的总体构成和各部件的结构及其特点。给出了该转向架的基本参数和主要尺 寸，为以后的动力学分析计算和部件强度分析打下了基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章货车转向架动力学模型 本章根据第2 章介绍的出口巴基斯坦货车转向架的结构形式，建立相应 的动力学仿真模型”“”“2 “”1 ，导出车辆的运动微分方程，并介绍车辆动力学 的计算内容。 3 1 车辆动力学模型 车辆系统是一个复杂的多刚体系统，它通过悬挂装置和减振装置将各刚 体连接起来。三大件货车转向架采用轴箱导框式结构和中央一系悬挂方式， 每辆车由车体和两台结构性能参数相同的二轴转向架组成。对车辆系统进行 动力学性能计算时，忽略车辆与车辆间的相互影响，将单辆整车作为研究对 象。根据转向架的结构特点，在建立动力学模型时作如下假设： ( 1 ) 车体、侧架和摇枕、轮对均视为刚体，即忽略各部件的弹性变形； ( 2 ) 车体、转向架结构对称； ( 3 ) 横向运动和纵向运动为弱耦合； ( 4 ) 不考虑钢轨的弹性变形。 在忽略各部件本身的弹性变形的条件下，巴基斯坦货车转向架车辆可视 为复杂的多刚体、多自由度系统来处理。其动力学计算模型如图3 - 1 所示。 计算中取车辆的自由度如下： ( 1 ) 车体：横移、浮沉、摇头、侧滚和点头： ( 2 ) 摇枕：摇头； ( 3 ) 侧架：横移、摇头和点头； ( 4 ) 轮对：横移、摇头； ( 5 ) 在曲线通过计算中，考虑轮对的扰动角速度。 车辆系统自由度选取的具体情况如表3 - 1 所示。 由于铁道机车车辆是一个非线性较强的多体系统，故在动力学模型中考 虑了以下非线性： ( 1 ) 轮轨接触几何非线性。 计算中采用l m 磨耗型踏面和6 0 k g m 钢轨相匹配： ( 2 ) 轮轨蠕滑非线性。 计算中先按k a l k e r 线性蠕滑理论确定轮轨间蠕滑力和蠕滑力矩，然后再 用j o h n s o n v e r m e u l e n 理论进行修正； 亘直童遥大学硕士研究生学位论文第17 页 1 1 ) 、l 一二f 】l 一 ? 乙 v v 砸 两广、f 一、 l 。 f i 厂丁、 n 瓢 垫抄 ll 五一 副 辎 琳 l k 外 r 需 n 匝 。滴爿强蚪。 嬲一 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 f 3 ) 悬挂非线性。中央悬挂采用两级刚度弹簧特性本身就具有非线性。 此外由于侧架与承载鞍之间有横向及纵向间隙，当两者相对位移达到容许间 隙时，轴箱连接刚度增加。变摩擦减振器的摩擦力与楔块弹簧的反力直接相 关，楔块弹簧的反力一旦变化，应及时求出相应的摩擦力。摩擦减振器的摩 擦力的方向随侧架和摇枕的相对运动速度方向的变化随时变化。在摇枕和车 体之间存在摩擦力矩，其方向随摇枕与车体的相对转动速度方向的变化随时 变化。 表3 - 1车辆系统自由度的选取 运动形式 自由度 分离体扰动角 横向垂向侧滚点头摇头菱形 速度 前转向架前轮对y 。i华1 w l 前转向架后轮对y w 2吼2 ： 后转向架前轮对_ y 们 压 后转向架后轮对y w 4擘k 4 。 前转向架左侧架 农l _ y f l姥1 前转向架右侧架织1 月 后转向架左侧架略2 y j 2热2 扎 后转向架右侧架丸2 r 前转向架摇枕 酿l 后转向架摇枕 岛2 车体虬z c眈纯霞 3 2 车辆系统零部件受力分析 为便于分析和计算，将车辆系统分离为若干子系统，分别进行受力分析。 3 2 1 轮对受力分析 轮对受力分析如图3 - 2 所示【1 5 1 ”。 图中 。、作用于轮对上的轴箱悬挂纵向力； 西南交通大学硕士研究生学位论文弟! 皇耍 、。作用于轮对上的轴箱悬挂横向力 、作用于轮对上的轴箱悬挂垂向力 图3 2 轮对受力分析图 吃、左右轮的纵向蠕滑力； 疋一一一左右轮的横向蠕滑力； 蝇。、，左右轮的纵、横向蠕滑力矩； 。氓左右轮接触点的正压力； 睨轮对质量。 3 2 2 侧架、摇枕受力分析 根据三大件转向架结构特点，左右两侧架可以独立地垂向和点头运动， 但两侧架同时横移及摇头。摇枕和侧架一起菱形变形和摇头，摇枕和车体 起浮沉、横移，摇枕可单独侧滚。侧架受力情况如图3 3 ，摇枕受力情况如 图3 4 。 图3 3 中：，k 舻，k + 、f k 。、c 。左、右侧架轴箱纵向悬挂力； ，k ”、，、，k w 、，。左、右侧架轴箱横向悬挂力 西南交通大学硕士研究生学位论文第加页 州、，二，、，二w 、，二。l r - - 左、右侧架轴箱垂向悬挂力； 中央悬挂横向力( j = 1 ，2 ) 、一中央悬挂垂向力( j = 1 ，2 ) ； - i l r j 一 ：弧望列 i + 1 lf = = = = = = = 二二= 二刁 - i v j 1 。 ( 1 ) 前转向架 a 轴箱悬挂垂向力 左侧架 。= 一 右侧架 = 一。 式中i 为第f 位轮对 b 轴箱横向悬挂力 左侧架 右侧架 c m = 一 ( 扣1 , 2 ) m = 一 ( i = 1 , 2 ) c 轴箱悬挂点头力矩 左侧架 m ，帮u = 一( ，k 2 。一c 。，。) ， ( f = 1 ，2 ) “= 1 ，2 ) ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 右侧架 m 硝1 r = 一( ，二2 r 一，二l r ) ，l d 同一转向架两侧架上的轴箱悬挂摇头力矩 m p 西l2 一m p 纠一m p p 2 m l = 一( 2 + 2 r 一旷i ) f e 中央悬挂垂向力 左侧架f 二。= - k 。【z 。一z 。一皖。6 1 右侧架，二l = k ：m z 。十晚i b i 式中2 五中央悬挂横向跨距； k 中央悬挂垂向刚度： z 。前转向架左侧架质心垂向位移， z “= 0 + z 2 + 6 1 吼l + 6 l 吼2 ) ： ：。前转向架右侧架质心垂向位移， z r2 ( ：。l + ：。z b t 氏l b l o m ) z ，车体质心垂向位移： 以摇枕侧滚角； 2 ，固定轴距。 f 中央悬挂横向力 只。i = j o j ，l y 。一见 式中移车体摇头角： 2 车辆定距； y 。前转向架两侧架质心横移量， y ，。：委( y 。+ y 。：) ： f l = j ( y 州+ y w 2 ) 。 k ，中央悬挂横向刚度。 ( 2 ) 后转向架 a 轴箱悬挂垂向力 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 一l o ) ( 3 一1 1 ) 左侧架 右侧架 f t2 一f 嘶i f 口r2 一f m ( 江3 ，4 ) ( f = 3 ，4 ) b 轴箱悬挂横向力 左侧架，矗= 一，赢( 扛3 ，4 ) 右侧架，赢= 一。 ( f _ 3 ，4 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 一1 3 ) ( 3 一1 4 ) ( 3 1 5 ) c 轴箱悬挂点头力矩 左侧架 m ，孵2 = 一( f k 。一f 二，。) ， ( 3 1 6 ) 右侧架 m ，蚵2 = - ( 。一，二，r y 。 ( 3 - 1 7 ) d 同一转向架两侧架上的轴箱悬挂的摇头力矩 m p 弗22 一m p 蚰一m p ( 3 1 8 ) m ，：2 一( c +