（车辆工程专业论文）357t轴重货车转向架的研制.pdf

摘要 摘要 随着铁路重载运输的发展，提高车辆轴重增大单车载重，是世界重载运输国家采取 的主要技术措施，美国铁路约6 5 的货车采用2 9 8 t 轴重，大量采用3 2 4 3 t 轴重，部分 采用3 5 7 t 轴重；澳大利亚重载线路轴重已经提高到3 5 7 t ，并逐步应用4 0 t 轴重货车； 巴西卡拉齐斯重载铁路的轴重已经达到3 优；南非重载运煤铁路轴重达到2 6 t ( 窄轨) ， 重载矿石铁路轴重已经达到3 0 t ；瑞典重载铁路已将轴重由2 5 t 提高到3 0 t 。我国迄今为 止的最大轴重为2 5 t ，轴重偏低制约我国重载运输的进一步发展，因此研制3 5 7 t 轴重转 向架积累大轴重转向架的设计经验，为设计我国大轴重转向架打下坚实的技术基础，具 有重大的现实意义。， 本文首先介绍了国外重载货车转向架的种类、结构特点及应用，同时从悬挂系统原 理和承载方式等方面，重点论述了大轴重货车转向架保证低速重载的运用条件而采用的 设计原理，- 提出研制3 5 7 t 轴重转向架的技术路线；然后，论述了研制3 5 7 t 轴重货车转 向架的基本原理和结构；最后，对3 5 7 t 轴重货车转向架结构参数进行了设计优化，实 现其可靠性定性设计；并采用可靠性设计中的模拟方法设计对货车转向架进行了多工况 下的动态性能模拟和关键零部件的动、静强度分析，最终完成了3 5 7 t 轴重货车转向架 的设计。 通过线路动力学试验，本文设计的3 5 7 t 轴重货车转向架的各项指标均能满足运用 要求，实现了我国自行设计转向架的批量出口发达国家，同时为我国设计大轴重转向架 积累了经验。 本文的研究成果对提高我国大轴重货车转向架的设计水平具有重要意义。通过实际 运用考验表明转向架性能稳定，各零部件可靠，填补了我国3 5 7 t 轴重转向架的空白， 是我国大轴重转向架设计的突破。 关键词：大轴重货车转向架；可靠性设计；动力学性能分析；动、静强度分析 入还父j e i 入宇i 样帧十亍1 市论文 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fr m l w a yh e a v y h a u lt r a n s p o r t a t i o n ，t oi n c r e a s et h ea x l el o a da n dt h e l o a d i n gc a p a c i t yo ft h es i n g l ev e h i c l ei so ft h ek e yt e c h n i c a lm e a s u r e m e n tt ob et a k e na m o n g w o r l dh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o nc o u n t r i e s i nu s a ，t h ea x l el o a df o ra b o u t6 5 r a i l w a yf r e i g h t w a g o n sh i t s2 9 8 t ，3 2 4 3 ta x l el o a dh a sb e e na p p l i e d t om a n yw a g o n s ，t h ea x l el o a do fs o m e w a g o n sr e a c h e s3 5 7 t ；i na u s t r a l i a , t h ea x l el o a df o rh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o nw a g o n sh a sb e e n e n h a n c e dt o3 5 7 t ，4 0 ta x l el o a df r e i g h tw a g o n sg r a d u a l l ya r eu s e da l s o ；i nb r a z i l ，t h ea x l el o a d o ft h ef r e i g h tw a g o ni su pt o3 0 t ；i ns o u t ha f r i c a , t h ea x l el o a do ft h ec o a lh e a v yh a u lf r e i g h t w a g o nr e a c h e s2 6 t 谢t 1 1n a r r o wg a u g e ，a n dt h a to ft h ei r o no r ew a g o ni s3 0 t i ns w e d e n ，t h ea x l e l o a do fh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o nh a sb e e nc h a n g e df r o m2 5 tp r e v i o u s l yi n t o3 0 tn o w ；w h i l ei n r u s s i a , 2 3 5 ta x l el o a dh a sb e e np o p u l a r l yu s e df o rr a i l w a yf r e i g h tw a g o n s ，r i g h tn o wb e i n g i n c r e a s e dt o2 7 t ，a n d3 0 ta x l el o a db o g i ei su n d e rt h ew a yf o rd e v e l o p m e n ta n dd e s i g n t h i se s s a yf i r s t l yp r e s e n t st h et y p e ，t h es t r u c t u r ef e a t u r ea n da p p l i c a t i o no ft h eh e a v yh a u l b o g i ef o rf r e i g h tw a g o n si nf o r e i g nc o u n t r i e s ，m e a n w h i l e ，d e s c r i b e st h ed e s i g n 。p r i n c i p l eo ft h e l a r g ea x l el o a df r e i g h tw a g o nb o g i et a i l o r i n gt ot h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o no fl o ws p e e da n dh e a v y h a u lf o c u s i n go nt h es u s p e n s i o ns y s t e mp r i n c i p l ea n dt h el o a db e a r i n gm e t h o d ，a n df o r w a r d st h e t e c h n i c a lo r i e n t a t i o no f3 5 7 ta x l el o a df r e i g h tw a g o nb o g i ef o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ；t h e n i l l u s t r a t e st h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo f3 5 7 ta x l el o a df r e i g h t w a g o nb o g i e a tl a s t ，t h e d e s i g no p t i m i z a t i o ni si n t r o d u c e dc o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f3 5 7 ta x l el o a df r e i g h t w a g o nb o g i es oa st oa c h i e v et h er e l i a b l ed e s i g n ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c es i m u l a t i o nu n d e r m u l t i p l ec a s e sa n dd y n a m i c & s t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i so fk e yp a r t sw e r ec a r d e do u ta sw e l lw i t h s i m u l a t i o na p p r o a c ho ft h er e l i a b l ed e s i g no nt h i sb o g i e ，f i n a l l yd e s i g no f3 5 7 ta x l el o a df r e i g h t w a g o nb o g i ew a sc o m p l e t e d n l et r a c kd y n a m i ct e s th a sp r o v e dt h a tv a r i o u si n d e xo ft h ed e s i g n e d3 5 7 ta x l el o a df r e i g h t w a g o nb o g i ec a ns a t i s f yt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t , a l s oa c c u m u l a t et h ee x p e r i e n c eo f d e s i g n i n gt h el a r g ea x l el o a db o g i ef o rc h i n ar a i l w a y s t h ea c h i e v e m e n t sa sd e s c r i b e di nt h i se s s a ya r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o re n h a n c i n gt h e d e s i g nl e v e lo fl a r g ea x l el o a df r e i g h tw a g o nb o g i ei nc h i n a 。t h ea c t u a ls e r v i c ei n d i c a t e st h a tt h e b o g i ee n j o y si t s e l fw i t hs t a b l ep e r f o r m a n c e ，r e l i a b l ep a r t s ，w h i c hi so ft h eb r e a k t h r o u g hf o r d e s i g no fl a r g ea x l el o a db o g i ei nc h i n a k e yw o r d s ：l a r g ea x l el o a df r e i g h tw a g o nb o g i e ；r e l i a b l ed e s i g n ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e a n a l y s i s ；d y n a m i c & s t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i s n 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留：使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整窒通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为：太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权盍董交通杰堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者鲐勺也j ，锄张石1 唐叫辄 日期：多溯年以月- 4 日 日期：刎年，月乒，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作槲：勺轰丁， 日期： 2 0 0 8年方月- v 日 绪论 绪论 随着世界经济的发展，近年来铁路重载运输在美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴 西、俄罗斯等国家得到了长足的发展，欧洲国家德国、法国、瑞典、挪威等国j 下在采用 重载运输技术，作为重载运输的关键技术转向架的轴重不断提高，各国相继研发出大轴 重货车转向架，提高单车载重，通过开行万吨列车提高运输效率，转向架的形式主要以 铸钢三大件转向架为主，同时采用了相关配套技术。我国2 0 0 4 年1 0 月在大秦线开行了 万吨煤炭单元列车，拉开了我国重载运输的序幕，2 0 0 6 年4 月在大秦线成功开行了两万 吨煤炭单元列车，使我国重载运输得到了进一步发展，但我国迄今为止的最大轴重约 2 5 t ，轴重偏低制约我国重载运输的进一步发展，因此研制3 5 7 t 轴重转向架积累大轴重 转向架的设计经验，为设计我国大轴重转向架打下坚实的技术基础，具有重大的现实意 义。 下面对各国重载货车转向架和重载运输的现状进行简要介绍。 a ) 美国 美国铁路对其重载货车转向架从1 9 7 4 进行“转向架设计优选计划”( t r u c kd e s i g n o p t i m i z a t i o np r o j e c t ，简称t d o p ) 。该计划分为三个阶段，第一阶段试验研究通用货车 转向架，第二阶段是专用货车转向架，第三阶段是关于车体支撑系统的总体研究l l j 。 第一阶段以a s f 慰d ec o n t r o l 转向架和b a r b e rs 2 c 转向架( i 型) 及其改进方案 为对象进行大量试验，简要的结论是：( 1 ) 三大件转向架空车蛇行临界速度为8 0 - 9 0 k m h ， 重车为1 2 5 k m h ；采用横向联系梁，增大心盘阻力矩，采用常接触旁承等均有利于提高 蛇行临界速度；降低弹簧刚度和减振阻尼稍能减小垂向振动加速度，但降低侧滚共振临 界速度。( 2 ) 影响曲线通过的因素有：心盘回转阻力矩、构架正位刚度、线路扭曲率 及曲线通过限速。( 3 ) 车体一转向架的最佳配合为：钢对钢大心盘、常接触旁承及承 载鞍的纵向控制i l j 。 第二阶段对7 种新型转向架( i i 型) ( d r e s s e rd r 1 导向臂径向转向架、b a r b e r s c h e f f e l 轮对自导向径向转向架、d e v i n e s c m e s 车体导向径向转向架、n a t i o n a ls w i n gm o t i o n 转 向架、m a x i f i d e1 0 0 转向架、a c ff a b r i c a t e d 焊接构架转向架、a l u s u i s s e 铝质铰接式转 向架【2 1 ) 进行试验研究。从横向稳定性、曲线通过、运行品质( 横向、垂向) 横轨道适 应性对转向架进行动力学性能评价。同时，还对转向架的制造、运用和维修成本进行经 济分析。综合分析表明：( 1 ) 在横向稳定性方面，比前两种转向架改善不大。除了s w i n g m o t i o n 转向架之外，其余改进型的三大件式均未能使空车蛇行临界速度提高到9 6 k m h 以上。整体构架转向架空车临界速度最高为1 0 5 k m h 。但这些转向架使重车运行于 人迕交通入学i 科硕十学位论文 1 2 5 k m h 的加速度均方值( r m s ) 降低到01 9 以下。( 2 ) 径向改进( 台三大件及整体 构架) 方案在各种小半径曲线上的横向阻力和脱轨系数( l v ) 值均较原型转向架小。 ( 3 ) 运用表明，径向( 自导向或迫导向) 转向架只有在小半径、曲线多( 曲直比值超 过1 ) 、年运行公单数多( 超过8 1 0 k m ) 的情况下才能发挥优越性吐 因1 l 型转向架比i 型增加成本5 0 ，近年来，除了提出结构更简单、成本更低的侧 架交叉支撑转向架方案之外，美国a s f 公司基于研究转向架在直线轨道上的对中性， 提出了r i d e m a s t e r 型转向架设计，即在三大件转向架的承载鞍上安装了弹性挚，控制较 小的制造误差，保证转向架正确的初始对中，并提供弹性支承，在运用中起到自导向和 对中作用。 现美国采用的转向架的型式以r i d ec o n t r o l 、b a r b e r 和部分s w i n gm o t i o n 转向架为主。 圈1a s f 运动控制型转向架 f i g1 a s fs u p e rs e r v i c er i d e m a s t e rb o g i e a s f 运动控制型转向架( s u p e rs e r v i c e r i d e m a s m r ) 见图1 ，是由g r i f f i n 车轮公司、 a s f k e y s t o n e 公司和b r e n c o 公司组建的a m s t e d 铁路集团研制成功的，该转向架轴重 3 24 3 t 是满足总负荷1 2 97 t ( 2 8 6 0 0 0 1 b s ) 车辆，符台a a rm 一9 7 6 规范要求的转向架。 绪论 该转向架的主要结构为：在轴承与侧架采用转向挚和p e n n s y 承载鞍；常摩擦减振系统 改为变摩擦减振系统；加宽了斜楔的主摩擦面的宽度；采用了大行程的常接触弹性旁承； 新设计了中央弹簧悬挂系统，适应空、重车的不同弹簧挠度的需要；采用a a rm 9 2 6 要求的k 级( 6 1 2 9 ) 轴承【4 1 。 r i d e m a s t e r 与r i d ec o n t r o l 转向架比较的优点为： 弹性垫的弹性定位作用可线性控制轮对以较小的力进入曲线，改善曲线通过性 能，减少滚动阻力，同时可有效地减少侧架导框顶面、止挡、承载鞍上面和承载鞍止挡 的磨耗。 解决了控制型转向架常摩擦减振系统无法满足空车和重车对阻尼和弹簧挠度不 同要求的矛盾。 保持了控制型转向架利用宽斜楔的主摩擦面，提高了侧架和摇枕之间的控制能 力。 常接触弹性旁承的采用，提高了对空车车体摇头运动的控制能力，改善了空车 的动力学性能。 b a r b e r 公司研制的分体式斜楔的和带承载鞍垫的b a r b e rs 一2 h d 型转向架，轴 重3 2 4 3 t ，也是满足总负荷1 2 9 7 t ( 2 8 6 0 0 0 1 b s ) 车辆，符合a a rm 9 7 6 规范要求的转 向架l5 。 如今美国铁路轴重2 5 t 、载重7 0 t 的2 2 0 型货车已经淘汰；轴重2 9 8 t 、载重9 0 - - 一l o o t 的2 6 3 型货车在大量使用，多为上世纪生产，允许增载1 0 使用；新造车辆以轴重3 2 4 3 t 、 载重ll o t 的2 8 6 型货车为主；发展轴重3 5 7 t 、载重1 2 0 t 的3 1 5 型货车是美国重载运 输发展的下一个目标，2 0 0 0 - - 2 0 0 4 年该型货车在t t c i 的h t l ( 重载试验环线) 进行运 用考验，2 0 0 5 2 0 0 6 年在少量的矿石车中应用【引。 b ) 加拿大 加拿大铁路重载货车的矿石车全部采用标准控制型转向架；煤车主要采用b a r b e r s 2 型交叉支撑转向架见图2 ，部分货车采用在b a r b e rs 2 型基础上开发的a r 2 ( 或 d r 2 ) 型转向架。车轮直径为9 1 5 m m 的车轮i 但2 9 8 t 、3 2 4 3 t 轴重货车均采用61 2 ” 1 2 ”的轴承。 人连交通人学【程硕十学扭论文 幽2b a r b e rs 一2 型交义支撑转向架 f i g2b a r b e rs 2f r a m eb r a c e db o g i e 加拿大q c m 公司矿石线：金长4 1 6 k m ，轨距为1 4 3 5 m m ，该线路虽小曲线半径8 】86 m ( 7 。) 采用6 74 k m 钢轨，设计轴重2 98 t ，实际允许超重至3 4 t 。空车最大上坡道 坡度为1 35 ，重车最大上坡道坡度为4 o 。2 0 0 1 年开始开行两万吨重载矿石列车，年 运量一般在2 5 0 0 2 6 0 0 万吨之间，最大年运量为3 2 0 0 万吨。正常情况下，每天运行25 对重载列车，周转时问约15 天，重车运行需1 0 小时3 0 分，列车运行速度约6 0 6 5 k n f f h 。 列车采用动力集中牵引，山2 3 台a c 4 4 0 0 犁机车和1 6 0 辆轴重2 98 t 的矿石车组成， 列车长度17 k m ，车辆总重1 9 0 7 2 吨，平均年运行罩程1 2 8 玎公里。 加拿大c p 公司的重载运煤线：从煤矿至温哥华港几1 1 3 6 k m 长，轨距1 4 3 5 m m ， 最小曲线半径4 9 83 m ( 1 15 。) ，全线均采用6 74 k g m 钢轨，设计轴重2 9 8 t ，线路最 大坡度为2 2 o 。1 9 6 8 年开始开行重载列车，现共有全钢敞牟及钢浴盆敞车1 2 7 5 辆、铝 合金浴搞敞车1 2 4 0 辆。重载列车由2 3 台机车和1 2 4 辆铝台会运煤敞牟( 或】1 5 辆争 钢敞车) 组成，列午牵引车辆的重量分别为1 6 0 8 2 t ( 或1 4 9 1 5 t ) ，最高运行速度8 0 k n l _ h 。 每天歼行4 对列车，列车周转时间为3 天，每年走行1 6 万公罩。 c ) 浸入利哑 澳大利弧重载运输的主型转向架为r i d e c o n t r o l 转向架，该转向架在b h p 公司、 力拓矿石公司大量采用，轴重为2 98 t 、3 2 5 t 、3 57 t 等，车辆的运行速度为空车7 0 k m h ， 重车8 0 k r n h 。 澳大利亚b h p 公司的是世界最大的铁矿石生产公司，其铁路子1 9 6 9 年丌始运营t 起初铁路的设计运量为每年运输8 0 0 月t 铁矿轴重3 0 t ，然而在1 0 年内运量提高到4 0 0 0 万吨，目前的年运量已接近f 亿吨。造成车轮与钢轨严重的磨耗，干扰正常的生产和影 响效益，b h p 铁矿公司加强车轮、钢轨的管理和控制采用高硬度、低应力设计的车轮 和g 级轴承，开发检测系统，使车轮性能得到持续监测，监测可能导致轨道或车辆维修 过程中的磨损变化，或材料特性的变化1 7 1 。 b h p 有两条铁路线连接矿山与港口，用于铁矿石运输。目前每天开行2 对3 对列 车，列车编组3 0 0 3 3 6 辆，列车重量约45 万吨，采用多机车分散动力牵引。b h p 曾 创下世界最重列车已录：6 8 2 辆车，长7 3 5 3 m ，列车总重9 9 7 3 2 万t ，载重82 2 6 5 万t ， 8 台g e a c 6 0 0 0 分散动力( 分成5 组) 机车牵引，1 名司机操作驾驶。 b h p 公司通过采用新技术和使用最新研究的成果，各项技术经济指标均得到大幅度 提高，车辆轴重从1 9 7 0 年的2 85 t 提高到目前的3 75 t ，车辆载重从1 9 7 0 年的8 9 t 提高 到目前的1 2 6 t ，车轮寿命从1 9 8 0 年的3 4 万t k r n 提高到2 0 0 4 年的1 8 6 万t k m ，钢 轨寿命从1 9 8 0 年的运载3 5 万i 提高到目前的2 0 0 万t ，平均列车编组从1 9 7 2 年的1 3 1 辆提高到目前的3 1 2 辆，机车吨油耗从1 9 8 7 年14 5 l 降低到2 0 0 3 年的0 6 8 l 。b h p 公 司令后的目标是：继续重视安全，提高效益，采用更大的轴重，列车实现“恒速控制”， 采用电e c p 电空制动机并增加运量 g l 。b h p 公司研发重点在以下4 个领域：轮轨关系， 提高轴重，列车长度和周转时间，关键部件寿命1 9 i 。 d ) 南非 南非铁路货车转向架6 0 为s c h e f f e l 转向架，其型号分别为m k 1 1 1 ，i v ，v ，型 见图3 ，2 0 为b a r b e rs - - 2 型交叉支撑转向架，2 0 为标准b a r b e r 型转向架。南非铁路 货车多数采用直径为9 1 5 m m ( 3 6 ”) 的车轮，少数采用直径为8 6 3 m m ( 3 4 ”) 的车轮。 2 0 t 轴重货车采用6 ”1 i “轴承，2 6 t 轴重货车采用6 1 2 ”1 2 ”轴承。 图3 搬一v 型谢菲尔转向架 f i g3 龇vs c h e f f e lb o g i e 2 0 世纪7 0 年代，南非建成了2 条重载运输线矿石线，将塞申的铁矿石运至8 6 0 k m 外的萨尔达尼亚港；煤炭线，将东部煤炭运输到6 0 0 k m 外的理查兹贝l i 。 大连交通人学i ：稃硕十学何论文 矿石线路：提高运输能力的方法增加单车载重，2 0 0 0 年将车辆的轴重由2 6 t 提高到 3 0 t ，车辆载重有8 5 5 t 提高到1 0 0 t ；提高列车牵引重量，现每列车为2 1 6 辆总重1 2 0 t ； 下一步的重点研究工作：提高运输效率，矿产、铁路、港口的综合供给链配套；线路故 障诊断手段、维修率控制和智能维修；现存问题的深入研究，找出解决方案，例如开发 2 5 k m 内探测钢轨断裂的声音探测剁l l 】。 煤炭线路：提高运输能力的方法增加单车载重，车辆的轴重由1 8 5 t 提高到2 0 t 、2 6 t ， 车辆载重有8 5 5 t 提高到1 0 0 t ；提高列车牵引重量，列车编组数量从8 4 辆提高到2 0 0 辆； 下一步的重点研究工作：货车维修体制的改进，车辆、基础设施的故障诊断；配备车辆 自动辨认系统( a v i ) ，可监测不同车辆和相关的运煤量，将监控系统、列车操作、商 业管理等功能进行系统集成；改善列车动力学性能，提高车轮、车钩、牵引装置、制动 系统的寿命和可靠性；更新和升级机车、改善轨道结构、更换钢轨，使用轨头硬度更高 的l h t 钢轨【1 0 】。2 0 0 6 年6 月在s p o o m e t ( 南非铁路) 从埃尔默洛理查兹海岸运煤电 气铁路线上编组2 0 0 辆的列车安装了e c p ，包含了缆接动力分配控制系统，由前后端机 车控制【12 1 。 e ) 巴西 巴西重载运输1 6 0 0 m m 轨距转向架以控制型转向架为主，少量b a r b e r 转向架、摆式 转向架、交叉支撑转向架，平均轴重3 1 5 t ( 2 9 8 t 、3 2 5 t ) ，最高运行速度7 5 k m h ；1 0 0 0 m m 轨距转向架以控制型转向架为主，部分b a r b e r 型转向架，轴重2 5 t ，最高运行速度空车 6 5 k m h 、重车5 0 k m h 。 巴西的重载铁路主要由c v r d 公司经营，c v r d 公司向世界出口矿石、粮食，进 口化肥、钢铁等，承担着境内工农业产品的运输。拥有的1 6 0 0 m m 轨距的铁路，从西部 的矿区到圣路易斯港，全长8 9 2 公里，钢轨为6 8 k g m ，现有机车1 1 3 台，货车7 0 8 7 辆， 主要车型是g d t 宽轨矿石车、h f t 宽轨粮食漏斗车；拥有的1 0 0 0 m m 轨距的铁路，从 西部的矿区到维多利亚港，全长约9 0 5 k m ，钢轨为5 7 k g m 、6 8 k g m ，现有机车3 0 0 台， 货车1 6 9 8 3 辆，现主要车型是g d e 米轨矿石车、h f e 米轨粮食漏斗车；g d e 矿石车专 列一般编组2 4 0 辆，最多编组3 2 0 辆1 1 3 】。 f )俄罗斯 俄罗斯轴重在1 9 8 2 年以前为2 2 t ，从1 9 8 8 年起为2 3 5 t ( 欧洲铁路轴重1 9 8 5 年位 2 2 5 t ，现正在研制2 5 t 轴重的货车) 。近几年的铁路货车的设计规划为：研发轴重2 5 t 、 构造速度1 2 0 k m h 的通用货车运输大宗散装和堆装货物；研发轴重3 0 t 、构造速度 1 0 0 k m h 的运输专用线路使用的专用货车；研发轴重2 0 t 、构造速度1 4 0 k m h 的快速平 6 车。运输效率提高：轴重2 5 t 提高为l 1 3 ：轴重3 0 t 提高为3 0 3 2 。采用大轴重货 车机车的燃油消耗降低15 车辆的检修时间降低1 6 【1 “。 俄罗斯新设计转向架1 8 1 9 4 的主要结构见图4 。采用常接触弹性旁承：采用两系悬 挂：增加斜楔硬度，提高减振系统减振性能的可靠性；提高车轮钢的纯净度，改变车轮 腹板的形状，提高踏面硬度到( 3 2 0 3 6 0 h b ) ；磨耗部位增加磨耗挚；转向架摇枕、 侧架的疲劳安全系数取2 。 幽41 8 1 9 4 转向架 f i g4 1 8 1 9 4b o g ie 俄罗斯重载运输的发展，1 9 8 5 1 9 8 9 年在4 0 0 0 公晕长的线路l 开行了6 0 0 0 t 的列 车：1 9 8 5 1 9 8 9 年期| b j 采用动力分散控制的方式进行了2 4 0 0 0 t 和4 2 0 0 0 t 的重载列车运 行试验，1 9 8 6 年2 月进行了由4 4 0 辆煤炭漏斗车组成的总重4 2 0 0 0 t 的重载列车试验， 列车全长6 5 k m ：2 0 0 0 2 0 0 1 年期白j 在8 0 0 0 k m 长的线路卜进行了9 0 0 0 1 的列车运行试 验；2 0 0 2 年6 0 0 0 t 的列车运营单程增加到1 5 0 0 0 k m i2 0 0 4 年在长度为2 0 0 0 k m 的线路上 进行了1 2 0 0 0 t 重载列车运行试验，采用动力分散牵引，机车装配了无线电控制牵引系统 i 吼 新型转向架初始技术要求和建设性提议在国家科学研究院和全俄铁路运输科学研 究院制定。除了改善运行性能外，新型转向架应当提高耐磨性和适修性，主要注意的问 题是提高轴箱装置的可靠性和车轮的耐磨性，应当研究小直径车轮的应用问题【】“。 g ) 德国 2 0 世纪未德国铁路丌始策划大轴重网络。市场研究结果认为：重载运输将提高铁 路货运竞争力；潜在的重载通道与路嘲公司现有主要十线相吻合并与国际通道相连接； 重载通道建设可与既有网络改造同时进行。 大连交通人学i ：稗硕十学位论文 德国路网公司拟分两步走以实现重载货物运输。首先从2 0 0 3 年开始，在部分由技 术储备既有线路上开行2 2 5 t 轴重及以上的单元列车；第二步根据u i ce 级标准( 2 5 t 轴重) 以及市场和投资要求，建设2 5 t 轴重重载运输网。 德国铁路重载运输货物主要为铁矿石，车辆采用6 轴液压操作侧开门式敝车，采用 a k 6 9 e 车钩，型号f a a l s l 5 0 和f a a l s l 5 1 。 德国联邦铁路( d b ) 在2 0 0 3 年1 0 月1 同开通从汉堡到扎耳茨吉特铁路线2 5 t 轴 、 重常规运营。线路全长2 0 5 k m ，最大坡度5 0 o o 。单元列车采用f a a l s l 5 1 型货车，编组 4 0 辆，列车质量6 0 0 0 t ，运行速度8 0 k m h ，采用6 轴1 5 1 e 型电力机车双机牵引 ( 2 x 6 3 0 0 k w ) ，每同运营4 列铁矿石车，这是德国联邦铁路在重载运输迈出的第一步。 每年运营货物量达5 ，5 0 0 ，0 0 0 t ! 】。 h ) 瑞典和挪威 n o r d i c 重载运输集团( 简称n h h ) 成立于1 9 9 9 年，拥有m a l m b a n a n 铁路线。m a l m b a n a n 铁路线位于瑞典和挪威北部的长达5 4 0 k m 的单线铁路，在北极圈以北，冬天气候恶劣。 其将铁矿和生产厂家( 位于k i r u n a ，m a l m b e r g e t 和s w a p p a v a a r a ) 与港口和钢厂( 位于 挪威大西洋海岸的n a r v i k 和瑞典波的尼亚海湾的l u l e a ) 连接。第一段线路于1 8 8 8 年 运营，运行1 0 0 0 t 的铁矿石车车列，矿石车轴重为1 i t 。1 9 1 5 年，线路北部成为瑞典第 一条电气化的铁路( 1 5 k v ，1 5 h z ) 。现在，列车包括3 单元电气机车及其拖运的总长为 4 7 0 m 的5 2 辆车( 轴重2 5 t ，矿石运载8 0 t ) 车列。每年运输量为2 0 ，0 0 0 ，0 0 0 t 铁矿石 ( 总2 5 ，0 0 0 ，0 0 0 m g t ) 。 l k a b 矿业公司成立于1 9 9 6 年，从瑞典和挪威国家铁路接管了矿石线的铁路运营业 务。日益激烈的全球竞争( 巴西，澳大利亚，加拿大) 和更高的采矿成本( 地面1 0 0 0 m 以下开采) 迫使l k a b 提高效率。两个国家铁路基础建设管理部门和l k a b 一起于1 9 9 6 - 9 7 对提高轴重至2 5 到3 0 t 结果进行了完整调查。维护成本由l u l e a 科技大学和美国z e t a - - t e c h 咨询公司通过不同方法进行了研究。两项研究都表明，若新造铁路货车的转向架 比现有的运行性能好，维护措施能够提高，则3 0 t 轴重和更长的车列不会很大地增加维 护成本。 i ) 中国 从上个世纪9 0 年代以来，我国通过自主创新、引进消化吸收再创新，相继研制开 发了时速1 2 0 公里轴重2 1 t 的转k 1 、转k 2 、转k 3 、转k 4 型转向架，时速1 2 0 公里轴重 2 5 t 的转k 6 、转k 5 等新型货车转向架。对既有铁路货车采用转k 2 型转向架进行1 2 0 公 里提速改造，揭开了我国铁路通用货车全面提速的崭新一页：装用2 5 t 轴重转向架的7 0 吨级货车的推广应用，实现了我国铁路通用货车载重由6 0 吨级向7 0 吨级、时速由7 0 8 绪论 8 0 k m 向1 2 0 公旱的全面升级换代；装用转k 6 型、转k 5 转向架载重8 0 t 的c 8 0 系列运煤 敞车的应用，实现了大秦运煤专线两万吨编组重载列车的全面开行【l 引。但我国转向架的 最大轴重为2 5 t ，轴重偏低严重制约我国重载运输的进一步发展，研发适应我国需要的 大轴重货车转向架是我国将要开展的工作。 本文的内容安排为：第一章基本理论和结构设计基础，主要3 5 7 t 轴重货车转向架 的基本原理，国内外采取的主要技术措施以及其结构设计基础：第二章方案设计和结构 优化，采用机械可靠性设计中的预防故障设计法借鉴国内外重载货车转向架的成功设计 经验，对3 5 7 t 轴重货车转向架的主要结构特点、技术参数以及结构细节进行了可靠性 定性设计。第三章动力学仿真计算，采用模拟设计方法中的计算机辅助设计法，根据第 二章所述转向架的设计结构与参数，按照铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 ( g b 5 5 9 9 1 9 8 5 ) 的要求，以矿石平车为例，利用动力仿真计算软件n u c a r s 对3 5 7 t 轴重货车转向架进行了动力学性能分析，实现了转向架的可靠性定性设计。第四章关 键零部件的静、动强度分析，根据第三章获得的转向架结构和参数，依据中国、a a r 、 e n 等标准，采用模拟设计方法中的有限元分析法，通过大型有限元分析软件a n s y s 和i - d e a s 对3 5 7 t 轴重货车转向架的关键零部件摇枕、侧架及车轮建立了有限元分析 模型，进行了静、动强度分析，获得了多工况下的关键零部件的应力分布云图和相关数 据，从而实现转向架的可靠性定量设计。最后给出了本文的结论和展望。 9 人连交通人学 ：稃硕十学位论文 第一章转向架设计的基本理论 本章主要介绍了货车转向架的基本原理，国内外采取的主要技术措施以及其结构设 计基础。 货车转向架的结构型式很多，因大轴重转向架要求蛇行运动临界速度不高，转向架 的设计结构多采用铸钢三大件转向架，只有一系悬挂，通过对减振系统的优化设计提高 摇枕、侧架的控制能力，来保证动力学性能的稳定性。3 5 7 t 轴重货车转向架拟采用一系 弹性悬挂、轮对刚性定位的三大件转向架结构型式。 1 1 转向架动力学分析原理 ( 一) 基本假定 为了建立转向架的运动微分方程式，轮对作蛇行运动时需要作如下的假定： ( 1 ) 轮对沿着轨距不变、刚性路基的平直轨道作等速运动； ( 2 ) 车轮连续不断地与钢轨相接触，且轮对的横向位移很小，车轮与钢轨间的蠕 滑符合线性规律； ( 3 ) 假定车体与转向架为弱耦合，因此车体的滚摆及摇头振动对转向架几乎不产 生影响，所以，可以认为车体是处于相对稳定的固定状态，只传递垂直载荷 给转向架； ( 4 ) 假定转向架构架的重心高度与车轴中心线一致，所以侧架侧滚振动的影响可 以忽略； ( 5 ) 无一系悬挂，二系悬挂的特性都是线性的。 ( 二) 运动微分方程 通过以上的假定，可将车辆的蛇行运动简化为一最简单的转向架在理想的平直道上 作等速运动的系统。因此，转向架在水平平面内有6 个自由度，即：每个轮对的横摆、 摇头和旋转运动，转向架侧架的横摆与摇头运动，摇枕的摇头运动。根据图卜1 所示的 具有弹性定位转向架蛇行运动的计算简图，可列出六个自由度的微分方程组如下： l 、2 位轮对横摆运动： f ， v 2 - 、 虬卜+ 石+ 帆1j 一l 一l + l + l + l + l + 帆舯 ( 1 1 ) ，矿2。、 纸【圪z + 乏+ ，札：j 一：一z + ：+ ：+ z + ：+ 心舯姗z 1 、2 位轮对摇头运动： l o 第一章基本理论和结构设计基础 l ：卜，+ y 丢( 寺 一。( l + 吨1 ) ( 6 0 l - q ) = ( 兄，一瓦- ) + 州。( 。+ 吆。一。一- ) + 肘止+ m 肥+ 丸( 一一) + ( 屹- 一- ) ( 1 2 ) l ：p 。：+ y 丢( 去) 一k ( l ：+ 也：) ( 良一? ) = ( 兄：一：) + 州。：( ：+ ：一：一：) + 吮：+ 蚝：+ 丸( ：一：) + 口0 ( ：一：) l 、2 位轮对旋转运动： l y 既，= r 。+ 吃。兄。+ r r l 。( ，+ 。) + - 。( 。+ ，) + m 跏l + a i + 0 l 吃i + 蒯珞l k 既：= 珞：+ ：兄：+ 。：( ，匆：+ 0 ：) + 吃。：( ：+ 耖：) + m 砂2 + m 砂2 + r 厶2 吃2 + 2 r r 2 左右侧架横摆运动： m 兹邶。+ 丢+ ( 蠢+ 瓯) 屯1 = 一c 。帅+ 易t + 易t 础，：+ 丘 m 兹”，：+ 鼍+ ( + 瓯) 也，： = 一邶，：+ 乃t ，+ 肼p + m 侧架摇头运动： 乇卜丢幽础，- 一加砷 厶卜矿y 丢m 舭坤即 屿邶，： 摇枕摇头运动： k 卜一矿丢怯 _ 。一蚝，一- 一以c f x l l l f x t r ! ， 1 1 s e t 2 ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 大连交通大学工程硕士学位论文 m f i l ： 。i t l l a t l l i 卜 广 喜p ，ht ，l j 一 l _ j 。 m w 二m bl b ： 、 ，一一、 ， 。 世u ， 咖8 1 出。1 t 一 1一 下 亨 - 一 蕊，1 i r lr l i 图1 1 具有弹性定位转向架蛇行运动的计算简图 f i g 1 1c a l c u l a t i o ns c h e m ef o rh u n t i n gm o v e m e n to fb o g i ew i t hr e s i l i e n tp o s i t i o n i n gd e v i c e 列出微分方程组后，可通过一系列的数学处理，求得该方程组解的各特征根，然后 根据特征根的实部时正值或负值来判断运动的稳定性【1 0 1 。现将研究蛇行运动稳定性时的 方程符号列表，见表1 1 【1 9 1 。 表1 1 符号表 t a b l e1 1s y m b o l s 序号 方程符号名称 1y 实际运行速度 2 m b摇枕质量 3 m ， 侧架质量 4 f m m 每一轮对的质量 5 i 。v 每一轮对的旋转转动惯量 6k 每一轮对的摇头转动惯量 7 i m 摇枕侧滚转动惯量 8i b ：摇枕摇头转动惯量 9 i 事 侧架点头转动惯量 1