CRH2动车组转向架构架毕业设计论文

1、目 录第 1 章：绪论.11.1 课题研究背景及意义.1-41.2 国内外高速转向架的发展.4-61.3 研究思路及方法.6-7第 2 章：典型高速动车组转向架设计.82.1 日本新干线高速动车组转向架的设计 .9-112.2 法国高速动车组转向架的设计 .11-142.3 德国高速动车组转向架设计.14-17第 3 章：动车组转向架的总体设计.183.1 动车组转向架设计要求 .18-193.2 动车组转向架结构选型设计.19-223.3 构架形式的选择与基本结构确定 .22-233.4 二系悬挂装置的结构确定与选型 .23-253.5 驱动装置结构确定与选型.253.6 基础制动装置结构确

2、定与选型.25-26第 4 章：动车组动力转向架构架强度计算与分析.274.1 模型.274.2 计算载荷值及约束.27-284.3 构架的静强度分析.284.4 构架的疲劳强度分析.28-304.5 本章小结.30第 5 章：焊接转向架构架疲劳强度分析.315.1 CRH2 动车转向架构架.31-345.2 应力计算结果.34-465.3 应力测试结果.36-375.4 疲劳强度评估.37-385.5 本站小结.38第 6 章：转向架载荷分析.396.1 构架载荷系分解方式与载荷测试方法.39-406.2 载荷谱损伤一致性校准 .40-416.3 本章小结.41结论.42致 谢.43参考文献

3、.44CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文1第一章第一章 绪论绪论1.11.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义1.1.1 课题研究背景 从 1998 年我国第一列商用动车组在南昌铁路局运营以来，目前已有几十列动车组奔驰在全国万里铁道线上，成为铁路运输一道亮丽的风景。正如一位铁路资深老专家所说，动车组的运营，不仅为我国中短途客运增加了一种新型的铁路交通工具，更重要的 是它为铁路运输带来了新的活力。动车组虽然在我国真正投入商业运营的时间并不长，但其良好的发展前景已被国内外普遍看好。国外经验表明，除了中长途运输外，在中短途运输、大城市近郊、大城市与卫星城市之间，铁路客运的作用仍然不可忽视。随

4、着我 国城市化进程的持续发展和城市化水平的不断提高，城市的数量不仅要增加，城市的规模也在不断扩大，未来城际间的客运市场潜力巨大。在城市交通体系中，轨道交通以其 用地省、运能大、速度快、节约能源、减少污染、运行经济、安全性好等优点，越来越 受到人们的重视。 据专家预测，未来的城市轨道运输由“地铁+轻轨+市郊动车组”的模式组成，构成一个由内向外、层层分流的立体交通网络。即在市区采用地铁运输，人口相对较少的地区采用轻轨，在城市周围和市郊采用动车组。这种组合的优点是：地铁运量大，可将密集地区的人流迅速分散出去；轻轨车运行时间机动，可灵活应对不确定的客流；市郊出行距离加大，更快速的动车组可大大缩短旅途时

5、间。高速铁路是世界铁路的一项重大技术成就，它集中反映了一个国家铁路牵引动力、线路结构、高速运行控制、高速运输组织和经营管理等方面的技术进步，也体现一个国家科技和工业水平。高速列车在全世界各地的疾速奔驰，现代城轨车辆的飞速发展，无一不与转向架技术的进步发展息息相关。可以毫不夸张地说，转向架技术是“靠轮轨接触驱动运行的现代机车车辆”得以生存发展的核心技术之一。动车组在研制伊始，就确定了“引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”的总体思路。其核心是：坚持“以我为主”，利用并控制中国庞大的市场，掌握技术引进、技术集成、组织研发的主导权，快速实现自我“造血”。其中最典型的例子就是中国南车股份公司成功引

6、进消化吸收了国外时速 200 公里动车组先进技术，迅速形成动车组的国产化批量生产能力。更重要的是，该公司迅速同步实现再创新，完全搭建起了国际先进的高速动车组设计、制造技术平台，于去年年底自主研制出CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文2了中国首列时速 300 公里及以上动车组，在高速动车组领域形成了核心竞争优势。通过一次引进 200 公里技术平台而覆盖更高速度等级产品，实现以较低成本获得最大效益，这其中发挥决定性作用的正是“以我为主”。动车组模式成功的另一个关键因素是举国家之力，集中国内优势资源办大事，形成了对外博弈的相对甚至绝对优势，形成一个声音、一个渠道、一个拳头，将动车组的总成、车体、转

7、向架、牵引变流、牵引变压、牵引电机、牵引控制、列车网络和制动系统九大关键技术尽数“收入囊中”，并且构建了产学研联合的持续研究开发格局。 现阶段我国高速铁路技术正处于飞速发展的阶段，但是受我国铁路技术起步晚、基础研究薄弱、轨道交通学科发展落后这一基本现状的制约，我国高速铁路技术与德国、 法国、日本这些高铁强国还有很大的差距。在经济全球化的背景下，引进国外高速铁路技术发展我国轨道交通系统并于此基础上逐步实现“引进、消化、吸收与再创新”就显得尤为重要。高速动车组就是典型的高铁技术代表之一，为实现高速铁路的跨越式发展，解决我国运输瓶颈与科研的技术难题，2004 年我国开始从日本、德国、法国引进了一批高

8、速动车组并与外方进行联合设计生产，现在我国正在不断消化吸收高速动车组关键技术，并逐步形成我国自主的技术平台。随着列车开行速度的提高，对动车组转向架安全性、舒适性与曲线通过能力也就提出了越来越高的要求。高速转向架的研发设计也就成为高速铁路技术里一项极其重要的子系统，考虑到高速转向架技术以及相对应的轮轨关系是消化吸收再创新的重点，本课题研究内容就是电动车组动力转向架的设计，希望通过本课题的研究加深对高速动车组技术的理解。本课题设计过程主要是通过研究各种典型高速转向架的先进技术，并深入高速动车组生产检修工厂进行实地调研与参观，了解高速动车组转向架的结构组成与装配关系，收集转向架相关设计资料，基于 s

9、olideworks 三维建模软件初步完成对电动车组动力转向架的结构外形设计。此外通过纵横向对比各种典型高速转向架技术，总结出不同的转向架设计思想与设计理念。早在公元 1755 年的英国出现了最早的“火”车，只是当时的火车的动力来源并非内燃或者电力形式而是用马匹来拉火车。公元 1803 年英国人查理-崔维斯克发明的在轨道上行驶的蒸汽机车，时速仅仅只有 4km/h 而已，但是动力来源已经从畜力变为内燃产生的热能驱动，而真正意义上的第一辆火车是由铁路之父-史蒂芬森发明CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文3的蒸汽火车，从此人类的交通历史上又出现了一个新的名词铁路运输。在 19 世纪 30 年代的十

10、几年时间里英国、法国、美国、荷兰、德国、意大利等国家纷纷开始修建铁路，而我国铁路发展起步较晚，直至 19 世纪 70 年代才有了第一条铁路。世界铁路建设在 19 世纪末期达到了一个鼎盛时期，当时世界铁路里程已经达到了65 万公里，而在 20 世纪 20 年代该数据又翻了一番，达到 127 万公里。但是在 20世纪 50 年代，由于汽车制造技术得到改进、高速公路亦大量建成，加上民航的普及，使铁路运输慢慢走向下坡甚至开始跌入低谷，当时的铁路发展已然处于瓶颈状态，当时就有铁路行业必将会是“夕阳产业”的论断，认为在迅速崛起的公路与航空运输的竞争中铁路运输不可能占有一席之地，因为列车速度受到轮轨之间粘着

11、关系的影响，在 20 世纪初前期“最高速率”超过时速 200km/h 者寥寥无几。着眼于传统机车牵引模式下轮轨黏着关系对列车运行速度的制约因素，日本利用动力分布式的列车牵引模式有效的解决了这一问题即动力分散式动车组技术。1964 年世界上第一条高速铁路即东海道新干线正式开行，营运速度为 210km/h，铁路发展进入高速时代。20 世纪 70 年代，受世界能源危机、环境恶化以及交通安全的影响，铁路发展也 遇到了新的发展机遇，而且随着高速铁路与动车组技术的迅速发展，使得高速铁路具有载客量高、输送能力大、正点率高、速度快、安全性好、舒适方便、能源消耗低、环境 影响轻、经济效益好的诸多优势，高速铁路运

12、输又一次进入人们的视线，高速重载成为各国铁路发展的目标。20 世纪 80 年代到 20 世纪 90 年代初期，法国、德国、西班牙、意大利等国家也先后开始发展高速铁路，而日本、法国、德国目前已经成为高速铁路技术的代表性技术。据国际铁路联盟（ UIC）的最新统计，截止到 2010 年 5 月，全世界运营中的高速铁路营业里程总长达 13414 公里，这些线路分布在 14 个国家和地区，由此可以看出发展高速铁路已是当今世界铁路发展的共同趋势。我国也于 1999 年开始建设我国第一条高速铁路秦沈客运专线，于 2003 年10 月 12 日通车运行，设计时速为 200km/h，并于 2008 年开通京津城

13、际高速铁路，最高时速可达 350km/h，我国也正式进入高铁时代。经过 10 多年的高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造，中国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，中国大陆高铁营业里程达 6894 千米，在建高铁 1 万多千米，已成为“世界上高铁系统技术最全、集成能力最强、设计速度最高、运营里程最长、在建规模最大的国家”，中国高速铁路正在推动甚至引领世界高速铁路技术的大发展。CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文41.1.2 课题研究的意义 高速列车是高速铁路的核心, 是集机械、材料、电气、信息和计算机等学科的复杂系统,高速列车的关键技术有动车组总成、车体、转向架、牵引变压器

14、、牵引变流器、牵引电机、牵引控制系统、制动系统、列车网络控制系统。从轨道交通的导向、支撑、牵引和制动的基础特征看,从根本上制约列车速度提升的是转向架技术,因为转向架担当着导向、承载、减振的任务,同时也是牵引和制动最终执行者。转向架决定了动车组的运行品质和安全可靠性,高速转向架技术以及相对应的轮轨关系是消化吸收再创新的重中之重。在各个国家高速动车组技术飞速发展的过程中，从最早的日本 0 系动车组创造的 210km/h 到 1988 年德国的 ICE 高速动车组创造的406km/h，再到 1990 年法国 TGV 高速动车组以 515.3km/h 刷新了世界纪录并于 2007年又以 AGV 高速动

15、车组创造了 574.8km/h 的新世界纪录，列车运行的速度不断地达到新的水平，但是在这个过程中，列车所需的牵引功率也在急剧增加，轮轨动力作用加剧，轮轨黏着关系变差，制动功率的需求也就随之增加，从而对于高速动车组转向架就有了更为严苛的要求，才能保证其安全性、适性与曲线通过能力。目前我国铁路动车组的发展正处在“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的阶段。我们要通过引进国外成熟先进的技术，逐步并尽快实现以跟踪模仿为主向以自主创新为主的深刻转变，但是在技术引进、消化、吸收和在创新的过程中，日本、德国、法国的动车组技术是否适用于中国铁路？我国交流电力机车技术基础性研究时间尚短，从交流传动的电力机

16、车到需要更精密控制的动车组，在技术创新中是否存在设计思维的断层？此外横向比较三大代表性高铁技术，能否在自主创新中突破经典，真正的打造出中国高速铁路技术品牌？这些都是需要我们深入研究探求的问题。 综上所述，高速转向架的自主研发设计或者对已有高速转向架的优化设计对动车组技术的国产化有着极其重要的意义。 该课题着眼于电动车组动力转向架的设计，借鉴国内外的高速转向架的研究成果，立足于我国装备制造业的行业现状，对动车组转向架的自主研发及对引进转向架的国产化适应性研究和优化设计具有深远意义。1.21.2 国内外高速转向架的发展国内外高速转向架的发展1.2.1 国内外转向架的发展历史简述 在轨道交通业发展的

17、初期，转向架主要以铸钢结构或钢板铆焊结构为主, 一系CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文5悬挂主要采用导框式轴箱加板簧, 轴承采用滑动轴承，其中央悬挂采用板簧加摇枕结构, 纵向力通过心盘传递,基础制动为闸瓦踏面制动。随着制造业水平的不断提高与转向架轻量化的新要求下,欧洲国家的客车转向架的构架开始采用焊接结构。为满足更高的运行速度和舒适性的要求,19 世纪 20 年代开始出现有摇动台结构的转向架，20 世纪 50 年代后,盘形制动、磁轨制动和防滑器等装置也陆续在客运列车上得到应用, 为列车运行速度的提高奠定了基础。20 世纪 60 年代空气弹簧开始运用到客车转向架的中央悬挂中，摇动台结构慢慢退

18、出人们的视线，空气弹簧的使用使得列车的动力学性能得到了进一步改善，也使转向架结构更加简单，与此同时客车转向架也开始采用中心销来取代传统的心盘结构，结构得到了进一步的简化。20 世纪 70年代以后,无摇动台、无摇枕和无心盘的客车转向架开始出现,使客车转向架朝着轻量化、模块化、无磨耗、高舒适度的方向发展。我国铁路迄今已经有 100 多年的历史了，自第一条营业铁路即上海吴淞铁路 1876 年通车算起，我国铁路发展也已经走过了 134 年的风雨历程。我国机车车辆装备业也在建国以来的发展中，经过几十年的努力，从小规模发展到大规模，从引进国外技术到自主研发设计，现在已经成为机车车辆出口大国，但是高速转向架

19、的设计研发仍旧起步较晚。20 世纪 90 年代以来，围绕铁路“高速、重载”的需要，我国提速及高速转向架的研发设计才真正开始。1994 年，我国四方厂、长客厂、浦镇厂相继研制出了 206WP、206KP、CW-2、209HS 准高速客车转向架，在广深线动力学试验中最高时速达到了 174km/h，而1998 年起各工厂也相继推出了自己的高速转向架，如 PW-200、CW-200 、SW-200、SW-220K 等。1.2.2 世界典型动车组转向架发展概述 日本新干线转向架技术发展可以概括的分为三个阶段：第一阶段设计重点在于防止 高速行驶的速度区间的蛇行运动，而在此基础上考虑其曲线通过性能，基于这一

20、设计思 想生产的转向架轮对与钢轨摩擦较为剧烈，曲线通过性能不太理想；第二阶段设计重点不再偏向控制蛇行运动或者优化曲线通过性能，而是在重视蛇行运动发生的同时也兼顾 到其曲线通过能力以及轮轨之间的作用力，在该阶段采用无摇枕方式；第三阶段开始采 用主动控制半有源悬挂系统，设计重点在于对转向架振动的有效抑制。 日本新干线技术设计要求鲜明而严谨，要求不采用未经过实际验证的新技术，只是对已成熟的技术进行 有效的系统集成，这种严谨的设计思想与态度值得借鉴与学习。法国高速动车组转向架基本上是基于法国燃气轮动车组转向架 Y226 型CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文6的模式发展 而来的，TGV-PSE 动力

21、转向架采用 Y230 转向架，该转向架结构较为简明，有利于制造装配与拆卸维修。法国 TGV 系列动车组采用动力集中式动力分配方式，而最新设计研发的 AGV 系列动车组采用动力分散式的动力配置方式，总而言之采用动力分散式动 配置方式是高速动车组发展的趋势。德国 ICE 系列动车组转向架代表了德国轮轨技术发展水平，但其发展还是基于数几十年德国客运机车转向架技术的发展成熟，ICE 动力转向架技术与德国 E110 机车、E111 机车、BR120 机车和DE2500UmAn 内燃机车转向架以及 ICE/V 试验转向架有着千丝万缕的联系，可以说ICE 系列动车组动力转向架就是在上述这些转向架的基础上发展

22、起来的。由上述三类颇具代表性的高速动车组转向架技术的发展来看，没有任何一种高速转向架的研发是从无到有的原始性创新设计，都是在原有的成熟、稳定的机车转向架技术的基础上发展起来的，对传统机车的技术有继承也有优化设计，总而言之动车组转向架其本质与传统机车转向架并无区别，只是由于在新的速度环境下，对安全性、舒适性以及曲线通过能力提出了更高的要求，从而需要针对这些要求对结构外形或者设计参数加以优化设计。1.31.3 研究思路及方法研究思路及方法1.3.1 课题研究思路 由上述典型转向架的发展历程中可以得出，动车组转向架的设计基于现有成熟的转向架技术，是对传统转向架的稳定技术的改进与继承，总体来说并没有对

23、其固有机械结 构做出深刻的变革或者创新，只是在一个转向架设计体系中择优与选型的过程以及参数的优化设计。无论是日本的新干线技术、德国的 ICE 技术还是法国的 TGV/AGV 技术，在设计之初都可以作为蓝本借鉴引用，但在借鉴中至关重要的一点就是设计思想与设计理念，纵然各典型转向架技术的设计要求不尽相同，设计侧重点也各有偏颇，然而设计思想是针对一个设计命题至关重要的灵魂，设计思想的不同将会直接影响一个设计产品是否符合经济性、科学性甚至安全性。例如在日本动车组的设计研发中，贯穿始终的一个设计思想就是整个动车组的轻量化，大到整个车体采用铝合金从而降低其自重，小到齿轮箱或者电机的箱盖的设计都无一不贯穿着

24、轻量化的设计思想，而这些设计思想就是在设计中值得借鉴学习的地方，而不是机械的照搬与模仿。此外，我国动车组的发展也已经有了一定的积累，无论是从我国早期研发制造的“中华之星”还是后期国内外车辆厂联合开发的 CRH 系列动车组，CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文7都是从原先的 100%整车引进到后来的逐渐消化吸收再到再创新，株洲电力机车研究所有限责任公司设计研发 CRH380A 与唐山轨道车辆股份有限责任公司设计研发的CRH380BL 都是国产化当中的典型代表，在动车组转向架的设计中具有很重要的借鉴意义。高速动车组转向架的主体机械结构已经具备稳定的结构特点，例如 H 形焊接构架，二系悬挂采用可变

25、阻尼的空气弹簧等，在结构设计中难以实现原始性创新，因此在设计中需要基于具有良好运用业绩的原型车方案，采用成熟和可靠的技术有针对性地适应中国铁路运用环境，进行部分设计变更，并采用低成本设计手段，依靠完善的检修体系保证运用安全。1.3.2 课题研究方法 在该课题的研究中转向架设计基于唐山轨道车辆股份有限公司与德国西门子公司联合设计生产的 CRH3C 动车组，同时通过与 CRH 动车组系列的 CRH1、CRH2、CRH5原型车即日本 E2.1000、法国 TGV-PSE 与德国 ICE 的之间横向对比分析，可以总结得 出现阶段动车组转向架的主要技术特点。考虑到文献资料与网络资源的局限性，加之该课题研

26、究是基于 CRH3C 型动车组转向架，这就需要在设计过程准备阶段前往唐山轨道车辆股份有限公司入厂参观考察，了解转向架各零部件的加工工艺，熟悉各转向架零部件之间的装配关系，并收集该型动车组转向架的相关设计资料与图纸，作为后期设计的主要参考资料。在此基础上采用类比设计方法，综合利用各典型动车组转向架设计资料与设计结论，研究我国引进的 CRH 系列转向架从原型车到国产化设计过程中的优化设计结果，对转向架的相关结构或参数进行类比设计。最后利用三维建模软件 solideworks 完成动车组转向架的三维设计，并在设计建模过程中尽量做到加工仿真过程的实现，从而达到简要了解转向架生产制造过程中的工艺特点的目

27、的。在满足以上条件的基础上应最大程度的实现转向架设计生产的模 块化、标准化、系列化，尽最大可能降低生产制造成本。 CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文8第二章第二章 典型高速动车组转向架设计典型高速动车组转向架设计 转向架是机车车辆极其重要的组成部件，其结构是否合理直接影响机车车辆的运行品质、动力性能和行车安全。可以毫不夸张的说“转向架技术是靠轮轨接触关系驱动运行的现代机车车辆得以生存发展的核心技术之一”。各个国家铁路发展的历史与技术平台不同，致使各国研究开发的转向架也不尽相同，然而基于安全性、舒适性及曲线通过性能的总设计原则的要求与铁路技术发展的历史经验积累，也使得各个国家设计研发的转向架

28、也有一些共同的发展趋势。动车组动力转向架的组成可以分为以下几个部分：1. 轮对轴箱装置：轮对沿着钢轨滚动，除传递车辆重量外，还传递轮轨之间的各种作用力，其中包括牵引力和制动力。轴箱与轴承装置是联系构架(或侧架）和 轮对的活动关节，使轮对的滚动转化为构架（或侧架） 、车体沿钢轨的平动。2.弹性悬挂装置： 为减少线路的不平顺和轮对运动对车体的各种动态影响 （如垂向振动、横向振动等） ，转向架在轮对与构架（侧架）之间或构架（侧架）与车体（摇 枕）之间，设有弹性悬挂装置。前者称为轴箱悬挂装置（又称一系悬挂） ，后者称为摇 枕（中央）悬挂装置（又称二系悬挂） 。目前，大多数货车转向架只设有摇枕悬挂装置

29、或轴箱悬挂装置，而客车转向架即设有摇枕悬挂装置，又设有轴箱悬挂装置。 弹性悬挂装置包括弹簧装置、减振装置和定位装置等。3.构架或侧架：构架（侧架）是转向架的基础，它把转向架各零、部件组成一体。所以它不仅仅承受、传递各种作用力及载荷，而且它的结构、形状和尺寸都应满 足各零、部件的结构、形状及组装的要求。4.基础制动装置：为使运行中的车辆能在规定的距离范围内停车，必须安装制动装置，其作用是传递和放大制动缸的制动力，使闸瓦与轮对之间或闸片与制动盘之 间产生的转向架的内摩擦力转换为轮轨之间的外摩擦力（既制动力） ，从而使车辆承受 前进方向的阻力，产生制动效果。5.转向架支承车体的装置：转向架支承车体的

30、方式（又可称为转向架的承载方式）CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文9不同，使得转向架与车体相连接部分的结构及形式也各有所异，但都满足以下基本要求：安全可靠的支承车体，承载并传递各作用力（如垂向力、振动力等） ；为使车辆顺利通过曲线，车体与转向架之间应能绕不变的旋转中心相对转动；为使车辆稳定运行，车体与转向架之间应具有一定的回转阻力或阻力矩。2.12.1 日本新干线高速动车组转向架的设计日本新干线高速动车组转向架的设计 在绪论中的典型高速转向架发展概述中，可以得知日本的新干线高速动车组自 1964 年投入运营至今，其转向架技术大致可分为三代，期间共开发了 30 多种高速转向架，但始终要求不采

31、用未经过实际验证的新技术，只是对已成熟的技术进行有效的系统集成，这就为日本动车组运行以来的非自然灾害的零伤亡率提供了有效的技术保障。2.1.1 新干线转向架技术发展历程 1946 年日本的高速动车组技术的研发设计便已经开始，日本成立高速列车转向架振动研究会，从此便确立了转向架振动防止理论，这就标志着日本高速列车技术的开端。1947 年，日本动力分散式动车组的先驱80 系湘南列车开通，实现了“长大编组运行，动力分散方式列车长途运行”，于此动力分散式牵引方式正式走进轨道交通系统中。 而在 1958 年日本国铁公司首次将美国的公共汽车中作为弹性减振装置的空气弹簧应用到特快列车“回声”号中，空气弹簧在

32、轨道交通车辆中的应用对于改善轨道交通车辆振动引起的舒适度问题起到了至关重要的作用。总之，日本新干线技术对高速动车组的发展奠定了基础。日本第一代高速动车组是 20 世纪 60年代至 90 年代开发的 0 系、100 系和 200 动车组，这个期间转向架均为有摇枕的转向架，典型代表为 DT200 转向架，是日本新干线高速动车组转向架的鼻祖。该型转向架轴箱定位方式采用德国最先采用的双侧拉板式定位即 IS 式，轴距为 2500mm,轮径为 910mm，构架采用 9mm 厚的钢板焊接而成，侧梁 采用“U”形结构，踏面采用1/40 锥形踏面，二系悬挂仍然保持摇枕结构，空气弹簧跨距为 2500mm 并配置旁

33、承。由于第一代新干线动车组转向架采用有摇枕的形式，因而转向架结构复杂而使得装配检修工艺繁琐、不易操作，更为关键的一点就是过大的自重和簧下质量使得轮轨动力作用加剧，线路维修保养的工作量加大，针对这一问题第二代新干线动车组转向架作了相应的设计改革。日本先后研发试制了 DT9010，DT9010A， DT9011， DT9012， DT9013 转向架，其中 DT9012 转向架首次采用空心车轴， DT9013 为了CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文10实现转向架的轻量化开 始采用铝合金材质的摇枕， 而在最终定型的 300 系转向架 DT203 中，已经取消了摇枕 结构，而且为了避免转向架高频振

34、动对其悬挂参数也进行了优化，该转向架采用了无摇枕的二系悬挂，降低了转向架自重改善了轮轨作用关系，而车体则直接支撑于空气弹簧，另外考虑到新干线动车组宽车体的原因优势，空气弹簧横向跨距调整为 2460mm,这样就不再需要抗侧滚扭杆从而简化了二系悬挂装置，轴箱定位方式采用圆锥层叠橡胶定位，构架采用 8mm 厚的钢板焊接，横梁采用无缝钢管并于构架侧梁组焊成为整体，为了进一步实现轻量化，车轴同样也采用空心车轴，而这也有利于对车轴进行超声波探伤，简化了检修工艺，轴箱体材料也有原先的铸钢改为锻造铝合金，通过上述这些结构优化以及轻量化措施，DT203 自重减重幅度显著。500 系动车组采用 WDT205 型转

35、向架，该转向架开始采用半主动控制的横向减振器，二系悬挂空气弹簧横向跨距为 2600mm,并且二系悬挂采用横向变刚度空气弹簧。另外 300X 试验高速动车组转向架采用了倾摆机构，用以补偿曲线通过时外轨超高量的不足，从而抵消未平衡的离心加速度。第三代新干线电动车组主要指 N700 系、N800 系、E5 与 E6 系新干线电动车组系列，在这一设计阶段设计目标主要放在提高曲线通过速度，列车综合性能优化，节能降耗与环境友好，是在原有技术上的再次优化与完善。N700 系列动车组转向架 N700 与 N700-3000 系列轴箱定位方式采用叠层橡胶加螺旋弹簧定位，但 N700-7000 转向架则采用转壁式

36、轴箱定位方式。考虑到原先 500 系与 700 系在东海道新干线上曲线通过速度被限制在250km/h，因此在 N700 系采用摆式技术，在转向架二系悬挂装置上设置倾摆机构，利用空气弹簧高度阀进行车体倾摆控制，使得其曲线通过速度提高 270km/h。为改善乘坐舒适度 N700 系继续采用带有半主动控制的横向减振技术并对其进行了优化。E5 与 E6 新干线动车组是日本针对 360km/h 速度等级开发的电动车组，该阶段试验列车型号为 E954 与 E955，基于模块化的设计思想，当时日本各为这两种试验车型设计了 13 种不同类型的转向架同时日本也开始借鉴并采用欧洲高速转向架的技术并开展技术创新，例

37、如转向架制动装置采用欧洲新型制动盘和气动式制动卡钳， 但在日本对该技术进行国产化的过程中，在 Fastech360 试验车上分别对装用的由日本国产化的制动盘、制动卡钳和闸片开展试验验证,对该技术的国产化提供有效的技术依据与支持。而 E954 试验车转向架其设计速度为 405km/h，采用转壁式轴箱定位方式，为了便于车体连接装配，则将车体枕梁作为假摇枕支撑于空气弹簧之上，空气弹簧CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文11的横向跨距有所减小，横梁不 再采用无缝钢管而采用箱型梁结构。 在提高速度的同时，日本一贯的竭尽所能实现轻量化的设计目标，E5、E6 系动车组没有明显的增重。新干线 E5/E6 转

38、向架在批量生产时最终选择 DT9038/DT9042 系列转向架，轴箱定位方式仍然选用传统的拉板式，主要是出于技术成熟可靠，轻量化与实现通用互换的目的。新干线转向架开发始终坚持应用成熟技术的理念，对于安全性、可靠性未经充分试验验证的技术或结构绝不贸然采用，因此，定型车型转向架具有鲜明的实用主义特色，保持合理的性价比水平。新干线近 50 年的发展历史中所走过的弯路和教训，对当下中国高速铁路技术的持续健康发展无疑具有重要的启示意义。2.1.2 新干线动车组转向架技术 日本新干线动车组转向架技术的设计原则为在满足直线上高速走行稳定性的前提下,通过曲线时轮对侧向力应尽可能小,并实现轻量化6。轻量化技术

39、是新干线动车组转向架技术中首屈一指的代表性成果，取得了较好的成效。300 系转向架只有 6.7t,比 0 系转向架质量减轻了 3.4t,比 100 系转向架减轻了 3.2t。其转向架轻量化措施主要有：采用无摇枕结构的二系悬挂方式，直接由中央空气弹簧支撑车体，由中心销与拉杆起纵向牵引作用；转向架构架采用 H 型钢板焊接结构；轮对轻型化，空心轴内径尺寸为 60mm,车轮直径为 860mm;采用铝合金齿轮箱与轴箱。转向架悬挂技术是转向架设计中至关重要的一个方面，新干线转向架 300 系、500 系、700 系一系悬挂均采用螺旋弹簧与圆柱橡胶弹簧配合的方式，在这种配置方式下，橡胶弹簧专门承受纵向、横向

40、载荷而螺旋圆簧则仅仅承受全部垂向载荷。而二系空气弹簧则在 100 系、200 系中要求横向刚度大，水平方向变位小，而在后来取消了摇枕结构之后要求空气弹簧水平刚度小，用以衰减来自轨道的振动，同时要求良好的复原能力与隔离垂向振动的特点。此外，日本新干线 500 系与 700 系采用半有源悬挂装置即转向架横向减振器采用半主动控制的可调减振器阻尼力的油压减振器，这就使得减振器减震特性在一定范围内可以随着外部激励的改变而做出响应，但是对振动的抑制作用仍然具有一定的局限性。而日本新型 E2.1000 系动车组则采用有源悬挂装置，可以积极地抑制车辆的随机振动。牵引电动机的悬挂方式也是在转向架设计中的关键设计

41、环节，日本新干线动车组牵引电机的悬挂方式都是架悬式，这是由于日本新干线采用动力分散式动力配置方式，各动力转向架的单轴功率与动力集中式动力转向架相比功率较小，转向架轴距也较小，空间位置的限制下架悬式更适合于动力分散式动车组转向架。并且这种电机悬挂方式减轻了簧下质量，悬挂装置较为简CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文12单，但是由于牵引电机吊挂于转向架构架上，因此增加了构架的质量，同时轮对的振动将直接传递给牵引电动机。2.22.2 法国高速动车组转向架的设计法国高速动车组转向架的设计 法国铁路于 1981 年开建第一条高铁线即东南线，截止现在已经经过了 32 年的时间，而从法国高速铁路技术的开发

42、研制至今却已经有了 42 年的时间跨度，积累了丰富的高速动车组转向架设计经验与成熟技术，值得学习与借鉴。2.2.1 法国动车组转向架技术发展历程 在二战之前, 法国铁路客车转向架运用的几乎是美国 Pennsylvania 型转向架，该转向架构架材料为铸钢，一系悬挂采取轴箱导框加均衡梁结构，中央悬挂采取摇动台、板 簧及摇枕的形式，承载方式为摩擦旁承加心盘的组合。基于该型转向架，法国国铁开发了 Y16、Y20、Y24 和 Y26 型转向架，其中 Y26 型转向架则在法国转向架技术中首次应用空气弹簧，最高试验速度达到 180km/h。1967 年法国又研制了Y30、Y32 转向架，其中 Y32 转向

43、架设计速度为 200km/h，已经达到了高速或者准高速转向架的水平。20 世纪 70 年代，法国开始了高速列车 TGV 的研发设计，TGV 列车动力配置方式为动力集中式，车体之间采用铰接的连接方式，最初采用燃气涡轮机作为驱动动力来源，采用该种驱动方式的 TGV-00 号试验速度达到了 320km/h。随着能源危机的到来与铁路电气化的大势所趋，法国放弃发展燃气轮机作为驱动装置的计划，而开始了现在意义上的 TGV 高速列车的迅速发展。法国高速列车也有其自主的研发设计原则即：采用动力集中式动力配置方式；拖车之间的连挂方式采用铰接式；轴重必须小于 17t。第一代法国动车组为东南线 TGV，第二代为大西

44、洋线 TGV即 TGV-A 以及后来发展的“欧洲之星”，第三代为双层 TGV 即 TGV-2N，第四代为2007 年在东部线使用的 TGVPOS，而正在研发试制阶段的第五代法国高速列车为AGV 系列，不再采用动力集中式的列车驱动方式而采用了动力分散式，并且全列车均采用铰接式，但是轴重仍然保持在 17t 以下，同时电机也从交流异步电动机变为永磁式同步电机，节能效果显著。从第一代法国高速动车组东南线 TGV 直至第五代高速动车组 AGV 系列，其设计原则始终贯穿于设计研发的每一个环节之中，只是在第五代 AGV 的动力配置方式中变革为动力分散方式，主要是考虑到采用动力分散式结构, 比相同长度的 TG

45、V 载客更多,并可根据用户需要灵活编组。法国第一代 TGV-PSE 动车组动力转向架 Y230 是法国动车组转向架设计的经典之作，该转向架自重为CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文137263kg,簧下质量为 4.3t,轴重为 17t,电动机的悬挂方式采用体悬式，这也就使得其驱动传递方式需要采用万向轴来传递动力，同时该转向架采用无摇枕形式，由螺旋型圆弹簧直接支撑车体。构架由箱型的鱼腹形侧梁和横梁组成，采用“ H” 形焊接结构，中心销牵引装置采用带橡胶球铰的“ T”形中心销牵引。 此外与日本动车 组转向架固定轴距 2000mm 不同，由于法国 TGV 动车组采用铰接式的连挂方式这就使得轴距增大

46、，该转向架轴距为 3000mm,轴颈尺寸为 150mm,新轮直径为 920mm,踏面采用为 1/40 锥面形式。Y230 转向架一系悬挂采用钢螺旋圆簧，轴箱定位方式为圆柱形橡胶金属叠层弹簧的复合结构方式，二系悬挂采用高挠度的圆簧两组并在两端加橡胶垫。2.2.2 法国动车组转向架技术特点 作为世界高速铁路发展的典型技术之一，法国高速动车组技术特色鲜明，主要区别于 TGV 系列动车组的动力集中式的列车牵引方式以及车体之间采用铰接式的连接方式。以动力集中式的牵引方式编组运行，其优势在于制造及维护费用降低，牵引电机与电气数量大幅度减少，而这些电力器件所占的设计制造成本比率较高，从而可以显著地减少列车设

47、计制造成本，而在另一方面电机数量减少就意味着单机功率的增加，也就使得电机的尺寸与重量也随之增加，也就使得电动机需要采用体悬式的悬挂方式，而这也使得驱动装置变得复杂。此外动力集中式布置将使得动车转向架轴重增大，高速运行时轮轨作用力显著增加，从而增加了对线路的维护工作量，而且与动力分散式布置方式相比黏着利用率降低，容易发生空转与滑行，对制动装置性能要求更高。 图 2.1 铰接式转向架 铰接式转向架（图 2.1）最明显的区别点在于其较大的轴距，这就导致其曲线通过性能不佳，同时在大轴重、高黏着与大轴距的综合作用下，轮对的损伤频率将CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文14大幅增加，从而对轮对的强度要求

48、也就变得更高了。铰接式转向架虽然有上述缺点，但是其优势还是显而易见的：首先就是其安全性，铰接式结构将全列车连接成一个柔性的整体,具有极高的安全性；其次是其高速运行的稳定性连接，两个车体之间的4 个纵向油压减振器同时起到了抑制车体各个方向振动的作用，而车体上部与活动框架之间的横向油压减振器则起到了抗侧滚的作用， 再加上转向架上的抗蛇行减振器、 横向减振器和垂向减振器,这就使列车高速运行的稳定性大大提高； 再次铰接式列车转向架总体数量比相同长度的其他高速列车要少很多, 不仅出现故障的几率减少, 而且运行阻力和噪声也会降低很多，另外由于转向架安装在车体两端的通过台处,这就可以使车厢地板面做得较低,从

49、而减小车体的高度、 降低车体重心,进而减少运行阻力， 增加了运行稳定性，而旅客乘坐区因为没有直接来自转向架的振动,从而提高了旅客乘坐舒适度；最后，该种形式的转向架对线路损坏小，虽然动力集中式导致轴重的增大而使轮轨作用加剧,但是轴数的多少对线路的影响同样重要， 铰接式列车能在满足 17 t 轴重要求的情况下, 采用较少的轴数, 对线路的损坏自然也减少很多。2.32.3 德国高速动车组转向架设计德国高速动车组转向架设计德国高速铁路技术早在 20 世纪 70 年代初已经开始了前期的研究工作与技术储备，但真正意义上的试验研究起源于 1982 年的 ICE 试验型高速动车组的研制。ICE是 DB Fer

50、nverkehr 提供的最高运营速度规格列车的简称，全称为InterCityExpress，即城际快车。目前共有 259 列 ICE 系列动车组投入商业运营，共分为五个子系列即 ICE1、ICE2、ICET、ICE3 与 ICE TD。经过 30 多年的发展，德国 ICE 从动力集中式的 ICE1、ICE2 发展到动力分散式的 ICE3 系列以及 Velaro 技术平台，速度等级也从最初 280km/h 发展到现在的 350km/h 运行的 Velaro 系列。2.3.12.3.1 德国动车组转向架技术发展历程 ICE 转向架技术达到较高技术水平，其发展不是一蹴而就的，而是建立在多年来德国客运

51、机车转向架不断发展的基础上，通过不断完善而研制成功的，经历了漫长的研究、试验与运用考验过程。ICE 动力转向架的发展可以追溯到德国 E110 机车、E111 机车、BR120 机车和 DE2500UmAn 内燃机车转向架以及 ICE/V 试验转向架，最后以 ICE/V 转向架定型为 ICE 动力转向架，前后历经 20 多年的发展过程。 1979 年 8 月德国联邦技术部批准研制 UmAn 转向架，并用该转向架改装了一台 CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文15DE2500 内燃机车进行高速试验。DE2500UmAn 转向架采用 BBC 轮对空心轴驱动、空心车轴技术、磨耗型踏面与二系采用高挠圆

52、簧加抗蛇行减振器匹配技术，驱动装置与制 动装置合为一体构成驱动制动单元，电机悬挂方式为半体悬悬挂，牵引装置采用推挽单牵引杆，轴箱定位方式采用单轴箱拉杆定位。德国在 DE2500UmAn 机车上进行了大量的试验研究，对驱动质量联接方式、轴箱定位方式和回转阻尼的多种方案进行比较试验，加深了对高速动力转向架的认识。1982 年德国制造的试验型城间高速列车 ICE/V 动力转向架基本上沿用了 DE2500 机车的 UmAn 转向架结构，这也为德国 ICE 高速动车组转向架技术奠定了基础。ICE1 动车组配备有两台 ET401 动力转向架，该转向架就是在 ICE/V 转向架基础上加以改造的，但转向架主体

53、结构并未改动，ET401 转向架轴重为 19.5t,自重为 14.3t,簧下质量为 4.43t,固定轴距为 3000mm；转向架仍然保留摇枕结构，一系悬挂采用双圆螺旋弹簧并并联有垂向液压减振器，轴箱定位方式为长拉杆式定位，具有较大的定位刚度但对轮对横向运动没有限制，二系悬挂为高圆螺旋弹簧，车体与转向架两侧加装抗蛇行减振器，构架中部也布置两个横向减振器； 电机悬挂方式为体悬式或者架悬式。考虑到该转向架轴重较大，为了降低轮轨间的动力作用，该转向架采用轮对双空心轴，尽最大可能使得转向架结构轻量化，驱动制动单元采用体悬式一端悬挂于车体另一端采用摆杆吊挂于转向架。ET401 转向架采用框型无中间横梁的焊

54、接构架，结构简单易于维修、更换方便，侧梁为中部下凹的鱼腹形结构。ICE2 型动车组动力转向架 ET402 与 ICE1 动力转向架 ET401 结构参数基本相同，这就不在赘述。ICE3 型动车组（图 2.3）动力转向架采用 SGP500 型转向架也称 SF500 型转向架，该转向架基于 ICE2 拖车转向架 SPF400发展而来，对于乘坐舒适度以及由于提速后引起的振动和噪声的降低成为新的设计重点。该转向架设计速度 330km/h，固定轴距减小为 2500mm，轴重小于 17t,转向架自重为 9.2t,新轮直径为 920mm,取消了摇枕结构，一系悬挂采用双层螺旋圆簧与圆筒橡胶弹簧组合的形式同样并

55、联有垂向液压减振器，轴箱定位方式为单侧拉杆定位，二系悬挂采用空气弹簧加锥形橡胶堆的形式并装有抗蛇行减振器，其空簧跨距为1900mm,电动机悬挂方式采用架悬式。该转向架构架采用双“ H”形，由两根较粗的下凹箱型纵梁与两根横梁钢管组焊而成。本次课题采用 CRH3C 动车组转向架作为设计母体，该车是中国唐山轨道车辆股份有限责任公司与德国西门子公司合作研发的高速动车组，ICE3 动车组采用的 SF500 转向架（图 2.4）则对本课题的研究具有非常重要的借鉴意义。ICE-T 动车组转向架仅是在 SF500 基础上加装了倾摆机构来提CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文16高 车辆通过曲线时的运行速度，

56、这里不再赘述。2.3.22.3.2 德国动车组转向架设计思想与技术特点 德国 ICE 系列高速动车组采用的转向架有 ET401/ET402、MD530 与 SGP 系列的 SGP300 (SF300)、SGP400(SF400)、SF500型等转向架。从 ICE 系列动车组转向架的发展变化过程中可以看到一个不断尝试与创新的过程。ICE 动车组转向架采用经过系统动力学仿真设计的、技术性能优良的转向架，ICE 转向架在研究过程中进行了大量的线路 图 2.2 德国 ICE2 高速动车组列车 图 2.4 SGP500 动力转向架（ SF500）对比试验以验证设计思路,确定最佳结构匹配方案，技术成熟可靠

57、的 SF500 是其典型代表；其次转向架设计研发坚持突破与创新, 并充分利用先进的现代工业技术不断CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文17提高车车辆的技术等级， 其技术研发不是一个独立的铁路独立领域，铁路只是作为各个研究系统的子系统，凡是值得推广应用的技术就可以应用到轨道交通系统之中为其所用，其制动装置采用了非粘着的磁轨制动装置与无磨耗的线性涡流制动装置就是这一设计理念的集中体现，非粘着制动的使用降低了对轮对以及线路的维修工作量，并且复合制动符合列车高速化的发展需求。德国 ICE 系列动车组转向架有如下技术特点9：(1)转向架各运动关节采用了无磨耗的橡胶元件,使转向架无摩擦损耗；(2)车轮采

58、用磨耗形踏面,延长车轮使用寿命,减小车轮镟修次数,并改善了转向架曲 线通过性能； (3)采用轮对空心轴驱动方式,驱动单元采用半体悬悬挂,有效的降低了转向架簧下质量。轮对双空心轴所具有的较大扭转刚度,可保证动轮驱动系统具有很高的粘滑振动稳定性, 实现高粘着利用；(4)整体车轮和空心车轴可有效地降低簧下质量,并提高转向架高速运行的可靠性；(5)牵引装置采用可分式推挽单牵引杆,低位牵引,降低了轴重转移,提高粘着利用率及减小轮缘磨耗；(6)二系采用较小横向刚度的高挠度螺旋高圆弹簧，并加装垂向、横向和抗蛇行液压减振器,以有效地改善动力车直线高速运行的垂向和横向动力学性能及曲线通过性能；(7)一系采用单拉

59、杆为轴箱纵向定位, 利用螺旋圆弹簧的横向特性为轴箱横向定位,使一系纵横弹性参数相对独立, 可准确地实现一系纵横刚度参数匹配, 提高转向架直线运行稳定性,改善曲线通过性能； (8)基础制动采用盘形制动,大大地提高了制动能力,并消除了踏面制动对车轮踏面的损伤；(9)交流牵引电机可实现大功率的牵引,并可以有效地减轻质量,减小结构空间,减少电机维护,延长使用寿命； (10)转向架齿轮箱、托架、轴箱拉杆及驱动单元吊杆均采用高强度轻金属材料,有效地减小了转向架质量。 CRH2 动车组转向架构架毕业设计论文18 第三章第三章 动车组转向架的总体设计动车组转向架的总体设计高速动车组动力转向架是高速动车组的关键

60、部件,在进行设计工作时,必须系统地考虑转向架的总体结构和参数,使转向架的性能满足以下目标：保证列车速度在305km/h 以下时具有高的稳定性和低的轮轨作用力；保证列车具有尽可能高的粘着重量利用率和良好的驱动性能；保证转向架具有高的安全性能和低维修工作量。总的来说，动车组转向架的设计要符合动车组总体设计的要求，即满足设计任务书的要求，在此基础上以保证车辆安全性，舒适性与曲线通过性能为总体目标，考虑国内实际的装备制造业生产实力与技术特点，尽可能实现转向架零部件及本身的通用化、系 列化、标准化，并结合国内最新发展的新材料、新工艺、新技术，综合地设计转向架这一复杂的机械系统。3.13.1 动车组转向架