CRH3型动车组拖车转向架三维实体设计

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。CRH3型动车组拖车转向架三维实体设计绪论CRH3型动车组拖车转向架三维实体设计 目录CRH3型动车组拖车转向架三维实体设计1目录11.绪论21.1国内外动车组的发展概况21.1.1德国高速铁路概况31.1.2日本动车组概况31.1.3法国高速铁路概况31.1.4我国动车组发展概况41.2本论文主要研究工作52.转向架62.1转向架基本知识62.2转向架的组成、任务和分类62.2.1任务62.2.2组成及各部件的作用62.2.3转向架的主要技术要求72.2.4转向架分类83.CRH3型动车组转向架103

2、.1转向架设计思想103.2转向架结构概述103.2.1 转向架主要技术参数113.3转向架零件的三维实体设计123.3.1 轮对123.3.2 转向架构架183.3.3轴箱213.3.4一系悬挂轴箱定位装置223.3.5中央弹簧悬挂装置243.3.6基础制动装置263.4虚拟装配264.构架的静强度评价304.1有限元算法基本原理304.2使用UIC615-4标准对构架进行静强度评价324.2.1有限元模型的建立334.2.2计算载荷334.2.3边界条件的确定354.2.4计算结构分析及评价36结论40致谢41参考文献421.绪论1.1国内外动车组的发展概况 世界变化日新月异，铁路科技事业

3、也正在飞速的向前发展，特别是高速铁路的发展给世界带来的巨大的经济效益。西方国家从20世纪60、70年代起，相继发展高速铁路，并研制出了多种模式的高速列车，颇具代表性的有：德国的ICE列车、法国的TGV列车以及日本的新干线高速列车等。而就国际上列车的构成模式而言，也正从早期的机车牵引客车的模式逐步向自带动力、固定编组的动车模式过度，这是铁路技术的一大进步。一般来说，工业发达国家铁路较之发展中国家铁路的这一过渡要进行的早，推广的快。在我国，随着铁路客运的改革和提速战略的实施，已经逐步在一些城际间采用动车组模式，并取得较好的经济和社会效益，预计这种形式还会进一步发展。1.1.1德国高速铁路概况ICE

4、 (Inter City Express,城际特快车) 是以德国为中心的一系列的高速铁路系统与相对应的高铁专用列车系列，由德国西门子为首的开发团队设计制造，德国国铁官用，其服务范围除了涵盖德国境内各主要大城市外，还跨越临近国家，行经多个城市。德国是最早制造和运用动车的国家，制造技术一直领先。1903年7月8日，首先运行了由钢轨供电的动车组，由4节动车和2节拖车编成。同年8月14日，又运行了由接触网供电的动车组，这是世界上第一列由接触网供电的单相交流电动车组。同年10月28日，西门子公司制造的三相交流电动车进行了高速试验，首创时速210.2公里的历史性记录1。1.1.2日本动车组概况 日本属于岛

5、国，山丘、坡道、弯道多，地质松软，对动轴轴重限制十分严，因此要比欧洲早17年实现世界第一条高速铁路。自1964年首条高速线开通以来，日本的动车组从0系发展到了现如今的700系，它能稳定的担负大运量、高速度、高密度运输的重要原因是作出了铁道系统的的正确选择，即选择了动力分散型动车组、实现了交流电动机驱动方式以及在各部最大限度、成功的实现了轻量化等。700系列新干线高速列车是作为300系列的换代车，由JR东海和JR西日本共同开发，大大提高了舒适度和车内肃静性、环境适应性和车辆性能，降低了成本。从运行能量来看，700系列列车 （270km/h）性当于东海道新干线开业时0系列 （220km/h）的84

6、%；如按同一速度（220km/h）则前者消耗的能量仅为后者的66%。这些都是电功率、轻量化、减少空气阻力的结果，也反映了日本新干线的告诉的技术水准。因此，日本动车组发展过程中主要的参数的演变使我们看到了车辆的轻量化和“电功率、信息、控制”的应用大大推进了技术的进步2。1.1.3法国高速铁路概况受到日本东海道新干线成功运行的启发，欧洲各国铁路也于上世纪70年代开始，利用既有线路，对时速200km的高速铁路进行挑战。首先建设高速铁路专用线的是法国的TGV，于1981年在巴黎至里昂间的400km线路上开始时速为260km的高速铁路的运行。法国现有1280km告诉营业线，在2006年TGV（Train

7、 a Grande Vitesse，高速列车）巴黎至斯特拉斯堡的东欧线完成后，总里程已达到1900km。由于TGV与既有线直通运转，实际上，列车营业总里程达到8400km。TGV构成了目前世界上最大规模的高速列车网，并且，它也是世界上最快的列车群。2007年创下了574.8km/h的铁路行驶新记录，打破了自己保持17年之久的515.3km/h的世界记录，在列车网整体的速度水平即营业列车的平均速度也非常高。为达到提高运载能力、提高运营速度、增加价格优势等目的，在TGV取得巨大成功后，阿尔斯通公司设计了AGV,与此同时保留了TGV运行可靠、有效的技术，采用动力分散方式，并且开发了涡流制动和onix

8、IGBT主变流器，此外AGV电动车组还开发了一系列新技术，如牵引电动机悬挂装置、自冷通风和涡流法分离灰尘、在端车上装有6.5t重的牵引变压器、采用铝质车体用以减重等3。1.1.4我国动车组发展概况我国铁路背景与欧洲相似。既有线如160km/h的提速干线，以及车牵引形式为主，而且还会较长时期占据主导地位。但在客运为主的干线，动车组运输效率高，牵引制动时舒适性好，有经济、环保等优势，逐渐会受到运输部门的欢迎。在经济繁忙的大城市之间开行动车组，如“中原之星”、“蓝箭”等已为用户接受，并发挥出较大的经济效益。从中国铁路的发展历程来看，我国铁路动车和动车组的发展已经经历了两个阶段，目前正在向第三个阶段过

9、渡。从1958年到20世纪80年代末期，是我国铁路动车动车组发展的初始阶段。期间，四方机车车辆厂在大连机车车辆研究所，上海交大和集宁机务段协助下，自行设计、研制了我国首列双层液力传动内燃动车组，当时称为东风号双层摩托列车。这个阶段特点归纳为：内燃动车组和电力动车组同时得到发展；电力传动、液力传动和机械传动都得到采用；国内自行研制和从国外进口相结合；设计试制工作中，制造工厂，运用部门，科研单位和院校联合协作；出进口产品外，试制产品没有投入正式商业运用和批量生产，但是多进行的设计、试制、试验工作为后来我国铁路动车组乃至机车的进一步发展累计了经验；初始阶段持续时间长，其发展速度、研制产品的技术水平、

10、品种和数量等与同期国外铁路工业和铁路运输发展较快、水平较高的国家和产品相比，相对缓慢和滞后。20世纪90年代到21世纪最初几年，是我国铁路动车和动车组发展的第二阶段，即加速发展阶段。1990年9月5日，全路首列四季空调列车在北京广州的47/48次列车上使用。自此，铁路客运出现了多品种、多样性、多档次、多元化的新局面。从1997年到2007年，中国铁路实现了6次大提速。据不完全统计，1994年以来，中国北方、南方机车车辆工业集团公司所属企业，在铁道部及其下属运用部门的密切合作下，研究开发了各种动车和动车组20多个品种，计67系列。其中，有46列在国内进行试验或交付运用，21世纪出口到国外。在此期

11、间研制的动车和动车组，包括内燃和电力两种类型。内燃动车和动车组又可分为液力传动和电力传动；电力动车和动车组又包括直流电力传动和交流电力传动。总的来说，我国铁路动车和动车组在发展的第二阶段具备的特点为：发展速度快、技术含量高、品种全、用途广，但可靠性差4。目前我国铁路动车和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。这个阶段的总体要求就是通过以市场换技术，走技贸结合、自主创新的路子。我们的最终目标是立足国产化，促进我国铁路动车和动车组的健康和持续发展。我们不是要向国外买一个机车车辆装备现代化，而是要通过引进国外成熟先进的技术，努力在我国铁路动车和动车组的发展中，逐步并尽

12、快实现以跟踪模仿为主向以自主创新为主的深刻转变。1.2本论文主要研究工作转向架是铁路车辆的基本部件之一，其性能直接关系到铁路车辆的安全性、稳定性和可靠性。对于高速动车组而言，转向架的重要性更是不言而喻。本论文，以CRH3高速动车组拖车转向架为研究设计对象，采用Solidworks对其进行设计分析，采用相关标准进行动车组转向架的强度分析评价。利用现有计算资料，对CRH3高速动车组拖车转向架进行强度分析，期望能给我国高速动车组设计评价标准的制定提供依据。本论文在利用现有技术资料的基础上，采用Solidworks软件建立CRH3高速动车组拖车转向架的三维实体模型，在软件Solidworks中划分单元

13、网格，按照欧洲高速动车组相关标准，在Solidworks中加载计算，进行静强度分析。本论文主要工作如下：（1） 结合我国高速铁路的现有技术水平和运用条件，对转向架及其主要零部件进行合理的选型，确定转向架主要结构形式和技术参数；（2） 利用Solidworks建立转向架的三维实体模型，利用Solidworks有限元对转向架进行加载受力分析；（3） 着重分析转向架构架的静强度，计算在不同加载下，转向架构架的受力静强度情况；（4） 评价设计是否符合设计要求2.转向架2.1转向架基本知识转向架是机车车辆最重要的组成部件之一，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。高速列车在全世界

14、各地的疾驰，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。由于各国铁路发展历史和背景的不同，以及技术条件上的差异，致使各国研究的高速转向架类型和结构也相差较多。然而在设计原则上的共识和实践经验却导致高速转向架形式上的众多相同之处，如采用空气弹簧悬挂系统、无磨耗轴箱弹性定位、盘形制动为主的复合制动系统，等等。根据国外告诉转向架的设计经验，建议采用以下设计原则：（1） 采用高柔性的弹簧悬挂系统，以获得良好的振动性能。这种高柔性空气弹簧在速度300km/h以下能表现出其优越性。（2） 采用高强度

15、、轻量化的转向架构架，以降低轮轨间动力作用。（3） 采用能有效地抑制转向架蛇形运动，提高转向架蛇形运动临界速度的各种措施。（4） 驱动装置采用简单、实用、可靠、成熟的结构，尽量减少簧下质量和簧间质量，以改善轮轨间的动作用力，提高高速运行稳定性。（5） 基础制动装置采用复合制动装置。2.2转向架的组成、任务和分类2.2.1任务任何铁路机车车辆转向架必须完成如下任务： （1）承重：承担机车上部的重量，包括车体及安装在车体内的各种机械、电气设备的重量，并把这些重量经一系弹簧悬挂装置传递到钢轨上。 （2）传力：产生牵引力和制动力，并把产生的牵引力和制动力经牵引装置传递到车体底架，最后传递到车钩，实现对

16、列车的牵引和制动。 （3）缓冲（走行）：在机车运行中缓和线路对机车的冲击，保证机车运行的平稳性。 （4）导向：在钢轨的作用下，引导机车顺利地通过曲线和道岔，保证机车在曲线上安全运行。 （5）制动：产生必要的制动力，以使车辆在规定的距离内减速或停车。2.2.2组成及各部件的作用 通常一般动车组转向架分为动力转向架和非动力转向架，常见的非动力转向架结构如图2.1所示，其主要组成部分及其作用叙述如下：图2.1 非动力转向架结构 （1）轮对：轮对直接向钢轨传递重量，通过轮轨间的黏着产生牵引力或制动力，并通过车轮的回转实现车辆在钢轨上的运行（平移）。 （2）轴箱：轴箱是连接构架与轮对的活动关节，它除了保

17、证轮对进行回转运动外，还能使轮对适应线路的不平顺等条件，相对于构架上、下、左、右和前、后运动。 （3）一系悬挂（弹簧悬挂装置）：用来保证一定的轴重分配，缓和线路不平顺对车辆的冲击，并保证车辆运行平稳。它包括轴箱弹簧、垂向减震器和轴箱定位装置等。 （4）构架：转向架的骨架，它将转向架的各零、部件组成一个整体，并承受和传递各种力。它包括侧梁、横梁和端梁，以及各种相关设置的安装或悬挂支座。 （5）二系悬挂车架（体）与转向架之间的连接装置：用以传递车体与转向架之间的垂向力和水平力，使转向架在车辆通过曲线时能相对于车体回转，并进一步减缓车体与构架之间的冲击振动，同时必须保证转向架安定。它包括二系弹簧、各

18、方向减震器、抗侧滚装置和牵引装置等。 （6）驱动装置（动力转向架）：将动力装置的扭矩最后有效地传递给车轮。包括牵引电机、车轴齿轮箱、联轴节或万向轴和各种悬吊机构等。 （7）基础制动装置：由制动缸传来的力，经过放大系统（一般为杠杆机构）增大若干倍以后传给闸瓦（或闸片），使其压紧车轮（或制动盘），对车辆施行制动。包括制动缸（气缸或油缸）、放大系统（杠杆机构或空-油转换装置）、制动闸瓦（或闸片）和制动盘等。一般动车组的非动力转向架与动力转向架的主要区别是：非动力转向架没有驱动装置。2.2.3转向架的主要技术要求 （1）保证最佳的黏着条件。轴重转移应尽量小，且轮轨间不产生黏-滑振动。（2）良好的动力学

19、性能。尽量减少轮轨间的动作用力，减少轮轨间的应力和磨耗。 （3）重量轻，工艺简单。尽可能减少自重，且制造和修理工艺简易。 （4）良好的可接近性。易于接近，便于维修。（5）零部件标准化和统一化。结构和材质尽可能统一化。2.2.4转向架分类2.2.4.1按轴数分类 一般铁道机车车辆有：两轴转向架、三轴转向架和四轴转向架（极少数）等。而对高速动车组车辆来说，通常只采用两轴转向架，但在比较特殊的轻轨车辆上有时可见单轮对（或轮组）转向架。2.2.4.2按弹簧装置形式（悬挂方式）分类有一系悬挂和二系悬挂转向架之分：（1） 一系悬挂。仅在轮对轴箱与构架之间或者仅在构架与车体间的弹簧，适用于中、低速车辆。（2

20、） 两系悬挂。除了在轮对轴箱与构架之间由弹簧外，还在构架与车体间设置第二系悬挂弹簧，一般适用于中、高速机车车辆。2.2.4.3按轴箱定位形式分类轴箱定位装置是指约束轮对轴箱与构架之间相对运动的机构。它对转向架的横向动力性能、曲线通过性能和抑制蛇形运动具有决定性的作用。轴箱定位装置的纵向和横向定位刚度选择合适，可以避免车辆在运行速度范围内蛇形运动失稳，保证曲线通过时具有良好的导向性能，减轻轮缘与钢轨间的磨耗和噪声，确保运行安全和平稳。常见的轴箱定位装置的结构形式有：（1） 拉板式定位（如日本0系和100系转向架）（2） 拉杆式定位（如CRH5转向架）（3） 转臂式定位（如CRH1、CRH2和日本

21、500系转向架）（4） 层叠式橡胶弹簧定位（又称八字形或人字形橡胶定位，上海地铁转向架）（5） 干摩擦式导柱定位（6） 导框式定位（很少使用）由于转臂式定位轴箱结构简单，拆装方便，因此在高速动车组转向架上得到了越来越广泛的使用。2.2.4.4按按车架（体）与转向架之间的连接装置形式分类按车架（体）与转向架间的连接形式分，可分为心盘（或牵引销）转向架、无心盘（或牵引销）转向架和铰链式转向架（议程雅可比转向架）。铰链式转向架又可分为如下三种：（1） 具有双排球形转盘的铰链转向架；（2） 具有球心盘的铰链转向架；（3） TGV高速列车式铰链转向架。 带心盘（或牵引销）式结构由于很难实现转向架相对于车

22、体的横向弹性运动的要求，且结构比较复杂，因此在现代高速动车组转向架中几乎不被采用10。3.CRH3型动车组转向架转向架是机车车辆最重要的组成部件之一，其结构是否合理直接影响机车车辆运行品质、动力性能和行车安全。高速列车在全世界各地的急速奔驰，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。可以毫不夸张的说，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。由于各国铁路发展历史和背景的不同，以及技术条件的差异，致使各国研制的高速转向架结构类型也相差较多。然而在设计原则上的共识和实践经验却导致高速转向架形式上的众多相同之处，如采用空气弹簧悬挂系统、无磨耗轴箱

23、弹性定位、盘形制动为主的复合制动系统，等等3.1转向架设计思想 CRH3动车组转向架的技术设计思想主要体现在： 1 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； 2 有针对性的适应中国铁路运用环境，进行部分设计变更；3 采用低成本设计手段，依靠完善的检修体系保证运用安全；3.2转向架结构概述(a) 动力转向架 （b) 非动力转向架图3.1 转向架CRH3高速列车为电动车组（EMU），由8节独立的客车组成。列车采用二轴两系空气弹簧转向架。该项目使用的转向架以SF500转向架为基础，在SF500转向架的基础之上，为适应中国CRH3项目宽车体的要求，作了适当改进。CRH3高速列车转向架分

24、动力转向架和非动力转向架。两种转向架采用基本一致的结构型式。构架为H型焊接构架；圆柱滚子轴承单元，轴径130mm；转臂轴箱定位，一系悬挂是螺旋弹簧加垂向减振器；二系悬挂为带有辅助橡胶堆的空气弹簧直接支撑车体；在车体和转向架之间装有主动控制的抗蛇行减振器；采用Z型拉杆牵引装置；转向架的轮径为920mm；固定轴距为2500mm。由于特定的优化，动力转向架和拖车转向架不可互换。CRH3的动力和非动力转向架如图所示：3.2.1 转向架主要技术参数型动车组转向架的主要技术参数见表3.17.表3.1 CRH3型动车组转向架主要技术参数轴列式Bo转向架中心距/mm17375轨距/mm1435轮对内侧距/mm

25、1353轴距/mm2500轴颈中心距/mm2000轮径/mm踏面形式S1002G承载高度/mm1010转向架质量/t9.5t（动）/7.6（拖）电机悬挂方式弹性架悬挂齿轮传动比2.79基础制动形式动车（轮盘），拖车（轴盘）最高运行速度km/h300最高试验速度km/h330最大静轴重（变形载荷）t17±4% (最大17.68 t)未平衡离心加速度m/s20.79一系悬挂螺旋圆柱钢弹簧二系悬挂空气弹簧二系纵向力传递方式枕梁最小曲线半径（m）动车组，连挂时低速时：250最小曲线半径（m）单车调车步行速度时：150S形曲线180 m + 10 m 过渡+ 180 m运营服务时一次性演示的最

26、高速度km/h350转向架距轨面高度（mm）/新车轮、空气弹簧充风状态下1010 （摇枕上边缘）传动轴装式平行轴传动装置持续轴功率 kW约5603.3转向架零件的三维实体设计3.3.1 轮对轮对直接向钢轨传递车辆重量，通过轮轨之间的黏着产生牵引力或制动力，并通过轮对的传动实现车辆在钢轨上的走行和导向。轮对是由一根车轴和两个车轮压装成一体。在车辆运行过程中，车轮和车轴一同回转。轴承收到车辆的全部重量，且在轨道上高速行驶时还承受着从车体、钢轨两方面传来的其他各种作用力。轮对的质量直接影响列车的运行安全，因此对车轮和车轴的组装压力是严格要求的，轮对内侧的距离必须保证在1353mm的方位内。为了保证轴

27、在装配后形成规定的压装力，装配后应进行反应力检验。非动力轮对组成安装在非动力转向架（拖车转向架）上，包括两个非动力轮对轴箱装置。和动力轮对的区别在于：动力轮对轴箱装置采用动力车轴，车轴上安装有一个齿轮轴箱组成和两个制动盘，而非动力轮对轴箱装置采用非动力车轴，车轴上安装有三个制动盘。3.3.1.1 车轮1）新建“零件”。 单击Solidworks左上角的命令，在弹出的“新建Solidworks文件”对话中，选中零件，单击“确定”按钮，进入造型，如图3.2所示。 2) 绘制草图 选择前视面为基准面绘制草图，单击和按钮后进入草图绘制界面，由于CRH3车轮采用的是整体碾压制造方式，所以在Solidwo

28、rks中草图界面中直接绘制车轮的轮廓草图，其轮廓草图如图3.3所示。 3)生成实体 退出草图，在Command Manager中单击按钮后，选择草图轮廓线和构造线单击确定，生成车轮三维实体模型如图3.4所示。图3.2 新建文件指导图图3.3 车轮草图图3.4 车轮三维实体模型 （1）车轮各部名称及其作用 轮缘：车轮内测的径向周围突起部分，称为轮缘。起作用是防止轮对脱轨，保证车辆在直线和曲线上安全运行。踏面：车轮和钢轨面接触的外圆周面，具有一定的斜度。踏面和轮轨在一定的摩擦力下完成滚动运行。轮辋：车轮具有完整踏面的径向厚度部分，以保证踏面内具有足够的强度，同时也便于加修踏面。轮辐板：连接轮辋与轮

29、毂的部分，呈板状着称为辐板，辐板呈曲线面状，是车轮具有某些弹性，则力在传送过程中较为缓和。轮毂：车轮中心圆周部分，固定在车轴轮座上，为车轮整个结构的主干与支撑.轮毂孔：用于安装车轴，盖孔与车轴轮座部分直接固结在一起。车轮踏面具有一定的斜度，可分为锥形踏面和磨耗型踏面。起作用是： （1）便于通过曲线。列车在通过曲线时，由于离心力的作用，轮对将偏向外轨，由于是在外轨上滚动的车轮与钢轨接触的部分直径较大，而沿内轨滚动的车轮与钢轨接触部分之交较小，轮对滚动时，大直径的车轮沿外轨行走的路程长，小直径的车轮沿内轨行程的路程短，正好和曲线区间线路的外轨长内轨短的情况相适应，这样可以较为顺利的通过曲线，减少内

30、轨在钢轨上的滑行。 （2）可自行调中。在直线线路上运行时，如果车辆中心线与轨道中心线发生偏离，滚动过程中可能自动纠正偏离位置。 （3） 踏面磨耗沿宽度方向比较均匀。锥形踏面有两个斜度，即1:20和1:10，前者位于轮缘内侧48-100mm范围内，是轮轨的主要接触部分。后者为离内侧100mm的外部分。踏面的最外侧做成半径为6mm的圆弧，以便通过小半径曲线和便于通过撤叉。磨耗型踏面是在研究和改进追星踏面的基础上发展起来的。各国列车运行的实践证明，锥形踏面车轮的初始状态在运行中将很快磨耗，但当磨耗一定形状后，车轮和钢轨的磨耗都变得缓慢，其磨耗后的形状将相对稳定。如果把车轮踏面从一开始就做成类似于磨耗

31、后的稳定形状，即为磨耗型踏面。磨耗型踏面可明显减少轮与轨的磨耗，减少轮轨接触应力，既能保证列车直线的横向稳定，又有利于曲线通过。CRH3动车组车轮踏面属于磨耗型踏面，磨耗前为920mm，最低不低于830mm。CRH3型动车组转向架车轮（图3.5）采用整体车轮，所用材质为符合UIC标准的R8T,车轮直径为920mm。车轮设计和制造标准执行EN 1326和UIC 812-2.。图3.5 车轮断面图 (1)车轮几何特性 车轮几何参数见表3.2（2）材料整体车轮按标准EN 13262：铁路应用轮对和转向架车轮产品要求和UIC 812-3规定的条款，必须用R8T牌号的钢制造。对车轮的化学分析应通过光谱分

32、析进行，不同元素和杂质的百分表极限见表3.3。表3.2 车轮几何参数新车轮的滚动圆直径920mm轮毂装配直径192mm磨耗到极限的滚动圆直径830mm轮毂宽度180mm轮辋宽度135mm整体车轮的最大质量311kg踏面形式S1002G表3.3 不同元素和杂质的极限值(C)0.5%-0.54%(0.54%极限值）(Cr+Ni+Mo)0.50%(Mn)0.90%-1.10%(Cu)0.10%(Si)0.90%-1.10%(V)0.08%(P)0.015%(Al)0.015%（0.025%极限值）(S)0.006%()2.0×(Cr)0.30%()10×(Ni)0.30%()80

33、×(Mo)0.80% (3)机械性能按标准UIC 510-5，车轮辐板的对称循环疲劳极限 =180MPa弹性模量 E=206000N/ 泊松比 v=0.293.3.1.2 车轴车轴是转向架轮对中重要的的部件之一，直接影响列车运行的安全性，有事转向架簧下质量的主要部分，特别是对于高速列车，降低列车簧下部分质量对于改善列车运行平稳性和减小轮轨之间动力作用有重要影响。因此，高速列车车轴可采用空心车轴，和实心车轴相比，空心车轴可减轻20%到40%的质量，一般可减轻重量60到100kg。如图3.6所示，车轴由外向里各部分如下：图3.6 车轴各部分名称（1）轴颈，用于安装滚动轴承，承担着车辆的重

34、量，并传递各方向的静、动载荷。（2）防尘板座，是车轴和轮座之间配合的部位。其直径比轴颈直径大，比轮座直径小，介于两者之间，是轴颈与轮座的中间过渡部分，以减小应力集中。（3）轮座，车轴与车轮配合的部位。为了保证轮径之间有足够的压紧力，轮座直径比轮毂孔直径要大0.10到0.35mm，同时为了便于轮轴压装，减少应力集中，轮座外侧直径向外逐渐递减，成为锥形，其小端直径比大端直径要小1.0mm，锥长12-16mm。（4）轴身，是车轴中央部分，该部分受力小。其上通常设有安装制动盘的制动盘座、安装驱动齿轮的齿轮座等。 车轴分为动力轴和非动力轴。车轴为空心轴，中空直径为65mm，材质为30NiCrMoV12钢

35、，依据UNI 6787-71标准加工制造（UNI 6787-71：用于铁路轮对的、具有高疲劳强度和韧性的、调质的特殊合金钢锻造车轴）车轴可以通过探孔针进行无损检测，车轴设计标准为 EN13103、EN 13104、EN 13661和 UIC 8811-1. 动力转向架上有一根动力轴和非动力轴，而非动力转向架上两根均为非动力车轴。 (1)形状和尺寸 动力转向架由轴承座、轮座、两个制动盘座、齿轮箱轴承座和轴身组成，总长2180mm，非动力转向架由轴承座、轮座、三个制动盘座和轴身组成，总长2180mm，如图3.7所示： 图3.7 非动力车轴 新轴和维修后车轮和制动盘安装座的直径公差见表3.4和3.5

36、.表3.4 新轴轮座、制动盘座直径尺寸及其公差安装座部位直径（mm）公差（mm）最小最大车轮座192+0.240+0.265制动盘座194+0.254+0.285中心制动盘座196+0.254+0.285表3.5 维修后车轮座、制动盘座安装座直径尺寸及其公差安装座部位直径（mm）公差（mm）最小最大车轮座189+0.240+0.265制动盘座191+0.254+0.285中心制动盘座193+0.254+0.285如果车轮座或制动盘座在拆卸过程中发生损坏，可以将安装座直径尺寸减小为表3.7中所规定的最低容许值。 (1)车轴制造加工在对车轴进行机械加工时，除了需要满足规定的公差和表面粗糙度要求外，

37、加工表面尤其是结合处不得存在任何刀痕。加工过程不得改造成会促使正常使用期间形成疲劳裂纹或变形的残余应力。在车轴表面上能够测量到残余应力的最大值在处于拉伸时不得超过100MPa，对车轴表面残余应力的测量应根据标准 EN 13261进行。3.3.2 转向架构架 CRH3型动车组拖车转向架有两个侧梁和两个横梁组焊成“H”型箱结构。3.3.2.1 侧梁图3.8 侧梁侧梁承载主体结构采用钢板焊接成封闭箱体，上下板盖和外侧立板采用12mm厚的钢板整体压型，内侧立板采用一块12mm和两块10mm厚的钢板与衡、侧梁连接座拼接而成。为了提高横、侧梁连接处的承载能力，该部位采用整体模锻技术、设计了锻造横梁连接座。

38、侧梁主体承载结构上焊有定位座、空气弹簧座、横向止挡座、横向减震器、制动横梁座以及一系弹簧座等，如图3.8所示。图3.9 侧梁3.3.2.2横梁横梁组成为前端横梁组成和后端横梁组成，均采用无缝钢管型材，两横梁分别于两与两侧的横测梁连接座圆管焊接。横梁上焊接有牵引拉杆座、抗侧滚扭杆座、盘形制动吊座等。如图3.9所示。3.3.2.3构架动车构架组成和非动力构架组成中含有多种吊座机构。为了保证吊座以及吊座与构架主体的连接强度，牵引拉杆座、扭杆座和齿轮箱吊座均采用了加装补强板后整体焊接结构。轴箱内、外侧定位座为模锻成型结构。为了避免在构架上直接攻丝螺纹损伤后无法修复的情况出现和紧固件的螺纹强度匹配，在无

39、法使用普通螺母的吊座，均采用了销型螺母的方案。各种吊座如图3.10所示。 图3.10 转向架重要构架3.3.3轴箱3.3.3.1轴箱的作用与形式轴箱安装在车轴两端的轴颈上，起作用是将轮对和构架联系在一起，是轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿路线的平动，传递各方向的作用力，保证良好的润滑性能和密封性能。轴箱有滚动轴承和滑动轴承之分。由于滚动轴承具有启动阻力小、游隙小、维护方便、节油和节省有色金属的一系列优点，所以现在车辆都采用滚动轴承轴箱。3.3.3.2轴箱组成 轴箱上设有上下拉杆座和垂向减震器座，轴箱为铸造件，材料为球墨铸铁，符合EN-GJS-400-18-LT（EN 1563）标准，轴箱上安装有轴

40、温传感器，部分轴端安装有速度传感器。轴向轴承采用SKF公司产品，为圆锥滚子轴承 TBU ，采用带聚酰胺笼子的内置传感器，执行 EN 12080,设计执行EN 12082，润滑符合EN 12081,型号为BT2-8545B.大修周期为每125万公里，替换周期为250万公里。图3.11轴箱组成3.3.4一系悬挂轴箱定位装置一系悬挂装置采用拉杆式轴箱定位结构。一系悬挂装置有两组螺旋钢弹簧、一系垂向减震器和定位装置组成。箱体与构架间的连接通过不同的高度、端部有弹性节点的纵向拉杆组实现（双拉杆轴箱定位结构）。上下拉杆的刚度、钢弹簧的刚度和吹响减震器的参数根据动力学计算进行了优化选择，以减少和缓冲由于线路

41、的不平顺引起的对构架的激扰。3.3.4.1弹簧（1） 弹簧组成单元弹簧组成包括内圈弹簧、外弹簧、上定位板、下定位板、弹性垫、调整垫，CRH型动车组一系轴箱弹簧分为外侧弹簧和内侧弹簧，其中，外侧弹簧安装高度为275.5mm，内侧弹簧安装高度为266.5mm，两者之间的高度由调整垫片调节，调整垫片厚度为9mm。弹簧如图3.12所示。图3.12 一系弹簧 (2)弹簧类型根据车型质量的不同，螺旋弹簧分为R型（重型）和F型（轻型）。其中，R型安装在Mc2，Ms2，Tpb，Mh 上，F型安装在T2车上的R型和F型具有相同的弹簧座和内圈弹簧，区别在于外圈弹簧不同。弹簧的作用，既有弹簧装置时，车辆对线路附加载

42、荷仅有无装置的20%，故弹簧装置在减小了车轮对钢轨的冲击力（垂直方向），起着很大的作用。两组双圈弹簧螺旋钢弹簧尺寸，需符合EN 13906关于弹簧允许的理论压力和允许疲劳极限相关数值标准的需求。3.3.4.2减震器为了减少来自钢轨的振动，在轴箱体和结构间还装了一系垂向减震器，一系垂向减震器必须满足质量手册中的重要性等级要求，并且减震器的设计使用寿命不少于6万km。在整个使用寿命期间，减震器阻尼特性的偏差不应超过30%。根据车型的不同，一系减震器的参数亦有所差异，以使车辆具有良好的平稳性。3.4.4.3轮对轴箱定位装置一系悬挂装置采用的拉杆式轴箱定位，拉杆可容许轴箱和构架在上下方有较大的相对位移

43、，拉杆两端均设有橡胶节点，实现轴箱和构架之间横向和纵向弹性定位，定位刚度见表3.6. 表3.6 轴箱定位刚度（单位：KN/mm）定位刚度纵向横向重车14.395.54轻车14.225.537拉杆分为上拉杆和下拉杆。上拉杆组建有两根拉杆组成，拉杆两端装有弹性节点，组成平行四杆机构，主要承担轴箱纵向弹性定位；下拉杆组建分为叉形，三弹性节点，主要承担轴箱横向定位和辅助上拉杆承担纵向定位。拉杆中的橡胶节点刚度决定了一系悬挂的刚度。一系纵向、横向定位刚度匹配，对转向架的临界速度、直线和曲线的动力学性能均有显著的影响。3.3.5中央弹簧悬挂装置3.3.5.1组成与作用中央弹簧悬挂装置是车体与转向架的连接装

44、置，因此又叫车体支持装置。通常由弹簧装置（一般用空气弹簧）、抗侧滚装置、抗蛇形减震器和牵引装置的组成。起作用是保证车辆的重量、纵向力（牵引力即制动力）、横向力的正常传递；保证轴重的均匀分配和车体在转向架上的安定；容许转向架进出曲线对相对于车体进行回转运动。因此它既是承载装置，又是活动关节。这种连接装置性能的好坏，直接影响车辆的动力学性能，特别是横向动力学性能。因此，它还影响车辆的黏着重量利用率。3.3.5.2 空气弹簧组成空气弹簧系统由两个空气弹簧、两个高度阀、压差阀和两个附加空气室通过管路连接而成，是转向架与枕梁之间的悬挂装置，三维图如图3.13所示。图3.13 空气弹簧 (1)空气弹簧弹簧

45、悬挂装置的性能是影响车辆运行品质的重要因素之一。空气弹簧既能使车辆获得良好的垂向和横向性能。空气弹簧由胶囊和橡胶组成，胶囊与橡胶堆串连工作，通过对两个部件的优化，可以获得较高的乘坐舒适性。在这这这正常工况下（充气状态），橡胶堆有助于胶囊适应转向架的转动，如果胶囊失败，橡胶堆将独立工作，此时上盖下表面与橡胶堆顶部的摩擦板接触，磨耗板采用特殊材料制造确保获得较低的摩擦系数（0.08到0.12）。该系统刚度小，可以使车辆获得较高的乘坐舒适性，悬挂系统将能安全的进行工作，不会影响到车辆的运行速度。表3.7 空气弹簧的轴向和径向刚度弹簧充气时恒速下的轴向刚度（z轴）车辆负荷Fz（KN）Ksy（N/mm）

46、T2空载85.2227正常载荷108.5279Mh-Tp空载100.5261正常载荷129.8325弹簧充气时恒速下的轴向刚度（z轴）车辆负荷Fz（KN）Ksy（N/mm）T2空载85.2151正常载荷108.5161Mh-Tp空载100.5158正常载荷129.8171 上板盖组成通过上盖心轴与上枕梁的定位圈和附加空气室相通，下板组成与构架上的空气弹簧座相连。 在轴向定位和径向时，非别测试空气弹簧的悬挂刚度，测试时恒速为5mm/s，表3.7为一定参与考负荷时的轴向和径向刚度值。3.3.5.3枕梁枕梁由钢板焊接成轴箱结构，主要承受和传递车体与转向架的力，同时作为二系悬挂悬挂空气弹簧气动系统的两

47、个辅助气室，要求该箱型截面必须气密性良好，需进行特殊的气密性实验。枕梁的结构按照EN 12663标准进行设计，强度检验按照标准ERRI.枕梁通过支座与车体连接。通过空气弹簧、牵引装置与构架连接、二系垂向减震器、抗侧滚扭杆、二系横向减震器、抗蛇形减震器等都通过相应的支座上枕梁和构架相连，此外，上枕梁上的安全钢丝绳对二系悬挂上限位置限定起作用。3.3.5.4 牵引装置车体与转向架间采用双牵引杆的牵引装置，传递牵引力和制动力。牵引装置成Z形连接，由一个均衡梁、两个带有弹性关节的牵引杆组成。均衡梁为锻铝件。牵引装置通过牵引梁传递构架和枕梁之间的牵引力和制动力，牵引梁上装有调整垫和牵引杆，调整垫正在上枕

48、梁中心销上。由于部件布置像字母Z，所以称之为Z型。引拉杆通过弹性节点和螺栓连接到构架上，牵引梁通过推行衬套和螺栓连接到上枕梁上。3.3.6基础制动装置基础制动装置采用轴盘制动，所有轴上都安装有直径640mm。厚度为80mm的通风筋式铸钢制动盘。动车上有2个，拖车轴上有3个。制动缸和卡钳是传统形式，所有制动夹钳都带有内置自动间隙调整器。制动闸片为粉末冶金型。设计的最大允许温度为600度。制动夹钳吊座焊在转向架制动横梁上。制动横梁通过关节轴承，水平横摆与构架组成四杆机构，可实现制动夹钳跟随轮对横向随动。衡量中部有两个支撑杆预购价的横梁连接。制动缸（每盘一个）为8英寸类型，每轴有一个制动缸带有内置弹

49、簧控制的停放制动，黄杰压力大约420Mp。制动力能够保证列车在正常载荷下30%坡度上保持静止。带停放制动器的装置由机械缓冲装置。如果空气压力不足，可以使用远距离控制达到缓解弹簧停放制动的目的。3.4虚拟装配（1）新建装配界面单击solidworks左上角的命令，在弹出的“新建solidworks文件”对话框中，选中装配体，单击“确定”按钮，进入装配界面，如图3.14所示。图3.14 装配界面图 （1）轮对装配 选取车轮，车轴，制动盘放入装配界面。通过同圆心，重合、垂直、固定等命令将所有零部件装配成同轴同转的轮对对称结构，装配图如图3.15所示。图3.15 轮对装配图 （2）构架装配和轮对装配过

50、程类似，将侧梁，端梁，内侧定位座，外侧定位座、制动吊座等重要部件通过solidworks装配界面装配成一体的刚性结构，如图3.16所示。图3.16 转向架装配图 （3）其他零部件及转向架总装配其他两不见的装配和轮对，构架装配的方法一样。装配好的各个部件在放回到装配界面进行装配。装配好的转向架的二维图如图3.17所示。（a） 主视图（b） 俯视图（c） 侧视图图3.17 转向架装配图4.构架的静强度评价4.1有限元算法基本原理有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散成为一组有限个，且按定方式相互连接在一起的单兀的组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以

51、模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解域上待求的未至场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个节点的数值和插值函数来表示。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数及其导数在各个节点的数值就成为新的未知量（即自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似值。显然随着单元数目的增加，单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加或者插值函数精度的提高，解得近似程度将不断改进。如果单

52、元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。当前的有限元方法是以位移为基本未知数，依据变分原理中的最小势能原理来建立有限元求解方程。其基本思路是：将计算对象进行离散，然后研究节点的平衡，最后利用插值技术获得域内解。下面以弹性力学平面为例，给出有限元的算法原理。首先，将连续体划分为有限个单元，单元之间由节点互相连接，不同单元的节点有不同的节点自由度。对于弹性力学平面问题，单元内任一点（x，y）的位移u（x，y），v（x，y）的插值公式可以写成： 或 (2-1)式中u（x，y），v（x，y）分别代表（x，y）在x和y方向的位移，ui,vi分别代表单元节点i的位移，从Ni=(x,y)代表插值形状函

53、数，称之为形状位移函数，它实现了用节点位移表示单元内位移的插值联系。单元节点上的位移是“有限”的，单元内的位移点是“无限”的，正是式（2-1）中的插值形状函数建立了二者之间的联系。弹性力学平面问题的几何方程给出了位移与应变之间的几何关系： （2-2）将(2-1)代入式（2-2），可得 （2-3）式中，称之为应力变量，d称之为单元节点位移向量，B称之为几何矩阵，它是对位移形状求导数得到的。式（2-3）实现了用节点位移表示单元内任意点处的应变。另外，弹性力学平面问题的物理方程（广义胡克定律）给出了应变与应力之间的物理关系： （2-4）式中不称之为应力变量，E称之为弹性矩阵，它取决于材料的物理特性，

54、对个向同性材料的平面应力问题， （2-5）式中E是材料杨氏模量，是泊松比。将式（2-3）代入（2-4），于是 (2-6)式(2-6)实现了由节点位移表示单元内任意点处的应力。根据弹性力学理论，线弹性连续体的总势能可写成积分形式： （2-7）式中，第一个积分是单元内应力的功，此功作为应变能储存起来，后两项分别表示体力和面力在它们的位移方向上所做的功而导致的势能减少，是位移函数，V代表积分体积，s代表边界表面上的积分面积。将（2-1）和式（2-3）代入式(2-7),于是得到了用节点位移d表示的单元总势能： （2-8）结构的总势能是对每一个单元势能求和得到的，同时还应包括作用在结构某些节点上的外加集中力P的势能，定义P的分量与节点自由度方向相同为