武漢科技大學碩士學位論文第1 頁 摘要 鐵路運輸在整個國民經濟和社會發展中占有越來越重要的比重和作用 我國的鐵路 發展正處在快速發展的關鍵時期 根據中國鐵路建設規劃 到2 0 2 0 年中國高速鐵路總 里程將突破1 8 0 0 0 公里 屆時中國將擁有世界上規模最大的高速鐵路網 幾乎占全世界 高鐵里程總數的一半 動車和高速鐵路的發展 加快了中國經濟社會的全面發展 也引 領世界經濟與社會的發展 所以動車的快捷 安全 順暢運行和檢修工作顯得格外重 要 動車組檢修共分為五級 通常一級 二級檢修時動車組整列進入檢修基地進行作 業 三級及以上級別檢修時需要機車車體與轉向架分離 此時需要配套的設備承載牽引 機車車體 本文針對動車三級及以上級別檢修要求 設計一種新型的工藝轉向架 工藝 轉向架可滿足各型動車的需求 可以在機車車體和轉向架分離后 替換轉向架 牽引承 載機車車體 完成車體在各檢修工位間移動的專用工裝設備 目前很多國家都高度重視 機車關鍵零部件的檢修維護問題 工藝轉向架可實現不同列車的快速檢修及調度服務 工藝轉向架的可靠設計與分析顯得格外重要 不僅影響機車的檢修效率 而且對機車的 安全快速替換或檢修起到人為無法替代的作用 本文所研制的動車工藝轉向架采用c a d c a e 技術 具備承載 運輸四種動車車體需要 的工藝設備 利用a n s y sw o r k b e n c h 軟件對其關鍵零部件進行有限元分析和優化設計研究 其主要研究內容與結果如下 1 結合鐵路行業標準和工藝轉向架的技術規格書 設計一種可以滿足國內動車不 同車型 包括c r h i c p h l 2 c r h 3 c r h 5 型動車 支撐寬度要求的工藝設備 采用二維軟 件c a x a 完成該工藝轉向架的初步結構設計 其中創新之處為采用橫向移動滑板在燕尾槽 內橫向移動 調節橫向寬度以滿足不同車體寬度的需求 2 利用三維設計軟件p r o e 對工藝轉向架初步結構設計的關鍵部件構建三維模 型 結合工藝轉向架的實際工況 在a w e a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t 環境中對工 藝轉向架關鍵部件進行靜力學強度分析 疲勞強度分析和結構動力學模態分析 3 構架和橫梁的優化是工藝轉向架輕量化設計的核心優化問題 在材料和結構形 狀不變的情況下 在a w e 環境中對構架和橫梁的主要結構尺寸進行優化 并取得明顯的 效果 關鍵詞 動車 a n s y sw o r k b e n c h 工藝轉向架 優化設計 第l i 頁武漢科技大學碩士學位論文 a b s t r a c t r a i lt r a n s p o r tp l a y sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tp r o p o r t i o na n dr o l ei nt h ee c o n o m i ca n d s o c i a ld e v e l o p m e n t a n dc h i n a sr a i l w a yd e v e l o p m e n ti sa tac r i t i c a l p e r i o do fr a p i d d e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt oc h i n a sr a i l w a yc o n s t r u c t i o np l a n t h et o t a lm i l e a g eo fc h i n a s h i g h s p e e dr a i l w a yw i l lb ee x c e e d e d18 0 0 0k mb y2 0 2 0 a tt h es a m et i m ec h i n aw i l lh a v et h e l a r g e s th i g h s p e e dr a i ln e t w o r ki nt h ew o r l d a c c o u n t i n gf o ra l m o s th a l f o ft h et o t a lh i g h s p e e d r a i l w a ym i l e a g e m o t o rc a ra n dh i g l l s p e e dr a i l sd e v e l o p m e n ts p e e d su pc h i n a se c o n o m i ca n d s o c i a lo v e r a l ld e v e l o p m e n t b u ta l s ol e a d st h ew o r l de c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t s o m o t o rc a r sf a s t s a f e s m o o t ho p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ew o r ka r ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t e m um a i n t e n a n c ei sd i v i d e di n t of i v el e v e l u s u a l l yw h e no n e t w ol e v e lo fm a i n t e n a n c e t h ee n t i r el i n ee n t e r st h em a i n t e n a n c eb a s e w h e nt h r e ea n da b o v et h el e v e lo fm a i n t e n a n c e m o t o rc a rb o d ya n db o g i ea r es e p a r a t e d a tt h i st i m et h ee q u i p m e n ti sn e e d e dt os u p p o r ta n d c a r r yt h eb o d y i nt h i sp a p e r m o t o rc a rf o rt h r e ea n da b o v em a i n t e n a n c er e q u i r e m e n t s t o d e s i g nan e wp r o c e s sb o g i e p r o c e s sb o g i ei st h es p e c i a lt o o l i n ge q u i p m e n t t om e e t st h en e e d s o fv a r i o u st y p e so fm o t o rc a r 9t or e p l a c eb o g l e s t oc a r r yt h eb o d yt oc o m p l e t eb o d yt om o v e b e t w e e nt h er e p a i rs t a t i o na f t e rt h es e p a r a t i o no ft h eb o d ya n dt h eb o g i e a tp r e s e n t m a n y c o u n t r i e sh a v ea t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et ot h el o c o m o t i v em a i n t e n a n c ep r o b l e m so fk e yp a r t s a n dp r o c e s sb o g i ee n a b l e sd i f f e r e n tt r a i nf a s tm a i n t e n a n c e d i s p a t c hs e r v i c e s r e l i a b l ed e s i g n a n da n a l y s i so ft h ep r o c e s sb o g i ei sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t n o to n l ya f f e c t st h ee f f i c i e n c yo ft h e l o c o m o t i v er e p a i r b u ta l s of o rt h es a f e t yo fm o t o r c y c l er e p a i rq u i c k l yr e p l a c eo rp l a y i r r e p l a c e a b l er o l et om a n m a d e i nt h i sp a p e r t h i sm o t o rc a rp r o c e s sb o g i eu s e dc a d c a et e c h n o l o g yi sap r o c e s s e q u i p m e n tt h a tc a nb e a r t r a n s p o r tf o u rm o t o rc a rb o d y c o m b i n ew i t l la n s y sw o r k b e n c h s o f t w a r ef o rk e yp a r t so fp r o c e s sb o g i et of i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g n r e s e a r c h t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 c o m b i n i n gt h er a i l w a yi n d u s t r ys t a n d a r d sa n dp r o c e s sb o g i et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s l d e s i g nap r o c e s se q u i p m e n tt om e e tt h ed o m e s t i cm o t o rc a rd i f f e r e n tt y p e i n c l u d i n g c r i ii c r h 2 c r h 3 c r h 5 m a k eu s eo fc a x as o f t w a r et oc o m p l e t ep r e l i m i n a r y s t r u c t u r a ld e s i g nf o rp r o c e s sb o g i e n ei n n o v a t i o ni st ou s el a t e r a lm o v e m e n ts l i d et om o v ei n t h ed o v e t a i ls l o t t oa d j u s tt h eh o r i z o n t a lw i d t hf o rm e e t i n gt h en e e d so fd i f f e r e n tb o d yw i d t h s 2 m a k eu s eo ft h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r ep r o et of i n i s ht h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lc o n s t r u c t i o no fk e yc o m p o n e n t sf o r t h ep r o c e s sb o g i ep r e l i m i n a r ys t r u c t u r a ld e s i g n w i t h t h ea c t u a lp r o c e s sc o n d i t i o n s c a r r yo u tt h es t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i s f a t i g u ea n a l y s i s a n d s t r u c t u r a ld y n a m i c sm o d a la n a l y s i so ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h ep r o c e s sb o g i ei nt h ea n s y s w o r k b e n c he n v i r o n m e n t a w e e n v i r o n m e n t 3 t h eo p t i m i z a t i o no ff i a m ea n db e a mi st h ec o r ep r o b l e mf o rl i g h t w e i g h tp r o c e s sb o g i e o p t i m i z a t i o nd e s i g n m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e ss h a p ei nt h es a m ec i r c u m s t a n c e s o p t i m i z et h e s i z eo ft h em a i ns t r u c t u r a lf o rf la m ea n db e a mi nt h ea w ee n v i r o n m e n t a n da c h i e v e s i g n i f i c a n tr e s u l t s k e y w o r d s m o t o rc a r a n s y sw o r k b e n c h p r o c e s sb o g i e o p t i m i z a t i o nd e s i g n 武漢科技大學碩士學位論文第1 頁 第一章緒論 1 1 課題背景 隨著我國經濟社會的快速發展 高速鐵路的發展也進入新的發展時期 動車的安全 穩定運營顯得格外重要 鐵路運輸與其他各種現代化運輸方式相比較 具有運量大 能耗 低 安全便利和運價低廉等特點 其強大的功能和社會效應贏得社會的廣泛青睞 黨的十 六大以來 黨中央 國務院從落實科學發展觀 實現國民經濟又好又快發展的戰略全局出 發 做出了加快發展鐵路的重要決策 按照黨中央 國務院的決策部署 站在適應全面建 設小康社會需要 構建符合科學發展要求的綜合交通體系 促進國民經濟又好又快發展的 戰略高度 鐵路系統加快實施國務院批準的 中長期鐵路網規劃 全面推進大規模鐵路 建設和技術裝備現代化 其中高速鐵路是鐵路發展的重點之一 國家戰略的調整帶動動車 組的快速發展 與此同時 與動車檢修相關的檢修設備也需提上日程 才能更好的為動車 安全 快捷 舒暢運行做好保障工作 我國動車的發展起步比較晚 配套的檢修設備比較 欠缺 市場空缺比較大 所以對動車檢修服務設備的研發顯得意義重大 通常 動車的日常檢修是整列進入檢修基地進行簡單的檢修工作 但當檢修級別達到 三級及以上級別時需要動車車體與轉向架分離 此時需要研制一套設備 可以承載牽引車 體 實現車體在不同工位間的移動 工藝轉向架可實現這一功能 其用于各型和諧型大功 率六軸交流傳動電力機車車體與轉向架分離后 替換轉向架 牽引承載和諧型六軸大功率 交流傳動電力機車車體 完成車體在各檢修工位間移動的專用工裝設備 鑒于以上要求 結合 武漢機車檢修基地工藝轉向架技術規格書 本論文主要對工 藝轉向架進行結構設計和優化設計研究 1 2 國內外的研究現狀 工藝轉向架可承載牽引動車車體 替換動車轉向架 方便檢修轉向架和機車車體 可 滿足不同類型動車車體在不同工位間移動的需要 可見工藝轉向架和貨車轉向架及電動平 車轉向架的功能和結構類似 1 近幾年 我國的鐵路轉向架得到不同程度的發展 其中有代表性的有 春城 號動車組用c w d t 型 長白山 號動車組用c w 2 0 0 d 型 中原之星 動車組用d d b 一1 型 d t b 一2 型 中華之星 動車組用s w 3 0 0 型 c w 3 0 0 型和 先鋒 號動車組用p w 一2 5 0 m t 型轉向架拉 另外工藝轉向架與貨車轉向架的功能類似 相關的貨車轉向架有轉k 1 型轉向架 轉 k 2 型轉向架 轉k 3 型轉向架 轉k 4 型轉向架 轉k 5 型轉向架 轉k 6 型轉向架 轉k 7 型轉向架 轉8 a 型轉向架 轉8 a g 型轉向架和轉8 g 型轉向架 轉k 1 型轉向架 如圖1 1 由齊車集團公司自行研制開發 并在兩側架間安裝了四 連桿機構 屬三大件式轉向架 轉k 1 型轉向架主要結構特點是 兩側架間安裝彈性四連 桿機構 連桿從搖枕腹部穿過 用橡膠錐套與支撐座錐柱連接四個節點 在側架導框頂面 與承載鞍頂面之間安裝八字形橡膠墊 實現輪對的彈性定位 該設計結構可以吸收部分輪 軌間的動作用力產生向車體傳遞的振動能量 減小輪軌沖擊對車輛運行平穩性的影響 減 第2 頁武漢科技大學碩士學位論文 輕鋼軌和車輪輪緣的磨耗 減振裝置為斜楔式變摩擦減振裝置 中央懸掛系統采用兩級剛 度彈簧 上下心盤之間安裝心盤磨耗盤 采用雙作用彈性旁承 圖1 1 轉k 1 型轉向架 轉k 2 型轉向架 如圖1 2 是帶有變摩擦減振裝置的新型鑄鋼三大件式貨車轉向架 最高運行速度為1 2 0 k m h 采用了以下新技術和新結構 1 采用側架彈性交叉支撐裝置 使兩個側架在水平面內實現彈性交叉聯結 2 中央懸掛系統采用兩級剛度懸掛設計 3 采用雙作用常接觸滾子旁承結構 4 采用針狀鑄鐵斜楔等耐磨材料 提高減振裝置的使 用壽命 5 加設心盤磨耗盤 6 主要摩擦副均采用耐磨件 轉k 2 型轉向架是1 9 9 8 年研制的我國新造提速轉向架之一 目前己批量應用于新造棚車 敞車 同時也適用于軌 距1 4 3 5 m m 最高運行速度為每小時1 2 0 公里的各型鐵路貨車 圖1 2 轉k 2 型轉向架 轉k 3 型轉向架 如圖1 3 是消化吸收后再創新的事例 由株洲車輛廠吸取歐洲y 2 5 型轉向架的優點并結合我國的具體情況設計開發的構架式轉向架 采用整體構架 常接觸 彈性旁承等技術 輪對縱向橫向彈性定位 軸箱一系懸掛 整體構架由兩個側梁 個橫 梁采用1 6 m n o 板材組焊為一體 利用單側斜楔減振裝置 斜楔的摩擦面上加裝高分子合成 材料的磨耗板 在與斜楔相對的導框座中安裝了縱向定位彈簧 導框座 斜楔座為b 級鋼 鑄件 基礎制動裝置裝用單側吊掛式制動梁 高摩合成閘瓦 裝用球面心盤 武漢科技大學碩士學位論文第3 頁 圖1 3 轉k 3 型轉向架 轉k 4 型轉向架 如圖1 4 由2 0 0 1 年株洲車輛廠引進美國擺式轉向架技術研制開發 其主要結構由側架 搖枕 彈簧托板 搖動座 搖動座支承 承載彈簧 減振裝置 輪對 和軸承 基礎制動裝置及常接觸彈性旁承等組成 采用兩級剛度彈簧及變摩擦減振器 斜 楔主摩擦面采用合成材料 基礎制動裝置采用高磷鑄鐵閘瓦或高摩合成閘瓦 l c 型組合 制動粱 圖1 4 轉k 4 型轉向架 轉k 5 型轉向架 如圖1 5 適用于標準軌距 軸重2 5 t 商業運行速1 2 0 k m h 的各型 鐵路貨車 該轉向架是借鑒轉k 4 轉向架成功經驗基礎上研制丌發的新型大軸重擺式轉向 架 同時對彈簧托板結構進行了優化 增強轉向架的運用安全性和可靠性 該轉向架主要 由側架 搖枕 彈簧托板 搖動座 搖動座支撐 承載彈簧 減震裝置 輪對和軸承 基 礎制動裝置及常接觸式彈性旁承等組成 采用兩級剛度彈簧及變摩擦減震器 減震外簧比 承載鞍高1 3 m m 組合式斜楔的主摩擦板采用高分子材料 副摩擦而材質為 j 式體球景鑄 鐵 采用2 5 t 軸重 雙列圓錐滾子軸承 r e 2 a 型5 0 鋼車軸及i m 型磨耗型踏面的新結構 鑄鋼或輾鋼車輪 坫礎制動裝置采j f 貨車 2 0 0 2 1 1 號義批準的鐵路貨乍高摩擦系數合 成閘瓦 巾鋇0 滑褙j 弋糾l 合j 制動梁 制動札桿采用奧一貝球墨鑄鐵襯套 第4 頁武漢科技大學碩士學位論文 圖1 5 轉k 5 型轉向架 轉k 6 型轉向架 如圖1 6 是在借鑒轉k 2 轉向架成功經驗基礎上研制的新型三大件 式貨車轉向架 一系懸掛利用軸箱彈性橡膠墊 降低輪軌作用力 二系懸掛采用帶變摩擦 減震裝置的二級剛度中央懸掛系統 下心盤的直徑為3 7 5 m m 內設含油尼龍心盤磨耗盤 采用雙作用常接觸式彈性旁承 裝用2 5 t 軸重雙列圓錐滾子軸承 采用輕型新結構h e z b 型鑄鋼輪或h e s a 型碾鋼車輪 基礎制動裝置為中拉桿式單側閘瓦制動裝置 采用l a 或 l b 型組合式制動梁 新型高磨合成閘瓦 轉k 7 型轉向架 如圖1 7 是在原三大件轉向架的基礎上將一個輪對的左右兩個承 載鞍相連 形成u 形副構架 前后兩個輪對通過連接桿與兩u 形副構架銷接在一起 從而 形成自導向機構 這種結構在轉向架通過曲線時 由于前輪對的導向作用 將拉 壓力通 過連接桿傳遞到后輪對 再加上一系橡膠堆的存在 使得轉向架具有較小的抗彎剛度 允 許轉向架輪對在曲線上作徑向或八字形位移 但限制菱形位移 提高了系統的穩定性 轉 k 7 型轉向架 主要用于大秦線8 0 t 級運煤敞車 亦可用于其它7 0 t 級鐵路貨車 并能滿 足貨車1 2 0 k m h 的運行要求 艨滔 麗黧鬟飄i 露霸羚 娶 磁琢飄 皆絮蘩溺斛 鐐 吲 j l 一 j 吐 乏j 群習髏舞r 潭 j 墨誓醞1 l 懣嗣 鼉器擘駕鬻j 圖1 6 轉k 6 型轉向架圖i 7 轉k 7 型轉向架 轉8 a 系列轉向架由轉8 a 轉向架 如圖1 8 轉8 a g 轉向架和轉8 g 轉向架三種 轉 8 a 固定軸距由1 7 0 0 m m 改為1 7 5 0 m m 側架下平面距軌面高度由1 9 0 m m 改為1 7 0 m m 加大搖 枕端部上平面與側架上弦桿下平面之問的問隙 方便枕簧裝卸 枕簧的撓度余量系數由 參 武漢科技大學碩士學位論文第5 頁 0 9 改為0 7 在保持彈簧靜撓度3 5m f n 不變的情況下 縮小了彈簧的平均直徑 相應縮 減了側架的彈簧承臺寬度 搖枕端部與側架中央方孔的寬度縮小 從而加大了側架的三角 孔 側架立柱角度由0 度改為2 5 度 立柱磨耗板厚度由6 r n m 改為1 0 m m 并增加硬度要 求 提高減振系統減振作用的穩定性 制動梁由吊掛式改為滑槽式 下旁承與搖枕由原來 鑄成一體改為下旁承盒與搖枕鑄為一體 在旁承盒內安裝旁承鐵 方便了旁承間隙的調整 下心盤用螺栓緊固在搖枕心盤安裝面上 方便了車鉤高度的調整 結構簡單 自重輕 強 度較大 運行性能較好 成為我國5 0 t 一6 0 t 貨車使用的主型轉向架 轉向架構造速度1 0 0 k m h 抗菱剛度低 重車運行速度約8 0 k m h 空車運行速度約6 0 k m h 一7 0 k m h 時即可產 生蛇行運動 枕簧空車靜撓度偏小 減振裝置的減振性能不穩定 當斜楔和與其配合的磨 耗板磨耗到接近段修限度時 減振裝置便喪失了減振作用 與車體之間的回轉阻力矩較小 導致車體的低速搖頭運動不能得到有效抑制 使車輛的動力學性能變差 2 0 0 1 年8 月全 路停止生產轉8 a 型轉向架時 各型貨車上總共裝用近5 0 萬臺 當時貨車總數5 5 萬臺 經過大量試驗與各種修改 證明轉8 a 三大件式轉向架無法提速 轉8 a g 型轉向架 如圖1 9 齊哈爾鐵路車輛 集團 有限責任公司設計制造轉s a g 型轉向架 在轉8 a 基礎上加裝交叉支撐裝置 含油尼龍心盤磨耗盤 雙作用彈性旁承 兩級剛度彈簧 為適應兩級剛度彈簧 將搖枕彈簧定位圓臍適當加高 為適應交叉支撐裝 置 采用了新結構下拉桿 其他零部件與轉8 a 相同 交叉支撐裝置大大提高轉向架抗菱 剛度和抗剪剛度 雙作用彈性旁承約束車體側滾運動 提高轉向架與車體間回轉阻力矩 兩級剛度彈簧提高轉向架空車彈簧靜撓度 使空車磨耗到段修限度時轉向架還能夠保證有 一定的相對摩擦因數 解決減振系統失效問題 共計改造約2 萬臺 改造后可滿足商業運 營速度9 0k m h 要求 圖1 8 轉8 a 型轉向架 圖1 9 轉8 a g 型轉向架 目8 一 1 豳 轉8 g 型轉向架 如圖1 1 0 的側架強度儲備偏低 轉8 a g 改造時 側架斜弦支撐座 組裝部位結構差別較大 支撐座適應不同生產廠家的側架難度較大 支撐座結構復雜 焊 接的可靠性較差 在轉8 a g 基礎上重新優化設計b 級鋼材質的新結構側架 交叉支撐裝置 含油尼龍心盤磨耗盤 雙作用彈性旁承 兩級剛度彈簧 下拉桿與轉8 a g 相同 其余主要 零部件與轉8 a 相同 2 0 0 2 年3 月以來 運用中陸續發現轉s a g 轉8 g 交叉支撐裝置蓋板 與定位座部位產生裂紋 齊車公司對交叉支撐蓋板與定位座焊接結構進行優化 轉8 g 裝 第6 頁武漢科技大學碩士學位論文 車約2 3 萬臺 現已停止生產 一 群穢 圖1 i 0 轉8 g 型轉向架 文獻 3 是基于a w e 的礦用車車架結構分析 對車架進行靜力學條件下的應力應變分 析和模態分析 基于a w e 的自行車車架的分析 對車架進行應力應變分析 模態分析 屈 曲分析 大大縮短了設計周期 最后整合這些分析完成對車架的形狀優化設計n 1 動車在定期檢修時 可以由工藝轉向架替換動車轉向架 實現承載運輸機車車體 滿 足機車車體與動車轉向架在不同檢修工位間移動的需要 單節機車車體由動力轉向架和非 動力工藝轉向架配合使用 共同支撐機車車體 便于更好地檢修機車車體及其轉向架等零 部件 目前國內的工藝轉向架的設計與應用才i i i i i i 起步 國內有四方動車生產基地 北京動 車檢修基地等幾個地方正在使用此類設備 工藝轉向架從設計和使用角度上是庫內替代動 車轉向架 用于轉向架在生產基地和檢修基地進行作業 為動車車體提供了一個具有移動 功能的臨時平臺 2 早在2 0 世紀6 0 年代 日本開發了第一代0 系列的動車組d t 2 0 0 型動力轉向架 其中一系懸掛系統采用i s 拉板雙圓簧支撐 中央懸掛系統采用空氣彈簧 液壓減震器等 組成 后來又開發了3 0 0 系列的動車組d t 2 0 3 型 5 0 0 系用的w d t 9 1 0 1 9 1 0 2 9 1 0 3 型等2 0 余種轉向架 這些轉向架在結構上不斷改進簡化 采用鋼板焊接結構 鋁合金軸箱和空心 車軸等技術實現其輕量化和滿足強度需求的轉向架 日本新干線高速旅客列車是世界上最 早的高速客運列車 日本的轉向架經歷了四代 0 系為第一代 1 0 0 系為第二代 3 0 0 系 為第三代 5 0 0 系和7 0 0 系為第四代 而最早的0 系列全為動力轉向架 1 0 0 3 0 0 和7 0 0 系才生產了非動力轉向架乜1 歐洲的高速動車組采用動力集中的模式 其動力轉向架的模式與現代動力分散的轉向 架模式有很大的區別 其非動力轉向架則有常規的客車轉向架演變而來 歐洲近些年設計 的動力分散轉向架與日本新干線的動車組轉向架模式基本一樣 都采用無搖枕的結構 且 構架也是采用焊接結構 另外 部分歐洲國家還通過采用擺式列車技術實現在既有鐵路路 線上的高速運行口1 比如法國的t g v 高速列車采用鉸接式轉向架 并且是相鄰的機車公用 武漢科技大學碩士學位論文第7 頁 一臺轉向架 德國著名的最新的高速客車轉向架是城間高速列車i c e 所用的轉向架 其特 點是在牽引系統設計中把盡可能多的重量從轉向架轉移到車體以降低車輪動載荷 其中轉 向架構架為箱型焊接結構 由兩根中間為凹形的側梁組成 二系懸掛為加有橡膠堆的空氣 彈簧 并裝有抗側滾扭桿穩定器和抗蛇形減震器 一系懸掛是螺旋彈簧加垂直減震器 用 單側的拉桿定位 意大利的e t r 5 0 0 高速電動車組用轉向架 動車轉向架構架支撐在四個 軸箱螺旋彈簧上 軸箱用拉桿定位 橡膠元件可以保證構架和軸箱之間的彈性聯接 車軸 上裝有圓錐滾動軸承的軸箱 二系懸掛裝置設有四個帶橡膠件的螺旋彈簧 每臺轉向架設 有兩臺牽引電機 使用四個關節式橡膠元件和不傳遞垂直載荷的銷將電機固定在轉向架 上 日本的工藝轉向架有悠久的歷史 技術比較成熟 日本采用的動車工藝轉向架 在技 術和應用范圍上領先于國內 具備適用多種車型 動力拖動和手動操作功能 歐洲的轉向 架也有長足的發展 但適用車型少 僅限于支持本國系列的動車車型 操作不方便 且需 外接電源提供動力 1 3 主要研究內容及技術路線 近幾年 我國動車裝備得到較快發展 動車速度不斷提高 距離由短途到長途的發展 歷程 動車的檢修 保養工作迫在眉睫 結合我國動車的不同型號 設計出可實現橫向移 動和彈性支撐功能 且滿足不同型號動車需求的工藝轉向架 其中研發的該動車工藝轉向 架自帶蓄電池作為動力源 可方便快捷裝載及持續運輸機車車體 針對國內動車組機車的不同型號需求 借助于計算機輔助設計與分析軟件 結合鐵路 行業標準和工藝轉向架技術說明書 研發一套新型的通用性強的工藝轉向架 使得在機車 車體與轉向架分離的同時由工藝轉向架來支撐和牽引機車車體 方便機車車體與轉向架在 不同工位的檢修要求 對工藝轉向架的設計 首先完成其初步的設計方案 再借助c a d c a e 技術與方法對轉向架關鍵部件進行有限元分析和優化設計研究 使工藝轉向架在滿足強度 剛度的同時 實現輕量化的目標 其主要的研究內容和方法為 1 根據動車不同車體的要求 實現可以橫向調整寬度的設備 采用燕尾槽結構 利 用橫向滑板及其彈性支撐部件在燕尾槽內橫向滑動 及時調整橫向寬度 滿足不同動車車 體寬度的需求 首先設計總體結構尺寸 再設計其他零部件結構與尺寸的思路 逐步實現 各個零部件的詳細設計 進而完成工藝轉向架的初步設計 2 根據初步設計 采用p r o e 軟件構建工藝轉向架的關鍵零部件三維模型 結合工 藝轉向架的實際工況 在a w e 環境中對構架和橫梁進行靜力學強度分析 疲勞強度分析和 動力學模態分析 針對分析結果 進一步分析初步設計是否合理 是否滿足設計要求和使 用要求 同時可以對設計方案中不滿足設計要求的結構進行相應的改進 3 基于a n s y sw o r k b e n c h 軟件 對工藝轉向架的關鍵部件進行優化設計 采用實驗 設計的方法 結合靜力學分析結果 對構架與橫梁進行尺寸優化 通過優化設計 使得構 架與橫梁在滿足強度 剛度的同時 實現輕量化的設計目標 并驗證優化后的結構可靠性 第8 頁武漢科技大學碩士學位論文 全文對工藝轉向架的設計與分析主要的流程如圖1 1 l 所示 圖1 1 1 工藝轉向架設計的c a d c a e 流程 1 4 本章小結 本章從全局的角度介紹該課題的研究背景和意義 闡述了國內外轉向架的發展與研究 情況 結合文獻 1 及其實際工況 確定研究的主要內容 提出研究的主要技術路線 理 清全文的研究思路和方向 為后續的研究工作奠定堅實基礎 武漢科技大學碩士學位論文第9 頁 第二章動車工藝轉向架的初步設計 2 1 動車工藝轉向架設計需求 2 1 1 適用范圍 工藝轉向架適用于各型和諧型大功率六軸交流傳動電力機車車體與轉向架分離后 替 換轉向架 牽引承載和諧型六軸大功率交流傳動電力機車車體 完成車體在各檢修工位間 移動的專用工裝設備 2 1 2 適用環境 海拔高度 1 0 0 0 米 環境溫度 一1 0 4 5 相對濕度 月平均不大于9 0 最高相對濕度不大于9 5 電電源 a c3 8 0 v5 0 h z 三相五線制 工作制 間歇工作 連續工作不小于3 小時 工作場地 室內 外 坡度要求 3 2 1 3 基本性能要求 設備應能滿足各型和諧型大功率六軸交流傳動電力機車車體的承載 并能在各檢修區 或檢修工位之間移動 工藝轉向架應該包括動力工藝轉向架和非動力工藝轉向架兩種類 型 兩者配對使用 共同支撐單節機車車體 2 1 4 設備主要性能參數要求 1 動力工藝轉向架設計要求n 1 表2 1 動力工藝轉向架設計要求 軌距 1 4 3 5 m m 軸距 輪徑 電池容量 充電電壓 充電電流接口 承載平臺面高 載重 最大運行速度 設備連續工作時間 驅動裝置控制方式 2 5 0 0 r a m 7 7 0 8 4 0 咖 大于8 0 v 3 0 0 a h 鋰電電池組 a c 3 8 0 v 1 0 5 0 h z 4 0 a 滿足車鉤中心線距軌面高度不大于8 8 0 r a m 5 0 t 3 k m h 可調 不小于3 小時 手持線控 第1 0 頁武漢科技大學 碩士學位論文 2 非動力工藝轉向架設計要求 表2 2 非動力工藝轉向架設計要求 軌距 1 4 3 5 m m 軸距 輪徑 承載平臺面高 載重 2 5 0 0 m m 7 7 0 8 4 0 衄 滿足車鉤中心線距軌面高度不大于8 8 0 m m 5 0 t 2 1 5 工藝轉向架的基本結構 動力工藝轉向架由工藝轉向架主體 牽引裝置 支撐裝置 電源裝置 控制系統組成 其中工藝轉向架主體由機架 構架與橫梁 動力輪對 非動力輪對 控制系統和電池安 裝座 連接裝置組成 牽引裝置包括交流電機 驅動器 減速機 電源裝置由充電機 鋰 電池 電池管理系統組成 控制系統由控制器 報警器 狀態指示燈 停車制動裝置 線 控手柄組成 非動力工藝轉向架由工藝轉向架主體 支撐裝置 非動力輪對組成 通常動 力轉向架與非動力轉向架兩者配合使用 共同支撐運輸一節機車車體 工藝轉向架主體應具備支撐各型大功率機車車體的結構要求 外觀及設計應符合檢修 基地的環境及使用要求 工藝轉向架的支撐高度應滿足各型大功率機車檢修工藝的高度要 求 且應保證各機型機車檢修平臺高度一致 長度和寬度滿足現場要求及轉盤要求 2 2 四種動車車體的主要技術參數 目前我國 和諧號 動車均為高速動車組列車c r h c h i n ar a i l w a y sh i g h s p e d 系 列 主要運營的動車c r h 型號有 c r h l c r h 2 c r h 3 c r h 5 本次設計的工藝轉向 架主要針對該四種動車車型 其車體的主要技術參數如下表 表2 3 我國現有四種動車車體的主要技術參數 2 3 工藝轉向架的初步結構設計 結合工藝轉向架技術規格書和四種動車車體的主要技術參數 對工藝轉向架的關鍵機 械部分進行結構設計與選型 一套工藝轉向架通常由動力工藝轉向架和非動力工藝轉向架 組成 兩者配對使用 支撐單節機車車體 動力工藝轉向架主要由構架 橫梁 輪對 減 速機與電機 軸箱和彈性支撐部件等組成 非動力工藝轉向架無需電機與減速機部件 其 余結構與動力工藝轉向架相同 武漢科技大學碩士學位論文第ll 頁 2 3 1 構架的結構設計 1 構架的功能 傳遞載荷 即傳遞車體至輪對和輪對至車體載荷 為一系懸掛系統提供支持 支持蓄電池組的配備安裝 為其它各種輔助裝置 減震裝置 報警器 掛鉤等 提供支持 2 構架的結構設計參數 構架是工藝轉向架的主要承載部件 構架兩側為兩根側梁 每根側梁由內側板 外側 板 頂板 彈性支撐板以及筋板焊接而成 其中內 外側板及頂板的厚度均為1 2 姍 筋板 厚度為3 0 咖 構架的一端為牽引梁 另一端為端梁 兩者結構完全相同 可實現雙向牽 引 中間由兩鋼管橫向連接 另有四根角鋼橫向連接以支撐兩個蓄電池箱 根據現有動車 不同車體的要求 結合文獻 5 和設計經驗 構架初步設計的總體尺寸 長3 8 0 0 咖 寬 2 1 0 0 咖 高4 5 0 咖 固定軸距2 5 0 0 姍 每根側梁寬4 2 5 姍 初步設計的構架的平面圖如圖 2 1 所示 o 2 圖2 1 構架的平面圖 2 3 2 橫梁的結構設計 1 橫梁的功能 將車體的重量由橫梁傳遞到構架的側梁 橫向滑板在橫梁的燕尾槽內橫向滑動來調節其橫向寬度 在橫梁兩端安裝手輪實現橫向滑板的雙向調整功能 2 橫梁的設計參數 橫梁的設計需考慮滿足四種車型的車體需要 既可以實現調整轉向架的橫向移動 又 可以保障承載的安全平穩性 借鑒車床的燕尾槽導軌結構 絲杠帶動工作臺在燕尾槽導軌 上滑動 故在橫梁的橫向移動裝置中采用燕尾槽結構 燕尾槽導軌有支撐和導向作用 并 在橫梁的兩端各安裝一個手輪 方便操作人員在轉向架兩側操作 人工轉動手輪可帶動燕 尾槽內的橫向滑板橫向滑動 實時調整橫向寬度 以滿足不同動車車體的需要 橫梁主要由兩側梁 燕尾槽 中間兩鋼管及橫梁兩端的鋼板焊接而成 橫梁外形近似 第1 2 頁武漢科技大學 碩士學位論文 呈 船 形 單側側梁的四周 底面和頂面由共6 塊鋼板焊接組成 且四周及底面鋼板厚 度一致 初始厚度均為l o m m 頂板鋼板厚度為5 唧 兩側側梁對稱布置且對應結構與鋼板厚 度一樣 燕尾槽結構直接焊接在側梁頂板上 以實現滑板橫向移動調整工藝轉向架的橫向 寬度 兩側梁通過中間兩鋼管及兩端l o m m 厚的四塊鋼板焊接連接 初步設計的橫梁總體尺 寸為 長2 7 0 0 r a m 寬1 2 0 0 m m 高4 0 0 m m 橫梁的工程圖如圖2 3 所示 圖2 3 橫梁設計平面圖 2 3 3 車輪的結構設計 工藝轉向架與鋼軌相接觸的部分是輪對組件 輪對是工藝轉向架的主要行走部件 由 左右兩車輪過盈配合在同一根車軸上組成 輪對可以保證工藝轉向架在鋼軌上的運行和轉 向 承受來自機車的全部靜 動載荷 將其傳遞給鋼軌 另外 機車車輛的驅動和制動也 是通過輪對來實現的 結合我國鐵路行業標準 設計的輪對需要滿足軌距為1 4 3 5 m m 的要 求 且保證輪對內側距必須在1 3 5 3 2 毫米范圍以內 輪對分為動力輪對和非動力輪對 輪對主要由兩車輪和車軸組成 動力輪對安裝在動 力工藝轉向架上 非動力輪對則安裝在非動力工藝轉向架上 動力輪對需要安裝軸箱 減 速器和牽引電機 非動力輪對不需要安裝減速器和牽引電機 其他與動力轉向架相同 車輪是工藝轉向架與鋼軌直接接觸的部分 它將工藝轉向架的載荷傳遞給鋼軌 并在 鋼軌上滾動 目前我國車輛均采用碳素鋼整體碾壓車輪 具有較好的彈性和優良的防噪聲 性能 另外 車輪踏面外形有錐形踏面外形和磨耗形踏面外形兩種 具體外形如圖2 4 所示 3 2 一i 一 1 0 3 j 4 r 弋 1 6 3 2 一 o 7 一一3 5 r 建 7 0 6 5 弋 一 囊 一 投 罨l 蘑面基準線 3 剮 l 8 輪徑測量基線 t 錐形路面外形 瘩耗形路面外形 圖2 4 兩種車輪踏面外形圖 武漢科技大學碩士學位論文第1 3 頁 其中錐形踏面外形設置斜度的理由是 1 使車輛順利通過曲線 并減少車輪在鋼軌上的滑動 車輛運行在曲線上時 由 于慣性作用使輪對靠向外軌 在外軌滾動的車輪與鋼軌接觸部分的直徑較大 沿內軌滾動 的車輪與鋼軌接觸部分的直徑較小 輪對滾動后 恰好和曲線線路外軌長內軌短的情況相 適應 使車輛順利通過曲線 同時減少踏面在軌面上的滑行 2 車輪在直線上運行時 使車輛的復原性好 由于踏面上設有斜度 為了使軌面 與踏面接觸良好 鋼軌設有軌底坡 因此 車輛在直線上運行時 軌面對踏面的作用力方向是傾向線路中心的 其水平分 力具有使輪對處在線路中央的作用 這樣輪對就不容易被橫向力推動 即使輪對被橫向力 推向軌道一側 由于踏面有斜度 也容易恢復到線路中央位置 磨耗形踏面的幾何形狀與錐形踏面相比 其主要不同之處在于踏面采用三段弧線 r l o o m r 5 0 0 m 及r 2 2 0 姍 圓滑連接成的一條曲線和斜度為1 8 的一段直線所組成的 幾何圖形 采用磨耗形踏面減少了輪緣磨耗 延長車輪與鋼軌的使用壽命 故設計的車輪 采用磨耗形踏面l m 外形 結合車輛用輪對類型與尺寸 b se n l 3 2 6 0 2 0 0 3 中文版鐵路應用一輪對和轉向架輪對一 生產要求 t b t4 4 9 2 0 0 3 機車車輛輪對輪緣踏面外形 軸的設計尺寸和工藝轉向架的技 術規格書等綜合因素 設計車輪直徑為8 0 0 咖的l m 外形車輪 且車輪內側距為1 3 5 3 2 咖 設計的車輪工程圖如圖2 5 所示 圖2 5 車輪踏面的平面圖 2 3 4 電機與減速機的選擇 電機與減速機在工藝轉向架的行走運行的動力源 是實現轉向架滿足承載要求運行的 關鍵 選擇的電機和減速機不僅要滿足動力需要 而且要體積盡量小 滿足安裝空間等需 要 鑒于安裝空間和現有減速機及電機的產品特點 對電機與減速機的選型與安裝采用電 機與減速機可以直接組合在一起的裝配模式 1 電機類型的選擇 動車工藝轉向架的移動行走主要依靠電機的驅動來實現轉向架在不同車間或工位上 的移動 因此電機的選擇至關重要 工藝轉向架技術規格書的要求 選擇符合動車工藝轉 第1 4 頁武漢科技大學碩士學位論文 向架需要的直流電機 其中典型的生產機械選用電動機如表2 4 所示 表2 4 典型生產機械選用電動機的實例 機械 電機種類 優點缺點典型機械 特性 他勵調速平滑 范圍 需直流電源 結 大型機床 造紙機 印 硬構復雜 價貴 并勵寬 啟動轉矩大刷機等 直流 可靠性較差 電動機 串勵軟 啟動轉矩大 負載 電車 電動機車 起重 變化時可自動調同上 復勵軟機 卷揚機 沖床等 節轉速 結合工藝轉向架技術規格書和典型電動機的實例 工藝轉向架類似電動平車的應用 故選擇結構簡單 制造容易且性能可靠 成本低廉的無刷直流電動機 2 減速機的選型 鑒于工藝轉向架的安裝需要 需要考慮最好將電機和減速機直接配合在一起使用 參 照文獻 9 選擇f 系列平行軸三級斜齒減速機 減速比的要求選三級 f 系列平行軸三級斜齒減速機有以下特點 可以與直流電機組合 平行輸出 結構緊湊 傳遞扭矩大 工作平穩 噪音低 壽命長 安裝方式 底座安裝 法蘭安裝 扭力臂安裝 減速比 基本型二級4 3 2 5 3 三級2 8 2 2 7 3 組合至1 8 5 0 9 基本型二級輸入輸出旋轉方向相同 三級相反 輸出方式 空心軸輸出或實心軸輸出 平均效率 二級9 6 三級9 4 f c r 平均效率8 5 3 電機與減速機的型號確定 1 確定減速電機 根據工藝轉向架的性能參數及冗余原則 計算工藝轉向架的驅動功率n 們 工藝轉向架載重 5 0 t 工藝轉向架總重約 1 0 t 實際小于5 t 行車速度 v 5 0 m m in 車輪直徑 d 0 8 m 車輪周長 c 萬 d 3 1