毕业设计（论文）-200kmh城际列车动力转向架设计.doc

西南交通大学本科毕业设计 第72页200km/h城际列车动力转向架设计design of power bogie for 200km/h intercity train摘要自从世界上第一条高速铁路于1964年在日本东海道建成运行以来，尽管经历了曲折的发展过程，但由于高速铁路本身具有不可替代的优点，使其在世界许多国家得到了快速蓬勃的发展。为适应中国铁路跨越式发展要求，铁道部在2020年前规划建设“四纵四横”，总里程达12000多公里的高速铁路客运专线和快速客运通道。为了适应高速铁路的快速建设，高速列车的设计制造工作也是当务之急，而高速列车设计的核心则是转向架的设计。本文从高速列车的转向架设计出发，介绍了200km/h城际列车动力转向架的设计，该转向架采用无摇枕结构，轴距2500mm。一系悬挂采用转臂式轴箱定位，设置双卷弹簧和垂向减振器作为轴箱悬挂。车轴采用空心车轴，减小簧下质量，车轮踏面为lma磨耗型踏面。二系悬挂采用空气弹簧，设置抗侧滚扭杆和横向止挡，还具有横向减振器和抗蛇形减振器的设计。牵引方式采用单拉杆牵引。构架采用u形焊接构架，材料为q345低合金高强度结构钢。驱动装置则是由两个电机、联轴节和齿轮箱斜对称布置。制动方式采用轮盘式制动。焊接构架是高速动力转向架的关键结构之一，在车辆运行中承受牵引力、制动力、横向力和垂向力并将这些力传递给其他零部件。因此，构架的可靠性、安全性对列车运行有重要影响。本文利用大型通用有限元分析软件ansys进行了强度分析，首先建立焊接构架有限元分析模型；根据tb/t 2368-2005动力转向架构架强度试验方法标准确定焊接构架计算载荷工况；然后对构架进行加载和静强度计算。计算结果表明该转向架构架满足超常载荷和运营载荷工况下的强度要求。最后还对模型进行了模态分析，计算了转向架构架的固有频率，得到了转向架在不同频率下的振动图，可以通过结果来有效地避免共振。关键词：高速列车 动力转向架 结构设计 强度计算abstractsince the worlds first high-speed railway in 1964 to run in tokaido japan, although high-speed railway experienced a tortuous developing process, it was developing rapidly in many countries in the world because of its irreplaceable advantages. in order to meet the development requirements of china railway by leaps and bounds, the ministry of railways plans to build four vertical and four horizontal railway network by 2020, by then 12,000 kilometers of high-speed passenger rail line and rapid passenger access will be constucted. in order to adapt to the rapid construction of high-speed railway, the work of designing and manufacturing high-speed train is imperative, and its core is the bogie designing.in this paper, based on high-speed train bogie design, the design of 200km/h intercity train power bogie was introduced. the bogie adopts the bolsterless structure, and the wheelbase was set to 2500mm. the primary suspension was axle beam type, and two-volume spring and vertical damper as the axle box suspension. the hollow axles were used to reduce unsprung mass and the lma wheel-tread wear were used; the secondary suspension is air spring type. the anti-rolling torsion bar and horizontal-only block were set, and lateral shock absorber and anti-snake shock absorber also were used. the sigle bar is used to traction. the weld frame is u-shaped which material is the q345 high-strength low-alloy structure steel. the drive device is composed of two sets of motors, couplings and gearboxes symmetrically oblique. the brake type adopts the disc brake on wheel.weld frame is one of the key components of high-speed power bogie, which bears traction, braking, horizontal and vertical edge forces and delivers them to the other parts. therefore, the reliability, security of the frame has an important impact to the running of the train. this paper uses the large-scale finite element analysis software ansys to constructs the frame. firstly establish the finite element analysis model of the weld frame ; count the load cases on the weld frame according to the leaflet tb/t 2368-2005 motive power units-bogies and running gear-bogie frame structure strength tests; then carry the static strength on the frame and do strength calculation. the calculation result indicated that this bogie frame satisfies intensity request under the superior and operation load. finally the modal analysis to the model was carried on, and the natural frequency of bogie frame was calculated. the bogie vibro-record under the different frequency was obtained, and may be through the result to avoid resonating effectively.key words：high-speed train power bogie structure design strength calculation目录第1章 绪论11.1 选题背景11.2 国内外高速客车转向架发展概况21.2.1 法国31.2.2 德国41.2.3 日本61.2.4 其它国家71.2.5 中国81.3 本文主要研究的内容和方法12第2章 转向架总体设计132.1 构架132.2轮对轴箱装置152.2.1 轮对152.2.2 轴箱悬挂162.3 二系悬挂装置182.4 驱动装置202.5 基础制动装置202.6 本章小结22第3章 构架强度计算243.1 ansys软件简介243.2有限元处理问题的基本步骤253.3 有限元建模与网格划分253.4 载荷工况与计算273.4.1超常载荷工况下的计算载荷273.4.2 正常运营载荷工况下的计算载荷283.5 边界条件313.6 本章小结31第4章 ansys计算结果分析324.1 构架材料的许用应力计算324.2 超常载荷工况强度计算324.3 正常载荷工况强度计算354.3.1 工况1354.3.2工况2374.3.3 工况3394.3.4 工况4414.3.5 工况5434.3.6 工况6454.3.7 工况7474.3.8 工况8494.3.9 工况9514.3.10 工况10534.3.11 工况11554.3.12 工况12574.3.13 工况13594.4 模态分析614.5 结果分析644.6 本章小结65结论66致谢67参考文献68附录70第1章 绪论1.1 选题背景随着国民经济的飞速发展，人们生活水平的不断提高，环境保护与交通发展之间的矛盾日益突出，人们要求缩短乘坐时间，提高运输质量的要求也越来越高，提高列车运行速度成为铁路赖以生存和发展的唯一途径。因此，各国纷纷发展高速铁路，改善运输能力与运输需求之间的矛盾，实现可持续发展。而高速转向架则是高速动车组的关键技术之一，其性能的好坏直接与列车运行的安全性、可靠性、舒适性密切相关。随着我国高速铁路的快速发展，350km/h及以上速度等级的京沪高速铁路投入建设，一些发达国家相继与中国签署高速铁路建设相关协议，使得我国高速铁路的自身发展和走向世界进入了一个辉煌的时代。其实适合高速铁路的生存环境只有2条基本原则：第一是人口稠密和城市密集，而且生活水准较高，能够承受高速铁路比较昂贵的票价和多点停靠；第二是较高的社会、经济和科技基础，能够保证高速铁路的施工、运行与维修需要。随着城市化进程的加快和人民物质文化生活水平的提高，人际间的交流将更加频繁，这些预示着客运需求的潜力很大。而随着社会节奏的加快，时间价值观念越来越强，旅客运输的高速化是我国经济及社会发展的必然结果。2004年铁道部根据国务院“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的指导方针，通过引进国外高速铁路先进技术，立足国内、自主创新，已取得了实质性效果。2007年4月18日，采用引进动车组在既有线上实现了第6 次铁路大提速，最高列车运行速度达到250km/h，这也是既有线上世界最高运营速度，这一阶段为消化吸收阶段；2008年8月1日，为了配合北京奥运会的召开，在京津城际高速线上开行350km/h的高速列车，拉开了我国300km/h以上高速列车的发展序幕，其中把250km/h的动车组提升到了350km/h，这一阶段为再创新阶段；目前，全长1300多公里的京沪高速铁路正在建设中，2012年也将投入使用，所采用的动车组是自主创新的高速列车，其设计速度380km/h，持续运行速度350km/h，试验速度400km/h以上。京沪高速铁路将成为世界上连续直达运行里程最长、运营速度最高的高速铁路。 2004年1月，中国政府发布了中长期铁路网规划，明确了中国铁路网长期建设目标，计划到2020年，速度200km/h及以上的高速客运专线将达到1.2万km以上，2008年经国务院批准调整到1.8万km。路网包括“四纵四横”客运专线以及3个城际客运系统。到2010年2月，已经建成并投入运行的高速客运专线有10条，共计3968km；正在建设的客运专线有8条，共计3178 km； 计划建设的客运专线有20条，共计11095 km。届时，我国新建高速铁路的里程总长1.8万km，中国将成为名副其实的高速铁路大国。随着高速铁路的飞速发展，高速动车组的发展也要与时俱进，而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。所以说高速动车组的发展根本也就是转向架技术的革新。高速列车在全世界各地的极速奔驰，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。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、无磨耗轴箱弹性定位、盘形制动为主的复合制动系统，等等。根据国内外经验，转向架的设计有以下几个基本原则：(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能。(2)采用高强度、轻量化的转向架结构，以降低轮轨间动力作用。(3)采用能有效的抑制转向架蛇形运动，提高转向架蛇行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，尽量减小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系统。随着广大人民日益增长的生活需求，城市之间的到达时间已不能很好的满足人们的需要，为了改善人们的生活质量，本文研究的课题也正是在此背景下延伸出来的。1.2 国内外高速客车转向架发展概况高速客车的关键技术之一就是转向架，其历史可以追溯到19世纪中期。转向架的应用不仅提高了客车的运行速度，同时使车辆具有良好的曲线通过性能和舒适性。早期的客车转向架主要以铸钢结构或钢板铆焊结构为主，一系悬挂采用导框式轴箱加板簧方式，轴承为滑动轴承，其中央悬挂采用板簧加摇枕结构，心盘用于承载和传递纵向力，基础制动为踏面制动。随着制造水平的提高，客车转向架开始采用焊接构架结构。20世纪20年代开始出现了摇动台结构的转向架，有效地降低了二系横向刚度，从而大幅度提高了车辆的横向动力学性能。50年代后，盘形制动、磁轨制动及防滑器等新技术开始在客车上得到应用，为客车运行速度的提高奠定了基础。在此之后，空气弹簧的应用以及中心销取代了传统的心盘结构，使客车的动力学性能得到了进一步改善。70年代后，无摇枕转向架开始出现，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。进入90年代后，磁轨涡流制动开始应用，不仅消除了磨耗，降低了噪声，还大大提高了制动效率。1.2.1 法国二战前，法国铁路客车运用的几乎全是美国pennsylvania型转向架，该转向架采用传统的铸钢构架，一系悬挂为轴箱导框加均衡梁结构，中央悬挂采用摇动台、板簧及摇枕的模式，承载方式为摩擦旁承加心盘的组合。在此基础上，法国国铁(sncf)设计出了最高速度为140km/h的y16型转向架，随后又开发和研制出了 y20、y24和y26型转向架，其中，y26型转向架首次采用了空气弹簧，最高试验速度达到了180km/h，并于1968 年投入运用。在总结了上述转向架经验的基础上，sncf于1967年研制出了y30型转向架。该转向架采用了全新的结构：一系悬挂为人字形橡胶堆定位，中央悬挂为高圆钢簧加中心销模式。与此同时，sncf还开发出了最高试验速度为230km/h的y28和y207型转向架，并在此基础上研制出新一代适合200km/h的y32型转向架。y32型转向架采用了h型焊接构架，一系悬挂为橡胶节点转臂定位，中央悬挂为高圆钢簧、横向液压减振器、垂向液压减振器、摇枕加抗侧滚扭杆装置，基础制动装置采用了盘形制动和磁轨制动。为减小转向架点头及横向等运动对车体的影响，牵引装置采用了钢丝绳连接的方式。y32型转向架自1973年批量生产以来，一直是sncf的主型转向架，并批量出口到其他国家。20世纪70年代以后，法国开始研制tgv高速列车，并研制出了y229型转向架。法国tgv采用动力集中的牵引模式，车体之间采用铰接方式。为此，法国开发出了y231型转向架用在第1代tgv-pse拖车上，并在此基础上研制出了用在tgv-a 拖车上的y237型转向架。该转向架采用了h型焊接构架，一系悬挂为橡胶节点转臂定位，中央悬挂为大容积高柔性空气弹簧、横向液压减振器、垂向液压减振器、抗蛇行液压减振器、抗侧滚扭杆及 z字形拉杆牵引装置，基础制动装置采用了盘形制动。y237型转向架由于采用了3m的大轴距及1:40的锥形踏面，故具有较高的抗蛇行稳定性。法国tgv高速转向架不断完善铰接式转向架结构，也趋向轻量化方向发展，但其轴重基本保持17t左右。图1-1 tgv动车转向架1.2.2 德国德国的第1台客车标准型转向架于1890年研制成功，该转向架采用锻压铆接构架，一系悬挂为轴箱导框加板簧，中央悬挂由中央板簧、摇枕、摩擦旁承和心盘组成。在此基础上，20世纪30年代德国又开发出 grlitz系列转向架，最高运行速度为160km/h。为解决轴箱导框的磨耗问题，德国联邦铁路（db）从1939年开始研制 minden2deutz 新型转向架。该转向架采用了h型焊接构架，一系悬挂为双圆簧和双拉板式定位装置，中央悬挂由摇动台、钢圆簧、摇枕、摩擦旁承和心盘组成，在摇枕和构架的两侧设有牵引拉杆。该转向架于1949 年完成试制并投入线路考核试验，随后定型为md32标准型转向架。此后，又根据不同要求改型为m36等10多种md系列转向架，其中，约一半以上出口到其他国家。与此同时，grlitz v 型转向架也于1958年研制成功。其结构同md32基本相似，仅将一系悬挂的双拉板式定位改为橡胶导柱定位。为确保德国在高速铁路领域的地位，联邦政府于1972年投资5亿马克进行高速列车前期性研究，其中包括研制世界上首台滚动振动试验台和动力学仿真软件medyna。座落在慕尼黑的试验台在经历了近6年的设计及施工后于1980年完工。该试验台可对机车车辆进行整车在实际轨道激扰条件下的直线、曲线动态模拟以及模态分析，最高试验速度为500 km/h，是世界上功能最完备的滚振试验台，为新型转向架的开发提供了有力的手段。 图1-2 md530型转向架德国waggon union公司在1974年研制成功md52型转向架的基础上于 80 年代初开发出md52-350原型车转向架，并经改进后定型为md530型，用于1991年开通的第1代ice高速列车，其最高运行速度为280km/h。该转向架一系悬挂采用了双圆簧和单向双层拉板定位，中央悬挂由摇动台、摇枕、摩擦旁承和中心销组成。为保证其可靠性，中央悬挂仍采用钢圆簧，摇枕的纵向定位采用橡胶缓冲座，在构架的两侧设有磨耗板，牵引力的传递采用中心销模式。md系列转向架的旁承除承受车体的垂向载荷外，还提供回转力矩，以取代常规的抗蛇行减振器。为保证摇枕与构架间的扭转刚度和转向架的纵向振动不向车体传递，摇枕通过扭杆和拉杆连接到转向架的构架上。为了进一步改善md530型转向架的动力学性能，man公司在90年代初研制成功带轮对耦合副构架的转向架和采用碳纤维轻型构架的独立旋转车轮转向架，2台高速转向架均采用了空气弹簧。1992年，由db组织研制新一代采用空气弹簧的ice高速客车转向架，通过线路动力学试验比选确定生产厂家。除上述2种方案外，瑞士、奥地利和德国等国的公司共提出7种方案，并通过了德国联邦铁路组织的线路动力学试验。经比选后确定奥地利的sgp-400型转向架为ice-2的最终方案。1995年，db和东日本铁道株式会社达成协议，由德国talbot公司和日本住友(sumitomo)公司在b-5003型转向架的基础上联合研制新一代高速转向架，定型为jr21。该转向架采用内支承模式，其整体重量仅4300kg，是目前世界上最轻的高速客车转向架，其最高试验速度为450km/h。德国ice高速转向架，随着动力分散ice3高速列车和摆式动力分散icet等高速列车的发展，其一系悬挂和二系悬挂有向有源半主动和主动控制方向发展的趋势。图1-3 ice3动车组sf500型转向架1.2.3 日本日本对高速机车车辆的系统性研究和试验工作始于二战后，但其发展迅速。到目前为止，共研制出了10多种系列的高速列车和近40种转向架。与欧洲国家不同，日本一直致力于发展动力分散模式的高速列车。日本在高速转向架方面的发展可分为3个阶段：第1阶段是在高速铁路开通前的研究和试验过程，开发出第1代dt200 高速转向架，其最高运行速度为220km/h。该转向架一系悬挂采用双圆簧及双侧板簧式定位，中央悬挂由空气弹簧、横向液压减振器、垂向液压减振器、抗侧滚扭杆及摇枕等组成。第2阶段是1992年开发成功的300系dt203新干线高速转向架，其最高运营速度为270km/h。该转向架一系悬挂为双圆簧加橡胶导柱定位，为减轻簧下质量，采用了铝合金轴箱和空心车轴。中央悬挂为无摇枕结构，由空气弹簧、横向液压减振器、垂向液压减振器、低位单牵引拉杆及中心销等组成。近年来，日本一直致力于开发第3代高速转向架，其目标运营速度为300km/h350km/h，还研制出了独立旋转车轮转向架和带主动悬挂的转向架。西日本铁路客运公司开发的山阳新干线500系“希望”号高速列车于1997年年初投入运用，该车采用了wdt系列转向架，其最高运营速度为300km/h。与300系dt203高速转向架相比，该转向架的一系悬挂分别为转臂式定位，双圆簧加橡胶定位以及双圆簧单拉板定位。值得一提的是，“希望”号高速列车的旅行速度和平均速度均超过了法国的tgv和德国的ice。与此同时，日本铁路东海客运公司开发的300x高速车和东日本铁路客运公司开发的star21投入运行，300x采用了dt205转向架，其结构与300系相似，最高运营速度为350km/h。star21采用铰接式车体，最高运行速度为350km/h。1997年年底投入运用的700系高速车则又在原基础上进行了改进，其转向架以500系为基础，并加装了变阻尼孔的非线性空气弹簧。 图1-4 500系列wdt250型转向架纵观日本在高速转向架方面的研究，其开发出的转向架品种数量和采用新技术的种类是其他任何国家无法比拟的，并保持着自己的固有特色。在转向架构架方面，无论是其结构还是制造工艺与欧洲都有所不同。日本是最早采用空气弹簧的国家，并首创利用调节空气弹簧中的阻尼孔的大小来替代二系垂向液压减振器，同时也是最早采用无摇枕转向架的国家之一。高速转向架的轻量化一直是开发新型转向架所追求的目标，日本的高速转向架及车体在减重方面自始至终处于世界领先地位。总体上来看，日本高速列车随着运营速度的提高，其转向架进一步键简化结构，向轻量化、降低轴重、减小簧下质量、有源半主动或主动控制等方向发展。1.2.4 其它国家 同法国和德国相比，英国开始发展高速客车转向架的时间虽然较早，但直到20世纪70年代才研制出bt10型转向架，其最高运营速度为200km/h。该转向架的一系悬挂为转臂式定位加横向控制拉杆，中央悬挂由传统的钢圆簧、摇动台、摇枕、旁承和中心销组成。由于bt10型转向架性能的限制，英国后期的ic225型高速动车组选用了瑞士sig公司的bt41型转向架。意大利是一个山区国家，故其采用摆式列车来提高列车的运行速度。etr450摆式列车于1988年投入运用，最高运营速度为250km/h。etr500于80年代初开始研制，1992年后投入运用，最高运营速度为275km/h。etr500型转向架的一系为单顶簧加双拉杆定位，二系由高圆簧加摇枕、z字形牵引拉杆及中心销组成。在欧洲的机车车辆制造厂中，瑞士sig公司是唯一的转向架专业制造厂，其各种速度级的转向架遍及欧洲。该转向架的特点是一系悬挂为转臂式定位，中央悬挂由空气弹簧、横向液压减振器、垂向液压减振器、抗侧滚扭杆、z字形牵引拉杆及摇枕等组成。1.2.5 中国为适应旅客列车提速的需要，1990年国内几家客车厂分别开始研制时速160km 的准高速客车转向架，并命名为209hs、206kp、cw-2型转向架，主要用于25z和25k型客车。从90年代中期开始，我国研制高速客车转向架。所研制的cw-200型转向架已投入运行，最高运行速度200km/h，并在此基础上研制出cw-300型高速客车转向架。同时，在引进日本技术的基础上，开发了运行速度为220km/h的sw-220型客车转向架，并在此基础上开发出sw-300型高速客车转向架。这2种转向架在首列国产高速列车上进行了线路试验，其最高速度均达到了321.5km/h。1.2.5.1 时速200km转向架为满足1997年开始研制的时速200km动力集中型电动旅客列和时速200km动力分散型电动车组的需要，开始了时速200km客车转向架的研制。cw-200、sw-200、pw-200型转向架是为满足时速200km电动旅客列车而研制的。为确保研制成功，铁道部于1998年6月组织了郑武线首次时速200km旅客列车正线综合性能试验，以考核原长春客车厂（以下简称长客厂）、四方客车厂（以下简称四方厂）和浦镇客车厂（以下简称浦厂）研制的时速200km的cw-200、sw-200、pw-200型转向架的可靠性及安全性。这次试验最高运行速度达 240km/h，创造了中国当时铁路第一速。cw-200型转向架为无摇枕结构的新型转向架，车体直接座落于空气弹簧上。sw -200型转向架为无摇动台结构转向架，车体通过摇枕坐落于空气弹簧上。pw-200型转向架为有摇动台结构的传统式转向架，二系悬挂由螺旋弹簧改用空气弹簧。随着时速200km/h动力分散型电动车组的研制，分别在1996年和1997年将用于该电动车组的时速200km的动力转向架和非动力转向架列入铁路科技研究开发计划，由铁科院机车车辆研究所（以下简称机辆所）、长客厂、浦厂等单位联合研制。用于时速200km的动力分散型电动车组的动力转向架，除了一般客车转向架所共有的支承载荷、运行导向和隔离各类振动等功能外，还承担着传动和发挥牵引力及制动力的作用。所以，动力转向架除了一般客车转向架所共有的结构外，还具有牵引传动装置。该转向架的主要结构和技术特点是采用无摇枕结构和无端梁的h 型构架、空心车轴及直辐板整体辗钢车轮轮对、轮盘式锻钢制动盘基础制动装置等。1-系轮对轴箱弹簧悬挂装置；2-构架组成；3-二系空气弹簧悬挂装置；4-盘形制动装置图1-5 pw-200型转向架1.2.5.2 时速270km及以上的高速客车转向架时速270km高速客车转向架装于时速270km的“中华之星”号动力集中型交流传动电动车组的9辆拖车上，其中，四方厂研制的sw-300型转向架装5辆(4 辆二等座车、1辆酒吧车)，长客厂研制的cw-300型转向架装4辆(2辆一等座车、2辆二等座车)。2002年11月，在秦沈客运专线上最高试验速度达到321.5km/h，创造了中国铁路最高试验速度纪录。sw-300型和cw-300型高速转向架的总体结构基本是一致的，均为无摇枕结构，并采用h型焊接构架、转臂式轴箱定位装置、大变位空气弹簧、大功率盘形基础制动装置(每轴4个盘)等。它们的主要区别在于牵引装置，前者为z形牵引装置，后者为单拉杆牵引装置。sw-300型和cw-300型高速客车转向架除了在秦沈客运专线获得321.5km/h最高线路试验速度外，还于2002年分别在滚振试验台上创造了 405km/h的最高台架试验纪录和在滚动试验台上创造了414km/h (sw-300型转向架为413.2km/ h)的最高台架试验纪录。 图1-6 cw-300型转向架1.2.5.3 高速动车组转向架近年来，我国引进国外先进高速动车组技术，联合开发了crh1、crh2、crh3、crh5高速动车组动力和非动力转向架，以满足我国高速动车组的运行。crh1型动车组动力配置是五辆动车和三辆拖车，包括10个动力转向架和6个非动力转向架。其中动力转向架构架由铸件和钢板组焊成h型构架，包括两个箱形侧梁、横梁、纵向梁，用来支撑空气弹簧连接抗蛇行减振器和横向减振器、牵引拉杆、组装一系转臂座；轴箱悬挂装置包括转臂、螺旋弹簧、垂向液压减振器等；中央悬挂装置采用空气弹簧，车体通过空气弹簧落在转向架构架侧梁上，两个空气弹簧分别由各自的高度调整阀控制，其主要作用是保持地板面相对与转向架构架的高度；构架和车体之间安装垂向、横向减振器、抗侧滚扭杆装置、构架上安装横向止档；驱动装置包括两台牵引电机、齿轮箱及联轴节；采用轮盘制动，吊挂在端部缓冲梁上，在前后两个车头端部转向架上还安有轨道排障器。 图1-7 crh1动力转向架crh2型动车组转向架主要由构架、轮对轴箱、牵引装置、基础制动装置、二系悬挂装置、驱动装置等部分组成。其中构架采用h形焊接构架，由侧梁和横梁、相关支座、连接梁等构成。和crh1不同的是横梁采用无缝钢管结构，内部可作为空气弹簧的辅助空气室使用。转向架一系悬挂为转臂式定位加油压减振器，转向架二系悬挂为空气弹簧，转向架轴重14t，转向架轮径860mm，转向架固定轴距2500mm，最高运营速度为250km/h。crh2型动车组转向架主要特点是采用了轻量化设计、焊接构架、二系空气弹簧、盘形制动、转臂式轴箱定位、单拉杆牵引、电机采用架悬方式等。 图1-8 crh2动力转向架1.3 本文主要研究的内容和方法和普通客车转向架比较，高速客车转向架具有更高的安全性、舒适性和可靠性。总结国内外已有转向架特点，高速动力转向架有以下共同点：结构轻型化，质量分布合理，采用了构架柔性设计，轻型轮对，用铝合金件代替一些钢件等措施，以减小轮轨之间的冲击作用；牵引装置不约束转向架相对于车体横移、转动及沉浮运动，且牵引点较低；有效地抑制转向架的蛇行运动，保证高速运行的稳定性；采用性能良好的制动装置，保证列车的行车安全；采用无磨耗或无有害磨损的零部件，以保证良好的运行性能和降低维修费用。本次设计的城际列车动力转向架的运行速度是200km/h，轴重为14t。本篇论文的主要研究内容包括：转向架的方案设计，包括主要部件的选型，结构分析比较，有构架、轴箱定位装置、中央悬挂装置、驱动装置、基础制动装置；对构架各个支座、立板、隔板的位置、尺寸进行统筹设计，设计原则尽可能减小应力集中和减少应力敏感部位，并达到节约金属材料和轻量化的目的；转向架构架结构强度分析与校核，利用ansys的结构分析功能对转向架的构架进行建模、网格划分、计算在负载下的应力，来评估其结构是否合理，并在此基础上进行优化设计，以改善转向架的动力学性能。第2章 转向架总体设计 由于高速列车的运行速度快，在运行过程中需要有更好的安全性能，这样在转向架的设计过程中就需要有更高的要求。在高速动车转向架设计的过程中，应完成以下任务：(1)承载。承受车架以上各部分的重量（包括车体、车架、动力装置和辅助装置等），并使轴重均匀分配。(2)牵引。保证必要的轮轨黏着，并把轮轨接触产生的轮周牵引力传递给转向架架、车钩，牵引列车前进。(3)缓冲。缓和线路不平顺对车辆的冲击，保证车辆具有良好的运行平稳性和稳定性。(4)导向。保证车辆顺利通过曲线。(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。2.1 构架构架是转向架的重要部件之一，既要有足够的强度和刚度，又要有适当的弹性、良好的抗冲击性能及耐疲劳性能。构架应按照等强度的原则，进行优化设计及有限元计算分析，使构架设计达到结构和应力均布合理，并达到节约金属材料和轻量化的目的。对焊接构架结构，特别是有节点部位的结构应不断研究、改进；对焊接工艺和机加工工艺也要不断改进，尽可能减小应力集中和减少应力敏感部位，确保焊接质量和加工精度，使轴距、对角线、一系和二系悬挂装置、基础制动安装部位等的几何尺寸达到设计图样规定的精度要求，使构架达到良好的受力状态和尽可能长的使用寿命。对构架的材料也要不断地研究开发，以适应不断发展的高速转向架的要求。随着运行速度的提高，构架除了要有良好的疲劳强度外，还需具有结构简单和重量轻等特点。目前，除北美国家外，客车转向架构架基本上采用h型焊接构架的模式。侧梁一般采用箱形结构，其目的一方面可增加强度，另一方面可增加空气弹簧附加空气室的容积。欧洲国家横梁一般采用箱形结构模式，而日本则采用双无缝钢管的方式。采用双无缝钢管横梁的构架具有重量轻、易实现盘形制动等特点，近年来得到广泛应用，但缺点是抗弯刚度低。为降低轮重减载率和提高脱轨稳定性，高速客车转向架的构架应尽可能地采用柔性构架，如德国talbot的高速转向架采用构架侧梁上盖板开槽的方式，sig和sgp的高速转向架采用合理的横梁结构来实现提高柔性的目的。从发展的观点来看，高速客车宜采用轻量化的焊接柔性构架。国内方面crh1动力转向架构架由铸件和钢板组焊成h型构架，包括两个箱形侧梁、横梁、纵向梁，用来支撑空气弹簧、连接抗蛇行减振器和横向减振器、牵引拉杆、组装一系转臂座；crh2动力转向架和crh1不同的是：构架虽是h形焊接构架，但横梁采用的是无缝钢管贯穿在箱形侧梁上，无端梁；直的纵向辅助梁，上面焊接有二系横向减振器座，而crh1的横向减振器座焊在侧梁上，占用一些空间，所以纵向梁是弯曲的。转向架构架一般由左、右两侧梁和一个或几个横梁等组成。侧梁的作用不仅是向轮对传递垂向力、横向力和纵向力的主要构件，还用来限定轮对的位置。横梁的作用是保证构架在水平面内的刚度，保持各轴的平行及承托牵引电机等部件。本文所设计的转向架构架由钢板和铸件组焊的u形构架，包含箱形侧梁、横梁和纵向梁，另焊有转臂座、一系和二系垂向减振器和抗蛇行减振器座，二系横向减振器座、电机及齿轮箱吊座，基础制动装置吊座、牵引座和横向止档座。侧梁为钢板焊接箱型结构，其u型设计是为了满足以有效的空间将动车转向架的轮盘制动单元安装在车轮内侧，从而取消外部端梁，结构紧凑并减轻了自重。 图2-1 转向架侧梁构架侧梁中间部分下凹，以适应二系高挠度空气弹簧的安装。两帽筒中心距2500mm，两侧梁中心间距2000mm，侧梁中间部分横断面尺寸为280mm160mm，两端的横断面尺寸为145mm160mm，并由小到大中间过渡，形成等强度梁，主要承受弯曲和拉压载荷。侧梁上盖板厚10mm（帽筒处上盖板厚22mm），下盖板厚12mm，腹板厚10mm；侧梁内布置有隔板，隔板与上盖板留有10mm间隙，便于侧梁内空气流通，增加侧梁强度。侧梁空气弹簧座处上盖板向外突出，便于侧梁承载垂向载荷，上下盖板间增加加强肋板，增强上下盖板的承载能力。另外一系、二系垂向减振器座，及抗蛇行减振器座均布置在侧梁上。横梁和纵向梁均为箱形焊接结构，横梁主要承载部位横断面尺寸为150mm200mm，纵向梁断面尺寸为180mm160mm。横梁和纵向梁上盖板厚10mm，下盖板厚12mm，腹板厚10mm。横向减振器座斜对称布置在纵向梁上，横向止挡对称布置在纵向梁上。电机吊座，齿轮箱吊座，牵引拉杆安装座及制动夹钳安装座都布置在横梁上。整个构架除转臂座及部分安装座使用b级钢制造外，其余材料均使用q345低合金高强度结构钢板，有较好的可焊性和强度。图2-2 构架俯视图2.2轮对轴箱装置2.2.1 轮对轮对的质量属于转向架的簧下质量，对于高速客车来说对其要求更加严格，以减少轮轨间的动作用力。因此，国外高速客车轮对一般都选择轻型轮对，如采用空心车轴、轻型车轮、小轮径车轮等，并选用铸铝合金轴箱，以尽可能减小簧下质量。近10多年来，为研制时速200 km及以上速度转向架，对空心车轴、轻型车轮、铸铝合金轴箱及铸铝合金齿轮箱等轻量化轮对的零部件进行了研制，为今后高速轮对轴箱装置的发展打下了良好的技术基础。为适应铁路高速转向架技术发展的需要，这期间还在 lm 磨耗型踏面基础上，研制了试验型的hlm型高速磨耗型踏面外形，并进一步研制成功了lma型高速磨耗型踏面外形，用于cw-300型和sw-300 型转向架上。而轴承一般都选用国外进口的滚动轴承，如skf公司的自密封式圆锥滚子轴承等。所以，高速转向架所采用的轮对轴箱装置在既有的基础上，经过一段的运用考验和改进完善，将进一步向轻量化方向发展。轮对一般由车轴、轮心和轮箍等组成。高速动车组车辆一般采用整体车轮，所以不再有轮心和轮箍之分。另外，高速动车组轮对还有动力轮对和非动力轮对的区别，其中动力轮对上通常装有牵引齿轮箱。轮对的作用主要有:(1)承受全部载荷及冲击；(2)与钢轨黏着产生牵引力或制动力；(3)轮对滚动使机车车辆前进。本次设计为了减轻簧下质量，采用30crmoa为材质的空心车轴。轴颈直径为130mm，内孔直径为60mm，需对内孔超声波探伤检查和挤压强化处理。由于动车转向架采用了轮盘制动，其两个锻钢制动盘片要对称安装在车轮辐板的两侧，需要重新研制出一种高速车用的直辐板车轮，对其熔炼成分、机械性能、探伤、踏面形状、注油槽、残余应力等提出专门的技术要求。动车车轮直辐板形状经优化后为变截面的，其上均匀布置了12个直径27mm孔用于连接两侧制动盘片，并保证摩擦面的完整性。本设计轮径为860mm，磨耗到限为790mm，采用lma磨耗型踏面。2.2.2 轴箱悬挂簧下质量对车辆的动力学性能和轮轨作用力都有直接的影响，在高速情况下更是如此，故应尽可能选用重量轻的轴箱定位方式。客车转向架的垂向悬挂参数由于受车钩高和限界的约束，其垂向挠度也受到相应的限制。高速客车转向架均采用了不同形式的轴箱弹性悬挂，法国的tgv、瑞士的sig及日本的轴箱定位基本上以转臂定位为主，而德国一般则采用单顶簧加单拉板定位或对称的双簧加橡胶堆的定位方式。轴箱采用何种定位方式应根据国情、用途和线路条件而定。但在选择定位方式时，应在保证其稳定性的条件下，尽可能采用柔性定位，以减小轮轨间的磨耗。同时，还应尽可能地采用无磨耗及检修方便的定位方式。高速客车转向架应尽量减小轮轨噪声，而采用轴箱橡胶弹性悬挂或加橡胶垫则是减少噪声的最有效措施。客车转向架轴箱定位装置结构主要有以下几种形式：干摩擦导柱式定位，油导筒式定位，拉板式定位，转臂式定位和橡胶弹簧定位。根据近10多年来客车转向架发展积累的经验，将选择轴箱顶部双卷单组圆弹簧 加单向垂向油压减振器及转臂式轴箱弹性定位为未来转向架一系弹簧悬挂装置及轴箱定位方式的优先发展方向。一系弹簧悬挂静挠度一般选取为60mm-80mm之间，甚至可达到100mm；单向垂向油压减振器阻尼系数可在5kns/m-15kns/m之间选择；对轴箱纵向、横向定位刚度一般配比为2:1，即纵向定位刚度为横向定位刚度的2倍，既有利于直线上运行的稳定性，又有利于曲线通过性能。对电动车组动、拖车转向架来说，一系定位的几何参数是临界速度的关键参数。其中影响较大的是整体轴箱转臂的长度、转臂节点的高度和节点刚度的参数优化。从表2-1可以看出，随着转臂长度的增加，转向架的临界速度逐渐降低，转臂较短时可获得较高的临界速度，考虑到减小转臂节点刚度对一系垂向刚度的影响，故转臂节点中心到轴箱体中心的长度选取500mm。表2-1转臂长度变化对临界速度的影响转臂长度/mm400450500550600临界速度/kmh-1330325320310300转臂节点高度高出或低于轴箱体中心时计算所得的临界速度值。可以看出随着节点高出车轴中心线越大，则临界速度越高，但同时节点过高也易于对一系垂向增加附加刚度值，故一般选取在自重下高出车轴中心线8-12mm，可实现较高的临界速度。表2-2转臂节点高度对临界速度的影响节点高度/ mm-15-10-505105临界速度/kmh-1300305310320325330335转臂式轴箱定位具有以下优点：(1)轴箱与构架间无自由间隙和滑动部件，无摩擦磨损；(2)构成的零件很少，分解、组装容易，且维修方便；(3)轴箱的上下、左右及前后定位刚度可以各自独立设定，比较容易满足转向架悬挂系统的最佳设计要求，即在确保良好乘坐舒适度的情况下，能够同时确保稳定的高速行驶性能和良好的曲线通过性能。综合上述分析，本文所设计的转向架拟采用转臂式定位方式，包括转臂、轴箱顶部双卷单组圆弹簧、垂向油压减振器和起吊装置，垂向定位刚度为1mn/m。转臂座为弹性连接，由锥形销套上锥形套和橡胶套，横向定位刚度为5.49mn/m，纵向定位刚度为10mn/m。 图2-3 轴箱定位装置2.3 二系悬挂装置考虑到空重车工况下载荷变化、限界和车钩高度的限制，客车转向架垂向总挠度及空重车状态下垂向挠度差有一定限制，故要改善客车的垂向和横向平稳性能只能依靠中央悬挂。目前，高速客车转向架的中央悬挂基本上采用空气弹簧和应急弹簧串联的模式，应急弹簧一般为橡胶堆的形式。空气弹簧的支承方式又分为二点支承、三点支承和四点支承。欧洲国家一般采用二点支承或三点支承的模式，但必须设置抗侧滚扭杆，因欧洲铁路联盟