动车组转向架1.ppt

动 车 组 转 向 架 技 术,北京交大机电学院 金 新 灿,第一讲 高速动车组转向架的发展及理论 第一节 高速动车组的兴起 随着经济的持续发展，城市化进程逐渐加快，城市之间的人员和物资交流日益频繁，对城际间快速交通的需求显著增长。铁路作为一种经济、安全、大运量的大众化交通工具，在各个国家的经济生活中具有关键性的作用。二十世纪五十年代，铁路遇到了航空和高速公路的严峻挑战，促使各国铁路进行内部的体制改革和运输手段上的技术创新。,自上个世纪八十年代以来，世界铁路进入了高速化的新时期。世界各国在发展高速列车时均在高速转向架上投入了很大精力，但目前只有少数国家的转向架运营速度能够达到或超过300km/h。其根本原因在于当提高车辆速度的同时，保持和提高车辆的乘坐舒适性是非常困难的。目前运行速度超过250km/h的高速客车转向架的典型代表有法国 TGV列车的Y231、Y237，德国ICE 列车的MD530、SGP400和SF500， 日本新干线300系的TDT203、TR7001，500系的WDT205和700系的TDT204、TR7002。,第二节 国外主要高速动车组转向架概述,1、日本新干线电动车组的高速转向架,随着新干线高速列车不断发展与改进， 其转向架的结构与性能也不断地在发展，开发了 多种系列的高速动车组转向架。 据统计新干线电动车组的高速转向架前后共 研制了30多种型式，其中有些是试验型，有些是 成批生产型。就转向架技术的发展而言，大体上 可以分为三代。 第一代是以DT200为代表的无摇动台转向架； 第二代是以TDT203和TTR7001为代表的无摇枕 转向架；第三代是500系700系用的新型转向架。,(1)DT200(DT201，DT202)型转向架,DT200型转向架的设计目标，首先是抑制 蛇行运动，保证高速时的安全性；其次是性能 不随运用时间而变化，当然也要考虑减轻自重， 刚性大和便于维修。主要用于0系列、100系列车。 DT200转向架的主要特点是：取消摇动台， 利用空气弹簧的横向刚度；采用IS式轴箱定位 装置，利用橡胶衬套使前后左右有适当的弹性； 车体采用全旁承支重；装有车轮踏面清扫 装置等。,IS式轴箱定位装置,(2)、300系TDT203，TTR7001型无摇枕转向架,为了开发既能满足高速，曲线通过性能又良好的转向架，日本铁道综合技术研究所不断设计和改进无摇枕转向架，在19801988年间，先后研制推出了5种无摇枕转向架DT9022、DT9023A/B、DT9023E/F及WDT9024A型。这些转向架在19861991年间进行了大量试验，在提高速度、轻量化、提高乘坐舒适性方面取得了良好的效果。在此基础上，日本东海铁路客运公司以DT9023E/F转向架为原型，设计制造了用于300系电动车组的新一代无摇枕转向架TDT203型（动力）和TTR7001型（非动力）。,由于东海道新干线当年所定的最小曲线半径为2500m，而且曲线较多，所以进一步提高速度不是很容易的。TDT203型转向架与DT200型转向架相比，做了大量的改进，重量减轻了2.1t，长度减小了0.8m，属于新一代即第二代无摇枕转向架。TDT203和TTR7001型转向架的设计和结构特点：,为了降低对轨道的破坏、提高高速运行时的稳定性，减轻了簧下重量； 取消了摇枕、牵引拉杆、心盘和旁承，在谋求降低簧间重量的同时，取消了维修费事的滑动部位，使运行性能不会随运用时间而恶化。,为了很好的兼顾并确保高速运行稳定性和曲线通过性能，采用螺旋弹簧、圆筒橡胶组合的轴箱定位方式，取代过去的IS式轴箱定位。采用了抗蛇行减振器。,为了减轻车轴重量，做成内径60mm的平直型空心 车轴。为了减轻车轮的重量，新造时的车轮直径 从现在的910mm改为810mm。与100系相同，踏面 采用圆弧形踏面。轴箱体采用铝合金(锻造)， 以减轻重量。,a.TDT203型转向架 b.TTR7001型转向架 图 TDT203和TTR7001型转向架（300系）,(3).500系WDT205型和700系TDT204及TTR7002型 高速转向架,500系电动车组最高速度达350km/h，1997年开始投入运营。采用WDT205型新型无摇枕转向架。转向架采用了许多新技术，如主动悬挂控制、铝合金制动盘等。500系全部采用动力转向架，转向架重量减到6.5t。WDT205型转向架轴距2500mm，中央空气弹簧横向跨距2600mm，轮径860/790mm，其轴箱悬挂采用铝制转臂式，其定位刚度在纵向是每轴24.5kN/mm，在横向是每轴9.8kN/mm。转向架轴重11.2t，采用空心轴。,图 500系WDT205型动车转向架,700系动车组的转向架是TDT204型（动力）及TTR7002型（非动力），它的主要特点是采用半主动控制减振器以控制车体的左右振动。转向架的二系悬挂为无摇枕结构，其轴箱定位装置为螺旋弹簧+圆柱叠层橡胶，与300系的TDT203型和TTR7001型转向架的轴箱定位装置相同。 500系WDT205型和700系TDT204及TTR7002型高速转向架均可称为日本第三代高速转向架。为进一步提高舒适度，这些转向架上均采用了主动或半主动悬挂控制系统，这也是第三代高速转向架的一大特色。,图 700系电动车组转向架,(4). E2系电车组用转向架,E2系电动车组是为适应北陆新干线而研制的，转向架为无摇枕结构，轴距2500mm，轮径860mm，轴重13t，采用空心车轴，拉板式定位，圆柱滚子轴承。,2. 德国ICE系列高速转向架,（1）ICE用MD530型转向架 1982年德国决定研制城间试验列车ICE，编组为2M+3T，设计速度为350km/h。在ICE试验列车的基础上于1986年开始研制ICE(或称ICE1)高速动车组，设计速度280km/h，采用MD530型有摇枕转向架。 MD530型转向架是在性能良好的MD52型转向架的基础上发展而来的。固定轴距为2.5m，速度可达300km/h，每台转向架重7.5t,车轮踏面采用DIN5573（UIC/ORES1002）磨耗型踏面。 由两平行配置的弹性拉板构成无磨耗的轴箱定位，在轮对轴箱与弹性拉板之间设有纵向弹性铰，它由金属橡胶元件所构成。由螺旋弹簧和与其平行,配置的液压减振器组成一系弹簧减振装置.,图 MD530型转向架,（2）ICE2用SGP400型径向转向架 1993年秋，ICE2型电动车组经过对比调研，最后选用了SGP400型径向无摇枕转向架，该转向架最大的改进有三个方面: 轮对导向的改进; 二系悬挂的横向主动控制系统; 电子控制回转阻尼系统“DES”. ：,图 SGP400转向架,（3）ICE3用SF500型转向架 由于采用动力分散模式，ICE3动车组的转向架，不论是动力还是非动力转向架均要求具备高的运行品质，并要求整个寿命周期内成本最底。为此，SGP公司和Adtranz公司联合设计制成了SF500型无摇枕转向架8。 动力转向架和非动力转向架均采用相同的形式。转向架构架为箱形焊接结构，由两根中间为凹形的侧梁组成，一系悬挂是螺旋弹簧加垂直减振器，单侧拉杆定位。二系悬挂为加有橡胶堆的空气弹簧，以及装有抗侧滚装置和抗蛇行减振器。,ICE3要求最高运行速度330km/h，为此每吨质量的功率要从ICE1的10kW/t增加到20kW/t，同时要求最大轴重不超过17t，全列车中，动力转向架和非动力转向架各占50%。,德国SF500型动车组转向架图,3. 法国TGV用高速转向架 （1）第一代TGV-PSE用的Y231和Y230型转向架 1976年法国决定制造两列TGV列车，1981年9月TGV-PSE开始投入运营，营业速度260km/h。1983年5月营业速度达到270km/h。TGV-PSE所用的铰接式转向架为Y231型无摇枕转向架，动力转向架为Y230型无摇枕转向架。动力转向架和非动力转向架均采用相同的结构形式。,Y231转向架轴距3m，轮径920mm，自重7775kg，轴重17t，一系悬挂装置由一组螺旋弹簧和二组钢一橡胶夹层弹簧组成，该二组钢一橡胶夹层弹簧同时可保证轴箱相对于构架在横向和纵向的定位。二系悬挂为高柔度的螺旋弹簧。每台转向架安装两个垂直减振器，两个抗蛇行减振器和一个横向减振器。其基础制动装置包括单元式的踏面制动、盘形制动和磁轨制动。,（2）第二代TGV-A用Y237型转向架 第二代TGV-A运行于大西洋沿岸，1989年投入运行，最高运行速度300km/h，1990年最高试验速度达到515.3km/h。TGV-A所用的拖车转向架为Y237型。 Y237转向架与Y231相比，在结构性能方面都有较大的改进。轴箱悬挂改为转臂定位，中央悬挂改用空气弹簧，并加装了抗侧滚扭杆，基础制动取消了踏面制动装置。,Y231转向架在运行中暴露出向车体传递约10Hz的高频振动，与车体的弯曲振动相耦合，导致运行平稳性不良，为此，采用由Continent公司制造的SR10空气弹簧，使二系悬挂在垂向和横向都具有高的柔性，使得车体在簧上的垂向和横向自振频率分别降低到0.7和0.75Hz。显著地改善了车辆的垂向和横向振动性能，提高了在直线和曲线上的运行平稳性，因而这种悬挂不仅在TGV-A的Y237上使用，又在TGV-PSE的Y231的转向架推广应用，Y237在二系悬挂中还加装抗侧滚扭杆装置，这是采用高柔软性的二系悬挂后所必需的。,法国TGV Y237型转向架图,图 Y237型转向架的空气弹簧及其与车端的连接结构,（4）第三代TGV-2N用237-A型转向架 为了满足高客流量的需要，法国又研制了TGV-2N双层客车，1995年投入使用，它能增加45%的载客量，为了仍保持17t轴重，采用铝合金车体，同时要求转向架进一步减重，用于TGV-2N的动车转向架如图11a，与以往动力转向架不同之处主要是用轮盘式盘型制动取代了闸瓦踏面制动，每一轮对仅在一个轮子上安装一套轮盘式制动盘，对角布置，采用锻钢制动盘及粉末冶金闸片。 拖车转向架是Y237的改进型Y237-A型转向架，如图11b。Y237-A的基本结构与Y237相同，Y237-A转向架在有的场合被称为Y237的改进型，在有的场合被称为第3代(或第2.5代)TGV转向架。,图 TGV-2N的动车转向架,图 TGV-2N的拖车转向架(Y237的改进型Y237A),4. 意大利的ETR高速转向架 1983 年意大利铁路对300km/h动车组进行了可行性研究，着手开发ETR500电动车组。 动车转向架构架支撑在2个轴箱螺旋弹簧上，轴箱用两根对角布置的拉杆定位，橡胶元件可以保证构架和轴箱之间的弹性联接。 采用直径为1100mm的整体车轮，车轴上装有圆锥滚动轴承的轴箱。二系悬挂装置设有四个带橡胶件的螺旋弹簧。 每台转向架上装有两台牵引电机，使用四个关节式橡胶元件和不传递垂直载荷的销，把电机固定的转向架上。,图 ETR500的动车转向架,ETR500拖车转向架是意大利铁路（FS）早已使用的7195C型和Y0270S型的高速转向架的改进型。,构架由两根纵向梁和两根管形横梁组成，轴距3m，直径为890mm的车轮具有双波纹辐板，这种形状可使车轮减轻簧下重量。一系悬挂的结构与动车相同，采用双拉杆弹性定位。二系悬桂为高柔度螺旋弹簧加橡胶垫，每轴装有三个制动盘。 ETR500约于1996年投入米兰罗马之间的营业运行，最高运行速度为275km/h。,ETR500的 拖车转向架图,表 国外主要高速动车转向架技术参数,6我国主要转向架结构特点 根据转向架的运行速度，即一般速度运行、准高速运行及高速运行，我国适应不同速度等级的主要转向架结构悬挂特点可见表7至表10所示。这些转向架主要包含209型系列、206型系列、CW型系列和SW型系列、以及动车组CRH系列用动力和非动力系列转向架。 209型系列转向架是在我国传统的客车转向架结构上改进的，具有结构简单、性能可靠、磨耗件少、检修方便、运行平稳等优点，广泛应用于23.6m和25.5m客车上。,206型系列转向架属U型客车转向架系列。它的主要结构特点是构架侧梁中部下凹成U形，使摇枕得以从构架侧梁中部上方通过。这样的结构形式，便于增加摇枕弹簧的静挠度和加大摇枕弹簧的横向距离。,CW型系列转向架是在吸收了英国BT10高速客车转向架的先进技术上，结合我国实际情况，设计制造的准高速和高速客车转向架。 SW型系列转向架是与日本川崎重工合作研制的产物，其性能优越，维修便利。,普通客车转向架特点表,准高速客车转向架特点表,高速客车转向架特点表,转向架结构示意图,第三节 高速动车组转向架主要发展方向 由上述典型高速动车组转向架的结构特点与主要参数可以看出高速转向架的发展方向主要有以下几点： (1) 采用无摇枕结构。使结构简洁，重量轻，无磨耗，易维护。 (2) 进行强度分析和优化，并采用新结构和新材料。实现轻量化， 减轻转向架自重特别是簧下重量，降低轮轨冲击。例如：空心车轴、铝合金齿轮箱和轴箱。,(3) 通过动力学软件分析和相关结构试验，优化悬挂参数，实现参数的非线性控制，兼顾高速稳定性和曲线通过能力。 (4) 采用主动和半主动悬挂装置，提高高速列车的舒适性。 (5) 开发转向架故障自动诊断系统，实时监测转向架运行状态，及时发现隐患，实现按状态检修，降低全寿命成本，保证高速运行的安全等。,第四节 高速动车组转向架动力学性能 高速转向架的动力学性能包含以下几个方面内容： 高速运行稳定性：它主要是当列车因直线高速运行时，可能出现的横向自激振动问题，通常被称为蛇行稳定性。它不但影响列车的平稳性，而且也会导至脱轨，危及运行安全。 走行安全性：一般出现在列车通过曲线时，轮/轨作用力不当而产生脱轨的可能性。 当列车在直线上出现蛇行失稳现象时，也会引起脱轨的危险。,舒适性：即走行部振动平稳性对车辆内旅客的反映。它将反映在列车运行中所有 线路和速度之中。 曲线通过性能：是指列车通过曲线时，对轨道和转向架产生不利的静态和动态作用力。,1.动力学性能 （1）直线运行稳定性 运行稳定性问题是高速转向架设计的首要关键技术问题，它也是高速转向架区别于低速转向架的主要特点。 传统对车辆运动稳定性的分析，是由车轮踏面锥度及轮轨游间，建立的线性运动方程，求解蛇行运动速度和频率。或由线性微分方程稳定性理论，求解失稳临界速度。实际上在高速直线运行中出现的蛇行运动，是轮/轨滚动接触引起的自激振动，研究这种自激振动稳定性问题，必须应用非线性理论。有的采用线性理论和方法，有的采用部分非线性计算失稳前的临界速度。,分析中发现，一系悬挂系统中的轴箱定位刚度和簧下质量对直线运动稳定性有较大影响。临界速度随转向架系统的参数不同而大不相同。此外，车轮踏面的等效锥度，轴距等对车辆临界速度均有一定影响。,（2）垂向振动平稳性 随着列车运行速度的提高，即使高速铁路的轨道不平顺比一般铁路更小，但也可能引起车体和车内旅客承受很大的振动。因此在高速铁路发展初期，振动性能曾经是困扰高速转向架设计的问题之一。空气弹簧的应用，成功地解决了车体振动，特别是垂向振动及乘坐舒适性问题。,2高速列车运行安全性和平稳性及其评价 一般把安全性，平稳性统称为动力学性能，对安全性和平稳性的定量评价各国有所不同，从发展历史看，由于测量技术和数据处理技术的发展，有关安全性与平稳性的认识也在不断研究中更新。 （1）运行安全性及其评价 高速列车走行部是决定列车能否在高速运行时保证安全和平稳的关键部件。运行安全性（也称运行稳定性），是指为保证列车在设计规定的最高速度范围内，在规定的线路条件下，不会产生脱轨、颠覆和对轨道产生破坏的基本性能。运行安全（稳定）性通常以脱轨系数、轮重减载率及倾覆系数来衡量。,（2）运行舒适性及其评价标准 运行舒适性(或称运行平稳性)是列车在规定的线路条件，以设计最高速度范围运行，不会产生过大的振动，并尽量使乘客感到舒适，设备能平稳工作的基本性能。一般均以测量车辆指定部位的振动加速度及其计算值作为平稳性或振动舒适度标准的评价值。测量位置首先是在车体的地板上或底架上。为了评价车厢内旅客舒适性，还需用规定的测量方法和设备测量座椅的振动加速度。,（）蛇行运动稳定判别计算 输出例,四、车轮踏面斜度和等效斜度,锥形踏面车轮在滚动圆附近是一段斜度为的直线段，在直线段范围内车轮踏面斜度为常数。 当轮对中心离开对中位置时， 则左右车轮的实际滚动圆半径发 生变化，为,由以上关系可得出：,当轮对横移量保持车轮和钢轨的接触点在踏面的直线段范围时， 为常数。如轮轨接触点范围超出直线段范围，则不再为常数，而是随着轮对横移量的变化而变化，这时计算车轮踏面斜度要取其等效值，称为踏面等效斜度。 当车轮磨耗后或车轮踏面为磨耗形时，车轮踏面外形不再存在直线段，这时可由轮轨接触几何关系求出轮轨横移时左右车轮实际滚动半径之差，然后确定其踏面等效斜度：,磨耗形踏面车轮不存在直线段，故 不为常数，是轮对横移的函数。,4.3 等效锥度 (UIC519),轮对横向位移与等价锥度geq 的对应关系，适用轨距S = 1435 mm 其它情况：,S = 1435 mm,稳定性检验,倾摆检验,5. 轮轨接触对横向稳定性的影响,新车轮外形与R60型钢轨外形的接触产生低的等效锥度，对横向稳定性有力,仿真结果表明, 在正常操作条件下, 车辆满足的技术规范要求为： Vmax = 200 kph + 10%,车轮的磨耗型外形 与R60 型钢轨外形的接触，不同的轨距, 产生高的等效锥度，因此需检验横向稳定性。,车辆动力学及其对设计的意义,转向架频率与车体频率的对比,要 求 性 能,测力轮对,转向架参数的计算 和协调,空气动力学及其对设计的影响,交叉风的安全 较低的空气动力阻碍,封闭的底架,空气进口,转向架,受电弓,少量突出部件,表面摩擦,流线型前端,制动散热,较小的车辆间隙,U,第五节 高速动车组转向架结构强度,转向架构架强度计算及试验过程,1、转向架结构作用载荷（或力）的分析确定 作为既承载又作用于线路上的高速运行的转向架结构，在运行中承受着各种复杂且随机的作用载荷（或力），因此，如何分析确定这些载荷之间的组合及取值是十分必要的。,因此，作用在高速转向架上的载荷主要从如下二个方面予以考虑： （1）超常载荷指运用中可能发生的最大载荷 （2）模拟运营载荷指实际运用中经常发生的载荷,2、转向架结构在载荷作用下静强度计算分析 传统方法是利用理论力学、材料力学、结构力学和弹性力学来求解，其中，“力法”在铁道车辆结构强度计算中得到了普及和广泛的使用，这种方法的计算精度较差，尤其对不规则的结构形状，计算误差较大。随着有限元法的发展和普及，目前在对铁道车辆结构的计算中，有限元法已起到了主导作用，可以获得较高的计算精度，并可以通过应力云图显示结构上的应力分布等。,3、转向架构架疲劳分析与评定 为实现车辆的高速化，采用了轻量化的转向架结构，因此正确评价转向架构架的安全性和可靠性是非常重要的。 转向架构架，作为走行装置的重要部件，它承受着复杂的交变载荷。目前，在高速转向架焊接构架的疲劳强度设计方面，已形成了以UIC规程和JISE4208“铁道车辆转向架构架设计通用条件”（以下简称JIS技术条件）为代表的设计、评价体系。,（1）UIC规程方法,Goodman疲劳极限线图示意,（2）JIS技术条件方法,疲劳极限图示意,第二讲 动车组转向架基本要求与性能,动车组转向架是保证列车200km/h及以上速度安全平稳运行的关键部件。随着列车速度的不断提高，对转向架性能的要求也越来越高。同传统转向架相比，保持高速运行稳定性、充分利用轮轨之间的粘着和减轻轮轨相互作用力是动车组转向架特有的任务和技术关键。,一、动车组转向架的基本要求与理念 良好的运行稳定性和舒适感（动力学） 简单的结构和轻量化（可靠性） 方便出色的维修保养性（维修性） 防止脱轨的安全性（动力学）,1、良好的运行稳定性和舒适感 柔软的一系轴箱弹簧 最优化的軸箱定位支撑刚度 无滑动摩擦部件（可靠维修性） 转向架弹簧组（系）的最佳設計,2、简单的结构和轻量化 转臂式轴箱支撑定位装置 无摇枕式构架及车体支撑装置 单连杆式牵引装置 轻量化和强度与可靠性相结合的转向架构架,3、良好出色的维修性 便于组装拆开的转向架结构 方便轮对更换的二分割式轴箱结构 无滑动摩擦部分，能够长期免维修,4、防止脱轨的安全性 空气弹簧前后刚度的柔软化 减少旋转力矩 轴弹簧上下弹簧系数的柔软化 出色的轮重变动特性、以及 便利的轮重平衡调整,二、高速列车轮轨相互作用,随着列车速度的不断提高，轮轨系统的动态相互作用将迅速增强。解决好机车车辆和轨道之间的动态作用问题十分重要，它将直接关系到高速列车的行车安全和运行平稳性，及轨道结构的强度和寿命。对于高速列车而言，降低轴重和簧下质量将有效的减轻轮轨间的动态作用，改善列车运行品质和对线路的损伤。,轴重与轨道的关系 轴重增加会导致增加整个轨道及其各部件的损坏，特别是钢轨的损坏。随着轴重的增加，钢轨承受轮载而产生的轮轨接触应力，轨头内部的剪切应力，局部应力和弯曲应力将相应增加，同时钢轨疲劳循环荷载作用下的应力水平也将随之提高，使钢轨所能承受的载荷循环次数大为减少，缩短了钢轨的使用寿命。,研究结果表明，钢轨头部损伤几乎全是疲劳损伤，而且都是由于超载引起的，钢轨折损率随轴重的增加而增加。其他轨道部件也同样出现这种情况。由于各种疲劳现象而导致钢轨的折损以及轨道几何形位的破坏，都与轴重有关。法国依据钢轨疲劳损伤统计资料的分析得到钢轨疲劳折损率与轴载荷的2.25次方成正比的关系，美国则认为与轴载的3.8次方成正比。接触理论表明，轮轨面上的接触应力和轨头