（光学工程专业论文）低磨耗高速客车径向转向架优化研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 摘要 r l 列车提速是我国铁路运输发展的方向。从1 9 9 7 年以来，在主要干线上 进行了四次大规模的提速，最高运行速度已达1 6 0 k n “h 。“十五”期间，还 将进行两次提速，主要是进一步提高干线列车运行速度和在其它线路上实现 提速。但是我国既有的铁路线路一般等级较低，而大规模的修建高速线路又 不符合现有的国情，所以我国铁路的高速化应是在现有铁路线路的基础上， 依靠提高机车车辆的性能来满足高速运行时的要求。 随着列车速度的提高，轮轨之间的动作用力加大、轮轨磨耗加剧，镟轮 和换轨周期缩短，运输成本增加，列车的运行安全性降低。同时，严重的轮 轨磨耗加重了对铁路沿线环境的污染。因而需要研制一种低磨耗、高性能的 转向架以满足铁路运输市场的需要。 长期以来，常规转向架一直存在着横向稳定性和曲线通过性能之间的矛 盾，而径向转向架在保证车辆运行的横向稳定性的同时，能够有效降低曲线 段上的轮轨横向力，减少轮轨磨耗，可有效地解决横向稳定性和曲线通过性 能之间的矛麂故本论文的低磨耗高速客车转向架采用了自导向径向转向架 的模式。 论文首先比较了国外几种典型的自导向转向架的优缺点，提出了采用 拉压杆式自导向转向架结构作为低磨耗高速客车转向架的基本模式。在我国 首次将拉压杆式径向机构应用于客车转向架。论文对低磨耗高速客车转向架 进行了方案设计和技术设计，确定了转向架的结构参数，初选了悬挂参数及 径向机构参数。 低磨耗高速客车转向架不仅要有高的临界速度，还要有良好的曲线通过 性能。根据这些要求，对转向架构架、轮对及车体进行了受力分析，建立了 相应的动力学仿真模型，并利用多体动力学仿真软件s i m p a c k 对模型进行 动力学仿真计算。首先，对初选的悬挂参数及径向机构参数进行了优化，优 选出使车辆的横向稳定性、平稳性及曲线通过综合性能较好的参数组合：在 此基础上，对转向架的动力学性能进行分析和计算；最后与常规转向架车辆 的曲线通过性能进行了比较。分析和计算结果表明，低磨耗高速客车转向架 车辆在满足横向稳定性的同时，能够改善曲线通过性能，降低磨耗，尤其是 在曲线半径较小的既有线路上，与常规转向架车辆相比整车磨耗功率的降低 是十分明显的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 最后，论文利用a n s y s 有限元软件对转向架中受力最为复杂的部件构 架按照t b t 1 3 3 5 - - 1 9 9 6 标准进行了强度分析，根据强度计算结果，对构架 结构进行了优化，使其强度满足车辆高速运行的要求，确保转向架的运行安 全。 关键词：转向嚣4 低磨耗；动力孥磅真；径鬣结构韦盹 a b s t r a c t i n c r e a s i n g t h e s p e e d o ft r a i ni st h es t r a t a g e m o f r a i l w a y d e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y f o u rt i m e si n c r e a s i n gs p e e dh a sb e e nd o n e s i n c e1 9 9 7o nm a i nli n e s i nt h e l a r g e t h eh i g h e s ts p e e d i s u p t o 1 6 0 k m h t w ot i m e so fi n c r e a s i n gs p e e dw i l lb ed o n ed u r i n gt h et e n t h f i v e y e a r p l a na l s ow h i c hw i l l i n c r e a s et h es p e e do ft r a i no nm a i n l i n ef u r t h e ra n do no t h e rl i n e s b u tt h es t a n d a r do fe x i s t i n gr a i l w a y i sl o w f u r t h e r m o r ei ti sn o ti na c c o r dw i t ho u rc o u n t r y r e a l i s t i c s i t u a t i o nt ob u i l dt h er a i l1 i n e sf o rh i g hs p e e dl a r g e l y s od e p e n d i n g 0 1 3t h ei m p r o v e m e n to ft h el o c o m o t i v e sa n dr o l l i n gs t o c k s 。p e r f o r m a n c e t om e e tt h en e e do fh i g hs p e e di sw h a ts h o u l db ed o n eo nt h eb a s i so f e x i s t i n gr a i l w a y f 0 1 l o w i n gt h ei n c r e a s i n gs p e e do ft r a i n ，t h e f o r c eb e t w e e nw h e e l a n dr a i lb e c o m eb i g g e ra n dt h ew e a ri sm o r es e r i o u sw h i c hl e a d st ot h e s h o r t e rp e r i o do fw h e e lt u r n i n ga n dt r a c kr e p l a c e m e n tr a i s e dt r a n s p o r t c o s ta n dd e c r e a s e dr u n n i n gs a f e t yo ft r a i n a tt h es a m et i m et h es e t i o u s w e a ro fw h e e la n dr a i lw i i lr e i n f o r c et h ep o l l u t i o no fs u r r o u n d i n g i t i s r e q u i r e dt os e a r c ha n dd e s i g nab o g i ew i t h1 0 ww e a ra n dg o o d p e r f o r m a n c et om e e tt h en e e do ft r a n s p o r tm a r k e t f o ral o n gt i m e ，t h el a t e r a ls t a b i l i t ya n dn e g o t i a t i o n p e r f o r m a n c e i s c o n t r a d i c t o r yf o r t h ev e h i c l e sw i t ho r d i n a r yb o g i e s t h ef o r c e b e t w e e nw h e e la n dr a i lw i l li n c r e a s ea n dt h ew e a rw i l lb em o r es e r i o u s w h e nt h et r a i ni sc u r v i n ga th i g h e rs p e e d c o m p a r e dt oo r d i n a r yb o g i e ， t h er a d i a lb o g i ec a ne n s u r et h el a t e r a ls t a b i l i t yo fv e h i c l e a tt h e s a m et i m ei tc a ni m p r o v et h ev e h i c l en e g o t i a t i o n p e r f o r m a n c ea n dr e d u c e t h e1 a t e r a lf o r c ea n dw e a rb e t w e e nw h e e la n dr a il i ts o l v e st h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nl a t e r a ls t a b i l i t ya n dn e g o t i a t i o np e r f o r m a n c e e f f e c t i v e l y s ot h es t r u c t u r eo fl o ww e a r b o g i e f o r h i g hs p e e d p a s s e n g e rc a rs e a r c h e d i nt h i s p a p e ri ss e l f - s t e e r i n gb o g i e t h ec h a r a c t e r i s t i co fs e v e r a lc l a s s i c a ls e l f s t e e r i n gb o g i e sa 1 1 o v e rt h ew o r l da r ec o m p a r e di nt h i sp a p e r t h e p u l l p u s hr o ds e l f - 西南交通大学硕士研究生学位论文第j v 页 s t e e r i n gm e c h a n i s m i ss e l e c t e dt ob e t h eb a s i cs t r u c t u r e o ft h e l o w w e a rb o g i ef o rh i g hs p e e dp a s s e n g e rc a r i t s t h ef i r s tt i r ef o r t h i st y p es t e e r i n gm e c h a n i s mt ob eu s e do nt h eb o g i ef o rp a s s e n g e rc a r i no u rc o u n t r y t h es c h e m ed e s i g na n dt e c h n o l o g yd e s i g na r ec o m p l e t e d i nt h ep a p e r t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d t h ep r i m a r y p a r a m e t e r s o f s u s p e n s i o n s a n dr a d i a lm e c h a n i s ma r es e l e c t e d s i m u l t a n e o u s l y t h e1 0 w w e a rb o g i ef o rh i g hs p e e dp a s s e n g e rc a rs h o u l dh a v en o t o n l yt h eh i g h e rc r i t i c a ls p e e db u ta l s ob e t t e rn e g o t i a t i o n s ot h e f o r c ea n dt o r q u eo fw h e e ls e t ，b o g i ef r a m ea n dc a rb o d ya r ea n a l y z e d a n dt h e d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d t h e nu s i n gt h e m u l t i p l eb o d i e ss i m u l a t i o np r o g r a ms i m p a c kt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h em o d e l si ss i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d t h ep r i m a r y p a r a m e t e r so f s u s p e n s i o n sa n dr a d i a lm e c h a n i s ma r eo p t i m i z e d t h eo p t i m u mp a r a m e t e r s a r ep i c k e du pw h i c hw i l le n s u r et h el o w w e a r b o g i ef o rh i g hs p e e d p a s s e n g e r c a rb e t t e r c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei n c l u d i n gl a t e r a l s t a b i l i t y ，r i d ei n d e xa n dn e g o t i a t i o n f u r t h e rt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o fb o g i ei sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e da n dt h ep e r f o r m a n c ei s c o m p a r e d t ot h a to fo r d i n a r yb o g i e t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h er a d i a l b o g i eh i g h th a v eh i g h e rl a t e r a ls t a b i l i t ya n dc a n i m p r o v et h en e g o t i a t i o nm e a n w h i l e i tc a nr e d u c et h ev e h i c l ef r i c t i o n p o w e rt os o m ee x t e n t w h e nt h et r a i nr u n so nt h ee x i s t i n gr a i l w a yw h o s e c u r v er a d i u si ss m a l l e rt h ev e h i c l ef r i c t i o np o w e rc a nb er e d u c e dt o a l a r g e rd e g r e e t h ef r a m ei st h em o s tc o m p l e xc o m p o n e n to ft h eb o g i e t h ei n t e n s i t y o ft h ef r a m ei s a n a l y z e du s i n ga n s y sp r o g r a mb a s e do nt h er e f e r e n c e o ft b t1 3 3 5 1 9 9 6 a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h es t r u c t u r e o ff r a m ei so p t i m i z e ds ot h a tt h e i n t e n s i t yr e q u i r e m e n tw o u l db em e t a n dt h er u n n i n gs e c u r i t yw o u l db ee n s u r e dw h e nr u n n i n ga th i g hs p e e d k e yw o r d s ：b o g i e ，l o w w e a r ，d y n a m i c ss i m u l a t i o n ，s t e e r i n g ，s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 论文选题背景 第1 章绪论 随着我国国民经济的迅猛发展，人民生活水平有了显著的提高。加入世 界贸易组织、申办2 0 0 8 年奥运会成功都标志着我国已逐步融入国际社会。 入世后，各行各业都面临着机遇和挑战，作为运输业龙头的铁路也不例外。 2 0 世纪六、七十年代，世界上各经济发达国家和一些发展中国家就开 始致力于高速铁路的发展。如法国的t g v 、德国的i c e 和日本的新干线等都 是典型的代表。安全、高速、舒适的理念渐入人心，成为人们出行的标准。 同国际先进国家相比，我国铁路还很落后。铁路运能的低下与人民要求的日 益提高这一矛盾显得愈来愈突出，中国铁路的全面提速势在必行。于是，自 1 9 9 7 年开始，我国铁路以进行多次大规模提速。目前，己基本实现全国路 网中主要干线的普遍提速。 我国的国情和复杂的地理特征决定我国铁路提速不能靠大规模修建高速 线路来实现。因而只有利用既有线，通过改善机车车辆的性能来满足提速的 要求。我国的既有铁路线路一般等级较低，曲线多，曲线半径小。因而改善 机车车辆的曲线通过性能成为提速的关键。对于常规机车车辆转向架，改善 曲线通过性能与横向稳定性一直是相互矛盾的。例如，提高系悬挂的纵向 刚度有利于横向稳定性，但恶化了曲线通过性能；加大踏面等效锥度，有利 于曲线通过，却容易引起蛇行失稳。所以，曲线通过性能与横向稳定性之间 的矛盾，是常规转向架所难于解决的。径向转向架的出现较好的解决了这一 矛盾，它能同时满足曲线通过性能和横向稳定性这两方面的要求，是当前从 根本上改善机车车辆曲线通过性能最有前途的设计。在高速化的铁路发展中， 径向转向架在世界范围内得到越来越广泛的应用。发展比较成功的主要有南 非的s c h e f f e l 转向架，美国的d e v i n e 转向架，英国的c r o s s b r a c e d 转向 架以及加拿大的i c t s 转向架等。 我国径向转向架的研究起步较晚，1 9 8 5 年由西南交通大学、齐齐哈尔 车辆厂、昆明铁路局合作研制了迫导向转向架。1 9 8 7 年首辆落成，在昆明 局铁路管内上线运营，经历了一个段修期后，轮轨磨耗明显减小。1 9 9 9 年， 由西南交通大学主持与南京演镇车辆厂，唐山机车车辆厂合作，分别研制开 发出我国首辆准高速摆式客车自导向转向架和追导向转向架，2 0 0 1 年1 月 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 在西南交通大学牵引动力国家重点试验室完成滚动、振动实验台动力学试 验。并于同年3 月、8 月两次在成渝线和成昆线上完成线路动力学试验，试 验结果比较满意。 1 2 径向转向架导向原理及分类 按照导向原理的不同，径向转向架可分为自导向径向转向架和迫导向 径向转向架。迫导向转向架是通过外力作用使轮对在曲线上摇头，减少轮 对冲角。根据强迫摇头机理，可将迫导向转向架分为被动式和主动式两种。 被动式迫导向转向架是利用车辆通过曲线时车体相对构架的转角由迫 导向机构按照定的比例传递给轮对，使轮对趋于曲线的径向位置。 主动式迫导向转向架一般都装有控制系统，通过检测、控制系统将指 令传输到液压或机电式作动器上，由作动器驱动，使轮对趋于曲线径向位 置。这种技术目前尚处于探索阶段。本文所指的迫导向转向架为被动式迫 导向转向架。 迫导向转向架发展开始于上世纪二十年代，根据b s c a l e s 提出的杠 杆式导向机构，d e v i n em f g 公司研制了d e v i n e 转向架。其后h a l i s t 又 建议在自导向的基础上加车体连杆的迫导向原理同样为工程界采用。加拿 大运输发展公司研制的t v 一1 、t v 一2 就是利用l i s t 原理的迫导向转向架。 自导向径向转向架是依靠轮轨间的蠕滑力来导向的。由于轮对踏面存 在锥度以及轮对能够相对于轨道做横向运动，使导向轮对内外车轮上作用 着两个大小不同的纵向蠕滑力，导向轮对获得了趋于曲线径向位置的导向 力矩。由于自导向转向架一系纵向定位刚度较小，因此导向轮对自身就具 有较好的曲线通过能力。自导向转向架通过径向机构将前后轮对联系在一 起，通过径向机构的作用，将前轮对趋于曲线径向位置的趋势反向传递给 后轮对，使前后轮对同时趋于曲线径向位置，减少了轮对冲角，降低了磨 耗。 自导向径向转向架的历史可以追溯到1 8 2 8 年德国马车上采用的对角 斜撑机构。最早应用于铁路的自导向径向转向架是南非的s c h e f f e l 转向 架。它采用的是英国道比技术中心根据蠕滑导向的曲线通过理论提出的在 转向架的两条轮对间加装对角交叉杆或导向架的自导向转向架机理。 1 3 自导向径向转向架几种典型结构及特点 目前，自导向径向转向架的典型结构主要有图i - i 所示的几种。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 垦 ( a ) ( c ) ( d ) ( e ) 图卜1自导向径向机构的典型结构 图卜1 ( a ) 为轮对对角交叉 支撑式径向机构，代表转向架主 要有南非的s c h e f f e l 转向架， 如图1 - 2 所示。这种机构通过两 根刚性杆，将两条轮对交叉连 接。 图卜1 ( b ) 所示为导向架式 径向机构，代表转向架主要有 d r 一1 转向架，如图卜3 所示。 用两个导向架分别连接两条轮对 的两侧，并通过铰接结构将两个 导向架连接在一起，从而将两条 轮对联系起来。 这两种径向机构均不与构 架相连，而采取将前后轮对直接 耦合起来的结构，使横向运动和 摇头运动直接相连。结构简单， 但占用的空间大，径向机构完全 属于簧下质量，对改善车辆运行 品质不利。因此，这两种径向机 一l 一， 一飞婶姐乡一 t 、一 ! ：臻 图卜3 d r 一1 型转向架 卜承载鞍上的剪切橡胶垫；2 一导向臂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 构适合在运行速度不高的货车转向架上使用。 从径向机构的运动学关系来分析，这两种径向机构属于同一类型。在曲 线上利用蠕滑力导向时，有一定的适用范围。当曲线半径斤或车轮踏面等效 锥度 过小时，使得a c ( 打) “地) 时，导向力矩阻碍轮对导向“。所以这两 种机构的自导向径向转向架只有在曲线半径较大的情况下才能取得明显效 果，曲线半径很小时，前后轮对的蠕滑摇头力矩使转向架向增大冲角的方向 摇头，导致轮缘力加大，磨耗加剧，并增加脱轨的危险性。 图卜l ( c ) 所示径向机构为拉压杆式，德国e 1 2 0 机车径向转向架使用 了这种结构，如图卜4 所示。拉压杆式径向机构左右径向转动杆平行放置， 转动杆的中心分别铰接在侧梁的下盖板上，通过中间拉压杆将左右连接起 构架同一侧的两个轴箱和径向机构的转动杆之间用两根径向杆相连。由于中 间拉压杆的抗拉压刚度较大，能够限制前后轮对在纵向平面的相对平动，同 时在前后轮对之间有相对摇头时，使左右转动杆的旋转角相等。 图卜4e 1 2 0 机车径向转向架 图卜l ( d ) 径向机构为扭杆式，我国西南交通大学与株州电力机车厂曾 合作研制过这种类型的转向架，如图1 - 5 所示。这种方式的左右径向转动杆 垂直放置，通过转动杆的中心分别铰接在侧梁外侧的腹板上。径向机构的结 构同拉压杆式结构相类似，所不同的是拉压杆式依靠拉压杆的抗拉压刚度， 扭杆式依靠扭杆的抗扭转刚度来起作用。当前后轮对之间有纵向的相对位移 或者相对摇头时，中间扭杆杆因受到扭矩的作用而具有同拉压杆式径向机构 同样的功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 从运动学关系上讲，这两种径向机构属于同一类型。由于采用了与构架 相连接的径向调整机构，所以在任何半径的曲线上，径向机构均能够实现前 后轮对导向力矩的均衡，起到帮助轮对导向的作用。 图i - 5 扭杆式径向转向架 图卜1 ( e ) 所示的径向机构为德国v t 6 1 1 、v t 6 1 2 摆式客车自导向径向转 向架所采用，如图卜6 所示。 图卜6v t 6 1 2 摆式客车径向转向架 与扭杆式径向机构相比较，在结构上没有中间扭杆将左右径向机构联 系起来，在运动关系上与扭杆式相似，由于缺少中间扭杆，就不能限制前后 轮对纵向的同向与反向的相对平行运动，在列车高速运行时，有可能导致径 向机构的剧烈振动。在使用过程中，v t 6 1 l 转向架确实也出现了一些问题， 其中主要问题是转向架的径向机构产生共振，甚至断裂。出现这种现象的原 因是由于摆式转向架结构较复杂，径向机构仅能将转向架同一侧的两个轴箱 相连，没有将转向架两侧的径向机构联系在一起，因此不能有效地抑制车辆 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 运行过程中前后轮对间的纵向相对运动，从而加大了径向机构的受力和振 动，使径向拉杆产生共振，出现疲劳裂纹。针对这些问题，v t 6 1 2 进行了改 进，加大了径向拉杆，改变了纵向减振器的安装位置，效果如何，尚待运行 考验。 1 4 论文的主要研究内容 如前所述，我国在径向转向架的研究上已经做了较多的工作。但大多 都是基于车辆时速在1 6 0 k m h 设计开发的。虽然，株州电力机车厂做过时 速为2 0 0 k m h 的控制车用自导向径向转向架的研究，但最终没有应用于工 程实际。所以目前国内还没有用于高速客车的径向转向架。 同迫导向径向转向架相比，自导向径向转向架的径向机构不与车体相 连，故结构相对简单，便于维护。有关资料表明阳“，自导向径向转向架在 中等半径的曲线上，有较好的曲线径向调节作用。由于高速客车运行的线 路相对较好，小半径曲线少，所以本文将研究构造速度为2 2 0 k m h 的低磨 耗高速客车自导向转向架的结构及其动力学性能。 文中将着重研究解决以下问题： ( 1 ) 确定低磨耗高速客车转向架的模式及基本结构。 ( 2 ) 确定低磨耗高速客车自导向转向架各部组成的结构形式及其参数优 化，并对转向架中受力最为复杂的构架进行强度分析。 ( 3 ) 从结构学的角度出发，分析径向转向架的内在机理和根本特性，选 择径向机构的结构形式。 ( 4 ) 建立动力学仿真模型，研究自导向转向架动力学参数与轮轨磨耗 间的关系。通过优化转向架一、二系悬挂参数和自导向径向机构参数来提高 转向架的动力学性能、降低轮轨磨耗。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章低磨耗高速客车径向转向架技术方案设计 常规转向架在既有线路上运行时，随着列车速度的提高，轮轨之间的 动作用力加大、轮轨磨耗加剧，镟轮和换轨周期缩短，运输成本增加，列车 的运行安全性降低。同时，严重的轮轨磨耗加重了对铁路沿线环境的污染。 因而需要研制一种低磨耗、高性能的转向架以满足铁路运输市场的需要。本 章根据高速和低磨耗的要求，对低磨耗高速客车径向转向架进行技术方案设 计，确定转向架的模式和基本结构以及各组成部件的结构形式。 2 1 转向架设计要求及主要结构特点 2 1 1 转向架的设计要求 低磨耗高速客车径向转向架应保证在高速运行时具有较好的乘坐舒适 度、较小的轮对冲角和较低的轮轨磨耗，并可降低运行噪声，减小维修工作 量及环境污染。 低磨耗高速客车径向转向架可应用于时速为2 2 0k m h 的干线客车和动 车组中的非动力转向架，也可用于其它适合2 2 0k m h 运行的车辆。 2 1 2 转向架的主要结构特点 低磨耗高速客车径向转向架具有以下主要结构特点： 无摇动台、无摇枕、无心盘，车体自重及载重全部由空气弹簧承载。 采用拉压杆式自导向机构。自导向机构具有轮对纵向定位和导向双重功 能，既能保证转向架在直线上具有较高的临界速度，又能使车辆通过曲 线时轮对趋于径向位黄，减小轮轨之间的磨耗、噪声和环境污染，并降 低运行成本。 转向架构架是用低合金高强度结构钢板和无缝钢管组焊而成的h 型构 架，构架侧梁为箱形封闭断面的u 型梁。 轮对轴箱定位装置由螺旋钢弹簧、无磨耗的转臂式定位装置和垂向液压 减振器组成。 牵引装置采用z 字形拉杆牵引方式。 基础制动采用单元盘形制动装置，并加装高性能的防滑器。 2 2 转向架主要技术参数 对低磨耗高速客车径向转向架进行技术方案设计时，其主要技术参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 列于表2 一l 中。 表2 1 低磨耗高速客车径向转向架主要技术参数 轨距( m m ) 构造速度( k m h 。1 ) 轴重( t ) 转向架自重( t ) 轴距( m m ) 轴颈中心横向跨距( m m ) 轴承 车轮直径( m m ) 新轮 磨耗到限 车轮踏面型式 通过最小曲线半径： 正线连挂( m ) 单行调车( m ) 车体承载方式 基础制动 制动距离( m ) 初速为1 6 0k m h 1 初速为2 0 0k m h 1 自重下空簧上平面距轨面高( m m ) 左右空气弹簧中心横向跨距( m m ) 径向机构 牵引装置 中心销高度( m m ) 转向架与车体横向间隙( m m ) 限界： 1 4 3 5 2 2 0 1 5 5 6 5 2 5 0 0 2 0 0 0 双列圆柱滚子轴承 函9 1 5 中8 6 0 磨耗型踏面( l m ) 1 4 5 1 0 0 空气弹簧承载 轴盘制动+ 防滑器 1 4 0 0 2 0 0 0 9 2 8 2 0 0 0 拉压杆式自导向径向机构 中心销+ z 字型拉杆牵引 4 5 8 7 0 ( 自由间隙4 0 ) 符合g b1 4 6 1 - - 8 3 标准轨距铁路机车车辆限界及9 5 3 0 1 - - n 高速铁路机车车辆限界技术条件的要求。 强度： 符合t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范，并 参照9 5 j 0 1 一m 高速试验客车强度及动力学规范执行。 动力学性能： 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 图2 - 1 ( a ) 低磨耗高速客车径向转向架 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 图2 - 1 ( b )低磨耗高速客车径向转向架 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 2 3 转向架结构设计 低磨耗高速客车径向转向架为自导向转向架，采用三无结构，全空气 弹簧承载。转向架的基本结构由构架组成、轮对轴箱定位装置、中央悬挂装 置、制动装置、牵引装置及径向机构等部分构成。 低磨耗高速客车径向转向架结构总图如图2 1 ( a ) 、( b ) 所示。 2 3 1 构架组成 构架是连接车体与轮对的重要部件，它不仅传递车辆的纵向、横向和垂 向的作用力，是转向架中受力最复杂的部件，而且还为安装弹簧、减振器、 制动装置、牵引装置和抗侧滚扭杆等提供安装座或吊座，把各种零部件组合 成一个整体。因此构架的结构、形状和大小不仅应满足有关零部件组装的要 求，而且要满足高速运行时对强度的要求。低磨耗高速客车径向转向架构架 组成如图2 2 所示。 图2 - 2 构架组成 构架由侧梁组成、横梁、纵向联系梁及各安装座组成，轴距为2 5 0 0 m m 。 两个侧梁由两根横梁连接在一起后组成h 型构架，侧梁中心横向跨距为 2 0 0 0 m m ，在两根横梁之间焊有两条纵向联系梁。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 侧梁组成包括侧梁、端头、定位臂和轮对提吊安装座。侧梁由上盏板、 下盖板和双腹板组成u 型梁箱形结构，侧梁各横截面根据构架受力按照等强 度的理论进行设计。侧梁内腔焊有隔板以增加侧梁的强度。侧梁上盖板中部 加宽，作为中央空气弹簧座，侧梁内腔还作为空气弹簧的附加空气室。在侧 梁上盖板加宽部位与腹板间焊三角形加强筋，以满足空气弹簧座处的强度要 求。侧梁下盖板两端加长、加宽，用于组焊端头。下盖板中央焊有自导向径 向机构安装座。在侧梁腹板外侧焊接抗蛇行减振器座和高度控制阀座，在腹 板内侧焊接差压阀座。 定位臂对称焊接在侧梁下盖板上，保证定位节点纵向安装尺寸1 0 0 0 m m ： 控制定位臂v 形槽中心高度与车轴中心线高度一致。这样，可使转臂定位节 点处的力与车轴中心线在同一平面内，尽量减少对车轴的附加力矩。 端头为一系轴箱弹簧和垂向减振器提供安装位置。端头由端头上盖板 和端头圆筒组成。端头焊接在侧梁的两端。端头上盖板中央开设工艺孔，用 于取出轴箱弹簧预压所用的工艺螺栓。 端头组焊完后，最后将轮对提吊安装座组焊到侧梁组成的端部。轮对 提吊的作用是在转向架整体吊装作业时，使轮对能够随同转向架一同起吊。 转向架落成后，轮对提吊与轴箱上的提吊挡舌间应留有一定量的间隙，要满 足车辆运行中一系轴箱弹簧动挠度的要求。 横梁选用0 1 6 8 的无缝钢管，钢管壁厚1 5 m m 。两横梁中心的纵向跨距 为1 0 0 0 m m 。横粱上焊接制动吊座和z 字形牵引拉杆座。 纵向联系粱为由上盖板、下盖板和两块立板焊接而成的箱形结构粱， 组焊在两横梁之间。左右纵向联系梁中心的横向跨距为8 9 0 m m 。在构架纵向 联系梁上对称焊有二系横向止挡座和自导向径向机构安全吊：斜对称焊二系 横向油压减振器座。 构架组成各部分结构基本都为对称或反对称布置，使轮对、构架和车 体受力对称、均衡，整体受力更为有利。 由于构架受力复杂，为保证构架的强度，构架侧粱和纵向联系梁的钢板 材质可选用低合金高强度结构钢1 6 m n r ，横梁可选用高级2 0 号钢。 2 3 2 轮对轴箱定位装置 轮对轴箱定位装置包括轮对、轴承、轴箱和一系悬挂。见图2 3 所示。 轮对在轨道上高速运行，同时还要承受来自钢轨和均架的各种动、静载萄 的作用，受力情况十分复杂，是影响车辆安全运行的关键部件之一。轮对 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 由1 根车轴，2 个车轮和3 个制动盘组成。左右车轮滚动圆间距为1 4 9 3 m m ， 轮对内侧距为1 3 5 3 + 2 m m 。车轮与车轴，制动盘与车轴之间采用过盈配合。 轮对压装完成后，进行轮对静平衡和动平衡试验，严格控制静、动不平衡 量，以减少当车辆高速运行时由于轮对质量偏心产生的附加周期性激励。 根据有关规定，轮对的动不平衡量应小于0 5 n m 。 图2 3 轮对轴箱定位装置 车轴采用r d 2 0 0 型车轴。轴颈中心距为2 0 0 0 m m ，轴颈直径口1 3 0 m m 。 在轴身上加制三个制动盘安装座，制动盘对称布置，以均衡车轴的受力情况。 在车轴的轴端设防滑传感器安装孔及感应齿轮。 车轮采用h s q 2 0 0 高速车轮，材料牌号为r t m 。车轮滚动圆直径，新轮 为函9 1 5 m m ，磨耗到限后为0 8 6 0 m m 。轮辋宽度为1 3 5 m m 。为提高自导向转向 架的导向功能，车轮踏面采用等效锥度较大的磨耗型踏面( l m 型) 。 轴箱采用高强度铸钢轴箱。轴箱中心线到定位节点安装孔中心线距离为 5 0 0 m m 。轴箱上设有温度传感器安装孔、一系垂向减振器座、自导向径向杆 安装座及提吊挡舌。 轴承可采用双列圆柱滚子轴承。 一系悬挂由转臂式定位节点和放置于轴箱顶部的单组双卷螺旋弹簧组 成，并在轴箱外侧安装了一个与轴箱弹簧并联的垂向油压减振器，用于抑制 构架的点头、浮沉振动和衰减来自钢轨的冲击。轴箱弹簧置于轴箱顶部，其 上半部伸到构架侧梁的弹簧座里，这种布置除了具有可直接引导负荷的优点 外，还有其它优点：当轴箱纵向运动时，轮对会产生转动，但该弹簧不发生 偏转，因此不影响轮对轴箱定位装置的纵向刚度。在轴箱弹簧顶部与构架之 堕壹奎塑查兰堡主堡塞皇兰焦笙窒 塑! ! 要 一 一 间设有一块橡胶垫，用于吸收来自钢孰的冲击和高频振动。弹性定位节点将 构架的定位臂和轴箱的定位转臂连接起来，当轮对轴箱在纵、横向相对于构 架产生位移时，弹性节点的橡胶层发生变形，从而起到弹性定位作用这种 定位结构的优点是无磨耗，而且能实现不同的纵向和横向定位刚度，可以有 效的抑制转向架的蛇行运动。 2 3 3 中央悬挂装置 中央悬挂装置位于车体和转向架之间，由空气弹簧系统、横向溜压减 振器、抗蛇行减振器、抗侧滚扭杆装置和横向弹性止挡组成。中央悬挂装置 如图2 - 4 所示。 空气弹簧系 统由空气弹簧装 置、高度控制阀、 差压阀、附加空气 室和相应的管路系 统组成。空气弹簧 横向跨距为 2 0 0 0 m m ，落车后， 空气弹簧上平面距 轨面高9 2 8 m m ，下 平面距轨面高 7 1 8 m m 。空气弹簧 具有非线性特性， 其刚度随载荷而变 化，从而保持空重 车时车体的自振频 率几乎相等，使空 重车不同状态下的 2 - 4 中央悬挂装置 运行平稳性比较接近。同一空气弹簧可以同时承受三个方向的载荷，利用空 气弹簧的横向弹性特性。可以代替传统的摇动台装置，从而简化结构，减轻 自重。空气弹簧还可设有可变节流孔，代替垂向减振器起到衰减从构架传到 车体的垂向振动的作用。在车体和构架之间安装高度控制阀，用于控制车体 载荷变化时空气弹簧内的空气压力，便空气弹簧的高度保持基本不变，确保 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 空重车情况下车辆正常连挂。转向架左右两个空气弹簧之间通过差压阀联系 在一起，使两组空气弹簧之间的压力差控制在允许范围之内，防止左右侧增 减载过大，使车辆安全、平稳运行，防止脱轨。 在z 字型牵引杆和构架纵向联系梁之间斜对称布置两个横向油压减振 器，用以衰减车辆的横向振动。在构架纵向联系梁和中心销之间设有横向弹 性止挡，以限制车体相对构架过大的横向位移。横向止挡自由间隙为4 0 m m ， 弹性间隙为3 0 m m 。 在构架和车体之间安装抗蛇行减振器用以抑制车体相对于构架的摇头运 动，提高车辆直线运行时的稳定性。在构架和车体之间安装抗侧滚扭杆装置， 以减小车体相对构架的侧滚角位移。因结构空问的限制，抗侧滚扭杆装置的 扭杆从构架横梁中穿过。 落车时，为使车体地板面保持水平，使各轮的轮重差控制在允许的范围 内，可采取在空气弹簧上加垫或在轴箱弹簧下加垫的方法予以调整。 2 3 4 自导向径向机构组成 由绪论中对国外几种典型的自导向机构性能的比较可知，拉压杆式和扭 杆式径向机构在结构和帮助轮对导向两方面相对于轮对对角交叉支撑式和导 向框式有一定的优势，结构简单，便于布置，检修维护方便，只有部分导向 机构的质量属于簧下质量，导向性能较好。但扭杆式径肉机构的中间扭杆要 穿过左右侧梁，这里常作为空气弹簧的附加空气室，因而从工艺上对附加空 气室的焊接加工提出了更高的要求，并且影响转向架中央牵引装置的安装空 间。而无摇枕客车转向架一般侧梁下盖板较高，转向架中央下部也有较大的 空间，适合拉压杆式径向机构的布置。故低磨耗高速客车转向架采用拉压杆 式径向机构，在不超出机车车辆限界的基础上，可以充分利用侧梁下盖板和 中央牵引装置下的空间，而且结构上可以借鉴v t 6 1 l 、v t 6 1 2 的模式，在两根 径向杆之间安装液压减振器，用以衰减从轮轨传到径向杆的振动。 自导向径向机构由径向杆、转动杆、中间拉压杆和纵向液压减振器组 成。如图2 - 5 所示。径向杆一端与轴箱相连，另一端与转动杆相连。径向杆 的两端都用弹性球铰连接。为控制前后两个轮对在纵向相互平动，用中间拉 压杼将左右两个转动杆连到一起。在转动杆的顶端与径向杆之阁安装纵向液 压减振器，一方面可缓解轮对的摇头运动( 特别是高频摇头运动) 通过径向机 构传递给构架：另一方面还可辅助拉压杆抑制翦后两个轮对在纵向的相互乎 动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 径向机构不仅具有在车辆通过曲线时均衡前后轮对的导向力矩，使轮 对趋于径向位置的作用，而且还能够为车辆在直线上高速运行时提供一定的 轮对摇头刚度，保证车辆的运行稳定性。径向机构是保证自导向径向转向架 性能的关键部件，径向杆的刚度和组装的误差间隙对转向架的动力学性能有 重要的影响，故应严格控制径向机构各部件的加工和组装误差，保证径向杆 的刚度和间隙都在规定范围之内。 图2 - 5 目导向径向机构 径向机构的径向杆和中间拉压杆都属于细长杆件，且在径向机构动作 的过程中要传递作用力，应此需要进行压杆稳定性校核。以中间拉压杆为例， 进行压杆稳定性校核，从结构上来讲，中央拉压杆可视为两端铰支杆，根据 压杆稳定理论有： ， ，r2 ie 一。，2 音( 2 1 ) 式中：巳保证压杆稳定的最小轴向压力； 中央拉压杆横截面的主惯性矩，由拉压杆的截面形式和尺寸 决定； e 弹性模量： ，串央拉压杆长度： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 根据第3 章中建立的径向机构数学模型可知，中央拉压杆受力为： c ：k 阻。一k x , ) + 车冬睁( 2 - 2 ) l 二 j 】 式中各参数含义见3 3 节。由以上各式可见，满足压杆稳定的必要条 件是：f 。e ，。所以在设计转向架径向机构时，要根据这一条件选择中央拉 压杆横截面形式和尺寸。 同理设计径向杆的横截面形状和尺寸。 2 3 5 牵引装置 牵引装置用于传递牵引力和制动力。在车体和构架之间采用中心销、? 字形拉杆牵引方式。如图2 - 6 所示。 图2 - 6 牵引拉杆组成 中心销连接在车体枕梁中央，为圆锥形结构，落车后中心销插于转向 架z 字形牵引座的中心销套内。z 字形牵引座两端与牵引拉杆相连，牵引拉 杆的另端连于构架横梁上的牵引拉杆座。z 字形牵引座两侧斜对称设有二 系横向油压减振器座。 z 字形拉杆牵引方式的优点在于它可以提供足够大的纵向牵引刚度，传 递大的纵向牵引力，而在横向和垂向的刚度却很小，使车辆在通过曲线时， 车体能够相对于构架横向偏移，保证车辆平稳通过