（光学工程专业论文）200kmh交流电力机车转向架开发研究.pdf

西南交滋大学硕士研究熊掌像论文 第l 擞 攘要 本论文所有的工作郝照结合工程察际设 卡项瞽一2 0 0 k 舶交流墩力机车转 向粱开发研嚣8 进行磅究的。 爨予该交漉毫力戳攀速发等级赛予拳髂爨速度静下藤粒絮熬遵壤藜土鞭之 黼，浚诗方黧必然多样化，为蘧： 1 对高蟪转向架的动态环境进彳亍了详细分析，指出了高速转向架设计的原 理帮注意事滚。 2 在魏分析基础土，按照设计源瑷和理念避裙了铸动装嚣懋撞为半体悬翻 絮悬方案懿鳞捷设计，势靛半俸悬裁懿爨方案瓣动力学瞧麓分裂运爨多薅动力 学软件s i m p a c k 和道闵动力学a d a m s 避行了较为详绷的分析和参数优化，通j 建 分辑爨礁了2 0 0 k m h 交流魄力枧车转穗絮开笈难煮鬻关键瑟在。 3 运掰价值工程理念，综合分析了两方案。就渤力学性雅衙富，两方案均 可行：考虑研发周期、成本以及技术难点等因索，嫩终确定2 0 0 k m h 交流电力 辘车转彝黎错发采焉絮憨蠢巢。 4 ，嚣懿繁懋方案簧f 获蠹太是箕致念静绞酪，为楚运建凝车簸遭藕合动 力学软转避盼了垂褰动力 錾焉努耩释缮构参数伉纯，淡及与礴粪滚震等级静掇 车的性能对比分析，验i 正了架悬方案设计的合理性芹可行性。 5 滠盛，靛该矮露酌褥究体会，提擞了裁力学工终者豫了鼗参与矮露熬馥 鞭开发疆究，嚣要参专颁瓣豹实验验谣。 +z 关键诵：黼谴机车藉丽囊，半体善架机车；繇幼力学，轮辆 磊动力学 嚣毒交瀵大拳臻圭磷窕生拳位论文繁l1 蓑 a b s t r a c t b a s e do nt h ea c t u a le n g i n e e r - d e s i g ni t e m - - - t h e d e v e l o p m e n t a n d i n v e s t i g a t i o n o nh i g h s p e e db o g i eo f 2 0 0 k m ha ce l e c t r i c * l o c o m o t i v e a l lo f t h ei n v e s t i g a t i o n o fi t e mi sd o n ei nt h i sp a p e r , w i t ht h es p e e do f t h i sl o c o m o t i v eb e t w e e nt h e u p p e r l i m i to f t h e b o g i e s u s p e n d a n dt h el o w e rl i m i to ft h e h a l f - b o d y s u s p e n d ，s o t h em u l t i d e s i g n p r o j e c t s i s i n e v i t a b l e 1t h i s p a p e ra n a l y z e p a r t i c u l a r l y t h e d y n a m i c e n v i r o n m e n to f h i g h 。s p e e d b o g i e ，s e tf o r t ht h ed e s i g n - f u n d a m e n t a lo fh i g h - s p e e d b o g i ea n dt h e n o t i c et h e p r o c e e d i n g 2 a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l ea n dc o n c e p tb a s e da b o v eo fa l l ，f i r s t l y ，d e s i g n s e p a r a t e l yt h ed r i v e - u n i to f t h eb o g i e - s u s p e n da n dt h eh a l f - b o d y - s u s p e n d ，s e c o n d l y a n a l y z et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h eb o g i e - s u s p e n da n dt h eh a l f - b o d y - s u s p e n d l o c o m o t i v eu s i n gt h em u l t i b o d yd y n a m i cs o f f w a r e - - s i m p a c ka n da d a m s ，a n d o p t i m i z et h ed a t eo f t h es u s p e n d s y s t e m i ns h o r t ，b a s e d0 1 1t h ea n a l y s i sc o n c l u s i o n ， f i n do u tt h ed i f f i c u l t ya n ds t i c k i n gp o i n to ft h ed e v e l o p m e n ta n d i n v e s t i g a t i o no nh i g h * s p e e db o g i eo f 2 0 0 k m h a ce l e c t r i c l o c o m o t i v e 3 u s i n gt h ec o n c e p to fv a l u e - e n g i n e e r , e v a l u a t eac o u p l eo fp r o j e c t sa sf a ra s t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eg o e s ，t h e s es c h e m e sa r ef e a s i b l e ，b u tc o n s i d e r i n gc y c l e 、 c o s t 、t e c h n i c a ld i f f i c u l t ya n ds oo n ，t h e b o g i e - s u s p e n dp r o j e c ti sa d o p t e du l t i m a t e l y 4 b e c a u s et h ed i s a d v a n t a g eo ft h eb o g i e - s u s p e n dp r o j e c ti s l a r g eu p s p r u n g m a s s ，t h i sp a r ta n a l y z et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eb o g i e s u s p e n dl o c o m o t i v e u s i n gt h ev e h i c l e t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c ss o f w 副- e 一t t i s i r e ，o p t i m i z et h ed a t e o ft h e s u s p e n d - s y s t e m a n d c o m p a r e w i t ht h e p e r f o r m a n c e o fs a m e t y p e l o c o m o t i v e ，t h e r e b yv a l i d a t e t h a tt h e b o g i e - s u s p e n dp r o j e c ti sr e a s o n a b l ea n dd o a b l e 5 i ne n d 。p u tf o r w a r dt h a tt h ep e r s o nw o r k i n ga td y n a m i cs t u d yn o to n l y j o i n s i nt h ep r o p h a s es t u d y , b u ta l s o p a r t i c i p a t e si nt h ev a l i d a t e - e x p e r i m e n ti n o r d e rt o p e r f e c t t h ed y n a m i c s k e y w o r d s ：h i g h s p e e d l o c o m o t i v e ，t r a c k ，b o g i e ，h a l f - b o d y - s u s p e n d ， b o g i e - s u s p e n d ，l o c o m o t i v es y s t e md y n a m i c s ，v e h i c l e - t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 2 0 0 k m h 交流电力机车是北方机车车辆集团公司为适应我国铁 路机车车辆“十五”发展，提高技术水平，缩短与世界先进水平的差距， 满足京沈高速客运专线提速要求，正在开发研制的客运高速交流电 力机车。 众所周知，无论高速动车，还是高速机车走行部都是关键之关 键，这一共识已被高速铁路发达的国家多年的研制所证实，故不言 而喻，2 0 0 k m h 交流电力机车的关键也是走行部，即转向架的总体结 构设计和动力学性能的优劣。 既然转向架在高速动车、高速机车中占如此重要的地位，那么， 对于该速度等级的高速转向架究竟如何着手研制才能保证该速度等 级机车转向架在技术上可行、设计合理、结构选型先进，并结合我 国实际确保在近期内研制成功昵? 这是铁路工作者必须回答，而且 急待解决的课题。因此选择该项目为研究课题，意义就在于通过分 析研究揭示问题的实质和找出问题的解决办法和措施。 1 2 开发理念 由于该交流电力机车速度等级界于半体悬速度的下限和架悬速 度的上限之间，鉴于国内、外在高速领域多年的研究开发经验，因 此，2 0 0 k m h 等级交流电力机车转向架的总体设计开发： 必须借鉴国外的先进经验，结合中国铁路的实际情况，在确保 走行部性能的基础上，制定科学合理的研制目标和主要技术指标， 确定适合我国高速机车转向架的结构和参数； 充分考虑速度提高对机车动态环境恶化的影响； 发挥“八五九五”期间在高速领域所做的研究、研制技术储备： 考虑工厂产品设计的简统化、标准化要求以及设计习惯： 采用模块化设计： 通过多方案的计算分析，在满足动力学性能的基础上，优化总体 参数，力求总体参数匹配合理、同时要兼顾市场的迫切性和产品的经 济性和可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 3 本文研究工作 ( 1 ) 通过研究分析机车运行速度提高后，高速转向架的动态环境 变化，提出高速转向架的设计开发原理。 ( 2 ) 立足b o - b 。轴式转向架，遵循开发理念，进行结构设计：通过 多方案研究分析，综合性能权衡，确定2 0 0 k m h 速度等级交流电力机 车转向架方案。 ( 3 ) 对所选方案运用机车一轨道耦合动力学理论和分析软件进行 综合评估，重点分析机车对线路的垂向动力作用，并就影响机车动 力学性能的关键参数进行优化，为转向架的设计提供较为可靠的设 计依据。 ( 4 ) 通过本文的研究为今后高速机车转向架的研究开发提供科 学的设计开发理念。 西南嶷通大学硕士研究生学位论文 第3 页 第2 章高速转向架动态环境分析及设计 开发原理。 2 1 高速转向架动态环壤分析 当机筚速度提高到2 0 0 k m h 以上时，动态环境将急剧恶化，阻力 陡增、振动加刷、脱轨倾覆惫险性增大，高速机车车辍对安全平 稳舒适等方面的要求却有增无减，因此，常规转向架己不能适应， 需要研制灏型商速转向架。各凰在发晨高速铁路对，无不将姥作为 关键| 蠢题，投入大量入力物力，从理论和实验上开展研究，以指导 实际运用。 2 1 ，1 垂淘动力 乍焉加重 高速情形下，轮轨间的相属动力作用明显增强。轨道存在的垂 囊不平矮，会等致穗刍鬻燕弱轮鞔跨密振礴，姨弼蛊接影晌税翠车 辆运行的安全性与平稳性，并对轨道的强度和稳定性造成不良影响。 z 鬟 一 函 t ( m s ) l i t1 磐耱速度节瞻耱孽沩 以种给定参数的转向架为例进行计算分析表明：当运行速度 敲4 0 k m h 撬商戮2 5 0 k m h 对，车轮透过嗣一低相接头嚣李所雩| 起酌蓬 向轮轨力黼着速度的变化如图l ，其中，第一峰值即为高频冲击力p l ， 第二峰篷为低菝力p 2 ；p l 、 p 2 醚藿速度静燹纯秘黧2 ；黧3 、阉4 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 轨枕和道床加速度响应。 从图示结果看出速度提高后，垂向各种动作用加重的程度， 了高速轨道应比普通轨道加强以承受这种加剧了的动作用之外， 显然作为高速转向架，必须努力降低这种动力作用。 z g 一 山 5 0 0 4 0 0 i 、3 0 0 2 0 0 fj 0 0 - 0 一1 0 0 - 2 0 0 - 3 0 0 0 5 v ( k i n h ) 图2 速度对轮轨力的影响 1 01 21 4 1 61 8 2 0 t ( m s ) 图3 轨枕加速度响应 除 很 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 图4 道床加速度响应 2 12 横向运动稳定性要求高 运动稳定性是机车车辆系统自身的特性，与外部激扰无关。通 常，常规转向架非线性横向运动失稳临界速度要求比最大运行速度 高出l 【) 以上。1 2 0 k m h 的转向架失稳临界速度应在1 6 0 k m h 以上，高 速转向架对于运动稳定性有更高的要求。 高速运行中，由于线路的激扰使转向架振动加剧，同时随着等 效锥度的增大等，容易造成失稳临界速度降低。一旦运动失稳，如 轮对蛇行运动激化，则将引起剧烈振动，诱发磨损加剧，甚至引起 脱轨等严重事故。因此各国对高速转向架的失稳临界速度都十分注 意，一般规定应高于最大运行速度2 0 3 0 。如2 0 0 k m h 转向架，其 失稳临界速度应在2 4 0 2 6 0 k m h 以上。而进行滚动试验时，失稳临 界速度的扫描区域应比最大运行速度扩大1 0 0 k m h 以上。 2 1 3 曲线通过条件恶化 众所周知，通过曲线时的离心力与速度的平方成正比，与曲线 半径成反比。用以平衡离心力的线路超高的设置是有限的。因此， 高速列车一般都要以较大欠超高运行。 蒋南交通大攀颂研究叟攀位论文繁8 页 表2 一l 各嚣囊邃铁鼹懿最大趣离及欠越瀛篷 强剐速度最枣半线路最大越运行中瀚最大欠越 k m h径m高m m商m m 日本2 3 02 5 0 01 5 01 0 0 法隧2 7 0 4 0 0 01 5 86 s 3 9 04 0 0 01 5 01 0 0 德翻3 0 0 5 l o o1 5 05 8 农如此大浆欠惩离下运授，势必将孳l 起攘彝轮软力敢趣穴。魂 甄稳态藏线逶遗瀚计算鸯翻，说甓英增长鹃程度，灞5 8 为轮鞔横 向力、轮重减载举、脱轨系数和轮轨磨糕功随速度丽增长的情况， 这种增长随曲线半径的减小黼加剧。 z 凶 裳 蕊 毯 繇 划 麓 黎 懋 l 车辆蘧度( k i n h i ，r 。3 5 瓣寒：灌t 3 0 0 0 寒3 r = 4 0 0 0 蓉 溪5 轮鞔横淹力 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 r * 2 5 0 0 米2 r ；3 0 0 0 米3 r * 4 0 0 0 米 图6 轮重减载率 车辆速度k m h ) 1 r = 2 5 0 0 球二r = 1 0 0 0 米3 r = 4 0 0 0 来 图7 脱轨系数 静旃譬智穹|邀； 遢蜗麝毯辞黄穹|滔， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 车辆逮度( k m h ) r 一3 5 米2 r - 3 0 0 0 米3 r * 4 0 0 0 米 图8 轮轨磨耗功 横向动力作用的增长，对安全运行提出了严厉的要求。首先是 爬轨和倾覆的危险；其次是过大的横向轮轨力可能产生钢轨外翻( 扩 大轨距) 和轨排横移，后者不仅造成列车颠覆的重大事故，而且破 坏轨道，给轨道维修养护增加困难。高速运行所带来的曲线通过工 况的恶化，必须从机车车辆和轨道线路两方面来认真解决。 2 1 4 来自轨道不平顺的激振频率提高 轨道随机不平顺一般表示为每延米轨道的周数乘以前进述度， 即得赫兹数，速度越高，起作用的频域越往上移。与各相应频域有 关的轨道不平顺，轨枕响应，钢轨波磨等现象相继发生。加剧厂对 机车车辆的激励，最终表现为降低车辆的运行平稳性，同对稳定性 的要求一样，高速机车车辆对运行平稳性和乘车舒适度的要求比普 通机车车辆还高，这也是高速机车车辆设计要解决的问题。 2 1 5 噪声问题突出 高速列车产生噪声的声源主要有三：轮轨噪声、弓网噪声和气 流所引起的噪声。轮轨噪声是主要的，它随速度的四次方而增长。 如1 6 0 k m h 下轮轨噪声级为9 7 d b ，2 5 0 k m h 下轮轨噪声级达到l3 2 d b 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 尤其通过轨道接头或曲线区段时更是如此。车轮表面粗糙或钢轨波 磨时，产生的轮轨噪声更大。 受电弓与接触网的摩擦是另一重要噪声源，这是动车所特有的 现象。 高速列车的气动噪声主要表现为车辆表面空气湍流边界层对车 体表面的激励和车辆通过隧道时产生的气压变化。 对于高速列车转向架而言，主要应考虑降低轮轨噪声和高频隔 振的问题。 总之，高速运行所带来的问题除上所列举的五项问题之外，还 有对基础制动装置的特殊要求和传递增大了的牵引、制动力的纵向 牵引装置等，都是设计高速转向架时，必须作出特殊考虑的问题。 2 2 高速转向架设计原理 2 2 1 降低轴重，减小簧下质量 减小垂向动力作用的主要措施是降低轴重和减小簧下质量。关 于最大轴重，对高速铁路应当加以限制，这是无可争议的。l l c 关于 最大轴重的规定，动车不超过17 t ，客车不超过1 6 t ，只要有可能， 就应当尽量减小，这对机车车辆和轨道来说都是有好处的，是技术 上应当追求的目标。 降低轴重必须实现轻量化。车体结构、车内设备、转向架自重 等，都应当从材料选择和结构设计等方面，千方百计地使自重降低。 这在实践上当然存在很大困难。由于技术发展水平和对使用条件的 要求的差异，因此，实际各国采用的轴重均不同。尤其是动车，如 果单位功率电器设备的重量不能减小，则对大功率动车来说，轴重 就不能减小。 降低簧下质量的措施：电机架悬、半体悬或体悬。 表2 - 2 列出了各国高速列车所采用的轴重和簧下质量，数据虽然 不齐全，但可见一般趋势，降低轴重，减小簧下质量是高速永恒的 主题。 麟鬻交遘丈攀磺圭辑窕生攀位谂文繁镩黉 袭2 - 2 锫国离遽列率所浆用的轴鐾称簧下艨蟹 车秘最大袖藿( t )每轴簧下赝最( t ) 强零t 0 0 系列 l sl ，1 6 3 0 0 蘩捌 l i 30 ，8 7 5 法颡t g v - y 2 5 51 6l 。唾3 德豳i c e 幼率l9 + 51 8 7 7 i c e 撩车 1 3 5t 7 4 觚轮鞔系统动力攀麓舔巍表爨：藏软遂瓣彝动秀学髂愆簧，影礴 簸大懿楚簧下震蘩，必须减少辘蘩阉爵海低燹下矮爨，觚纛鬻低税 车车辆对线路的动力作用。 毯零鞭子线农磷究萼| 起软遥下沉黪影响戮豢对，捷滋溪辕遂下 淀8 采蕊鬃鞠重、繁下质羹、速浚对鞔邋豹彰响弹。： 8 = p o7 x m 。3 v 1 3 ( 2 一1 ) p 为轴整，蘩为簧下矮鲎，v 为鼗惹运行速爱。静必绦掩鞔遂下沉爨 不丈予莱一定数蘧疑，在绘露速魔下，麓鬟被簧下壤蘩瓣疲稼蒋一 定关系。 等鼙蔫节苴量t o 萄9 簧t 度豢对低频轮鞔力静p 2 影舔 西南交通大学硕士研究生学位论文 第”页 我国两南交大在研究轮轨动力作用时提出了轮轨耦合动力学2 ( 3 引，为研究 开发提供了理论帮分析工具。 姆轮簧下菔量( t ) 阁1 0 轴重与簧下质擞的关系 2 2 2 提高横向运动稳定性 高媳运行不出现横向运动失稳。这是任何高速转向架必须充分 绦迂麴蒸本属瞧。运动稳定瞧阗题，不取决于夕 瓣激裁，只决定 机车车辆本身的参数。因此设计转向架，必须首先考虑合理的参数 隧配，以保涯嶷毒比运行速度裹的姨赛速度。 提高临界速度的攒施”；减小踏耐锥度( 图1 1 ) 、精心没计 一系悬拽( 图1 2 ) 、二：系增设抗蛇彳予减振器等。 横向运动稳定性怒一项练合指橼，与众车参数均有关，必须合 理全面选择参数，以求最佳蹶配。上述三犬因素强是灵敏度最大的 几种而已。因此在初步设计党成后，必须进行横向稳定性校核，还 瘦通过试验加以确认。 总之，设计一台高速转向架，荫先必须保证有较高的临界飕度， 这条原樊l j 是十分重要豹。 亘妻窒望查兰堕主堡壅皇兰竺笙塞 兰! ! 要 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 蔓 罱 越 盔 足 舅 慑 i 图踏面锥度同临界速度的关系 - 系戢向剐度矿n m ) 图l2 临界速度与一系定位刚度的关系 黼南交通大学硕士研究生学位论文 第t3 页 2 2 3 实现二系火柔度悬接，以保证运行平稳性 对莱坐舒适璇葳运行平稳性有影响的圭要是二系悬挂。毫遮转 向架的基本特征之一是其煮太柔度的二系悬挂，采缓i 串传递给奄体 的振动。 二系大挠度燎高速转向架的特点，由大挠度产嫩的三个方向的 定位程题懿鼷决，擒残了衰邃转囊絮二系悬挂浚诗豹核，0 。 2 2 4 保证足够的曲线通j 道熊力 对鹣线逯i 童憾能篦较敏感熬参数骞一系缀逡剩度露车轮照瓣镬 度。能有效改善曲线通过性熊的措施，来过于减小系纵向削度， 亦即减小轮对摇头刚度，使窜轮对轨道的冲角得以降低，从而较易 地通过曲线。这一设计原则搬已成为广大枧车车辆工作者的共识。 祷嗣惫对于趋线拳径不麓鸯霾大的线路又黉提离运行速度，难一”酌办 法就是设计具有商曲线通过性能的高速转向架。 2 。2 。5 减少磨糕，延长寿命，便子维修 这是一条任何转向架设计都登须遵循的重要暇则，高速转向架 也不例外。具体构架设计必须考虑高速下激振频率的提高所造成的 疲劳损伤：尽量采用无摩擦运动副如橡胶关节等，是减少壤耗 便 二维修豹有效攘麓；充分考虑轮鞔蘑援；勇静还藜关注墓躐蠲动 系统，牵引、制动力的传递等。 2 。3 本章小结 通过离速转向架动态环境分析，指出了高速转向架的设甜。原理 和注意事项。 嚣毒交遴六拳殒壹麟突生学位谂文 繁1 4 爨 第3 章方案研究及仿真 基于上喾豹分辑磺究，帮使明确了衰速动态环境翻设计瑷理还 不够，在蜜际开发中转简粲设计述必须遵循零串学酶方法帮占有足够 的数据资料。无论采用何种结构，都必须保证机车车辆具有良好的 动力学性能，达到安全、平稳、舒适、经济的目的。 3 国内、外同等速度等级祝车篱介 表3 1 舆有代表性的机车型谱 型号轴式功率起动煨大 聋传动 k w牵引速度菱t装置 力k n k m h慧挂 c l a s s l o l6 l l l6b o b o 6 4 0 03 0 02 3 08 6架悬 c 1 a s s l 0 3 1 c o c o7 0 8 03 122 0 01 17架悬 c 1 a s 8 1 2 0 1b 0 一b 05 6 0 0 2 9 02 0 08 4絮悬 e u r o s p r i n t e l ? b o b o6 4 0 03 0 02 3 08 6絮悬 s 6 4 l h 5 6 0b o b 05 0 0 03 0 02 0 0 8 0 架悬 f se 4 0 2b o b 05 6 0 02 8 02 2 0 8 7半体 懋 e pl e 5 6 0 0b o b 05 6 0 03 0 02 2 08 7絮悬 s 2 5 28 0 8 05 6 0 03 0 02 2 08 9絮悉 e r l0 1b 0 一b o6 4 0 0 3 0 02 3 08 6 半体 悬 a b b x 2 0 0 0b o - b 04 8 0 02 6 42 5 08 2架悬 熊獾、奥星 8 0 b o4 8 0 02 6 42 ) )8 4架悬 最为飙型的是：e r l 0 1 、1 5 2 、c 1e l s s l 0 1 6 、c l a s sl 1 1 6 、x 2 0 0 0 、 熊猫、奥爨等，这些机车既有半体悬、又有架悬传动装溅悬挂结掏， 氇藏是毒筵突黢表鞠：2 0 0 k m h 等缀交流电力班车转囊絮缝橡半 奉基、 架悬都可行，关键是系统参数匹配是否合理和整车动力学性能是否 能满足运用要求以及技术贮备和研发进度要求，也就照说传动装鬣 豹评馀和选题要按照系绞豹斑点采迸雩亍。们” 为魏，在开发该速度等级视攀转向架审，按照设计开发原理农 结构设计中考虑了半体悬和架悬饼种方案，目的是想通过方案比较 揭示高速转向架的关键所在。 3 2 半体悬方寨及仿真 蚕鬻交逶文攀磺士鞲寰皇学隳沦交 蘩1 5 贾 3 2 。1 设计说黼( 特点) 该方懿转向架结构以“八纛”攻关项圈“高速动力车车体转i 向 檠关键帮梅翡磁究( 8 5 - 4 0 2 - 0 2 - 0 3 ) ”转藏懿巍蘩零，溅主要魏交纯 是饕车耱熹径蜜t 0 4 0 m m 溪夫烫1 2 5 0 m m ，戳逶应辍辜匏憩蒋要装。 枫攀转超蘩在褥褥上具菇麴下特点：轮辩为了降 氐轴重移赞下 矮量采用嫩体辍钢车轮和空心苹轴，级向濑革轴籀拉榉寝醢，横肉 和垂向融系螺旋弹错串联单橡胶垫结构钢簸定位，辩鼯已有垂向、碱 攘嚣，辘褡骧蕊采弱巍整滚孑辘承擎霆，溺鬻擐夺筑0 转。? 臻搬； 二系基拣袋耀夫挠凄螺旋褥舞，镪簧两蓑瀚设毒橡菠蛰皴囊袋窝犊 振动，辩酲有抗摇头减振器、横向减振器秘壁向减振潞。车体和转 囱粲阗搿l 力爨串阑维撬式繇谯肇唾| 耪传递，牵| 耪髅融缀囱奄澄， 挺一端与构架( 掏架为等强度钢板焊羧口型结构) 内侧端粱相连，筠 一蕊与靠逅车露孛帮浆逵棱蠡鼗连，鑫予牵孽l 辑蠢一嶷翡长囊，邈 戴髓车棒翡横斑和番淘运动耢瓣徽，j 、。簧旗装置：悬撩方式巍拳体 悬，采用了轮对双空心轴传动，制动采用轴盘制幼，制渤装置成为 餐主重爨，冬奄爨、菊轮箍、撼架、剡动横凝起擒艘辍凄刳动攀 元，荸露的一壤逶避橡胶关繁麓接连车锋上，舅一端邋涟蟹襻臻拯 在梅粱瀑粱上，露承擎攘舞蠢霆窍藕会疆掇嚣，褥摹元与车褡褪逡+ 叛确保肇元豹羧动撩娃撮快衰减。 另外柱单元与构槊、轮对与构架和车体与构架间，均布鼹有避 秘壹摇，戳避受在燕遴逶遭鼗线、爨速道避壤枣拳经鼹线、釜晕、 漏车等王况下器部佟阏静运秘干涉，或豫护离毽簧等荚键舔 警熊王 馋条 睾誉懿瑟饯。海了确缳安袅群嶷运鬟，转爨絮上添装毒踱瓣瀵 扫器、蟪度传感器、轴承测湿装霪、网测圈流装置以敝各和鞭彼虹：= 猹等； 结构如图3 1 图3 一l 甄南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 3 2 2 主要参数 轴重 轴式 转向架总璧 最离运行遥度 最高实验速度 鑫定辘距 轮径( 新轮) ( 全蘩耗) 牵引点高度 基懿潮动方式 踏面形状 悬接方式 3 2 3 难点及关键 2 l t b o - b o l7 t 2 0 0 2 2 0 3 0 0 0 1 2 5 0 1 7 0 3 8 0 辘焱裁动 j m a 半体悬 尽管转彝絮结构设计采惩了较为先避瓣半髂爨缝捡( 类缎予i c e 转向架) ，不仅使簧下质量小，而且使簧上质薰小，并改进了试验转 向架存在的阀题，但续构复杂是不研否认躲。特别是传动装饕要实 现l2 5 0 m m 的大轮径和半体悬结构较低的运行速度( 传动比较大约为 3 9 1 4 ) ，使得大凿轮络构尺寸增大，丽单元空闻尺寸定，则必然 便驱动制动单元核心部件传动齿轮箱和制动横粱结构设计难度明显 增大。 由于轴重鹊增鞠，在现肖豹空间尺寸允许采用的翩动装鬻的前 提下，若骚满足制动距离要求，则制动热负犄较大，这点已被k n o r r 公司褐步的裁韵往麓分析所验证。也就是说裁动装置，特鄹是制动盘 设计难度大。 最为疆心鹃是：巍予方褰设诗惩在1 0 4 0 m m 轮径静动车转离粱 修改设计成为1 2 5 0 m m 轮径的机车，轮径加大后，整车动力学性能的 傀劣残为该辍窜成效瓣关键掰在，这一点穗 是毳 究戆重中之耋。 为此，针对该方案进行了一系列的仿真分析计算：并且在满足 动力学瞧髓夔藏提下，壹动力学分橱提揆憋动佟建力瓣美键帮 孛强 度进行了分析计算等。 器毒交运夫擎辕士磷瓷生掌往谂文 繁l ? 樊 3 2 4 仿黧分析计辣 原始参数的准确趱度，纛接影响动力攀转亳片的结聚“，为此 在动力学参数逡冬怼，为了健参数准确，封影嫡动力学分 葑豹主要 零帮俘避谨了三维逢鹫，以获褥较为准确鹣秘理特往。遮一点氇怒 虢所未有的。 3 2 4 。 翁匆学羧裴镳冀分耩诗翼 随饕铁路囊速化瞧发展，基本上已形贼熬识，即麟型高瞧能辘 邀车辆的歼发离不开渤力学仿真一计算机仿舆：不仅程产品开发前 翳霹验泛鏊本竣诗愚鼯；瑟鼗在产燕设诗除羧戆魏纯系统缝辍” “。因此，动力学性能仿真对于产晶开发必将发挥巨大酌作碟。 霹予该迷发等级转趣絮，在鬻援动力学挂戆分褥静基毯羔，遴 抒了参数後讫分褥。爨l 奉豹势橱诗舞阐述魏下； 建壤 针对转向架的具体结构和特点，在本方案分析的对羰中，由于 撩动装鬟溉与臻絮穗连又与攀薄橇连，舞了考虑交；丞籀健劫装霾转 动产生的哥氏加速度( 力) 的影响，在计爨模型中将内外空心瓣均 嘏为独立的振动质量，较缅酌建立了模壅，力求待粪模攫能较藕确 童| 对捉车鹩瞧憝擞壤缨斡分辜嚣。零摸塑是趣攥毽大型多剃 本动力学 软件s i m p a c k 遗行建撩的，最终建蛊转向梁鹃模型弼舀3 - - 2 所示， 蹩车分析的模型如图3 - - 3 所涿。 由于攀意惫橇霸接点不程转囱黎缀彝中心线上，圆姥单露重- 谴藏将彩噙攀嚣重量农三个支承点( 毫辊撩撩点霉鞋鼹个擦辑麓接点 上的分配，应使太部静重量由车体承担，同时应使两个摆杆支承的 燕霪尽璧均匀。姥乡 筌予二系簧攘砖转蠹絮横彝中冬线逡不是对称 的，蛋可蔽补偿转态繁重心缎囱德离酶影响，僵二系簧酶不对称疲 尽麓使各稔怼的辘重熬予一致。 通过优化结构参数和合理布黧，计算获得的黧量分就如表3 2 西南交邋大学硕士研究生学僚论文第1 8 页 表3 2 羹爨分酝 项目单位承熏 轮重：1 2 3 4 ( 左 1 0 4 。3 l1 0 2 。5 1 0 3 。3 | 1 0 1 t 0 2 2 l1 0 1 8 0 4 k n 右)4 i1 0 3 鞠重：i 2 3 4 t2 1 1 2 0 8 2 0 ，7 3 2 l 。1s 单元分配在车体上的 k g 2 9 3 3 薰董 单元分配在构絮上的 k g l4 6 4 黧量 举元重量分配比例构 1 2 ( 1 3 在掏絮主，2 3 褒车倭) 奎 可觅该转向架结构设计和布置软合理，但特羽注意的是单元各 部件设计时应尽可能使重量较均匀地分配谯摆杆上。 图3 - 2 转向槊模型 嚣赢交运文学琰士磷究生学位沦文 第挎贾 西南交通大学硕士研究生学饿论文 第2 0 页 2 动力学计算结果及分析 营先鹱原始参数避萼亍了稳定洼、平稳性、曲线透过一系列零规 动力学分析计算，为了兼顾幼力学综合性能，考虑结构的限制，动 力学蛙能熟改警默最翳实现豹减振器襄攘胶关节感发送行了 茏伲分 析计算。考虑篇幅的限制，动力学分析计算结果只给出优化参数( 如 表3 - 3 ) - v 懿 ；- i - 舞结栗。 表3 3 优化参数 参数名称摹键源始参数优纯参数 3 0 0 0 0 + 0 15 5 0 0 ( ) 0 l n m s 每个耦台减羰糕 3 8 0 0 0 t7 0 0 0 ( j ) 5 ( f v ) 7 2 0 0 0 1 n m s1 0 0 0 0 0 0 16 0 0 0 0 0 1 每个抗摇头减振器 ( f v )1 0 5 0 0 0 1 i0 5 0 0 0 1 n m s5 0 0 0 0 15 0 0 0 ( ) 15 每个横向减振器 ( f v )6 8 0 0 0 。25 8 0 0 0 2 n m s4 5 0 0 0 16 ( ) 0 0 0 0 8 每个= 系垂向减振器 f f v )6 3 7 5 0 26 3 7 5 ( ) 2 n m s3 0 0 0 0 1 4 0 0 0 0 1 每个系垂向减振器 f v )4 2 0 0 o 25 2 0 0 0 。2 xn m5 o e + 0 72 0 e + 0 7 电扭是挂 y n m 2 o e ；0 74 0 一) 8 关节刚度 zn m5 0 e + 0 71 0 e 。0 7 ( 1 ) 稳定性分析 稳定性作为机车擎辆安全运行的首要闷题之一，一蛊为人们羼 关注，一一凰车辆系统出现了蛇行失稳，运行晶质将急剧恶化，运行平 稳性大大降低，弗导致轮轨阅强烈的摆互馋爆，号l 起严重的轮轨磨耗， 对线路造成严重的危寄，甚至引发脱轨对于机车车辆动力学稳定性 分辑缀重要。运孬稳定性主要疆究蛇行运动的瞧券速度、分叉特性 和混沌运动“3 。影响逡行稳窥性的瀚纛铰多，如姆效锥膦、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 l 页 一系纵向定位刚度、抗蛇行减振器等。本研究只就临界速度作了详 细的分析研究，以确保机车具有足够的稳定性。 线性稳定性分析的最重要的评价方法是被分析对象的根轨迹曲 线，从根轨迹曲线可以看出：有一类机车模态是不随速度的提高而 变化的( 图中+ 字的在大小表示速度的高低) ，在图中缩为一点，而 有一类模态随速度的变化在图中形成一条曲线。对于前者稳定性要 求是实部即阻尼比不大于0 ，后者稳定性要求是不大于一5 。线性计 算可以对车辆的本质特性有更多的了解，并能实现快速的参数优选。 要更准确的确定稳定性速度必须要在此基础上进行非线性分析，将 轮轨非线性、悬挂参数非线性、间隙、止挡等非线性因素考虑进来。 准确进行非线性稳定性分析的一个重要条件是确定系统的初始状 态，不同的初始状态将导致完全不同的结果。由于机车车辆的强非 线性，其稳定性具有分叉特性”“。 线性稳定性分析 由于线性临界速度远远高于机车最大运行速度，故在2 0 0 k m h l2 0 0 k m h 速度范围进行线性稳定性分析，最小的+ 字代表最低速度， 最大的+ 字低表最高速度，速度增量5 0 k m h 。计算结果如图3 - 4 所示。 由图所知，所有特征值实部均小于0 ，表明系统在最高速度f 仍 j + + _蝉| + + + 0li i 。 i f l l l + 圭 + + + + 十删 鼍群? ”4 单 - - h 1 1 t + + + + + 抖+ * 粕l i 辩书 _ l 叫l 。i ! l o 1 _ r oil + +1 i“ | _ i l ”_ r r + 一 ，+ + 。栅州 + f + 辟盛 特征值实鄯卜j ，1 0 - 1 图3 4线性稳定性分析：根娥迹曲线 【。 f -三帚嘲晕堪睾# 话南交通大学硕士磷究生学位论文第2 2 页 怒稳定的，但有一些随速度变化的特征值超过了一5 ，如按这一限度， 可知稳定性速魔约为1 2 0 0 k m h 。 豳初始稳定状态计算得到的非线性稳定性临界速度 在这一计爨中，骰定多传系统巾仅仅第一轮避毒一个7 m r a 瓣耱 始横动髓，通过对由低到高不同速度的计算，观察第轮对的振幅， 鳃果振骥秀始发教，赠霹知英稳定瞧瞧赛速度。计算鼹褥到戆漆雾 遥度为9 5 0 k m h 。这计算的含义可解释为，当机车在稳定运行时。 逐多提褰运霉逮疫，豢翁逮嶷太子9 5 0 k m h 对系统方穆失稳。 曼 ：“ 鉴。嘲 轮 蓉j 嘲 向咖 强 一删。 吨m 弋 ：= = = l ：盟默鼹li：0 锄0 0 。“。0 8 - 一轳，u e ；。( n i f h =5 0 0 0 0 0 0 i l 1 11 圳、；，；。u 一一一。 l | 】| = i 是 3 1 。，、 ，、；、，、 i 。一； ， 1 二r 一* ，耕， ； 。 i 1 fl ， 5 i il 【 fi 一一r 一”。： i 5 i 2 l 8 i“y 州”f 远程酵蠲 s l 图3 - 5 非线性稳定性计算结果：融不稳定过渡到稳定的速 凄熹 由初始失稳状态计算得到的非线性稳定性i 临界速度 在这一计算审，镁定多体系统程很高速度f 爨经失稳，遂疹降 低运行速度，最终确定能使失稳动力车重新变得稳定运行的速度点。 诗葵结暴妇罄3 - 5 菠示。霹知稳定注速度为4 5 0 k m h ，盘予这汁算 蚕鬻交透大学矮壹蔷i 窕生学位论文 繁2 3 爨 的初始条件是最苛刻的，因此计算得到的稳怒性速度也怒很可靠的。 综上所述，可知机车的稳定性临界速度为4 5 0 k m h ，不仅满足设 诗要求( 2 o 2 6 0 k m h ) ，瑟虽毒怒够豹旅塞。 ( 2 ) 曲线通过性能分析 机车在曲线上的运动是一个十分复杂的动力学过程，受到很多 因素懿彰穗，懿运霉遮发、篷线拳经、终辘越嵩、辕鼹麴宽等。馥 线通过性能的好坏直接影响机车的行车安全。通过对机车在一个完 憨的曲线( 点线一缓和曲线一圆曲线一缓和曲线一直线) 上运行的 模羧诗算分誊嚣来校孩舞速规车麴动态蘧线逶i 熏往链。瘸予译徐夔线 上运行性能的指标一般包括：与轮缘磨耗有必的轮对冲角、保证轨 道侧向强度的轮对横向力以及与脱轨稳定性衡关的导向力、脱轨系 数帮籍菱减载率。 瞌线通过性能不仅取决予机率的结构参数，而且与轨道的结构 参数直接相关。因此分析模型必须准确反应机车各部件的结构关系， 准确 l l 述鼗线辘遵豹缝构将，疰，激 ! 攀翻会理瓣诗算结莱。 本文计算中考虑了：不同的曲线半径和不阉的通过遴度( 或欠 超高或未平衡离心加速度) 对曲线通过性能的影响。计掉分析中曲 线设置如下：缓和基线6 0 m ，基线设置趣熹 5 0 r a m ，计冀来乎麓离一0 加速度范圈从o m s = 甄1 o m s 2 ，计算益线半径为r 3 0 0 m 歪r 9 0 0 m 。 由于篇幅的限制这里只该出较为热型的r 4 9 5 m 曲线分析的计算结果： 灌静态逮遂r 4 9 5 m 基线 由于德国在开发i c e 高速列率时做过大慧试验，其中对r 4 9 5 m 半径的曲线t 进行过较多试验，因此对该曲线工况进行，较为详细 豹诗算，农诗算孛没鸯考虑辘遵不平蹶鹣影穗，嚣梵爨缮缝莱楚臻 静态计算结果，计算条件为：r = 4 9 5 m ，超高设黄1 4 0 m m ，通过速度 v = 1 5 0 k m h 。 匿褰交透六学臻士醑突生学俊论文 繁2 4 樊 脱轨系数如图3 - 6 所示，最大约0 4 1 ，满足规范3 3 “7 j 要求。 第一轮对外侧车轮脱轨系数 0 + 0102 03 04 0606 070809 01 00 避行时间，s 鞠3 - 6 第一轮对玲弼零轮麓瓿系数 第一、轮对冲热魏图3 - 7 掰示。 0 01 02 + 03 04 0 5 06 07 08 09 01 0 ( ) 避静时间，s 网3 7 第一、三轮对冲角 第一轮对内侧车轮轮重减载率如图3 - 8 所示，该指标在针对机 车豹动力学规范t b 1 ；2 3 6 0 9 3 中没鸯明确规定，在铮慰攀辆戆动力学 娥范g b 5 5 9 9 8 6 中羧定不怒出6 5 ，美国联邦铁鼹局1 9 9 3 锋对l e e 进行 系列试验，基于经黢、评判和擞美图寨= l | ：嫩藤所避稽钧前期试验， 嘶龉强临如蛎衢船非 o o喝强曲加加。书喝 繇锵蒜誉聋廿草隶督霉枢 雌 器 o 0 o 0 0 驻 o 0 咎q。雌骨繁鬻nh 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 对该指标的限制值定为0 9 ，在缓圆点已超出g b 5 5 9 9 8 5 要求，但未 超出0 9 。 。， 厂够i i 、 a 0 01 02 03 04 05 06 07 0 8 09 0l ( ) 0 运行时间，s 图3 - 8 第一、三轮对内侧车轮的轮重减 各轮对曲线外侧车轮横向力如图3 - 9 所示，在缓圆点超出 僦 三0 0 - 10 0 鸯_ 2 0 o r 一3 0 0 萎- 4 0 o 案一5 0 0 蕊圳- 6 0 ： - 8 0 0 运行时间，s 图；3 - 9曲线外侧各车轮横向力 5 9 8 7 k n 限制值的要求。但要注意这种 二况的未平衡离心加速度约 2 5 7 m s ? ，远远超出标准5 “3 73 中规定的0 8m s ：的限制要求。 加加 1 o 0 0 o 0 0 o 许悯客 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2