（光学工程专业论文）橡胶轮低地板拖车转向架的方案设计与论证.pdf

y 5 8 6 0 2 9 北京交通人学坝卜学位沦上 摘要 采用橡胶轮转向架的轨道车辆加减速性能好，对环境噪声和振 动影响小，特别适用于城市轻轨车辆。采用低地板转向架的轨道车 辆方便乘客l 二下车，无须建造高站台，能与市容环境良好融合，特 别适合于地颐运行的城市轻轨车辆。目前，采用橡胶轮转向架和低 地板转向架的城市轻轨车辆均得到了广泛的应用。 本文结合橡胶轮转向架和低地板转向架的优点提出了橡胶轮低 地板拖车转向架的初步设计方案，类似形式的转向架设计方案尚未 见诸文献报导，其应用对象为适合于市区路面运行的轻轨车辆。 橡胶轮转向架实现低地板化设计的关键在于结构设计，特别是 构架结构设计。本文对制约低地板化设计的摇枕与车体枕梁连接部 和车轴与构架侧梁连接部的设计方案进行了分析和论证：在此基础 上采j ja n s y s 有限元分机软件和u i c s l 5 4 规范对构架设计方案进行 了静强度和疲劳强度分析，验证了构架低地板化设计方案：从结构 设汁角度证实了橡胶轮低地板拖车转向架的方案可行性。 从动力学方面米看，橡胶轮转向架的基本特色体现在曲线通过 方面。当应用于市区路面运行的轻轨车辆时，为实现与其它车辆的 平交运行，橡胶轮低地板拖车转向架的导向轮必须置于路面以下且 曲线轨道不能设置超高，这使得曲线通过分析成为从动力学角度考 核橡胶轮低地板拖车转向架方案可行性的主要内容。本文建立了橡 胶轮低地板拖车转向架车辆动态曲线通过分析模型并确定了有关的 动力学参数：分析了以6 0k m l h 速度通过半径为3 5 0 m 和以2 0k m h 速度通过半径为5 0 m 的无超高曲线时的动力学特性，计算结果从动 北京交通人学颂j 学位论文 0 学角度证实了橡胶轮低地板拖车转向架设计方案的可行性。 走键词橡胶轮低地板转向架方案设计强度分析动力学分析 北京交通入学坝j 一学位论文 a b s t r a c t t h er a i l w a yv e h i c l ew i t hr u b b e r - t i r e db o g i ei ss p e c i a l l ys u i tf o rt h e c i t yr a i l w a yv e h i c l et r a n s p o r t a t i o n b e c a u s eo fg o o d a c c e l e r a t i n ga n d d e c e l e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，l o wc i r c u m s t a n c en o i s e ，a n dl o wv i b r a t i o n t h er a i l w a yv e h i c l ew i t hl o w f l o o rb o g i ei s s p e c i a l l ys u i t f o rt h ec i t y r a i l w a yv e h i c l er u n n i n go nt h eg r o u n db e c a u s e i t sc o n v e n i e n c ef o r p a s s e n g e ru pa n dd o w n ，a n di tc a ni n o s c u l a t ew i t hs u r r o u n d i n g sw i t h o u t p l a t f o r m p r e s e n t l y , t h er a i l w a y v e h i c l ew i t hr u b b e r - t i r e db o g i ea n d w i t hl o w f l o o rb o g i eh a sab r o a da p p l i c a t i o n t h i s p a p e rb r i n g sf o r w a r d t h ec o n c e p t u a ld e s i g no fr u b b e r - t i r e da n d l o w f l o o rb o g i ec o m b i n i n gt h em e r i t so ft h et w ob o g i e s t h eb o g i e s i m i l a rt ot h i so n eh a sn o tb e e nc o v e r e d i t sa p p l y i n go b j e c ti st h ec i t y r a i l w a y v e h i c l er u n n i n go nt h eg r o u n d t h ek e yo ft h er u b b e r - t i r e db o g i et or e a l i z et h et o wf l o o ri st h e s t r u c t u r a ld e s i g ne s p e a c i a l l yt h ed e s i g no ft h ef r a m e b a s e do na n a l y s i s o ft h e c o n c e p t u a ld e s i g nr e s t r i c t e db yt h ed e s i g no ft h ej o i n tt h a t i s b e t w e e nf r a m ea n ds h a f ta n db e t w e e nb o d ya n dc o r b e l ，t h i s p a p e r a n a l y z es t a t i cs t r e n g t ha n df a t i g u es t r e n g t ho nt h ed e s i g no f t h ef r a m e w i t hs o t t w a r ea n s y sa n du i c 515 4 t h ea n a l y s i sp r o v et h ef e a s i b l eo f d e s i g n o ft h er u b b e r - t i r e da n dl o w f l o o rb o g i ea tt h ea s p e c to ft h e s t r u c t u r e t h ef e a t u r eo ft h er u b b e r t i r e db e g i ei st h ep e r f o r m a n c eo fc u r v i n g b e h a v i o r r e f e t i n g t ot h e d y n a m i c s w h e na p p l y i n g f o rt h e r a i l w a y l i i 北京交通大学硕1 i ：学位论文 v e h i c l er u n n i n go ng r o u n d ，t h eg u i d e t i r em u s tb e p u tb e n e a t ht h eg r o u n d a n dt h e r ei sn oh e i g h td i f f e r e n c eo nt h ec u r v er a i l w a y t h i sd e t e r m i n e s c u r v i n gb e h a v i o r i st h em a i nc o n t e n tt oc h e c kt h e f e a s i b i l i t yo ft h e c o n c e p t u a ld e s i g no f n l b b e r - t i r e da n dl o w f l o o rb o g i ea tt h ea s p e c to f t h e d y n a m i c s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h st h em o d e lo nc u r v i n gb e h a v i o ro ft h e r u b b e r - t i r e da n dl o w f l o o rb o g i ev e h i c l ea n dg e t sc o r r e l a t i v ed y n a m i c s p a r a m e t e r t h i sp a p e ra n a l y z e s t h e p e r f o r m a n c e o fd y n a m i c sw h e n p a s s i n gt h r o u g ht h ec u r v er a d i u s i n3 5 0 r a mw i t hs p e e d6 0k m ha n d p a s s i n gt h r o u g ht h ec u r v er a d i u si n5 0 r a m w i t hs p e e d2 0k m hw i t h o u t h e i g h td i f f e r e n c e t h e r e s u l t p r o v e t h e f e a s i b i l i t yo fd e s i g n o ft h e r u b b e r - t i r e da n dl o w f l o o rb o g i ea tt h ea s p e c to f t h ed y n a m i c s k e y w o r d s ： r u b b e rt i r e ；l o w f l o o rb o g i e ；c o n c e p t u a ld e s i g n ；s t r e n g t h a n a l y s i s ；d y n a m i c sa n a l y s i s i v 北京交通人学倾j j 学位论文 第一章绪论 随着工业生产的发展和人口的高度集中，城市区域的交通运输 量逐年加速增长。尤其是私人小汽车的快速发展，已给很多国家的 大城市带来了严重的社会问题：交通拥挤、车速下降、大量汽车废 气造成城市环境严重污染、交通事故增多、加上市区车辆噪声以及 大量油耗，困扰着城市的良性发展。为此，一些大城市限制私人小 汽车的使用，采取发展公共交通的举措，特别是加速发展城市轨道 交通系统。城市轨道交通系统的形式又包括地面、高架与地下轨道， 世界上多数城市的地铁系统采用地上与地下相结合的方式。我国已 建或拟建的地铁客运系统绝大部分是穿行于地下，线路造价高昂， 使各个拟建地铁的城市由于受到资金困扰而望而却步。地面、高架 与地下轨道交通线路造价的比例约为1 ：2 ：6 【“。面对交通拥挤和受到 资金紧张的约束，地铁与高架结合形式或轻轨交通形式日益成为解 决丈城市交通问题的主要途径。 轻轨车辆运行于市区地面特别是高架线路时，一般均需采用专 门的技术来控制噪声水平。在大多数国家一般都是建造无缝钢轨、 隔声屏障等外部措施，然而，这样做治标不治本并且花费较高。城 市轨道交通的噪声源主要是来自轮轨噪声，因此要以防治车辆走行 部噪声为主。一些国家现在已经采取橡胶车轮、弹性车轮等内部措 施来降低轮轨噪声水平【”。 世界各国所用的轨道车辆走行部主要有钢轮、橡胶轮转向架两 大类，其中独轨和新交通系统采用橡胶轮转向架，它已成功应用于 法国、日本、墨西哥以及香港、台湾等国家和地区。 低地板转向架轻轨车辆应用于市区地面运行时具有独特的优 北京交通人学坝i 。学位论文 势，近二十年来得到了迅速的发展。统计资料表明：德国、法国、 瑞士、荷兰等欧洲发达国家的低地板车辆数量已占轻轨车辆总数的 5 0 以上。多数国家近几年购置的轻轨车辆，低地板形式占很大比 例。 第一节橡胶轮、低地板转向架车辆概述 一、橡胶轮转向架车辆发展概况 橡胶轮转向架地铁首先由r a t p ( 巴黎公交公司) 采用，目的 是使运行的车辆有更好的加速性能以能提高人口密集区域的运行 效率，并减低对运行 线路周围建筑物的 噪声和振动干扰。 r a t p 设计了专用的 轨道取代钢轨，它由 三部分组成：( 1 ) 走 行橡胶轮的宽平轨 图卜l 里昂站第一辆采用橡胶轮对系统的地铁客车 道：( 2 ) 用于维持车 圈卜2 曾用于巴黎 地铁的橡胶轮转向架 ( 每根轴有各自的差 速器和牵引电机，辅 助钢轮上有用于刹车 的刹车蹄) 北京交通入学硕1 1 学位论义 辆走行方向的和保证车辆顺利通过曲线的导向轨；( 3 ) 普通钢轨， 其中钢轨与辅助钢轮相配合，备用于轮胎漏气等情况，同时保证车 辆能顺利通过道翁。r a t t 最初采用的橡胶轮转向架在通过道岔时， 橡胶轮完全脱离轨道，载荷由辅助钢轮承受；目前采用的橡胶轮转 向架辅助钢轮仪在橡胶承重轮严重漏气时承受车辆载重，在过道岔 时只起导向作用。 p a t p 把罩昂1 1 号线路改造成了适合橡胶轮转向架运行的线 路，紧接着又对1 、4 、6 号线进行了改造。对于其它的既有线路， p a t p 仍采用传统的钢轮转向架，但对于新修的线路则一般采用橡 胶轮转向架。 图1 1 2 是曾用于巴黎地铁的橡胶轮转向架，它有4 个走行轮和 4 个导向轮，走行轮是胎内充入1 0k g ，c m 2 氮气的钢套橡胶车轮，而 导向轮是充入空气的轮胎。轮轴系统采用了汽车上广泛使用的差速 装置。每个转向架安装两台牵引电机，并为了防止橡胶轮胎放炮， 都装有钢制备用轮，并设置了车轮放炮检测器。 橡胶轮转向架也一直在发展，并在世界范围内得到了广泛应 用。近4 0 多年来，世界上有8 个国家的1 8 座城市在地铁线路上行 驶着橡胶轮车辆；其中， 法国5 座、日本4 座、加 拿大2 座、墨西哥、智利、 匈牙利、西班牙和捷克各 l 座，我国的台湾和香港 地区也采用了橡胶轮车 辆。法国已将橡胶轮转向 架车辆广泛用于巴黎、里 图l 一3 用于日本新交通系统的橡胶轮转向架车辆 北京交通人学坝l ：学位论空 昂、里尔、马赛等大城市的轨道交通系统，并出口至世界1 _ 多国家 和地区，转向架的型号也从最初的m p 5 5 、m p 5 9 发展到现扎0 m p 8 9 和j 下在研制的m p 9 9 等“。此外，日本也独立研制和应用了类似的 橡胶轮转向架并已经应用于“新交通系统( a g t ) ”，如图l ，所示。 、低地板转向架车辆发展概况 低地板轻轨车辆由于方便乘客上下车，无须建造高站j ，与市 容兼容性好，已成为市区地面运行轻轨车辆的主流车型。e 世界 上已经出现了三代低地板轻轨车辆： ( 1 ) 第一代是部分低地板轻轨车辆，见图1 - 4 。主要是2 ti l 。d8 0 年代后期比利时b n 公司制造的供a m s t e r d a m ( 阿姆斯特川) 用的 轻轨车辆，低地板部分地板面距轨面高度为2 7 7 勰，但低i i 部分 占车长的比例仅为1 3 5 。 ( 2 ) 第二代低地板轻轨车辆低地板部分面积较大，见图1m 但是 要到达转向架或车轴上面的高地板仍需台阶。1 9 8 9 年，“ 一；j 蜒、 法合营的g e c a l s t h o m ( 阿尔斯通) 公司生产的轻轨车辆便属于这 种类型，其低地板部分地板面距轨面为3 4 5 m m ，低地板占7 p 【毛的比 例为63 以上。而当时瑞士的v e v e y 公司为b e r n e ( 伯尔尼) 生 产的一种地板面高3 5 0i r o n 的轻轨车辆低地板占车长的l 1 7 “| j 为7 2 。 ( 3 ) 第三代低地板轻轨车辆为全低地板式。见图卜6 ，地板面距轨 面通常仅为3 5 0 唧，意大利b r e d a 公司为法国l i l l e ( 里尔) 生产 的v l c 型米轨轻轨车辆、德国m a n 公司为b r e m e n ( 不莱梅) 制造的 g t 6n 型轻轨车辆、s i e m e n s 公司研制的c o m b i n o 模块组臼式轻轨 车辆，都是这类全低地板轻轨车辆，沿运行长度方向的低地板通 4 北京交通大学预l 学位论文 道是连续的。 圈1 4 三种不同的部分低地板轻轨车 、 i ， ，、n | 1i m j n i 一 fl 彳节叮一 mr n f 7 一盯 lili 图卜5 贯通部分低地板轻轨车 图卜6 全低地板轻轨车 北京交通人学坝_ j 学位论文 第一代低地板轻轨车辆由于低地板区域比例过低，方便乘客的 效果有限，很快为第二代低地板轻轨车辆所取代。第二代和第三代 低地板轻轨车辆属于实用化的低地板轻轨车辆。第三代低地板轻轨 车辆技术上最为先进，但动力转向架也必须适应低地板化要求，技 术相当复杂，对系统可靠性要求很高。第二代低地板轻轨车辆一般 在车辆两端采用普通的高地板动力转向架，在车辆中部区域采用适 应低地板化要求的拖车转向架，技术难点分散且技术成熟度高。 第二代低地板轻轨车辆由于轮轨粘着方面的限制，加速性能和适应 坡道能力不很理想，对编组规模也有较大限制。 三、我国城市轨道车辆发展现状 北京和天津的城市轨道交通系统采用了国内自行研制生产的 地铁车辆，三十年来为解决城市交通问题发挥了巨大作用，也为我 国研制和运用城市轨道交通系统积累了宝贵的经验，但也应看到： 我国城市轨道车辆的技术水平与国际先进水平相比还存在较大差 距。为解决我国大中城市日益严峻的交通问题，各城市纷纷借鉴发 达国家解决城市交通问题的经验而规划建立城市轨道交通系统，其 中一些经济实力雄厚的城市采用了从国外引进的地铁车辆。从国外 整车引进城市轨道车辆不仅车辆购置费用昂贵，而且维修成本也较 高，严重制约了城市轨道交通系统的发展规模和普及程度，也不利 于民族工业的发展。因此，积极吸收国外先进技术，开发生产出适 合我国国情的城市轨道车辆才是解决我国城市交通问题的根本出 路。 现阶段，我国轨道车辆基本上采用钢轮转向架，存在噪声大、 轮轨磨耗严重、维修量大等问题。例如上海和北京投入运营不久的 6 北京交通人学顶l j 学位论义 高架线轻轨列车，采用传统的钢轮转向架，噪声与振动污染问题较 为突出，须在线路上采用配套的降噪措施以降低扰民程度。从世界 范围来看，解决这一问题最有效的途径之一是采用橡胶轮转向架车 辆。目前国内对于橡胶轮转向架技术的研究还很有限，国外公开发 表的文献对此也仅有简略的报道；因此，研究橡胶轮转向架对于促 进我国城市轨道车辆的技术进步、适应城市轨道交通装备国产化要 求有着重要的现实意义。 国内对于低地板轻轨车辆的研究工作还处于起步阶段，特别是 一些关键技术还刚刚接触。目前国内相关科研单位及高校，如西南 交通大学和铁道部大连内燃机车研究所、北京交通大学等己着手开 展该方面的研究工作。尤其是大连内燃机车研究所，在借鉴国外经 验和开发自身经验的基础上，己丁2 0 0 1 年开发出了“d l r ”号部 分低地板轻轨车辆。该轻轨车由三节车体组成，每节车体下有一转 向架，前、后转向架采用传统形式的动力转向架，中间转向架采 用独立轮对形式的拖车转向莱。该类型车己在大连市区既有轨道线 上运行。 第二节本文研究目的和主要工作 本文试图将橡胶轮转向架技术和低地板转向架技术相结合，对 开发橡胶轮低地板转向架进行方案可彳了性的初步研究。此项工作的 长远目标是为开发环保性比较好、运输效率比较高、适合于城市中 心区域地面运行的轻轨车辆提供转向架方面的技术支持。目前，有 关橡胶轮低地板转向架方面的研究工作尚未见诸文献报道。 橡胶轮动力转向架和低地板动力转向架都相当复杂，这使得研 发橡胶轮低地板动力转向架技术上难度很大。从必要性方面来看， 北京交通大学碗上学位论文 由于橡胶轮与轨道的粘着系数较大，对于运用于市区地面中等规模 编组的轻轨车组，少数转向架为动力转向架即可使轻轨车组具有良 好的加速性能和适应坡道能力。综合可行性与必要性两方面，本文 工作的内容确定为橡胶轮低地板拖车转向架方案可行性研究，主要 包含以下两个方面： ( 1 ) 橡胶轮低地板拖车转向架的结构设计 转向架能否实现低地板化设计的关键在于转向架的结构设计， 在其中居于中心地位的是转向架构架结构的设计。结构设计的主要 难点在于既要满足转向架布局和低地板化设计要求，又要具有足够 的静强度和疲劳强度。 本研究根据适应于市区地面运行的低地板轻轨车组的总体设 计要求。在借鉴m p 8 9 橡胶轮转向架布局的基础上，针对低地板化 设计要求，提出了橡胶轮低地板拖车转向架初步的设计方案。在此 基础上，借用u i c 5 1 5 - 4 规范并应用a n s y s 大型有限元分析软件对 转向架构架进行了静强度和疲劳强度分析，评估了橡胶轮低地板拖 车转向架构架设计方案的可行性。 ( 2 ) 橡胶轮低地板拖车转向架车辆的曲线通过分析 从动力学方面来看，橡胶轮转向架车辆与普通转向架车辆的差 异主要体现在曲线通过的方式上；橡胶轮转向架上设置有专门的导 向机构，车辆通过曲线时的导向力来自于导轮与导轨之间的作用 力。运行于市区地面的轻轨车辆应满足与其它车辆平交的要求：相 应地，橡胶轮转向架的导轮和导轨必须安置于地面以下并且在小半 径曲线上不设置超高，这有可能使轻轨车辆曲线通过的动力学行为 发生较大的变化，而对这一变化的评估也是考察橡胶轮低地板拖车 转向架设计方案可行性的重要方面。 北京交通大学硕士学位论文 本研究建立了橡胶轮低地板拖车转向架车辆完整的曲线通过 动力学分析模型，进一步完善了相应的分析软件，给出了相关的动 力学参数，系统地计算了橡胶轮低地板拖车转向架车辆的曲线通过 响应，从曲线通过方面评估了橡胶轮低地板拖车转向架设计方案的 可行性。 北京交娅大学颤一i 二学位论义 第二章转向架方案设计 本章根据低地板轻轨车组的总体设计方案，在借鉴m p 8 9 橡胶 轮转向架布局的基础上，针对低地板化设计需要，结合简单的强度 估算，提出了橡胶轮低地板拖车转向架的设计方案。 第一节低地板轻轨车组的总体设计方案简介 运用于市区地面的低地板化轻轨车组的基本编组由三辆车组 成，每辆车各有两台转向架，车组两端各有一台高地板动力转向架， 中间四台转向架为低地板化的拖车转向架( 见图2 1 ) 。 唧阿mi 1 |田m i 儿l u 上j 且j ；l 【| j l 乓n 盐u - 耐 j ：- l _ jk 上l l - j1 一- 血_ _ 圈2 - 1 低地板化轻轨车组示意图 车组两端各有一个司机室，与司机室及相邻区域对应的车组两 端区域为高地板区，在头车和尾车中高地板区约占车辆长度的三分 之一：中央车辆全部为低地板；全部车门均开设在低地板区；整个 车组低地板化率约为8 0 。 采用钢轮转向架的低地板化轻轨车组的基本编组通常也是由三 辆车组成，比较流行的模式为两长一短编组，中间车为短车体，每 辆车只配备个转向架。采用这样的编组形式的考虑之一是使车辆 比较方便地通过小半径曲线。两长一短车辆编组模式对应的车体承 载方式和结构形式与传统车体差异较大，中问车体结构形式复杂。 1 0 北京交通人学坝1 ：学位论文 与钢轮转向架相比，橡胶轮转向架的轮轨粘着系数大，在动力 转向架与拖车转向架的比例为l 比2 时仍可使车组具有良好的加速 性能和适应坡道能力。橡胶轮转向架由于采用了专门的导向机构并 且在转向架摇枕与车体间设有单向止推轴承，使得传统形式的一车 体两转向架轻轨车辆能够以适用的速度通过半径为5 0 m 的小半径曲 线，可以适应市区小半径曲线的运行需要。 在本研究给出的橡胶轮低地板轻轨车组的总体设计方案中，动 力转向架与普通的高地板橡胶轮转向架很接近，只是导向装置的设 计有所不同，可以在充分借鉴m p 8 9 等成熟的橡胶轮动力转向架形 式的基础上进行研制：车体形式与常规的轻轨车辆车体相类似，设 计与制造技术成熟；橡胶轮低地板转向架由于是拖车转向架，技术 难点分散，设计与制造难度大为降低。总的采看，本研究给出的橡 胶轮低地板轻轨车组的总体设计方案具有良好的可实现性。此外， 该总体设计方案的低地板化率为8 0 左右，基本遍组具有较大的运 输规模且对市区地面运用条件具有良好的适应性，因而具有良好的 实用性。 在以下的研究工作中，本文将主要着力于橡胶轮低地板拖车转 向架的方案可行性研究。这将在借鉴m p 8 9 橡胶轮转向架基本布局 的基础上进行。 第二节m p 8 9 橡胶轮转向架简介 一橡胶轮转向架轮轨系统 m p 8 9 橡胶轮转向架是法国巴黎公交公司已投入实际运用的最 新形式的橡胶轮动力转向架( 见图2 2 ) ，轮轨系统主要组成部分如 图2 3 所示。 i l 北京交通大学坝1 。学位论文 图2 - 2 橡胶轮转向架总成 图2 - 3 橡胶轮转向架轮轨系统图 1 2 北京交通人学坝l ：学位论文 a承载橡胶轮正常运营时，承担车体重量；为防火，轮胎内 充满氮气。 a 橡胶轮走行轨道混凝土或钢轨道，直接固定在地基上。 b导向轮胎水平布置的小橡胶轮胎，沿导向轨运行对车辆进 行导向。 b 。导向轨导向轨既对车辆的运行导向又提供牵引电流。 c辅助钢轮当橡胶轮胎漏气时，钢轮接触钢轨代替橡胶轮运 行。在过道彷时钢轮与钢轨的接触点触及轮缘从而引导车辆 通过道岔。钢轮的轮缘比传统钢轮的轮缘要大。 c 钢轨轮胎漏气条件下使用的轨道，标准轨距( 1 4 3 5 m ) ：既 作为钢轮运行轨道，又兼作电流回路。 d导向轨绝缘器与导向轨电绝缘，支撑导向轨和侧向预紧装 置以使导向轮紧贴导向轨。 e 钢轨绝缘器与钢轨电绝缘，承担车辆总重。 f 侧向电接头从导向轨接入牵引电流。 g 回流器构成电流回路，使牵引电流回到钢轨。 h轮胎漏气检测器当橡胶轮胎内气体泄漏时，钢轮接触钢轨， 轮缘下降触及检测开关，检测器会发出警报。 一橡胶轮转向架的构成及各部分功用 橡胶轮转向架自身主要由七大部分组成，如图2 4 所示： 1 轮轴系统车轮为橡胶独立轮。橡胶轮正常运营时为承重轮， 内充高压氮气，胎压8 至9 m p a ，比普通汽车轮胎胎压高一个数 量级； 2 导向系统导向橡胶轮，高压轮胎，胎压8 至9 m p a ； l 北京交通大学顶士学位论文 3 二系减振系统由空气弹簧和垂向阻尼器组成，连接摇枕和构 架： 4 制动和辅助系统钢轮提供踏面制动力，辅助安全和维修； 5 构架与摇枕系统构架为平面框架式，摇枕为上凸式。构架为 转向架的主体结构，固定车轴、连接摇枕，导轮支座和制动缸支 座等也固连其上。摇枕与单向止推轴承固连，通过空气弹簧和二 系垂向减振器与构架相连； 6 一系减振系统由橡胶堆组成，连接车轴和构架； 7 传动系统转向架构架上安装有主减速器和差速器。 摇枕与车体之间由大直径的单向止推轴承连接。整个转向架采 用二系弹簧悬挂：一系悬挂在构架和轮轴之间，为橡胶堆，既起定 位轮对的作用，又起减振作用：构架和摇枕之间设有空气弹簧及垂 向减振器。电机驱动轴通过主减速器、差速器和车轮驱动轴相连， 从而使各橡胶轮成为独立轮；在驱动和制动时，利用橡胶轮胎与轨 面之间较大的粘着系数，获得优良的加速和减速性能。 车辆的每个轮轴装有“钢轮安全盘”( s a f e t y d i s c ) ，正常运营条 件下，钢轮与钢轨不接触，但在通过道岔时，钢轮钢轨接触，此时 橡胶轮转向架改由钢轮代替橡胶轮成为主运行轮，橡胶轮转向架此 时与普通转向架类似；另外，在橡胶轮胎漏气或轮胎爆破时，由钢 轮支撑车体，以保证车辆的安全运行；再者，在车辆制动时，钢轮 按踏面制动方式提供制动力；最后，在车辆进车库维修更换橡胶轮 或者检修其它部件时，钢轮代替橡胶轮，支撑车体。 北京交通人学顺i 学位论义 图2 4 橡胶轮转向架构榘平面图 北京交通大学碗j ：学位论文 第三节橡胶轮低地板拖车转向架的布局 橡胶轮低地板拖车转向架的稚局借鉴目前国际上技术成熟而先 进的m p 8 9 橡胶轮转向架，主要的改变体现在三个方面：1 ) 去除牵 引传动系统，包括牵引电机、联轴节、车轴上的主减速器、差速器 和驱动轴等；2 ) 重新布置导向装置，使之适应市区路面运行时车辆 平交的需要；3 ) 实现低地板化要求，车轴、摇枕和构架的结构形式 均需进行相应的调整。橡胶轮低地板拖车转向架各主要部件的形式 与布置情况如下( 参见图2 5 ) ： 图2 5 橡胶轮低地板拖车转向架简图 l 一构架2 一摇枕3 一单向止推轴承辱轮轴5 一橡胶轮 6 一辅助钢轮7 空气弹簧胶堆9 一橡胶导向轮 1 6 北京交通 学碳】：学位论史 ( 1 ) 车轮：为独立旋转的橡胶轮与钢轮复合车轮；橡胶轮与钢 轮刚性连接，同步旋转，通过滚动轴承与车轴相连：正常行驶时橡 胶轮为承重轮，橡胶承重轮内充高压氮气，气压8 - 9 m p a ；钢轮仅在 橡胶承重轮严重漏气和在检修段内检修车辆时为承重轮，钢轮还以 踏面制动方式兼做制动元件，但在正常通过道岔时不再肩负导向作 用： ( 2 ) 车轴：布置于构架上部，通过两组橡胶堆分别与构架的两 个侧梁固连，轴端通过滚动轴承与复合车轮相连，车辆行驶时车轴 彳i 发生旋转：车轴为铸钢结构，两端高适应轮径，中间低适应低地 板化要求： ( 3 ) 摇枕：布置于构架上部，每端通过一个空气弹簧和一个垂 向减振器与构架的铡梁连接，中央区域通过单向止推轴承与车体相 连：摇枕为钢板组焊结构，两端高适应车内座位布置，中间低适应 低地板化要求； ( 4 ) 导向轮：两纰导向轮分别与构架的两个端梁相连，导轮横 向布置在复合车轮之内，导轮平面与地面平行，上平面位于地面以 下适当距离以适应车辆平交需要；导向轮为高压充气轮胎，内充空 气，气压8 - 9 m p a ： ( 5 ) 构架：总体呈“目”字形，为钢板组焊结构：侧梁两端通 过橡胶堆与车轴相连，侧梁中部通过空气弹簧和垂向减振器与摇枕 相连，每个端梁上各有一对导向轮安装座，在侧梁和端梁连接部还 各有一个制动缸安装座：为适应低地板化要求，侧梁与车轴连接部 采用了比较特殊的凹形结构，侧梁中段呈鼓形外突状从而使摇枕在 车辆横向有足够的空间下探： ( 6 ) 悬挂布置：橡胶承重轮胎压比载重汽车轮胎胎压高一个数 l7 北京交通大学坝卜学位论义 量级，因此基本上不起减振作用；一系悬挂为连接构架与车轴的橡 胶堆，提供三向刚度和一定的阻尼，既起垂向减振作用，又起定位 车轴作用：二系悬挂为连接构架与摇枕的空气弹簧和垂向减振器， 提供三向刚度和垂向阻尼，是车体垂向减振和适应车体与转向架横、 纵向相对位移的主要环节。 第四节低地板转向架上部车内布局 由于轮轴和摇枕端部高度的限制，在低地板转向架的上部，车 内只能部分实现低地板化。通常的处理方式是在车轮和摇枕端部上 方布置相应的座位。从低地板化设计的总体要求来看，转向架上方 车内的低地板通道应保证车内各区域之间乘客流动方便，因而低地 板通道必须具有足够的宽度。对低地板通道宽度构成限制的主要有 两个局部区域：一个是摇枕所在区域，另个是轮轴所在区域，其 中限制最严的是轮轴所在区域。图2 - 6 和图2 7 分别给出了轮轴中心 部位和摇枕中心部位车辆断面示意图。 l 兰 2 - 6 轮车f i i 中心部位车辆横断面示意 1 8 北京变通人学碗1 学位论义 图2 7 摇枕中心部位车辆横断面示意 为使两位乘客能够比较方便的相对错过，低地板通道的宽度设 计为9 8 0 r a m 。制约低地板转向架上部车厢断面尺寸设计的另一个重 要因素是在车辆通过小曲线时应避免车体结构与转向架部件发生干 涉。图2 8 给出了车辆通过曲线时车体结构与转向架相对位移的计 算简图。按最小曲线半径5 0 m ，转向架定距l o m ，可以计算出转向架 与车体之间最大的静态相对横移。其中摇枕、钢轮和车轴与车体间 的最大静态相对横移分别为为2 0 r a m 、1 4 1 r a m 和1 0 5 m m 。考虑到空气 弹簧的最大横向位移不超过5 5 r a m , 在摇枕、钢轮和车轴与车体间预 留的横向间隙分别为2 5 m m 、2 0 0 m m 和2 5 0 m m ，其中车轴与车体间横 向预留间隙的大小还兼顾了踏脚台设计的需要，参见圈2 6 。与转 向架与车体之间的尺寸限制相适应，摇枕上方的车厢内设计了一个 宽4 2 0 m m 平台，可供一名乘客乘坐，也可用于放置行李，参见图2 7 。 低地板转向架上部车内总体设计布局见图2 - 9 。 9 北京交通大学硕卜学位论文 豳2 - 8曲线通过时车体与转向架 相对位移计算简图 j 划29 转向架上部区域下 | 1 4 布置示意图 北京交通大学硕卜学位论史 第五节橡胶轮低地板拖车转向架的初步设计 一、基本要求 转向桨的设计必须适应车辆设计与运用的总体要求。橡胶轮低 地板拖车转向架的应用对象为市区路面运行的轻轨车辆，应满足以 下运用要求： 1 ) f 常运行速度为3 0 k m h 至4 0 k i n h ； 2 ) 曲线半径比较小，最小曲线半径5 0 m ： 3 ) 轴重不超过1 2 5 t ； 4 ) 低地板区地板面高度不超过3 5 0 m m ，低地板区通道允许两 个人方便地相向错过； 5 ) 允许与市区路面运行的其它车辆平交； 6 ) 车辆嗓声与振动对周边环境影响较小。 为适应上述运用要求，转向架各部件应布置得较为紧凑以减小 轴距；车轴、摇枕和构架的设计形式与尺寸须适应低地板面高度的 要求；轮距应适应低地板通道宽度、布置橡胶承重轮和辅助钢轮以 及避免通过最小半径曲线时车体与转向架部件发生干涉的要求，导 向轮上平面须低于路面适当距离以适应与其它车辆平交的需要。 二、主要技术参数 根据橡胶轮低地板转向架的布局情况和设计要求，可以初步 确定转向架的主要技术参数如下： 最高运行速度( km h ) 6 0 最小曲线半径m5 0 轮距m m2 4 6 0 轴g 巨m m2 0 0 0 2 l 北京交通大学琐j 学位论义 轮径r a m 8 0 0 钢轨轨距m m2 0 0 0 一系悬挂中心横向距离m m1 3 4 0 二系悬挂中心横向距离m m1 9 9 0 轴重t 1 0 橡胶承重轮直径选择为8 0 0 m m 的主要考虑是与普通橡胶轮转 向架取得一致，以便于订购。轴重取为1 0 t 也与普通橡胶轮转向架 的轴重设计相当并能够满足车辆运量需要。最高运行速度设计为 6 0 k m h 足以满足正常运用时一般不超过4 0 k m h 的运用需要。 三、适应低地板化要求的转向架结构设计 相应于本章第三节给出的转向架布局形式，两个局部区域的结 构设计构成实现低地板化设计的主要瓶颈，一个是车轴与构架侧梁 连接区域，另一个是摇枕中部区域，其中车轴与构架连接区域的结 构设计构成了实现低地板化设计的主要制约。 1 、车轴与构架连接区域的结构设计 车轴的承载方式为四点弯曲，承载位置分别在承重轮和一系橡 胶堆与车轴连接部。为适应低地板化设计要求，车轴设计成下凹式 结构，其中橡胶堆之间的车轴中段为与低地板区对应的平直段( 参 见图2 6 ) 。车轴承受弯矩情况如图2 - 1 0 所示，橡胶堆之间的车轴 中段承受恒弯矩。车轮最大静载荷为5 0 k n ，动荷系数取1 3 ，承重 轮中面与橡胶堆中面的间距为5 4 0 m m ，车轴最大弯矩为 m 。= 5 1 0 2 1 3 x o 5 4 m n - m = 3 5 1 x 1 0 2 m n m 最大弯矩幅为 d m = 5 1 0 2 xo 3 x 0 5 4 m n m = o 8 1 x 1 0 m n 北京交通大学颂l ：学位论文 车轴采用铸钢结构以适应其复杂的结构形式。为满足运用要求，车 轴不仅需要具有足够的静强度，还必须具有足够的疲劳强度。与等 级较高铸钢的静强度对应的许用应力值可高达2 0 0 m p a 以上，但与其 疲劳强度对应的许用应力幅则比较低，一般稍高于7 0 m p a 。结合最 大弯矩和最大弯矩幅可以得出与静强度和疲劳强度对应的抗弯截面 系数分别为1 7 6 x l o - 4 肌3 和1 5 1 0 研3 。综合静强度和疲劳强度要 求，车轴中段截面的抗弯截面系数须大于1 7 6 x 1 0 m3 。如车轴中段 采用矩形截面，宽度取l o o m m ，高度取1 2 0 m m ，则抗弯截面系数为 2 4 1 0 _ 4 埘3 ，可以满足强度要求。 f ；： ) 【 m1 j ：；，；： 。! 、ji i i 【i i _1 _ | 5 4 0 r m n6 9 0 r r n6 9 0 r i o n5 4 0 m m 图2 一i o 车轴弯矩示意图 车轴与构架侧梁连接部区域的结构设计情况如图2 一l l 所示。此 区域车轴断面的高度仍取为1 2 0 m m ，与车轴中段相同；车轴和构架 侧梁上平面与构架侧梁下平面的间距控制在2 0 0 m m ，为满足这一设 计需要，构架侧梁采用了局部下凹形式的结构。车轴中段上方车体 局部区域的地板厚度控制在3 0 m m ，这在设计车体的承载结构时是不 难实现的。地板下平面与车轴和构架侧梁上平面之间预留的间隙为 2 3 北京变通大学坝卜学位论文 5 0 m m ，在空气弹簧无气车体重量由空簧橡胶堆承担情况下，仍可保 证地板下平面与车轴和构架侧梁上平面之间不发生接触。构架侧梁 下平面与地面之间预留的间隙为7 0 m m ，在运用过程中一系橡胶堆的 最大垂向动态压缩量为6 m m ( 此值按轴重l o t ，动荷系数1 3 ，每车 轮对应的一系垂向剐度为2 7 m p a m 测算) ，故在运用过程中构架侧 梁下平面与地面之间的间隙能保持在6 0 m m 以上，可以满足车辆下部 的限界要求。与上述结构设计与布局相应，车轴与构架侧梁连接部 区域对应的地板面高度为3 5 0 m m ，符合低地板化设计标准。 地板 橡胶堆 地砸 图2 - 1 l 轮轴与构架侧粱连接部示意图 。轮轴 且一构架 应该指出：车轴在与橡胶堆对应的截面处也承受着最大弯矩， 此截面的设计尺寸不仅直接决定着地板面的高度，而且形式复杂， 也需要对该截面进行强度考核。鉴于此截面的尺寸比车轴中段截面 尺寸大得多，细致的结构设计应可以既满足强度要求，又不增加该 截面的高度。 2 、摇枕与车体枕梁连接区域的结构设计 北京交通人学坝1 j 学位论文 摇枕的承载方式可近似为三点弯曲( 偏于严格的处理) ，承载位 置分别在空气弹簧和单向止推轴承与摇枕连接区的中心。摇枕承载 情况如图2 1 2 所示。分担至每一空气弹簧的最大车体静载荷为 7 5 k n ，动荷系数取1 3 ，空气弹簧中心与单向i e 推轴承中心的间距为 9 9 5 m m ，摇枕最大弯矩为 m 。= 7 5 1 0 一2 1 3 o 9 9 5 m n m = 9 7 0 1 0 2 m n ，r l l 最大弯矩幅为 d m 。= 7 5 1 0 0 3 0 9 9 5 m n m = 2 2 4 x 1 0 m n g i r l 摇枕采用钢板箱形焊接结构，材料选用可焊性好且疲劳强度较高的 1 6 m n r 钢板。为满足运用要求，摇枕不仅需要具有足够的静强度， 还必须具有足够的疲劳强度。与1 6 m n r 钢板对应的许用应力值为 2 1 6 m p a ，与焊缝对应的疲劳许用应力幅取为5 0 m p a 。结合最大弯矩 和最大弯矩幅可以得出与静强度和疲劳强度对应的抗弯截面系数分 别为4 4 9 x 1 0 4 m 3 和4 4 8 1 0 - 4 m 3 。综合静强度和疲劳强度要求， 摇枕中央截面的抗弯截面系数须大于4 4 9 x 1 0 。m 3 。摇枕中段为箱 形截面，宽度取6 0 0 m m ，高度取9 0 m m ，上下盖板厚1 6 m m ，腹板厚1 0 m m ， 相应的抗弯截面系数为4 7 4 x1 0 4 m 3 ，可以满足强度要求。 北京交通大学颂士学位论文 i 9 9 5 m m9 9 5 n n ； l 一 一一一p _ 图2 一1 2 摇枕弯矩示意图 摇枕与车体枕粱连接部区域的结构设计情况如图2 - 1 3 所示。车 体枕梁的断面高度取为1 0 0 倒m ，高于摇枕断面i o b 。由于车体枕梁 的结构形式和承载情况均与摇枕相近，上述断面高度能够满足车体 枕梁的强度设计需要。车体枕梁上方局部区域的地板厚度控制在 3 0 唧，足以满足车体局部承载需要。单向止推轴承高度取3 0 r a m 。摇 枕下平面与地面之间预留的间隙为i o o m m 。在正常运用情况下，空 气弹簧的最大垂向动态压缩量不超过3 0 m m ，可保证摇枕下平面与地 面之间的间隙不小于7 0 l l i 】；在空气弹簧无气车体重量由空簧橡胶堆 承担情况下，摇枕下甲面与地面之闯的间隙大予5 0 mj ，可以满足车 辆下部的限界要求。与上述结构设计与布局相应，摇枕与车体枕梁 连接部区域对应的地板面高度为3 5 0 r a m ，符合低地板化设计标准。 北京交通大学颂一i 一学位论文 地板 单向i r 推轴承、 地面 车体枕梁 图2 - 1 3 摇枕与车体枕梁连接部示意图 摇枕 3 、构架的初步设计 构架是转向架结构的主体，是保证转向架有关部件相对位置和 总体布局的核心。构架不仅传递车辆纵向、横向和垂向作用力，还 为安装弹簧、减振器、制动装置和导向装置提供安装座或吊座，结 构形式和受力情况非常复杂，这使得构架的设计成为转向架结构设 计的主要内容。 橡胶轮低地板拖车转向架构架为钢板焊接薄壁箱形梁组成的 “目”型结构，如图2 1 4 和2 1 5 所示。为适应摇枕以及车轴与侧 梁连接部的低地板化设计需要，侧梁中段设计成外凸形式，侧梁端 部设计成下凹形式；这使得构架的强度设计更为复杂。 北京交通人学烦i 学位论文 剀2 1 4 构架组成 l 一端粱2 一横梁3 侧梁4 一导轮支座 北京交通人学硕士学位论义 图2 一1 5 构架结构总图 北京交通人学顺i 。学位论文 构架总体尺寸的初步设计主要根据低地板化设计的需要和布黄 相关部件的需要确定，断面尺寸的初步