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工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 摘要 本文论证了大连机车车辆厂重点科技攻关项目东风4 d 型高速客运机车转 向架的设计和试验等整个攻关过程。着重分析了针对解决当机车速度达到2 0 0 k m h 后，转向架如何降低轮轨动力作用、提高机车运行的平稳性、抗蛇行、获得良好的 动力学性能及解决踏面剥离五个问题的解决途径所确立的转向架总体方案。还简要 分析了转向架部件试验、整车试验情况。结果表明：该机车的粘着利用率高，制动 距离短，能顺利通过1 4 5 m 小半径曲线，动态曲线通过性能良好，横向力、脱轨系 数、轮重减载率均很小，s p e r li n g 平稳性指标在良好以上，轮轨动作用力远小于 轨道线路的安全极限值。 关键词：高速，机车，转向架，设计，试验 第1 页 l ：程硕l ：学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 a b s t r a c t t h i st e x td i s c u s s e dt h ew h o l e p r o c e s s o ft h e p o i n tt e c h n o l o g y o fd a l i a n l o c o m o t i v ea n dr o l l i n gs t o c kw o r k s ，w h i c ho f f e n d st oc l o s et h e l o c o m o t i v eb o g i eo fs u p e r - s p e e dp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o ni nat y p eo fd o n g f e n g4 d i t e mad e s i g na n de x p e r i m e n t e m p h a s i z e t h ei n t r o d u c t i o no f a i m i n ga tt h et o t a lp r o j e c t o fd e s i g n i n gb yh o wt os o l u t et h ef i v ep r o b l e m so ft h el o c o m o t i v eb o g i ew h e nt h e m o t o r c y c l e ss p e e do v e r2 0 0 k m h , h o w t ol o w e rm o t i v ef u n c t i o no f t h ew h e e la n do r b i t ； i n c r e a s i n gt h es t e a d yt h a tm o t o r c y c l ec i r c u l a t e ，r e s i s t i n gc r a w lf o r w a r d ；a c q u i r i n gt h e g o o dd y n a m i c sf u n c t i o na n dt h es o l u t i o no f t h es t e p sr e m o v a l r e t u r n i n gt h es y n o p s i s i n t r o d u c e st oc h a n g ed i r e c t i o nap a r t se x p e r i m e n t s ，t h ee x p e r i m e n t so fm o t o r c y c l et h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea x l e 一1 0 a dt r a n s l a t i o ni sl o w , t h eb r a k ed i s t a n c ei ss h o r t t h ec h a r a c t e r o f d y n a m i c sc u r v i n gi se x c e l l e n t ，t h el a t e r a lf o r c e ，t h ed e r a i l m e n t r a t i oa n dt h ew h e e l l o a dd e c r e a s i n gr a t i oa r ea l ls m a l l ，t h es p e r l i n gi n d e xi sv e r yw e l l ，t h ef o r c eb e t w e e n t h e w h e e la n dr a i li sf a rb e l o wt h es a f ev a l h eo f r a i l w a y k e yw o r d s ：s u p e r - s p e e dm o t o r c y c l e t h el o c o m o t i v e b o g i ed e s i g n e x p e r i m e n t 第页 - y6 8 3 3 2 8 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 五寸雪鞘：甜月j 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 1 7 咖1 年嗍? 日 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 l 绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 高速铁路技术是当代世界铁路的一项重大技术成就，是铁路现代化的重要标 志，它使铁路固有的技术经济优势得以充分有效的发挥。随着中国加入w t o ，为缓 和铁路运量与运能的矛盾，促进国民经济的发展，在我国发展高速铁路已成当务之 急。向先进发达国家学习，发展高速铁路运输己成为我国经济建设迫在眉睫的问题。 我国仅有的几种机车达到1 6 0 2 0 0 k m h ，再行提速就必须有相应走行部保证之。转 向架对机车而言，相当于人的两条腿，它应具有机车的牵引、制动、直线与曲线运 行的导向、支撑与传力、缓冲与隔振等五大功能。同时，转向架不仅是影响机车牵 引力和最大速度、动力学性能、轮轨动作用和轮轨磨耗的一个重要部件，而且是壤 直接关系到列车安全的关键环节。随着速度的提高，对机车转向架提出了更高的要 求，尤其是在速度较高的情况下，既要保证具有良好的运行品质，又要保证有足够 的安全性。这给转向架的设计、制造和试验带来了很大难度。同时，也是发展准高 速和高速机车必然要经历的过程。本文正是基于我国目前高速转向架的研制实际进 行总结和探索。 1 2 国内外发展状况和趋势 国外高速铁路发展较早，自1 9 6 4 年日本新干线开出第一列2 l o k m h 高速列车 以来，对世界铁路行业震动极大。由于效益显著，英国、法国、德国、前苏联、意 大利等国竞相效仿，相继研制和开发了2 0 0 k m h 以上的高速列车。其中法国后来居 上，创试验速度5 1 5 3 k m h 的世界记录。各国铁路开发高速列车己累积了不少经验， 但他们在开发中所采用的技术路线不尽相同。日本强调全新的超标准的轨道路线， 以保证列车平稳运行；英、意两国则尽量利用现有的路线，以节约资金。法国全面 考虑机车、车辆和轨道两个方面。但是，这些国家所进行的机车走行部运用全悬挂 转向架设计实践却均已走向了成熟。如瑞士b b c 架悬式转向架；德国a b bh e n s c h e l 公司柔性浮动式转向架：意大利e t r 5 0 0 ( 2 7 5 k m h ) 转向架及t g v 高速转向架；日 本新干线动车用d t 2 0 0 转向架及特快内燃动车用转向角联动式摆式车体径向转向架 均具有良好的高速运行稳定性，即高的蛇行临界速度，这些转向架的运用目前仍处 于世界领先地位。铁路是我国主要的运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用。 铁路的客货运量占我国总运量的7 0 左右，是国民经济发展的先导。随着改革开放 的不断深入，我国经济在突飞猛进的发展。原有的铁路运输水平己远不能满足国民 经济发展的需求，甚至还成为阻碍经济发展的主要因素。自1 9 9 7 年至今，我国共 第1 页 工程硕士学位论文 高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 进行了五次铁路大提速。高速铁路的发展需要各类的高速机车，这早已被列为我国 “八五”科技攻关项目。众所周知，实现铁路高速运行需要研究许多技术课题。就 机车车辆而言，除了要解决动力、车体、制动等许多问题，最重要的就是要开发出 具有良好性能的高速转向架。目前国内己运行和正在试制的准高速及高速机车，如： 株洲电力机车厂生产的韶山9 型电力机车；大同机车厂生产的韶山7 d 型电力机车； 戚墅堰机车厂生产的东风9 、东风11 型内燃机车；大连机车车辆厂生产的东风4 d 客内燃机车及高速动车组均通过全悬挂转向架使机车走行部平稳运行并提高速度。 从转向架入手达到机车提速己成为实践证明了的必然途径【3 】。 1 3 本课题的研究目的和内容 1 3 1 研究的目的 在我国“八五”计划中就己把发展高速铁路摆到议事日程，把开发2 0 0 k m h 以 上的高速客运专线技术纳入重点科技攻关项目。目前，我国正致力于消化吸收国外 先进技术经验，几种成熟的转向架达到1 6 0 2 0 0 k m h 的准高速，如何追踪世界高 速铁路先进技术而达到列车速度2 5 0 3 0 0k m h 甚至更高还需要不断的学习探索和 试验。为此，应很好地学习和吸引国外高速机车、动车转向架研制试验经验，尽快 设计制造出适应更高速度的内燃、电力机车高速转向架，使我国由准高速客运机车 转向架向高速机车转向架发展步伐在短期内赶上国际水平，并使我国机车转向架设 计、制造和试验水平都上一个新台阶。 1 3 2 研究的内容 目前国内几种准高速机车及高速动车组之走行部均适应1 6 0 1 8 0 k m h 速度运 行，再行提高速度，尤其是速度达到2 0 0 k m h 后，转向架存在如下几个需要解决的 主要问题： l 、降低轮轨动力作用 2 、怎样提高机车运行的平稳性，改善机车动力曲线通过 3 、抗蛇行 4 、如何获得良好的动力学性能 5 、以优质材料解决车轮踏面剥离 本文针对解决上诉问题确立了转向架设计的总体方案，通过进行计算、分析 以及零部件及整车试验，论证了本方案的正确性与合理性。通过本课题的研究，对 很好地学习和吸收国外一般客运机车向准高速机车及高速机车、动车发展而花费的 第2 页 兰堡硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ ，_ - - - - _ _ - _ _ - - - 几十年过程中大量的转向架研究、设计和试验工作的经验和技术诀窍。使我国由准 高速机车转向架向高速机车转向架发展步伐短期内赶上国际水平奠定了基础。 第3 页 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 2 转向架设计及动力学分析 一个新产品的开发设计和研制，第一步要解决的就是它的方案研究和结构选 型。我国要发展高速铁路，必须采取何种技术路线，才能建成技术上最合理、经济 上最有效，最适合我国情况，最有中国特色的铁路运输网? 我们认为必须坚持两条 腿走路的原则。首先，在线路方面。建设一条不太长的，适应2 0 0 k 州h 以上速度的 高速专线；第二，在机车车辆方面，改善机车车辆的运行品质，努力降低列车的动 力作用。而从改善机车车辆运行品瘊方面来讲，要实现这一点，必须首先从转向架 的设计着手。合理设计整体结构，合理选择悬挂参数，消化吸收国外各种低动力作 用转向架结构形式，并通过动力学计算分析，评定其结构性能。这也是我国铁路提 高层次的主攻方向”】。 我国发展高速铁路，开发和研制高速列车，从速度上应分三步走。第一阶段， 速度在1 6 0 2 0 0k m h 范围的准高速，消化吸收国外先进技术经验；第二阶段，在 第一阶段基础上，通过改进和完善，将列车速度提高到2 5 0 3 0 0 k n l ，i l ：第三阶段， 开发和研制3 5 0k n g h 以上的高速列车。目前我国正处于第二阶段。 本论文在采用国内多年来成型转向架技术的基础上，结合我国和大连机车车辆 厂的工艺水平和制造能力，采用新型方案和结构来满足高速运行的需要，使我国客 运机车转向架技术上了一个新台阶。 2 1 高速机车转向架分析 目前国内几种准高速机车及高速动车组之走行部均适应1 6 0 1 8 0 k r a h 速度运 行，再行提高速度，尤其是速度达到2 0 0 k m h 后，转向架存在如下几个需要解决的 主要问题： 1 、降低轮轨动力作用 2 、怎样提高机车运行的平稳性，改善机车动力曲线通过 3 、抗蛇行 4 、如何获得良好的动力学性能 5 、以优质材料解决车轮踏面剥离 2 1 1 降低轮轨动力作用 首先在线路方面，必须达到平直的高速要求，而后则速度愈高，轮轨动力作用 愈大。这就要求转向架必须尽量降低这种作用力对机车造成的各种不良影响。降低 簧下质量，改善电机的工作条件，是降低轮轨作用力的重要手段之一。为降低高速 第4 页 工程硕士学位论文 高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 时轮轨动力作用，采用轮对空心轴电机全悬挂结构。轮对空心轴电机全悬挂装置的 特点就是在车轴上套一个空心轴，空心轴通过六连杆机构弹性相连，大齿轮通过空 心轴套安装于电机上。当机车运行时，电机随构架一起运动，和构架一样相对于轮 对要产生各个方向的位移。同时又将电动机的扭矩顺利地传递给轮对。这样，就使 机车簧下质量明显降低，大大降低了电动机的震动加速度，改善了电机的工作条件。 2 1 2 提高机车运行的平稳性，改善机车动力曲线通过 这里对轴箱定位采用了拉杆定位方式。拉杆定位方式的轴箱与构架问不需要润 滑，也不存在磨损：轮对不能自由横动，有利于改善蛇行运动：轮对与构架的弹性 连接具有缓和冲击和隔音的作用；轮缘磨耗比导框定位式小。轴箱体采用新型轴箱 止档结构，这一止档即可以作为横向止档，又可以作为轴箱垂向弹性止档，以保护 轮对空心轴全悬挂驱动装置。另外，在转向架起吊时，它又能将轴箱与构架联成一 体。 这种拉杆定位方式提高了机车运行平稳性，改善了机车动力曲线通过性能。达 到以2 2 0 k m h 的速度通过1 5 0 0 m 半径曲线，其脱轨系数、轮重减载率均远远小于安 全极限。 2 1 3 抗蛇行 选用具有合理参数和良好质量的抗蛇行油压减振器，以解决随着机车速度的提 高所形成的横向稳定性这一突出问题。 2 1 4 获得良好的动力学性能 二系弹簧悬挂装置采用高圈弹簧结构，实现车体与转向架之间的全方位弹性联 接，以获得良好的动力学性能。 二系弹簧悬挂采用高圈弹簧旁承结构。这种结构是将高圈弹簧布置在转向架两 侧的中央部分，根据垂向载荷，每侧设由四个高圈弹簧组成。高圈簧的上下两端都 是固定的，以防止高圈簧失稳。这种装置结构简单，且无摩擦付。转向架相对于车 体的横向运动和回转运动，都通过高圈簧的横向弹性来获得它的横向及角向刚度可 以设计得很小，而垂向静挠度又可以设计得较大。所以，近年来在国外高速机车上 得到了广泛得应用。 2 1 5 以优质材料解决车轮踏面剥离 第5 页 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 采用整体辗钢轮以解决车轮踏面剥离。随着机车速度的提高，运行中机车与钢 轨的冲击增大，直接承受者就是车轮。因此，准高速和高速机车对车轮提出了更高 的技术要求。这无疑是正确的，但从目前的研制情况来看，采用传统的铸钢轮心加 轮箍的机车车轮，要达到准高速对车轮的高技术要求，总是非常困难的，而运用结 果也会是不理想的。几年来运用情况表明，在轮箍质量得不到保证和提高的情况下， 出现轮箍剥离现象的频次要比一般机车增多。所以，探索如何提高国产机车用轮箍 水平和采用整体辗钢轮的问题应提到议事日程上来以保证准高速机车长期、可 靠地运用。 2 2 转向架设计 2 2 1 转向架设计方案及组成 低动力作用转向架由构架、轮对空心轴、一、二系悬挂、轴箱、牵引杆装置及 基础制动装置等主要部件组成2 l 。具体转向架设计方案如见图2 2 1 1 所示。 图2 2 1 1 转向架总图 第6 页 j ：程硕士学位论文 高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 转向架参数： 轴式 轴重 轴距 轨距 轮对内侧距 两转向架中心距 全轴距 车轮直径 通过最小曲线半径 构造速度 转向架重( 不包括牵引电机) 每轴簧下重量 一系悬挂静挠度 二系悬挂静挠度 轴箱相对构架横动量 轮对相对轴箱横动量 转向架牵引杆高度 基础制动方式 制动率 c o cb 2 3 t 2 0 0 0 r i o n 1 4 3 5 m m 1 3 5 3 0 1m m 11 2 0 0 r a m 1 5 2 0 0 r 锄 1 0 5 0 m 1 4 5 m 2 2 0 k m h 1 6 5 t 2 5 5 t 5 5 m 9 6 m m 8 m m 3 1 0 3 m m 6 0 0 m m 独立作用式 o 5 7 构架形如东风4 机车转向架构架，采用钢板焊接箱形结构。构架由左右侧梁、 前后端梁和前后横粱组成。其中前、后端粱和前、后横梁与东风4 机车转向架相同。 构架的结构特点是强度大、刚性好而重量轻。由于车体载荷集中作用于侧梁中部， 为保证侧粱中部具有足够的强度，在每个侧梁的二系悬挂装置下，增设一块加强板。 为提高抗疲劳强度，改善构架受力状态，箱形梁内部合理布一定数量的隔板。 2 2 2 轮对空心轴电机全悬挂装置方案设计说明 世界各国铁随着机车速度的不断提高，自五十年代以来，己发展了许多种各具 特色的电机全悬挂驱动装置。其中多数国家发展了轮对空心轴式全悬挂驱动装置， 如日本、德国、前苏联、法国、意大利、瑞士、英国等国家。也有许多国家发展了 电机空心轴式全悬挂驱动装置，如瑞典、英国、捷克、前苏联等国均有采用。但从 各国内燃机车采用的电机全悬挂方式的情况来看，采用轮对空心轴电机全悬挂结构 第7 页 工程硕士学位论文 高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 的较多。这是因为内燃机车上牵引电机的体积小，电枢直径也较小，为制造电枢空 心轴将电枢支承轴承及端盏深入到电机内部是比较困难的，所以世界各国的内燃机 车多不采用电机空心轴全悬挂结构。 图2 2 。2 1 轮对空心轴电机全悬挂装置 轮对空心轴电机全悬挂装置结构特点，就是在车轴上套一个空心轴，空心轴的 一端与轮对通过六连杆机构弹性相连，另一端与大齿轮通过六连杆机构弹性相连， 大齿轮通过空心轴套安装于电机上( 轮对空心轴电机全悬挂装置见图2 2 2 1 ) 。当 机车运行时，电机随构架一起运动，和构架一样相对于轮对要产生各个方向的位移。 同时又将电动机的扭矩顺利地传递给轮对。这样，就使机车簧下质量明显降低，大 大减轻了轮轨问的动力作用，同时也大大降低了电动机的振动加速度，改善了电机 的工作条件口1 。计算表明，机车在各档速度下，当轴重一定时，簧下质量越大，轮 轨动力作用越高。轴重为2 3 t 时的轮轨动力作用增长率随簧下质量的变化关系绘于 图2 2 2 2 中。 第8 页 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 酲 料 出 鍪 旺 世 r 需 ，；：、，v = ：。3 3 啡0 k m ，：1 ， 1 ：2 5 0 1 t m h 7 ：v v = 瑙2 0 帅o k m ，： 已 ，j ，多歹二 影一 01 21416l8202 己2 4 己62 830 簧下质量m w ( 七a x l e ) 图2 2 2 2 各种速度下轮轨动力作用增长率随簧下质量的变化关系 零线与各曲线的交点即为各档速度下所允许的簧下质量。簧下质量的模拟值和 建议值列于表2 2 2 1 中。 表2 2 2 1 机车速度与簧下质量的关系 机车速度( k i n h ) 1 6 02 0 02 5 03 0 03 5 0 簧下质量模拟值( t ) 3 0 72 5 01 9 51 6 41 4 7 簧下质量建议值( t ) 3 02 51 91 6 1 4 在结构上，采用三点式悬挂，使其呈静定状态。并且前吊挂可在垂向( 高度方 向) 进行调整，后吊挂可在垂向和纵向都可以调整，以保证空心轴套与车轴同心。 轮对空心轴电机全悬挂装置的驱动力矩传递路线为：牵引电动机一主动齿轮一 从动齿轮一六连杆机构一内空心轴一六连杆机构一传动端车轮一车轴一非驱动端 车轮”。 2 2 3 弹簧悬挂系统设计 第9 页 那 知如加o加劭加知即。 工程硕_ ：学位论文 高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 2 2 3 1 一系弹簧悬挂装置( 轴箱弹簧悬挂装置) 轴箱弹簧采用东风4 机车的传统结构一轴箱独立弹簧悬挂。它具有结构简单、 性能优良、安全可靠、接近性好等优点。弹簧组采用双圈结构，弹簧下端设有橡胶 垫以缓和来自线路的冲击，吸收高频振动，提高弹簧疲劳寿命。由于采用轮对空心 轴式电机全悬挂结构，轴箱弹簧的静挠度不宜设计得过大，又由于采用大静挠度的 旁承弹簧，从弹簧悬挂系统的角度考虑，也要求轴箱弹簧的静挠度不宜过大，以保 证一、二系静挠度的合理匹配”】。 轴箱弹簧主要几何参数和特性参数如下： 外圈 簧条直径( m )3 6 弹簧中径( 吣)西1 9 0 有效圈数 3 5 自由高度( 岫) 2 5 1 4 2 静挠度 ( m m )5 1 4 6 加橡胶垫后静挠度( m m ) 5 5 内圈 西2 2 西1 1 2 6 2 5 2 5 1 5 4 5 1 4 6 5 5 2 2 3 2 二系弹簧悬挂装置( 旁承弹簧悬挂装置) 二系弹簧悬挂采用高圆弹簧旁承结构 7 1 。这种结构是将高圆弹簧布置在转向架 两侧的中央部分，根据垂向载荷，每侧设由四个高圆簧组成。高圆簧的上、下两端 都是固定的，以防止高圆簧失稳。这种装置结构简单，且无摩擦付。转向架相对于 车体的横向运动和回转运动，都通过高圆簧的横向弹性来获得，它的横向及角向刚 度可以设计得很小，而垂向静挠度又可以设计得较大。所以，近年来在国外高速机 车上得到了广泛的应用。 例如构造速度为1 6 0 公里：5 时的英国8 6 型电力机车，每台转向架有六个高圆 簧，即每侧三个。高圆簧的工作高度为5 8 4 毫米，静挠度达9 5 毫米。又每个高圆 簧的垂向载荷是3 9 5 0 0 牛顿，圆簧的有效圈数n = l o 5 ，簧圈直径d = 1 8 5 7 毫米，簧 条直径d = 4 1 7 毫米，一台转向架的横向刚度6 k 1 = 3 2 5 牛毫米。在每簧3 9 5 0 0 牛 顿的垂向载荷下，横移9 0 毫米( 横向作用力为4 6 0 0 牛顿) 时，圆簧内侧应力为r = 6 2 2 牛毫米2 【。 利用摩擦旁承来控制机车在直线上高速运行时的转向架蛇行振动，曾经得到广 泛应用。但是由此产生的较大的摩擦力矩却给机车顺利通过曲线造成困难，引起轮 缘与轨头侧面的过早磨损，缩短车轮旋削的走行公里。采用高圆簧弹性旁承，使转 第1 0 页 工程硕七学位论文 高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 向架的横向振动更好地与车体隔开，并引用具有恒量阻尼特性的纵向油压减振器以 控制转向架的蛇行振动。 这种二系悬挂结构具有以下特点： 能很好地实现车体与转向架构架间垂向大静挠度，t t p _ - 系软的要求。 能很好地实现车体与转向架构架水平方向的弹性联结。 结构非常简单，这是其它结构无法相比的。 没有摩擦副，大大减少了日常维护保养工作量。 参数选择调整余地大，比较容易使机车获得良好的动力学性能。 高圆簧主要几何参数和特性参数如下： 簧条直径 弹簧中径 有效圈数 自由高度 工作高度 静挠度 垂向静载荷( 5 4 6 6 7 n ) 下工作应力 垂向刚度 横向刚度 最大工作应力( 相对于五= 5 3 5 帆) 西4 5 m m 庐2 0 0 a m 8 ，2 5 6 0 3 m m 5 1 5 m 8 8 m m 4 0 9 n m m 2 6 2 1 5 n m m 2 1 6 0 2 u m m 2 6 6 9 n m m 2 高圆簧作为机车二系悬挂，不仅要承受较大的垂向载荷( 机车车体重量) ，当 转向架相对车体横动和偏转时( 如通过弯道) ，将产生较大的水平位移，故还要承 受较大的水平载荷，使其它的运动工况相当恶劣。在国外许多机车上，为了保护高 圆簧，改善高圆簧的运动工况，降低其大载荷下的工作应力，使其处于良好的受力 状况，采用高圆簧加橡胶垫方法，经分析计算可以知道，在弹簧上、下端都加上一 定厚度的平橡胶垫，能降低弹簧的：r 作应力，改善其运用工况；但同时其横向刚度 也大大降低了，这是机车动力学性能总体参数要求所不希望的。最好是能在弹簧上 加一种既能有效地降低弹簧的工作应力，又不导致横向刚度降低得太多，而偏转刚 度降低较多( 有利曲线通过) 的特殊橡胶垫，这就是“瓦片”式橡胶垫。它与高柔 度螺旋弹簧串联组合的结构基本满足上面的要求。 我们认为，选择这种高柔度螺旋弹簧加“瓦片”式橡胶垫串联组合的二系悬挂 结构，经过参数的不断调整和优化选择，基本上能确保准高速客运内燃机车具有良 好的运行平稳性和横向使得总静挠度提高到9 6 m m 。而在最大横向挠度5 3 5 m e 下的 第1 1 页 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 工作应力降到5 7 2 m m 。这是因为圆弹簧加橡胶垫后，系统的最大横向挠度由圆弹簧 和橡胶垫的剪切变形及弯曲变形组成，所以相同的横向位移条件下，加橡胶垫后可 使高圆簧的应力状态大为改善。但是，由于弹簧是一种几乎无阻尼的弹性元件，要 使这种结构能确保机车具有良好的走行性能，尤其是速度提高后的横向稳定性能， 还必须在二系悬挂系统中设置具有适当阻尼的油压减振器。我们经过对国外资料的 深人分析和方案设计参数的动力学性能计算，认为在二系悬挂系统中设置呈纵向布 置的抗蛇行减振器是使机车获得良好横向稳定性的有力措施。这种减振器具有恒阻 尼特性，即当振动速度达到某一较小数值后，减振器阻力不再继续增大，基本上保 持为一恒值。另外，在转向架端部增加一对侧挡，以控制转向架相对于车体的最大 转角不超过3 。，根据几何曲线通过计算，这不影响机车通过1 4 5 m 半径的小曲线 2 1 1 。 图2 2 3 1 高柔度螺旋弹簧与“瓦片”式橡胶垫串联组合结构图 2 2 4 轴箱设计 轴箱采用国内比较成熟的拉杆定位式轴箱。这种轴箱的优点是：轴箱与构架问 不需要润滑，也不存在磨损；轮对不能自由横动，有利于改善蛇行运动；轮对与构 架的弹性连接具有缓和冲击和隔音的作用：轮缘磨耗比导框定位式小m 】。 轴箱体采用新型轴箱止挡结构，这一止挡即可以作为横向止挡，以控制轴箱相 对于构架的最大横动量( 8 m ) ； 又可以作为轴箱垂向弹性止挡，以保护轮对空 心轴全悬挂驱动装置。另外在转向架起吊时，它又能将轴箱与构架联成一体。 2 2 5 牵引杆装置设计 牵引装置采用东风4 机车的牵引杆式结构。杆件系统由两根牵引杆、两个拐臂 第1 2 页 工程硕士学位论文 高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 和一根连接杆组成。 根据分析，这种牵引杆装置与构架侧梁上的弹性侧挡相配合能保证转向架的回 转中心在纵向中心线与车体上两牵引杆座连线交点处附近，它的变化范围决定于侧 挡间隙、各销接处的间隙和牵引杆的长度。因此牵引杆机构的特点是转向架并无固 定的回转中心，而是在一个有限的面的范围内变动，且允许车体相对于转向架横向 移动。 2 2 6 基础制动装置、停车制动装置设计 基础制动装置按结构形式可分为杠杆式和独立作用式。独立作用式制动装置与 杠杆式制动装置相比优点是：结构简单，重量轻，运用和检修方便，各轮闸瓦能够 同时抱闸，达到最大闸瓦压力的时间短，并且容易实现闸瓦间隙自动调节。另外， 从转向架具体的结构布置方面考虑，采用独立作用式制动装置是比较合适的，见图 2 5 。采用自行研制的盘形单元制动器，根据制动能力的计算，采用合成闸瓦，单 侧制动，即每个转向架安装6 套制动器。安装方式见总图2 2 1 1 。经过制动距 离计算，紧急制动、制动率为0 5 7 时的制动距离在2 0 0 0 m 范围内。 停车制动装置，传统上采用手制动形式。手制动装置的效率低，制动力小，且 劳动强度大、动作慢。因此采用目前国内、外比较常用的、储能式的弹簧自动停车 装置。它是应用排气后，弹簧缸内的压缩弹簧释放的弹力，来带动闸瓦抱闸。在无 压缩空气时，还可手动缓解。并且可以提供足够的闸瓦压力，在基础制动失效时， 代替基础制动装置实施紧急制动。弹簧自动停车器，每台机车的1 、6 轴各装2 套。 安装方式见总图2 2 1 1 【3 】。 图2 2 6 1 独立作用基础制动装置 第1 3 页 三型堡主兰垡堡塞 壹望塑至全墨堑堕塑塑望茎墨堕! 皇! ! 盟 2 3 转向架动力学性能分析计算 2 3 1 轴重转移计算 | 参? | 2 3 1 1 计算参数说明 注角说明口1 ： i 组成机车的转向架序号( 从前进方向的第一转向架算起) j 每台转向架的轴序( 从前进方向的第一轴算起) k 每台转向架二系支承的组序( 在同一横断面的二系支承算为一组，从 每台转向架的第一组算起) 与系数矩阵阶数有关的参数： m 组成机车的转向架数 ，。每台转向架的轴数 n 。每台转向架的二系支承组数 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 也每台转向架最多轴数与二系支承组数之和 。第i 转向架的动轴数 。机车总动轴数 t 系数矩阵的阶数 几何参数 参数单位意义 名 i m 第i 转向架第j 轴到该转向架第一轴的纵向距离 b 。l m m 第i 转向架第j 轴到机车第一转向架第一轴的级向距离 q m 第i 转向架第k 组二系支承到该转向架第一轴纵向距离 d l眦 机车车轮的平均直径 e硼 机车后车钩到机车第一轴的纵向距离 h g m 静态下机车车钩高度 日m 静态下第i 转向架的牵引中心线高 力及悬挂参数： 参数单位意义 fk n 每根动轴的轮周牵引力 k l k n m m每轴一系悬挂的垂向总刚度 足2 k n m m每组二系支承的垂向总刚度 pk n 静态下每轴的平均轴重 第1 5 页 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 变量 参数单位意义 h s 眦 牵引状态下第i 转向架的牵引中心高 h 啪牵引状态下机车后车钩高度 日。 唧 转向架理想牵引中心高 q ， k n牵引时第i 转向架第j 轴的轴重变化量( 增载为正) 口r a d牵引时第i 转向架的倾角( 抬头为正) y r a d 牵引时机车车体的倾角( 抬头为正) 牵引时在第i 转向架第一轴所在的横断面内，车体与转向架 6 严， 咖 构架问垂直距离的相对缩短量 j p * 砌 牵引时第i 转向架第k 组二系悬挂的缩短量 毛g 牵引时第i 转向架第j 轴一系悬挂的缩短量 牵引时第i 转向架第j 轴的粘着重量利用率 2 31 2 方程的建立 1 、基本关系式4 j 根据以上定义，有下列关系式； n ；2 n m + np ， n 。k 2 n q l j 2 k 、6z 嘶 。一p + q ：| ， 2 产 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 第1 6 页 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 2 、力平衡方程 a 转向架的垂向力平衡方程( 共n 1 个) n n ： g 一k ：5 肿2 0 将式( 3 ) 代入后得： ( i = 1 n )( 23 5 ) b 转向架在纵向铅垂面内的力矩平衡方程( 共n j 个) n n 。 k 4 一k 2 占一c i k 一h ，1 f = o ( i 2 1 n j ) ( 2 36 ) j = 1 r = i c 机车的垂向力平衡方程( 共1 个) w n 。 q ：! ，= 0 仁lj = l 即： n n ? k 2 0 h lj = 1 d 机车在纵向铅垂平面内的力矩平衡方程( 共一个) 对机车第一轴取矩，可得； n ih g 岛一= 0 i = 1 j = l 即： n in k 岛一矿f = 0 1j = l 3 、几何关系式 a 一系悬挂变形的几何关系式( 共j ( m 。一。) 个) 5 ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 第1 7 页 o = 肚 占 2 k 虬 蚵 占k 一 印f ， h wq 肿 砧 茁 m 以 岛 心一： 即 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 = 如，+ 呜喁 即： ( i 2 1 ，j 2 2 心) 厶f 一厶扩以喁= 0( i 2 1 n i ，j 2 2 心) b 车体与构架垂向相对位置变化几何关系式( 共n j 一个) 占p 。l + 占柏1 l + b n 。y = 万p 。+ j 咖1( i = 2 n i ) 即： j 即l + d 曲1 1 + b “，一占心一万椭1 = 0( i = 2 n j ) c 二系悬挂变化几何关系式( 共n ，n ，个) 6 p * = 6 p ，+ c * ( ，一岱1 )( i 2 1 n i ，k 2 1 n p ) 即： d 印一占删一c m ，+ c * t 2 l = 0( b 1 j ，k = l n p ) d 牵引中心高变化的几何关系式( 共个n i ) h = h ，一( 艿： 1 1 + 4 2 口。) 即： h 一h t + 6 。、+ a 。2 0 r 。2 0 e 车钩高度变化几何关系式( 共1 个) h 卫r = h g 一( j 删+ 占抽1 1 ) 一e y 即： h 盯+ 6 呻l + 6 。m + e 。y = h g 4 、综合 根据( 5 ) ( 1 2 ) 式，所建立的方程总数为： t = ，( ：+ 3 ) + 2 其中的未知数为： 6 ，*( i 2 l n j ，k 2 l n p ) 厶i( i - 1 n j ，k 2 l 心) j 。，( i - l j ) ( i = l n j ) ( 2 3 9 ) ( 231 0 ) ( 2 31 1 ) ( i = l n ) ( 2 31 2 ) ( 23 1 3 ) 共n l np 令 共n n m 令 共个 第1 8 页 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 d j h s h d ( i = l n ) ( i = l n ) 未知数总数亦为n ，( n ：+ 3 ) 知数，由式( 2 3 3 ) 及式( 2 3 4 ) 荚n 令 共个 共1 个 + 2 一t 个，即可通过t 个线性方程解t 个未 可求出每轴的轴重变化量及粘着利用系数。 为便于使用计算机进行计算，将方程23 4 2 31 3 按照一定的规律排列， 即可建立适合于不同机车的轴重转移计算的方程系数矩阵。矩阵的阶数根据机车的 转向架数、轴数、二系支承组数确定。然后用列主元高斯消去法求解。 2 3 1 3 计算结果及分析 根据机车的粘着重量，取启动牵引力f = 2 7 0 k n 。各轴的轴重转移及粘着利用 率见下表。( 增载为正，减载为负) 表2 3 1 1 各轴的轴重转移及粘着利用率 轴序轴重转移粘着利用率 第一轴一2 2 3 7 9 70 9 0 0 5 第二轴2 2 8 7 6 o 9 8 9 8 第三轴1 7 8 0 4 6 1 0 7 9 1 第四轴 1 7 8 0 4 6o 9 2 0 9 第五轴 2 2 8 7 61 0 1 0 2 第六轴 2 2 3 7 9 71 0 9 9 5 机车的粘着利用率：n = 9 0 0 5 ，理想牵引高h 0 = 4 9 0 r a m 。( 增载为正，减载 为负) 表2 3 1 2 理想牵引高度下，各轴的轴重转移及粘着利用率 轴序轴重转移粘着利用率 第一轴 一7 0 7 0 9o 9 6 8 6 第二轴 一7 0 7 1 6o 9 6 8 6 第三轴 一7 0 7 2 30 9 6 8 6 第四轴 7 0 7 2 31 0 3 1 4 第五轴 7 0 7 1 61 0 3 1 4 第六轴 7 0 7 0 91 0 3 1 4 第1 9 页 工程硕士学位论文 高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 理想牵引高度下，机车的枯着利用率：r l = 9 6 8 6 2 3 1 4 影响粘着利用率的结构参数 影响机车轴重转移的结构参数有：一系、二系悬挂方式，牵引销高度，转向架 轴距，两个转向架的中心距：还有最火牵引力，车钩高度，轴数等。在以上这些结 构参数中，有些是机车总体设计所要求的，几乎没有选择余地，如轴数、最大牵引 力，车钩高度、两转向架中心距、轴距等。在计算中，通过对结构参数的不同选择， 表明该高速转向架可以合理选取的结构参数主要是牵引销高度。通过采用低位牵引 ( 如采用斜牵引拉杆结构形式) ，可使机车的粘着重量利用率最大可以达到 9 6 8 6 t 4 0 1 。 2 3 2 制动距离计算 对制动距离进行分析时，先要研究机车制动过程中制动力或闸瓦压力的变化情 况。 当司机施行制动后，机车要经过一个暂短的时间，制动缸才开始有空气压力， 然后压力逐渐上升，再经过一段时间才达到最大值。这个逐渐增大的变化过程受很 多因素的影响，又比较复杂，因而按机车制动力实际增长的变化过程来计算制动距 离是极不方便的。 为便于计算起见，做如下假设：由司机施行制动时起，经过一段时间以后，机 车闸瓦压力由零立即增大到最大值。而在这一段时间内闸瓦压力等于零，而且不考 虑机车阻力，即机车不受外力的作用，以制动初速度作等速运行。这段假定的时间 称为制动空走时间，在此期间内机车所走过的距离称为制动空走距离。从制动空走 时间以后直到机车停止的时间称为机车制动有效时间，所运行的距离称为制动有效 距离。 这样，机车制动距离s 。就等于制动空走距离矗与制动有效距离s 。之和。 即： s b 2 & + s ， ( 231 4 ) 以假设的突变过程代替实际的渐变过程是否成立，关键在于由此计算而得的制 动距离是否与实际情况相符。也就是说按这种方法计算制动距离必须满足距离等效 的条件。 2 3 2 1 制动空走距离的计算 如前所述，机车制动距离的变化过程是复杂的，因此制动空走时间的确定也比 第2 0 页 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 较复杂。列车牵引计算规程中规定机车制动空走时间按紧急制动2 秒计算。空 走时间是这样提出的：先对制动时机车制动力的变化规律做出某种假设，按制动距 离相等的原则进行理论推导；再结合大量试验数据加之验证和修正，最后提出能基 本反映制动的实际情况的制动空走时间。 制动空走距离是根据在制动空走时间内，机车以制动处速度等速运行计算的。 制动空走时间以秒( s ) 计算，制动空走距离单位位( m ) ，则制动空走距离s 。吲为： s k 1 0 0 0 v o 。t k 堕堕( m ) ( 2 3 1 5 ) 3 6 0 036 式中v n 制动处速度，k m h 2 3 2 2 制动有效距离的计算 紧急制动时制动有效距离是机车在最大制动力作用下，从制动初速度r o 到末速 度v = o 所行驶的距离。这时作用于机车上的单位合力为： ， c = - ( b + 坤0 + j j ) = 一( 1 0 0 0 v 。p + 阡0 十f j ) 将制动过程中速度变化范围( v o 0 ) 分成若干速度间隔，按下式分别算出各 速度间隔中机车运行距离s 【9 1 ： 。：! ：! ! ! 堡二蔓!( 23 1 7 ) c p 它们的总和即为制动有效距离s 。 & 3 扯竽竽2 意等蠹 s 计算中，取f ，= 0 ，v 一0 5 7 ( 按轮轨问粘着能力算v h 。2 0 8 8 6 2 ) 。 舻0 3 5 6 篇( 2 3 1 9 ) w “2 2 8 + 0 0 2 9 3 v + o 0 0 0 1 7 8 v 2 ( 2 3 2 0 ) 式中 v 1 、v 2 速度间隔的初速度和末速度，k m h ； c 。速度间隔内的平均单位合力，k g f t ： v 速度间隔内的平均速度，k m h 。 列车牵引计算规程中规定机车制动空走时间按紧急制动2 秒计算，制动初 第2 1 页 工程硕士学位论文高速机车全悬挂转向架设计及试验分析 速度v o = 2 2 0 k m h ，速度间隔a v = v 1 一v 2 = l k m h 。 经计算得：s = 1 2 2 2 2 ms e = 1 8 7 6 7 5 m 计算结果：s t , = s 女+ s 。= 1 9 9 8 9 7 m 2 3 3 几何曲线通过 2 3 3 1 己知条件： 曲线半径： r = 1 4 5 m 轴距： 2 m 转向架中心距： 1 1 2 m 各轴的横动量： ( 1 l 1 8 1 1 ) m m 根据铁路技术管理规程规定，直线轨距为1 4 3 5 m ，曲线半径r 3 0 0 m 以下 者轨距为1 4 5 0 m m ，即轮轨间隙直道