（机械设计及理论专业论文）基于cae技术的铁路机车救援车结构设计及其优化.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：上挝日期：掣 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：馑) 圭查 指导教师签名：垒地 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 铁路是我国重要的基础设施，是国民经济的运输大动脉。随着国家铁路提速战略的 实施与高速铁路的蓬勃发展，我国铁路的运输能力和管理水平有了大幅提高。但同国民经 济的不断深入发展相比，仍然还存在着一定差距。速度的提升与相应技术水平的落后， 使得铁路运营中易发生机车事故与故障，造成运输的中断并波及路网，打乱正常的铁路 运输秩序，进而影响社会生产和铁路运输全局，甚至带来广泛的负面影响。 机车的走行部是机车运行的一个非常重要的部件。针对机车走行部的常见易发故 障，本文研制了一种轻便、拆装灵活、适用性广的机车轮对救援车，极大提高了此类故障 的处理速度与效率，改善了劳动强度，节约了成本。处理故障时，由救援队在现场使用该 装置作为代用轮对，基本恢复故障机车的走行功能，使其能撤离正线，保证运营线路的通 畅。 该机车救援车采用模块化的结构设计，使得拆装更为迅速；进而应用c a e 技术进行 了深入的优化设计，极大满足了故障处理的需求。其主要研究内容如下： ( 1 ) 根据系统化设计的方法与原理，结合机车设备界限与铁路行业规范，完成了该 机车救援车的初步设计方案。设计方案兼顾考虑了通用性、可靠性、稳定性的设计要求。 其中创新地采用了三棱偏心块组件，使得在支撑距不变的前提下，能通过三棱偏心块的9 种不同组合方式来满足内燃、电力机车轮径9 9 0 1 2 5 0 咖的要求。 ( 2 ) 采用p r o e 完成了对初步设计方案的虚拟化设计，建立了机车救援车的三维模型。 其中针对救援车侧架梁进行了着重的分析与处理，进行了参数化模型建立。然后利用p r o e 与c a e 软件的数据交互接口技术，将模型导入a n s y s ，并最终建立了静力学分析模型。这 为初步设计方案的可行性提供了很好的理论支持，并为侧架梁的轻量化深入研究打下了非 常好的基础。 ( 3 ) 侧架梁的轻量化是整个台车轻量化设计的关键问题。本文在其材料一定的前提 下，运用轻量化设计的原理方法，对侧架梁进行轻量化处理，并取得了不错的效果。首先 改善其截面结构形式，选用热轧不等边角钢，然后以i s i g h t 软件为平台，集成p r o e 和 a n s y s 对其结构尺寸进行优化；通过比较得到侧架梁最终优化设计方案。该方案在满足承 载和强度要求的前提下，较原初步设计方案减轻重量达3 0 2 8 。 关键词：铁路救援，机车救援车，c a e 设计，轻量化，i s i g h t ，集成优化 第页武汉科技大学 硕士学位论文 a b s t r a c t r a i l w a yi sa ni m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r ei no u rc o u n t r y , a n di t st h et r a n s p o r t a t i o na r t e r y f o r o u rn a t i o n a le c o n o m y a c c o m p a n i e dw i t hc a r r y i n go u to fn a t i o n a lr m l w a ys p e e d - r a i s i n g s t r a t e g y a n dt h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dr a i l w a y , t h ec a p a b i l i t ya n dm a n a g e m e n t l e v e lo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nh a sg r e a t l yi m p r o v e d b u tc o m p a r e dt ot h ef u r t h e rn e e do ft h e n a t i o n a le c o n o m y , g a p sa r es t i l le x i s t t h eh i g hs p e e da n dt h eb a c k w a r dt e c h n o l o g yl e a dt o v e h i c l e sa c c i d e n t sa n df a i l u r e sh a p p e ne a s i l y , w h i c hw o u l dm a k et r a n s p o r t a t i o ni n t e r r u p ta n d w o u l dd i f f u s et ot h en e t w o r ks o o na n dd i s t u r bt h en o r m a lt r a n s p o r t a t i o no r d e r , e v e ng i v eab a d i m p a c to nt h es o c i a lp r o d u c t i o na n dr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h er u n n i n gp a r ti sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n t a i m e dt os o l v et h ec o m m o np r o b l e m so f r u n n i n gp a r t ，t h i sp a p e rd e v e l o p so n et y p eo fe q u i p m e n tn a m e dl o c o m o t i v er e s c u e rv e h i c l e i t sl i g h t ，f l e x i b l ea n dw i d e l ys u i t a b l e , a n dw o u l dg r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fa c c i d e n t t r e a t m e n t ；i ta l s oc o u l dm a k et h el a b o ri n t e n s i t yb e r e ra n dc u tt h et r e a tc o s t w h e nt h e l o c o m o t i v er e s c u e rv e h i c l ei su s e d ，i tp e r f o r m a n c e sa st h es u b s t i t u t ew h e e lt or e c o v e rt h eb a s i c r u n n i n gf u n c t i o no f t h ef a u l tl o c o m o t i v e ，t h e ni tc o u l db ew i t h d r a w e df r o mm a i nr a i l w a yl i n ea n d e n s u r et h el i n e su n o b s t r u c t e d t h el o c o m o t i v er e s c u e rv e h i c l er e s e a r c h e di nt h i sp a p e ra d o p t e dm o d u l a rd e s i g n , w h i c h m a k e sa s s e m b l ea n dd i s a s s e m b l em o r ec o n v e n i e n t l y i nt h i sp a p e r , i tm a k e saf u r t h e rr e s e a r c ht o o p t i m a lt h ed e t a i l e ds t r u c t u r eb yc a e m e t h o d s ot h ev e h i c l ec o u l dm e e tt h ea c t u a lt r e a tn e o d $ t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，c o m b i n e dw i t ht h es y s t e m a t i cd e s i g nm e t h o da n dp r i n c i p l ea n dt h er a i l w a yi n d u s t r y s t a n d a r d , c o m p l e t et h ep r e l i m i n a r yd e s i g no ft h el o c o m o t i v er e s c u e rv e h i c l e , w h i c hh a s c o n s i d e r e dt h ed e m a n do f p o p u l a r i t y , r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yy e t i ti n n o v a t i v e l ya d o p tt h e c o m p o n e n tn a m e dt r i g o n o u se c c e n t r i cb l o c k , w h i c hm a k e t h ev e h i c l ec o u l ds u p p o r td i f f e r e n t l o c o m o t i v ew h e e l s ( 9 9 0 - , 1 2 5 0 m m ) w h e ns u p p o r ts p a ni sf i x e d ，t h r o u g ht h en i n ed i f f e r e n t c o m b i n a t i o nm o d e so ft r i g o n o u se c c e n t r i cb l o c k s e c o n d ，b u i l du p3 - dm o d e lo fp r e l i m i n a r yd e s i g ni np r o et oc o m p l e t et h ev i r t u a ld e s i g n h e r ei ts t r e n g t h e n st h ea n a l y s i so ft h es i d e - f r a m e ，a n de s t a b l i s h e st h ed e t a i l e dp a r a m e t e r i z e d m o d e l t h e nt h r o u g hd a t ai n t e r a c t i v et e c h n o l o g yb e t w e e np r o ea n dc a e ，i m p o r tt h i sm o d e li n t o a n s y st oc o m p l e t es t a t i cm e c h a n i c a la n a l y s i s i tp r o v i d e sag o o ds u p p o r tf o rt h ef e a s i b i l i t yo f t h ep r e l i m i n a r yd e s i g na n dl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rl i g h t e nr e s e a r c ho ns i d e f r a m e l a s t ，t h es i d e f r a m el i g h t e ni st h ek e yp o i n to fw h o l ev e h i c l el i g h t e n t h i sp a p e r h a su s e d t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fw e i g h t - l i g h td e s i g nt ol i g h t e nt h es i d e - f r a m e ，b a s e do nt h ep r e m i s e o f m a t e r i a lf i x e d ，a n dh a sa c h i e v e ds o m eg o o dr e s u l t s a tf i r s t , a i m e dt oi m p r o v et h es e c t i o n 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 s 觚c t u r eo ft l l e 向吼e ，r e c h o o s em eh o t r o l l e ds c a l e i l ea i l 西es t e c l ；l e l lm a k co p 血脚d e s i 印o n s ei s i g h tp l j 岫碱c hm t e 则es 0 胁a r ep r 0 e 锄da n s y st o g e m a f i 盯c o m p a 同t w o & f f 黝to p f i m a ls c h 锄髓，m ef i i l a lp 1 觚e v 雠t u a l l y 鲥h lt h i sp l a l l b 销i d 髓刚s f i c d d 黜觚d o f 蜘g 吐l 觚dr i 西d c o m p a 川t 0t l l eo r i 百n a ld c s i 鹃i es i d e f r a m eh 勰r e d l l o 。db y3 0 2 8 i n w e i g m k e y w o r d s ：r a i l w a yr e s c u e ；m o f i v er 铬锄e rv e h i c l e ；a 嗵d 商印；w b i g h t l i g h t ；i s i g h t h t e 舯t e do p t i l n a l 第页武汉科技大学 硕士学位论文 武汉科技大学硕士学位论文第v 页 摘要 a b s t r a c t 目录 i 1第一章绪论 1 1 课题背景 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 机车救援的研究情况 1 2 2c a e 轻量化设计3 1 3 机车走行部转向架结构组成一一_ 4 1 3 1 机车转向架的功用4 1 3 2 机车轮对主要组成5 1 4 主要研究内容及技术路线6 1 5 本章小结 第二章机车救援车的初步设计 2 1 系统分析设计方法 2 2 机车救援车的功能分析一 2 2 1 机车救援车设计意图 2 2 2 机车救援车的主要设计目标 2 2 3 主要技术参数要求 2 3 救援车的初步设计及结构分析 2 3 1 结构组成 2 3 2 零部件详细设计 2 3 3 结构总图 2 4 本章小结 第三章救援车三维模型的建立 3 1 参数化实体设计 机车救援车的三维模型 3 2 1 机械救援车的型式及结构特点 3 2 2 三维模型的建立 3 3 侧架梁建模 3 3 1 实体模型的建立 3 3 2 模型参数化 3 4 其他一些问题 3 5 本章小结 第四章侧架梁的有限元结构分析 7 8 8 o o 0 1 1 l l 9 1 2 2 3 3 4 6 6 6 7 9 o 一 一 一 l 1 l l 1 l 1 l 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 第页武汉科技大学 硕士学位论文 4 1 有限元分析软件及强度评价准则 4 1 1 有限元方法发展 文 0 0 l l 2 2 2 4 7 7 8 8 9 1 l 2 5 5 6 6 6 7 o l 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 5 5 5 5 5 5 6 6 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题背景 铁道电力或内燃机车在执行牵引任务时，机车的轮对、轴箱、牵引电机及齿轮箱等走 行部件容易发生突发故障，但机车的工作人员往往无法在事故现场自行处理排障，必须请 求专门的救援队伍赶赴现场抢修。基本恢复故障机车的走行功能后，由机车自行或者采取 附挂方式返回机务段，最后在段内完成故障的全部维修处理。在抢修处理这些运营中突发 的机车走行部故障时，往往需要占用大量的人力和物力以争取对故障的快速处理；但同时， 现场场地、设备、时间等因素方面的限制，使得故障处理常常不能够按照正常的机车检修 工艺进行处理，因此，故障抢修的效果也难以得到保证，甚至会埋下隐患；另外，故障救 援时采用的一些非常规处理方式，如乙炔火焰切割处理等，易造成机车本体结构上的部件 破坏，加大机车的维护成本，也使得救援时所需携带的常规备品备件数量增多，加大人力 与物力成本。机车执行牵引任务走行部突发故障对运营正线的行车线路通畅是显而易见 的，其处理方式与处理效率将关系到整个线路安全交通运输秩序，甚至人民的生命财产安 厶【l 】 - - t - o 因此有必要研制一种小巧轻便、拆装灵活、适用性广的机车轮对救援台车作为临时的 替代走行装置，配置在机务段救援队和车站，一旦机车走行部发生齿轮固死、轮毂弛缓或 崩毂等常见易发故障，抢修救援人员能第一时间赶到现场后，在短时间内使用救援台车将 故障车轮对托起，由救援台车替代轮对走行，恢复故障轮对的基本走行功能，使故障机车 能顺利地自行撤离正线或返回段内，尽快恢复运输秩序。 鉴于上述机车救援台车装备现状，2 0 0 8 年武汉铁路局机务处提出了研制一款“通用、 轻量和可靠 的新型内燃机与电力机车通用型救援台车的任务【2 】。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 机车救援的研究情况 铁路是我国重要的基础设施，是国民经济的大动脉，交通运输体系的骨干，具有安全 程度高、运输速度快、运输距离长、运输能力大、运输成本低等优点。自1 9 9 5 年以来，铁 道部先后实施了六次大提速战略，采取“速、密、重 并举的方略，使我国铁路的运输能 力和管理水平有了大幅提高。在2 0 0 4 年1 月，国务院审议通过了我国铁路史上第一个中 长期铁路网规划，确定n 2 0 2 0 年，我国铁路营业里程将达n l o 万k m ，其中客运专线1 2 万k m 。从1 9 8 0 年末到2 0 0 5 年末的2 5 年，中国铁路的营业里程净增2 5 l 万k m ，年递增1 6 7 。 表1 1 是我国铁路营业里程的历年统计表。但铁路的基础建设和运输能力与国民经济发展的 要求仍然存在着一定差距。随着我国铁路第六次大提速的开展与高速铁路的蓬勃发展，运 输范围与运营速度都有了大幅度的提升。人的不安全行为和物的不安全状态，在铁路运输 生产中，很容易诱发故障或事故，造成运输的中断并波及路网，打乱正常的运输组织秩序， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 进而影响社会生产和铁路运输全局，甚至带来广泛的负面影响，极大损害铁路的形象乃至 政府威信。所以，如何保证铁路的运输组织秩序和运输生产安全，是当前我国铁路运输生 产中的头等大事。 表1 1 中国铁路营业里程统计表【3 】 年份营业里程( t j k m ) 1 9 4 9 年新中国成立时 1 0 0 1 9 5 7 年“一五 计划末 2 1 7 1 9 6 2 年“二五计划末3 4 6 1 9 7 0 年“三五 计划末 4 1 0 1 9 7 5 年“四五 计划末 4 5 3 1 9 8 0 年“五五 计划末 4 9 9 1 9 8 5 年“六五 计划末 5 2 l 1 9 9 0 年“七五”计划末 5 3 4 1 9 9 5 年“八五计划末 5 4 6 2 0 0 0 年“九五 计划末 6 8 7 2 0 0 5 年“十五 计划末 7 5 0 针对机车在运行过程中出现的故障问题进行了一系列地研究。徐州北机务段的陈瑞球 等指出内燃机车走行部的常见故障【l 】，并简要介绍了每种故障的救援处理实用方法。内燃 机车走行部常见故障主要有抱轴瓦碾烧、轴箱轴承烧损、牵引电动机轴承烧损、轮箍弛缓、 轮箍崩裂、齿轮弛缓和轴箱弹簧出槽或飞出等7 种。同时，将多年来积累的一些走行部故 障现场救援经验总结出来，给上述故障发生时的故障处理提供了很好的指导性建议。湖南 交通工程职业技术学院的江伟1 4 运用故障诊断技术，分析传统机车轴承故障方法中存在的 不确定性，利用多智能传感器技术进行机车轴承故障诊断，建立融合诊断系统。该系统采 用决策级融合方法来处理由于单个参数带来的诊断的不确定性。实验表明，这种方法能够 有效解决基于单个参数诊断系统中带来的不确定性问题。因而具有很强的理论意义和应用 价值。中科院长春光学精密机械与物理研究所的王冬梅【5 】等结合目前机车自动检测和故障 诊断技术的发展情况，设计了以专家系统为基础，结合检测中心的实际的故障检测系统， 具体给出了系统的理论根据及设计方法，提出了基于专家知识库、诊断推理及知识获取机 制的诊断方法，能较好完成铁路机车的检测与诊断要求。西南交通大学的阳光武【6 】通过机 车车辆动力学仿真、有限元分析、疲劳分析和概率统计学等多领域的综合分析，从频域、 时域和可靠性领域三个方面，在虚拟的计算机仿真环境下实现设计阶段机车车辆零部件的 疲劳寿命预测。北京交通大学的沈泓【7 】针对目前机车走行轮对旋转修存在的问题，切实分 析实际需要，研制出了移动式不落轮车床c y 8 0 11 机车踏面修复装置，为机车检修提供了良 好的检修工装设备。大连交通大学的孙玲芳【8 】针对s s 7 型电力机车，模拟了轮对采用压装法 和温差法两种装配过程，讨论了过盈量和空心度对轮轴应力的影响，并优化了合理的过盈 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 量和空心度范围。 自上世纪9 0 年代以来，各铁道部门下属的科研院所也对机车救援方面开展了相关的研 究工作。先后有郑州铁路局郑州科研所、沈阳铁路局沈阳科研所等单位研制了拼装式机车 救援台车，该台车主要用于内燃、电力机车由于牵引电机轴承或传动装置的损坏及其他原 因造成机车车轮不能转动时的救援工作。小车结构和车辆的转向架类似，为三大件结构， 由轮对、内外箱梁、机车轮对支承装置组成。使用时，用枕木头和铁垫板垫好基础后，用 液压千斤顶从轴箱下部将故障车轮抬起，在机车转向架构下部组装后，松开千斤顶卸荷阀， 将故障车轮落于小车上，此时故障车轮踏面离开轨面，不影响机车正常运行。其中存在的 主要问题包括： ( 1 ) 机车救援台车的零部件重量和组装后的整车重量较大，达7 0 0 多公斤，导致组装 时救援人员劳动强度较大、费时费力； ( 2 ) 台车车轮装配中所选用的滚动轴承可靠性不高，在应用过程中有烧结固死现象； ( 3 ) 设计的机车救援台车不具备通用性。由于设计方案的不合理，需分别为内燃机车 和电力机车设计制作不同型号的救援台车；在内燃或电力机车的各自大类中，通用性也存 在问题，所以各段均需配置至少两款不同的救援台车，以适应现场救援需要，客观上也增 大了救援成本和救援人员工作量。 2 0 0 5 年，原北京局太原科研所研发了玎型机车抬轮器。该型机车抬轮器结构虽然也 是拼装式，但改变了传统的台车方式，由内外板夹持轮轴和支撑轴构成，取消了两轮问的 连接轴，抬轮器的横向稳定靠两个螺栓顶在机车轮辋来保持，纵横向游间为机车轮对的纵 横向游间值。2 0 0 8 年1 2 月，该型抬轮器在武昌机务段做了演练，从演练资料来看，该型 抬轮器重量较轻，轴承可靠性良好，但仍未完全做到内燃和电力机车通用。 1 2 2c a e 轻量化设计 近年来，随着计算机技术和计算方法的发展以及有限元方法的迅速普及，c a e 技术得 到了更为蓬勃地发展，并大量运用到轻量化的设计研发中。c a e ( c o m p u t e r 舢d e d e 姆n e 舐n g ，计算机辅助工程) 技术是计算机技术和工程技术相结合而形成的新兴技术。 c a e 的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动动力学仿真技术。主要是利用计算机对 工程或产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早 发现设计缺陷，并证实工程或产品未来性能的可用性与可靠性【1 5 】。 轻量化的手段之一就是对总体结构进行分析和优化，实现对结构零部件的精简、整体 化和轻量化【1 0 】【l l 】【1 2 1 【1 3 】【1 4 1 。在传统的优化方法中，设计者首先凭借经验，构思出整体的结 构设计方案，然后进行强度、刚度校核，进行方案比较，直到满足设计要求。其中，由于 各参数和性能之间是非显性关系，无法实现同时修改设计变量，因此使得优化工作不能达 到良好的效果。而c a e 技术的理论基础是有限元法和数值分析方法。根据给定的设计要 求和现有的技术条件，应用专业理论和优化方法，在电子计算机上从满足给定的设计要求 的许多可行方案中，按照给定的指标，在初定结构基础上运用优化理论寻求例如作为目标 武汉科技大学硕士学位论文 函数的重量等的最优值，从而获得最优的结构设计方案。因此，运用c a e 技术来实现轻 量化的设计与制造得到了非常广泛的应用。其一般运算流程如图1 1 【l s 】所示。 图1 1c a e 软件结构计算流程 1 3 机车走行部转向架结构组成 1 3 1 机车转向架的功用 机车的整体结构很复杂，其中转向架作为机车的走行部件，是非常重要的部件之一， 其结构如图1 2 所示。一般机车走行部由两台端转向架和一台中间转向架组成，而一般转 向架又由构架、轮对电机组装、轴箱装配、一系弹簧悬挂、齿轮传动装置、牵引电机悬挂 装置、二系弹簧悬挂装置、基础制动装置、牵引装置等几个主要部件组成。其中端转向架 上还设有储能制动装置、轮缘喷油润滑装置、撒砂装置；中间转向架设有滚子装配装置， 以实现机车通过曲线时产生较大的横向偏移量【8 】。其主要的功能作用如下： ( 1 ) 承重。通过二系悬挂装置承受车体以及所安装设备的重量，并传给转向架构架， 然后通过一系弹簧悬挂装置传给轴箱，经由轮对作用于钢轨，从而获得一定的粘着重量。 ( 2 ) 传力。包括牵引力和制动力。牵引力传递路线，牵引电机产生的转矩通过齿轮传 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 动装置使轮对转动，轮对与钢轨之间由于粘着产生轮周牵引力，经由轴箱橡胶弹性导柱传 给构架，再由牵引杆传给车体，最后经由车钩牵引列车运行；制动力和牵引力方向相反， 传递路线与牵引力相反，从而实现机车前进和制动。 ( 3 ) 实现机车在直线和曲线的平稳运行，减小对轨道的横向作用力，保证机车曲线运 行的安全可靠。 ( 4 ) 可以缓和线路不平顺对机车的冲击，确保机车运行的平稳性，尽可能减少运行中 的作用力及其危害。 ( c ) 图1 2 转向架结构图 ( a ) 走行部转向架( b ) 转向架拆装( c ) 转向架爆炸图 1 3 2 机车轮对主要组成 轮对是车辆的主要和重要部件之一，由车轴和两个固接在车轴上的车轮所组成。它在 铁道线上运行时承受着由车辆传到轨道上的以及由轨道作用在车辆个的所有载荷。轮对的 主要作用是：机车全部重量通过轮对支承在钢轨上；通过轮对与钢轨的粘着产生牵引力和 制动力；通过轮对滚动使机车前进。 ( 1 ) 车轮 机车车轮一般分为整体式和组装式两种，外圈为轮辋，内圈为轮毂，轮毂与辋之间是 辐板等组成，辐板上的圆孔是供加工和吊装用的工艺孔。为了使车辆安全地在线路上通行， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 特别是安全地通过道岔，车轮必须固接在车轴上，并使两轮缘之间的内侧距离保持在一定 的分差范围内，可以降低车轮和钢轨的磨耗、减小车辆的运行阻力、提高轮对抗脱轨的稳 定性、改善车辆运行的平稳性。同时，装在一根车轴上的两个车轮，其滚动圆的直径之差 尽可能的小( 不大于l m m ) ，否则就会造成轮对的扭曲和滑动，以致增加运行阻力、造成 车轮滚动平面的不均匀磨耗以及引起车轴的扭转。 ( 2 ) 车轴 车轴分轴颈、轴向、轮座、齿轮座等部分。作用在车轴上的载荷有机车自重和附加的 动态载荷；由牵引电机经过主、从动齿轮传动时侧压力引起的弯矩和扭矩；牵引电动机的 静、动载荷；轴承、轮心、齿轮压装在车轴上引起的组装应力。由于主要的应力都是交变 的，所以车轴的折损通常是由疲劳引起的。实践表明：电力机车车轴的裂损多发生在齿轮 和车轮压装部分两侧的轴肩部分。因此在设计时、车轴时，必须尽可能减小车轴的应力集 中，采取有效的工艺措施提高疲劳强度。 1 4 主要研究内容及技术路线 近两年我国高速铁路得到了蓬勃的发展，特别是高速铁路有了非常快速的发展。与此 同时，伴随着机车速度的不断提高和功率的不断增大以及现代化程度的持续提高，其中电 气控制设备部分比重得到了不断地增加，其重量也逐渐增加。而在节能降耗的要求下，整 车机械设备部分的重量不得不需要大幅度地减轻。在此情况下，一方面，机车运行速度需 要不断提高以满足国内不断增长的运营需求；另一方面，整车轻量化成为一种行业内的趋 势，这使得在铁路机车在运营过程中走行部更容易发生故障，从而导致影响机车运营性能， 破坏正常的铁路运营秩序，甚至危害到人民的生命安全。 本文针对铁路机车运行中走行部的常见突发故障，在铁路运输行业的规范要求内，设 计研制了一种新型的机车救援台车，使得救援人员在进行机车救援时，能在到达故障现场 后的短时间内基本恢复故障机车的走行能力，撤离运营正线，保障了铁路交通秩序。设计 中，首先完成方案的初步设计，然后以此为基础，运用现代计算机c a d c a e 设计的手段 与方法，优化该方案，使台车更为轻便、高效。其主要研究内容与方法包括： ( 1 ) 针对机车走行部的常见易发故障，总结出故障处理的通用方法与措施，针对性地 确定了救援台车的设计原理及初步结构设计方案。设计方案基本涵盖了目前国内正线机车 使用的内燃和电力两种主力车型。在结构上，采用模块化设计，可提前预装配救援车，然 后在故障处理现场快速拼装，大大提高了机车故障的处理效率。以此为基础，进一步完成 了零部件的详细设计，最终制订出完整的初步设计方案。 ( 2 ) 基于p r o e 和a n s y s 完成机车救援车的虚拟设计。根据已有的初步设计方案， 在p r o e 中建立起机车救援车的三维模型，然后利用p r o e 与a n s y s 之间的数据交互技术， 将救援车的侧架梁模型导入a n s y s 中，模拟救援车使用时的受力情况，分别进行加载、 约束，建立起侧架梁的静力学模型。其分析结果一方面能使我们提前了解本设计方案的性 能情况及可能存在的不足；另外，还可以此为依据进行更为深入的改进。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 ( 3 ) 以分析软件i s i g h t 为平台，构建轻量化优化流程，集成p r o e 和a n s y s 两大 软件，通过优化循环迭代计算得到救援机车的优化设计方案。在构建优化流程前，针对命 令行操作方式创建了侧架梁的参数化模型、p m e 中建模g u i 操作批处理文件和a n s y s 静力学分析的命令流文件。 ( 4 ) 详细考察侧架梁的结构特点，制定出两套优化思路，并基于i s i g h t 平台，分别 采用了加速步长法( h o o k e - j e e v e s ) 和多目标遗传算法( n s g a - i i ) 来实施其优化方案。最 后，验证其优化过程、评价优化效果，比较两种优化方法后获得最终的优化方案。 本文研究分析流程如下图1 3 所示。 初步设计 建立三维模型 进行结构分析 设定优化设计变量和约束 集成分析仿真 获取目标变量 满足优化要求吗 h 图1 3 全文优化分析流程 1 5 本章小结 本章从全文的角度阐述了所研究课题的背景和意义，阐述了国内外相关领域的研究进 展情况，进而结合所研究课题的具体情况，提出了研究的主要技术路线，最终确定了研究 的主要内容和技术路线，理清了全文的研究思路和方向，给后续的研究工作奠定了坚实的 基础。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章机车救援车的初步设计 2 1 系统分析设计方法 传统的分析设计方法一般是把设计对象分解为许多个独立的部分分别进行研究。因而 研究的是一个孤立的、且多是静止的分析问题，所得到的结果也常常带有片面性和局限性。 但现代工程系统往往是一些大系统的工程，其领域涵盖到机械、电子、液压、管理、测量、 控制、计算机技术、人工智能以及信息处理等科学技术领域，是多学科的综合技术系统。 这时就应该将设计对象看成一个整体的系统，用系统工程的概念进行分析和综合，并且按 产品或系统开发的进程进行设计，以求获得最佳设计方案【1 6 1 1 7 1 惦】【l 们。 2 1 1 技术系统的组成 所谓技术系统，一般是指具有特定功能的、在某一边界范围内所有直接或间接相互作 用的元素的有序整体，它主要包括四个部分：系统单元、系统结构、边界条件和输入输出 的要素。 ( 1 ) 系统单元：是完成某种功能而不需进一步划分的子结构( 子系统) ，即系统中相 互联系和作用的基本组成要素。 ( 2 ) 系统结构：反映系统内部各单元之间的关系，即相互联系和作用的结构形式。系 统只有通过结构之间的联系才能实现整个系统的总功能。当然，一个功能可由多种结构系 统实现，一个系统结构也可能实现多种功能。 ( 3 ) 边界( 条件) ：是指系统与外部环境的作用界面。通过边界可以明确系统设计对 象的范围。系统通过边界与周围的系统分离开来。系统边界的确定原则是，在研究的具体 特定条件下，当某系统单元发生变化时，其对系统特定的功能是否会产生决定性的影响。 若回答是肯定的，则该单元应包含在系统内部。 2 1 2 系统分析设计方法 从系统工程的观点出发，一个系统或产品的开发本身就应该完成包括系统设计、系统 制造和系统运行的三个环节。只有这样才能验证整个系统开发的效果。但这里简要介绍的 是系统的分析设计方法，因此将探论的内容局限在系统的设计上来。 ( 1 ) 产品的规划 产品的规划是产品的开发的战略决策。新产品开发成败的7 0 - - 8 0 取决于此。此项工作 的最终目的就是要明确所设计系统或产品的目的和任务要求，并用设计任务书的形式表达 出来，以作为后续设计、评价和决策工作的依据。为此，需要进行市场需求分析、可行性 分析和设计要求的拟定工作。 ( 2 ) 方案设计 方案设计是产品设计工作的核心。在系统分析设计中，原理方案的拟定一般从功能分 析入手，通过系统功能抽象、功能分解、功能结构组合、评价和决策等几个步骤，求得最 武汉科技大学硕士学位论文第g 页 佳方案。 1 ) 问题的抽象( 系统的功能分析) 以设计任务作为问题进行抽象( 功能分析) ，这是求解的重要步骤，也是设计方法的重 要内容和手段。只有把问题描述得越抽象，解题思路就越广，可能找到的解就越多，创造 性就越大。 对于庞大复杂的机械和工程系统，通常采用“黑箱法 使问题得到抽象。“黑箱法一就 是根据系统的输入和输出关系来研究实现系统功能的一种方法。它是把待求的系统看成 “黑箱，加以抽象，暂时忽略次要因素，只集中分析、比较系统输入和输出的能量、物 料和信号三个基本要素的性质或状态上的变化、差别和关系，来突出地反映、表达系统的 核心问题系统的总功能，以便找出实现总功能的各种可能的原理方案，把黑箱打开，确 定系统的结构。系统定性或定量的描述输入和输出参量之间的因果或逻辑关系即为系统的 功能。按功能概念的抽象程度不同，功能可以分为四类： 逻辑功能：它描述系统的逻辑性，即系统的输入输出关系是否存在。它是最抽象的 一种。 数学功能：它描述系统参量间的数学运算关系。 物理功能：它描述系统的物理特性，如电动机的物理特性是输入电能，输出机械能。 具体功能：它是只能用语言来说明系统目的的功能，如消除灰尘、外形美观等。 2 ) 功能的分解 大多数的机械系统是比较复杂的、多样的，难以直接求得满足总功能的系统解。所以 一般是按系统分解的办法将系统进行功能分解，即把系统的总功能分解为一系列的分功 能，再针对各分功能利用黑箱法选择适当的功能结构求得局部解，最后通过各分功能和总 体功能的关系建立功能结构系统，给出系统原理解。 3 ) 功能结构 将分功能、功能元分别按三个基本要素流，用其逻辑关系有序地联接成一个整体功能 ( 总功能) ，这样就形成了一个功能结构。功能结构的组合有串联、并联和回路等三种结 构形式。根据系统的分功能或功能元的原理解，可以列出许多分原理解组合，也叫形态学 矩阵或模幅箱。各分原理解的每种搭配组合，就是一种可能的解。最大组合数为： n = n i xn 2 xn ，xn i n s xn 6 x xn _ 用模幅箱可求得n 个组合方案。每个方案还可以通过位置变换、数量变化、尺寸变换、 顺序变化、各分原理解间连接变化等，获得分原理解在空间位置上不同排列方案。 4 ) 评价决策 设计产品的优劣不仅取决于能否取得尽可能多的可供选择的方案，而且取决于对这些 方案的正确的评价和选择决策，这是不言而喻的。从某种意义上来说，正确的评价决策更 具决定意义。 ( 3 ) 技术设计 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 技术设计阶段的主要任务是确定功能零部件的结构、材料，直至美术造型，绘图和编 制技术文件等。 综上所述，所谓系统分析设计方法，就是经过确定总功能、功能分解、分功能求解、 制订和组合功能结构、评价与决策这样五步所完成的一个“分析一综合分析一决策 的 过程，具体来说就是“分析要求综合求解一方案评价一决策得解 。 2 2 机车救援车的功能分析 2 2 1 机车救援车设计意图 目前机车走行部常见故障主要有抱轴瓦碾烧、轴箱轴承烧损、轮箍弛缓和轮箍崩裂等 几项。当机车在执行牵引任务突发这些故障时，救援人员往往受限于故障现场的场地条件 和快速排障的要求，不得不采用一些非常规的处理手段恢复机车的部分走行功能，保证故 障机车能撤离运营正线，迅速恢复铁路的正常运营秩序。这样的处理措旌虽然能在短时间 内完成故障突发的排障处理，但另一方面它破坏了机车的结构，造成不必要损失；同时， 它对机车相关备品的备用要求极大，导致在故障处理时携带工具和备品多，加大了抢修的 人力与物力，成为抢修效率提升的瓶颈之一。 针对这些在故障抢修时遇到的问题，机车救援车的设计不仅需要要做到能快速抢修， 迅速恢复线路的正常运输秩序，而且还要能在抢修时不损坏机车的零部件结构、减少现场 的修复工作量和工作强度。 2 2 2 机车救援车的主要设计目标 本文所研究的机车救援车主要应用于内燃、电力机车由于牵引电机轴承或传动装置的 损坏及其他原因造成的机车车轮不能转动时的救援工作。其原理为采用代用车轮的方法迅 速恢复故障机车的走行能力。其主要结构主要由轮轴组合、内外侧架、轮组连接轴、机车 动轮支承组合四个部分组成。在台车的使用时利用千斤顶从轴箱下部将故障车轮抬起，各 组成零部件在机车转向架下部快速拼装后，将故障车轮落于台车上，保持故障车轮离开轨 面1 5 m m 以上。其中需解决的主要技术关键问题，一是在理论计算和强度试验的前提下， 尽量使台车零部件轻量化；二是在全面调研现有内燃、电力机车转向架结构的基础上，采 用独特的设计，使救援台车具有通用性；三是在轴承可靠性计算的基础上，选用合适的轴 承、润滑脂和密封件，以保证台车运行安全。 1 1 通用性设计 目前内燃、电力机车的主要车型主要有s 3 、s 4 、s 6 b 、s 7 u 、$ 7 c 、s 9 、s 1 l 、h x d 3 和d f 4 、d f l l 等。由于内燃和电力机车的轮径不同，各型机车驱动电机和齿轮箱悬挂方 式和安装尺寸也不相同，所以设计的救援车的拼装形式和几何尺寸应能适应各种形式的车 型，满足适用轮径范围9 9 0 m m 。1 2 5 0 m m 的要求。 2 1 轻量化设计 设计中的轻量理念已成为一种趋势。一方面可以降低原材料的消耗量，节约制造成本， 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 也符合当下的环保思想；另一方面，从运输的角度，可以节约运送过程时需用到的人力和 物力，方便携带。所以，设计中应在满足功能与强度要求的前提下尽量使结构更紧凑、轻 便。 3 ) 可靠性设计 作为一种故障救援抢修工具，必须应做到安全可靠。因为若在抢修过程中再次发故障， 其造成的损失将不可估量，甚至会比初次故障带来的损失更大。因而在设计中，应给予非 常的重视。 2 2 3 主要技术参数要求 使用时，机车救援车作为代用轮对基本恢复故障机车的走行功能。因此，有主要的设 计技术参数如下： ( 1 ) 适用轨距： 1 4 3 5 m m ( 2 ) 轮对内侧距： 1 3 5 3 m m ( 3 ) 适用轮径： 9 9 0 1 2 5 0 m m ( 4 ) 轮对轴重： 2 5 t ( 5 ) 机车最高走行速度：2 5 k m h ( 6 ) 允许机车通过最小曲线半径：1 2 5 m 2 3