（车辆工程专业论文）cw200k型转向架结构改进和悬挂参数的优化研究.pdf

摘要 长春轨道客车股份有限公司从9 2 年开始与各有关高校和研究 所联合研制设计无摇枕转向架，并开始设计样机进行有关试验。 无摇枕客车转向架具有结构简单、安全可靠、检修维护方便 的特点，已被国外铁路发达国家在高速列车上广泛采用，长春轨 道客车股份有限公司研制的c w 一2 0 0 k 型转向架是在我国客车领域 最早实用化的无摇枕客车转向架，目前己广泛应用在2 5 t 型提速车 及2 5 k 型快速车上。该型转向架应用以来总体情况良好，但在疲劳 强度及动力学方面仍存在一些问题，需进一步改进和完善。 本文对c w 一2 0 0 k 型无摇枕转向架构架结构运用中出现的疲劳 问题进行了静、动应力分析，并根据实测动应力对构架上制动吊 座、纵向梁、抗蛇型减振器座及横侧梁连接部位等的结构进行了 研究，提出的改进方案能满足1 2 0 0 万公里安全寿命要求。 利用n u c a r s 2 动力学软件，建立提速客车c w 一2 0 0 k 型无摇枕 转向架的车辆系统非线性模型；通过对c w 一2 0 0 k 型无摇枕转向架 的悬挂结构参数进行优选，将使c w 一2 0 0 k 型无摇枕转向架具有优 良的动力学性能：对车辆实际运行中出现过的主要故障进行了动 力学性能预测，并提出了相应的运用条件，以更好地满足安全运 行要求。 关键词：客车转向架结构疲劳参数优化动力学性能 a b s t r a c t t h ec h a n g c h u nr a 订w a yv e h i c l ec o m p a n y ( c r c ) h a sr e s e a r c h e d t h eb 0 1 s t e r l e s sb o g i eo fp a s s e n g e rc a r ，w i t hc o o p e r a t i o no fs o m e r e l a t i v eu n i v e r s i t i e sa n di n s t i t u t e ss i n c e19 9 2 a n dd e s i g n e ds o m e p r o t o t y p e sf o rt e s t i n g b 0 1 s t e r l e s sb o g i eo fp a s s e n g e rc a rh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a ss i m p l i f i e ds t r u c t u r e ，h i g hs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y ，e a s yi n s p e c t i o n a n dm a i n t e n a n c e ，s oi th a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yo nt h eh i g hs p e e d t r a i ni nf o r e i g nc o u n t r i e sw i t hd e v e l o p e dr a i l w a y i nc h i n a ，t h e b o l s t e r l e s sb o g i ec w - 2 0 0 ko fc r cw a st h ef i r s tb o g i eu s e do nt h e r a i l w a yp a s s e n g e rc a r a n da t p r e s e n t ， t h eb o l s t e r l e s s b o g i e c l 2 0 0 kh a sb e e nu s e do n2 5 ta n d2 5 kr a i l w a yp a s s e n g e rc a r s t i l ln o w ，t h ob 0 1 s t e r l e s sb o g i ec 、v - 2 0 0 kh a sag o o dr e p u t a t i o n ，b u t t h e r ea f es t i l ls o m ep r o b l e m so nt h ef a t i g u es t r e n g t ha n dd y n a m i c p e r f b m a n c e ，w h i c ha r en e e d e dt ob ef u r t h e ra n a l y z e d i nt h i sp a p e r ，t h ef a i l u r e so fc w 一2 0 0 kb o l s t e 订e s sb o g i ew h i c h a p p e a r e db e f b r ew a sa n a l y z e da n dt h eb o g i ef r a m es t r u c t u r e ss u c h a sb r a k i n gh a n g e rb r a c k e t 、 l o n g i t u d i n a ls i l l ，a n t i y a wd a m p e ra n d c o n n e c t i n gp o s i t i o nb e t w e e ns i d eb e a ma n dt r a v e r s eb e a mw a s m o d i 壬i e da n dr e s e a r c h e d t h en o n l i n e a rm o d e lo fv e h i c l es y s t e ma b o u tt h eb o i s t e r l e s s b o g i eo fi n c r e a s i n gs p e e dc a r sw a sm a d ew i t ht h eh e l po fa m u l t i - b o d ys i m u l a t i o ns o r w a r en u c a r s 2 ，w i t hw h i c he a c hc a s e t h a tm a y b ec o m e so u td u r i n gt h ev e h i c l eo p e r a t i o nw a ss i m u l a t e d t h er e s u l t so ft h er e s e a r c h e si n d i c a t et h a tt h eb 0 1 s t e r l e s sb o g i e c w - 2 0 0 kw i l lh a v ee x c e l l e n td y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dc o m p l y w i t ht h eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n ta f t e ro p t i m i z i n g “ss t r u c t u r ea 芏l d s u s p e n s i o np a r a m e t e r s l ( e y w o r d s ：b 0 1 s t e r l e s sb o g i e ；f h t i g u es t r e n g t h ；n o n l i n e a rm o d e l s u s p e n s i o np a r a m e t e r 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 多年来，世界各国研制了多种实用可靠的转向架，比如德国i c e 高 速列车用m d 5 3 0 、s g p 4 0 0 和s f 5 0 0 型转向架、法国t g v 列车的y 2 3 1 和 y 2 3 7 系列转向架、日本新干线的w d t 2 0 2 、t t r 7 0 0 l 和w d t 2 0 5 型转向架 等。在各国研制开发转向架的过程中，无不对机车车辆强度及动力学问 题给予高度的重视，开展了大量的研究工作。 自1 9 9 7 年以来，我国铁路进行了全面提速，为此研制了各型提速 转向架。目前，2 5 k 客车转向架主要包括：南京浦镇车辆厂的2 0 9 h s 型 转向架、长客股份公司的c w 一2 型转向架以及四方股份公司的2 0 6 k p 型 转向架等。这些转向架基本采用有摇枕或有摇动台的结构型式，已经过 多年的运营考核，总体来说各项动力系性能指标均比较好，基本能满足 安全运行的要求，但其结构复杂，易损易耗的零部件较多，在运用、维 护中暴露出了不少问题，有的还影响了车辆的正常运用。 为满足铁路客运装备跨越式发展的要求，各厂又进一步自主开发了 无摇枕结构转向架。如，目前用于2 5 t 客车的两种：长客股份公司的 c w 一2 0 0 k 型无摇枕转向架，四方股份公司的s w 一2 2 0 k 型无摇枕转向架。 这两种转向架应用以来均表现出了良好的动力学性能且方便检修，但运 用中也暴露出了一些需要改进的问题。 本文拟对c w 一2 0 0 k 型无摇枕转向架实际运用中出现的有关强度及动 力学性能方向的问题进行分析，并对转向架减振元件出现故障状况下的 运行安全性进行研究，提出运用中的故障对策，这对保证2 5 t 客运列车 的安全运行具有重要的现实意义。 1 2 无摇枕转向架的研究现状及发展 r 本、法国、德国等铁路发达国家通过多年的研究，开发了各具特 色的高速列车，如德国i c e 列车、法国的t g v 列车以及日本新干线的3 0 0 系、5 0 0 系、7 0 0 系等高速列车、瑞典的x 2 0 0 0 摆式列车等，这些高速 北京交通大学工程硕士专业学位论文 列车都成功地采用无摇枕转向架。 我国的无摇枕转向架主要有长客股份公司的c w 一2 0 0 k 型无摇枕转 向架，四方股份公司的s w 一2 2 0 k 型无摇枕转向架，为我国铁路的第五次 大提速作出了积极的贡献。另外，自行研制的动力分散的“长白山”、 “先锋”号电动车组和动力集中的“中华之星”号电动车组，也均采用 了无摇枕结构的转向架。 长客股份公司从9 2 年开始与有关高校和研究所联合开发设计无摇 枕转向架，并在科技司立项。9 3 年根据国家“八五”科技攻关项目 高速客车转向架的研究( 编号8 5 4 0 2 0 2 一0 4 2 ) 的要求，在科技 司组织和领导下长客股份公司开始研制2 5 0 k m h 试验型高速客车转向 架。 当时的设计思想是，尽可能采用新技术并使之产品化，以验证其 适用性，经过艰苦的研制工作，长客股份公司设计并试制了1 辆份 2 5 0 k m h 无摇枕转向架( 图1 1 ) 。 1z1 1 、构架组成 2 、轴箱弹簧装置 j 、中央悬挂装置 4 、磁轨制动装置 5 、盘形制动装置 图1 12 5 0 k m h 无摇枕转向架 转向架的总体结构采用无摇枕型式，构架采用钢板焊接成箱型结 构的侧梁和无缝钢管为横梁的基本结构，中央悬挂装置采用大变位空气 北京交通大学工程硕士专业学位论文 弹簧、单牵引拉杆等新技术，轴箱定位采用铝合金轴箱和t b u 圆锥轴承 组加转臂定位方式。基础制动为每轴四个制动盘加磁轨制动。 2 5 0 k m h 高速试验型转向架在滚振试验台上完成了滚振3 0 0 k m h 、 纯滚3 5 0 k m h 的高速试验。 9 8 年根据铁道部科技司 1 9 9 7 2 8 号文对2 0 0 k m h 转向架正线试验 组织的要求，长客股份公司以2 5 0 k m h 高速试验转向架为基础完成了 2 0 0 k m h 转向架设计，并试制1 辆份转向架，此转向架为c w 一2 0 0 型转向 架的原型。 该转向架是采用无摇枕、无摇动台、无旁承结构，采用分离式轴箱 及转臂定位方式，根据2 0 0 k m h 速度的运用要求基础制动采用每轴3 个 盘的基本型式( 图1 2 ) 。 1 、构架组成 2 、轴箱定位装置 3 、中央悬髅置 4 、基础制动装置 图1 2c w 一2 0 0 型转向架 该转向架试制完成后，于9 8 年6 月通过了铁道部组织的郑武线 2 0 0 k m h 试验，试验结果达到了预期目标要求。 通过郑武线试验后，又装于广深r z ：；：1 0 6 2 2 准高速车上进行了为期 一年的运用考核，运行里程近3 0 万公里，状态良好。 9 8 年1 0 月份，根据科技司项目2 0 0 k m h 旅客电动列车组的要 参黼 北京交通大学工程硕士专业学位论文 i 誓萎裔 嚣j 2 嚣至叠喽墨蔷蕴靠敷 横由碱糠井庄l q 基压阏庄 图2 2 构架组成 2 1 2 轴箱定位装置( 图2 3 ) 轴箱定位采用转臂式定位装置，纵、横向定位靠橡胶节点保证，节 点组装时从转臂端部压入。轴箱定位装置采用分体式结构，转臂和箍整 体加工，分解时只需将箍和转臂闯螺栓拧开即可将轮对推出。轴箱定位 装置包括：轮对组成、弹簧装置、轴端安装、轴箱减振器、节点装置、 转臂。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 ；嚣；嚣i g 帮。：0 锰5 ；? 掰 o ：；：堇鬈3 j 黪# 黝嚣。 ! 考i ：糕 图2 3 轴箱定位装置 2 1 3 中央悬挂装置( 图2 4 ) 中央悬挂为无摇枕结构，采用高柔性空气簧。两侧设两个横向减振 器，两个横向挡，横向档与小纵向梁的间隙为4 0 2 脚。车体与转向架 间装有两个对称的抗蛇行减振器，在高速运行时减小轮缘磨耗和悬挂系 统的作用力，提高车辆运行稳定性和平稳性。中央悬挂装置包括空气弹 簧、高度阀、差压阀、牵引装置、抗侧滚扭杆、安全钢丝绳等。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 i ；鼍鼗勰黼怒是崩嚣 高矗搠h 渊淮自晰 图2 4 中央悬挂装置 2 1 4 基础制动装置 基础制动装置每轴安装2 个轴装式制动盘，2 个带有间隙调整器的 单元制动缸，闸片的材质采用粉末冶金，可满足最高运行速度2 0 0 k h 的要求。该制动盘与闸片组成的一对摩擦付，具有摩擦系数稳定，导热 率高等特点。 2 2c w 一2 0 0 k 型转向架基本参数 表2 1 给出了车体( 2 5 t 型软卧车) 参数和c w 一2 0 0 k 型转向架的结 构和悬挂参数。表2 2 反映了转向架的横向止挡特性。 表2 1 车辆系统参数 车参数名称( 2 5 t 型软卧车)参数值单位 辆 车体质量3 8 ( 不含转向架) t 惯 构架质量 1 6 5 0 k g 性 轮对质量( 簧下)1 7 5 0 轴 k g 参 车体侧滚转动惯量 8 9 0 0 0 k g m 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 数车体点头转动惯量 2 ，4 8 0 ，o o o k g m 2 车体摇头转动惯量2 ，4 8 0 ，0 0 0k g m 2 构架侧滚转动惯量 1 5 0 0 k g m 2 构架点头转动惯量 1 6 0 0 k g m 2 构架摇头转动惯量 1 6 0 0 k g m 2 轮对侧滚转动惯量 1 o l o k g m 2 轮对点头转动惯量 1 4 0 k g m 2 轮对摇头转动惯量 1 0 1 0 k g m 2 车辆定距 1 8 0 0 0m m 固定轴距 2 5 0 0唧 车体重心距轨面高度 1 6 0 0m m 构架重心距轨面高度 6 0 0 m m 轴箱悬挂横向间距 2 0 0 0 m 生 轴箱悬挂纵向间距 2 5 0 0珊 辆 二系悬挂横向间距 2 0 0 0m m 结 构 抗蛇行减振器横向跨距 2 7 8 4m m 参 抗蛇行减振器距轨面高度 5 8 0衄 横向减振器距轨面高度 4 7 0m m 数 横向止挡距轨面高度 7 0 5 m m 横向止挡间隙 4 0m m 车轮滚动圆直径 9 1 5硼 滚动圆横向跨距1 4 9 3硼 构架重心距轨面距离 1 3 2m m 抗蛇行减振器阻尼( 每侧) 1 0 o 0 4k n s m 横向止挡特性如表2 2 m n m 悬 牵引装置纵向刚度 1 1 9m n m o 北京交通大学 ：程硕士专业学位论文 挂牵引装置横向刚度 1 6 。8k n m 参 牵引装置垂向刚度 2 8 4k n m 数 节点转臂长度 3 8 0m m 节点转臂高度 4 8 2 5m m 表2 2横向止挡特性曲线： f ( k n )01 02 05 0 s ( 咖)3 55 06 06 5 k ( m n m )oo 6 90 91 8 7 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第三章c w 一2 0 0 k 型转向架构架结构改进研究 3 1 构架组成静应力分析 3 1 1 2 5 k 车原结构构架组成静应力分析 a ，计算说明 考虑到整个构架组成特点，有限元分析模型全部采用壳单元，求解 和后处理选择了大型分析软件a n s y s ，静应力计算结果应满足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的强度设计要求。 b 构架网格离散模型( 图3 1 ) 整个模型离散为1 9 3 6 8 4 个节点，1 9 3 9 9 4 个单元。 图3 12 5 k 车原结构构架组成网格离散模型 c 计算载荷与约束条件 在计算中，根据试验载荷数据并综合考虑实际情况下的一些载荷， 按照载荷的最不利组合，在相应位置施加各载荷工况；其中垂向载荷 3 5 0 k n ；牵引载荷3 0 k n ；制动载荷1 2 0 k n ：横向载荷6 0 k n ：抗侧滚力 4 0 k n ；抗蛇行卸荷力4 0 k n ；一系垂向阻尼力6 0 k n 。 在定位座和一系弹簧位鬣施加相应的约束。 d 强度计算 本次有限元强度计算重点分析了纵向梁与横梁的焊缝连接处、制 动座与横梁的焊缝连接处附近的应力。通过对上述工况下进行有限元 静强度计算，得到整个构架和构架局部、纵向梁、制动吊座焊缝处的 北京交通大学工程硕士专业学位论文 应力分布云图，分别示于图3 2 3 5 。 图3 2 原结构整个构架组成应力云图 图3 3 构架局部应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 4 纵向梁应力云图 图3 5 制动吊座应力云图 3 1 22 5 t 车原结构构架组成静应力分析 a 计算说明 考虑到整个构架组成特点，有限元分析模型全部采用壳单元，求解 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 和后处理选择了大型分析软件a n s y s ，静应力计算结果应满足t b t 1 3 3 5 一1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范的强度设计要求。 b 构架网格离散模型( 图3 6 ) 整个模型离散为1 9 5 4 1 4 个节点，1 9 5 8 2 4 个单元。 图3 62 5 t 车原结构构架组成网格离散模型 c 计算载荷与约束条件 在计算中，根据试验载荷数据并综合考虑实际情况下的一些载荷， 按照载荷的最不利组合，在相应位置施加各载荷工况；其中垂向载荷 3 5 0 k n ；牵引载荷3 0 k n ；制动载荷1 2 0 k n ；横向载荷6 0 k n ：抗侧滚力 4 0 k n ；抗蛇行卸荷力4 0 k n ；一系垂向阻尼力6 0 k n 。 在定位座和一系弹簧位置旌加相应的约束。 d 强度计算 本次有限元强度计算重点分析了纵向梁与横梁的焊缝连接处、制 动座与横梁的焊缝连接处附近的应力。通过对上述工况下进行有限元 静强度计算，得到整个构架和构架局部应力分布云图，分别示于图 3 7 3 】0 。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 7 原结构整个构架组成应力云图 图3 8 构架局部应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 9 纵向梁应力云图 图3 1 0 制动吊座应力云图 3 。1 32 5 t 车改进结构构架组成静应力分析 a 计算说明 考虑到整个构架组成特点，有限元分析模型全部采用壳单元，求解 北京交通大学工程硕士专业学位论文 和后处理选择了大型分析软件a n s y s ，静应力计算结果应满足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的强度设计要求。 b 构架网格离散模型( 图3 1 1 ) 整个模型离散为2 0 2 5 8 9 个节点，2 0 2 8 9 6 个单元。 图3 1 l2 5 t 车改进结构构架组成网格离散模型 c 计算载荷与约束条件 在计算中，根据试验载荷数据并综合考虑实际情况下的一些载荷， 按照载荷的最不利组合，在相应位置施加各载荷工况；其中垂向载荷 3 5 0 k n ；牵引载荷3 0 k n ；制动载荷1 2 0 k n ；横向载荷6 0 k n ；抗侧滚力 4 0 k n ；抗蛇行卸荷力4 0 k n ；一系垂向阻尼力6 0 k n 。 在定位座和一系弹簧位置施加相应的约束。 d 强度计算 本次有限元强度计算重点分析了纵向梁与横梁的焊缝连接处、制 动座与横梁的焊缝连接处附近的应力。通过对上述工况下进行有限元 静强度计算，得到整个构架和构架局部、纵向梁、制动吊座焊缝处的 应力分布云图，分别示于图3 1 2 3 1 5 。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 1 2 改进结构整个构架组成应力云图 图3 1 3 构架局部应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 1 4 纵向梁应力云图 图3 1 5 制动吊座应力云图 c w 一2 0 0 k 转向架运用以来构架进行了几次改进，以上对三种方案进 行了静应力分析计算，结果均能满足要求。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 2 构架组成动应力分析 3 2 12 5 k 车原结构构架组成动应力分析 北京交通大学与长客车股份公司共同商定试验大纲，确定动应力测 点部位并于2 0 0 2 年1 2 月2 1 日一2 5 日，以t 1 4 次列车在上海一北京区间 运行时对y w 7 3 6 2 0 号车体及c w 一2 0 0 k 型转向架关键部件的动应力进行全 程连续测试，测试总里程约1 4 0 0 公里。 根据测得的各大应力测点的等效应力幅，对这些部位的安全可靠性 作如下分析和评估。 车体抗蛇行减振器座与车体小横梁连接焊缝处布置了四个测点， 其中一个测点在运行2 8 0 万公里时的等效应力幅为8 9 9 m p a ，大于开坡 口横向承载角焊缝的许用疲劳极限7 0 m p a ；测点7 在运行2 8 0 万公里时 的等效应力幅为8 3 6 m p a ，远大于不开坡口横向承载角焊缝的许用疲劳 极限5 0 m p a ；因此上述部位疲劳强度不足，需要在第一次段修时进行结 构补强。 车体抗侧滚扭杆座处测点5 5 在运行2 8 0 万公里时的等效应力幅 为6 1 4 m p a ，大于不开坡口横向承载角焊缝的许用疲劳极限5 0 m p a 。因 此该部位疲劳强度不足，也需要在第一次段修时进行结构补强。 c w 2 0 0 k 转向架构架抗蛇行减振器座与侧梁立板连接焊缝处测 点1 8 在运行2 8 0 万公里时的最大等效应力幅为1 5 4 9 m p a ，远大于开坡 口横向承载角焊缝的许用疲劳极限7 0 m p a ；因此该部位疲劳强度严重不 足，需要立即进行结构补强。 c w 2 0 0 k 转向架定位转臂采用铸钢制造，等效应力幅最大的测点 是3 0 测点，在运用1 2 0 0 万公里后的等效应力幅为“6 m p a ，小于铸钢 材料的许用疲劳极限7 0 6 m p a ，因此定位转臂可以满足安全运行1 2 0 0 万公里设计寿命的要求。 扭杆扭臂采用4 5 # 钢制造，等效应力幅最大的测点是4 3 测点， 在运用1 2 0 0 万公里后的等效应力幅为1 2 4 6 m p a ，小于4 5 # 钢材料的许 用疲劳极限1 4 2 7 m p a ，因此扭杆扭臂可以满足安全运行1 2 0 0 万公里设 计寿命的要求。 c w 2 0 0 k 转向架制动吊臂以及构架横侧梁连接部测点，在运行 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 1 2 0 0 万公里后的最大等效应力幅值分别为2 7 7 m p a 和6 8 4 m p a ，小于上 述部位的许用疲劳极限7 0 m p a ，因此可以满足安全运行1 2 0 0 万公里设计 寿命的要求。 根据上述测试结果，对疲劳强度不足的地方均进行了补强处理。 3 2 22 5 t 车原结构构架组成动应力分析 运用于北京一哈尔滨区间的直达2 5 t 快速列车，在运用中发现制动 吊座发生裂纹( 与2 5 k 车用的c w 一2 0 0 k 转向架比，纵向梁结构不同) 。 为了分析该部位的疲劳强度，北京交通大学于2 0 0 4 年7 月2 同从哈尔 滨到北京运行中，测试了制动吊座部位的动应力。 根据许用疲劳极限推荐值和大应力测点部位的等效应力幅，对这些 大应力部位的安全可靠性作如下分析和评估。 构架横梁与制动吊座补强板、小纵向梁筋板与横梁的连接焊缝 处，大部分测点在运行1 2 0 0 万公里时的等效应力幅都大于开坡口横向 承载角焊缝的许用疲劳极限7 0 m p a ：特别是构架横梁与制动吊座、小纵 向梁连接区域测点1 0 、2 3 、2 9 和1 3 ，由于未开坡口，按照许用疲劳极 限为5 0 m p a 计算，运用里程仅为7 8 万公里( 如果以直达列车平均每天 运行1 0 0 0 公里计算，相当于2 个半月的时问) ，因此上述部位疲劳强度 严重不足，必须立即进行结构补强。 2 5 t 车转向架与2 5 k 车转向架相比，在原纵向梁上加了一块补强板， 焊接于纵向梁和制动吊座间，旨在提高纵向梁横向刚度，结果导致制动 吊座与横粱连接部焊缝处动应力过大。 根据上述动应力测试结果，在制动 吊座根部、小纵向梁与横梁连接部增加 了图3 1 4 所示形状补强板。2 0 0 4 年7 月2 8 日，在长春到北京区间，随 z 6 1 z 6 2 直达列车对改进后的制动吊座 补强方案进行了动应力测试和疲劳强 度评估，得到了大应力测点的等效应力 幅及其运用里程，列于表3 1 中。 图3 1 4 制动吊座补强板形状 北京交通大学工程硕士专业学位论文 里时有限元计算的等效应力幅分别为3 6 7m p a 、4 5 7 m p a 和5 5 7m p a 。 其中只有4 7 测点的疲劳强度仍然显得不足。 迸一步分析计算表明，当把补强板与纵向梁连接部位尺寸沿纵 向梁方向增加3 0 嚣嚣后，制动吊座补强板与纵梁筋板连接处的应力水平 可比实际尺寸补强结构低5 2 。按此比例计算，测点2 6 、3 3 和4 7 在运 行1 2 万公里时的等效应力幅分别降到2 5 2 a 、3 1 3 m p a 和3 8 2 p a 。 小于许用疲劳极限5 0 m p a ，因此可以满足安全运行1 2 0 0 万公里设计寿 的要求。 3 1 5 实际补强后制动吊座图 2 3 5 t 车改进结构构架组成动应力分析 优化构架组成结构及提高结构的焊接工艺性，从2 5 年起新造 5 t 车采用进一步改进的新结构。 了掌握该转向架在实际运营线路条件下的动应力，进而考核该构 结构以及连接支吊座的疲劳可靠性。长客股份公司与北京交通大学共 商定试验大纲，确定了动应力测点( 见图3 1 8 图3 2 4 ) ，并于2 自自5 7 月2 日，在t 1 5 7 次列车泰州到哈尔滨区间运行时，对优化结构构 的关键部位动应力迸行全程连续测试，测试累计里程约2 5 5 0 公里。 3 3 中列出了实测动应力幅较大测点对应1 2 自i 万公里的等效应力 值。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 里时有限元计算的等效应力幅分别为3 6 7m p a 、4 5 7 m p a 和5 5 7m p a 。 其中只有4 7 测点的疲劳强度仍然显得不足。 迸一步分析计算表明，当把补强板与纵向梁连接部位尺寸沿纵 向梁方向增加3 0 m m 后，制动吊座补强板与纵梁筋板连接处的应力水平 可比实际尺寸补强结构低5 2 。按此比例计算，测点2 6 、3 3 和4 7 在运 行1 2 0 0 万公里时的等效应力幅分别降到2 5 2m p a 、3 1 3 m p a 和3 8 2m p a 。 均小于许用疲劳极限5 0 m p a ，因此可以满足安全运行1 2 0 0 万公里设计寿 命的要求。 图3 1 5 实际补强后制动吊座图 3 2 32 5 t 车改进结构构架组成动应力分析 为优化构架组成结构及提高结构的焊接工艺性，从2 0 0 5 年起新造 2 5 t 车采用进一步改进的新结构。 为了掌握该转向架在实际运营线路条件下的动应力，进而考核该构 架结构以及连接支吊座的疲劳可靠性。长客股份公司与北京交通大学共 同商定试验大纲，确定了动应力测点( 见图3 1 8 图3 2 4 ) ，并于2 0 0 5 年7 月2 日，在t 1 5 7 次列车泰州到哈尔滨区间运行时，对优化结构构 架的关键部位动应力迸行全程连续测试，测试累计里程约2 5 5 0 公里。 表3 3 中列出了实测动应力幅较大测点对应1 2 0 0 万公里的等效应力 幅值。 北京交通人学工程硕士专业学位论文 表3 32 5 t 车改进结构构架大应力部位等效应力幅( m p a ) 许用 运行1 2 0 0 万公里后 构架上测点位置测点 疲劳极限 等效应力幅值 定位座与下盖板焊缝处 1 9 7 0 5 8 9 2 横侧梁连接部( 下) 4 8 7 0 4 1 1 4 横侧梁连接部( 上) 3 9 7 0 4 8 8 2 横侧梁连接部( 上) 3 5 7 0 5 1 3 1 横侧梁连接部( 上) 3 3 7 0 5 2 1 8 横侧梁连接部( 下) 4 3 7 0 5 2 3 6 横侧梁连接部( 下) 5 5 7 0 5 6 9 3 横侧梁连接部( 上) 5 4 7 0 6 9 7 8 横侧梁连接部( 下) 5 0 7 0 6 9 8 6 抗蛇行减振器座( 右) 4 7 7 0 5 8 2 8 抗蛇行减振器座( 左) 1 6 7 0 3 7 1 2 抗蛇行减振器座与侧梁 1 8 7 0 4 2 1 5 焊缝处( 右) 抗蛇行减振器座与侧梁 4 1 7 0 5 3 1 2 焊缝处( 左) 由表可见： c w 一2 0 0 k 转向架构架定位座与下盖板连接焊缝在运行1 2 0 0 万公 里后的等效应力幅值为5 8 9 2 m p a ，小于开坡口焊透角焊缝的许用疲劳极 限7 0 m p a ，因此上述部位可以保证安全运用1 2 0 0 万公里。 c w 一2 0 0 k 转向架构架横侧梁连接部焊缝在运行1 2 0 0 万公里后的 等效应力幅值为6 9 8 6 m p a ，略小于开坡口焊透角焊缝的许用疲劳极限 7 0 m p a ，因此上述部位可以保证安全运用1 2 0 0 万公里，但是在制造中必 须严格保证焊接质量。 c w 2 0 0 k 转向架构架的抗蛇行减振器座以及抗蛇行减振器座与 北京交通大学工程硕士专磐蓑谭堡器 篓i l 蓁i 薹翥；垂 荟纛蓥i a 囊 ；| ? ； ；j 嗽峰二蚕篓掣煞引早：薹埸供嚣耩器：臻犁湍掣广 刮睽鞣挡妊燮；焊透角焊缝世厦耀夏搭曝艇鍪崮华jd 躺鞠转铃 斟耀湘茑聋撵旧勘委刃疆薹薪赢引剥彰靴美嚣摧鬣慝0 滔；部位焊缝 的焯趾处和悼箍蒜载_ ； f 荇幢蘼繇掉蘸醭强吲i 鞲彭到到手必型t 垂蚓封 誊引纛必副到臣c2 蠢琴；l l 。峪委囊缘毯囊撷i ；篓掣嚣甄刮蓦骱 戮睡；o 鞍哥糖觅癌丽感j 浙潆湮；l ? ；l 噶艨譬三曼j 二三i ? t ；? i 一jj i 童：二ii ：三一? 薹差。 i i 。；： 誊誓。oi = 曩毒蠹誊曩叠慧誊曩毫曩j 曩蔓薯曩蔓薯薯蔓薯薯笺 薯笺? 薯薯薯曩薯董曩薯笺薯薯笺曩薯叠曩爱薹曩 x 北京交通大学工程硕士专业学位论文 纠何刀一 l 。 r 速 止珀刀 。 ， 住移 图4 1 抗蛇行减振器非线性特性图4 2 横向止挡非线性特性 4 3 车辆系统数学模型 图4 3 给出了c w 一2 0 0 k 转向架的设计方案图。铁道车辆是一个复杂 的多体系统，不但有各部件之间的相互作用力和相对运动，而且还有轮 轨之间的相互作用关系。因此，理论计算分析模型只能对动力学性能影 响较大的主要因素尽可能作出符合实际情况的模拟，而对一些次要因素 进行相应的假定或简化。 图4 3c w 一2 0 0 k 转向架的设计方案图 本论文在建立车辆系统数学模型时作出如下假定： 轮对、构架和车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多 均视为刚体，即忽略各部件的弹性变形。 不考虑相邻车辆间的作用，即只考虑单节车模型。 一般多刚体系统的第一类数学模型为 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表4 2 车辆系统动力学计算基本参数表 质量参数 名称数值单位 轮对质量m 。 2 ot 轮对侧滚转动惯量i 。， 1 4 5 4t m 2 轮对点头转动惯量i ， o 2 0t m 2 轮对摇头转动惯量i ： 1 4 5 4 t m 2 车轮滚动圆直径o 9 1 5m m 滚动圆横向跨距2 a 1 4 9 3m m 构架质量m ， 1 7t 构架侧滚转动惯量i 。 2 6 5t m 2 构架点头转动惯量i 。 2 1 2t _ m 2 构架摇头转动惯量i 。 3 0 0t m 2 构架重心距轨面高h ， 5 8 2 5咖 车体质量m 。 3 5 2t 车体侧滚转动惯量i 。 7 8 6 9t m 2 车体点头转动惯量i 。， 2 1 8 7 t m 2 车体摇头转动惯量i 。 2 1 8 8 t m 2 车体重心距轨面高h 。 1 7 0 0m m 转向架轴距2 b 2 5 0 0m m 车辆定距2 l 1 8 0 0 0衄 车辆长度 2 6 3 0 0咖 车体长度 2 5 5 0 0m m 车辆宽度 3 2 0 4j i 】m 车辆高度3 8 9 01 1 1 i n 车体高度2 7 7 0唧 车轮踏面形式 l m a 北京交通大学工程硕士专业学位论文 空气簧上表面距轨面高h 4 9 5 7m m 二系垂向阻尼( 每转向架每侧) c 。： 8 0k n s m 二系垂向减振器横向跨距2 也 2 0 0 0 i 【i f 二系垂向减振器中央距轨面垂向高度 8 5 2唧 二系横向阻尼( 每转向架) c 。， 2 5 2k n s m 二系横向减振器纵向跨距2 c ( 同一转向架) o眦 二系横向减振器车体连接点距车体中心线 2 4 2 5m m 二系横向减振器构架连接点距车体中心线 7 4 2 5m m 二系横向减振器高度车体4 0 5衄 构架3 9 5 抗蛇行减振器等效阻尼( 每转向架每侧) c 。， 2 5 0k n s m 抗蛇行减振器卸荷点速度v 。o 0 3m s 抗蛇行减振器饱和阻尼力f 。 1 5 5k n 抗蛇行减振器横向跨距2 d 。 2 6 7 4 m m 抗蛇行减振器高度车体5 8 3 5唧 构架5 7 3 5 二系横向止档间隙 4 0m 二系横向止档刚度特性( 可参照 o 6m n m c c k z 3 6 4 8 一0 0 ) 二系横向止档距轨面垂向高度 6 2 2 5姗 续表4 2 其它尺寸参数 抗侧滚扭杆扭转刚度( 每转向架) k 柚 2 9m n m r a d 抗侧滚扭杆距轨面垂向高度8 6 7唧 抗侧滚扭杆距构架中央纵向距离 4 0 0m m 牵引拉杆纵向刚度k 。 1 1 9m n m 牵引拉杆横向刚度k 。 1 6 8 k n m 牵引拉杆垂向刚度k 。 2 8 4 k n 皿 北京交通大学工程硕士专业学位论文 牵引拉杆车体作用点距轨面高 3 3 0硼 牵引拉杆车体作用点距车体中心纵向距离 8 7 0 0m m 牵引拉杆构架作用点距轨面高 3 3 0 m m 牵引拉杆构架作用点距车体中心纵向距离 9 3 0 0 m m - 脚； 由by ll l 绰。 k p y ，c p y 列 l 。 韭 、 3_ 7 k p l c p l 懦 、 阿 ；丰一 图4 4 车辆系统模型 北京交通大学工程硕士专业学位论文 4 4 线路工况及轨道不平顺 4 4 1 轨道不平顺简介 从理论上讲，轨道的位置可用三维空间坐标来确定。鉴于工程技术 上的需要，铁路上习惯将轨道不平顺分为四类。即高低不平顺、水平不 平顺、方向不平顺和轨距不平顺。它们同样可以确定轨道的空间位置。 ( a ) 高低和水平不平顺( b ) 方向不平顺( c ) 轨距不平顺 图4 5 轨道不平顺的四种类型 a 轨道高低不平顺 轨道高低不平顺，系指钢轨顶面沿轨道延长的高低不平顺，如图4 5 ( a ) 所示。它分为左轨、右轨和轨道中心线的高低不平顺。其中，轨 道中心线的高低不平顺等于左、右轨的平均值，即 z ，= 半 s ， 式中，五、磊、磊一分别为左、右轨和轨道中心线的高低不平顺数值。 轨道高低不平顺是由于轨面不均匀的磨耗、低接头、弹性垫层和轨 枕、道床、路基的弹性不均、各扣件和部件间的扣紧程度和间隙不等、 轨枕底部的暗坑，道床和路基的永久变形等原因所造成的。轨道高低不 平顺激起车辆的垂向振动，并能使轮轨间产生很大的垂向动作用力。 b 轨道水平不平顺 轨道水平不平顺是指左、右轨对应点的高差所形成的沿轨长方向的 不平顺，如图4 5 ( a ) 所示。它是由轨道高低不平顺所派生的。轨道水 平不平顺的数值五可由下式表示： 。h 、 。趴秒n 目￥g$一 。哩，。雇慢。雇惜。 e*hw0，、0一 靡啦险，。雇趋。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 z 。= 兰粤 ( 4 4 ) 式中，五、三卜一分别为左、右轨的高低不平顺数值： 乃一轨道水平不平顺。 此外，也可将轨道水平不平顺按左、右两轨的高差所形成的倾角u 。 来表示，即u 孑z 6 ，其中6 为左、右轮轨接触点距离之半。轨道水平不 平顺是引起机车车辆横向滚摆耦合振动的重要原因。 c 轨道方向不平顺 轨道方向不平顺是指左右两根钢轨沿长度方向在横向平面内呈现的 弯曲不直，如图4 5 ( b ) 所示。其数值儿以实际轨道中心线相对理论 轨道中心线的偏差来表示。即： y + 1 8 ( 4 5 ) ，。一 2 式中，儿朋一分别为左、右钢轨方向不平顺； h 一轨道中心线方向不平顺。 轨道方向不平顺是由于轨道铺设时的初始弯曲、养护和运用中积累 的轨道横向弯曲变形等原因造成。轨道方向不平顺激发轮对产生横向运 动、是引起机车车辆左右摇摆和侧滚振动的主要原因。 d 轨道轨距不平顺 轨距不平顺是指左、右两轨沿轨道长度方向上的轨距偏差，如图4 5 ( c ) 所示。其数值儿以实际轨距与名义轨距之差来表示。即 。：丝二 7 g1( 4 6 ) 式中，儿，旷一分别为左右钢轨方向不平顺： 肟一轨距不平顺。 轨距不平顺对机车车辆运行的横向稳定性及曲线磨耗影响较大。轨 距过大会引起掉道。轨距若在短距离内变化剧烈，即使不超过允许标准 也会使车辆的摇晃和轮轨间的横向水平力增大。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 4 4 2 典型轨道谱 轨道不平顺统计特征的测定，在国外早已引起重视。英国铁路部 门1 9 6 4 年就开始了这项研究工作，是世界上开展这一科研活动最早的 国家之一。目前，英、日、西德、美、苏联、印度、捷克、东德等国家 都测定了各自的轨道不平顺的谱密度和相关函数。我国也在这方面做了 不少研究工作。1 9 8 2 年铁科院罗林等讨论了各种轨道不平顺的测量方 法，用“惯性基准法“测量了轨道不平顺，并对大量轨检车实测的不平 顺数据进行了分析处理，列举了平稳的轨道不平顺的样本记录功率谱密 度。1 9 8 5 年长沙铁道学院随机振动研究室将轨道不平顺分为弹性和几何 不平顺，对先后三次用地面测试方法在京广线测定的轨道不平顺进行分 析处理得到了各种不平顺谱，并且统计出了我国i 级干线轨道不平顺功 率谱密度的解析表达式。但是应该认识到，我国在这方面的工作还远远 不够，尚未形成具有普遍意义的我国轨道谱。目前，我国铁道科学研究 院和西南交通大学牵引动力中心正在致力于这一方面的工作。 在本论文的计算中，采用美国5 级线路谱，轨道具有四个方向的不 平顺，如图4 6 4 9 所示。计算认为，轨道的随机输入是各态历经的， 因此可以用一段有限长的时问历程曲线来模拟列车在实际线路上的运 行情况。为了较为完全地反映车辆的实际动态响应，计算时先让列车在 一段无激扰直线轨道上运行，然后在一段足够长的不平顺轨道上运行。 车体加速度响应数据的采样则从列车运行一段距离后开始进行，数据的 采样、处理和分析方法及平稳性指标计算方法则根据“高速试验列车车 辆强度及动力学规范( 9 5 j 0 1 一m ) ”和国标g b 5 5 9 9 8 5 “铁道车辆动力学 性能评定和试验鉴定规范”进行。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 客车运行里程( m ) 图4 8 方向不平顺的时间历程曲线 客车运行里程( m ) 图4 9 高低不平顺的时间历程曲线 4 一量一理粤娶悻迢恹 一垦一坦坚娶陲髻恒 北京交通大学工程硕士专业学位论文 客车运行里程( m ) 图4 6 轨距不平顺的时间历程曲线 客车运行里程( m ) 图4 7 水平不平顺的时间历程曲线 一重一姆罂鳖k甍恭 一唇一留些娶乓* 北京交通大学工程硕士专业学位论文 4 4 3 曲线设置 曲线通过分析的目的是通过仿真客车驶过指定曲线，分析转向架有 关悬挂参数对车辆系统的轮对横移、轮对冲角、轮轨横向力、脱轨系数、 轮重减载率、倾覆系数、轮轨磨耗等的影响。本论文在曲线设置中，针 对2 0 0 k m h 转向架运行线路的特点，参照铁道科学研究院环形道和广深 线的线路标准，计算