（车辆工程专业论文）ty05型作业车转向架设计及验证.pdf

北京交通大学工程硕士专业学位论文 y 8 7 簟s l 专 摘要 随着我国国民经济的快速发展，我国铁路运输将在高速、重载、 客运专线等方面实现大跨越。在新建或改造的铁路线中，电气化铁 路已经成为了首选。近年来，我国每年都竣工近千公里电气化铁路 线。电气化铁路的迅猛发展，促使与之配套的用于电气化铁路路、 网施工及维护的工程作业机械也向高速、高性能方向转变。使新技 术在工程作业机械上的应用成为必然。中国北车集团太原机车车辆 厂根据集团公司相关技术政策，经过精心的组织、周密的调研、严 谨的设计、认真的试制、严格的试验，成功地完成了我国第一台交 流传动接触网作业车。 本文结合作业车转向架的具体要求，研究了国内外工程作业车 转向架的现状及发展趋势，分析选择了参考转向架进行设计，对整 个设计过程进行了论述。从调研确定作业车转向架方案开始，阐述 了各主要部件的结构、特点以及设计、验算过程，并根据试制、试 验中出现的相关问题，进行了认真的分析，制定出了切实可行的改 造方案，经过各种试验确定，最终满足了机车最高运行速度1 2 0 公 里小时的设计要求。 t y 0 5 型作业车转向架的设计填补了工厂的空白，特别是在转 向架设计和验证方面有许多独到之处，为工厂同类产品的开发奠定 了基础，提供了可借鉴的经验。 关键词：作业车转向架设计验证 北京交通大学工程碳_ 专业学位论立 a b s t r a c t w i t h出er a p j dd e v e l o p m e n !o ft h en a t i o n a le c o n d m y ， l h e r a 订w a y t r a n s p o r t a t i o nn e e dt om a k eg r e a tp r o g r e s s e si nh i 曲一s p e e d ，o v e 卜1 0 a d i n ga n d s p e c i a l r a i l w a yl i n e sf o p a s s e n g e r 仃a 1 1 s p o r t “o n ，e t c t h ee l e c t t m e dr a i l w a yl i n e h a sb e e nt l em a i nl i l l ea m o n gt h en e wa n dr e c o n s t m c t i o nm 订w a yi i n e s 抽r e c e n t y e a r s ，m o r em a n10 0 0k i l o m e t e r se l e c t r i f i e dr a i l w a y1 i 1 1 eh a sb e e ne s t a b l i s h e de v e r y y e a r s oi tf b r c e dt h ee n g i n e e r i n gw o r kc a rt od e v e l o pt o w a r d st h eh i g h s p e e d ， h i g h p e r f o m l a n c ei no r d e rt ob eq u a l i n e df o rm ec o n s t r l l c t i o na n dm a i n t e n a n c eo f t h ee l e c t r m e dr a i l w a yl i n ea n d “sc a t e n a r yn e t a n da p p l y i n gm o r ea n dm o r en e w t e c h n o l o g j e s i nt h e s ek i n d so fc a r 5h a sb e c o m en e c e s s a 阱 t a i y i l b nl o c o & r o l l i n g s t o c kw 0 r k so fc h i n an o r t hr a i l w a yg r o u ps u c c e e d si nd e v e l o p m e n to f t h ef l r s ta ct r a n s m i s s i o nc a t e n a r yw o r kc a ra c c o r d i n gt or e i a t i v et e c h n o l o g ya i i d p o l i c ya n da f k rl a b o r i o u so 唱a n i 2 a t i o n ；t h o u 曲r c s e a r c h ，c a r e f u ld e s i g n ，s e r i o u s t r i a l p r o d u c ea n ds t r i c “e s t t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c h e so nt h ep r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n d a b o u ct h eb o g i ea th o m ea n da b r o a di nc o m b i n ew i mt 1 1 es p e c i f i cd e m a n d so nt h e b o g i eo ft h ec a t e n a r y o r kc a r a n di ta i s oa n a l y z e sa n dc h o o s e sar e f e r e n c eb o g i e a n dd o e ss d m ed e s i g n i n gw o f ka n dd i s c u s s e st h ew h d l ep r o c e s so ft h ed e s i g n 丁】i s p a p e rb e g i n sf r o md e t e r m i n i n gt h es c h e m eo fl h eb o g i eo nt h eb a s i so fs t u d y i n gt o d e s c r i b et h es t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c ，d e s i g na n dc l e c k i n gc a l c u l a t i o np r o c e s so f e v e r ym a i np a r t s i ta l s oc a r r i e so u tt h ea n a j y s i so ft h er e l a t i v e 7 p r o b i e m si n t r i a l p r o d u c ea 1 1 dt e s tt o 西v es o m ew a y st os o l v et h ep r o b l e m s a 舭r “lk i n d sq f t e s ti h eb o g i ec a nm e e t t h ed e s i g nd e m a n do f t h em a x s p e e do f t h ec a r1 2 0k m 肌 t h eb o g i ed e s i g n i n gf o rt y 0 5c a t e n a r yw o r kc a rm a k e su pai o to f v a c a t l c i e s i nt h ed e s i g no fo u rf a c t o r y ，e s p e c i a l i yi nd e s i g nc h e c “n gc a l c u l a t i o na n dc h e c k i n g c o n n f m a t j o n s oi tc a np r o v i d es d m er e f 色r e n c ee x p e r i e n c ea n de s t a b l j s hab a s i sf b r t h ed e v e l o p m e n to f t h es a m e “n do f p r o d u c t si no u rf a c t o r y 1 1 北京交通大学t 程硕j ：专业学位论文 k e yw o r d s ：t h ec a t e n a r yw o r kc a r ；b o g i e ；d e s i g n ：c h e c i 【i n g n n r m a t i o n i i i 北京变通火学r t 程硕1 砖业学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景 随羞铁路建设的不断发展，牵引动力的现代化改造，电气化铁 路营业里程已达1 6 0 0 0 多公里，特别是近年来客货繁忙干线全面提 速，秦沈高速客运专线已经丌工。随着京秦、京沪等高速客运专线 的加速建设，线路车辆密度、通过能力将有较大提高，用于线路维 护保养的“天窗”时间将更短，在此新形势下，原有一些施工、维 护装备己不能适应高速重载条件下对线路提出的新要求，对接触网 线路等的施工维护技术装备的现代化( 高速、高可靠性、自动化) 提出更高的要求，现有装备的更新换代已迫在眉睫，这为铁道工程 机械生产厂家提供了较大的市场机遇。t y 0 5 型交流电传动作业车 就是太原机车车辆厂根据我国铁路高速、重载的发展需要，在北车 集团公司“十五”科技发展规划的指导下研制开发的高速、大功率 接触网作业车。 该作业车装车功率2 8 3 k w ，逆变器输出功率2 0 0 k w ，双端输 出的鼠笼式异步牵引电机采用体悬式。其主要特点是最高速度可达 1 2 0 k m ，h ，采用了最新的交流传动技术，在0 5 k m ，h 范围内可实现 恒速控制，在2 0 k m h 9 0 k m h 范围内可实现恒功控制。它的研制 成功，将为工程车辆的传动技术_ 丌f 拓出一个崭新的领域，将弓i 导接 触网施工、维护技术水平走向新阶段，也定会为我国高速铁路的建 设做出积极的贡献。 该车的设计主要有三个技术难点：是电站式柴油发电机组的 选配：是整车交直交主传动系统的设计；是转向架的设计。 转向架的设计难点主要表现在：t y 0 5 型作业车转向架足太原 机车车辆厂首台自行设计的工程机械用转向架，可参考借鉴的资料 不多；悬挂装置的选型及匹配计算；驱动系统设计计算：曲线通过 计算及动力学计算：动力学试验等。确保转向架设计的顺利完成， 北京交湎大学丁程砸。卜专业学位论文 是整车设计成功的重要前提，因此项目组安排笔者担当分项目转 向架总体设计。目的是重在培养锻炼，但必须保证任务的圆满完成， 所以选择该项目进行研究意义重大。 1 2 工程作业车转向架的现状与发展趋势 国内外工程作业车的种类很多，但整体水平差距也比较大。国 外发达国家在七十年代术到八十年代初就已完成牵引动力的现代 化改造，客货分线运输。其麓工机械专业化、自动化程度很高。如 接触网恒张力架放线车、接触网榆测车、高速铁路铺轨机、钢轨榆 测、焊接、打磨车、道渣的清筛捣固、稳定、整形等设备。这些设 备的运用将保证良好的弓网、轮轨关系，从而满足高速重载的运输 要求。 在国内，铁道工程作业机械主要生产厂有宝鸡工程机械厂、襄 樊轨道车辆厂，养路机械生产以昆明机械厂为主。太原机车车辆厂 在九十年代初开始研制生产系列铁道工程作业机械，其中t y 2 系 列接触网综合作业车通过部级科技成果鉴定。属国内领先水平，荣 获国家级新产品称号，并于1 9 9 8 年通过i s 0 9 0 0 1 质量认证。 到上世纪末，我国国产接触网作业车、轨道车等工程机械产品， 大多为两轴车，传动方式以机械传动为主，少量采用液力传动，自 行时速约8 0 1 0 0 公里小时。产品存在可靠性差、操作烦琐、制 动性能落后、动力学性能差、施工精度不高等问题，特别是由于两 轴车自身结构特点，在速度上突破1 0 0 公里小时比较困难，行驶 速度及作业功能在提速线路和高速专线上已难以满足施工和维护 作业要求。 工程作业车转向架与机车转向架类同，都要求根据不同的车型 设计专用转向架。国内由于带转向架的四轴( 或更多) 作业车发展 起步较晚，因此设计成熟的类型不多而且繁杂。目前速度达到1 2 0 公里小时且使用比较成功的就是襄樊轨道车辆厂j y 2 9 0 轨道车转 向架。该转向架为标准轨距轮径8 4 0 丌1 m ，两系悬挂，牵引杆牵引， 单轴驱动，适用功率2 9 0 马力。还有西南交大研制的1 6 吨轨道吊 自驱转向架，运行速度达到了8 0 公里小时。我厂参照该转向架与 北京交通人学t 程j 砸j 专业学t 芷论文 西南交大联合设计了n 2 0 型轨道吊转向架，设计运行速度达到1 0 0 公罩小时，此转向架部分经过计算，性能达到优良，但没有试制。 这几种转向架可以作为设计参考。虽然部分调车机车、地铁的转向 架也比较成熟，但运行速度都不高，部分设计可做参照。国外同类 型转向架分为带动力和不带动力两类，主要区别在于牵引方式和悬 挂系统，其悬挂系统性能优越，运行速度普遍较高，代表了工程作 业车用转向架的发展趋势。 1 3 选题意义及主要研究内容 通过对国内外作业车用转向架的使用情况的分析，结合t y 0 5 型交流传动作业车总体设计要求及工厂现有条件，决定自行研制专 用转向架。这样不仅可以满足整车设计要求，为作业车后续生产降 低成本，而且能够实现转向架设计能力的突破，锻炼设计队伍。为 今后的产品设计提供广阔的平台，并对消化、吸收国外先进技术应 用于自行设计的产品中，树立工厂在作业车生产领域的形象具有开 拓性意义。 t y 0 5 型作业车转向架设计及验证的主要研究内容： 1 3 1 转向架总体方案确定 ( 1 ) 调研参考车型转向架。 ( 2 ) 设计确定转向架总体方案。 ( 3 ) 设计确定各主要部件方案，即构架、轮对轴箱、悬挂装置、 牵引装置、基础制动装置及驱动装置的方案设计。 1 3 。2 转向架方案的设计计算 ( 1 ) 转向架( 整车) 几何曲线通过计算。 ( 2 ) 悬挂装置参数匹配计算。 ( 3 ) 制动距离计算。 1 3 3 转向架方案的校核计算 ( 1 ) 走行减速箱设计验算。 ( 2 ) 构架静强度比较计算。 ( 3 ) 动力学性能计算。 1 3 。4 转向架试制及改进 北京交通大学t 程硕f j ：专业学位论文 ( 1 ) 设计技术评审。 ( 2 ) 工作图设计及评审。 ( 3 ) 试制问题的提出。 ( 4 ) 对闯题的分析研究及解决方案设计。 ( 5 ) 试制问题的处理及验证。 1 3 5 动力学性能试验 ( 1 ) 试验的准备。 ( 2 ) 试验结论。 1 3 6 运用考核及结论 1 4 本章小结 本章论述了我国铁路建设对工程作业车的新要求、国内外工程 作业车的现状及发展趋势、t y 0 5 型作业车转向架的开发背景及选 题意义以及t y 0 5 型作业车转向架设计及验证的主要研究内容，完 成了以下工作： 1 通过对我国铁路建设需求及国内外作业车发展趋势的分析确 定了转向架设计的基本思路。 2 对t y 0 5 型作业车转向架设计的意义进行了阐述。 3 对t y 0 5 型作业车转向架设计及验证的主要研究内容进行了 介绍。 北京交通大学丁程碗i j 专业学位论文 第2 章t y 0 5 型作业车转向架的总体设计 2 1 项目设计思想 根据t y 0 5 型作业车设计项目总体要求。参考现有车型转向架 结构，借鉴机车、客车、地铁转向架设计的成熟经验，尽量采用经 过实际运用考验的成熟、可靠的零部件，充分考虑新产品新技术的 合理使用，严格“三化”要求，即标准化、系列化、模块化，为产 品系列化打好基础。在选择外协、外购件时尽量选择铁路商业产品 以利降低成本及维修费用。注意安装、维修保养要求，确保布置合 理、性能优良、安全可靠。因此在充分调研的基础上，选择了n 1 6 及n 2 0 型轨道吊转向架作为主要部件的设计参考。 2 2 转向架总体设计方案 转向架是高速作业车的重要组成部分。它用来传递各种载荷， 并利用轮轨间的粘着保证牵引力的产生。转向架结构性能的好坏， 直接影响作业车的牵引性能、运行品质、轮轨的磨耗和列车的安全。 因此作业车转向架应具有的技术要求如下： ( 1 ) 良好的动力学性能。尽可能减小运行中对线路的动作用力，减 少轨道及车轮的应力与磨耗；减小簧下重量；采用二系悬挂，增大 弹簧装置的静挠度，以适应高速运行的需要。 ( 2 ) 良好的可接近性。保证各部分具有良好的可接近性，尽量采用 无磨耗及不需要维修的结构形式。 ( 3 ) 自重轻，工艺简易。在满足强度和刚度的前提下，尽可能减轻 自重；制造工艺简单易行。 ( 4 ) 保证最佳的粘着条件。尽可能地发挥作业车的牵引性能。 ( 5 ) 零部件材质统。 2 2 1 转向架主要技术参数 根据t y 0 5 型交流传动作业车总体技术条件的要求，结合 转向架设计的特点，确定转向架主要技术参数如下： 北京交通大学工程礤士专业学位论文 适用温度 海拔高度，m 相对湿度 限界 设计最高速度k m h 。 运行最高速度k m h 。 轨距m m 轮径m m 固定轴距m m 轴重t 轴式 通过最小曲线半径m 基础制动形式 制动率 牵引点高度m m 牵引方式 承载方式 一系悬挂静挠度m m 一系悬挂阻尼( 每轴箱) 二系悬挂静挠度，m m 悬挂横向跨距m m 走行减速箱减速比 转向架自重t 机车最大启动牵引力k n 2 。2 。2 转向架总体结构 2 5 + 4 0 不大于1 5 0 0 小于9 0 满足g b l 4 6 1 8 3 标准轨距铁路机 车车辆限界车限1 b 的要求 135 1 2 0 1 4 35 9 1 5 18 0 0 9 1 a a 1 1 0 0 单侧闸瓦踏面制动 o 5 7 9 5 0 心盘牵引 心盘、旁承联合承载 7 8 + 2 ，( k n s m 1 )6 0 2 7 2 0 5 0 4 2 6 5 8 4 0 t y 0 5 型作业车转向架主要由构架、轮对、轴箱、心盘、旁承 装置、走行减速箱和基础制动装置等组成。根据t y 0 5 型作业车总 体要求和设备布置需要，确定转向架总体方案如图2 一l 所示。 北京交通人学t 程硕：j ：专业学位论文 倒2 - 】转向架组成 l 轴箱组成：2 心盘组成；3 构架组成；4 主( 从) 动轮对； 5 走行减速箱：6 旁承装置；7 基础制动装置 2 2 2 1 构架组成 构架是转向架的基础通过它将轮对、轴箱、心盘、旁承装置、 走行减速箱和基础制动装置等组合成为一个整体。为使各部件、装 置能正常发挥功能和作用，构架必须具有足够的刚度和强度以及几 何尺寸与精度要求。本车转向架构架为无端梁的h 形焊接钢结构， 如图2 2 所示，主要由两根焊接箱形侧梁和一根枕粱组焊而成。各 梁内设隔板，以保证各梁的抗弯、抗扭性能。构架各梁及各安装座 组焊完成后要经过回火热处理，以消除焊接应力，然后再进行整体 加工，这样可有效保证各安装座的制造精度，从而为整车性能的发 挥提供保证。 构架主要控制尺寸为固定轴距18 0 0 m m ，两侧梁横向中心距 2 0 5 0 m m ，相对应的拉杆座八字面对角线差及内侧距，弹簧座的相 对高度。 、 北京交通_ 夫学_ t 程碗：i ：专业学位论文 构架结构主要参照了n 1 6 及n 2 0 型轨道吊转向架。但在侧、 枕粱所用板料的厚度上有所不同。轨道吊由于自重及载重较大，采 用1 6 m m 厚钢板做盖板，1 2 m m 厚钢板做腹板，而本车采用1 2 m m 厚钢板做盖板，1 0 m m 厚钢板做腹板，不仅满足强度要求，而且减 轻了自重，改善了部件组装、焊接工艺性。 f 一= _ 二二一塑= 二_ 一1 巴掌三一市算譬d i - 4f 甲1f 斗1 7 | 、 m 一。；f ， f 一卫一_ 讳妞哺 僦 翟据亨蔫紊j 性1 1 - j i 。f 、l l 一娃卜一叫 ；! e 繁静一二 j 一 倒2 2 构架组成 2 2 2 2 轮对轴箱装置 轴箱是连接轮对与构架阃的活动关节，其与构架的连接方式对 作业车的运行品质有很大影响。本车转向架轴箱采用拉杆定位，它 具有提高机车运行稳定性、改善机车动力曲线通过和取消摩擦戮等 优点。轴箱与构架间装有一系悬挂的螺旋弹簧及橡胶减振垫，与其 匹配的油压减振器安装在轴箱端盖与构架的减振器座上。轴箱结构 图见图2 3 。 轮对通过左右轴箱内的15 2 5 2 6 t 和4 2 5 2 6 t 型轴承进行径向、 横向定位，轮对相对于轴箱有士1 5 m m 的横动，轴箱相对于构架有 7 m m 的横动量。一系悬挂弹簧系静挠度为8 0 m m 。 北京交通人学t 程硕士专业学位论文 嗣1 w 囊堇li ! 翱圆箩：攀一。 主 i 引划j 毫? _ 耸、r 。卜? m 一一_ j 寻一 誉暑美二笋 幽2 3 轴箱组成 l 拉杆组成；2 轴箱弹簧；3 轴箱体；4 橡胶减振垫； 54 2 5 2 6 t 滚动轴乐；6 1 5 2 5 2 钾滚动轴承l7 油压减振器 轮对有主、从动之分，主动轮对的车轴中部安装了动力驱动装置一 走行减速箱，其余部分与从动轮对相同。车轮通过注油压装到车轴 上，有利于提高车轴寿命。轮轴压装完后经过数控成型车床加工踏 面，有效保证了轮对的尺寸精度，降低了运行中的不平衡力。在l 位转向架主动轴左端安装有机车测速传感器，右端装有逆变系统测 速发电机。从动轮对右端安装接地装置。车轴轴径为13 0 m m ，轮径 为9 15 m m ，磨耗型踏面。 本车轮对轴箱结构主要是借用t y 2 系列作业车的成熟设计，具 有了较高的通用性、可靠性。为了更好地适合t y 0 5 型作业车，对 轴箱和构架间的一系螺旋弹簧进行了改进，即将原来的双圆簧改为 单圆簧，适当地加大了静挠度，同时增加了橡胶减振垫，使其动力 学性能得到较大改善。 2 。2 。2 3 走行减速箱 走行减速箱也是借用t y 2 系列作业车的成型部件，由一对圆 柱齿轮和一对锥齿轮构成。动力的传递是先锥齿轮后圆柱齿轮。这 北京交通人学t 程坝卜争业学位论文 样布置可以减小锥齿轮受到来自车轮与钢轨的冲击的影响，对提高 锥齿轮的寿命有利。各轴承室强迫润滑冷却。在上箱体和构架之间 安装了水平方向的平衡拉臂。 锥齿轮为济南罗克韦尔车桥有限公司产品，是汽车通用件，具 有较高的可靠性；圆柱齿轮经过精加工和热处理，能满足精度和强 度等各方面的技术要求。齿轮箱总的传动比为4 2 6 。圆柱被动齿轮 靠过盈量加热套装在车轴上，传递扭矩给轮对，从而牵引机车运行。 润滑系统由安装在下箱体内的齿轮泵提供强迫润滑循环动力。 蛳 罐 图2 4 走行减速箱结构图 11 衡拉臂组l 戊i2 卜箱件；3 下箱仆；4 三轴装配； 5 二轴裟配：6 润滑系统：7 一轴装配 经过近十年的装车运用，t y 2 系列作业车走行减速箱的安全性 和可靠性已得到充分的证实。在用于本转向架时对部分密封件进行 tlt女 睁麟 一 | _ 北京交通人学t 程硕l 专业学位论文 了改进，出进口件替代了国产件，同时调整了润滑系统。走行减速 箱结构图见图2 4 。 2 2 2 4 牵引装置 牵引装置主要是传递牵引力、制动力和各种冲击力的。t y 0 5 型作业车转向架采用心盘结构作为牵引装置。结构选择时考虑到作 业车作为牵引车的工况较少，对牵引性能要求不高，所以采用了类 似n 2 0 轨道吊的牵引装置。它与牵引杆结构比较有结构简单的特 点但牵引点高。 心盘为球面心盘，是铸钢体，由上下心盘组成，分别安装在车 体枕梁、构架枕梁上。组装时在上下心盘接触面涂适量润滑脂。为 实现机车的整体起吊，上下心盘之间安装有中心销，当车体被吊起 时，上心盘通过中心销将转向架也随之吊起。心盘结构图见图2 5 。 f $ “f 串| 一小专i 审一埘 慷ji 皇 i _ 图2 5 心盘组成 l 中心销：2 ，下心盘：3 + r 心盘 2 2 2 5 旁承装置 本车旁承装置是与心盘结构配套使用的结构，为半刚性斜面式 滚柱旁承，是由旁承座、磨耗板、滚柱、弹性橡胶块等组成，其中 橡胶块是二系悬挂，静挠度为2 m m 。每台转向架设有2 个旁承装置， 其主要功能是除支承车体上部重量外，当机车通过曲线时还能实现 北京交通大学t 程硕l ：专业学位论文 车体与转向架之间的回转并提供一定的恢复力矩。旁承支承点的横 向间距为2 0 5 0 m m 。结构图见图2 6 。 r 4 t f i j 讪i t 2 。 l j = 士：三4 划：】 圈2 6 旁承装配 1 下旁承组成；2 j ：旁承组成 2 2 2 6 基础制动装簧 基础制动采用连杆传力机构，单侧闸瓦制动，制动缸采用东风 4 型机车制动缸，手动调节闸瓦间隙和闸瓦姿态。基础制动的制动 王_ 。) 图2 7 基础制动装置 同定1 1 i i “纽裴；2 调控器裟配；3 制动连杆 4 靠4 动缸：5 游动闸瓦组装；6 制动粱 12 蜒t甜弘、 奄搬，i 曩陟妒 北京交通大学t 程硕士专业学位论文 率为0 ，5 7 ，制动倍率为7 。t y 0 5 型作业车制动距离计算书表明； 机车初速度为8 0 k m h 时，紧急制动距离为3 4 5 5 4 m 。基础制动装 置结构图见图2 7 。 手制动装置采用客车手截动机牵拉钢丝绳，通过滑轮组作用于 l 位转向架的制动梁上。 本车基础制动装置具有结构简单、杆件少、重量轻、结构布局 匀称合理、维护保养方便、可靠性高等优点。 另外，转向架在设计中预留了砂箱安装位置，如果需要，可配 装撒砂装置，以改善多雨、雪地区牯着不足的问题。 综上所述，本车转向架的结构设计及零部件选择都是在广泛调 研、采纳和吸收其它车型上有代表性的、成熟的并经过运用考验证 明是可靠的设计基础上进行的，在提升转向粲性能的关键部位又进 行了优化，力争使结构更合理，性能更优良，因而其结构强度、刚 度及各部工作性能、可靠性等均可得到保证。 2 3 本章小结 本章研究了t y 0 5 型作业车转向架项目设计思想和技术要求， 确定了总体设计方案及主要部件设计方案，完成了以下工作： 1 根据项目设计思想及整车要求提出了转向架总体方案。 2 对总体方案技术参数进行了介绍。 3 对各主要部件方案进行了设计介绍。 4 完成了转向架总体及各主要部件方案的草图设计。 13 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第3 章t y 0 5 型作业车转向架设计计算 3 1 概述 因为机车产品的特殊性，设计计算在机车设计中占有举足轻重 的地位。其内容涉及牵引性能、结构强度、刚度、运行品质、运行 安全等各个方面，特别是在新产品设计、新技术推广运用时，计算 成为了压倒一切的前提和基础。 转向架性能的好坏直接影响机车的运行品质和安全，对转向絮 设计所做的有关计算尤为重要。通过计算，不仅能及时有效地发珊 设计存在的问题和不足，避免安全隐患，减少失败和浪费，而且雏 预测某些参数是否能达到预期目标，指出设计改进的方向。尽管吐i 于车型种类繁杂，许多公式和方法都是经验性的，但其指导意义深 远。 3 2 转向架方案的设计计算 3 2 1 机车几何曲线通过计算( 分析法) ( 结合整车) 1 原始数据 表3 1 ( 见表3 1 ) 原始数据表 项目数据 车钩中心线间距a 1 3 9 0 0 m m 转向架轴距l 1 8 0 0 m m 前、后转向架心盘中心距l k 8 1 4 0 m m 轨距b1 4 3 5 m m 滚动圆间距2 s1 4 9 9 m m 轮对横动量e1 5 m m 通过最小曲线半径r 曲 1 0 0 m 轮缘与钢轨全间隙+ o1 5 + 1 6 = 3 1r r l m 曲线加宽度，m m ； o 直线上钢轨内侧与轮缘外侧的全间隙，m m 。 2 计算转向架相对车体的转角e ( 前后转向架皆处于最大偏斜位 北京交通人学工程硕士专业学位论文 如图3 1 ) 式中： 肾孑；。后= s l 、s 2 分别为前后转向架心盘中心至车体转心的距离； x l 、。3 分别为第一轮对和第三轮对的转心距； l 为各轮对至转向架心盘中心的距离，l = 9 0 0m m 。 图3 - 1 转向架处丁晟人偏斜位时的曲线通过 2 1 车体转心至转向架心盘中心的距离s 1 、s 2 耻跏等= 半= 如，咖 2 2 转向架处于最大偏斜位时的转心距 而= 屯= 上( y 2一) r 。i 。 l 式中： y l 、y 2 分别为第一、第二轮对对外轨的偏移量。 己知：l = 1 8m ，r m i n = 1 0 0m ，y l = - 0 0 0 15m ， y 2 = ( + a ) + e = 0 0 3 1 + 0 o o l5 = o 0 3 2 5m 一 j ! 塞奎望叁兰三堡堡! ：童些堂垡笙茎 赃铲铲萼+ 唑型等型螋观7 咖 2 3 求转角 e 0 前= s ，+ l 一x 4 。0 7 + 0 9 2 7 8 8 9 r m 1 0 0 o 0 2 18 l ( 弧度) = 1 2 5 0 o 后：挚：型= 攀：o 0 5 9 5 9 ( 弧度) - 3 4 1 4 。 “ r 。1 0 0 “”“1 3 计算军体中邵最大偏移量 3 1 转向架转心对外轨的偏移量 = 羔= 器“删s m ，9 m y 。12 三主：+ y l2 i f 而+ ( 一o o o l 5 j 2o 0 3 7 3 9 m 3 2 转向架转心至心盘中心之距离x 。 z 心= x 1 一三= 2 7 8 8 9 一o 9 = 1 8 8 8 9 聊 3 3 转向架心盘中心对外轨的偏移量y 。 嘞一丢一。啪， 器一o 啪6 研 3 4 车体转心对外孰的偏移量y 卜篆圯。= 罴叫呲船引卅m 3 5 车体中部对外轨的偏移量 y m a x y m a x = y = 1 0 1 2 lm m 4 计算车体端部对外轨的最大偏移量y 。( 前后转向架皆处于最 大外移位，如图3 2 ) 6 北京交通人学t 程硕士专业学位论文 ， 图3 2 转向架处于最大外移位时的曲线通过 4 1 转向架相对车体的转角e 。= e ：= 彘= 羔= o 0 4 0 7 ( 弧度) = 2 3 3 2 。2 。 2 1 0 0 4 2 车体转心至转向架心盘中心的距离s l 、s 2 s ：s ，：生：坐：4 0 7 m 4 3 转向架处于最大外移位时的转心距x ； 五：矗：托：x 。：三：坐：o 9 掰 x l = z 2 = x 3 = x 4 = i = 丁= u ，7 ” 4 4 转向架转心对外轨的偏移量y 。1 y 。l ： 一十y ：旦+ ( 一o 0 0 1 5 ) ：o 0 0 2 5 5 ， l = 毒叫l = 丽“- o o 叭5 ) ：0 0 0 2 5 5 m 4 5 转向架心盘中心对外轨的偏移量y 。 y 。= l = o 0 0 2 5 5 m 4 6 车体转心对外轨的偏移量y k 羔。= 篆+ o 蚴s - o o s s 锄= s s 砌小 4 7 车体端部对外轨的偏移量y 。 北京交通大学丁程硕士专业学位论文 式中 卅一是 x ；一车体底架端部( 排障器脚踏板外) 至车体转心的距离， x 端：! 三鱼鱼旦掣= 6 6 0 0 ，”卅= 6 6 y 端。m x = o 0 8 5 4 一互芝；百= 一o 1 3 2 4 ，”= 一1 3 2 t 4 m ，打 5 限界校验 从几何关系上看，转向架各轮对用尽其横动量( 不含轴箱相对 构架的横动量) ，在曲线上可处于两种不同位置，即：最大偏斜位 和最大外移位，这两种位置均为极限位置。根据这两种极限位置， 可确定整台机车在曲线上的两个极限位置。 5 1 当前后转向架均处于最大外移位时，车体端部相对于外轨偏移 量最大( y - 。= 13 2 4m m ) 。 5 2 当前后转向架均处于最大偏斜位时，车体中部在曲线内侧，相 对于外轨偏移量最大( y 。= 10 1 2 1 m m ) 。此时，后转向架相对于 车体的转角e “最大( o 口= 3 4 1 4 。) 。 5 3 限界校验 机车几何曲线通过计算的作用，除为机车总体设计确定有关结 构尺寸提供依据外，其主要目的是检验当机车通过最小半径曲线且 处于两个极限位置时，其端部和中部是否侵入建筑限界。 铁路技术管理规程规定，曲线上建筑接近限界加宽计算公 式如下： 曲线删凇彤= 竿+ 击棚)ki ) u u 曲线外侧加宽矾：! 坚坐( 。) 片 式中：r 一曲线半径( m ) ； 北京交通大学下程硕i 专业学位论文 梯下部) 则： h 一计算点自轨面算起的高度( m m ) ，取h = 3 4 0m m ( 车 h 一外轨超高( m m ) ， 取h = 5 0m m 形= 竺婴+ 塑5 0 = 4 1 6 3 m 珊 = 一+ 一) u = 4 j o j m 珊 1 1 0 01 5 0 0 职：竺塑：4 4 0 成聊 1 0 0 ( 1 ) 校验机车端部( 外侧，前后转向架均处于最大外移位) 应满足 妇+ 昙+ 辈 限界宽度，2 即1 3 2 4 + 堑+ 型；1 6 4 0 4 州朋 22 按基本建筑限界：建限一l 之规定，在距轨面2 0 0 m m 以上、 3 5 0 m m 以下，限界半宽为l7 2 5 m m ，而机车两侧最低点( 上车梯 子最下部) 距轨面3 4 0 m m ，故此处限界半宽为17 2 5 m m ，加上曲 线限界外侧加宽量，则实际限界半宽为17 2 5 + 4 4 0 = 2 1 6 5m m 。 综合上述情况，知；机车端部最大外移量1 6 4 0 。4 m m ，小于限 界允许半宽2 1 6 5 m m ，可以安全通过。 ( 2 ) 校验机车中部( 内侧，前后转向架均处于最大偏斜位) 应满足 y 。一；十掣( 限界宽度2 即1 0 1 2 1 一堕+ 型= 1 5 9 3 2 l 啪棚 2 2 实际限界半宽为1 7 2 5 + 4 1 6 3 = 2 1 4 1 3m m 。 计算结果表明：机车中部校验点最大内移量1 5 9 3 2 1 m m ，小 于限界半宽2 1 4 1 3m m ，可以安全通过。 6 根据轮轨冲角的限制确定转向架通过最小曲线半径的能力 北京交通人学t 程硕。卜专业学位论文 根据美国的经验公式：考虑轮轨冲角的限制，两轴转向架能通 过的最小曲线半径为 。 转向架轴距三 月一2 i 一2 i 当车轮直径为7 8 7 10 16m m ( 3 1 4 0 英寸) 时，k = 0 1 8 本车采用9 15 m m 轮对，则k = 0 18 。= 怎圳m 7 第一轴外轮对外轨的冲角n 当前转向架处于最大偏斜位置时，a 最大 q 。三l 。塑塑：o 0 2 7 8 8 9 m d ：1 5 9 8 。 r1 0 0 8 校验旁承结构尺寸 已知：o = 3 4 1 4 。， o a = 0 a = 0 b + b a = 10 2 5 + 1 9 0 2 = 1 1 2 0m m 则：a b = o a 7 s i ne = 1 1 2 0 s i n 3 4 1 4 。= 6 6 7 m m 即：通过1 0 0 m 半径曲线，旁承磨耗板有效长度约为 x = 2 a b 十中= 2 6 6 7 + 8 0 = 2 13 4m m ( 中为旁承滚子间距) 现图( 如图3 3 ) 实际为3 1 0 m m ，能够满足要求。 幽3 3 旁承结构尺寸校验图 雨 一 学，坤 u 一 北京交通大学工程硕卜专业学位论文 9 结论 用分析法计算机车通过最小半径( r 。= 1 0 0m ) 曲线的结果 表明，当机车处于两个极限位置时，其端部和中部均未超过建筑限 界，按照几何关系机车可顺利通过最小半径r 。i 。= 1 0 0m 曲线。 3 2 2 悬挂装罨参数匹配计算 弹簧悬挂系统结构参数在设计中较参考转向架有所不同，在初 步选择完成后，又通过如下理论分析计算以确认参数选择匹配的合 理性，并提出些试验参数，供动力学性能试验时加以验证。 1 悬挂系统结构及参数 t y 0 5 型作业车转向架采用了圆弹簧及橡胶减振垫一系减振系 统加油压减振器结构，拉杆式轴箱定位方式，使作业车的运行品质 有了显著改善。 主要参数如下： 簧上质量 m = 2 9 0 0 0 k g 每组簧静载荷 m l ；2 9 0 0 0 1 6 2 18 1 2 5 k g 每个轴箱垂向静载荷 m = 2 m i = 3 6 2 5 k g 弹簧静挠度 f 0 = o 0 7 8 m 每组弹簧垂向刚度 k 0 2 m l g f 0 = 18 1 2 5 9 8 i o 0 7 8 = 2 2 7 5 k n m 橡胶减振垫静挠度 f l = 0 0 0 2 m 橡胶减振垫垂向刚度 k i = m l g f l = 18 12 5 9 8 i 0 0 0 2 = 8 8 9 0k n m 每个减振系垂向剐度 k 2 = k o k l ，( k o + k 1 ) = 2 2 0k n m 每个轴箱弹簧减振系的垂向刚度 北京变通大学t 程砚i j 专业学位论文 k 3 = 2 k 2 2 4 4 0 k n m 每个轴箱的拉杆垂向定位刚度 k d = 2 4 0 2 = 4 8 0 k n m 每个轴箱的垂向总刚度 k = k 3 + k 4 = 9 2 0 k n m 油压减振器阻力系数 c = 6 0 k n s m 轮径 d = 0 9 15 m 2 动力学分析计算 假定每组簧的刚度相同，车体重心没有偏移，在这种情况下， 车体垂向的浮沉振动与点头振动互不相干，车体的浮沉振动性质与 独立的车轮荷重系统完全相同，只是激振力和振幅相对较小，所以 在此只考虑独立的车轮荷重系统。 如图3 4 ，为作业车独立轮对的荷重系统模型 例3 4 荷重系统模型 系统的运动微分方程为： 疙+ c 2 + 世z = ，o ( 1 ) 式( 1 ) 中： 22 北京交湎大学t 程城i ：专业学位论文 m 一一每个轴箱的垂向静载荷 c 一一减振器阻尼系数 k 一一每个轴箱的垂向总刚度 f ”一一来自线路或车本身的激扰力函数。 式( 1 ) 的齐次方程 m 2 + c 2 + k z = q 或之+ 2 打2 + 国2 z = o ( 2 ) 其中： h ；三一一衰振系数 ：、墨一一无阻尼时的固有振动圆频率 v 打， 式( 2 ) 的特征方程为 ，2 + 2 咿+ 彩2 = o 其解为： _ ，2 = 一玎土门2 一彩2 当n u 时系统才发生振动 故有- ，2 = 一h f 2 一h 2 = 一玎f = 国2 一”2 一一有阻尼时固有振动频率 相对阻尼率d ：兰 代入数据，求得： 门：三：! ! ! ! ! ：8 2 8 叭1 2 州2 3 6 2 5 、 国：厝：譬划m s ， ：瓣：正面丽：1 3 5 7 ( 1 j ) 北京交通大学t 程硕卜孥业学位论文 d ：兰：堕：o 5 2 m 1 5 9 3 因此系统的固有振动位移 z l = 一p - b2 8 s i n ( i 3 5 7 f + 口) a 一一振幅 设t = o 时z 1 = a则= 9 0 。 再令z o = - a 则z l = z o p _ 82 8 c o s l 3 5 7 ，( 3 ) 这是一个振动周期r ：丝：o 4 6 s 的衰减振动。 当t 一一时z 一0 ，振动将最终消失。 现在分析激扰力函数f “对系统振动的影响。 引起系统垂向振动的激扰力主要来自线路不平顺和车辆轮对 不平衡力。它们均呈周期性，下面分别讨论。 a 线路不平顺对系统的影响 来自线路的激扰频率主要与钢轨接缝间距和运行速度有关。如 果系统以匀速v 在波形线路上运行，则激扰频率 p ：鲨 上 l 一一轨长 当p ：。，时系统发生共振，即：三坐 上 k ：尝称为共振临界速度 如轨长l = 2 5 m ， 则匕= 望掣= 5 4 ( 聊j ) = 2 0 0 ( 砌，而) 所以作业车在工作速度范围内，对来自线路的激扰力不会引起 共振，即作业车是在亚临界速度下工作。 如果作业车按最高速度v = 1 2 0 k m h 运行，则有 肛孚= 等“，s ， 北京交通人学_ t 程顿卜专业学位论文 频率比印= 虽= 器一o z ，。 此时系统的增幅系数： y = j 高赫乩盯 b 再分析轮对不平衡力引起的振动 设速度为v 时，轮对转速为nr p m 则有v = ndn 6 0 = 3 6 0 0 d f 其中f ：n 6 0 一一轮对转动频率 d 一一轮径 当f _ f ，即轮对激扰频率等于系统固有频率时，系统发生共振。 此时的速度： v c = 3 6 0 0 d f = 3 6 0 0 o 9 15 l3 5 7 ，2 = 2 2 3 5 ( k m h ) 即轮对不平横力引起的作业车的共振发生在约v = 2 2 k m h 时， 因此在行车中司机应尽量避开此速度敏感区运行。 此时系统的增幅系数： ，：、f 堕坚：、生型坚- 1 3 9 舻、可2 1 可丽。1 3 9 3 结论 以上理论分