（车辆工程专业论文）高速动力车转向架构架有限元分析.pdf

耍壹銮望丕堂婴壅生兰垡笙奎 笙i 戛 a b s l r a ：i 眦t h e r a p i dd e v e l o p m e n n to fm o r d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o ni nr a i l w a yi n d u s t r y , h i g hs p e e d t r a i nh a sb e c o m et h er e a l i t ya n di t s s p e e d w i l lb eh i g h e rt h a nb e f o r ei nt h et e c h n o l o g yo fh i g hs p e e dr a i l w a y , h i g h s p e e d t r a i np l a y sa l li m p o r t a n tr o l ea n dt h es t u d yo i lb o g i eo f h i g hs p e e dp o w e r c a ri s n e c e s s a r yp a r t i ti sn o ta l l f a n c yt oe s t a b l i s hh i g hs p e e dr a i l w a y i n c h i n a n o ww eh a v e d e v e l o p e dh o l l o w a x l eb o g i ea n dt h ec a r d a ns h a f tb o g i e a s f r a m e 撕n gi m p e t a n tp a r to fb o g i e i tw i l li m p r o v et h ed y n a m i c sq u a l i t yo f b o g i ea n dr a i s et h ew a i n sr u n n i n gq u a l i t yt h a ti s t om a s t e rt h ed i s t r i b u t i o no f s 拉e s sb yt h e f i n i t ye l e m e n ta n a l y s i s t h em o s tf a s h i o n a b l ea n dg e n e r a le n g i n e e r i n gs o f t w a r e - - - - a n s y sw i l lb e 印p h e di nt h i sp a p e r t h ef l a m eo f h o l l o w a x l eb o g i eo f h i g hs p e e dp o w e rc a r t h a to u r c o u n t r yd e s i g n e db y o w nw i l lb e a n a l y s i s e db y t h e f e a b ye s t a b l i s h i n g t h ec o m p u t e rm o d e lo f f i a r n e , w ed e f i n et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n si na c c o r d a n c e w i t ha c t t l a jb o u n d a r yc o n d i t i o n s , ic a l c u l a t ew i t hl o a d i n go nf r a m ea c c o r d i n gt o t h ei n t e m a t i o m la n d r a i l w a yu n i o ru 1 c 5 1 5 v e s t a n d a r d e ra n d t h es t r e n g t ha n d t h ed y n a m i c sr u l e so f t h e h i g hs p e e d t e s tp o w e r 诳”1c h e c kt h ef a t i g u es t r e s s , s t a t i cs t r e s sa n ds t i 伍n e s ss t r e s s b a s e do nt h es t a t i cs o l u t i o n , t h ei m p e rc l o s e dt h e n o d e o f t h e t h r e e w e l d s o f l a t e r a l b e a ma n d o f t h e t w o j u n e t i o m o f e n 砖ss e c t i o n , t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n sr u l e so f t h el a t e r a lb e a mw i l lb em a s t e r e d i nt h em e a n t i m e , t h em o d ea n a l y s i s o f 曲m ei s a p p l i e d t h ea n a l y s i s o nt h es t r e s s d i s t r i b u t i o me f f e c to fl a t e r a lb e a ma f t e r 曲哪l g e dt h ei n t e r 蚰u 蜘o fl a t e r a l b e a mw i l lh ed o n e b a s e do nt h ee o m p a r a t i o no f t l 】盼或蜮d i 毹r i h o t i o nr u l eo f s t a t i cs o l u t i o na sm a n y g r a p h sa d o p t e d t h el o c a l 觚c i l a 噼o f h t e r a l v e r t i c a l p o s i t i o nw e l d i n gi sa n a l y s i s e da f t e rt h el a t e r a lp a r t i t i o np l a t o 址t h e , t a m p s e a t c a n c e l e da tt h ec o n d i t i o no f t h e d a m p s c a tb yf o r c e t h ea c o t u a o yo f t h e d e s i g n c a nb ec o n f i r m e do n t l l 哆t h r o u g ht h ee o m l u t i o ng e t e d f r o mt h es o l u t i o na n d t h ea n a l y s i so f t h ep o p e r i ti sa d v a n t a g et or a i s et h el e v e lo f t h ef r a m eo f h i g h s p e e dp o w e r c a rb o g i e k e y w o r d ：h i g hs p e e d ，p o w e r l ；b 峨f r a m e , m e s s , f i n i t e e l e m e n t 亘壹奎望盔兰堑茎生兰堡适塞笙! 一 第一章绪论 在六、七十年代，随着公路交通和航空运输业的发展，西欧各国的铁 路面临巨大的挑战，逐渐失去了与公路交通和航空运输共享的客运市场。 随后，西方各国相继研制出了各种模式的高速列车，如：日本的新干线高 速列车、德国的i c e ，法国的t g v ，英国的a p t 等。国外提速的实践证 明，提高铁路列车速度给铁路带来了很大的社会和经济效益，可以缩短运 行时间、增加运能、增强铁路与公路、航空的竞争实力。同时也是推动铁 路科技事业的强大动力，是世界各国铁路不可抗拒的潮流和必然趋势，提 高铁路列车速度是当前世界各国铁路的一个重要课题和发展方向。 随着现代科学技术的快速发展和在铁路产业上的应用，铁路高速化也 已成为现实并朝高速度方向发展。在高速铁路技术中，高速列车占有十分 重要的地位，而高速动力车转向架的研究就成为其中不可缺少的一部分。 1 1 我国高速动力车转向架的研究状况 提高铁路运输速度是铁路现代化的标志之一，尽管我国高速列车的发 展刚刚起步，比一些先进国家的铁路要晚二三十年，但是我国现在搞高速 列车也有有利的一面，世界上许多国家的高速铁路已进入成熟的实用阶 段，我国可以借鉴和利用他们的一些先进经验，引进一些关键技术，使我 国在规划发展铁路高速化的研究过程中少走弯路，在时问上迎头赶上世界 先进国家的水平。 转向架是高速列车最关键的部件之一，是对最高运行速度的限制性部 件，对于确保运行安全，改善走行品质，提高舒适程度，减轻对环境的污 染等有着极为重要的作用。动力车转向架必须承担牵引任务，其结构工艺 复杂、支撑的重量大，要求的功能高，因此动力车转向架的研制难度大。 在中国建设高速铁路已不在是梦想，高速铁路关键技术的研究已上升 到了最高层次一国家科技攻关。国家“八、五”科技攻关项目 高速动 力车转向架关键部件的研究经过专家及技术人员的不懈努力，已取得了 亘壹奎望盔兰堑茎生兰堡适塞笙! 一 第一章绪论 在六、七十年代，随着公路交通和航空运输业的发展，西欧各国的铁 路面临巨大的挑战，逐渐失去了与公路交通和航空运输共享的客运市场。 随后，西方各国相继研制出了各种模式的高速列车，如：日本的新干线高 速列车、德国的i c e ，法国的t g v ，英国的a p t 等。国外提速的实践证 明，提高铁路列车速度给铁路带来了很大的社会和经济效益，可以缩短运 行时间、增加运能、增强铁路与公路、航空的竞争实力。同时也是推动铁 路科技事业的强大动力，是世界各国铁路不可抗拒的潮流和必然趋势，提 高铁路列车速度是当前世界各国铁路的一个重要课题和发展方向。 随着现代科学技术的快速发展和在铁路产业上的应用，铁路高速化也 已成为现实并朝高速度方向发展。在高速铁路技术中，高速列车占有十分 重要的地位，而高速动力车转向架的研究就成为其中不可缺少的一部分。 1 1 我国高速动力车转向架的研究状况 提高铁路运输速度是铁路现代化的标志之一，尽管我国高速列车的发 展刚刚起步，比一些先进国家的铁路要晚二三十年，但是我国现在搞高速 列车也有有利的一面，世界上许多国家的高速铁路已进入成熟的实用阶 段，我国可以借鉴和利用他们的一些先进经验，引进一些关键技术，使我 国在规划发展铁路高速化的研究过程中少走弯路，在时问上迎头赶上世界 先进国家的水平。 转向架是高速列车最关键的部件之一，是对最高运行速度的限制性部 件，对于确保运行安全，改善走行品质，提高舒适程度，减轻对环境的污 染等有着极为重要的作用。动力车转向架必须承担牵引任务，其结构工艺 复杂、支撑的重量大，要求的功能高，因此动力车转向架的研制难度大。 在中国建设高速铁路已不在是梦想，高速铁路关键技术的研究已上升 到了最高层次一国家科技攻关。国家“八、五”科技攻关项目 ( 送 审稿2 ) ，对构架的计算工况进行组合，其组合工况见表1 ： 耍查銮望丕兰堡圭兰垡笙塞 萋；! 夏 载荷、横向载荷和纵向载荷，横向载荷的大小主要取决于垂向载荷，垂向 载荷依赖于机车的重量和转向架的质量。 垂向载荷： 侧梁：f y = l 4 m c + 4 x ( 2 3 ) 弛一2 蝴g 一一( 1 ) 其中： f y ：构架一侧垂向静载荷( k n ) 札：动力车的总质量( t ) n ：转向架的质量 ( t ) g ：重力加速度( m s ) 端梁：f y = l 3m dg 一一一一( 2 ) 其中： f y ：构架单端端梁垂向静载荷( k n ) l i l d ：转向架驱动制动单元的总质量( t ) 模拟营运横向载荷： f z ：o 5 ( f y + 0 5m b ) 一一一( 3 ) 其中：f z ：构架模拟营运横向载荷 f y 构架一侧垂向静载荷( k n ) 最大可能横向载荷：( k n ) k 2 0 ( 1 0 + i 3p 。) 9 8 1 0 其中：r 一：最大可能横向载荷( k n ) p 。：静轴重( ) 模拟运营纵向载荷： 机车以2 5 0 k m h 速度运行时的牵引力 f 持= l o ok n f 驮= 1 0 0k n 4 2 2 构架载荷组合工况 ( 5 ) ( 6 ) 根据上述基本载荷，参照高速试验动力车强度及动力学规范 ( 送 审稿2 ) ，对构架的计算工况进行组合，其组合工况见表1 ： 耍壹塞望盔兰堡主兰垡迨塞 笙! ! 夏 表1 ：构架静动强度计算载荷工况表 载作用于侧梁的作用在转牵引构架端梁的 荷 垂向载荷 向架力f x垂向载荷 工的横向载 况 左侧右侧 荷f z 前端后端 f y lf y 2f y l f y 2 l f yf y o0f y r 2 ( 1 + qb ( 1 一ob _ 0 f 持 ( 1 + a 1 ( 卜1 一 b o f yb 0 f v 1 3 1 ) f y b i ) f y 3 ( i + ob ( 1 一口b r f ： f 持 ( j + a 1 ( 1 一a 1 一 b 0f ybb ) f y 1 3 1 ) f y b i ) f y 4 ( 1 + ab +( 1 一nb + 0 f 持 ( 1 + a l +( 卜0 1 + bh ) f ybb ) f vb 1 ) r b 1 ) r 5 ( 1 + db +( 1 一ab + f z f 持 ( 1 + a 1 +( 1 一o l + bb ) f yeb ) f y b 1 ) f y b 1 ) r 6 ( 1 一ab 一( 1 十口旷 o f 持 ( 1 - 口l n + d 1 9 0f ybb ) f y b 1 ) r 9 i ) r 7 7 ( 1 一ab ( 1 + 口b _ f ： f 持 ( 卜a 1 一( 1 + o l 一 bb ) r肌) f v b i ) f y 7 1 3 1 ) f y 8 n ab +( 1 + 口b 斗 0 f 持 f 1 一a i +( 1 + d l + bb ) f ybb ) f y 1 3 1 ) f y 口i ) r 9 ( 1 一nb +( 1 + 口b + f z f 持 ( 卜a l +( 1 + a l + 1 3b ) r1 3h ) f y9 1 ) r 1 3 1 ) f y 1 0 ( 1 + qb +( 1 + qb 十 f 量 ( 1 + c i l +( 1 + 1 + b 0f y1 3b ) f y大 b 1 ) 一b 1 ) r 其中：( 3 1b = o 1 、1 3b = o 2 ab 、b b 、为考虑车体在曲线上滚摆和车体运行中浮沉的动载荷系数。 a 一、b 一为考虑电机扭矩和驱动制动单元振动引起的作用于两端梁的动 载荷系数。 4 3 构架端梁各麓荷工况下垂向动载荷系数，、b ，的 分析确定 在规范9 5 j 0 1 - l 中，构架静动强度计算载荷工况表，给出了作用于 侧梁的垂向载荷系数qb 、且b 耍壹塞望盔兰堡主兰垡迨塞 笙! ! 夏 表1 ：构架静动强度计算载荷工况表 载作用于侧梁的作用在转牵引构架端梁的 荷 垂向载荷 向架力f x垂向载荷 工的横向载 况 左侧右侧 荷f z 前端后端 f y lf y 2f y l f y 2 l f yf y o0f y r 2 ( 1 + qb ( 1 一ob _ 0 f 持 ( 1 + a 1 ( 卜1 一 b o f yb 0 f v 1 3 1 ) f y b i ) f y 3 ( i + ob ( 1 一口b r f ： f 持 ( j + a 1 ( 1 一a 1 一 b 0f ybb ) f y 1 3 1 ) f y b i ) f y 4 ( 1 + ab +( 1 一nb + 0 f 持 ( 1 + a l +( 卜0 1 + bh ) f ybb ) f vb 1 ) r b 1 ) r 5 ( 1 + db +( 1 一ab + f z f 持 ( 1 + a 1 +( 1 一o l + bb ) f yeb ) f y b 1 ) f y b 1 ) r 6 ( 1 一ab 一( 1 十口旷 o f 持 ( 1 - 口l n + d 1 9 0