（车辆工程专业论文）三轴径向转向架采用非对称导向机构的可行性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 径向转向架是相对传统转向架而言，具有径向调节功能的转向架。径向 转向架能有效消除轮轨冲角、实现前后轮对摇头运动耦合，降低轮缘磨耗并 提升转向架性能，是一种能很好满足我国线路现状( 小半径曲线较多) 的转向架 形式。 在研究分析了国内外径向转向架上常见的导向机构之后，本文提出了一 种不以转向架横向或者纵向的中心线对称分布的新型导向机构，称之为非对 称径向导向机构。文中对非对称径向导向机构的导向原理从机构运动学的角 度进行了理论分析，通过机构函数综合验证了其满足径向转向架的导向要求。 该r s s r r s s r 形式的机构具有非对称、空间布置灵活、适应性较强等特点， 能有效的解决在既有转向架基础上进行径向改造时，导向机构与既有转向架 部件发生干涉的难题。 进行改造的主要工作是设计出非对称的径向导向机构，并对要改造的转 向架进行少量改动，使导向机构可以安装在被改造的转向架结构上。文中首 先介绍的是机构设计的理论和方法，并应用机构功能分解组合拟定了所设计 导向机构的运动功能组合，即机构的运动链。根据运动链和改造目标转向架 的空间结构确定了导向机构的简图和部分机构尺寸。 本文研究了导向机构综合的方法，并引入了编程来解析机构的思路。在 机构综合时采用了基于程序的机构数学模型运算。在编程求解机构参数和对 机构做仿真计算时，充分考虑了方法的通用性，确保程序和方法可以用于其 他类似机构解析中。机构解析完成后，本文对所设计的导向机构进行了具体 的机械结构设计，和相关部件的稳定性及强度校核，进一步讨论并验证了这 种设计方案的可行性。 本文在理论研究的基础上，结合既有大功率传统转向架进行径向改造的 科研课题，提出了非对称径向导向机构的结构方案，并完成了相关的计算分 析。从而验证了非对称径向导向机构应用于径向转向架的可行性，本文的研 究为既有转向架进行径向改造提供了一种新的改造思路。 关键词：机车三轴转向架径向导向机构非对称r s s r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t r a d i a lb o g i ei sar e l a t i v e l yn e wk i n do fb o g i e s ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o m t r a d i t i o n a lb o g i e s ，w i t hr a d i a la d j u s t m e n tf u n c t i o no nt h eb o g i e r a d i a lb o g i ec a l l e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ea n g l eb e t w e e nw h e e la n dr a i l ，r e d u c ef l a n g ew e a ra n d i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so fb o g i e i ti s aw e l l f o r m e db o g i et om e e tc h i n a s c u r r e n ts i t u a t i o nw h i c hh a sal o to fs m a l l r a d i u sc u r v e st h a no t h e rb o g i ef o r m s a f t e rs t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h er a d i a l - o r i e n t e dm e c h a n i s m so nc o m m o n r a d i a lb o g i e s b o d yi nh o m ea n da b r o a d ，t h i sa r t i c l ep r e s e n t san e wf o r mo f s t e e r i n gm e c h a n i s mw h i c hi sn o tl a i da c c o r d i n gt ob o g i e sh o r i z o n t a lo rv e r t i c a l s y m m e t r ya x i so r i e n t a t i o n ，c a l l e da s y m m e t r i c a lr a d i a l - o r i e n t e dm e c h a n i s m i nt h e a r t i c l e , w eh a v e d o n et h et h e o r e t i c a la n a l y s i sf o r g u i d i n gp r i n c i p l e s o f n o n s y m m e t r i cr a d i a ls t e e r i n gm e c h a n i s mf r o mk i n e m a t i c sp o i n to fv i e w , v e r i f i e d t h eg u i d i n gr e q u i r e m e n t sf o r r a d i a l b o g i et h r o u g hm e c h a n i s mf u n c t i o n t h e r s s r - r s s rw h i c hi sn o n s y m m e t r i cm e ，f l e x i b l ea n d a d a p t i v e ，c a l lb e a l l e f f e c t i v es o l u t i o nt ot h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nr a d i a l o r i e n t e dm e c h a n i s ma n dt h e e x i s t i n gb o g i ec o m p o n e n t sw h e nr e f o r m i n gt h er a d i a lo nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n g b o g i e t h em a i nt a s ko fr e f o r m i n gt h eb o g i ei st od e s i g nt h en o n s y m m e t r i c s t e e r i n gm e c h a n i s m ，a n dt od oas m a l la m o u n to fc h a n g et ot h eb o g i e ，s ot h a tt h e g u i d i n gm e c h a n i s mc a nb ei n s t a l l e do nt h er e f o r m e db o g i e t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h em e c h a n i s md e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d sf i r s t l y , a n da p p l i e st h em e t h o d so f f u n c t i o n a ld e c o m p o s i t i o na n dc o m b i n a t i o nt os t u d yo u tt h ek i n e m a t i cc h a i no ft h e n o n s y m m e t r i cs t e e r i n gm e c h a n i s m a c c o r d i n gt ot h ek i n e m a t i cc h a i n sa n dt h e s p a t i a ls t r u c t u r eo fb o g i e ，w ed e t e r m i n et h es c h e m a t i cd r a w i n go ft h es t e e r i n g m e c h a n i s ma n ds o m eo fi t sd i m e n s i o n s t h i s p a p e rs t u d i e st h em e t h o do fm e c h a n i s ms y n t h e s i s o nt h es t e e r i n g m e c h a n i s m ，a n di n t r o d u c e sp r o g r a m m e st oa n a l y z em e c h a n i s m w eh a v e 西南交通大学硕士研究生学位论文第| li 页 c o n s i d e r e di t su n i v e r s a lp r o p e r t ys ot h i sp r o g r a ma n dm e t h o dc a nb eu s e di no t h e r s i m i l a rc a s e s w ea l s oh a v ed o n es o m ec o n c r e t em e c h a n i c a ld e s i g n ，c h e c k e dt h e s t a b i l i t y a n ds t r e n g t h ，d i s c u s s e da n dv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yf o rt h e s t e e r i n g m e c h a n i s mw ed e s i g n e db e f o r e o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ls t u d ya n dc o m b i n e dw i t ht h ee x i s t i n gr e s e a r c h 一 - r e f o r mo ft h eh i g h p o w e rt r a d i t i o n a lb o g i e ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt h es c h e m eo n n o n s y m m e t r i cr a d i a lm e c h a n i s m ，c o m p l e t e st h er e l e v a n tc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ， a n dv a l i d a t e st h e f e a s i b i l i t yo f t h eu s eo fn o n - s y m m e t r i cr a d i a l - o r i e n t e d m e c h a n i s mi nr a d i a lb o g i e t h ea r t i c l ep r o v i d e san e wi d e af o rt h er e f o r mo ft h e e x i s t i n gr a d i a lb o g i e k e y w o r d s ：l o c o m o t i v e ；t h r e e a x l eb o g i e ；r a d i a l ；s t e e r i n gm e c h a n i s m ；a s y m m e t r i c ； r s s r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彳使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位做储虢牡 醐：哆矿 ，“一 m x ：卫】， 名 咿 鹕 川 师老 ： 导 期 指 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 设计出新型导向机构的机构设计方案，从机构学角度上计算分析之后，验证 了它的可行性。 ( 2 ) 对非对称导向机构进行结构设计，完善了机构设计的方案，迸一步验证了非 对称径向导向机构的可行性及用于工程实践的实际价值。 蓄簧需筇：壮 日期：哆版节妒 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的选题背景和研究意义 随着全球经济的快速发展，凸显出的物流压力和环境污染等问题日益加 剧。铁路运输因其自身的运量大、速度快、安全性好、节约能源和环境污染 低等特点，符合社会发展的需要和趋势，在全球范围内得到了前所未有的重 视，又进一步发挥了它在国民经济和社会发展中的基石作用。随着铁路运输 行业的快速发展，铁路客运和货运都较以前有了很大改变，有许多新的发展 趋势。 我国目前投入运营的铁路里程约有7 万多公里，而因地形原因，其中有 约三成多为曲线区段。而我国的铁路运量和里程数之比在全球首屈一指，铁 路运输压力很大，国家也在逐步解决这个问题：提速和修建铁路。铁路系统 也经历了六次大提速，相应地，机车车辆也必须适应行业发展的需要。客运 方面，随着客运专线的相继修建，动车组开始大范围投入使用。客运列车改 变主要体现在先进技术的引进、应用，舒适性标准提升，运行速度大幅提升。 而货运方面，为提高运力适应经济增长，国家大力发展大功率快速重载机车， 修建专用线路，都是有效提升运力途径。重载，快速，是最近几年来货运机 车车辆的主旋律，同时也对机车车辆提出了新的要求。 开发新型的重载货运机车，是摆在所有工程技术人员面前的难题，而应 用径向转向架能较好解决这个问题。径向转向架通过径向导向机构，实现对 轮对的导向和蛇形运动耦合功能，使转向架的曲线通过性能显著提升，进一 步减少磨耗。径向转向架应用于机车，能有效提升粘着系数，配合交流驱动 电机，使大功率机车的转向架布局更加简单合理，大幅提升机车的牵引能力。 结合西南交通大学牵引动力国家重点实验室关于机车三轴转向架径向 改造的项目，本文提出一种新的应用于传统三轴转向架的径向改造方案。 事实上，径向转向架的开发无非有两条路径：一是根据列车总体技术要 求，在选定合理的径向导向机构的基础上，研制一个全新的径向转向架；二 是在现有机车转向架的基础上进行改造使之成为径向转向架。前一种方式所 受约束少，选择余地大；后一种方式所受约束大，选择余地小，基本上都要 求不改动原有转向架的基本结构，这样就对径向导向机构的选择和实施带来 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 极大的困难。 非对称径向导向机构方案最大的优势在于适应性强，这在现有机车转向 架的基础上进行改造时，能得到充分体现。论文的研究结果将对今后既有转 向架的径向改造提供一种全新的思路。 1 2 国内外的研究情况 径向转向架带来的诸多优点已为人们所认识，世界各国都致力于发展径 向转向架。在发达国家，径向转向架更是得到了持续不断的发展，结构形式 和导向原理也各有创新。各大厂商也都有自己的径向转向架产品，技术也日 趋成熟。 径向转向架首先是南非为货车开发研制的，于1 9 7 6 年投入运用。从 1 9 7 8 年- 1 9 8 2 年，加拿大研制成功了d r 一1 型和d r - 2 型两种机车车辆径向转 向架。在1 9 8 0 年前西德为挪威提供的5 台d i 4 型交流传动内燃机车上，就 正式应用了h e b s c h e l 柔性浮动式径向转向架，而后得到了推广应用，此后 又对其他型号交流传动内燃机车进行了改造。这些都是早期的径向转向架。 现在，国外机车车辆行业内的领先的公司都有各自的径向转向架产品。 也逐渐发展出各自的典型结构。机车径向转向架主要有美国通用公司的 h t c r ，h t c r - i i ，分别应用于s d 6 0 7 0 m a c 、s d 8 0 9 0 m a c 型机车上，仅1 9 9 9 年 就交付使用超过1 5 0 0 台机车，h t c r 系列转向架在实际应用中取得了巨大的 成功。 径向转向架早在9 0 年代就引起我国铁路行业的重视，西南交大牵引动 力国家重点实验室对其进行了系统和深入的研究和论证。目前，国内还没有 完全单独开发的径向三轴的机车转向架，现有的几例都是在原有的机车转向 架的基础上进行径向改造而来。这种模式周期短，可以最快地实现转向架性 能的提升。并且，改良投资小，适于我们总结经验。我国的径向转向架技术 还是与铁路技术发达的国家有一定的差距，相信随着径向转向架在中国的应 用增加和研究的深入，这个差距会越来越小。 国内目前的三轴径向转向架中实际投入实用的有戚墅堰的d f 8 b 和青岛 四方的d f 4 d 。这两种转向架的导向原理都类似通用公司的h t c r 系列转向架。 三者的径向导向机构形式是相同的，在轴箱定位、制动机构和空间布置有所 不同。这种导向机构形式结构成熟简单，适用于三轴转向架，但是h t c r 系 列是通用公司专利产品，导致国内不能广泛推广。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 最近，作为实验室的研究项目，对既有三轴转向架进行的改造进入了反 复论证的阶段，设计出一种新的适用于机车三轴转向架的导向机构成为整个 研究项目的核心内容。 结合国内外现有的径向转向架的资料进行分析，总结出它们的共同点， 即它们的导向机构都是几何对称的，表现为导向机构的结构尺寸和部件运动 轨迹都是相同或者等量反向的。 1 3 本文的研究内容 本课题的目的是设计一种非对称形式的应用在作为改造目标的三轴机 车径向转向架上的导向机构方案，对非对称径向导向机构的导向原理从机构 运动学的角度进行理论分析，论证其是否满足径向转向架的导向要求，并验 证其结构功能的可行性及完成相关的计算分析。非对称导向机构是相对于常 见的导向机构而言，导向机构不是以转向架的中间线( 横向或者纵向) 为中 心线对称分布的，就是非对称径向导向机构。非对称径向导向机构适用于改 造型的径向转向架的开发。特点在于，机构布置相对灵活，在三轴机车转向 架的改造中可以有效避免与中间轴的空间冲突。 研究内容主要包括以下几个方面： 第一，了解要改造转向架的结构特点，各方面特性和实际使用过程中的 问题的相关资料，作为导向机构设计的依据。对非对称径向导向机构的导向 原理从机构运动学的角度进行理论分析，论证其是否满足径向转向架的导向 要求。 第二，对国内外现有的径向转向架尤其是应用于机车的，进行系统的学 习和研究，分析其特点和结构形式。各种径向转向架的导向机构之间的区别 很大，甚至大相径庭，孰优孰劣也要看具体应用。现有转向架经过实际的运 行，其导向机构的反馈信息有很大参考价值。 第三，结合拟改造转向架的实际情况，提出对非对称径向导向机构的结 构形式确定和空间尺寸安排。要反复考察现有转向架的结构、尺寸，以及它 们各自对应的转向架形式，综合各方面因素对比后确定改造方案。 第四，通过编程计算等方法计算非对称导向机构的运动情况，评估其应 用于机车三轴径向转向架的导向效果，分析其可行性。最后，对导向机构进 一步进行可行性验证，即对它的杆件进行稳定性校核，主要的部件进行强度 分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 本文对非对称径向导向机构的导向原理从机构运动学的角度进行理论 分析，论证其是否满足径向转向架的导向要求。利用非对称径向导向机构布 置灵活的特点，结合转向架的实际情况，提出非对称径向导向机构的方案， 并进行必要的计算分析。 在实际的研究过程中，首先需要解决的问题是非对称导向机构的形式的 确立和机构功能实现。在此我们需要用到机构设计的系统理论和方法，兼顾 径向转向架的特性分析和可能影响径向机构导向性能的其他因素，进行机构 解析和综合，通过可靠的理论和计算确定非对称径向导向机构的形式。机构 形式确定以后根据目标转向架的实际的空间结构和布置情况对导向机构各 个部件做结构设计，并对关键的部件进行验证和三维建模及强度和刚度分 析。 1 4 课题的创新性 本文结合拟改造的大功率三轴机车转向架的径向改造科研项目，根据现 有传统转向架，提出一种有别于现有形式的非对称径向导向机构方案。论文 对非对称径向导向机构的导向原理从机构运动学的角度进行理论分析，并通 过机构设计的系统理论，用位移矩阵解析和有针对性的编程设计、仿真进行 机构综合的方法，验证其是否满足径向转向架的导向要求。在完成理论分析 的基础上，提出了对目标转向架改造的实施方案，将此新型的导向机构付诸 详细的结构设计。 非对称径向导向机构的方案，其最大的优势正如它的设计目的一样，在 于适应性强，空间布置灵活。这在现有机车转向架的基础上进行改造时，能 得到充分体现。本文的研究将提供一种新的改造思路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章径向转向架导向机构工作原理和机构设计 的方法 径向转向架是一种较新型的转向架类型，其设计目的主要是为了通过一 定的机构使轮对在通过曲线时能发生顺应曲线环境的适度角度偏转，从而消 除或极大减小冲角，降低磨耗，提升转向架的性能和寿命。 2 1 径向转向架导向机构工作原理 径向转向架是具有径向导向功能的转向架的统称，是否具有径向导向机 构是径向转向架和传统转向架的主要差别。 径向导向机构是设置在转向架构架上，通过轴箱、轴箱拉杆等部件与轮 对联接的机构，通过杆机构等的运动实现转向架的径向导向功能。一方面， 导向机构要有固定在转向架构架上的铰链充当回转中心，以实现前后轮对转 动的耦合和牵引力的传递；另一方面，导向机构与轮对也是通过运动副连接， 使其具有一定的自由度。一般地，在两轴转向架上，导向机构连接转向架上 的两个轮对，在三轴转向架上导向机构连接前后轮对，绕过中间轮对。导向 机构是径向转向架的重要组成部分，它决定着导向功能的实现和转向架的性 能。 2 1 1 径向转向架种类划分和导向原理 从应用范围上来划分，径向转向架分为机车径向转向架和车辆径向转向 架。大量研究表明，因为机车转向架须具备牵引和制动功能，机车径向转向 架与车辆径向转向架有很大的差异。本文主要针对机车径向转向架。 径向导向机构从功能原理上可分为自导向和迫导向两种形式 2 】，但设计 目的是一致的，即实现导向功能。迫导向又有具有主动控制装置的主动导向 和由转向架相对车体的转角控制的导向机构两种形式。 在径向转向架通过曲线时，使轮对绕自身的中点在轨道平面能产生一定 角度的偏转，以适应曲线的形状，减少轮缘磨耗，增大粘着系数，提升曲线 的通过性能。连结在导向机构上的前后轮对，所产生的偏转角度在理论上是 大小相等，方向相反的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 这里简要介绍径向转向架自导向和迫导向的摹本原理【3 】。 i 自导向原理 自导向径向转向架是利用重力因踏面锥度产生的分力驱动导向机构，使 轮对偏转一定角度进行导向的。但是由于机车转向架要提供很大的牵引力， 这会直接影响到它的导向力大小和径向导向效果。此前西南交通大学牵引动 力国家重点实验室机车车辆研究所的老师们已经有过深入的研究。一般地， 自导向的机车径向转向架会随着轴功率( 牵引力) 的提升导向性能有所下降。 这种情况也使机车径向转向架对于导向机构更加依赖和要求更高。 2 迫导向原理 迫导向转向架的原理和导向机构的结构与自导向转向架非常相似。只是 将导向力不由轮对自身的横向分力作为驱动导向机构导向的力，最常见的做 法增设若干( 通常每个转向架为两个) 车体控制杆，在转向架通过曲线时， 利用转向架构架与车体的相对转角的变化，通过车体控制杆使导向机构发生 导向动作，轮对向径向位置偏转。通过合理设置在任何半径曲线上，可使 轮对处于所要求的冲角位置。如果导向力由安装在转向架上的电机或者其他 动力源驱动，这种转向架属于迫导向的一种丰动控制的径向转向架。 2 1 2 成熟机车径向转向架简介 国外目前使用最为广泛的机车三轴径向转向架是美国通用公司在 s d 6 0 7 0 h a c 、s d 8 0 9 0 e a , c 系列机车上使用的h t c r 和h t c r i i 型转向架。装 有这种转向架的货运机车在美国保有量很大，它的性能和可靠性是有目共睹 的。相对其他国家其他形式的径向转向架，在机车三轴径向转向架中，它可 谓一枝独秀。 图2 - i 装有h t c r 系列转向架的s d 9 0 i i a c 机车 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 国内最近几年也出现过几例在原有的三轴机车转向架基础上增添了相 应的径向导向机构之后，实现径向导向功能的成功案例。其思路也是参考了 美国通用公司的径向转向架( 例如t t t c r 系列机车转向架) 的导向机构( 图 2 - 2 a ) 。而在欧洲，还有另外一种径向转向架的导向机构( 德国e 1 2 0 机车 转向架) 的形式( 图22b ) 应用较多。 圉22 两种典型的导向机构偷凹 目前世界上几乎所有的径向转向架的导向机构，都采用的是杆机构。因 导向机构的强度刚度、受力变形等因素的影响，径向转向架的时间使用表现 和理论计算结果可能有微小不同，允许在一定的范围之内有所偏差。杆机构 应用于径向转向架导向机构的优点很明显，首先是结构简单，再者是对称杆 机构的运动对称性，省去了机构运动分析的过程。 图2 - 3 戚鼙堰d f 8 b 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 4 四方厂d f 4 d m - # & # 自日2 一o # 圉2 - 5h t c r 转向架机构图 图2 - 6d f 8 b 型机车三轴径向转向架总图 构架：2 一轴箱：3 一轮对：d 一旁承：5 一牵引杆装簧：6 一基础制动装胃：7 一沙箱：8 一电机悬挂装 置：9 一手动制动装置；l o 一径向机构 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 机构设计方法介绍 机构设计是一门与工程实际结合非常紧密的学科，它有一个完整的解决 实际问题的体系和流程。机构设计理论涵盖的范围很广，通用性也很强，它 着重强调的是设计的创造性。在实际的设计中，机构设计的任务是通过机构 设计的理论，根据己知机构特性比如特定的运动轨迹来设计机构1 1 。 2 2 1 机构设计理论简介和发展现状 一个机构从设计伊始到实际投入运用，成为机器的有效组成部分，是一 个发展的过程。这个过程是根据使用要求或工艺要求粗略定出其结构开始， 到机构的形式确定，到成品为止。它要经过多次循环，对各种解决方案既从 思想预见方面又在实际试验方面进行检验和判断，甚至还可能需要返回到原 点，以便能够找出符合、甚至超过最高技术水平的新的解决之道，即创造一 个新的机构。这个过程就称之为机构设计。在此过程中需要考虑到许多影响 因素和各种观点，并且在寻求最优化解时，它可能超出机构综合的范围。在 这些探索中，解决问题的思考方法和推论过程对于结构上、技术上的研制工 作，具有愈来愈大的意义，因为它能是思想预见成为合理化的实际行动。 机构设计的研究内容： 1 运动规律设计，即怎样根据使用要求或者工艺要求制定出一个合理的 运动规律。例如泵的设计，如果采用容积式功能原理，则需要提出相应的运 动规律来完成体积的改变如采用往复式的运动规律，或采用在旋转中改 变容积，或使构件在平面中做复合运动来改变容积等等。在这些可能的运动 规律中，要找出一个适合客观条件的最优方案。这里强调的是设计者应该有 创造性设计的意念，而不是一成不变的。 2 机构的形式综合，即用什么机构来完成所设计的运动规律。机构的种 类很多，如在机械原理课程中曾接触到的许多典型的机构形式。实际上，同 一种运动规律可能能用几种截然不同的基本机构或者其组合来完成。所有机 构中的最优形式选择需要系统的理论和实践经验。 3 机构的分析和综合，一旦选定了一种形式的机构之后，就看作已经综 合出了合适的机构类型，机构分析的工作是通过深入的研究来进一步确定机 构中各个构件的尺寸和结构形状。具体讲就是自由度的计算确认、干涉检验、 机构效率的讨论和优化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 4 结构设计，最后要将所设计的机构具体设计成最终应用于机械的形式， 包括安装方式，各个构件的细部尺寸，产生可以用于生产的图纸。难点在于 1 保证可实现性，即可以用当前的加工方式生产；2 所用零部件的合理性， 即轴承等最大受力不应超出需用范围等。3 机构结构的合理性，即强度刚度 在理论上满足要求，并且较为合理( 加工成本小、体积小、适于大批量生产 等) 。 5 运行性能的验证，运动轨迹验证，动力学特性验证等。 2 2 2 机构综合简介和方法 在机构设计过程中，结构综合起着重要作用。把杆组看作是机构结构的 单元，这个创始意念是前苏联机构学家阿苏尔所得出的，他的观点是每一个 机构都是由机架、主动构件及一个或者若干个基本杆所组成。这个结构逻辑 的识别，使设计者通过清楚的杆组类型的识别与机构结构联系起来。前苏联 阿尔托列夫斯基院士根据杆组的类型提出了机构分类的方法( 阿氏分类法) ， 此方法迄今仍为国际上所通用。 用一定数目的构件及运动副的配置组成一定自由度的运动链，这一过程 称之为运动链及机构的结构类型综合，亦称之为数综合。 目前已解决的机构及运动链的型综合问题，为单自由度机构和多自由度 机构类型以及与之相对应的杆组类型结构。型综合理论已经发展到含复合铰 链及含高副的平面机构，空间机构的型综合尚研究得不够，仅有p 、h 、r 副 单闭链空间机构的若干类型。 如何在型综合所得结果中选择所需要的类型，即选型问题在机构设计中 是很重要的。改进现有机构、创造新机构是产品设计中的关键措施，对于消 化引进设备亦起着重要的作用。这需要进行大量的调查研究及关于机构结构 方案设计理论分析，需要丰富的设计实践与专家知识相结合。 连杆机构的尺度综合研究有几何法和代数法。基于运动几何学的作图法 优点是直观、概念清楚；其缺点是做图复杂，精度较低。 解析法( 代数法) 的总体思路为：建立方程方程求解一方案优选。它可以 分为精确点尺度综合及近似运动尺度综合。精确点尺度综合能够实现的点伦 是有限制的，一般得到的解不确定是全解和满足设计要求( 诸如曲柄存在条 件，无分支、运动顺序等) ，近年来连续法己引入机构学，其优点是在理论 上可以求得其方程的全解。由于发散路径的存在，连续法目前尚待进步完 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 善。近似运动尺度综合在数学上是基于函数迫近理论把机构的尺度参数用 广义多项式的形式表达，因而执行任务的构件运动有偏差，但综合结果能达 到一定的精度要求。采用连杆曲线图谱进行尺度综合最早为四杆机构轨迹图 谱，但存在着精度不高、建立的线图有限等缺点。 近1 0 年来出现了用“数值图谱”进行机构的尺度综合。其思路为将连 扦曲线、机构的输出函数用一组特征参数存入计算机，通过特征参数的比较， 决定所设计机构的近似精度，以进行机构的尺度综合。 图2 7 机构设计流程 2 3 机构设计中的运动链 机构设计的理论和方法在以往的转向架设计中已经得到了充分的应用， 但是系统地利用机构设计的方法进行设计的案例很少。 机构设计的过程：在一般的机车和转向架的设计过程中，设计者需要用 到如平面连杆、凸轮机构、齿轮机构等机构设计。但是这些机构的设计从机 构设计的层面上讲都是相对简单的。因为其主要是外形尺寸、安装尺寸、强 度刚度等达到要求，它们在设计之初就给定了某些前提和确定的机构形式， 例如已知连杆的几个位置来设计平面四杆机构，或者已知运动轨迹和安装方 式来设计凸轮机构。而这仅仅是抽象成命题之后的机构设计，它是整个机构 设计过程的一部分。 一、机构动作功能分解与组合原理的表达形式 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 根据使用要求或工艺要求设计机构时，首先要仔细研究它需要完成哪些 功能，即总体功能。一般情况下，总体功能往往包含着许多分功能。例如要 求设计一个加工某个零件的自动机的机构，那么其总体功能是指这个零件从 毛坯出现到加工完成，它的分功能就是上料功能、加工功能、检测功能、卸 料功能、分选功能等等。而每一功能又可以用不同的机构去完成，所以就形 成很多种可行性的组合，需要进一步根据实际要求、设计目的和经验判断之 类的进行方案筛选。 二、基本运动和机构的基本功能 根据使用要求或工艺要求而得出的机构系统的总体功能，往往是一个复 杂的运动过程。但是任何复杂的运动过程，总是由一些最基本的运动合成的， 这些基本的运动形式有单向转动、往复摆动、往复移动、间歇运动等等。另 一方面，任何一复杂的机构组合系统，又可认为是由一些基本机构组成，这 些机构有高副机构( 如齿轮机构、凸轮机构) 、低副机构( 如四连杆机构) 和多 自由度机构( 如差动轮系、五连杆机构、四杆四移动副机构) 等，这些机构有 图3 8 所示的基本功能。如将复杂的机构组合系统与机构运动系统的总体 功能相对应，则组成复杂机构组合系统的基本机构与组成机构总体功能的分 功能相对应，于是可利用这种对应关系，进行机构系统的型式综合。 机构设计是把机构的功能和运动分析综合之后，设计合理的运动副和运 动关系，受力情况和机械利益得到保障，使机构设计的结果可以进一步转化 为实际的零部件的结构设计。 首先，对机构的功能形式进行简要的分析，如下是机构基本功能简图： 一一一 运势形式交换 运动方向交替 运动轫线变晦 交换 一一 运动放大( 缀小) 运动合成( 分 解) 图2 8 机构基本功能简图( 部分) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 在对机构进行功能简图组合时应该做到最简和全面。结合实际可用的机 构形式( 例如杆机构，齿轮机构等) ，要充分考虑到拟采用机构形式的特性， 再按照自己的设计目的将其通过串联和并联的方式组成运动链。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章非对称径向导向机构机构设计 本文研究的非对称径向导向机构的设计方案是用于国内常见的机车三 轴转向架，其结构如下图，后面的表述中，我们将其称为目标转向架。 图3 - 1 目标转向架 1 第一轮对轴箱：2 牵引粱；3 第二轮对轴箱；4 第二轮对轴箱；5 架体 3 1 导向机构的设计准则 参考国外成熟径向转向架的典型机构方案，可以归纳出几点，作为径向 转向架设计的准则。 1 ) 轮对定位及传递牵引力的功能分离 机车径向转向架的轴箱定位形式相对传统转向架有很大变化。主要利用 一系簧的纵向刚度起定位作用；变化了的轴箱拉杆不再约束轴箱的纵向运 动，而主要是将轮对的牵引力传递到导向机构上。 2 ) 采用较小的的纵向定位刚度和较大的牵引刚度 这是实现导向机构功能的需要。轮对的纵向定位刚度依托轴箱弹簧实 现，可以运用机构使其具有较小的值；而牵引刚度取决于杆系中的橡胶关节， 理论上可以达到较大刚度。 3 ) 轮对的反向摇头耦合 机车径向转向架的导向机构必须实现轮对的反向摇头耦合，这是其核心 的功能。这样才有利于提高转向架的横向稳定性，由于导向机构的支点在构 架上，在不计杠杆机构的关节弹性时，可以保证两轮相对与构架的摇头角大 小相等，方向相反，而与两轮对上作用的蠕滑力矩是否相等无关。 在既有转向架上进行径向改造的设计准则： 1 ) 功能的实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 实现径向导向功能是改造的初衷，即遵循径向转向架设计的原则设计机 构。 2 ) 空间安排 机车转向架相对车辆的转向架机构更为复杂，空间布置密集，须在限界 之内合理安置增添的机构而不构成干涉。 3 ) 改动最小，结构最简 目标转向架一般都是成熟的传统转向架，其可靠性是经过计算和验证 的。改动越小，则改造后的可靠性越有保障。另一方面，通用件更多，成本 更低。 3 2 非对称径向导向机构运动分析 提出非对称导向机构方案的意义在于对既有传统转向架改造时提供灵 活的空间布局方案。本文的目标转向架是一款大功率的货运机车应用的三轴 机车转向架。对其进行径向改造，探讨一种较为适合于实际应用的方案。 非对称的径向导向机构，必须适应目标转向架的空间安排，不能产生干 涉，尽量“因地制宜”利用目标转向架的构架。在对目标转向架进行径向改 造时，应结合该转向架的实际情况，在空间尺寸，力的传递，强度刚度，运 动干涉几个方面的限制因素下进行改造。因为机车车辆的特殊性，还应该考 虑的限制因素是限界问题，不能超限。 对于美国通用的导向机构的结构分析，是我们的重要参照，还有其他典 型的导向机构形式，分析其运动链的情况也是异曲同工。目前在国内其结构 已经有投入使用的转向架是采用h t c r 转向架的形式，不单独列出说明。这 两种“典型代表 的导向机构( 图2 2 ) 的基本功能分析如下： 图3 - 2h t c r 转向架的运动链 如图3 2 与3 3 所示，即为前面所提到的两种导向机构的基本功能简图， 分别对应图3 4 a 和3 - 4 b 。图上运动输入、输出共四点，就是径向导向架 构所联接的两个轮对的四个轴箱。这里有所简化，没有表示出允许轴箱垂向 运动的机构，因为轴箱是通过拉杆与导向机构相联，而每个轴箱拉杆的尺寸 是相同的，同轮对两端的轴箱垂向差异( 侧滚问题) 在导向机构的设计过 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 程中是没有考虑的。 3 3 机构的形式综合 图3 3e 1 2 0 的运动链 对于非对称的径向转向架导向机构，还是应用杆机构来实现，主要是因 为杆机构的结构简单，布置相对灵活，机构占用空间不大。但是要面对的问 题就是导向机构运动的对等，简单说来就是要在一个轮对轴箱处的位移产生 后，在对应的轴箱处能由导向机构产生等量的位移。因为导向机构往往为多 杆机构，若机构不是对称的，对应的运动很难等量传递，从而不能从理论上 实现完全的对称的径向导向功能。 3 3 1 非对称导向机构的运动链 对已有的成熟径向转向架的导向机构设计方案进行分析，其导向机构有 几种比较典型的方案。但是存在的问题是，所有的机构方案都是针对两轴转 向架提出的。也就是说国外的成熟的径向转向架结构，如果要用到三轴机车 转向架上，只能是借鉴，照搬并不定合适。 由此可以看出，每种径向转向架解决方案要解决的两个核心问题：一， 是在转向架通过曲线时，通过导向机构拉动轴箱使导向机构所联接的两个轮 对，绕各自的中心在轨道平面内产生适量的偏转角度。二，则是必须要对四 个轴箱的运动进行耦合。在图3 4 a 的机构形式中，有运动合成分解的机构， 所以它同时实现了轴箱运动的耦合。而在3 - 4 b 所示的机构中，是通过联接 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 在左右两侧的个横向拉杆实现耦合的。图3 - 4 a 表示了在没有起耦合作用 的拉杆的情况下一个轴箱的位移，只能引起同一侧的轴箱产生对应的位移。 而另一侧不受影响的情况，但是在起耦合作用的拉杆存在的情况下，只要一 个轴箱出现位移，则其他的3 个也会有相应的运动。而这个特性对径向转向 架的导向功能实现是至关重要的。而在非对称的机构中，耦合更多了一个作 用，就是在保证导向功能实现情况下的机构的受力平衡，这在后面会谈到。 ( a )( b ) 图3 _ 4 耦合拉杆功能示意图 简要分析一下前面列出的两种具有较强代表性的径向转向架的导向机 构的特点，以及是否适用于对目标转向架进行改造。如果以上两种导向机构 方案行在即有转向架上改造并不适用时，它们的合理设计在怎样的情况下取 舍能有助于新的机构的设计。 由于目前的货运机车都是采用动力集中形式，由机车转向架将牵引力传 递给机车。现有的货运机车转向架无论内燃机车还是电力机车都是采用电传 动，而且轴功率越来越大，电机的尺寸和空间就成了改造的主要制约因素之 一。还有就是目标转向架的牵引力传递，必须保证主要构件的尺寸，使其至 少依然能保持原来的稳定性和强度水平。 若采用通用h t c r 系列机车转向架的思路改造，其机构的对称性好( 相 对德国e 1 2 0 机车转向架方案) ，理论上能很好的实现导向功能。但是改造种 存在的问题是需要两个横向贯穿的横梁，该横梁两端连拉杆、轴箱，中间与 转向架架体铰接，可以转动。该横梁完全承受一个轮对的牵引力，将其传递 给架体，为达到强度及刚度要求，它的尺寸应该是比较大的。要将其安插在 本来就已经捉襟见肘的轮对之间的空间里面是个难题。再者，该机构的前后 轮对之间的导向动作通过位于中间连杆联接，这个杆由于要在纵向贯穿转向 架，一般都安排在转向架架体之上、一系簧所在的平面里。机车转向架在这 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 个位置一般都有辅助设施、一些管路线缆或者将牵引力传递线路安排在这 里，也是牵一发而动全身。再看德国e 1 2 0 机车转向架方案，相对通用h t c r 系列机车转向架的导向拉杆在转向架中部布置的方式，它则是设计在转向架 两侧，从两边的轴箱相连接。这种机构形式的特点是不用在轮对之间布置承 载牵引力的尺寸较大的横梁，两边的机构各自把同侧的轴箱进行导向，在 两边的机构直接采用连杆机构进行耦合。但是它适合两轴转向架，因为必须 在机构的中点布置机构来实现反向运动。 从改造的角度来说，第二种方案更能适应在既定的转向架结构上进行径 向改造。但是，国内目前的改造无一例外的是采用了第一种方案，究其原因， 就是h t c r 转向架的导向机构形式适合在三轴机车转向架上使用，它跨越中 间轴，连接前后轮对，而e 1 2 0 的转向架形式可能与中间的轴箱发生干涉。 但是h t c r 转向架的导向机构必须在前后轮对之间，中间轴的二系簧处 布置一个导向拉杆来连接机构的前后部分。在实际的三轴转向架上，转向架 架体和车体之间也有很多装置，可能导致导向拉杆无法布置。还因为g m - e m d 公司的h t c r 系列转向架结构申请有专利保护，其他用户采用受到限制。现 在提出一种新的形式，采用非对称的杆机构，从转