（车辆工程专业论文）橡胶轮低地板拖车转向架结构设计与可行性论证.pdf

摘要 y 7 4 1 2 0 0 橡胶轮转向架具有轮轨粘着系数大、曲线通过半径小、轮轨噪声低 等优点，采用橡胶轮转向架的轨道车辆加减速性能好、对大坡度线路适 应性强、环保性好，特别适合于城市轨道交通。橡胶轮转向架车辆在国 外已成功运用多年，应用范围日趋广泛。 低地板转向架的优点在于方便乘客上f 车、无须建造高站台、能与 市容环境良好融合。七世纪九十年代以来，低地板轻轨车得到了迅速发 展，已成为路面轻轨车辆发展的主流方向。 结合橡胶轮转向架和低地板转向架的优点，本文提出了橡胶轮低地 板拖车转向架设计方案该方案可实现性强、实用性好，其应用对象为 适合于城市中心区域路面运行的轻轨车辆。 本文首先根据橡胶轮低地板拖车转向架的设计要求，运用静力学和 材料力学原理，给出了转向架主体结构的方案设计，并对设计方案中可 能会制约实现低地板化设计的结构部分进干i j + 了较详细的分析和论证。 在以： 作基础卜，本文采用a n s y s 软件对转向架的主体结构车 轴、构架和摇枕进行了静强度和疲劳强度分析，计算载荷参照u i c 5 1 5 4 规范确定，根据分析结果优化了结构参数，从强度角度证实了橡胶轮低 地板拖车转向架结构设计方案的可行性。 车辆曲线通过性能是车辆运行的个重要指标。橡胶轮转向架与钢 轮转向架在动力学性能方面的主要差别也体现在曲线通过方式的不同， 因此曲线通过分析也是考核橡胶轮低地板拖车转向架可行性的主要内 容。本文建立了橡胶轮低地板拖车转向架车辆动念曲线通过分析模型并 确定了有关的动力学参数；分析了以6 0k m h 速度通过半径为3 5 0 m 和 以2 0k m h 速度通过半径为5 0 m 的无超高曲线时的动力学特性。计算结 表明橡胶轮低地板轻轨车辆具有优良的曲线通过性能，这也从动力学 变初步证实了橡胶轮低地板拖车转向架设计方案的可行性。 陡词橡胶轮低地板结构设计强度分析动态曲线通过动力学分 a b s t r a c t r u b b e r 。t y m db o g i eh a sm a n yp r o m i n e n tm e r i t ss u c ha sh i 曲t y r e r a i l a d h e s i o nc o e f f i c i e n t ，m i n o r c u r v i n gr a d i u s ，a n dl o wt y r e r a i ln o i s e ，t h e r a i l w a yv e h i d ew i t hr u b b e r - t y r e db o g i ei ss p e c i a l l ys u i tf o rt h ec i t yr a i l w a y v e h i d e t r a n s p o r t a t i o n b e c a u s eo f g o o da c c e l e r a t i n g a n d d e c e l e r a t i n g p e r f o r m a n c e ，l o w c i r c u m s t a n c e n o i s e ，a n d l o w v i b r a t i o n r u b b e r - t y r e d b o g i eh a sb e e nu s e df o rm a n yy e a r sa b r o a d ，a n di t sa p p l i c a t i o nh a sb e e n m o r ea n dm o r ef a rr a n g i n g t h er a i l w a yv e h i c l ew i t hl o w f l o o rb o g i ei s s p e c i a l l ys u i tf o rt h ec i t y r a i l w a y v e h i c l e r u n n i n g o nt h e g r o u n d b e c a u s ei t sc o n v e n i e n c ef o r p a s s e n g e ru pa n dd o w n ，a n di t c a ni n o s c u l a t ew i t hs u r r o u n d i n g sw i t h o u t p l a t f o r m s i n c e1 9 9 0 s ，t h er a i l w a y v e h i c l ew i t hl o w f l o o r b o g i e w a s d e v e l o p e dr a p i d l y , h a sa l r e a d yb e c o m et h em a j o rd e v e l o p m e n td i r e c t i o no f l i g h tr a i l w a y c o m b i n i n g t h em e r i t so ft h et w o b o g i e s ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h e c o n c e p t u a ld e s i g no fr u b b e r t y r e da n dl o w - f l o o rb o g i e ，t h i ss c h e m ec a nb e p u ti n t oo p e r a t i o n ，i t sa p p l y i n gt a r g e ti st h el i g h tr a i l w a y v e h i c l es u i t a b l ef o r c e n t r eo ft h e c i t y a c c o r d i n g t ot h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n ta n dt h ep r i n c i p l eo f m e c h a n i c s ， t h i sp a p e rr e a l i z e st h ei n i t i a ls t r u c t u r a ld e s i g no f r u b b e r - t y r e da n dl o w f l o o r b o g i e ，a n da n a l y s e sa n dp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h es t r u c t u r ew h i c hm a yb e l e s t r i c t e d o nt h eb a s i so ft h ea f o r e s a i d ，t h i sp a p e ra n a l y z es t a t i c s t r e n g t ha n d f a t i g u es t r e n g t ho ft h em a i ns t r c u t u r ew i t hs o f t w a r ea n s y s ，t h ec a l c u l a t i n g l o a di sf i x e da c c o r d i n gt ou i c 5 1 5 4 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t ，t h e s t r u c t u r ep a r a m e t e rh a sb e e no p t i m i z e da n dp r o v et h ef e a s i b l eo fd e s i g no f t h er u b b e r - t y r e da n dl o w - f l o o r b o g i ea tt h ea s p e c to f t h es t r u c t u r es t r e n g t h t h e p e r f o r m a n c eo fc u r v i n gn e g o t i a t i o ni sa ni m p o r t a n ti n d e xf o rt h e v e h i c l es y s t e m t h em a i nd y n a m i c sd i f f e r e n c eb e t w e e nr u b b e r - t y r e db o g i e a n ds t e e lw h e e lh o g i ei st h ew a yo fc u r v i n gn e g o t i a t i o n t h i sd e t e r m i n e s c u r v i n gb e h a v i o r i st h em a i nc o n t e n tt o c h e c kt h e f e a s i b i l i t y o ft h e c o n c e p t u a ld e s i g no fr u b b e v t y r e da n dl o w f l o o rb o g i ea tt h ea s p e c to ft h e d y n a m i c s t h i sp a p e re s t a b l i s h st h em o d e lo nc u r v i n gb e h a v i o ro ft h e m b b e r - t y r e da n dl o w - f l o o rb o g i ev e h i c l ea n dg e t sc o r r e l a t i v ed y n a m i c s p a r a m e t e r t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m i c sw h e np a s s i n g t h r o u g ht h ec u r v er a d i u si n3 5 0 m m w i t hs p e e d6 0k m ha n dt h ec u r v er a d i u s j n5 0 r a mw i t hs p e e d2 0k m hw i t h o u t h e i g h td i f f e r e n c e t h er e s u l ti n d i c a t e s t h ev e h i c l e s y s t e m h a sf i n e d y n a m i c sp e r f o r m a n c e ，a n dp r o v e s t h e f e a s i b i l i t yo fd e s i g no f t h er u b b e r - t y r e da n dl o w f l o o rb o g i ea tt h ea s p e c to f t h ed y n a m i c s k e y w o r d s ：r u b b e r - t y r e ；l o w f l o o r ；c o n c e p t u a ld e s i g n ；s t r e n g t ha n a l y s i s ； d y n a m i cc u r v i n gn e g o t i a t i o n ；d y n a m i c sa n a l y s i s 第一章绪论 随着城市规模的扩大和城市化进程的加快，城市区域的交通运输压 力迅速增加。尤其近年来，飞速发展的私家小汽车己经在很多大城市造 成了严重的社会问题：交通拥挤、环境污染，严重阻碍了城市的可持续 性发展。根据发达国家的经验，大力发展城市轨道交通是目前解决城市 交通问题的一个比较好的举措。 城市轨道交通可分为城市地下轨道交通、城市轻轨交通和城市独轨 交通3 种类型【1 】，其具体特点见表1 - 1 。 表1 - 1 城市轨道交通的三种形式及其特点 轨道交通形式地下轨道交通轻轨交通独轨交通 以地下隧道为以地面和高架为 线路结构全部高架 主，部分高架主，部分地f 行车编组( 辆)2 81 - 44 6 单向客流量 ( 万人次h ) 3 - 82 - 41 2 常规运行速度 ( i o n h ) 3 5 m 3 0 3 5 3 0 3 5 上程总造价 f 万美元k m ) 3 0 0 0 一1 0 0 0 01 0 0 0 1 5 0 01 5 0 0 2 0 0 0 线路建设周期( 年) 1 0 一1 53 53 _ 5 城市轻轨交通因其方便快捷、投资相对较少、运量比较大、节省能 源、空气污染小等特点，比较好地适应了城市运输的需要，成为当前发 展城市轨道交通的首选。 轻轨车辆运行于市区地面特别是高架线路时，一般均需采用专门的 技术来控制噪声和振动水平。在大多数国家一般都是采取建造无缝钢 轨、隔声屏障等外部措施，然而，这样做治标不治本并且花费较高。城 第1 页 北京交通大学硕士学位论文 市轨道交通的噪声振动主要是来自轮轨，因此要以防治车辆走行部引起 的噪声振动为主。一些国家现在已经采取橡胶车轮、弹性车轮等内部措 施来降低轮轨的噪声振动水平f 2 】。 采用橡胶轮转向架的轻轨车辆是目前新交通系统的重要发展方向 之一，它已成功应用于法国、日本、墨西哥以及香港、台湾等国家和地 区。 采用低地板转向架的轻轨车辆也因其在市区地面运行时所具有的 独特优势，近二十年来得到了迅速的发展，已成为路面轻轨车辆发展的 主要方向之一。德国、法国、荷兰等欧洲发达国家的低地板轻轨车辆的 数目已经占轻轨车辆总数的5 0 以上嘲。 1 1 橡胶轮、低地板转向架车辆概述 1 1 1 橡胶轮转向架轻轨车辆发展概况 橡胶轮转向架车辆首先由r a t p ( 巴黎公交公司) 采用，目的是使 运行的车辆具有更好的加速性能以能提高运行效率，并减低对运行线路 周围建筑物的噪声和振 动危害。r a t p 设计了专 用的轨道结构，它由三部 分组成：( 1 ) 走行橡胶承 重轮的宽平轨道；( 2 ) 用 于维持车辆走行方向的 和保证车辆顺利通过曲 线的导向轨；( 3 ) 普通钢 图1 - 1 第一辆采用橡胶轮对系统的地铁客车 轨，其中钢轨与辅助钢轮相配合，备用于轮胎漏气等情况，同时保证车 第2 页 第一章绪论 辆能顺利通过道岔。r a t p 最初采用的橡胶轮转向架在通过道岔时，橡 胶轮完全脱离轨道，载荷由辅助钢轮承受；目前采用的橡胶轮转向架则 由橡胶轮承受车辆载重，而辅助钢轮在过道岔时只起导向作用。 图1 2 是曾用于巴黎地铁的橡胶轮转向架，它有4 个走行轮和4 个 导向轮，走行轮是胎内 充入1 0k g c m 2 氮气的 钢套橡胶车轮，而导向 轮是充入空气的轮胎。 每个转向架安装两台 牵引电机；为了防备车 轮轮胎漏气，都装有钢 制备用轮，并设置了车 图1 - 2曾用于巴黎地铁的橡胶轮转向架 轮漏气检测器。 橡胶轮转向架也一直在发展，并且现在已经逐渐向世界发展，近 4 0 多年来，世界上有8 个国家的1 6 座城市在地铁线路上行驶着橡胶轮 车辆，其中，法国5 座、日本4 座、加拿大2 座、墨西哥、智利、匈牙 利、西班牙和捷克各1 座。法国已将橡胶轮转向架车辆广泛用于巴黎、 里昂、里尔、马赛等大城市的轨道交通系统，并出口至世界许多国家和 地区，转向架的型号也从最初的m p 5 5 、m p 5 9 发展到现在的m p 8 9 和 正在研制的m p 9 9 等f 。 与传统转向架相比，橡胶轮转向架具有轮轨粘着系数大、通过曲线 半径小、嗓声低、轮轨磨耗小、维修少的优点，是当今城市轨道车辆走 行部技术发展方向之一。 第3 页 北京交通夫学硬士学位论文 1 1 2 低地板轻轨车辆发展概况 在城市轨道交通比较发达的国家和地区，低地板轻轨车辆是市区地 面运行轻轨车辆的主流车型。它具有方便乘客上下车、无需建造高站台、 与市容兼容性好等优点。 根据低地板化程度的高低，可以将低地板轻轨车辆的发展分为三个 阶段： ( 1 ) 第一代是部分低地板轻轨车辆( 图1 3 ) 。主要是2 0 世纪8 0 年代后期比利时b n 公司制造的供a m s t e r d a m ( 阿姆斯特丹) 使用的 轻轨车辆，低地板部分地板面距轨面高度为2 7 7 m m ，但低地板部分占 车长的比例仅为1 3 5 。 ( 2 ) 第二代低地板轻轨车辆低地板部分面积较大，但是要到达转向 架或车轴上面的高地板仍需过渡台阶( 图1 - 4 ) 。1 9 8 9 年，由当时英、 法合营的g e c a l s t h o m ( 阿尔斯通) 公司生产的轻轨车辆便属于这种类 型，其低地板部分地板面距轨面为3 4 5 m m ，低地板占车长的比例为63 以上。而当时瑞士的v e v e y 公司为b e m e ( 伯尔尼1 生产的一种地板面 高3 5 0m m 的轻轨车辆低地板占车长的比例为7 2 。 ( 3 ) 第三代低地板轻轨车辆为全低地板式，地板面距轨面通常不超 过3 5 0m m ( 图1 5 ) 。意大利b r e d a 公司为法国l i l l e ( 里尔1 生产的 v l c 型米轨轻轨车辆、德国m a n 公司为b r e m e n ( 不莱梅) 制造的g t 6 n 型轻轨车辆、s i e m e n s 公司研制的c o m b l n o 模块组合式轻轨车辆， 都是这类全低地板轻轨车辆，沿运行长度方向的低地板通道是连续的。 第一代低地板轻轨车辆由于低地板区域比例过低，方便乘客的效果 有限，很快为第二代低地板轻轨车辆所取代。第二代和第三代低地板轻 轨车辆属于实用化的低地板轻轨车辆。第三代低地板轻轨车辆技术上最 第4 页 第一章绪论 为先进，但动力转向架也必须适应低地板化要求，技术相当复杂，对系 统可靠性要求很高。第二代低地板轻轨车辆一般在车辆两端采用普通的 高地板动力转向架，在车辆中部区域采用适应低地板化要求的拖车转向 架，技术难点分散且技术成熟度高。 nmr nm一、 【儿】() l 1 上山( ) ()( ) ( ) f_ 1 一mm i um m 一小 图1 - 3 三种不同的部分低地板轻轨车 f n mh m 一 1 7 弋矾in nii1 乍弋了弋r 图1 4 贯通部分低地板轻轨车 图1 - 5 全低地板轻轨车 1 1 3 我国城市轨道车辆发展现状 北京和天津的城市轨道交通系统采用了国内自行研制生产的地铁 车辆，三十年来为解决城市交通问题发挥了巨大作用，也为我国研制和 第5 页 北京交通大学礁上学位论文 运用城市轨道交通系统积累了宝贵的经验，但也应看到：我国城市轨道 车辆的技术水平与国际先进水平相比还存在较大差距。为解决我国大中 城市日益严峻的交通问题，各城市纷纷借鉴发达国家解决城市交通问题 的经验而规划建立城市轨道交通系统，其中一些经济实力雄厚的城市采 用了从国外引进的地铁车辆。从国外整车引进城市轨道车辆不仅车辆购 置费用昂贵，而且维修成本也较高，严重制约了城市轨道交通系统的发 展规模和普及程度，也不利于民族工业的发展。因此，积极吸收国外先 进技术，开发生产出适合我国国情的城市轨道车辆才是解决我国城市交 通问题的根本出路。 现阶段，我国轨道车辆基本上采用钢轮转向架，存在噪声大、轮轨 磨耗严重、维修量大等问题。例如上海和北京投入运营不久的高架线轻 轨列车，采用传统的钢轮转向架，噪声与振动污染问题较为突出，须在 线路上采用配套的降嗓措施以降低扰民程度。从世界范围来看，解决这 一问题虽有效的途径之一是采用橡胶轮转向架车辆。目前国内对于橡胶 轮转向架技术的研究还很有限，国外公开发表的文献对此也仅有简略的 报道：因此，研究橡胶轮转向架对于促进我国城市轨道车辆的技术进步、 适应城市轨道交通装备国产化要求有着重要的现实意义。 国内对于低地板轻轨车辆的研究工作还处于起步阶段，特别是一些 关键技术还刚刚接触。目前国内相关科研单位及高校，如西南交通大学 和铁道部大连内燃机车研究所、北京交通大学等已着手开展该方面的研 究工作。尤其是大连内燃机车研究所，在借鉴国外经验和丌发自身经验 的基础上，已于2 0 0 1 年开发出了“d l r ”号部分低地板轻轨车辆。该 轻轨车由三节车体组成，每节车体下有一转向架，前、后转向架采用传 统形式的动力转向架，中间转向架采用独立轮对形式的拖车转向架。 该类型车已在大连市区既有轨道线上运行。 第6 员 第一章绪论 1 2 本文研究目的与主要工作 本文试图将橡胶轮转向架技术和低地板转向架技术相结合，实现橡 胶轮低地板拖车转向架的结构设计，并从强度角度和动力学性能角度进 行可行性验证。此项工作的长远目标是为开发环保性比较好、运输效率 比较高、适合于城市中心区域地面运行的轻轨车辆提供走行部方面的技 术支持，为我国城市轻轨车辆的发展提供更多选择。 橡胶轮动力转向架和低地板动力转向架在技术上都相当复杂，目前 国内对这方面的研究尚处于起步阶段，这使得研发橡胶轮低地板动力转 向架技术上难度很大。 图1 石采用橡胶轮低地板拖车转向架的轻轨车辆编组 本文采用图卜6 所示的列车编组。列车两端采用常规的橡胶轮动力 转向架，中间采用橡胶轮低地板拖车转向架。整个车组的低地板化率约 为8 0 。由于橡胶轮轮轨粘着系数大、单轴功率强，对于这种运行于 市区路面的小规模编组的列车来说，当动车转向架与拖车转向架的比例 为1 ：2 时，车组仍可具备足够的牵引动力。而采用这样编组的结构既 可满足低地板化的要求，也大大降低了系统设计的难度。综合可行性与 必要性两方丽，本文工作的内容确定为橡胶轮低地板拖车转向架设计及 其可行性研究，主要包含以下内容： ( 1 ) 橡胶轮低地板拖车转向架结构设计。 根据橡胶轮低地板轻轨车辆编组的总体设计方案，借鉴m p 8 9 橡胶 轮转向架设计布局，结合基于材料力学原理的强度估算，提出橡胶轮低 第7 页 北京交迫大学硕士学位论义 地板拖车转向架及其相应车体部位的初步结构设计方案。 转向架结构设计是一个系统化的过程，还需要在有限元分析的基础 上不断优化。结构设计的难点在于既要满足整个结构的布局和低地板化 的要求，又要使整个结构具有足够的静强度秘疲劳强度。 本研究是在卢海强1 9 j 提出的橡胶轮低地板拖车转向架设计方案的 基础上，完成了车轴、构架、摇枕的细化设计。 ( 2 ) 橡胶轮低地板拖车转向架主体结构有限元分析。 根据u i c 5 1 5 4 规范确定计算载荷，并应用a n s y s 有限元分析软 件对转向架主体结构车轴、构架和摇枕进行有限元计算分析，从静强 度和疲劳强度角度验证橡胶轮低地板拖车转向架结构设计方案的可行 性，也为进一步优化设计方案提供依据。 ( 3 ) 橡胶轮低地板轻轨车辆动态曲线通过研究。 车辆曲线通过性能是车辆运行的一个重要指标，而橡胶轮转向架车 辆在动力学行为方面与钢轮转向架车辆的主要区别在于曲线通过行为。 车辆在进入曲线时轮对与线路间发生相对位移，由此引起导向线路对轮 对运动的约束力或导向力，通过转向架的悬挂系统传至车体，引导转向 架及车体克服离心力平顺地通过曲线。 在借鉴文献1 1 2 】的基础上，本研究建立了橡胶轮低地板轻轨车辆动态 曲线通过的动力学分析模型，优化了动力学分析软件，系统计算了橡胶 轮低地板轻轨车辆的动态曲线通过响应，并进一步优化了各项系统参 数，给出了一组具有工程价值的橡胶轮低地板拖车转向架的结构参数和 悬挂参数。同时也从动力学方面验证了橡胶轮低地板拖车转向架的可行 性。 第8 页 第二章转向架结构设计 本章在橡胶轮低地板轻轨车辆编组总体设计方案的基础上，借鉴 m p 8 9 橡胶轮转向架结构布局，根据材料力学原理的强度估算，给出了 橡胶轮低地板拖车转向架与相应车体部位的初步的结构设计方案。 2 1 m 尸8 9 橡胶轮转向架简介 m p 8 9 橡胶轮转向架是法国巴黎公交公司已投入实际运用的最新形 式的橡胶轮动力转向架，其结构如图2 - 1 所示。轮轨系统主要组成部分 如图2 2 所示。 2 1 1m p 8 9 橡胶轮转向架构成及各部分功用 差速器 图2 - 1m p 8 9 橡胶轮转向架 转向架自身主要由七大部分组成： 1 轮轴系统：车轮为橡胶独立轮。橡胶轮正常运营时为承重轮，内充 第9 页 北京交通人学硕士学位论文 高压氮气，胎压8 9m p a ； 2 导向系统：导向轮也为高压橡胶轮。胎压8 9m p a ： 3 二系减振系统：由空气弹簧和垂向阻尼器组成，连接摇枕和构架； 4 制动和辅助系统：钢轮提供踏面制动力，辅助安全和维修； 5 构架与摇枕系统：构架为平面框架式，摇枕为上凸式。构架为转向 架主体结构，固定车轴、连接摇枕：导轮支座和制动缸支座等也固 连其上。摇枕与单向止推轴承固连，通过空气弹簧和二系垂向减振 器与构架相连； 6 一系减振系统：由橡胶堆组成，连接车轴和构架； 7 传动系统：车轴上安装有主减速器和差速器。 2 1 2m p 8 9 橡胶轮转向架轮轨系统 图2 - 2 橡胶轮转向架轮轨系统图 a承重橡胶轮：正常运营时，承担车体重量；为防火，轮胎内充满 氮气。 a 橡胶轮走行轨道：混凝土或钢轨道，直接固定在地基上。 b 导向轮胎：水平布置的小橡胶轮胎，沿导向轨运行对车辆进行导向。 第1 0 页 第二章转向架结构设计 b 导向轨：导向轨既对车辆的运行进行导向又提供牵引电流。 c辅助钢轮：当橡胶轮胎漏气时，钢轮接触钢轨代替橡胶轮运行。 在过道佾时，引导车辆通过道岔。钢轮的轮缘比传统钢轮的轮缘要 大。 c 钢轨：轮胎漏气条件下使用的轨道，标准轨距( 1 4 3 5 m ) ；既作为 钢轮运行轨道，又兼作电流回路。 d 导向轨绝缘器：与导向轨电绝缘，支撑导向轨和侧向预紧装罱以 使导向轮紧贴导向轨。 e 钢轨绝缘器：与钢轨电绝缘，承担车辆总熏。 f侧向电接头：从导向轨接入牵引电流。 g回流器：构成电流回路，使牵引电流回到钢轨。 h轮胎漏气检测器：当橡胶轮胎内气体泄漏时，钢轮接触钢轨，轮 缘下降触及检测开关，检测器会发出警报。 2 2 橡胶轮低地板轻轨车辆编组方案设计 运行于市区路面的橡胶轮低地板轻轨车辆基本编组如图2 3 所示。 整个编组由三节车组成，每节车各有两台转向架，车组两端各有一台常 规橡胶轮动力转向架，中间四台转向架为橡胶轮低地板拖车转向架。 车组两端为司机室，与司机室及相邻区域对应的车组两端区域为高 地板区，在头车和尾车中高地板区约占车辆长度的三分之一；车组中央 全部为低地板；全部车门均开设在低地板区；整个车组低地板化率约为 图2 3 橡胶轮低地板轻轨车辆编组 第1 1 页 北京交通大学硬上学位论文 8 0 。 采用钢轮转向架的低地板化轻轨车辆的基本编组通常也是由三辆 车组成，比较流行的模式为两长一短编组，中间车为短车体，每辆车只 配备一个转向架。采用这样的编组形式的考虑之一是使车辆能比较方便 地通过小半径曲线。两长一短车辆编组模式对应的车体承载方式和结构 形式与传统车体差异较大，中间车体结构形式复杂。 与钢轮转向架相比，橡胶轮转向架的轮轨粘着系数大，在动力转向 架与拖车转向架的数量为1 ：2 时仍可使车组具有良好的加速性能和适 应坡道能力。橡胶轮转向架由于采用了专门的导向机构并且在转向架摇 枕与车体问设有单向止推轴承，使得传统形式的一车体两转向架轻轨车 辆能够以实用的速度通过半径为5 0 m 的小半径曲线，可以适应市区小 半径曲线的运行需要。 在本研究给出的橡胶轮低地板轻轨车组的总体设计方案中，动力转 向架与普通的高地板橡胶轮转向架很接近，只是导向装置的设计有所不 同，可以在充分借鉴m p 8 9 等成熟的橡胶轮动力转向架形式的基础上进 行研制；车体形式与常规的轻轨车辆车体相类似，设计与制造技术成熟； 橡胶轮低地板转向架由于是拖车转向架，技术难点分散，设计与制造难 度大为降低。总的来看，本研究给出的橡胶轮低地板轻轨车组的总体设 计方案具有良好的可实现性。此外，该总体设计方案的低地板化率为 8 0 左右，基本遍组具有较大的运输规模且对市区地面运用条件具有良 好的适应性，因而具有良好的实用性。 在以下工作中，本文将主要着力于橡胶轮低地板拖车转向架的结构 设计及其可行性研究。 第1 2 页 第二章转向架结构设计 2 3 橡胶轮低地板拖车转向架结构布局 橡胶轮低地板拖车转向架( 图2 4 ) 的布局借鉴目前国际上技术成 熟而先进的m p 8 9 橡胶轮转向架，主要的改变体现在三个方面： 图2 _ 4 橡胶轮低地板拖车转向架 1 去除牵引传动系统，包括牵引电机、联轴节，车轴上的主减速器、 差速器和驱动轴等： 2 重新布最导向装置，使之适应市区路面运行时车辆平交的需要； 3 为满足低地板化要求，重新设计了车轴、摇枕和构架的结构形式。 2 3 1 橡胶轮低地板拖车转向架构成及各部分功用 橡胶轮低地板拖车转向架各主要部件的形式与布置情况如下： 1 车轮：包括橡胶轮与钢轮两部分；橡胶轮与钢轮刚性连接，并通过 第1 3 页 北京交通大学颂十学位论文 滚动轴承与车轴相连，同步旋转；正常行驶时橡胶轮为承重轮，橡 胶承重轮内充高压氮气，气压8 - 9 m p a ：钢轮仅在橡胶承重轮严重漏 气和在检修段内检修车辆时为承重轮，钢轮还以踏面制动方式兼做 制动元件，但在通过道岔时不再肩负导向作用； 2 车轴：车轴为“u ”形铸钢结构，两端高适应轮径，中问低适应低 地板化要求；通过两组橡胶堆分别与构架的两个侧梁固连，轴端通 过滚动轴承与复合车轮相连，车辆行驶时车轴不发生旋转； 3 摇枕：摇枕整体为“u ”形钢板组焊结构，两端高适应车内座位布 置，中间低适应低地板化要求；每端通过个空气弹簧与构絮的侧 梁连接，中央区域通过与其固连的单向止推轴承与车体连接： 4 导向轮：两组导向轮分别与构架的两个端梁相连，导轮横向布置在 复合车轮之内，导轮平面与地面平行，上平面位于地面以下适当距 离以适应车辆平交需要；导向轮为高压充气轮胎，内充空气，气压 8 - 9 m p a ； 5 构架：总体呈“目”字形，为钢板组焊结构；侧梁两端通过橡胶堆 与车轴相连，侧梁中部通过空气弹簧与摇枕相连，每个端粱上各有 一对导向轮安装座：侧梁中段呈鼓形外突状从而使摇枕在车辆横向 有足够的空间下探； 6 悬挂布置：橡胶承重轮胎压比普通汽车轮胎胎压高一个数量级，因 此基本上不起减振作用；一系悬挂为连接构架与车轴的橡胶堆，提 供三向刚度和一定的阻尼，既起垂向减振作用，又起定位车轴作用； 二系悬挂为连接构架与摇枕的空气弹簧，提供三向刚度和垂向阻尼， 是车体垂向减振和适应车体与转向架横、纵向相对位移的主要环节。 第1 4 贞 第二章转向架结构设计 2 3 2 橡胶轮低地板拖车转向架轮轨系统 橡胶轮低地板拖车转向架轮轨系统( 图2 5 ，图2 6 ) 与传统橡胶 轮转向架轮轨系统类似，其主要差别在于导轮导轨系统的布置形式。 传统的橡胶轮转向架的导轮导轨系统是置于地面以上的，而为了实 现橡胶轮低地板轻轨车辆在市区路面运行时与其它道路车辆平交的需 要，橡胶轮低地板转向架导轮导轨系统须置于地下。 图2 ，5 橡胶轮低地板转向架轮轨系统图 一l 浦助钢轮、 导向轮 募重橡胶轮、 、 钢轨走行轨道导向轮 象胶轮 i ， 路面 电行轨道叫 。| 斓 蕊 饕戮 蕊 国 图2 - 6 橡胶轮低地板转向架轮轨系统图( 截面图) 第1 5 页 北京交通大学硕士学位论文 2 4 橡胶轮低地板拖车转向架结构设计 2 4 1 基本要求 转向架的设计必须适应车辆设计与运用的总体要求。橡胶轮低地板 拖车转向架的应用对象为市区路面运行的轻轨车辆，应满足以下运用要 求： 1 正常运行速度为3 0 k m h 至4 0 k m h ； 2 正线最小曲线半径5 0 m ； 3 轴重不超过1 2 5 t ； 4 低地板区地板面高度不超过3 5 0 m m ，低地板区通道允许两个人 方便地相向错过； 5 允许与市区路面运行的其它车辆平交； 6 车辆噪声与振动对周边环境影响较小。 2 4 2 技术参数的确定 为适应上述运用要求，转向架各部件应布置得较为紧凑以减小轴 距；车轴、摇枕和构架的设计形式与尺寸须适应低地板面高度的要求； 轮距应适应低地板通道宽度、布置橡胶承重轮和辅助钢轮以及避免通过 最小半径曲线时车体与转向架部件发生干涉的要求；导向轮上平面须低 于路面适当距离以适应与其它车辆平交的需要。 根据橡胶轮低地板拖车转向架的布局情况和设计要求，可以初步确 定转向架的主要设计参数如表2 1 ： 第1 6 页 第二章转向架结构设计 表2 - 1 橡胶轮低地板拖车转向架主要设计参数 最高运行速度( k m h 1 6 0 晟小运行曲线半径( m ) 5 0 橡胶承重轮n 距( m m 、 2 4 6 0 轴g ( m m ) 2 0 0 0 橡胶承重轮轮径( i n i n ) 8 0 0 钢轨轨距( m m ) 2 0 0 0 一系悬挂中心横距n ( r a m ) 1 3 4 0 二系悬挂中心横向距离( m m l 1 9 9 0 轴重t ) 1 0 橡胶承重轮直径选择为8 0 0 m m 的主要考虑是与普通橡胶轮转向架 取得一致，以便于订购。轴重取为1 0 t 也与普通橡胶轮转向架的轴重设 计相当并能够满足车辆运量需要。最高运行速度设计为6 0 k m h 足以满 足正常运用时一般不超过4 0 k m h 的运用需要。 2 4 3 转向架结构设计 幽2 - 7 橡胶轮低地板拖车转向架设计难点区域 第1 7 页 北京交通大学硬七学位论文 转向架整体采用图2 7 所示的布局形式。三个局部区域的结构设计 是实现低地板化设计的关键：轮轴中部区域，摇枕中部区域，轮轴和构 架侧粱连接区域。其中轮轴和构架侧梁连接区域是实现低地板化设计的 主要制约。 2 4 3 1 轮轴和构架侧粱连接区域结构设计 轮轴与构架侧梁连接部区域的结构设计情况如图2 - 8 所示。构架通 过橡胶堆悬挂于车轴下。此区域车轴断面高度为9 0 m m ，构架侧梁断面 高度为l l o m m 。车轴中段上方车体局部区域的地板厚度控制在2 0 m m ， 这在设计车体的承载结构时是不难实现的。地板下平面与车轴上平面之 间预留的间隙为6 0 m m ，在空气弹簧无气，车体重量由空簧橡胶堆承担情 况下，仍可保证地板下平面与车轴上平面之间不发生接触。构架侧梁下 平面与地面之问预留的间隙为7 0 m m ，在运用过程中一系橡胶堆的晟大 垂向动态压缩量为6 r a m ( 此值按轴重1 0 t ，动荷系数1 3 ，每车轮对应 的一系垂向刚度为2 7 m p a m 测算) ，故在运用过程中构架侧梁下平面 与地面之间的间隙能保持在6 0 m m 以上，可以满足车辆下部的限界要求。 3 5 0 图2 - 8 轮轴与构架侧梁连接部分剖面图 己0 6 0 9 0 7 0 第1 8 页 第二章转向架结构设计 与上述结构设计与布局相应，车轴与构架侧梁连接部区域对应的地板面 高度为3 5 0 m m ，符合低地板化设计标准。 应该指出：车轴在与橡胶堆对应的截面处也承受着最大弯矩，此截 面的设计尺寸不仅直接决定着地板面的高度，而且形式复杂，也需要对 该截面进行强度考核。鉴于此截面的尺寸比车轴中段截面尺寸大得多， 细致的结构设计应可以既满足强度要求，又不增加该截面的高度。 2 4 3 2 车轴设计 p j a ， bc ， d 陛5 4 嘶一 1 3 9 0 n m l 5 4 m m 胡 m r、 ，觚狲 x 图2 - 9 车轴弯矩示意图 车轴的简化承载形式及其相应的弯矩情况如图2 - 9 所示。其承载方 式为四点弯曲，承重位置分别在承重轮( a 、d 点) 和一系橡胶堆与车 轴连接部( b 、c 点) 。 在轴重为1 0 t 的情况下，最大静载荷p 为5 0 k n ，动载荷系数取1 3 ， 承重轮中面与橡胶堆中面的间距为5 4 0 m m ，车轴最大弯矩为： m m 缸；5 1 0 2 x 1 3 x 0 5 4 = 3 5 1 x 1 0 2 m n m 最大弯矩幅为： d m 。= 5 1 0 - 2 o 3 x 0 5 4 = 0 8 1 x 1 0 2 m n m 第1 9 页 北京交通大学填七学位论文 图2 1 0 车轴结构图 车轴的设计结构如图2 1 0 所示。为适应其复杂的结构形式，整体 采用铸钢结构。为满足运用要求，车轴不仅需要具有足够的静强度，还 必须具有足够的疲劳强度。与等级较高铸钢( 如b 级钢) 的静强度对 应的许用应力值可高达2 0 0 m p a 以上，其疲劳强度对应的许用应力幅一 般也高于7 0 m p a 。 结合最大弯矩和最大弯矩幅可以得出与静强度和疲劳强度对应的 抗弯截面系数分别为1 7 6 x 1 0 _ 4 m 3 和1 2 x 1 0 4 m 3 。综合静强度和疲劳强 度要求，车轴中段截面的抗弯截面系数须大于1 7 6 x l o - 4 m 3 。车轴中段 采用矩形截面，宽度取l o o m m ，高度取1 4 0 m m ，则抗弯截面系数为 3 3 x l o 4 m 3 ，可以满足强度要求。车轴与构架侧梁连接处的宽度取 第2 0 页 第二章转向架结构设计 4 2 0 m m ，高度取9 0 m m ，b 和c 两处( 图2 9 ) 是危险截面，相应的抗 弯截面系数为2 1 x 1 0 。4 m 3 ，也满足强度要求。 2 4 3 3 构架设计 构架是转向架结构主体，是保证转向架有关部件相对位置和总体布 局的核心。构架不仅传递车辆纵向、横向和垂向作用力，还为安装弹簧、 制动装置和导向装置提供安装座或吊座，结构形式和受力情况非常复 杂，这使得构架的设计成为转向架结构设计的主要内容之一。 橡胶轮低地板拖车转向架构架为钢板焊接薄壁箱形梁组成的“目” 型结构，如图2 1 1 和2 1 2 所示。为适应摇枕的低地板化设计需要，侧 梁中段设计成外凸形式，这使得构架的强度计算更为复杂。 图2 1 1 构架等角投影图 第2 1 页 北京交通大学硕上学位论文 图2 1 2 构架三视图 构架总体尺寸的初步设计主要根据低地板化设计的需要和布置相 关部件的需要确定，断面尺寸的初步设计采用材料力学方法进行。计算 时动荷系数取为1 3 ，材料为1 6 m n r ，静强度许用应力取为2 1 6 m p a ， 焊缝疲劳许用应力幅按低值取为5 0 m p a 。初步确定的构架尺寸如下： 侧粱中部外形尺寸为2 6 0m i n x 2 0 0m m ，两端为2 0 0 m m x l l 0m m ； 上、下盖板厚1 2 m m ，立板厚1 0 m m 。 横梁外形尺寸为1 8 0m m x 2 0 0m m ，上、下盖板厚1 2m m ，立板厚 1 0 m m 。 端梁外形尺寸为1 5 0m m x l l 0m m ，上、下盖板厚1 2m m ，立板厚 】0 m m 。 第2 2 页 第二章转向架结构设计 2 4 3 4 摇枕设计 摇枕简化承载情况如图2 1 3 所示。其承载方式可近似为三点弯曲 ( 偏于严格的处理) ，承载位置分别在空气弹簧中心( a 、c 点) 和单 向止推轴承中心( b 点) 。 r a，器e 舡l 0 0 5 m ml 5 m m翻 图2 1 3 摇枕弯矩不恿倒 分担至每一空气弹簧的最大车体静载荷为7 5 k n ( 满载时车体重量 取为3 0 吨，此时p 为1 5 0 k n ) ，动荷系数取1 - 3 ，空气弹簧中心与单向 止推轴承中心的间距为1 0 0 5 m m ，摇枕最大弯矩为： m = 7 5 x 1 0 x 1 3 1 0 0 5 m n m = 9 8 0 1 0 m n 。m 最大弯矩幅为： d m 一= 7 5 1 0 “x o 3 1 0 0 5 m n m 一2 2 6 x 1 0 2 m n m 摇枕采用钢板箱形焊接结构，材料选用可焊性好且疲劳强度较高的 1 6 m n r 钢板。1 6 m n r 钢板许用应力值为2 1 6 m p a ，与焊缝对应的疲劳 许用应力幅按低值取为5 0 m p a 。结合最大弯矩和最大弯矩幅可以得出 与静强度和疲劳强度对应的抗弯截面系数分别为4 5 4 x 1 0 _ 4 m 3 和 4 5 2 1 0 “m 3 。综合静强度和疲劳强度要求，摇枕中央截面的抗弯截面 第2 3 页 北京交通大学硕+ 学位论立 系数须大于4 5 4 x l o “r a 3 。摇枕中段为箱形截面，宽度取6 2 0 m m ，高度 取l o o m m ，上下盖板厚1 6 r a m ，腹板厚l o m m ，相应的抗弯截面系数为 5 6 4 x 1 0 。4 m 3 ，可以满足强度要求。 摇枕通过单向止推轴承与车体连接，通过空气弹簧与构架连接。为 了满足低地板化设计要求，摇枕采用“u ”形结构设计( 图2 。1 4 ，图2 - 1 5 ) ， 单向止推轴承固连其中部。 图2 。1 4 摇枕等角投影图 口二i 一厂i 二= 口 i l l 二= 三i 翥已e 羔| 图2 1 5 摇枕三视图 第2 4 页 第二章转向架结构设计 车轴、构架和摇枕的初步设计都是基于承载方式的简化并用材料力 学方式进行的。由于结构和实际受力情况的复杂性，满足静强度与疲劳 强度细化的结构与尺寸设计需要借助于有限元方法进行，这将是下一章 的主要内容。 2 5 橡胶轮低地板拖车转向架上部车体布局 为了实现低地板化设计要求，车轴与摇枕均设计成u 形结构， 车体镶嵌其中( 图2 - 1 6 ) 。在车辆通过小曲线时，为了避免车体与车轴、 辅助钢轮以及摇枕等发生干涉，须留有一定的横向间隙以适应车体与转 向架之间的相对位移。车体与转向架可能发生干涉的部位也是车体内部 布局的难点所在。 图2 1 6 转向架上部区域车体内布置示意图 按最小曲线半径5 0 m ，转向架定距l o m ，可以计算出转向架与车体