（车辆工程专业论文）内侧轴箱式转向架动力学性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路运输在运输市场中有着举足轻重的地位，为我国国民经济 的发展起着非常重要的作用。世界各国铁路朝着高速、重载方向快 速发展，使得诸多新结构、新材料、新工艺在铁路运输装备的设计 和制造中得到了广泛的应用和发展。 转向架结构直接影响着铁路车辆的运行性能。长期以来，铁路 车辆由于受到运行稳定性、倾覆安全性和轴承检修等因素的制约， 主要采用外侧轴箱悬挂的模式。随着铁道车辆运行速度的不断提高， 对转向架结构轻量化、低轮轨作用力等提出了更高的要求。在国外 经过多年来研究和试验表明，与外侧轴箱悬挂转向架相比，内侧轴 箱式转向架能有效地降低轮对和构架的质量，已显示出了其具有重 量轻、曲线通过性能优等许多优良的动力学特性，已经得到了成功 的应用。而我国对内侧轴箱式转向架的研究甚少，在工程上的应用 尚属空白，因此，本文展开对内侧轴箱式转向架的动力学特性进行 系统研究和分析，探寻内侧轴箱式转向架的结构和参数对其运行性 能的影响规律，具有十分重要的理论意义和工程指导价值。 本文对内侧轴箱式转向架的研究主要包括以下几部分内容： 一、分析国外成功应用的内侧轴箱式转向架的结构特点和运行机 理，获得了更深一步的认识。， 二、提出了内侧轴箱式转向架的基本结构设计方案，并对各个部 件的结构和功能进行了分析说明。 三、应用s i m p a c k 动力学仿真软件，建立了内侧轴箱式转向架的 动力学分析模型，并对模型的各个组成部分进行了受力分析，建立 相应的运动微分方程。 四、根据建立的内侧轴箱式转向架动力学模型，对转向架的悬挂 参数进行优化计算分析，得到了一组较佳的悬挂参数匹配值。 五、最后，根据优化后得到的悬挂参数，对内侧轴箱式转向架的 动力学性能进行分析和预测，并通过对内侧轴箱式转向架与传统转 向架的动力学性能进行对比分析，以说明内侧轴箱式转向架的优点 和不足。 本论文通过对内侧轴箱悬挂转向架结构参数和运行性能进行研 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 究，表明内侧轴箱悬挂转向架不但具有结构紧凑、重量轻、曲线通 过性能好、适应线路扭曲能力强的优点，同时通过选取合适的抗蛇 行和抗侧滚装置，也能满足其高速运行稳定性和抗倾覆安全性的要 求，具有很好的运用前景。 关键词：内侧轴箱式转向架：轻量化；低磨耗；结构分析；动力学 仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第页 a b s t r a c t r a i l w a yt t a n s p o r t a t i o n i st h ev i t a l p a r t o ft h et r a f f i c t r a n s p o r t a t i o n ，e s p e c i a l yi nc h i n a ，t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l ef o rt h en a t i o n a le c o n o m y w i t h t h er a i l w a yi nt h e w o r l d d e v e l o p i n g t o w a r d s h i g h s p e e d ，h e a v yl o a d ，al o to fn e w s t r u c t u r e s ，n e wm a t e r i a l sa n dn e wt e c h n o l o g ya r eu s e da n dd e v e l o p e d w i d e l yi nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h eb o g i e ss t r u c t u r ea f f e c t sd i r e c t l yt h e d y n a m i c sw h e nt h e v e h i c l e si s r u n n i n g f o ral o n gt i m e ，d u et oo p e r a t i n gs t a b i l i t y ， o v e r t u r n i n gs e c u r i t y ，m a i n t e n a n c ef o rb e a r i n ga n do t h e rf a c t o r s ，t h e o u t e ra x l eb o g i ei su s e dm o s t l yi nr a i lv e h i c l e s w i t ht h ec o n t i n u o u s i m p r o v e m e n to fo p e r a t i o n a ls p e e dr e q u i r et h eb o g i e s t r u c t u r ew i t h l i g h t w e i g h ta n dl o ww h e e l r a i lf o r c e i na b r o a d ，f o rm a n yy e a r s ，t h e r e s u l t so fr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t t h ei n n e ra x l e b o x b o g i e ac a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e q u a l i t yo f w h e e l s e ta n d f r a m e c o m p a r e d w i t ht h eo u t e ra x l e - b o x b o g i e ，w h i c h h a ss h o w nm a n y e x c e l l e n td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl i g h tw e i g h t e a s yt op a s s c u r v e ，i th a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nf o r e i g nc o u n t r i e s i n n e r a x l e b o xb o g i e sh a v eb e e na l r e a d yu s e dm a t u r e l yi no v e r s e a s ，b u ti t s r e s e a r c hi sl e s sa n da p p l i c a t i o ni sb l a n ki no u rc o u n t r y ，t h e r e f o r e ，t h e r c a s e a r c ho nt h ei n n e ra x l e b o x b o g i e i nt h i s p a p e ri s f a rm o r e i m p o r t a n t t h i sp a p e rh a sf i v ep a r t sf o rt h ei n n e ra x l e b o xb o g i es t u d y f i r s t l y ， i n n e ra x l e b o x b o g i e sw h i c hh a v eb e e nu s e dm a t u r e l y i n + o v e r s e a w e r e a n a l y z e d t h r o u g h t h e a n a l y s i s o ft h e s e b o g i e s s t r u c t u r e ，t h ei n n e ra x l e b o x b o g i ew a sd e e p e ru n d e r s t a n d e d s e c o n d l y ，b a s e do nt h e r e s u l t so fs t u d yf o ri n n e ra x l e b o xb o g i e ， ap r o j e c to ft h ei n n e ra x l e - b o xb o g i es t r u c t u r ei sp u tf o r w a r d ，a n da l l p a r t s o ft h eb o g i ew e r ea n a l y z e df u r t h e r t h i r d l y ，t h ec o r r c s p o n d i n gd y n a m i c sm o d e lw a se s t a b l i s h e db y d y n a m i c ss o f t w a r es i m p a c k a n dl o a d so fe a c hp a r tw e r ea n a l y z e d ， 西南交通大学硕士研究生学位论文二第1 v 页 f u r t h e r m o r e ，t h ec o r r e s p o n d i n gk i n e t i ce q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e d n e x t ，a c c o r d i n g t ot h e d y n a m i c sm o d e l ，t h es u s p e n s i o n p a r a m e t e r so f t h e b o g i e w e r e o p t i m i z e d a n d t h em o s ts u i t a b l e s u s p e n s i o np a r a m e t e r g r o u pw a sg a i n e d f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h eo p t i m i z e ds u s p e n s i o np a r a m e t e r s ，t h e d y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h ei n n e ra x l e - b o xb o g i ew a sf o r e c a s t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a ta l lt h ep a r a m e t e r sa r es a t i s f i e d a n dt h ea d v a n t a g e s a n dd j s a d v a n t a g e so ft h ei n n e ra x l e b o xb o g i ew e r ec o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lb o g i e i naw o r d ，i nt h i s p a p e r ，t h es t u d y r e s u l t sa b o u tt h ei n n e r a x l e b o x b o g i e s h o w t h a tt h e t h ei n n e ra x l e - b o xb o g i ei sn o to n l y s t r u c t u r ec o m p a c t ，l i g h tw e i g h t ，g o o dc u r v i n gp e r f o r m a n c e ，a d a p t i n gt o t h ed i s t o r t e dl i n e s ，c a na l s of u l f i l lt ot h es t a b i l i t yo fh i g h s p e e da n dt h e s e c u r i t yo ft h ea n t o v e r t u r nb yc h o o s i n ga p p r o p r i a t ea n t i h u n t i n g a n d a n t i r o l l i n g d e v i c e s ，t h ei n n e ra x l e - b o xb o g i e h a sa v e r yg o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：t h e i n n e ra x l e - b o x b o g i e ；l i g h tw e i g h t ；l o ww e a r ； s t r u c t u r ea n a l y s i s ；d y n a m i cs i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文。第1 页 第一章绪论 1 1 论文选题背景 随着社会的发展，科学技术的进步，铁路运输己不仅限于达到 运输这个单一的目的，正在朝多维方向发展，比如：要求高速度、 优良的运行品质、低噪音及更加环保等等。而为了达到要求，转向 架的改进与研发是关键。传统转向架采用在车轮外侧布置轴箱悬挂 装置、装有二轴或多轴，它具有抗侧滚和抗倾覆能力强、运行稳定 性好、转向架内部空间便于布置驱动和制动装置、轴承及轴箱悬挂 系统检修方便等优点，因此多年来在铁路干线客货车辆中应用广泛。 但是这种传统转向架却存在着轮对和构架质量大、难以通过小半径 曲线、对线路扭曲适应能力差等缺点，尤其是由于簧下质量大造成 轮轨动作用力大、运行性能差等现象已引起了高度重视，许多车辆 研究人员正在采取措施研制轻量化的新型转向架，尤其要降低转向 架的簧下质量，以改善轮轨间的动作用力、减轻轮轨磨耗、降低运 行噪音、提高运行品质。 为了减轻转向架重量，经过多年的研究和试验，出现了一些新 型结构模式的转向架，代表性的有：独立旋转车轮转向架、单轮对 转向架、内侧轴箱悬挂转向架等。而本论文将对内侧轴箱悬挂转向 架进行具体的研究。 内侧轴箱悬挂转向架与外侧轴箱悬挂转向架的主要区别是将轴 箱悬挂装置从车轮外侧移至车轮内侧，使转向架的构架成为内支承 模式。由于构架支撑于车轮内侧，同外侧轴箱悬挂转向架相比，车 轴长度可以缩短近5 0 0 r a m ，不但减小了属于一系弹簧下部的轮对的 质量，构架横梁也相应缩短，其质量也相应降低。因此，内侧轴箱 悬挂转向架不仅能降低转向架的质量、改善车辆运行品质和降低轮 轨作用力，同时可使转向架设计得更加紧凑i t 】。内侧轴箱悬挂转向架 由于轴箱悬挂的横向跨距大大缩短，有效地降低了轮对的摇头角刚 度和转向架的扭曲刚度，因此内侧轴箱悬挂转向架在运行稳定性不 受太大影响的前提下，提高了曲线通过能力和适应线路扭曲的能力， 非常适合运行速度不高、线路曲线半径小、坡度和顺坡率较大的城 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 市轨道交通车辆。同时，由于抗蛇行减振装置和抗侧滚装置的成熟 和运用，内侧轴箱式转向架也有很好的运行稳定性和抗倾覆安全性， 具有广阔的应用前景。 随着我国现代化建设的不断深入和社会进步，城市化规模不断 扩大，城市化率显著提高，但城市交通拥挤现象也日益突出，汽车 尾气排放的增加严重污染了城市环境，解决这些问题的有效方法是 建设城市有轨交通系统。目前我国的北京、上海、广州、深圳、天 津、重庆、南京、武昌、大连、长春等大型城市已建成部分城市有 轨交通系统，更多的城市如哈尔滨、成都、沈阳、杭州等也正在积 极兴建和筹建中，我国城市轨道交通建设方兴未艾，即将迎来全面 建设的高潮。 目前，我国在使用中的城轨车辆转向架与干线车辆转向架无明 显区别，轴距基本在2 4 0 0 r a m 左右，转向架重量大，通过曲线时轮轨 力和轮对冲角大，导致严重的轮轨非正常磨耗，污染环境。基础制 动装置主要采用踏面制动的模式，不但制动能力低，噪音大，闸瓦 磨耗产生大量的尘土对城市环境构成了威胁。 国家城市快速轨道交通工程项目建设标准对城轨车辆转向 架的轴距、运行噪音、轴重等技术指标提出了要求，如城轨b 型车 辆转向架轴距2 3 0 0 m m ，轴重1 4 t ，客室内噪音8 3 d b ( a ) 。因此， 开发一种新型环保的、运行品质佳的城轨车辆转向架势在必行 根据我国铁路中长期发展规划，在2 0 2 0 年前，我国将大量修建 高速客运专线，一些城市比较密集、较发达的地区，如长江三角洲、 珠江三角洲、环渤海地区等，己开工或计划修建城际快速铁路，对 新型的运输装备提出了要求。 鉴于轴箱内侧悬挂转向架具有重量轻、运行低噪音、曲线通过性 能好、适应线路扭曲能力强等诸多优点，在国外己成功运用于城轨 车辆、高速客车和货车。充分表明内侧悬挂转向架技术是成熟、可 靠的，具有广阔的应用前景和生命力。在我国城轨交通系统、客运 专线、城际铁路大量建设的初期，应充分利用国外的成功经验，结 合我国铁道车辆发展的实际情况，高起点研制具有自主知识产权的 内侧轴箱悬挂转向架，对于推动我国轨道交通系统的建设、改善城 市交通拥挤状况、提高运输效率、保护环境、提高人民生活质量将 西南交通大学硕士研究生学位论文 ， 第3 页 具有十分重要的意义。 j 。 1 2 内侧轴箱悬挂转向架的基本特点 与传统转向架相比，内侧悬挂转向架具有许多显著的特点【1 。 其主要优点是： 转向架质量及簧下质量大幅度降低，改善了动力学性能。 转向架簧下质量对车辆的动力学性能和轮轨作用力都有较大的 影响，簧下质量越大，动力学性能越差，轮轨作用力也越大。由于 采用内侧悬挂结构，轮对质量和构架质量减轻，可以降低整体质量 约3 0 ，达到轻量化的目的，有利于改善车辆动力学性能、减小轮 轨作用力、减轻轮轨磨耗和环境污染、降低噪音等。 降低轮对摇头角刚度，改善曲线通过性能。 轮对的摇头角刚度是影响转向架曲线通过性能的主要因素，摇头 角刚度越大，通过曲线时轮轨横向力、轮对冲角、轮轨磨耗、轮轨 噪音均有不同程度的增加，反之则减小。轮对的摇头角刚度k 可用 下式表示： k - q 蟛 f1 一 式中：k 一每轴箱悬挂纵向刚度 6 ，一轴箱悬挂横向跨距之半 由( 1 1 ) 式可知，轮对的摇头角刚度与轴箱悬挂横向跨距的 平方成正比。与传统转向架相比，采用内侧轴箱悬挂模式，轴箱悬 挂横向跨距将缩短约5 0 ，在相同纵向刚度的情况下，轮对的摇头 角刚度将降低7 5 ，从而可大大改善曲线通过性能，降低轮轨磨耗 和运行噪音，减轻对环境的污染。因此，内侧悬挂转向架特别适合 在小半径曲线较多的线路上运行。 降低转向架的扭曲刚度，提高适应线路扭曲不平顺的能力。 转向架扭曲刚度越大，其适应线路扭曲不平顺的能力越差，通 过扭曲线路时轮重减载率越高，严重时将危及行车安全。与轮对摇 头角刚度一样，转向架的扭曲刚度与轴箱悬挂的垂向刚度k 。的一次 方成正比，与轴箱悬挂横向跨距的平方成正比，因此，内侧轴箱悬 挂转向架也能大幅度降低转向架的扭曲刚度，极大地提高了其适应 线路扭曲的能力，非常适合线路刚度大、三角坑深度大、坡度及顺 西南交通大学硕士研究生学位论文 1 第4 页 坡率高的线路。 改善了空气弹簧的工作条件。 二系弹簧一般安装在构架的侧梁上，在使用空气弹簧作为二系 悬挂时，空气弹簧的纵向变形基本能满足通过常规曲线的要求，因 此二系采用空气弹簧悬挂的转向架可以采用无摇枕结构。但在曲线 半径很小的线路上，如城市轻轨交通线路最小曲线半径可能小于 2 0 m ，采用空气弹簧的传统转向架就很难满足通过小半径曲线的要 求，往往需要增加摇枕装置，不但使转向架结构复杂化，还增加了 转向架重量。如果采用内侧悬挂转向架，空气弹簧的横向跨距也可 以缩短，从而减小了通过小半径曲线时空气弹簧的变形量，既改善 了空气弹簧的工作条件，还使采用无摇枕结构成为可能。 便于结构布置，增大车厢过道宽度，实现完全低地板结构。 在装有独立旋转车轮转向架的车辆上，如何增大车厢的过道宽 度，是设计转向架时必须考虑的问题。尤其是装有牵引电机的动力 转向架，电机的尺寸较大，如果将电机安装在轮对内侧，将使得过 道变得十分狭窄。采用内侧悬挂模式的独立旋转车轮转向架，将电 机纵向布置于侧粱外侧，则可以鳃决过道狭窄问题。 降低车辆运行时的噪声。 由于轴箱悬挂装置安装在轮对内侧，在车辆运行时轮对可以屏 蔽部分轴承滚动时产生的噪声。同时，内侧轴箱悬挂一般采用人字 形或锥形橡胶弹性元件，橡胶元件不但能够吸收高频振动和噪音， 还具有较强的非线形特性，适合空重车重量差别较大的车辆。 采用外置的轮盘制动装置，便于更换和检修。 当然，内侧轴箱悬挂转向架也存在以下不足： a 1 轴承、轴箱置于轮对内侧，对其使用寿命和可靠性有很高的 要求，特别是轴承应尽可能实现免维护，否则需要退轮维修或更换。 b ) 内侧轴箱悬挂使转向架内部空间变小，对于需要安装电机、 联轴器、齿轮箱等驱动装置的动力转向架，设计难度较大。 c ) 二系空气弹簧横向跨距减小后，降低了转向架的抗侧滚能力。 需要另外安装抗侧滚装置，以提高其倾覆安全性。 d 1 轮对摇头角刚度的降低，将影响其运行稳定性，如用于高速 运行的转向架，可采用低锥度踏面、加大抗蛇行减振器阻尼系数等 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 措施加以解决。 1 3 国外内侧轴箱悬挂转向架技术及应用 内侧悬挂转向架起源于上世纪中期，上世纪末在干线客车、货 车和城市轻轨车辆中得到了成功应用。目前国际上比较出名的内侧 悬挂转向架主要有：用于客车的b 5 0 0 0 型、t r 4 0 0 型转向架，用于 货车的l e i l a d g 转向架，用于城市轻轨车辆的s f 3 0 、s f 4 0 、s f 5 0 型、t s f i i 型、庞巴迪动车转向架，s 2 2 l a 型单轮对转向架等。 1 3 1b 5 0 0 0 型转向架 b 5 0 0 0 型转向架是1 9 8 9 年由德国铁路股份公司( d b ) 和英国国 家铁路( b r ) 合作开发、由德国t a l b o t 工厂制造的城际铁路车辆 转向架( 图1 1 ) 。1 9 9 4 年，该转向架在德国慕尼黑滚动振动试验 台上成功进行了滚振试验，最高试验速度达到了3 2 0 k m h 。在经过8 0 万千米线路考验后，运用于挪威国营铁路( n s b ) 和英国国营铁路的 城际快速客运列车上。 图l 一1b 5 0 0 0 型转向架 该转向架主要结构特点如下： h 型构架安装在轮对内侧 一系采用单锥形橡胶弹簧和拉杆定位 二系悬挂采用空气弹簧并加装垂向液压减振器 空气弹簧的附加气室为外接风缸 在摇枕与构架间装有抗蛇行减振器 基础制动采用轮盘式制动并加装电子防滑器 牵引装置为中心销加z 字型牵引拉杆结构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 该转向架主要技术参数如表1 1 。 表1 1b 5 0 0 0 型转向架主要技术参数 最高滚振试验速度k m h - 1 3 2 0 最高运行速度k m h 1 2 0 0 轨距历加1 4 3 5 轴距m m2 2 5 0 新7 8 0 轮径m m 磨耗到位 7 1 6 转向架质量f 4 7 轴重f 1 5 用途 一 。 干线客车 通过试验，德国和挪威铁路肯定了b 5 0 0 0 型转向架的优点，并 分别定购了该转向架。德国铁路股份公司在市郊列车上使用了b 5 0 0 0 型转向架，尽管该转向架不是按高速设计的，但在线路上测试时达 到了2 5 0 k m h 的速度，在德国铁路上进行了长达2 年的运行考验，累 计运行约8 0 万千米，车轮踏面磨耗小【3 l ，在维修方面受到了德国铁 路股份公司的正面评价。同样，该转向架在挪威铁路经过7 年的运 行，小磨耗及良好的线路适用能力也得到了证实。在英国，有2 0 0 多台b 5 0 0 0 型转向架用于速度为2 0 0 k m h 的内燃动车组上，此外， 还定购了3 0 0 台该型转向架用于其它客车。 1 3 2t r 4 0 0 型转向架 1 9 9 9 年由德国铁路( d b ) 和东日本铁路公司( j r e ) 达成合作 协议，致力于开发新型高速机车车辆转向架，以增强公司在铁路运 输业中的竞争实力。待开发转向架的设计目标为1 4 】：最高运行速度 3 5 0 k m h ，转向架质量不大于5 f ，具有良好的运行平稳性，采用轮盘 制动以便降低轮轨间的噪声，并提高构架的疲劳寿命。针对这些目 标开发出了2 种方案的转向架，一种为构架外置式的t r 9 0 0 5 型，另 一种为构架内置式的t r 4 0 0 型( 图1 2 ) 。t r 4 0 0 型是在b s 0 0 0 型 转向架的基础上经过进一步的改进和完善开发的，其结构不同之处 在于t r 4 0 0 型构架采用两根钢管作为横向辅助粱，空气弹簧的附加 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第7 页 气室吊挂在构架内侧。 t r 4 0 0 型转向架的一系悬挂系统由合成橡胶弹簧和有合成橡胶 铰的轮轴导向装置组成。由于转向架构架采用柔性结构，一系弹簧 的刚度可以在较宽范围内变化，而不影响脱轨安全性。为降低使高 速转向架部件产生不利影响的加速度，选用了性能相对较好的垂向 减振装置。为了避免转向架由于横向支承跨距降低而导致车辆倾覆 系数过大的缺陷，在构架与轮对之间设置了抗侧滚支承装置。二系 悬挂系统由空气弹簧系统和抗侧滚装置组成，同时为了进一步优化 运行品质，还安装了一套半主动横向悬挂装置。 图1 2t r 4 0 0 型转向架 t r 4 0 0 型转向架主要技术参数见表1 2 。 表1 2t r 4 0 0 型转向架的主要技术参数 最高运行速度蛔h - 1 3 5 0 轨距加小1 4 3 5 轴距砌m2 5 0 0 转向架质量肛 4 9 新7 8 0 轮径r n m 磨耗到位7 3 0 最大轴重凡 1 5 用途干线客车 t r 4 0 0 型转向架制动装置进行了适当的简化，制动装置由轮盘 制动且每一轮对由一个轴盘制动组成，轮轴采用大直径空心轴和小 直径车轮，因为众多措施使转向架的质量比类似的传统转向架大为 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 降低，大约要轻3 0 一4 0 。因而获得了较小的簧下质量和较小的 惯性矩，既降低了轮轨作用力，又提高了运行的稳定性及平稳性。 1 3 3l e i l a d g 型转向架 欧洲的铁路货运主要在夜间进行，而装备现有轴箱外侧悬挂转 向架的列车以8 0 k m h 的速度运行时，在距离轨道7 5 m 处测得的噪声 值为9 6 d b ，噪声水平不能满足相应的标准。又因为铁路货车在编组 场花费时间过长，使平均速度降低，平均每辆货车每年因不定期进 车间检修而停运2 次，导致成本增加。因此，为了与欧洲铁路联盟 ( u i c ) 轨道车辆噪声标准相适应，提高有效载荷，降低成本，德国 铁路( d b ) 研究人员在德国政府的支持下，以降低噪声、降低转向 架的质量、减少磨耗、提高转向架的安全性及可靠性为设计目标【5 “，于2 0 0 2 年开发出了l e i l a d g 轻型低噪声货车转向架( 图1 3 ) 。 该项目由柏林工业大学机车车辆研究所牵头，联合相关单位进 行，通过大量的理论分析和试验，得出的初步结论是：采用内侧悬 挂式转向架方案比传统转向架具有噪声小，稳定性、平稳性以及脱 轨安全性好等优点。与y 2 5 型转向架相比，l e i l a d g 型转向架整 体质量减少7 5 0 k g ，实现了转向架设计的轻量化。2 0 0 3 年l e i l a d g 型转向架装车进行线路考验，结果普遍认为该转向架将来可代替y 2 5 型转向架，成为欧洲铁路联盟的标准型货车转向架。 l e l l a d g 型转向架的结构特点有： 采用内侧构架式，将一系轴箱悬挂放置在轮对内侧 构架采用“日”字形结构，增大了构架的整体刚度 一系悬挂采用橡胶堆弹簧加垂向减振器 基础制动采用轮盘式制动，装有电子防滑器，制动盘为铝合 金材质，以降低簧下质量 采用球面心盘承载，旁承采用常接触弹性旁承 为了解决轴温检测问题，装有电子轴温检测装置 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 图1 3l e i l a d g 型转向架 l e i l a d g 型转向架的主要技术参数见表1 3 ： 表1 3l e i l a d g 型转向架主要技术参数 最高运行速度七班h _ 1 1 2 0 轨距加小 1 4 3 5 轴距砌m1 8 0 0 轴重“ 2 2 5 轮径加历9 2 0 转向架质量f 低于4 用途货车 1 3 4s f 3 0 型转向架 s f 3 0 转向架( 图1 4 ) 是西门子公司开发的，采用独立旋转 车轮的城轨车辆动力转向架，车辆的车厢为纵向全贯通式，没有过 渡台阶，实现了1 0 0 的低地板。车辆地板距轨面高度仅为3 2 0 r a m ， 方便了乘客上下车，该转向架应用于1 0 0 低地板轻轨车辆 c o m b i n o 【7 引。 s f 一3 0 转向架主要结构特点是： 内侧支承、焊接构架 车轮采用独立旋转车轮 驱动装置在构架左右两侧纵向布置两个交流异步电动机和齿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 轮箱 一系悬挂采用锥形橡胶堆定位 二系悬挂为四个螺旋钢弹簧加垂向液压减振器 制动采用轮盘式单元制动装置 图1 4s f 一3 0 型转向架 s f 3 0 型转向架主要技术参数见表1 4 ： 表1 4s f 3 0 型转向架主要技术参数 晟高运行速度k m h - 1 7 0 轨距加m 1 4 3 5 轴距肌研 1 8 0 0 。 最大轴重f1 5 5 新 6 0 0 轮径伽小 磨耗后5 2 0 转向架质量，f 4 5 用途城市轻孰车辆 在此基础上，西门子公司已经相继开发成功了s f 4 0 、s f 5 0 型 等系列转向架，并广泛应用于欧洲各国的城市轻轨( l r v ) 低地板车 辆上。 ， ， 1 3 5t s f i i 型转向架 为了使城市轻轨车辆实现低地板化，法国阿尔斯通的g e c 公司 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 成功开发出了t s f i i 型独立旋转车轮动车转向架 3 1 ( 图1 5 ) 。 图1 5t s f i i 型独立旋转车轮动车转向架 主要技术参数见表1 5 ： 表1 5t s f i i 型转向架主要技术参数 最高运行速度k r a h - 1 8 0 轨距r a m1 4 3 5 轴距r a m1 9 0 0 轴重，f 1 5 轮径，肌册6 6 0 转向架质量肛 4 6 用途城市轻轨车辆 其主要结构特点是： 采用独立旋转车轮实现1 0 0 的低地板 采用内置构架和内轴箱悬挂，便于驱动电机的安装和增大车 厢过道宽度 轴箱悬挂采用“人”字形橡胶堆 二系悬挂为螺旋钢弹簧 电机纵向布置安装在构架两侧 基础制动采用外置式轴盘制动，并装有电子防滑器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 3 6 庞巴迪动车转向架 为了降低轻轨车辆运行时的噪声，庞巴迪公司开发出了一种低 噪声轻轨车辆动车转向架t g l ( 图1 6 ) 。 图1 6庞巴迪动车转向架 该转向架采用弹性车轮和内侧悬挂式结构、二系空气弹簧悬挂、 牵引电机架悬、轮对空心轴驱动模式、轴盘制动等技术措施，以降 低运行噪音。 该转向架得主要技术参数见表i 一6 ： 表1 6 庞巴迪动车转向架主要技术参数 最高运行速度k m h _ 1 8 0 轨距t a r a 1 4 3 5 轴距加m1 8 0 0 轴重，f 1 2 新6 3 0 轮径历m 磨耗到位5 6 0 转向架质量以 4 5 用途城市轻轨车辆 1 3 7s 2 2 l a 型单轮对转向架 为了减少对钢轨的冲击和降低噪声，改善车辆的曲线通过性能， 西门子公司于1 9 9 5 年开发了一种s 2 2 l a 型单轮对转向架( 图1 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第1 3 页 用于城轨车辆。该转向架采用内侧支承模式，因为只有一个轮对， 故称为单轴转向架或单轮对转向架。其特点是：内侧悬挂：二系采 用空气弹簧悬挂装置：弹性车轮；轮盘制动等。s 2 2 l a 型转向架分为 动力和非动力两种类型，轴重均为1 2 t ，动力转向架牵引电机为纵向 布置【7 1 。 图1 7s 2 2 l a 型转向架 s 2 2 l a 型单轮对转向架由于将整个构架放置在轮对内侧，使转向 架质量特别是簧间质量大大减小。无动力的s 2 2 l a 型转向架质量只 有1 0 5 t ，装有传动装置的s 2 2 l a 型转向架质量也仅为1 5 5 t ，与传统 的单轮对转向架相比，采用内侧悬挂结构后，转向架质量可以减小 3 0 一4 0 。 1 4 本文主要工作 论文所研究的内侧悬挂式转向架在国外已经成熟的应用，但在 我国还处于研究探讨阶段。论文通过运用s i m p a c k 软件对内侧轴箱 悬挂式转向架的动力学特性进行了系统的分析，研究了悬挂点位置 的选取、不同的结构参数和悬挂参数对转向架动力学性能所产生的 影响。 本论文的主要工作如下： 1 ) 介绍并研究国外成熟内侧悬挂式转向架的结构和性能特点， 从中吸收经验。主要列举了国外七种内侧悬挂式转向架，介绍了其 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 转向架特性及其主要的技术参数。 2 ) 进行内侧悬挂式转向架的结构方案设计研究。 3 ) 根据内侧悬挂式转向架的结构方案，建立相应的动力学计算 模型，并对模型进行分析处理。对车辆系统的主要部件分别进行受 力分析，建立各个部件的运动方程，将各个部件的运动方程联立得 到车辆系统的运动微分方程。 4 ) 对内侧轴箱悬挂转向架动力学特性进行研究。运用s i m p a c k 动力学仿真软件研究内侧悬挂式转向架的动力学特性，在基本的结 构参数确定后，通过对主要参数的优化得到使其动力学性能最优的 参数匹配。与此同时进行了内悬挂点横向跨距的t j 眦选取，。+ 5 ) 对优化后的内侧轴箱悬挂转向架进行动力学性能预测和评 估，同时对传统转向架进行动力学性能分析，通过内侧悬挂式动力 学性能与传统转向架动力学性能的对比，进一步论证内侧悬挂式转 向架的优点及其不足。 西南交通大学硕士研究生学位论文舞1 5 页 第二章内侧轴箱悬挂转向架的方案设计研究 铁道车辆转向架的主要功能是使车辆沿轨道运行，尽可能的减 小因轨道不平顺等因素对车体的冲击、轮轨之间的相互作用力和轮 轨磨耗。本文将对内侧轴箱式转向架的动力学性能进行研究，因此 本章将对内侧轴箱式转向架技术方案进行设计，确定转向架的基本 结构以及各组成部件的结构形式。 2 1 转向架的设计要求及主要结构特点 2 1 1 转向架的设计要求 转向架应保证铁道车辆在高速运行时具有较好的运行稳定性和 乘坐舒适度、较小的轮对冲角和较低的轮轨磨耗，通过较小半径曲 线的线路时动力学性能良好，并可以降低运行噪声、减小维修及环 境污染等 1 0 - 1 4 1 。 2 1 2 转向架的主要结构特点 内侧轴箱式转向架设计方案具有以下主要结构特点： 。 无摇动台、无摇枕、无心盘，车体自重及载重全部由空气弹 簧承载，。 。 一系轴箱悬挂采用轮对内侧悬挂，即将轴箱悬挂装置从车轮 外侧移至车轮内侧，使转向架的构架成为内支撑模式。 构架用钢板和无缝钢管组焊成h 型构架，构架侧梁为箱形封 闭断面的u 型梁。 轮对轴箱悬挂及定位装置由锥形橡胶弹簧实现，牵引装置采 用z 字形拉杆牵引方式。 基础制动采用单元盘形制动装置，布置于车轮外侧，并安装 电子防滑器。 2 2 转向架的主要技术参数 根据内侧轴箱式转向架的设计要求和结构特点，其主要技术参 数如表2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 表2 1 内侧轴箱式转向架主要技术参数 轨距( 栅) 构造速度( k m h 4 ) 轴重( t ) 转向架自重( t ) 轴距( 删) 轴承 车轮直径( 删) 新轮 磨耗到限 车轮踏面类型 通过最小曲线半径( m ) ： 正线连挂 单行调车 车体承载方式 基础制动 自重下空气簧上平面距轨面高( r a i n ) 牵引装置 中心销高度( 删) 转向架与车体横向间隙( 肭) 限界： 1 4 3 5 1 6 0 1 6 5 约5 2 5 0 0 双列圆柱滚子轴承 西9 1 5 西8 6 0 l m 磨耗型踏面 1 4 5 1 0 0 空气弹簧承载 轴盘制动 9 8 0 中心销+ z 字型拉杆牵引 3 6 0 7 0 ( 自由间隙2 5 ) 符合g b l 4 6 1 9 4 标准轨距铁路机车车辆限界 平稳性指标： 2 5 其它动力学指标： 符合g b 5 5 9 - - 8 5 铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范 2 3 转向架的结构设计 内侧轴箱式转向架采用三无结构，全空气弹簧承载。转向架的 基本结构由构架、轮对轴箱定位装置、中央悬挂装置、制动装置、 牵引装置等部分构成 1 5 - 1 8 1 。 2 3 1 构架 构架是连接车体与轮对的重要部件，它不仅传递车辆的纵向、横 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 向和垂向的作用力，还为安装弹簧、减振器、制动装置、牵引装置 和抗侧滚扭杆装置等提供安装座或吊座，是转向架各个组成部件中 受力最复杂的i 1 4 l 。因此构架的结构、形状和大小应满足有关零部件 组装- 和承载的要求。本文所设计的内侧轴箱式转向架的构架基本结 构如图2 1 所示 图2 1 内侧轴箱悬挂转向架构架组成 构架由侧梁、横梁、空气弹簧座以及制动吊杆组成。侧梁由上盖 扳、下盖板和双腹板组成u 型箱形结构，在侧梁内腔焊有隔板。由 于是内侧悬挂，为了防止二系空气弹簧悬挂横向跨距过小，因此在u 型箱处横向延伸加装箱形结构，该箱体用来安装空气弹簧，同时利 用其内腔作为空气弹簧的附加空气室。因为制动系统放在了轮对外 侧，因此又额外加装制动吊杆，吊杆的一端用螺栓固定在空气弹簧 座，为了满足强度，在侧粱端部焊接横向粱用于固定制动吊杆的另 一端。 在两侧梁中部焊有横梁，横粱为圆形无缝钢管。在箱形结构上焊 接横向减振器安装座，侧梁上焊接横向弹性止挡座及z 型牵引装置 安装座。抗侧滚扭杆通过轴承穿过横梁的无缝钢管，这样可以节省 构架的空间，同时避免与其它部件产生干涉。 2 3 2 轮对轴箱装置 轮对轴箱装置包括轮对、轴承、轴箱和一系悬挂，如图2 2 所 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 示。轮对承担车辆全部重量，且在轨道上高速运行，同时还承受着 从车体、钢轨两方面传递来的其它各种静、动作用力，受力复杂1 1 4 ”l 。因此，对车辆轮对的设计要求是：应有足够的强度，以保证在 容许的最高速度和最大载荷下安全运行：应在强度足够和保证一定 使用寿命的前提下，使其重量最小【1 4 。16 1 8 】，并具有一定弹性，以减 小轮轨之间的相互作用力；应具备阻力小和耐磨性好的优点，这样 可以只需较少的牵引动力并能提高其使用寿命；应能适应车辆直线 运行，同时又能顺利通过曲线，还应具备必要的抵抗脱轨的安全性。 图2 2 内侧轴箱式转向架轮对轴箱装置 轮对由1 根车轴、2 个车轮和2 个制动盘组成，制动盘分别安装 在车轮的外侧。车轮与车轴、制动盘与车轴之间采用过盈配合。 一系悬挂采用锥形橡胶弹簧悬挂及定位，橡胶弹簧垂向刚度比 较小，构架相对轴箱在垂向有比较大的位移，而它在纵、横方向应 具有适宜的刚度，以实现良好的弹性定位，满足运行稳定性和通过 曲线的要求。 2 3 3 中央悬挂装置 中央悬挂装置位于车体和转向架之间，由空气弹簧系统、横向 油压减振器、抗蛇行减振器、抗侧滚扭杆装置和横向弹性止挡等组 成。其基本结构如图2 3 所示。空气弹簧横向跨距约为1 6 3 0 r a m ( 此 跨距将在动力学计算中进行优化) ，落车后，空气弹簧上平面距轨面 高9 8 0 r a m 。 空气弹簧系统由空气弹簧装置、高度控制阀、差压阀、附加空 气室和相应的管路系统组成。空气弹簧具有非线性特性，其刚度随 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 载荷而变化，从而保持空重车时车体的自振频率几乎相等，使空重 车不同状态下的运行平稳性比较接近1 1 8 19 1 ，使车辆地板面高度在较 小的范围内变化。同一空气弹簧可以同时承受三个方向的载荷，利 用空气弹簧的横向弹性特性，可以代替传统转向架的摇动台装置和 摇枕装置，从而简化结构，减轻自重。在车体和构架之间安装高度 控制阀，用于控制车体载荷变化时空气弹簧内的空气压力，使空气 弹簧的高度保持基本不变，确保空重车情况下车辆正常连挂。 在z 字型牵引杆和构架纵向联系梁之间斜对称布置两个横向油 压减振器，用于衰减车辆的横向振动，在构架纵向联系梁和中心销 之间设有横向弹性止挡，以限制车辆通过曲线时车体相对构架产生 过大的横向位移。 1 脚 k “ ，夕 勤 l l i l 。扛嘟一 - ? 、 j田黛、多- 芒豫l 图2 3中央悬挂装置 在构架和车体之间安装抗蛇行减振器用以抑制车体相对构架的 摇头运动，提高车辆直线运行时的稳定性。针对内侧悬挂转向架抗 倾覆能力较差的特点，在构架和车体之间安装抗侧滚扭杆装置【”】， 提高其抗倾覆性能。 加装的横向弹性止挡，其工作原理如图2 4 所示。 图2 - 4 ( a ) 中厶为横向止挡的自由间隙，k l 为横向止挡刚度， 其特性如图2 4 ( b ) 的曲线所示，k 2 为二系空气弹簧横向刚度。当 车辆在直线运行时因为横向止挡间隙的存在，横向止挡不起作用， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 当车辆在曲线运行时由于车体的横移量超出了横向止挡自由间隙 厶，横向止挡开始工作，其工作原理可用式2 - 1 表示。