（车辆工程专业论文）出口巴基斯坦货车转向架设计及其性能研究.pdf

北京交通大学工程硕士学位论文 v8 7 8 9 9 8 摘要 长期以来，铁路运输以其运量大、速度快、安全、节能、环保等 优势作为人类最重要的交通运输方式，对世界各国的经济发展起着十 分重要的作用。与公路交通和航空等运输方式相比，铁路是既节省能 源又对环境污染较小的交通运输工具。因此，世界各国投入大量资 金发展铁路运输，尤其重视发展高速铁路运输。目前，世界上高速铁 路的总里程已近7 0 0 0 公里，但主要是运行旅客列车，而高速货物列车 发展则较为缓慢。因此，铁路要想全面增加运能，提高货物列车速度 势在必行。2 0 0 0 年，巴基斯坦国家铁路开始进行一项经济重整项目， 拟采用高速重载列车来提高巴基斯坦国家铁路的运输能力。为此，2 0 0 0 一2 0 0 4 年，眉山车辆厂针对巴铁要求和巴铁宽轨的具体特点，为出口 巴基斯坦守车进行了产品设计。论文首次在围内将具有转臂式轴箱定 位焊接转向架的理念运用于货车转向架的敬计中，对出口巴基斯坦守 车转向架进行了方案设计研究、悬挂参数的选取、动力学性能分析、 关键部件的强度计算以及样机滚振试验情况介绍等。 论文首先在对出口巴基斯坦守车转向架进行选型研究的基础上， 提出了守车焊接转向架的结构方案，并详细介绍了转向架各部件的结 构特点。根据转向架的结构特点，建立了较为准确、详细的动力学计 算模型。并利用计算机数值模拟方法对转向架进行了悬挂参数优化， 对转向架动力学性能进行了详细的分析。 论文对焊接转向架的构架、轴箱等关键部件进行了有限元强度分 析计算。按照t b t 1 3 3 5 一1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 的要求，进行了结构优化及强度试验。 本文最后介绍了出口巴基斯坦守车焊接转向架样机的滚振试验情 况。研究及试验结果表明，该转向架的各项性能指标均满足g b 5 5 9 9 1 9 8 5 中动力学评定标准，达到了预期的研制目标。根据研究结果， 进行了3 0 辆守车的小批量生产。 关键词：焊接转向架；悬挂参数；研究；优化 北京交通大学工控硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景 铁路运输自1 9 世纪初正式开始运营瞄来，一直以其运量大、速度 快、安全、节能、环保等优势作为人类最重要的交通运输方式对世 界各国的经济发展起着十分重要的作用。如今全球铁路总长己超过 1 2 0 万公里。进入2 0 世纪，公路、航空、管道等运输方式相继崛起， 交通运输进入了多元化的时代。2 0 世纪6 0 年代以后。公路和航空运 输飞速发展，铁路运输受到严峻挑战，铁路客货运量急剧下降。8 0 年 代以后，世界各国对环境保护的呼声越来越高。与公路和航空等运输 方式相比，铁路是既节省能源，又对环境污染较小的交通运输工具。 因此各国政府开始再次大量投资发展铁路运输，尤其重视发展高速 铁路运输。目前，世界上高速铁路的总里程已近7 0 0 0 公罩，但主要运 行旅客列车，而高速货物列车发展则较为缓慢。特别是在客货混跑的 线路上，提高旅客列车这度的同时。必然会减少货物列车的运行对数。 因此。铁路要想全面增加运能，就必须提高货物列车的运行速度和车 辆的载重。 2 0 0 0 年，巴基斯坦国家铁路开始进行一项经济重整项目，拟采用 高速重载列车来提高巴基斯坦国家铁路的运输能力。为此将采购有效 载重约为6 0 踺，速度为1 0 0 k m h 的寒边敞车、棚车、平车和守车。 眉山车辆厂在这次招标中全部中标。随即开展了该系列货车转向架方 案选型及设计。其中，守车转向架要求具有良好的运行性能，并配置 自发电系统。本文即是基于此，进行出口巴基斯坦守车转向架的结构 方案设计、动力学性能分析以及关键部件的强度计算。因此，论文的 选题具有很强的现实意义和工程实用价值。 1 2 国外货车转向架发展概况【i 】 早期的货车基本上都是两轴车，随着载重的增加也曾出现过少量 的三轴车。两轴车由于结构简单和维修方便，至今仍在欧洲轻型货车 中占有一定的比例。为满足提高车辆运行速度、增加载重和良好曲线 第l 荦绪论4 - l _ - 一一 以及适应快速货物运输的需要，一些国家研制出了多种形式的高速 货车转向架。除法国的y 3 7 型、德国的d r r s 型、美国的s w i n gm o t i o n 、 瑞典的s j 型外，还有英国的t f 2 5 型、意大利f i a t 型、日本的r t - x 4 型及前苏联的1 8 1 15 型快速转向架，这些转向架能满足1 2 0 k n 讹 1 6 0 k l l l h 的速度运行，其中法国的y 3 7 型转向架最高试验速度达到了 2 8 1 8 k 州h ，创造了货车运行速度的世界纪录。 1 3 我国货车转向架发展现状 我国目前正在运用的5 0 多万辆货车中，8 0 以上的车辆装用转 8 a 型转向架。该转向架是在美国b a f b e r 转向架和前苏联哈宁i i i 转向 架的基础上结合我国实际情况，于1 9 5 8 年研制成功的老转8 型转向 架( 原名6 0 8 ) 。随后，通过在其基础上进行改进1 9 6 5 年研制成新转 8 ，并定型成转8 a 型转向架。1 9 6 6 年通过铁道部鉴定后进行批量生产 直至现在大批量投入运营口j 。 转8 a 型转向架在我国运用3 0 多年来。其运行速度一直维持在 7 0 8 0 k m h 左右，基本满足了我国铁路货运的要求。但随着铁路运输 市场的发展，列车运行速度的提高，对货车转向架也提出了新的要求。 由于传统三大件式转向架存在抗菱刚度低的固有缺陷，制约了该转向 架运行速度的进一步提高，难以满足运输市场的需要。故多年来许多 货车工厂、科研部门和大专院校都曾致力 x 韭塞窑望盔兰三墨塑主主丝笙苎 该转向架采用三大件形式，利用了侧架交叉支撑和轴箱橡胶垫等技术。 与此同时，株洲车辆厂也研制了准构架式的2 e 轴转向架，该转向架 基本结构仍为三大件式，即将两侧架和摇枕有机地组合在一起，组成 准构架，既保留了三大件转向架适应线路扭曲能力强的优点，又大大 增加了转向架的抗菱剐度。准构架转向架采用了轴箱悬挂和旁承支承 等新技术、新结构，具有较好的动力学性能。1 9 9 5 年7 月铁道部组织 在齐齐哈尔对上述两种2 e 轴转向架进行了线路动力学试验，由于试 验结果不理想，加之这两种转向架结构较复杂、通用性差，故没有再 对其进行更深入的研究和试验。 “九五”期间，铁道部列专题对新型低动力作用2 e 轴货车转向 架进行攻关。根据要求，齐齐哈尔、株洲和眉山车辆厂各研制出了一 台三大件式和一台焊接构架式转向架，共六个方案。1 9 9 9 2 0 0 0 年， 这六种转向架( 配装2 5 t 轴重新型敞车) 在成都铁路局管内进行线路运 行考验。2 0 0 0 年朱，上述六种转向架在太原进行了线路动力学试验。 试验结果表明，整体效果基本达到预期目的。在此基础上，研制成功 了转k 5 型转向架和转k 6 型转向架。 近年来，随着客运速度的提高，对提高货运列车速度的要求亦日 益迫切，因此铁道部科教司于1 9 9 9 年组织有关部门列专题对转8 a 型 转向架进行提速改造，并于1 9 9 9 年底在青岛组织了改进方案的线路动 力学试验，对多种改进方案进行比选。最后经转8 a 型转向架改造技 术审查会确定齐齐哈尔车辆厂提出的侧架下交叉支撑方案成为我国 转8 a 型转向架的唯一改造方案，即转8 g ( 转8 a g ) 型转向架方案， 此方案于2 0 0 1 年下半年在全国范围内实施。但是，由于众所周知的原 因，转8 g ( 转8 a g ) 型转向架于2 0 0 2 年下半年停止生产。 为适应我国铁路全面提速的需要，开行快速货运专列，齐齐哈尔 集团公司研制开发了转k 2 型转向架，开行了1 2 0 l ( r r i ，h 快运行包专列； 株亳 | 车辆厂研制成功了转k 3 型转向絮，开行了1 2 0 妇妇快运集装箱 平车。转k 2 型转向架为铸钢三大件转向架，引进消化吸收美国交叉 支撑技术；转k 3 型转向架采用焊接构架、多级刚度轴箱悬挂、双斜 楔摩擦减振器、球面心盘、常接触弹性旁承等技术。2 0 0 0 年，在铁道 部装备部的组织下，株洲车辆厂与美国a b c n a c o 公司联合开发了 北京交通大学工程硕士学位论文 第2 章出口巴基斯坦守车转向架结构方案设计 巴基斯坦守车主要供货运列车长和货运员乘务、办公及休息之用。 本章根据巴基斯坦铁路运行要求p 】，在选型研究的基础上，对出口巴 基斯坦守车转向架进行技术方案设计，确定转向架的基本结构及其主 要结构型式。 2 1 转向架设计要求及主要技术参数 在进行巴基斯坦守车焊接转向架设计时，其总的原则是采用成熟 的设计技术，适应巴基斯坦铁路主要运行工况，并且操作简便，容易 维护，经济可靠。其主要技术参数见表2 1 【4 】。 表2 1巴基斯坦守车转向架主要技术参数 轨距( m m )1 6 7 6 最高运行速度( k m h ) l o o 轴距f m m )1 8 5 0 轴颈中心距( m m ) 2 2 6 0 轴承双列圆锥滚子轴承 轮型及直径( m m )d 型巾9 5 0 车轮踏面型式l m 磨耗型踏面 车体承载方式心盘与旁承共同承载 基础制动吊挂式单侧闸瓦制动 旁承中心距( m m ) 1 7 2 7 下心盘面至轨面距离( 自由状态) ( m m ) 8 1 5 油压减振器阻尼系数( i 【n s m ) 2 0 通过最小曲线半径( m ) 1 7 5 基础制动杠杆倾角 9 0 。 限界符合巴基斯坦铁路限界 ，。 符合中华人民共和国 强曼 t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 动力学性能 符合中华人民共和国 g b 5 5 9 9 1 9 8 5 7 捐2 章出口巴基斯坦守车转向架结构方案设计 2 2 转向架选型研究 巴基斯坦国家铁路技术规范要求守车最高运行速度为i o o k m ，h ， 并配置供电装置。为满足这一技术要求，保证货车车辆良好的运行稳 定性及安全性。选择合适的转向架结构型式至关重要口l 。眉山车辆厂 经过广泛的论证提出了三种方案，即谢菲尔( 外径向臂) 转向架、普 通三大件式转向架及焊接转向架。从结构上看，前两者属铸钢三大件， 后者为整体焊接构架。根据巴基斯坦国家铁路的情况，结合这三种转 向架的结构特点对出口巴基斯坦货车转向架选型作如下分析。 谢菲尔转肉架是根据南非s c h e f f e l 博士的轮对自导向原理而 设计的自导向转向架。主要由轮对、侧架、摇枕、中央悬挂、径向臂 组成、弹性剪切橡胶垫、双作用常接触弹性旁承、基础制动装置等部 件构成。其主要优点是双作用常接触弹性旁承提供合适的回转阻尼， 捉商了车辆的运行速度；径向臂组成及弹性剪切橡胶垫保证了轮对的 良好定位。这样，解决了车辆运行平稳性和曲线通过性能的矛盾，使 车辆既具有较高的蛇行临界速度又有良好的曲线通过性能。根据眉山 车辆厂研制的眉山谢菲尔转向架的多次试验情况，谢菲尔转向架 矮有较高的运行速度和优良的运行品质。其主要缺点是径向臂组成不 仅加大了铸造及机械加工的难度。同时增加了零件数量为制造、检 修及维护等带来了不便。此外径向臂组成属于簧下系统。振动频率高， 其疲劳强度是一个难关i 这种悬挂型式目前在昆明铁路局米轨线路上 有部分车辆在运用考验，还没有大批量投入应用，其性能有待于进一 步的实践检验；把该原理运用于宽轨转向架，不论是参数的选取。还 是结构可靠性等方面的问题，都需要进一步的研究。与此同时轴驱 式发电系统的安装也存在问题。因此，尽管谢菲尔转向架能够满足 l o o k 耐h 的运行速度，但其可行性尚露进一步论证。 普通三大件式转向架的优点是结构简单，制造、维修方便且成本 较低，并且坚固耐用，轮载分布均匀。在制造、维修及经济方面特别 适合巴基斯坦国家的国情。其缺点是簧下质量大，两侧架通过摇枕、 斜楔连接，配合松散，抗菱刚度较小，易产生菱形变形。故而曲线通 过时，轮缘冲角增大，轮轨磨耗严重；直线运行时，蛇行运动临界速 度较低。同样，轴驱式发电系统的安装也存在问题。 r 兰兰塞茎鎏查兰三堡孥主兰竺鎏奎 焊接构架具有较大的抗菱刚度。这保证了转向架具有较高临界速 度。采用轴箱弹簧支撑，簧下质量轻，可降低轮轨动作用力，减少轮 轨磨耗。更重要的是，焊接构架有利于轴驱式发电装置的布置。眉山 车辆厂研制开发了不同轨距和轴重的焊接转向架，在设计、工艺及制 造等方面积累了大量的宝贵经验。主要缺点是构架的裂纹问题，国外 ( 比如欧洲国家) 的焊接转向架也存在疲劳裂纹这样的问题，即便是 采用球面心盘也难以完全解决构架裂纹问题。研究表明，疲劳裂纹不 仅与构架的结构设计有关，还取决于原材料的质量、焊接工艺、热处 理工艺、车辆的运用情况等多种因素。如果从材料进货、板材切割、 压型、构架的组焊、热应力消除及探伤等各个环节严把质量关，构架 的裂纹可以降低到最低限度。因此。焊接转向架可以满足1 0 0 k m h 的 运行速度，但构架的疲劳裂纹问题应引起充分的重视。 在进行转向架的设计时。转向架的选型主要把握两个原则，良好 的运用性能及较低的经济成本。根据经济成本和巴基斯坦的实际情况， 通过匹配较好的悬挂参数，焊接转向架完全能够满足巴基斯坦国家铁 路的运营要求【6 】。同时，由于守车要安装轴端发电机，对轮对的定位 提出了较高要求。而采用构架式转向架能够很好地解决此问题；其次， 由于守车的空重车差别较小，与客车很相似，故可采用类似客车的焊 接构架转向架。基于上述原因，出口巴基斯坦守车采用焊接转向架。 2 3 转向架结构方案设计 巴基斯坦守车转向架由焊接构檠、轮对、轴箱组成、基础制动装 置、常接触弹性旁承、轴驱式发电装置等组成。转向架总体结构如图 2 1 所示。其具有以下结构特点：采用油压减振器提高车辆垂向性能； 采用双作用弹性旁承，选取适当的回转阻力矩，改善车辆运行平稳性； 加装心盘磨耗盘解决长期存在的上、下心盘因磨耗严重导致厂、段 修维修量大的问题；采用奥一贝球铁衬套和配套4 5 号钢圆销，延长检 修周期，减小检修工作量；采用轴驱式发电装置，满足巴铁对守车的 供电要求。 9 第2 章出口巴基斯坦守车转向架结构方案设计 2 3 3 轴箱悬挂装置 轴箱悬挂装置由轮对、轴箱体、定位转臂、油压减振器、轴承、 弹簧、缓冲橡胶垫等零部件组成。轴箱悬挂装置如图2 4 所示。 轴箱弹簧为单组双卷螺旋弹簧，在弹簧顶部与构架弹簧座之间设 有一块橡胶垫，用以吸收来自钢轨的冲击和高频振动。 为了减少构架的点头和浮沉振动，在轴箱外侧与轴箱弹簧并联地 安装了一个单向油压减振器，它仅在拉伸时起作用，这样可避免传递 来自钢轨的刚性冲击。 轴箱定位采用了具有金属一一橡胶弹性节点的单转臂式定位装 臀。定位转臂一端通过弹性节点与构架上的定位臂座相连，而另一端 则用螺栓固定在轴箱体的承载座上。定位弹性节点主要由弹性定位套、 定位轴、金属套等组成，当轮对轴箱相对于构架在纵、横向产生位移 时弹性定位套中的橡胶层发生变形，从而起到弹性定位作用。这种 定位结构的主要优点是无磨耗而且能实现不同的纵向和横向定位刚 皮，从而得以有效地抑制转向架的蛇行运动。 图2 4 轴箱悬挂装置 北京交通大学工程硕士学位论文 2 3 4 基础制动装置 巴基斯坦守车焊接转向架采用吊挂式单侧闸瓦制动。制动粱为槽 钢弓形制动梁组焊结构，如图2 5 所示。 图2 5 基础制动装簧 制动梁的两端为闸瓦托可以绕端轴转动，便于以后更换，延长 其重复使用次数。为解决制动梁强度不足，经有限元分析，对薄弱部 位进行局部加强。闸瓦为中磷铸铁闸瓦。基础制动装置中各套、销为 奥一贝球铁衬套和配套4 5 号钢耐磨圆销。 列车制动时。制动缸压力传至转向架需放大，称之为转向架制动 倍率。本文研究的转向架基础制动装置的制动倍率为4 。 2 3 5 常接触弹性旁承 货车运行速度的提高，要求增大转向架与车体之阈的回转阻尼， 以有效抑制转向架与车体的摇头蛇行运动，同时约束车体侧滚振动， 提高货车在较高速度运行时的平稳性和稳定性。双作用常接触弹性旁 承，由弹性体和刚性滚子并列组成，如图2 6 所示。装用这种旁承时， 车体落车后，给予常接触弹性旁承体一定的预压缩量，在上下旁承问 第2 章出口巴基斯坦守车转向架结构方案设计 产生一定的预压力，当转向架相对于车体回转或有回转趋势时，在上 旁承金属面与下旁承之间产生摩擦阻力左右旁承之间形成摩擦阻尼 矩，可有效阻止转向架或车体的摇头运动。当然，这种回转阻尼不宜 过大，以避免过度增大曲线回转的阻尼。 图2 6 常接触弹性旁承 采用常接触弹性旁承由于上下旁承之间无间隙而又有接触弹性， 也增加了车体在转向架上的侧滚稳定性。为了保持货车具有良好的对 扭曲线路的适应性，每个常接触弹性旁承的垂向刚度不宜过大。同时， 为了防止货车曲线运行时车体发生过大倾角，采用刚性滚子来限制弹 性旁承的垂直位移和压缩量。一旦上旁承压靠滚子，不仅车体倾斜角 受到限制，而且由于滚子的滚动而不致增大回转阻尼矩，以免影响其 曲线通过性能。 2 3 6 轴趋式发电装置 轴趋式发电装置由感应子发电机和轴端三角皮带传动装置等组 成。如图2 7 所示。 1 4 北京交通大学工程硕士学位论文 l 一轴端传动装置2 一感应子发电机3 一防护罩4 一电机插销5 电机安全吊 6 一电机托7 一调整手轮8 一调箍弹簧9 一调接杠杆i o 一调整丝杠 图2 7 轴趋式发电装置 轴端三角皮带传动装置包括：发电机吊架、皮带拉紧装置和轴端 连接装置等三个部分组成。发电机吊架和皮带拉紧装簧焊接在一位转 向架构架三位端梁的外侧。发电机通过一根吊轴吊挂在发电机吊架上。 轴端连接装置由三角皮带轮、退卸套、轴端压盖和专用的轴箱前盖等 组成，三角皮带轮依靠退卸套紧套在加长的车轴上，轴端压盖用螺栓 紧固在轴端车轴转动时带动轴端的三角皮带轮转动，然后通过5 根 三角皮带带动发电机上的小皮带轮，使发电机发电。依靠皮带拉紧装 置可以根据需要来调整皮带的松紧程度。 2 4 本章小结 本章对巴基斯坦守车焊接转向架结构进行了设计，阐述了转向架 的总体构成和各部件的结构及特点。给出了该转向架的基本参数和主 要尺寸，为以后的动力学分析计算和主要部件强度分析打下了基础。 第3 章转向架动力学模型 第3 章转向架动力学模型 本章根据第2 章介绍的出口巴基斯坦守车焊接转向架的结构形 式，建立相应的动力学仿真模型”“”“2 ”1 ，导出车辆的运动微分方程， 并介绍车辆动力学的计算内容。 3 1 车辆动力学模型 车辆系统是一个复杂的多体动力学系统，不但有各个部件之间的 相互作用力和相对运动关系，而且还有轮轨之间复杂的相互作用关系。 因此它通过弹簧悬挂装置和减振装置将各剐体连接起来。该转向架采 用轮对轴箱悬挂方式，每辆车由车体和两台结构性能参数相同的二轴 转向架组成。对车辆系统进行动力学性能计算时，忽略车辆与车辆闯 的相互影响，将单辆整车作为研究对象。根据转向架的结构特点，在 建立动力学模型时作如下假设： ( i ) 车体、构粲、轮对等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多。 均视为刚体，即忽略各部件的弹性变形； ( 2 ) 不考虑榍邻车辆的作用即只考虑单独一辆车的运动； ( 3 ) 不考虑钢轨的弹性变形。 在忽略各部件本身的弹性变形的条件下，巴基斯坦守车焊接转向 架车辆可视为复杂的多刚体、多自由度系统来处理。其动力学计算模 型如图3 一l 所示。 根据刚体运动学可知，任何一个自由刚体，在空间内可以有六个 自由度。车辆的各个刚体。一般来讲也有六个自由度，为了确定其位 置，一般用六个广义坐标来表示。通过刚体的质心作三个相互垂直的 笛卡尔右手坐标系o ，x ，y ，z ，每个刚体均可绕x 轴、y 轴、z 轴平 行移动和回转运动。在车辆系统中，x 轴一般为车辆前进方向，y 轴 为水平方向，z 轴为垂直方向，通常将系统中刚体沿x 、v 、z 轴的平 行移动分别称为伸缩、横移和浮沉运动，绕x 、y 、z 轴的回转运动分 别称为侧滚、点头和摇头运动。 由于车辆系统是由刚体和弹性悬挂系统组成的，各刚体之间有相 北京交通大学工程硕士学位论文 互约束关系，因此刚体的有些运动方式是独立的，有些运动方式是受 约束的。因此整个车辆系统的自由度d o f 可用下式来表示： d o f = 6 n r( 3 1 ) 式中：n 系统中的刚体数目： r 系统中的刚体约束数。 出口巴基斯坦守车车共有4 个轮对、2 个构架和1 个车体等9 个 刚体。由于只考虑车辆匀速运动工况，各刚体沿x 轴方向的平行移动 ( 伸缩) 可以不考虑，1 、2 位构架相对车体也只有绕z 轴的摇头运 动，轮对的浮沉、侧滚运动是轮对横移和摇头角的函数，因此不是独 立的自由度。 因此，出口巴基斯坦守车多刚体系统在横向和垂向共有1 9 个独 立的自由度，其余的非独立自由度均可用这些自由度来表示。在仿真 分析中车辆各刚体的广义坐标如表3 一l 所示。 表3 一l 动力学模型自由度 扰动角速度 刚体纵向x 横移y浮沉z侧滚中点头e摇头山 口 主 体 y c z c中。0 。 1 l r 。 l 位构 架 v “ 2 位构 架 _ l l f 2 轮对1 y - l v l 口t l 轮对2y - 2 1 l ，2口- 2 轮对3y t 3 1 l ，- 3口t 3 轮对4 y 4 1 l r “口t 4 由于铁道机车车辆是一个非线性较强的多体系统，故在动力学模 型中考虑了以下非线性： 1 7 第3 章转向桨动力学模型 图3 4 中：风l 、，奴2 车体上所受的纵向力； 脚l 、凡y 2 车体上所受的横向力： 恐i 、恐2 车体上所受的垂向力： m 、吖 车体上所受的摇头力矩； 肘矿、m 妒车体上所受的侧滚力矩： 肘酽、肘毋车体上所受的点头力矩： 日车体上所受的侧向风力； 耽九日因超高引起的车体重力的横向分力。 3 3 车辆动力学微分方程 已知车辆系统中各零部件受力情况，建立各自的运动方程。而后 将各运动方程联立即得车辆系统的运动方程m 。引。 3 3 1 轮对运动方程 根据图3 2 轮对受力分析图，建立轮对运动方程如下： 第f 位轮对的运动方程( f = 卜4 ) ： 横移运动： l y 2 彘廿嗍+ f 刚l + f + f 旷n u 6 “+ n r t 6r l + w o d l 协2 1 摇头运动： 1 9 w = l 忙h t f b 【1 8 + ( f 隧游一f 瓯i 0 bp + t n “6 u + nr t 6 r i l q 牵叭 岍 + m u + m 】 ( 3 3 ) 自旋运动： 1 卢l = 嘞一九允+ m 埘+ m 叫】 ( 3 4 ) 删 3 3 2 构架运动方程 前转向架构架摇头运动： ：ii - 一如一+ 玲+ o k + 归+ m + m + 白】 窿l 一 ( 3 5 ) 第3 章转向架动力学模型 3 4 车辆动力学计算内容 将以上各方程联立，即得车辆系统的运动方程，并可以写成如下 矩阵形式的微分方程f 2 0 】： 【 ，】 y ) + 【c 】 y + k 】 y = 【f 】 ( 3 - 1 2 ) 式中 i m i 惯性矩阵； l c 卜一阻尼矩阵； l k l 刚度矩阵； l f 卜一外界激扰力向量： y 状态向量。 将式( 3 1 2 ) 进行一定的变换，可以利用前述所建立的动力学模 型进行动力学仿真计算，内容包括：车辆运行稳定性、车辆运行平稳 性和动态曲线通过三个部分。 3 4 1 车辆运行稳定性 研究车辆运行稳定性是指确定车辆运行的蛇行临界速度。车辆运 行时轮轨两个弹性体接触面上的变形差和相对滑动，引起该接触面产 生切向力且相互传递，这种自激力产生于车辆系统自身之中是导致 车辆蛇行运动的一个原因。 蛇行运动是具有一定形状踏面的铁道车辆轮对沿着平直的钢轨滚 动时，会产生一种振幅有增大趋势的特有运动：轮对一边横向移动， 一边又绕通过其质心的铅垂轴转动。由轮对的蛇行运动会诱发转向架 和车体在横向平面内的振动。描述这种蛇行运动的特征以及确定所对 应的临界速度是车辆稳定性研究的基本内容。 对于非线性的车辆系统蛇行运动的微分方程也是非线形的。守 车转向架 苎塞窑望查兰三堡塑圭兰垡丝苎 计算机程序中采用四阶龙格一库塔数值积分方法求解( 3 1 3 ) 式， 通过观察车辆系统各刚体的振动情况来判定非线性车辆系统的蛇行稳 定性。这种方法的基本原理是，当车辆系统受到一个初始激扰后，分 析车辆在不同的运行速度下各刚体振动位移随时间的变化情况，如收 敛，则车辆是运行是稳定的( 图3 5 ( a ) ) ；如发散，则车辆处于失稳 状态( 图3 5 ( b ) ) j 如既不收敛，也不发散，处于一种临界状态( 如 图3 5 ( c ) 所示) ，此时相对应的车辆运行速度称为车辆的蛇行运动临 界速度屹，。 日 蚓 泌 蜒 麓 婢 车蒋j i _ 至向 吕 枷 静 搭 靛 辑 辆向搠血 图3 5 车辆蛇行运动稳定性原理示意图 3 4 2 车辆运行平稳性 在车辆的运行平稳性分析中，同时考虑车辆的横向和垂向两个方 向的运动。因此，守车转向架系统可用以下菲线性微分方程组进行描 述： 阻戤 + f g ，j ) = ，( f ) ( 3 1 4 ) 式中z 状态矢量： i 肼卜一惯性矩阵： 爿五j ) 悬挂力矢量： f o ) 激扰力矢量。 由于外力是通过钢轨对轮对的强迫位移激振而得到，所以( 3 1 4 ) 式右端外力向量f ( f ) 仅为轨道不平顺的函数。 通过采用时域内轨道不平顺的输入，用逐步积分法求解非线性系 统的响应，即求解( 3 1 4 ) 式的初值问题： 第3 章转向架动力学模型 j ；，亍f o ，y 一，；一：y i _ j - ，一，夕一) ( 3 一1 5 ) 1 y ，( f 。) = 兜( f 。) = 夕。 q 川 式中i _ l 。2 。一，n 激扰力是由于轨道不平顺引起的。由于线路铺设和维修的实际工 作条件线路不可能绝对平整，往往线路的实际情况与理想情况是不 一致的。线路名义尺寸与实际尺寸之差称为线路不平顺。线路不平顺 不是一个确定量，它因时因地而有不同值，它的变化规律是随机的， 具有统计规律，因而称为随机不平顺。 设在线路网一横截面x 处，左侧钢轨顶部实际位置与名义位置垂 向偏差为现，横向偏差为札：右侧钢轨顶部实际位置与名义位置的偏 差垂向为z r ，横向为y r ，如图3 6 。 计算中用轨道不平顺作激扰输入。由于轨道是由左右两根钢轨组 成的，其不平顺也是由左右钢轨的不平顺组成的。线路不平顺可以分 为下面四种：轨道垂向不平顺( 或称高低不平顺) z 。( x ) ，轨道水平不平 顺z 。，( x ) ，轨道方向不平顺y a ( x ) ，轨距不平顺y g ( x ) 。 根掘世界各国公布的轨道不平顺谱可见，只要线路质量相当。其 轨道谱 郝醠!星i i 唰l酵i 毒霆窖重j 芎量! 矗，鋈摹妻 苎! 兰茎塑鲞垫垄兰蔓型 曲线时，由于各种激扰因素的输入，轮轨之间将产生复杂的轮轨力， 将对车辆的曲线通过的动力学性能产生极大的影响。各种激扰因素对 车辆系统不同部件的作用是不尽相同的，也是随车辆运行距离而不断 变化的，故车辆通过有限长的曲线时的响应是一个动态过程，这一过 程也可用多自由度的整车模型来模拟，通过数值积分方法来求解轮轨 作用力及车辆的动力学性能。 车辆通过曲线时将会受到以下几个方面的激扰作用： 曲线的曲率及其变化； 超高角及其变化； 轮轨接触角及其变化； 轮对侧滚角及其变化； 车辆在对应曲线上的离心力。 守车转向架车辆通过曲线时的非线形运动微分方程的矩阵形式也 可用式( 3 1 4 ) 表述，式中的外力激扰矢量包括未平衡的离心力、风 力、线路激扰产生的力。 利用数值积分法求解( 3 1 4 ) 式。以车辆第一轮对进入曲线起点为 仞始点丌始积分。山于轮轨问的蠕滑力与轮轨问的垂向力互相影响。 因此在积分前要反复迭代至规定精度。然后再继续前进，每前进一步 迭代一次，直到车辆走完规定行程为止。车辆每走一步记录其运动状 态，积分完全结束后，全部结果存于数据文件中，根据所有记录可绘 出车辆运动的全部历程。 3 5 本章小结 本章首先建立了巴基斯坦守车转向架车辆的动力学模型，对模型 进行了分析和处理。随后，对车辆系统的各分离件进行了受力分析， 运用牛顿定律，建立了各个部件的运动方程，将各个部件的运动联立 即得车辆系统的运动方程。最后，阐述了求解车辆运动稳定性、运行 平稳性及动态曲线通过性能等动力学问题的基本原理。 第4 章转向架动力学性能分析 5 9 2 0 2 0 4 0 ，2 l 5 4 2 6 2 6 6 约| p ! 漯粥湮遇唾燮弱荔繇烈匿商氯再蔫蟹蹈强剧虢蟊辜蓼誊i 卅髓 塑嚣萄型j 割吲鱼掣蜘删斟科淄吲颤部执 剜鄙i 嘎隳勤魏明婪蚕 冀鬟籀鞴襞臻爨强辈锻臻胃；詈氍；甏蝉驰罚筘由 酐驰静鞋受融? 峭 渗穗浏醛矧删争誊幻引酽融鞫詹黉霜罱j ，面哺时一发生变碰蔫霎蠹耄 骧i 薹妻鬟鋈一矍雾耄分析和计算，将车辆系统分离为若干子系统，分别进行受 力分析。 3 2 1 轮对受力分析 轮对受力分析如图3 2 所示1 1 5 7 1 。 图中 ： l、。作用于轮对上的轴箱悬挂纵向力： 图32 轮对受力分析图 、作用于轮对上的轴箱悬挂横向力： 1 9 x 韭塞銮鎏盔主三堡塑主兰垡鎏兰 根据g b 5 5 9 9 一一1 9 8 5 规定，当横向作用力q 的作用时间大于 o 0 5 s 时，脱轨系数的容许值为： 譬 只的条件下，是否会因一侧车轮减 载过大而导致脱轨，其计算公式为： 等= 鲁糍 似s ， 尸 ( b + 只) ，2 、 式中p 一轮重减载量，k n ； p 一增载和减载侧车轮的平均轮重，k n ： 只一减载侧车轮作用于钢轨上的垂向力，k n ； 只一增载侧车轮作用于钢轨上的垂向力，k n 。 标准规定试验鉴定车辆轮重减载率酬j p 的容许标准为： 垒o 6 5 ( 4 7 ) p 安全标准为： 垒! o 6 0 ( 4 8 ) 4 1 4 轮轨横向力q 轮轨横向力用于鉴定车辆在运行过程中是否会因其过大而导致轨 距扩宽( 道钉拔起) 或线路产生严重变形( 如钢轨和轨枕在道床上出 现横向滑移或挤翻钢轨) 。按g b 5 5 9 9 1 9 8 5 规定，q 的标准为： 第4 章转向桨动力学性能分析 道钉拔起， 道钉拔起， 道钉应力为弹性极限的限度： q 1 9 + o 3 只， 道钉应力为屈服极限的限度： q s 2 9 十0 1 3 只， 按照出口巴基斯坦守车转肉粲的轴重9 t 的限度分别为： q 3 2 5k n q s 4 2 5k n 4 ，2 轮对定位参数的优选 ( 4 - 9 ) ( 4 1 0 ) 计算得上述轮孰横向力 轮对定位参数的优选过程即是转向架悬挂参数的优化设计过程， 其是以一组给定的原始计算参数为基础，通过变化某个参数而保持其 它参数不变以分析该参数对转向架动力学性能的影响，最后得到悬挂 参数的最优匹配。表4 3 为巴基斯坦守车焊接转向架动力学原始计算 参数，表中符号“，”前为无车轴发电机转向架的参数，后则为有车轴 发电机转向架的参数。 表4 3 巴基斯坦守车焊接转向架动力学原始计算参数 符号 意义单位重车 m w 轮对及轴箱悬挂装置质量 七1 5 s 6 2 1 5 8 9 4 m t 构架及附属件质量 t0 9 3 9 l ，1 2 6 4 m c车体质量t2 3 4 1 w x 轮对绕x 轴转动惯量 ，卅21 4 3 1 46 工w y轮对绕y 轴转动惯量 f 埘l 0 1 74 o 1 7 8 工w z 轮对绕z 轴转动惯量 ，j ，l j1 4 3 1 4 6 i t x 构架绕x 轴转动惯量 f j ，l 】 0 7 4 6 o 8 9 5 工o 2 d i 0 2 4 1 构架绕y 轴转动惯量 f j ，1 2 o 2 d i 0 2 i t z构架绕z 轴转动惯量f j ，l 工c x 车体绕x 轴转动惯量 4 8 6 工c y车体绕y 轴转动惯量 ij ，i 2 4 5 8 2 工c z车体绕z 轴转动惯量f 小2日b 1 4 a 滚动圆跨距之半 r r 【 0 8 6 5 b 转向架固定轴距之半 m0 9 2 5 c 转臂长度 m 0 5 b s 轴颈中心距之半 m 1 1 3 r 车轮滚动圆半径 0 ，4 7 s k p x每轴箱弹簧纵向刚度 k n m 右0 2 k p y每轴箱弹簧横向刚度 k n m 6 0 2 k p z每轴箱弹簧垂向刚度 k n m s 2 b ，2 c p z每轴箱难向阻尼系数 k n s m2 0 p o母旁承番向载荷k n2 0 l p旁承横向跨距 m1 7 2 7 l l 旁承摩擦系数 d 2 5 l车辆定距之半m5 h 车体重心距轨面高度 m m 1 5 0 0 4 2 1 轮对纵向定位刚度k p x 的优选 当每轴箱轮对纵向定位刚度在4 l o m n m 范围内变化，动力学性 能指标如表4 4 所示。 表4 4 轮对纵向定位刚度k p x 对动力学性能的影响 第4 章转向架动力学性能分析 41 3 0 53 3 6 23 0 3 85 9 4 43 0 8 92 9 5 62 1 3 22 8 1 11 0 5 51 3 5 73 4 8 73 0 4 66 1 4 03 0 7 32 9 6 62 1 1 22 8 4 61 0 9 61 4 2 5 3 6 1 93 0 5 2 6 2 1 33 0 6 62 9 6 92 0 6 32 8 7 5 1 1 8 71 4 8 33 6 7 83 0 5 06 2 4 03 0 4 l2 9 7 22 0 3 42 8 8 01 2 3 81 5 3 43 7 3 63 0 5 8 6 2 7 5 3 0 2 72 9 6 72 0 2 52 8 9 11 2 6 91 5 5 83 7 8 13 0 6 26 3 1 63 0 2 32 9 7 l2 0 3 22 8 9 71 2 8 1 0 1 5 8 03 8 1 23 0 6 0 6 3 2 63 0 2 82 9 8 42 0 2 8z 8 9 31 3 1 从表4 4 中可见随着轮对纵向定位刚度的增加，车辆的蛇行临 界速度提高，但曲线通过性能变差，而平稳性指标和车体振动加速度 的变化不大。但当轮对纵向刚度k p x 大于6 m n m 后，蛇行临界速度变 化的幅度较小。考虑到参数的稳定性。使转向架有较高的蛇行临界速 度，同时也兼顾曲线通过性能，建议每轴箱的纵向定位刚度k p x 在7 9 州m 范围内取值。 4 2 2 轮对横向定位刚度k p y 的优选 当每轴箱轮对横向定位刚度在l 6 m n m 范围内变化。动力学性能 指标如表4 5 所示。 表4 5 轮对横向定位刚度k p y 对动力学性能的影响 k p yq q pp p w t ( k n a y a zv c r ( m n m )( k n ) m m ) w z y w z z ( m s 2 )( m s 2 )( k m h ) l1 3 9 63 4 7 83 0 6 06 1 7 63 0 3 22 9 7 5 2 0 3 52 8 6 41 1 2 21 4 2 53 6 1 93 0 5 26 2 1 3 3 0 6 62 9 6 92 0 6 32 8 7 51 1 8 31 4 7 63 6 8 13 0 5 56 2 4 l3 0 7 42 9 5 52 0 6 9 2 8 9 01 2 2 41 5 2 53 8 1 43 0 6 76 3 1 33 0 8 62 9 4 32 0 6 82 8 9 41 2 4 51 5 7 93 8 8 23 0 8 06 3 6 53 0 8 32 9 4 72 0 7 2 2 9 1 21 2 3 61 6 3 23 9 5 43 0 8 66 3 9 13 0 9 42 9 5 62 0 7 9z 9 2 41 2 0 第4 章转向架动力学性能分析 4 3 4 车辆通过线路局部不平顺时的安全性 线路局部不平顺包括轨距、水平、三角坑、轨向、高低不平顺等， 车辆通过时这些不平顺时会引起车辆的振动，使车轮减载，严重时会 危及车辆运行安全。 这些不平顺中对车轮减载影响较大的有三角坑和高低不平顺，根 据巴基斯坦铁路的维护标准，三角坑的限度为：在3 m 线路长度内三角 坑的扭曲率为3 5 m m 1 m ；高低不平顺的限度为：在3 5 m 线路长度内 线路高低不平顺值一般为6 m m ，接头处为1 0 m m 。 转臂式转向架以1 0 0 k m h 速度通过三角坑和高低不平顺时车轮 的最大轮重减载率列于表4 1 0 中。 从表4 一1 0 中可见，转臂式转向架以1 0 0 k m h 速度通过三角坑时的 最大轮重减载率为0 3 6 4 6 ，通过高低不平顺时的最大轮重减载率分别 为0 4 0 8 2 ，均小于g b 5 5 9 9 一1 9 8 5 规定的轮重减载率的容许标准，所 以转臂式转向架以1 0 0 k m h 速度通过线路局部不平顺时的安全性满足 要求。 表4 1 0 通过线路局部不平顺时的轮重减载率 高低不平顺 线路不平顺 三角坑 不平度6 m m不平度1 0 m 轮重减载率 o 3 6 4 60 3 0 1 50 4 0 8 2 4 4 本章小结 本章根据第3 章建立的车辆系统动力学模型及其运动方程，利用 动力学计算程序对巴基斯坦守车焊接转向架的悬挂参数进行了优选。 根据所选参数，对转向架的动力学性能进行了预测。计算结果表明， 转向架运行稳定性、平稳性和曲线通过性能都能较好地满足我国 g b 5 5 9 9 1 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范，达到了巴 基斯坦对转向架性能的要求，为该转向架设计提供了理论基础。 j i 塞銮望盔兰三堡堡主兰堡鎏苎 ( 1 ) 垂向载荷 垂向载荷由垂向静载荷和垂向动载荷两部分构成。 a 垂向静载荷 垂向静载荷是由自重和载重引起的。在计算过程中，转向架构架 的自重按体积力考虑，由程序自动计算。转向架轴重为9 t ，转向架自 重按4 t 考虑，作用在一个构架上的垂直静载荷为： p j = 2 半9 4 = 1 4 o t = 1 3 7 2 k n ( 5 2 ) 垂直静载荷以均布力的形式作用在下心盘面和下旁承面上，其中 作用在心盘上的载荷为1 0 t ( 9 8 k n ) ，作用在每个旁承上的载荷为 2 t ( 1 9 6 k n ) 。 b 垂向动载荷 垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数而定。即： p d 2 ，岛p j 垂向动载荷系数按如下公式计算： 弘寺抄，+ 老 式中 车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度， = 6 5m m v 车辆的构造速度，v = l o ok m h ， a 系数，簧上部分取值为1 5 0 ； b 系数，取值为o 。0 5 ； c 系数，簧上部分取值为0 4 2 7 ； d 系数，货车取值为1 6 5 。 计算得j 0 = o 1 8 7 4 。 ( 5 3 ) ( 5 4 ) 4 3 北京交通大学工程硕士学位论文 i z = m 3 9 = 1 9 l 3 x 9 8 = 5 6 2 k n 其中m 为电机的质量。 根据以上分析，计算中载荷分为以下工况进行计算： 刚度工况：垂直静载荷； 组合工况1 垂向总载荷+ 垂直斜对称载荷+ 侧向力； 组合工况2 ：垂向总载荷+ 垂直斜对称载荷+ 侧向力+ 电机作用 力。 5 2 3 计算结果 ( 1 ) 构架重量、重心及转动惯量 结构分析程序可根据构架离散模型和材料的质量密度自动计算构 架的重量、重心位置和转动惯景，计算结果如下： 不带轴端发电机的转向架构架： 构架重量：6 2 4 0 2 k g 构架重心高度：2 7 7 9 9 m m ( 距构架枕粱下盏板中性面) 转动惯量： i x = 0 4 9 6t m2 ：i y = o 1 3 8t m2 ；1 2 = o 6 1 2 t m 2 带轴端发电机的转向架构架： 构架重量：6 5 3 5 8 k g 构架重心高度：2 8 3 2 5 m m ( 距构架枕梁下盖板中性面) 转动惯量：i x = 0 5 3 5 5t m2 ：i y = o 1 9t i m2 ：i z = o 7 0 3 t m 2 ( 2 ) 垂向变形 根据计算结果，可打印出各节点的位移。由于弹簧支撑，在垂直静载 荷工况下，构架下盖板中心线相对支承点处的最大垂向挠度为 o 9 4 唧，构架在此时的变形图如图5 2 所示。 ( 3 ) 强度计算结果 组合工况l ( 不带电机) ： 组合工况l 下节点当量应力的等应力图见图5 3 ，当量应力的等值 线应力图见图5 4 。 第5 章转向架构架、轴箱强度分析 图5 2 构架变形图 图5 3 构架节点的当量应力等应力图 北京交通大学工程硕士学位论文 图5 4 构架节点的当量应力等值线图 2 0 个较大的当量应力列于表5 - l 中，表中列出了节点号、应力值 及节点坐标( x 。y z ) 。从图5 3 、图5 4 和表5 1 中可以看出， 节点 最大当量应力为8 7 。8 7 7 m p a 最大当蛋应力出现在侧梁上盏扳弯曲处 ( 坐标为2 9 9 9 7 。l i l 5 7 ，4 3 1 5 3 附近) 。此时的最大当量应力小于 1 6 m n 的许用应力值( 2 1 6m p a