城市轻轨转向架构架设计.doc

前 言 随着我国国民经济的飞速发展，城市的规模、人口在不断的膨胀，带来住房紧张、 交通拥挤、环境污染等弊病。城市规模的扩大和发展模式的变化，不仅使城市公共交 通发生数量的变化而且也提出了新的质量上更高的要求。解决大城市的公共交通问题， 除传统的地面道路交通外，应大力发展较为完善的城市快速轨道较系统，形成一个由 地面、地铁和高架轻轨组合而成的立体的公共交通网。城市轨道车辆是城市轨道交通 工程最重要的、技术含量较高的设备。而转向架是车辆中最重要的设备之一，用来牵 引和引导车辆沿着轨道行驶和承受与传递来自车体及线路的各种载荷并缓和其动力作 用，它是保证车辆运行品质的关键部件。对于中国轨道行业来说，研究和掌握轻轨地 铁转向架，尤其是动力转向架技术十分必要且具有很大的实际意义。国内外轻轨地铁 转向架根据不同的车辆受流型式、轴重、速度等级和限界要求呈现出多种多样的结构 和型式。国内早期的北京地铁转向架为无摇动台有摇枕的 DK 型转向架，其显著的特 点为轴箱弹簧呈水平放置，采用金属橡胶铰式轴箱定位结构。上海和广州地铁采用德 国 Duewag 公司制造的无摇枕空气弹簧承载、人字形橡胶弹簧定位结构的转向架。国 外发达国家依靠科学技术设备的现代化不断创新出各种新型交通系统。如轻轨（LRT） 、 美国 PRT、法国的橡胶轮地铁、日本和加拿大直线电机地铁、跨座式独轨高架轨道车 辆等。 本次设计在 SDB-80 型转向架基础上对构架的结构、加工工艺等做了优化和改进该 构架最高运行速度 80Km/h，构造速度 90Km/h。采用了许多新技术和免维护结构，时 转向架的技术水平和可靠性得到了全面提高。 目 录 中文摘要 .I 英文摘要 .II 第 1 章 绪 论 .1 1.1 转向架的概述.2 1.1.1 转向架的基本作用及要求.2 1.1.2 转向架的组成 .3 1.1.3 转向架的分类 .3 1.2 构架的概述.5 1.2.1 构架的作用 .5 1.2.2 构架的种类 .5 1.3 设计的主要内容及要求.6 第 2 章 构架的总体设计要求及主要技术参数 .7 2.1 构架的总体设计要求.7 2.2 构架的主要技术参数.7 第 3 章 构架的结构设计 .8 3.1 构架的其他技术参数的确定.8 3.2 构架类型、断面尺寸及壁厚的确定.9 3.2.1 构架类型的确定 .9 3.2.2 构架与轴箱，构架与车体的连接 .9 3.2.3 构架主要轮廓尺寸的确定.9 3.2.4 构架断面尺寸及壁厚的确定 .10 3.3 构架设计平面图.11 第 4 章 构架的受力分析 .12 4.1 垂向静载荷.12 4.2 垂向动载荷.13 4.3 侧向力引起的附加垂向动载荷.15 4.4 垂向斜对称载荷.16 4.5 制动时的载荷.18 4.6 构架三维图.19 第 5 章 构架的强度设计 .20 5.1 构架强度设计基本要求.20 5.2 构架强度的校核.20 5.2.1 垂向静载荷、垂向动载荷作用下强度校核计算 .20 5.2.2 侧向力引起的附加垂向载荷作用下强度校核计算 .22 5.2.3 垂向斜对称载荷作用下强度校核计算 .23 5.3 构架刚度的校核.24 5.3.1 垂向静载荷、垂向动载荷作用下刚度校核计算 .24 5.3.2 侧向力引起的附加垂向载荷作用下刚度校核计算 .25 5.3.3 垂向斜对称载荷作用下刚度校核计算 .25 II 5.4 有限元分析.26 5.4.1 超常载荷工况 .26 5.4.2 纵向加速度（5g）引起的超常载荷工况 .26 第 6 章 构架的工艺性 .27 第 7 章 结论与展望 .28 致 谢 .30 参考文献 .31 I 摘摘 要要 转向架是轨道交通车辆最重要的组成部件之一，而转向架构架是转向架的骨架， 用以联系转向架各组成部分和传递各方向的力，并用来保持车轴在转向架内的内置， 其结构是否合理直接影响车辆的运行品质和行车安全。因而，合理设计转向架构架的 结构和强度是轨道交通车辆设计中一项重要的工作。 本设计分析了最新研制的轻轨车辆转向架构架主要技术参数、主要零部件结构、 强度、性能；分析并选定了轴箱和车体的支撑方式，侧梁、横梁的结构与连接方式； 确定了构架的主要形式，充分考虑了加工工艺、安装与调整，使用与维护、经济和安 全等问题；并根据工况分析和计算作用在构架上的载荷，合理选择构架材料，对构架 进行了结构设计，确定了零件的主要参数和尺寸。同时，对构架及主要零件的强度进 行校核计算，对动力学性能进行了分析，并用有限元法对各种载荷工况下的构架进行 了疲劳分析。 关键词：轻轨，转向架构架，结构设计 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 II ABSTRACT The bogie frame is the most important components of rail vehicle bogie and the bogie frame is to link the various components of the bogie and the direction of transmission power, and used to keep the axle in the bogie built, its structure is reasonable to run a direct impact on the quality of vehicles and traffic safety. Thus, the rational design of bogie frame of the structure and strength is the design of rail transit vehicles an important task. The design analysis of the latest development of light rail vehicle bogie frame of the main technical parameters, the main components structure, strength, performance; Analysis and selection of the support of the way the body and the axle box, side beams, the beams of the structure and connections; Identified the main forms of bogie frame, fully taken into account the processing, installation and adjustment, use and maintenance, economic and security issues; Working condition in accordance with the role of analysis and calculation in the framework of the load, reasonable choice of the framework materials, the structural design of a framework to identify the parts of the main parameters and dimensions. At the same time, the main parts of the framework and check the calculation of the intensity of the dynamic performance analysis, finite element method with a variety of load conditions on the framework of a fatigue analysis. Keywords: Light Rail, Bogie Frame, Structural Design 2009 届车辆工程专业毕业设计（论文） 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 城市快速轨道交通系统是近代高科技的产物，采用全封闭道路，立体交叉，自动 信号控制调度系统和轻型快速电力驱动车组。行车密度可达 1.5min2.0min，平均旅 行速度可达 6 万人次/h8 万人次/h，其疏通城市客流的功能比之传统的道路公共交通 工具，具有无与伦比的优越性。电气化的轨道交通还被誉为绿色交通的美称。目前国 外城市快速轨道交通已经投入运营的大致有 3 种型式：地下铁道；快速轨道交通；高 架独轨交通。 9 城市快速轻轨交通是在老式的地面有轨电车上发展起来的。有轨电车可以在路面 直接换乘，可以小单元频繁发车，节约能源，而且无污染，造价特别低廉，基于以上 优点，在 70 年代以后国外重新考虑这种运输型式在城市公共交通中的作用，采用线 路隔离，自动化信号调度系统和高新技术的车辆等改造措施，从而形成所谓城市快速 轻轨运输 LRT（Light Rail Transit）和轻轨车辆 LRV(Light Rail Vehicle)。它与一般的 铁路相比，其轨道和车辆都是轻型的，其运输系统相对也比较简单，较适宜于中等运 量的城市交通客运系统。 国外开发的城市快速轻轨交通系统主要有 3 种类型：旧车改进型；新线建设型； 新交通系统型。城市快速轻轨交通有以下特征： 8 1.它是以钢轮和钢轨作为走行系统的一种交通方式，车辆的牵引为电力，可以采用直 流、交流或线性电机驱动。 2.轻轨交通的建设投资要比地铁少得多，通常轻轨每公里造价仅为地铁的 1/21/5。 3.轻轨交通的单向客运能力一般为 2 万人次/h4 万人次/h,它介于地铁和公共汽车之间， 属于中等运能的一种公共交通形式。 4.轻轨线路可以为地面、地下和高架混合型，一般与地面道路完全隔离，采用半封闭 或全封闭专用车道。在通过交叉路口处，采用立体交叉形式，保证车辆以较高速度 运行。 5.轻轨车辆有单节 4 轴车，双节单铰 6 轴车和 3 节双铰 8 轴车。每组车可以单节运行， 也可以联挂编列。要求车辆能通过小半径曲线（R=50m）和大坡度（67）地 段。 6.对车辆和线路的消音和减震有较高要求。采用弹性车轮，空气弹簧，自导向和迫 导向径向转向架等措施，以减轻车辆运行和通过曲线的噪声。采用无缝长钢轨线路， 弹性钢轨扣件和路基弹性层，达到减少噪声和振动的传递。必要时在轨道两侧设隔 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 2 音挡板。 7.电压制式以直流 750V，架空线（或第三轨）供电为主，也有部分采用直流 1500V 和直流 600V 供电。 8.轻轨车站分为地面、高架和地下三种形式，要根据线路位置、地形条件、行车组织 要求和乘客流量来决定车站的形式和规模。 由于现代化的轻轨交通具有投资省、建设周期短、灵活性强、运行成本低的特点， 在关键地段和市中心区采用高架或地下铁道结构，使之具备专用车道，再配合信号调 度控制系统的自动化，使之能适应运量大、速度快、安全、准点的要求。所以近几年 来世界各大城市的轻轨铁路交通（LRT）得到迅速发展，欧洲、北美和发展中国家有 百余座城市正在规划或建造 LRT 交通系统，其中就包括我国十余座城市。 1.1 转向架的概述 转向架是支承车体并担负车辆沿着轨道走行的支承走行装置。为了便于通过曲线， 在车体和转向架之间设有心盘或回转轴，转向架可以绕一中心轴相对车体转动。为了 改善车辆的运行品质和满足运行要求，在转向架上设有弹簧减振装置和制动装置。对 于动车，转向架上还装有牵引电机和减速机构，以驱动车辆运行，这种转向架称为动 力转向架。 8 转向架是车辆最重要的组成部件之一，它的结构是否合理直接影响车辆的运行品 质、动力性能和行车安全。 1.1.1 转向架的基本作用及要求 把两个或几个轮对用专门的构架（侧架）组成的一个小车，称为转向架。转向架 的基本作用及要求： 9 1.车辆上采用转向架是为增加车辆的载重、长度与容积，提高列车运行速度以满足铁 路运输发展的需要。 2.保证在正常运行条件下，车体都能可靠地坐落在转向架上，通过轴承装置车轮沿钢 轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动。 3.支承车体，承受并传递从车体至轮对之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力， 并使轴重均匀分配。 4.保证车辆安全运行，能灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线。 5.转向架的结构要便于弹簧减振装置的安装，使之具有良好的减振特性，以缓和车辆 2009 届车辆工程专业毕业设计（论文） 3 和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆运行 平稳性、 安全性和可靠性。 6.充分利用轮轨之间的黏着，传递牵引力和制动力，放大制动缸所产生的制力，使车 辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车。 7.转向架是车辆的一个独立部件。在转向架与车体之间尽可能减少连接件，并要求结 构简单，装拆方便，以便于转向架可单独制造和检修。 1.1.2 转向架的组成 由于车辆的用途、运行条件、制造和检修能力及历史传统等因素的不同，是的转 向架的类型繁多，结构各异。但它们又都具有共同的特点，其基本作用和基本组成部 分是相同的。一般转向架的组成可以分为以下几个部分： 1.轮对轴箱装置； 2.弹性悬挂装置； 3.构架或侧架； 4.基础制动装置； 5.转向架支承车体的装置； 1.1.3 转向架的分类 由于车辆的用途不同，运行条件的差异，制造维修方法的制约和经济效益等具体 因素的影响，对转向架的性能、结构、参数和采用的材料及工艺等要求就有差别，因 而出现了多种型式的转向架。我国国内目前使用的客车转向架、货车转向架有几十种， 各种转向架的主要区别在于：转向架的轴数和类型，弹簧悬挂系统的结构与参数， 8 垂向载荷的传递方式，轮对支承方式，轴箱定位方式，基础制动装置的类型与安装， 以及构架、侧架结构型式等诸方面。 1.按车轴的数目和类型 按转向架上轴数，可分为 2 轴、3 轴和多轴转向架。转向架轴数的多少是由车辆总重 和每根轴的允许轴重确定的。车轴的类型，在我国铁路车辆上按允许轴重分为 B、C、D、E、F、G 六种，最大允许轴重受到线路和桥梁标准的限制。 2.按轴箱定位方式 约束轮对与轴箱之间相对运动的机构称为轴箱定位装置。常见的定位装置的结构形 式有： 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 4 固定定位，如图 1.1 所示； 导框式定位，如图 1.2 所示； 干摩擦式导柱定位，如图 1.3 所示； 油导筒式定位，如图 1.4 所示； 拉板式定位，如图 1.5 所示； 拉杆式定位，如图 1.6 所示； 转臂式定位，如图 1.7 所示； 层叠式橡胶弹簧定位，如图 1.8 所示； 图 1.1 固定定位 图 1.2 导框式定位 图 1.3 干摩擦式导柱定位 图 1.4 油导筒式定位 图 1.5 拉板式定位 图 1.6 拉杆式定位 图 1.7 转臂式定位 图 1.8 层叠式橡胶弹簧定位 3.按弹簧装置的型式 根据转向架所装设的弹簧系统的多少可分为： 一系弹簧悬挂 在车体与轮对之间，只设有一系弹簧减振装置，它可以设在车体 2009 届车辆工程专业毕业设计（论文） 5 与构架之间，也可以设在构架与轮对之间。 两系弹簧悬挂 在车体与轮对之间设有两系弹簧减振装置，即在车体与构架间设 摇枕弹簧减振装置，在构架与轮对间设轴箱弹簧减振装置，两者 相互串联，使车体的振动经历两次弹簧减振的衰减。 4.按摇枕弹簧的横向跨距 外侧悬挂、内侧悬挂、中心悬挂。 5.按车体与转向架之间的载荷传递方式 心盘集中承载、非心盘承载、心盘部分承载。 1.2 构架的概述 构架是转向架的基础，它把转向架各零、部件组成一个整体。所以它不仅仅承受、 传递各种作用力及载荷，而且它的结构、形状和尺寸大小都应满足各零、部件的结构、 形状及组装的要求（如应满足制动装置、弹簧减振装置、轴箱定位装置等安装的要求） 。 1.2.1 构架的作用 构架是把转向架各部件组合成总体的一个重要承载部件，将车体与走行部分连成 一体，把车体经二系弹簧悬挂传来的载荷传递给轮对，通过中心座和中心销使车体与 转向架可以彼此相对转动，便于车辆通过曲线。 1.2.2 构架的种类 1.货车转向架构架 刚性 H 型构架 结构特点：侧架、摇枕刚性连接成一体，可保持轮轴正位，但对 扭曲线路适应性差，成本比框架式高，簧下质量可减少。 图 1.9 刚性 H 型构架 图 1.10 可分式 H 型构架 可分式 H 型构架 结构特点：摇枕借助于特殊原件（如橡胶元件）放于侧架上构成 可分式 H 型构架，在水平面内，侧架、摇枕间的定位刚度大，在 垂直面内，橡胶元件可改善对扭曲线路的适应性，如图 1.10。 2.客车转向架构架 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 6 框架性构架 结构特点：带有端梁及纵、横辅助梁，结构复杂，制造困难，自 重大，转动惯量大，现已很少采用，如图 1.11。 11 H 型构架 结构特点：无端梁及纵、横辅助梁，结构简单，利于制造，自重 较小，强度、刚度仍然足够大，如图 1.12。 U 型构架 结构特点：便于实现外侧悬挂和提高弹簧上支承面；侧梁中部下 凹，利于降低构架重心和轴箱定位的设计，还可起摇枕安全吊 的作用，结构较 H 型复杂，自重也稍大，如图 1.13。 图 1.11 框架性构架 图 1.12 H 型构架 图 1.13 U 型构架 1.3 设计的主要内容及要求 转向架是轨道交通车辆最重要的组成部件之一，而转向架构架是转向架的骨架， 用以联系转向架各组成部分和传递各方向的力，并用来保持车轴在转向架内的位置， 其结构是否合理直接影响车辆的运行品质和行车安全。因而合理设计转向架构架的结 构和强度是轨道交通车辆设计中一项重要的工作。本设计就是要针对城市轻轨车辆的 特点及对转向架构架的功能要求，在分析制定构架设计方案的基础上，完成转向架构 架和相关零件的设计，并对构架的强度进行校核计算。 2009 届车辆工程专业毕业设计（论文） 7 第第 2 2 章章 构架的总体设计要求及主要技术参数构架的总体设计要求及主要技术参数 2.1 构架的总体设计要求 1.合理地选择轴箱和车体的支承方式，纵梁，横梁的结构与连接方式。 2.合理选择材料。 3.梁的强度、刚度，抗疲劳度应进行校核，使其满足列车正常行驶所需的条件。 4.充分考虑构架的结构，形状和尺寸，使其满足各零、部件组装的要求。 5.考虑加工工艺。 6.合理选择构架的类型，充分考虑结构工艺性。 2.2 构架的主要技术参数 运行速度 80Km/h 固定轴距 2200mm 轴颈中心距 1930mm 轴颈直径 mm120 轴承形式 圆柱（SKF 双排单列） 构架形式 钢板压型焊接 一系悬挂 圆锥橡胶 二系悬挂 空气弹簧+横向减振器 车体支承形式 空气弹簧 牵引方式 叠层橡胶堆 传动装置 TD 型联轴器+钢箱 基础制动装置 杠杆式单侧闸瓦 参考材料 16Mn 许用应力 240Mpa 弹性模量 pa 5 1009 . 2 泊松比 0.3 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 8 第第 3 3 章章 构架的结构设计构架的结构设计 构架用以联系转向架各组成部分和传递各方向的力，其结构形式的选择与结构尺 寸的设计应根据转向架总体设计、相关部件（弹簧悬挂装置、轴箱定位装置、构架侧 架与摇枕间的关系、轮对及基础制动装置等）的结构型式及其对安装、检修空间的需 求、构架侧架的强度、刚度条件和采用的工艺方式等来确定。 11 3.1 构架的其他技术参数的确定 车轮直径 840mm 车轮半磨耗 805mm 车轮磨耗到线 770mm 轮对内侧距 mm21353 牵引点高 270mm 空气弹簧高（距轨面高度） 855mm 空气弹簧横向间距 1850mm 空气弹簧有效直径 mm540 圆锥橡胶弹簧垂直刚度 0.728KN/m 基础制动闸瓦 特殊材料制动闸瓦 齿轮传动比 6923 . 7 13100 制动倍率 2.65 轨距 1435mm 每台转向架自重 6.92t 通过最小曲线半径 正线 R300m 车场线 R150m 空气弹簧 有效直径 mm540 最大外径 mm680 工作高度 200mm 无气时下降高度 40mm 垂直刚度（内压 0.4Mpa，附加气室容积时） 3 40dmmmN /45450 横向合成刚度（总成，内压 0.4Mpa 时） mmN /15150 2009 届车辆工程专业毕业设计（论文） 9 横向合成动刚度（总成，内压 0.4Mpa 时） mmN /32210 橡胶堆挠度差（垂向 85KN 和 5KN 载荷下） mm2 . 18 变位能力 垂向 拉伸，压缩mm70mm30 水平 mm110 3.2 构架类型、断面尺寸及壁厚的确定 3.2.1 构架类型的确定 客车转向架构架三种类型中，框架型构架结构复杂，制造难度大，自重大，构架 的转动惯量大，现已很少采用；U 型构架结构比 H 型构架稍复杂，且其侧梁中部下凹， 虽有利于降低构架重心和轴箱定位的设计，但制造难度大，自重大，不适合轻轨的运 行要求；而 H 型构架不但结构简单，容易制造和维修，而且还有足够的强度和刚度， 自重小，满足轻轨车辆的载重要求。综上所述，故选择 H 型构架。 构架采用 H 型钢板压型焊接结构，由两根侧梁和两根横梁组成，侧梁为中间下凹 的鱼腹形 U 形梁，由 4 块钢板组焊成箱形封闭结构，侧梁内部有密封隔板使侧梁内腔 成为空气弹簧的附加空气室。横梁采用无缝钢管。各种连接座焊接于构架的侧梁和横 梁上。 3.2.2 构架与轴箱，构架与车体的连接 1.构架与轴箱的连接方式：由于一系悬挂装置采用圆锥橡胶弹簧，故构架首先作 用在圆锥橡胶弹簧上，圆锥橡胶弹簧与轴箱连接，最后与轮对相连。 2.构架与车体的连接方式：由于二系悬挂装置为空气弹簧，且车体支承方式也为 空气弹簧，故车体首先作用在空气弹簧上，空气弹簧再作用于构架上。 3.另外，车体通过中心销作用在层叠橡胶堆上，橡胶堆固定于构架横梁上，从而 完成牵引。 3.2.3 构架主要轮廓尺寸的确定 构架轮廓尺寸主要依据技术参数中的轴距、轮对中央悬挂装置、基础制动装置的 结构型式与支座的安装以及轴箱定位装置的需要而定。 11 由技术参数知，轴距 2200mm，轴颈中心距 1930mm，轴颈直径 ，查表 2-1 滚动轴承车轴各部分尺寸及轴重，选择轴型。构架两侧梁mm120 9 3 RC 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 10 中心线间的距离有所选用的轴型确定，即构架两侧梁中心线应与轴颈中心线吻合。构 架两横梁间距离主要由基础制动装置各吊座的安装需要而定。我国现有通用型客车转 向架轴箱弹簧支柱座纵向中心距均为 560mm（型轴） 。构架侧梁顶面距轨面的高 3 RC 度应保证车辆运行中不与底架枕梁相碰，一般控制在 870930mm 左右，侧梁端部的 底面（与轴箱对应处）距轨面的高度根据轴箱的结构与轴箱弹簧的需要而定，并应保 证在轴箱弹簧压死状态下不与轴箱顶面相碰。该间隙的值，国产转向架一般在 45mm 以上（厂、段修限度为 38mm，运用限度为 30mm） 。具体值如下表 3.1。 表 3.1 构架尺寸（单位：mm） 轴型 固定 轴距 构架轮廓尺寸 （）高宽长 构架 型式 侧梁中 心线间 距 弹簧支 柱座中 心距 横梁中 心线间 距 3 RC220040024103132 钢板压 型焊接 H 型 1930560900 3.2.4 构架断面尺寸及壁厚的确定 断面尺寸及壁厚主要根据转向架的承载形式和载荷大小，由强度和刚度条件，并 参考同类构架的结构、检修运用中暴露的问题以及有关的计算、试验资料来确定。此 外，合理选择和确定构架断面尺寸同时，使构架受力分布均匀。用压型钢板开坡口对 焊时，焊缝的排列尽可能对称于截面的重心。正确选择焊缝的形式和尺寸，并符合 GB985986-80焊接接头的基本型式与尺寸的规定。焊接结构设计时避免了焊 11 缝的集中和多条焊缝的交叉，减少了交叉处的内应力。构架设计成全封闭断面，上下 盖板均用直边，增大了侧梁的横截面面积，提高了侧梁的整体强度，外观更简洁美观， 避免了因积水而使盖板腐蚀。具体尺寸如下（单位：mm）： 侧梁 中部断面尺寸（） 宽高）（ 180160240 上、下盖板厚 14.3 腹板厚 14.3 端部断面尺寸（） 宽高)180(160160 横梁 直径 2 . 165 壁厚 14.3 截面图如图 3.1，图 3.2 和图 3.3 所示。 2009 届车辆工程专业毕业设计（论文） 11 图 3.1 侧梁中部断面 图 3.2 侧梁端部断面 图 3.3 横梁断面 3.33.3 构架设计平面图构架设计平面图 图 3.4 构架设计平面图 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 12 第第 4 4 章章 构架的受力分析构架的受力分析 构架的计算载荷即垂向静载荷、垂向动载荷、侧向力引起的附加垂向载荷、垂向 斜对称载荷、制动时的载荷等五种。构架的计算简图简化为平面板架（载荷垂直于 8 构架平面）和平面刚架（载荷作用于构架平面内）的组合，忽略各梁轴线的微小弯曲 与截面的微小变化，忽略各梁汇交处结点的刚度对变形的影响。 4.1 垂向静载荷 根据最大允许轴重计算（俗称“自下而上”的计算方法）作用在转向架上的垂 8 向静载荷，按照该转向架所用轮对压在钢轨上的允许载荷（即允许轴重）来考虑， st P 即： （KN） 式（4.1）81 . 9 )( TRst PPnP 式中一个轮对压在钢轨上的允许载荷（即允许轴重） （t） ，； R PtPR13 n一台转向架的轴数，n=2； 一台转向架的自重（t） ，； T PtPT92 . 6 代入上式可得： （KN）175.18781 . 9 )92 . 6 132(81 . 9 )( TRst PPnP 则 （KN）794.464 stst PR 求的后，按下列公式计算出作用在构架上的垂向静载荷，即： st P 1st P （KN） 式（4.2）81 . 9 81 . 9 11 1 m PPPn m PP P TTRTst st 式中垂向静载荷自心盘面起至构架为止包括所有零件质量之和（包括构架本 1T P 身的自重） （t） ，；tPP TT 46 . 3 2 1 m一台转向架中平行受力的同名计算构件的数目，m=1； 其他符号的含义同式（4.1） 。 按式（4.2）计算时，构架自重已包含在之中，并以集中力表示而不取分布 1st P 2009 届车辆工程专业毕业设计（论文） 13 载荷的形式，这样将使计算简化，对计算结果影响不大，而且是偏于安全的。 计算得 （KN）1174.221 1 st P 构架的受力情况如图 4.1 所示。 图 4.1 垂向静载荷情况 4.2 垂向动载荷 作用在转向架零、部件上的垂向动载荷是由于车辆运行中轮轨之间冲击和 8 1d P 簧上振动所引起的，其值按式（4.3）计算，即： （KN） 式（4.3） 11stdyd PKP 式中为垂向动载荷系数，其值按式（4.4）和式（4.5）计算，即： dy K 式（4.4） j j dy f cd vba f K )( 1 式中 车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度（对于变刚度弹簧，静挠度值为垂 j f 向静载荷与相应载荷下的弹簧刚度之比） （mm） ； 车辆的最高运行速度（Km/h） ；v 系数，取值为 0.05；b 系数，货车取值为 1.65，客车取值为 3.0；d 系数，簧上部分（包括摇枕）取值为 1.50，簧下部分（轮对除外）取a 值为 3.50； 系数，簧上部分（包括摇枕）取值为 0.427，簧下部分（轮对除外）取c 值为 0.569； 具有两系悬挂的转向架构架，垂向动载荷系数按式（4.5） ，即： 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 14 式（4.5） j jy dysdyxdysdy f f KKKK)( 式中 簧上部分的垂向动载荷系数； dys K 簧下部分的垂向动载荷系数； dyx K 二系弹簧静挠度； jy f 轴箱弹簧静挠度； jz f 转向架的弹簧静挠度（） ； j f jzjyj fff 查表-74，取，则 11 mmf jy 167mmf jz 20mmfff jzjyj 187 5614 . 0 20 427 . 0 0 . 3 )8005 . 0 50. 1 ( 20 1 )( 1 dys jz jz dys K f cd vba f K 7567 . 0 20 569 . 0 0 . 3 )8005 . 0 5 . 3( 20 1 )( 1 dyx jz jz dyx K f cd vba f K 将与值代入式（4.5）得， dys K dyx K 7358 . 0 187 167 )5614 . 0 7567 . 0 (5614 . 0 )( dy j jy dysdyxdysdy K f f KKKK 代入式（4.3） ，求得， （KN）698.1621174.2217358 . 0 11 stdyd PKP 的作用方式与相同，则受力简图如下： 1d P 1st P 图 4.2 垂向动载荷情况 2009 届车辆工程专业毕业设计（论文） 15 4.3 侧向力引起的附加垂向动载荷 作用在车体上的侧向力包括风力与离心力，当风从车辆侧面吹来并垂直于车体侧 壁，而车辆又运行在线路的曲线区段时车体所受的侧向力为风力与离心力之和。我国 风力取值系据建筑界有关全国风压分布图的研究而得，计算时取风压力,风 2 /540mN 力的合力作用于车体侧向投影面积的形心上。整个车辆的离心力作用在车辆的重心上， 其方向沿径向指向曲线外侧。计算时通常把车体及转向架的离心力分别考虑。对客车 其车体的重心取在距轮对中心线上方 1600mm 处。外轨超高量 h 与曲线半径 R 有关 。 10 （mm） 式（4.6） R V h p 2 8 . 11 式中 列车平均速度，取； p VhKmVp/60 R曲线半径，据技术参数得 R=300m； 则可得 h=141.6mm 离心力则由公式（4.7）求得， 式（4.7）) 26 . 3 ( 1 2 2 b h gR v PH st 式中 车体垂向静载荷（N） ； st P g重力加速度（） ，其值取 9.81； 2 /sm R曲线半径，R=300m； h外轨超高量（mm） ； 轮对两滚动圆之间的距离之半（mm） ，其值为； 1 bmmb14932 1 通过曲线时车辆最大允许速度（Km/h）,取值为；vhkmv/60 则求得 )(479.85) 1493 6 . 141 30081 . 9 6 . 3 60 (10175.187 ) 26 . 3 ( 2 2 3 1 2 2 NH b h gR v PH st 风力 ，车体高 ， 2 /540mnq mmx2140 则形心处受力 )( 8 . 5772140540 2 1 2 1 1 NqxH 风力与离心力为： k H )(279.663 8 . 577479.85 1 NHHHk 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 16 从而每个轴箱的垂向反力可按下式计算， f P （N） 式（4.8） 202b m hH P k f 式中 h车体侧向力至车轴中心线所在水平面之间的垂向距离（m） ，其值为 h=1600mm； 轮对两轴颈中心线间的水平距离之半，其值为； 2 bmmb19302 2 车辆一侧的轴箱数（即车辆轴数） ，； 0 m4 0 m 代入计算可得 （N）467.137 93 . 1 4 6 . 1279.663 2 20 bm hH P k f 构架的受力情况如图 4.3 所示图中处于曲线外侧的两个轴箱弹簧对构架的作用力 向上，而内侧的则向下，每一轴箱作用力的数值等于。轴箱弹簧对构架的作用力系 f P 应由作用在构架二系弹簧座处的力系平衡，即 n P （N）934.2742 fn PP 图 4.3 侧向力引起的附加垂向动载荷 4.4 垂向斜对称载荷 垂向斜对称载荷是一组垂向作用在构架轴箱部位的自相平衡的力系，此力系对于 构架的纵向和横向中心平面均呈反对称分布，如图 4.4 所示。 2009 届车辆工程专业毕业设计（论文） 17 图 4.4 垂向斜对称载荷情况 垂向斜对称载荷仅产生在具有刚性构架的转向架上。构架上的垂向斜对称载荷是 由于在垂向静载荷作用下，因为线路及转向架结构本身存在缺陷等原因引起构架的四 个轴箱反力不等而造成的。因此垂向斜对称载荷是与垂向静载荷同时存在的。 造成构架四个轴箱反力不等的原因很多，其主要是：各支承点的高度不等（由于 构架、轴箱弹簧、车轮直径、轴颈直径等制造误差以及线路不平顺和转向架进入缓和 曲线时所造成的）和各支承点的刚度不等（主要是轴箱弹簧的刚度误差） 。要同时综 合考虑上述诸因素对构架垂向斜对称载荷的影响是比较复杂的，很难一一考虑，为了 求得的数值，根据实践经验，通常把上述诸因素的综合影响当量地看成转向架上某 k P 一车轮在轨道上升起或下沉一个 z 值，而其他因素均认为是正常的。经过分析和推导， 得到垂向斜对称载荷（N）的计算公式： k P （N） 式（4.9） 21 21 1 2 ) 2 2 ( 4 1 KK KK b zb Pk 式中 一个轴箱上弹簧的总刚度（N/mm） ，其值为 1 KmmNkK/456 . 1 2 1 构架抵抗垂向斜对称载荷的刚度（或称构架的扭转刚度） 2 K （N/mm）其值为 式（4.10） 1 2 K 其中 构架在一组的力的作用下，构架上力的作用点沿 力作用NPk1 k P k P 方向的位移（mm） 。 轮对两轴颈中心线间的水平距离之半（mm） ，； 2 bmmb19302 2 轮对两滚动圆之间的距离之半，我国轮对为； 1 bmmb14932 1 z转向架上某一车轮升起或下沉一个值，实际计算时，推荐采用 z=16mm； 郭洪东：城市轻轨转向架构架设计 18 则简化为 （N） 式（4.11） 21 21 17 . 5 KK KK Pk 其中构架的扭转刚度远大于，则进一步简化为 2 K 1 K NmKNmmKPk53 . 7 /456 . 1 17 . 5 17 . 5 1 4.5 制动时的载荷 当全列车的所有车辆均发生制动作用后，车辆间的纵向冲击消失，制动力却逐渐 增大至最大值，由于制动力的作用，就将引起车体和转向架质量的纵向惯性力。这种 纵向惯性力对车体的作用远小于上述纵向力作用，故可不计，但它对转向架有一定影 响。制动时钢轨作用于车辆的最大制动力 F（其方向与车辆运行方向相反）由下式决 定： 式（4.12）gPF st 式中 车辆总重，又称车辆黏着重量（它等于车体和转向架的自重以及车 st P 辆载重之和） （t） ，取其值为；tPst 3 . 72 轮轨间的黏着系数，一