B型地铁拖车转向架设计.pdf

中南大学本科生毕业论文 设计 摘要 i 摘要 随着我国城市的不断发展 城市交通问题日益严重 人们对城市地下轨道交 通有了新的要求 本文从我国国内城市地铁转向架的现状出发 结合国外城市地 铁转向架的先进技术 综合国内城市交通特点 对转向架的构架 轮对轴箱装置 弹性悬挂装置 牵引装置和基础制动装置等进行设计 对重要参数的选择和关键 结构布置进行分析探讨 本文详细介绍了各零部件的作用 结构特点和主要技术 参数 并绘制了转向架的装配图和主要零部件图 关键字关键字 地铁 120km h 转向架 设计 中南大学本科生毕业论文 设计 ABSTRACT ii ABSTRACT As with the development of our city the problem of traffic turns out to be more and more critical people have raised new demands about the traffic of metro This paper is based on China domestic situation of City Metro Bogie combined with foreign advanced technology and integrated the characteristics of our city traffic aims to design the frame axle box device elastic suspension device traction device and basic braking device of the bogie and also analyze the selecting of important parameters and the layout of the key structure This tractate thoroughly introduces the function and structure of each part including the main technical parameters and also maps of the bogie assembly drawing and the main parts diagram KeyKey W Wordsords metro 120km h bogie design 中南大学本科生毕业论文 设计 目录 目录 摘要 i ABSTRACT ii 前言 1 第 1 章 问题的提出 2 1 1 国内城市交通的现状 2 1 2 国内城市地铁转向架现状及问题的提出 2 第 2 章 设计思路和可行性分析 5 2 1 总体设计思路 5 2 2 设计目标 6 2 3 可行性分析 6 第 3 章 120km 速度级拖车转向架总体设计方案 8 3 1 整车简介 8 3 2 转向架设计总体要求 9 3 3 转向架整体结构 9 3 4 主要技术参数 10 第 4 章 转向架主要零部件设计 12 4 1 构架 12 4 2 轮对轴箱装置 15 4 2 1 轮对结构 15 4 2 2 轴箱装置 17 4 3 弹性悬挂装置 19 4 3 1 一系弹性悬挂装置 20 4 3 2 二系弹性悬挂装置 23 4 4 牵引装置 27 4 5 基础制动装置 28 4 6 附属装置 30 结论 31 中南大学本科生毕业论文 设计 目录 结束语 32 参考文献 33 中南大学本科生毕业论文 设计 前言 1 前言 大城市的公共交通直接关连着城市经济发展 是城市活力和投资环境的一个 重要标志 也足确保居民正常工作 学习 生活的重要手段 我国是世界人口最 多的国家 人口的城市化进程随着经济的发展和改革开放力度的增大正在迅速加 快 据统计 百万人口以上的大城市已达 60 多座 还有千万以上的特大城市 如上海 北京 广州等 由于历史形成的多种原因 我国大城市的公共交通长期 处于基础设施落后 型式单一的状态 跟不上城市经济发展 人口增长对公共交 通的要求 严重制约了经济发展和居民的正常活动 城市的公共交通成为困扰各 大城市的一个难题 如何解决城市公其变通的这一难题呢 国外已有成功的经验 就是以轨道交通作为骨干 以其他交通方式为辅佐 形成一个包括地上 地面和 地下多种交通模式相结合的可持续发展的现代化公共交通网络 这也是我国城市 交通发展的必由之路 具有积极的战略意义 城市地下轨道交通是城市轨道交通系统中最重要的 地铁车辆的转向架是地 下轨道交通设备中最关毽的 转向架是支承车体并担负车辆沿轨道行走的支承行 走装置 它对车辆的安全运行 改善车辆的运行品质 提高乘客的乘坐舒适度和 减少环境污染有着积极重要的作用 现代城市地下轨道车辆为了适应城市的发 展 对车辆的速度 运行的安全性和稳定性有了更高的要求 这就使得车辆的 转向架在技术方面要有较大的改进 为了使转向架能承受更高速度带来的冲击载 荷 必须提高转向架的构架的强度和刚度 为了改善车辆的运行品质 给转向架 配置两系悬挂 在二系悬挂中 采用空气弹簧 为了能在高速下载紧急制动距离 安全制动 采用制动功率较大的盘形制动装置 在我国国内成熟运营的地下铁路中有广州地铁三号线的运营速度达到了 120km h 但其转向架是德国西门子公司设计的 株洲电力机车有限公司引进其 转向架构架的制造技术和转向架的装配技术 并引进其一系列的生产设备 使 120km 速度级的转向架国产化 但是国内自主设计的 120km 速度的转向架一直 处于空白状态 中南大学本科生毕业论文 设计 第 1 章 问题的提出 2 第 1 章 问题的提出 1 1 国内城市交通的现状 在我国国民经济快速发展 城市进程日益加快的同时 许多城市正面临着城 市规模扩张 城市功能复杂化等因素引起的一系列问题 对于城市交通 我国大 部分城市面临着这两方面的问题 一方面 城市人口不断增加 出行密度大幅上 升 城市机动车保有量不断增多 城市交通总量呈急剧上升趋势 另一方面 城 市道路规划空间有限 加上交通工具运能不大 导致城市主干线车速降低 交通 拥堵 事故频频等现象 对于已经饱和的城市道路交通 大部分城市民众反映出 出行难 行车难 乘车难等问题 这样的现象也制约着城市经济的发展 另外 国家对环境 能源等问题的不断重视 低碳环保出行成为现在城市交通发展的主 要趋势 而具有运能大 速度快 无污染等特点的城市轨道交通 无疑成为解决 现在城市快速发展带来的一系列问题的有效交通方式 1 2 国内城市地铁转向架现状及问题的提出 我国从 1965 年开始建设第一条地下铁路 即北京地铁一号线 此后 广州 上海等一系列大城市也开始了地铁的建设 在已建成的地铁路线上面运行的地铁 车辆有 A B C 三种车型 以下是几种典型的地铁转向架 上海地铁 1 2 号线 广州地铁 1 号线车辆转向架 上海地铁 1 2 号线 广州地铁 1 号线车辆转向架采用的都是同一种无摇枕 转向架 这种转向架是由德国杜瓦格 Duewag 公司制造的无摇枕空气弹簧转 向架 最大运行速度 80km h 深圳地铁 1 号线 沈阳地铁 1 号线 北京地铁 1 号线 5 号线和 10 号线以 及武汉地铁车辆转向架 这种类型的转向架是由已成熟的欧洲系列 3 转向架及 ET42X 转向架系列发 展而来的 是无摇枕 H 型构架转向架 它的一系悬挂采用锥形插入式合成橡胶 弹簧装置 二系悬挂采用的是空气弹簧 该转向架所使用的均是标准零部件及成 中南大学本科生毕业论文 设计 第 1 章 问题的提出 3 熟的设备 其维护工作最小化并基于可移动模块的原则使车辆效用最大化 只有 制动闸瓦需要定期进行磨耗检查 构造速度 90km h 最高运行速度 80km h 北京地铁车辆转向架 北京地铁车辆转向架主要有两种形式 有摇枕转向架和无摇枕转向架 有摇枕转向架 有摇枕转向架即 DK 型转向架 该种转向架是由我国自行设 计制造的 用于早期北京地铁车辆 这是无摇动台空气弹簧转向架 该转向架系 列有 DK1 型 DK2 型 DK3 型 DK4 型 DK8 型和 DK16 型 无摇枕转向架 1994 年开始 我国长春客车厂开始设计制造无摇枕地铁转 向架 这种类型的转向架一系悬挂采用圆锥叠成橡胶弹簧 并兼作轴向定位装置 二系悬挂采用无摇枕的空气弹簧 广州地铁三号线车辆转向架 广州地铁三号线的转向架是有德国西门子公司设计的 其运营速度是 120km h 株洲电力机车有限公司引进其转向架构架的制造技术和转向架的装配 技术 并引进其一系列的生产设备 由上面的几种转向架可以看出 国内的转向架大致可以分为三种 第一种是 完全由外国研制生产 我国引进使用的转向架 第二种是我国的机车公司引进国 外技术 并在此基础上对部分技术进行改进发展而来的转向架 第三种是我国机 车公司自主研发制造的转向架 但是 除了广州地铁三号线运营速度是 120km h 之外 其他城市的地铁线路的运营速度都偏低 并且在城市化规模越来越大的今天 城市的第二产业外移 大量新型产业区 建立在卫星城和远离中心城市的地区 在这种情况下 要求加快郊区地铁的建设 以国外的大城市为例 中心城区的地铁长度远远少于郊区地铁的长度 郊区地铁 线路长 站间距也较长 为了缩短列车运行时间 郊区地铁应选择运行速度较高 的地铁车辆 这样就对转向架有更高的要求 在国内 目前成熟运营的城市地下 交通线路中只有广州地铁 3 号线的运营速度达到了 120km h 其他大多数城市地 铁车辆的运营速度集中在 60 80km h 部分城市地铁车辆运营速度达到了 100km h 如天津滨海快速线最高运营速度 100km h 上海地铁 11 号线北段最高 运营速度也为 100 km h 2012 年底完成南段的地铁施工 并且提出了最高运营 速度为 120 km h 的要求 综合国内城市规模的发展 特别是的城市人口的增长 和城市地铁车辆转向架的现状 开发可以各种适合不同城市特征的 120 km 速度 中南大学本科生毕业论文 设计 第 1 章 问题的提出 4 级的地铁车辆及其转向架是当前非常迫切事情 中南大学本科生毕业论文 设计 第 2 章 设计思路和可行性分析 5 第 2 章 设计思路和可行性分析 2 1 总体设计思路 转向架是机车车辆的重要部件之一 是支承车体并担负车辆沿着轨道走行的 支承走行装置 转向架的结构的设计是否合理直接影响到车辆的运行品质 动力 性能和行车安全 特别是现在地铁车辆向高速方向发展 速度越高 对转向架的 结构设计的要求就越高 根据现代地铁车辆的发展趋势 转向架结构设计应该具有的技术要求 1 保证较高的粘着品质 在粘着系数确定的条件下 机车的牵引力有粘着重量决定 为了尽量使粘着 重量的利用率提高 就要确保有最高的粘着品质 并尽量减少轴重转移量 一般 要求转向架的粘着重量的利用率不得少于 90 2 确保良好的动力学性能 车辆在不同条件路段的行驶过程中 为了减少对轨道的动作用力 减少轮对 和轨道之间的应力 以及减少轮对的磨损 要求转向架具有良好的动力学性能 这样对车辆转向架的簧下重量有着严格的要求 对于地铁车辆 一般要求转向架 每根轴的簧下重量不得高于 30kN 并且还要采用二系悬挂 以加大悬挂装置的 经挠度满足高速运行车辆的需要 3 轻量化 工艺简易 为满足现在车辆运行速度大幅提高的要求 在转向架构架满足高速运行下的 强度要求和刚度要求的前提下 应该尽可能减轻转向架自重 并且使制造工艺简 单化 提高生产效率 4 合理的机构形式 在满足车辆可靠运行的前提下 转向架的设计要求结构形式简单 采用不需 要维修或者没有磨耗的结构形式 尽量减少转向架的维修工作 从而提高了转向 架两次维修之间的使用时间 并且节约维护费用 5 采用统一的零部件材料 在设计转向架时 满足转向架构架强度和刚度要求的前提下 尽可能同意转 中南大学本科生毕业论文 设计 第 2 章 设计思路和可行性分析 6 向架各零部件的材质 设计转向架时 在满足上面转向架设计技术要求的前提下 结合转向架的各 个特点 即转向架的运行的稳定性 结构的轻量化和低噪声污染等 综合我国城 市人口多 出行量大和城市规模日益扩大等特点 设计一款运行速度高 结构形 式简单 制造工艺简单的转向架 并确定转向架的结构速度为 135km h 运行 速度为 120km h 2 2 设计目标 1 转向架总体符合GB T7928 2003 地铁车辆通用技术条件 1 车辆行走机构的性能 主要尺寸应与轨道相互协调 并保证其相关 部件在允许磨损限度内 仍能确保列车以最高允许速度安全平稳运行 即使在 悬挂或减振系统损坏时 也能确保车辆在轨道上安全地运行到达终点 2 转向架构架结构强度试验可按照UIC 615 4的要求进行 3 转向架构架应做改善内应力处理 4 悬挂系统采用如下结构 A 一系悬挂为金属圆弹簧 配置垂向减振器 B 二系悬挂为空气弹簧 并设置高度自动调整装置 C 转向架构架与车体之间安装横向减振器和横向止挡 5 车轮采用整体碾钢轮或弹性车轮 其踏面形状应符合TB T 449 2004 的要求 2 转向架结构速度135km h 最高运行速度120km h 3 转向架动力学性能满足TB T2360 93 铁道机车动力学性能试验鉴定方法 及评定方法 4 转向架安全可靠 经久耐用 5 转向架达到国内领先水平 6 转向架易于维护 长使用寿命 30 年 2 3 可行性分析 从1987年与日本联合研制转向架到1994年成功自主设计研制无摇枕地铁转 中南大学本科生毕业论文 设计 第 2 章 设计思路和可行性分析 7 向架 一直到现在 我国在地铁转向架方向的研究一直没有停止脚步 在这个过 程中 我们在学习国外地铁转向架的先进技术的同时 也通过自己的努力 在转 向架构架的形式 轴箱的定位方式 车体和转向架之间传递载荷的方式等方面 不断的技术创新 其中 我设计的 120km 速度级拖车转向架就采用了 H 形的构 架形式和转臂式轴箱定位 目前国内成熟运行的地铁线路中 有有广州地铁三号线的的运营速度是 120km h 其车辆转向架是由德国西门子公司设计制造的 其构架形式是 H 型 并采用盘形制动 所以 我在设计转向架时 可以参考广州地铁三号线转向架的 设计方案 在经济高速发展 城市化程度不断加深的今天 城市的交通状况不容乐观 特别是一些城市的第二产业外移 大量新型产业区建立在卫星城和远离中心城市 的地区 在这种情况下 除了要加快郊区地铁线路建设的同时 应该抓紧研制高 速度的地铁转向架 这样能缩短中心城区与郊区乘车时间 方便了旅客的出行 也一定程度上会促进城市经济的发展 由上可知 设计制造 120km 速度级的转向架 国内已有成熟的技术作保证 同时也是我国城市化发展的需要 中南大学本科生毕业论文 设计 第 3 章 120km 速度级拖车转向架总体设计方案 8 第 3 章 120km 速度级拖车转向架总体设计方案 3 1 整车简介 该设计的转向架是 B 型车拖车转向架 设计运行速度 120km h 列车采用 4M2T 的 6 节编组 即 A B C C B A 其中 A 代表带司机室和受电弓的动车 B 代表不带司机室的拖车 C 代表不带司机室的动车 座席载客量为 292 座 列 其中 A 车 46 座 辆 B C 车 50 座 辆 定员载客量 每平方米 6 人 1400 人 列 其中 A 车 216 人 辆 B C 车 242 人 辆 超员载客量 每平方米 9 人 1950 人 列 其中 A 车 303 人 辆 B C 车 336 人 辆 列车 空车 总重量约 211 6t 其中 A 车 37 4t 辆 B C 车 34 2t 辆 轴重不大于 14 5t 旅客按 60kg 人计算 该列车为 B 型车 列车主要技术参数如图 3 1 列车长度119880mm 单节车辆长度 跨车钩连接面 19980mm 车辆宽度2800mm 受电弓落弓高度3875mm 车辆高度 不含排气口和空调单元 3800mm 车辆高度 含排气口和空调单元 3855mm 转向架中心距12600mm 车辆地板高度1130mm 供电方式架空刚性接触网 额定电压DC1500V 受电弓工作高度175 1600mm 中南大学本科生毕业论文 设计 第 3 章 120km 速度级拖车转向架总体设计方案 9 图 3 1 列车整体 3 2 转向架设计总体要求 1 设计的转向架的综合性能要符合规定的限界和线路条件 并且要满足地 下铁道运输系统的运用要求 2 转向架的运行稳定性良好和曲线通过能力符合要求 3 按GB5599 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 的规定执行转向 架的运行的平稳性 在多种运营速度和空载到满载的任何载荷条件下 转向架的 横向和垂向平稳性指标不得高于2 5 且车辆运行性能稳定 4 按GB5599 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 的规定执行转向 架的安全性 脱轨系数小于1 0 轮重减载率不得高于0 6 倾覆系数不得高于0 8 5 转向架的关键零部件的静强度和动强度符合TBl335 铁道车辆强度设计 及试验规范 的要求 6 在满足强度要求的前提下 尽量减轻转向架的重量 使转向架的轻量化 程度越高 7 高可靠性和维护性 3 3 转向架整体结构 该转向架设计构架速度为 135km h 最高运营速度为 120km h 该转向架的 运行速度比国内大多数转向架的运行速度高 所以它的设计有它的独特地方 转 向架主要由构架 轮对轴箱装置 弹性悬挂装置 牵引装置和基础制动装置组成 转向架结构如图 3 2 构架是整个转向架的骨架 他要求具有足够的强度和刚度 构架采用焊接结 构 有两根侧梁和两根横梁焊接成 H 型 侧梁是采用箱型机构 该构架采用 互换型设计 动车转向架构架完全可以与拖车转向架构架互换 轴箱是轮对和构架之间的连接部件 传递牵引力和制动力 为了保证纵向和 横向的定位刚度的稳定性 这里采用转臂式轴箱定位 一系悬挂采用双圈螺旋钢弹簧 减振垫和油压减振器 垂向承担车体重量及 车体与构架直接的垂向动作用力 横向承担轮对相对于转向架的横向力 衰减一 中南大学本科生毕业论文 设计 第 3 章 120km 速度级拖车转向架总体设计方案 10 系簧下振动对车体和构架的冲击 二系悬挂由空气弹簧 垂向和横向油压减振器 横向橡胶止挡和抗侧滚扭杆 等组成 垂向承担车体重量和车体与转向架之间的动作用力 横向承担离心力及 车体与转向架之间的横向作用力 抗侧滚扭杆装置有效的限制了车体向上产生较 大的位移 二系悬挂有效的衰减了二系簧下振动对车体的冲击和蛇形运动 牵引杆将传递到构架的牵引力和制动力继续传递给车体 牵引装置采用 单 牵引拉杆 旁承 的形式 结构简单 有利于减轻转向架重量 基础制动装置是使运行的车辆减速停车 停放中的车辆不发生溜逸的重要部 件 这里采用盘形制动 制动盘安装在车轮上 对于速度较高的转向架 采用盘 形制动能快速 有效的完成制动工作 图 3 2 转向架总体装配 1 构架 2 轮对轴箱装置 3 一系悬挂装置 4 二系悬挂装置 5 牵引装置 6 基础制动装置 3 4 主要技术参数 结构速度135 km h 最大运行速度120 km h 轨距1 435 mm 中南大学本科生毕业论文 设计 第 3 章 120km 速度级拖车转向架总体设计方案 11 转向架中心距12 600 mm 固定轴距2 300 mm 两侧梁横向中心距2 100 mm 车轮直径840 ram 全磨耗 770 mm 轮对内侧距 空载 1 353 mm 轴重 14 5 t 轮重偏差 2 一系垂向刚度1 kN mm 一系横向刚度9 kN mm 一系纵向刚度17 kN mm 转向架质量5 9 t 一系悬挂方式螺旋钢弹簧 二系悬挂方式空气弹簧 轴箱定位方式转臂式定位 牵引力传递方式牵引杆 基础制动方式轮盘制动 联轴器柔性齿式联轴器 转向架使用寿命30 年 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 12 第 4 章 转向架主要零部件设计 4 1 构架 转向架构架是转向架传递牵引力和承载载荷基础结构 是整个转向架的骨 架 构架能保证转向架内各零部件的相互位置关系和运动关系 轮对轴箱装置 悬挂装置 牵引装置 电机悬挂转转及基础制动装置等都是安装在构架这个基体 上 在加上管 线等附属装置 组成一个完整的转向架 构架的设计功能及要求 1 传递载荷 即传递车体至轮对和轮对至车体载荷 2 为两系悬挂系统提供支持 3 为其它各种辅助装置提供支持 4 应该有足够的静强度和疲劳强度 以保证在容许的最高速度和最大载荷 下安全运行 当车辆在各种工况下运行时 构架会承受车体重量和其上部所有设备重量的 垂向载荷 还有机车在振动时引起的垂向附加动载荷 构架也会承受车辆在牵引 时产生的牵引力和制动时产生的制动力 当车辆通过曲线时 构架会受到离心力 作用 既然转向架构架在车辆运行过程中要受到各种各样的力的作用 为了满足 使车辆正常行驶 转向架正常工作 转向架的构架的强度和刚度必须达到一定的 要求 几何尺寸和制造精度也要符合相关指标 从而满足车辆的正常运行 转向架构架的形式有多种 有 目 字型 H型等等 这里采用H型构架 并且采用互换性设计 使其能与动车转向架完全互换 构架由两根横梁和两个侧 梁焊接组成 构架整体如图4 1 侧梁材质选用 16MnDR 低温压力容器钢板 在焊接时 选用 4 块钢板焊接 成中间下凹的鱼腹形箱型结构 如图 4 2 所示 这样的鱼腹形箱型结构具有强度 大 刚性好 重量轻等优点 梁中间设计成下凹的形式是为了便于安装空气弹簧 侧梁上下盖板及腹板厚度均为 10mm 所有焊缝焊接坡口均采用机械加工形成 在侧梁上焊接有横向和垂向油压减振器安装座 一系弹簧安装座 抗侧滚扭杆安 装座 转臂定位安装座和天线装置安装座 各个安装座的设计都具有合格的刚度 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 13 和强度 能承受车辆运动带来的较大的交变载荷 其中转臂定位座采用锻件 其 他安装座采用铸件 图 4 1 构架 1 侧梁 2 横梁 3 二系垂向油压减振器安装座 4 一系弹簧安装座 5 转臂定位安装座 6 抗侧滚扭 杆安装座 7 电机悬挂座 8 齿轮箱吊座 9 制动安装座 10 横向止挡座 11 牵引安装座 图 4 2 侧梁 1 上盖板 2 下盖板 3 后腹板 4 横梁安装孔 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 14 横梁采用的材质是 Q345E 无缝钢管 因为 Q345E 无缝钢管综合力学性能好 焊接性 冷热加工性能和耐腐蚀性能均好 具有良好的低温韧性 横梁直径 180mm 壁厚 10mm 两根横梁通过图 4 2 的横梁安装孔与前腹板焊接 在侧梁 的横梁表面用酸洗磷化 其内腔作为空气弹簧的附加空气室 并且在横梁上焊有 电机悬挂装置 牵引座安装座 横向止挡座 制动器安装座和齿轮箱吊座 为避 免或降低应力集中 各吊座与横梁连接的上下盖板均设计为圆弧过渡形状 其中 制动器安装座和牵引座安装座采用铸件 构架尺寸及各个安装座的安装尺寸如图 4 3 和图 4 4 图 4 3 构架安装座安装一 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 15 图 4 4 构架安装座安装二 为了保证转向架构架在车辆正常运用中具有足够的刚度 强度和疲劳寿命 在设计转向架构架时 在各主要受力处即各个轴箱拉杆座 减振器座 旁承座和 牵引电动机悬挂座等关键位置都焊接了加强筋板 构架的焊接标准按 DIN6700 进行 焊接的方法主要应用富氩气体保护焊 构架焊接完成后 各焊缝都要打磨 光滑以便消除焊缝表面缺陷 并通过打沙 喷丸等方式来消除氧化层 焊缝表面 缺陷标准按 EN25817 钢电弧焊接缺陷等级标准来评定 为保证焊缝的质量 重 要部位的焊缝要求进行探伤检查 焊缝按DIN6700标准进行 X光检验 按ENl290 的检测标准进行磁粉探伤 另外 为了减少焊接时产生的残余应力 构架在组装 焊接完成后 应改进行退火处理 来减少焊接时产生的残余应力 设计好的转向架构架应按标准 UIC615 4 动车组 转向架与走行部 转 向架构架结构强度试验 来进行构架的静强度和疲劳强度的核算 4 2 轮对轴箱装置 4 2 1 轮对结构 轮对是由一根车轴和两个同型号的车轮通过过盈配合组装起来的 是车辆行 走的关键部位件 车辆的大部分载荷和牵引电机产生的扭矩都是通过轮对专递给 钢轨 引导车辆高速运行 同时 车辆在通过道岔 钢轨接头和曲线或不平整的 路段时 轮对也会受到水平和垂向的作用力 因此轮对要有足够的强度 来保证 在最高速和最大载荷的条件下安全运行 而且在强度足够的情况下 要减轻轮对 重量 并要具有一定的弹性 来减少轮轨之间的作用力和磨耗 轮对的内侧距是保证车辆运行安全的一个重要参数 我国地铁采用与铁路通 用的 1435 mm 的标准轨距 轮对在钢轨上滚动时 轮对内侧距应保证在最不利 的条件下 车轮踏面在钢轨上仍有足够的安全搭接量 不致造成掉道 同时还应 保证车辆在线路上运行对轮缘与钢轨之间有一定的游隙 轮缘与钢轨之间的游隙 太小 可能会造成轮缘与钢轨的严重磨耗 轮缘与钢轨之间的游隙太大 会使轮 对蛇行运动的振幅增大 影响车辆运行品质 轮对内侧距有严格的规定 我国地 铁车辆轮对内侧距为 1353 2 mm 车轴为圆截面实心轴 采用优质碳素钢加热锻压成型 再经过热处理和机械 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 16 加工制成 我国的滚动轴承车轴的轴型已标准化和系列化 标准滚动轴承车轴有 RB2 RC2 RD2 RE2 RC3 RC4 RD3 RD4 该车轴选用 RD4型 车轴 的各基本参数如图 4 5 图 4 5 车轴 车轮的结构 形式 材质和大小多种多样 按结构分有整体车轮和带箍车轮 整体车轮按其材质分又有碾钢轮和铸钢轮 带箍车轮也可分为铸钢辐板轮心 碾 钢辐板轮心和铸钢辐条轮心的车轮 该转向架车轮才有整体碾钢轮 整体辗钢轮由踏面 轮缘 辐板和轮毂组成 车轮与钢轨的接触面称为踏面 轮对踏面具有一定的斜度 所以称为锥形踏面 踏面锥形的作用是 在直线运行 时使轮对能自动调中 在曲线运行时 由于离心力的作用使轮对偏向外轨 由于 踏面锥形的存在 使外轨上滚动的车轮以较大的滚动圆滚动 在内轨上以较小的 滚动圆滚动 从而减少了车轮在钢轨上滑动 使轮对顺利通过曲线 车轮踏面有 斜度 运行时车轮与钢轨接触的动直径在不断地变化 致使轮轨的接触点也在不 停地盘换位置 从而使踏面磨耗更为均匀 设计的这个车轮的锥形踏面有两个斜 座 即 1 47 和 I 15 前者位于轮缘内侧 44 100 mm 范围内 是轮轨主要接 触部分 后者为离内侧 l00 mm 以外部分 各组成面均以圆弧面平滑过度 踏面 的最外侧做成 5X45 的倒角 其作用是便于通过小半径曲线 也便于通过辙叉 车轮的外形及主要尺寸如图 4 7 图 4 6 车轮一图 4 7 车轮二 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 17 轮对装配方法有冷装法 热装法或油压法等 这里轮对装配采用油压法压装 其组装和公差按 EN13260 和 UIC 813 规定执行 在组装时 把高压油注入车轴 轮座和车轮毂孔之间 形成油膜后 再使用油压机将车轮均匀压入车轴 在压装 过程中 油压机会自动记录压力曲线图 并以此判断压装是否符合要求 4 2 2 轴箱装置 轴箱装置是联系构架和轮对的活动关节 使轮对的滚动转化为车体沿着轨道 的平动 并把车辆的重量和各种载荷传递给轮对 保证轮对和轴箱装置间良好的 润滑性能 减少磨耗 降低运行阻力 轴箱装置按工作特性可以分为滚动轴承轴 箱和滑动轴承轴箱 这里的轴箱采用滚动轴承轴箱 因为采用滚动轴承轴箱 可 以显著降低车辆的运行阻力和启动阻力 改善车辆走行部位的运动条件 减少燃 轴事故 减轻维护和检修工作 降低运营成本 该设计的转向架的轴箱装置主要由轴箱体 轴箱轴承 轴箱端盖等组成 轴 箱体采用高强度的合金钢铸造 轴箱结构如图 4 8 轴箱主要尺寸如图 4 9 轴 承选用 UN1026 圆柱滚子轴承 其重量轻而且能承受较高的交变载荷 轴箱轴承 装配应符合 TB T 2235 2002 的规定 图 4 8 轴箱 1 轴箱体 2 轴箱盖 3 一系弹簧安装台 4 一系油压减振器安装座 5 连接关节 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 18 图 4 9 轴箱 约束构架和轴箱之间的相对运动机构为轴箱定位装置 它对转向架的横向动 力性能 抑制蛇形运动具有决定性的作用 常见的轴箱定位装置的结构形式有五种 第一种是拉板式定位 用特种弹簧 钢材制成的薄片形定位拉板 其一端与轴箱连接 另一端与构架相连 利用薄片 拉板在纵横两个方向的不同刚度把轴箱和构架的相对运动约束在较小的范围 以 此来实现弹性定位 由于拉板的上下弯曲刚度很小 所以对构架和轴箱上 下方 向的相对移动约束很小 第二种是拉杆式定位 拉杆的两端分别于轴箱和构架的 销接 拉杆两端的橡胶垫和橡胶套分别用来限制轴箱和构架之间横向和纵向两个 方向上的相对位移 并实现弹性定位 这种定位方式允许轴箱和构架在上下方向 有较大的相对位移 第三种是转臂式定位 转臂式定位又称弹性铰定位 定位转 臂的一端与圆筒形轴箱体固接 另一端的橡胶弹性节点则与转向架构架上的转臂 定位安装座相连接 弹性节点允许轴箱与构架在上下方向有较大的位移 弹性节 点内的橡胶件设计成使轴箱在纵向和横向具有适宜的不同的定位刚度的要求 第 四种是叠成橡胶弹簧式定位在构架和轴箱之间装有压剪型叠层式橡胶弹簧 其垂 向刚度较小 使轴箱相对构架有较大的上下方向位移 而它的纵向和横向有适宜 的刚度 来实现良好的弹性定位 第五种是干摩擦导柱式定位 磨耗套安装在导 柱和支持环上 导柱安装在构架上 支持环坐落在轴箱弹簧托盘上 导柱插入支 持环中 当构架和轴箱之间发生向上 下的运动时 两磨耗套产生干摩擦 并由 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 19 导柱与支持环传递纵向力和横向力来实现定位作用 再通过轴箱橡胶垫产生不同 方向的剪切变形 来实现弹性定位 这里采用转臂式定位 因为转臂式定位装置具有结构简单 维护和维修方便 纵向和横向的定位刚度可靠稳定等特点 并可以根据定位刚度的需要来设计来设 计转臂的橡胶关节 轮对轴箱装置的装配如图4 10 图 4 10 轮对轴箱装配 1 车轴 2 车轮 3 轴箱装置 4 3 弹性悬挂装置 弹性悬挂装置包括弹性元件和减振器 其作用主要体现在两方面 一是使载 荷比较均匀地传递给各轮对 并使车辆在静载状况下 包括空 重车 两端车钩 距离轨面高度均满足规定的要求 以保证车辆的正常联挂 二是缓和及减少因线 路的不平顺 轨缝 道岔 钢轨的磨耗和不均匀下沉以及因车轮磨损 车轮不圆 轴径偏心等原因引起车辆的振动和冲击 车辆的弹性悬挂装置有一系悬挂和两系悬挂两种 这里采用两系悬挂 因为 采用两系悬挂可以减少整个车辆悬挂装置的总刚度 增大静挠度 改善车辆运动 的平稳性 减少车辆与钢轨之间的动作用力 两系悬挂装置包括一系悬挂和二系 悬挂 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 20 在设计转向架构架悬挂装置时 悬挂装置要满足的一般要求 一系悬挂为双 圈圆柱螺旋弹簧 垂向油压减振器 螺旋弹簧应符合 TB T 1025 2000 的规定 油压减振器应符合 TB T 1491 2004 的规定 二系悬挂为空气弹簧 并要符合 TB T 2841 的规定 设置异常上升止挡 以防止高度阀失灵而导致空气弹簧过充 由于采用了空气弹簧 为了保证车辆具有足够的抗侧滚刚度 要加装抗侧滚扭杆 装置 并转向架构架和车体之间应安装横向油压减振器 4 3 1 一系弹性悬挂装置 一系悬挂组件安装在构架和轴箱之间 主要零部件包括螺旋弹簧 垂向止挡 垂向油压减振器 橡胶垫等 一系悬挂的定位方式采用转臂式 结构简单 纵 横向刚度稳定可靠 一系弹簧采用螺旋弹簧 材质为MnSi260 这种硅锰弹簧钢热处理时有较高 的淬透性 加热时氧化皮较少 能获得较好的表明质量和较高的疲劳强度 而且 和其他的低合金弹簧相比价格低廉 并且采用双圈螺旋弹簧组 在承载和弹性特 性相同的条件下 可以明显减小弹簧所占空间位置 使结构紧凑 弹簧安装稍偏 离轴箱中心 这样能降低侧梁的高度 使载荷分配均匀 内外圈弹簧的主要技术 参数如图 4 11 和图 4 12 所示 外圈弹簧采用左旋制造 内圈弹簧采用右旋制造 图 4 11 外圈弹簧图 4 12 内圈弹簧 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 21 一系双圈弹簧参数计算 车辆总重约 211 6t 轴重约 14 5t 每个轴箱双圈螺旋弹簧载荷约 35535N 弹簧参数选择 外圈弹簧 D 200mm d 40mm H 400mm N 7 n 5 5 内圈弹簧 D 140mm d 28mm H 400mm N 7 n 5 5 其中 D 弹簧平均直径 d 簧条直径 H 自由高度 N 弹簧总圈数 n 弹簧有效圈数 计算公式及符号说明 弹簧垂向刚度 4 3 3 88nD Gd nm Gd K 4 1 弹簧挠度 K P Gd nmP f 3 8 4 2 剪切应力C d DP 3 8 4 3 弹簧全压缩后高度 dnh5 0 4 4 弹簧全压缩后承受载荷 KhHP 4 5 全压缩后剪切应力 3 8 d DP 4 6 式中 G 弹簧剪切弹性模数 P 弹簧负载 m 弹簧指数 这里5 d D m 弹簧计算 外圈弹簧垂向刚度mmN nm Gd K 8 581 55 58 401080 8 3 3 3 1 1 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 22 内圈弹簧垂向刚度mmN nm Gd K 3 407 55 58 2880 8 33 2 2 外 内圈弹簧挠度mm KK P fff 9 35 3 4078 581 35525 21 21 外圈弹簧载荷NKfP 2 208968 5819 35 11 内圈弹簧载荷NKfP 8 14628 3 407 9 35 22 弹簧剪切应力计算 由公式 3 式中 3105 1 615 0 44 14 mm m C 得外圈弹簧剪切应力 2 33 1 11 1 9 2173105 1 40 2002 2089688 mmNC d DP 内圈弹簧剪切应力 2 33 2 22 2 6 2373105 1 28 1408 1462888 mmNC d DP 弹簧全压缩的剪切应力计算 全压缩后高度 mmdnh1405 0 全压缩后承受载荷 NKhHP81452 11 NKhHP57022 22 全压缩后剪切应力 2 3 1 1 1 2 648 8 1 mmN d DP 2 3 2 2 2 4 698 8 2 mmN d DP 对于MnSi260的刚度弹簧 取750MPa 设计的弹簧的剪切应力均满足 减振器采用油压减振器 能有效衰减振动 消耗振动能量 还可用作上升止 挡 不让车体在垂向发生过大位移 采用橡胶垫能吸收较高频的振动 从而能减 少振动对构架的损坏 一系垂直减振器技术数据 压缩长度326 3mm 伸展长度487 3mm 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 23 冲程161 mm 最大扭转角运动 单一载荷 15 最大圆锥角运动 单一载荷 4 径向刚度15 kN mm 最大静载荷 限制止档 36 kN 限制止档的长度 静载荷 36 kN 492mm 图 4 13 一系垂向油压减振器 4 3 2 二系弹性悬挂装置 二系弹性悬挂安装在转向架和车体之间 主要零部件包括空气弹簧 横向止 挡 高度调整阀 横向和垂向油压减振器 抗侧滚扭杆等 为了承受和传递车体的载荷 这里采用空气弹簧 空气弹簧的刚度可以选择 低值 来降低车辆运动的自振频率 空气弹簧具有非线性特征 可以根据车辆的 振动性能的需要 来设计理想的弹性特性曲线 空气弹簧的刚度会随着载荷的改 变而改变 所以使车辆在空 重载时 车体的自振频率差不多相等 使空 重车 不同运行的平稳性几乎相同 空气弹簧与高度控制阀同时使用 可使车辆在不同 静载荷下 车体地板面与轨面的高度保持不变 同一个空气弹簧可以承受三维方 向的载荷 利用空气弹簧的横向弹性特性 可以替代传统的转向架摇动台装置 从而简化结构 减轻自重 空气弹簧具有良好的吸收高频振动和隔音性能 由此 可以看出在改善车辆的运行性能和运行品质上具有显著的优点 空气弹簧主要计 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 24 算尺寸如图4 14 图 4 14 空气弹簧 空气弹簧刚度计算 1 垂向刚度计算 00 0 2 0 0 AaP V A PPnK a 4 7 cossinsin cossincossin1 22 R a 4 8 式中 0 P 空气弹簧的内压力 通常铁道车辆上采用的空气弹簧压力都小于 0 6MPa 一般取 0 3MPa 0 5MPa a P 大气压力 计算时取 0 1MPa 0 A 静平衡位置时空气弹簧的有效承压面积 0 V 静载荷作用下空气弹簧的容积 n 多变指数 计算时一般取 1 3 1 38 之间 a 空气弹簧的垂直特性形状系数 取决于空气弹簧的几何形状 与空气弹 簧的几何参数R 有关 其中 是橡胶囊圆弧部分形成的包角之半 是橡 胶囊圆弧部分的回转轴与空气弹簧中心线的夹角 R是 0 A有效承压面积半径 如图 4 14 2 横向刚度计算 1011 KAbPK 4 9 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 25 cossinsin sinsincossin 2 1 22 R b 4 10 式中 1 K 橡胶囊本身的横向刚度 其值需要通过实验确定 b 空气弹簧的横向特性形状系数 取决于空气弹簧的几何形状 与空气弹 簧的几何参数R 有关 为了控制车辆地板面高度 在车辆转向架上安装了自动高度调整阀 调整杆 的一端与构架相接 另一端则与高度调整阀相连 当车辆的载客量发生变化时 空气弹簧会供风和排风 从而来实现车辆底板面高度的自动调整 为了提高车辆的舒适度 本转向架还采用横向油压减振器和横向橡胶缓冲止 挡 采用横向油压减振器来提供横向振动阻尼 消耗横向振动能量 横向油压减 振器安装在牵引座和构架之间 并在牵引座两端设置非线性的横向缓冲橡胶止 挡 限制车体的横向移动 二系垂直减振器和二系水平减振器技术数据 压缩长度357 3 mm 伸展长度547 3 mm 冲程190 mm 最大扭转角运动 单一载荷 18 最大圆锥角运动 单一载荷 18 径向刚度20 kN mm 图 4 15 二系垂向油压减振器图 4 16 二系横向油压减振器 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 26 为了保证车辆具有足够的抗侧滚刚度 需要安装抗侧滚扭杆装置 抗侧滚扭 杆两端通过橡胶轴承悬挂在车体底架上 有效降低了转向架的簧间质量 并起到 限制车体向上产生过大位移的安全作用 抗侧滚扭杆装置通过两端的橡胶轴承装置安装于车体上 橡胶轴承具有一定 弹性 有隔震 缓冲的作用 抗侧滚扭杆装置的主要作用是约束地铁车体相对于 转向架的侧滚 在抗侧滚扭杆装置起扭转作用时 通过橡胶轴承的弹性变形来满 足扭杆的位移要求 抗侧滚扭杆主要由扭杆扭臂装置 连杆装置 橡胶轴承装置 等组成 如图 4 17 图 4 17 抗侧滚扭力杆 1 扭杆 2 扭臂 3 橡胶轴承 4 连杆装置 扭杆是抗侧滚扭杆装置中最主要的受力部件 通常扭杆采用的材质是 38CrMoAI 由于设计的120km速度级的转向架对扭杆的机械性能有跟高的要求 所以这里采用 50CrVA 弹簧钢材料 其化学成份和机械性能比 38CrMoAI 有很大 的提高 同时 为保证扭杆良好的综合机械性能 需要采取四步工艺措施 分别 为调质处理 中频淬火 抛光 抛丸 第一步调质处理 采用 850 淬火 500 回火 采用油为淬火剂及油介质冷却 经过调质处理后 扭杆的机械性能应为 s 1130 MPa b 1275 MPa s 10 第二步中频淬火 在调质处理完成后 采用线圈感应表面淬火 使表面硬度达到 HRC47 50 第三步抛光 扭杆在热 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 27 处理完成后再进行抛光处理 因为热处理后 扭杆的表面会有脱碳层 抛光能去 除脱碳层 提高扭杆的表面光洁度 第四步抛丸 在抛光完后 为了让扭杆有更 好的疲劳强度 对扭杆起扭转作用部分要进行抛丸处理 除了扭杆 扭臂也是抗 侧滚扭杆装置中重要的受力件 但是其机械性能要求没有扭杆那么高 所以扭臂 采用 38CrMoA 合金钢材料 同样也要通过调质处理来保证扭臂的综合机械性能 在装配扭杆和扭臂时 采用压装式 并采用过盈压装连接 通过温差装配法 予以实现 4 4 牵引装置 该转向架为无摇枕转向架 在没有摇枕的情况下 车体直接坐落在空气弹簧 上 必须依靠牵引装置来实现摇枕所具有的传递纵向力和转向功能 所以要求牵 引装置能够传递纵向的驱动力和制动力 同时允许二系弹簧能在垂 横向柔软的 动作 在纵向要求具有适合的弹性 因为转向架点头 车轮有不平衡质量时 会 引起纵向的振动 在结构方面 牵引装置要求便于转向架和车体的连接和分离 因为取消了摇枕装置 需要安装横向油压减振器 横向橡胶缓冲止挡 二系上升 止挡等装置 并且这些零部件的拆卸和安装 不会增加车体与转向架分离作业的 工时 牵引装置的形式有多种 可简单概括为 有牵引销 或盘心 旁承 和 无 牵引销 或盘心 旁承 两种形式 根据不同的牵引装置结构 无牵引销 或心 盘 形式又有单牵引拉杆式和四连杆机构式 即平行四边形机构 等多种不同形 式 该转向架的牵引装置采用 单牵引拉杆 旁承 的形式 牵引装置整体主要 由牵引杆 牵引座 弹性旁承等组成 牵引座设有牵引杆安装座和减振器安装座 如图4 18 其中 牵引座与车体通过螺栓连接 牵引杆一端与牵引座相连 一端 与转向架构架相连 车体通过牵引座 牵引杆传递纵向力 即牵引力和制动力 同时连杆可以实现车体相对于转向架的回转 弹性旁承可以传递横向力 并且允 许车体相对于转向架有一定量的横向位移 在牵引杆两端设有橡胶关节 能减少 列车在加速和减速时对牵引杆的冲击 避免牵引杆的磨损 而且 此牵引装置相 对于有牵引销的牵引装置 结构更为简单 有利于减轻转向架的自重并且维修方 中南大学本科生毕业论文 设计 第 4 章 转向架主要零部件设计 28 便 图 4 18 牵引装置 1 牵引座 2 牵引杆安装座 3 牵引杆 4 横向油压减振器安装座 4 5 基础制动装置 基础制动装置是空气制动的执行设备 所有的空气制动力都是通过基础制动 装置产生的 在设计该转向架的基础制动装置时 要考虑以下条件 根据转向架 的结构形式选择合适的基础制动方式 单元制动缸应符合 TB T 3106 的规定 闸 片应符合 TB T 3118 2005 的规定 制动盘应符合 TB T 2980 的规定 基础制动装置的形式有多种 按照制动方式可有 踏面闸瓦制动 盘形制动 磁轨