CRH5型动车组万向轴结构及临界转速分析.pdf

文章编号 1002 7602 2010 12 0006 06 CRH5 型动车组万向轴结构及临界转速分析 冷扬立1 李秋泽1 李庆国1 邬平波2 1 长春轨道客车股份有限公司 吉林 长春 130062 2 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 四川 成都 610031 摘 要 介绍了 CRH5型动车组传动系统组成和万向轴基本结构 对万向轴的临界转速进行了理论计算 通过力锤 试验和台架试验 找出了传动系统的共振点和共振频率区域 确定了万向轴在传动系统中的临界转速 关键词 CRH5型动车组 万向轴 临界转速 固有频率 共振区域 中图分类号 U270 332 文献标识码 B CRH5 型动车组动力转向架传动系统中牵引电机 采用体悬式结构 齿轮箱采用抱轴式结构 在牵引电机 和齿轮箱组成间设有保护牵引电机的安全装置和双十 字万向轴 牵引电机悬挂在车体底架上 这与将牵引 电机安装在构架上相比 大大降低了簧间质量 有效地 改善了转向架的高速直线运行性能 同时也便于牵引 电机的维修与维护 在 CRH5 型动车组传动系统中万向轴应满足如 下要求 1 万向轴在车辆运行过程中可自由伸缩 以满 足车体与轮对间的相对位移 其最大拉伸量为 77 mm 最大压缩量为 40 mm 2 万向轴应传递牵引和制动扭矩 最大扭矩为 20 kN m 3 万向轴应满足列车高速运营的需要 其最大 转速将达到 4 096 r min 本文将对 CRH5 型动车组万向轴的结构和参数 进行介绍 对其临界转速进行理论计算和试验测试 并 据此分析该万向轴满足 CRH5 型动车组运营要求的 限定条件 提出万向轴的改进设计和检修维护建议 1 CRH5 型动车组传动系统 CRH5 型动车组传动系统由牵引电机 安全装置 万向轴 齿轮传动箱和轮对组成 图 1 电机沿纵向 布置在车体下方 并采用螺旋弹簧实现弹性悬挂 齿 轮传动箱通过轴承安装在动轴上 齿轮箱回转反作用 杆安装在齿轮箱下方 反作用杆在齿轮箱端装有橡胶 弹性关节 在构架端装有球形关节轴承 电机驱动扭 矩传递路线为 牵引电机 安全装置 万向轴 齿轮 传动箱 轮对 动力制动力矩的传递路线与驱动路线 相反 2 万向轴基本结构 CRH5 型动车组动车转向架采用双十字万向轴作 为传动部件 将电机驱动力矩传递给传动齿轮箱 万 向轴主要由连接法兰 十字轴组成 平衡块滑槽 滑动 键组成和连接轴管等组成 图 2 万向轴两端的叉形 接头法兰通过 12 根 M16 螺栓分别与电机输出端的安 图 1 CRH5 型动车组传动系统简图 收稿日期 2010 06 13 修订日期 2010 09 28 作者简介 冷扬立 1970 男 工程师 6 试验研究铁道车辆 第 48卷第 12 期 2010 年 12 月 1 8 连接法兰 2 7 十字轴组成 3 6 平衡块滑槽 4 滑动键组成 5 连接轴管 图 2 万向轴组成 全装置和齿轮箱输入轴的连接法兰连接 滑动键组成 在传递电机力矩的过程中可自由伸缩 十字轴的轴颈 分别通过滚针轴承支撑在连接法兰和传动轴的单叉孔 中 实现连接法兰与传动轴间的各弯曲转角运动 万向 轴的伸缩与转角功能可有效地补偿转向架和车体间的 各向运动 3 万向轴基本参数 表 1 表 1 万向轴基本参数 承受最大瞬时力矩 电机短路工况 kN m 20 0 计算极限转速 理论计算值 r min 1 5 610 允许工作转速 理论计算值 r min 1 4 488 安装长度 mm1 945 最长允许工作长度 mm2 050 最短允许工作长度 mm1 890 花键端最大动不平衡量 平衡转速 3 600 r min g cm 223 管端最大动不平衡量 平衡转速 3 600 r min g cm 180 花键轴向滑动摩擦因数0 12 质量 kg 95 双折弯精度 mm 0 1 最大轴线夹角 电机端11 2 齿轮箱端18 5 4 万向轴临界转速计算 CRH5 型动车组万向轴为钢空心传动轴 万向轴 临界转速 ncr的计算公式为 ncr 1 22 108 d 2 d 2 1 L 2 1 式中 L 传动轴长度 万向轴两端万向节中心间的 距离 取 L 1 830 mm d 传动轴外径 取 d 142 mm d1 传动轴内径 取 d1 130 mm 伸缩式空心轴系数 取 0 8 经计算 ncr 5 610 r min 上述传动轴的临界速度是在假定其两端为铰支 撑 沿轴全长L 的端面尺寸相同的条件下求得的 但实 际上传动轴的临界转速还受结构 制造 静动平衡以及 磨损等因素的影响 为安全起见 允许工作转速 nk取 为 0 8ncr 即 nk 4 488r min CRH5 型动车组运行速度与万向轴转速的对应关 系计算结果见表 2 表 2 CRH5 型动车组运行速度与万向轴转速之间的关系 运行速度 km h 1 车轮直径 m齿轮传动比 万向轴转速 r min 1 2000 89 新轮 2 52 982 2000 85 半磨耗轮 2 53 122 2000 81 全磨耗轮 2 53 276 2500 89 新轮 2 53 727 2500 85 半磨耗轮 2 53 903 2500 81 全磨耗轮 2 54 096 2750 89 新轮 2 54 100 由表 2 可知 万向轴的实际工作最大转速低于其 允许工作转速 5 万向轴临界转速试验测试 万向轴供应商承诺的允许转速为 3 600 r min 为 确保万向轴的安全性 在西南交通大学滚振试验台上 对 MC1车传动系统的万向轴进行了临界转速测定 试 验方式为力锤模态测试和台架滚动测试 5 1 力锤模态测试 通过力锤试验对 CRH5 型动车组传动系统的万 向轴进行模态测试 根据其一阶垂弯频率可以得出万 向轴大致的临界转速 力锤试验在整车及万向轴处于静止状态下进行 在万向轴上等间距地布置了 7 个加速度传感器 图 3 分别测试每个测点的横向和垂向加速度响应 得到 相应的频响函数 再利用软件的频响函数分析模块计 算得到各点频响函数数据 最后通过测试各点的频响 函数 识别万向轴的一阶弯曲模态 图 4 为万向轴中部第 3 第 4 测点的加速度频响 函数 其一阶弯曲频率为 72 Hz 据此可得临界转速 ncr 72 60 4 320 r min 反推的动车组速度见表 3 7 CRH5 型动车组万向轴结构及临界转速分析 冷扬立 李秋泽 李庆国 邬平波 表 3 临界转速下的列车运行速度 试验工况 一阶垂弯 频率 Hz 万向轴转速 r min 1 车轮直径 m 列车速度 km h 1 力锤试验724 320 0 89 新轮 289 0 85 半磨耗轮 276 0 81 全磨耗轮 263 5 2 台架滚动测试 CRH5 型动车组传动系统中万向轴弯曲共振会引 起牵引电机与车体较大的横向 垂向位移和加速度 在牵引电机和车体上布置加速度传感器 测量电机横 向加速度 时间历程和对应的幅频谱 找出共振峰值对 应的频率 计算万向轴在传动系统中的临界转速 台架试验在西南交通大学六轴滚动振动试验台上 进行 利用滚动模拟动车相对于轨道的纵向运动 试 验台具有激振功能 可模拟实际线路上的运行工况 最 高模拟速度可达 400 km h 本次试验没有输入轨道 激扰谱 试验中在电机和车体上布置了三向加速度计 型号 AS 10T B 试验中主要分析了牵引电机的横 向加速度 5 2 1 试验工况 表 4 表 4 试验工况 工况 最高速度 km h 1 试验台滚动加速度 km h 1 s 1 采样 时间 s 激振谱备注 1300 0 5450纯滚动见图 5 2300 0 2500纯滚动见图 6 3330 0 1920纯滚动见图 7 5 2 2 试验结果 图 8 为工况 1 时电机横向加速度 时间历程试验 结果和对应的幅频谱 图 9 为工况 1 时车体中部横向 加速度 时间历程试验结果和对应的幅频谱 可见 在 加速阶段没有出现共振峰值 在减速阶段电机和车体 中部横向加速度共振频率都为 74 Hz 由于振动传递 到车体上需要时间 故出现时滞 8 铁道车辆 第 48卷第 12 期 2010 年 12 月 图 7 试验工况 3 工况 2 最高试验速度与工况 1 相同 加速度绝对 值由工况 1 的 0 5 km h s 减小为 0 2 km h s 且提高了采样频率 图 10 为工况 2 时电机横向加速 度 时间历程的试验结果和对应的幅频谱 图 11 为工 况 2 时车体中部横向加速度 时间历程试验结果和对 应的幅频谱 可见 在减速阶段振动加速度出现了较 为明显的峰值 通过频谱分析得到共振频率为 74 Hz 65 Hz 74 Hz 范围内振动也比较大 工况1 和工况2 共振频率结果具有较好的一致性 工况 3 将最高试验速度提到 330 km h 加速度为 0 1 km h s 图 12 为工况 3 时电机横向加速度 时间历程试验结果和对应的幅频谱 可见 在加速阶 段和减速阶段 电机横向加速度出现了峰值 共振频率 为 81 Hz 在 65 Hz 81 Hz 范围内振动也比较大 9 CRH5 型动车组万向轴结构及临界转速分析 冷扬立 李秋泽 李庆国 邬平波 工况 2 和工况 3 的万向轴一阶弯曲频率试验结果 说明 除了共振点外 还存在振动比较大的共振区域 且共振区域下限频率都是 65 H z 根据台架试验结果计算出的列车运行速度见表 5 6 结论及建议 1 理论计算和实际测试结果表明 万向轴临界 转速大于 4 300 r min 在车轮新造和半磨耗状态下 CRH5 型动车组以 250 km h 运行可以避开万向轴的 共振区域 车轮全磨耗状态下 车辆以 250 km h 运 行可避开万向轴的共振点 但还处在共振区域内 2 建议对CRH5型动车组用万向轴进行全新设 计 采用碳纤维材料 以大幅减轻其质量 提高一阶弯 曲频率 10 铁道车辆 第 48卷第 12 期 2010 年 12 月 文章编号 1002 7602 2010 12 0011 03 出口沙特 32 5 t 轴重磷酸盐漏斗车 线路扭曲适应特性分析 张良威1 唐应文1 伏铁军1 傅茂海2 李 芾2 1 南车长江车辆有限公司 产品研究所 湖北 武汉 430212 2 西南交通大学 机械工程学院 四川 成都 610031 摘 要 以出口沙特 32 5 t 轴重磷酸盐漏斗车为研究对象 根据 AAR 标准和 ROA 指南的要求 对其线路扭曲适应 特性进行了计算 并按照 ROA 指南的要求进行了简化试验 计算和试验结果均表明 在规定的线路条件下 出口沙特 32 5 t 轴重磷酸盐漏斗车通过扭曲线路时的安全性满足设计要求 关键词 铁路货车 扭曲线路 动力学性能 中图分类号 U270 1 1 文献标识码 B 铁路货车通过扭曲线路时会引起车轮的增减载 如果转向架结构设计不合理或者悬挂参数匹配不当 有可能使车轮的减载量过大 严重时会危及行车安全 导致脱轨事故 因此 车辆结构形式及转向架悬挂参 数对线路扭曲的适应特性关系到列车的运行性能 是 铁路货车动力学性能评价的关键指标之一 本文以出口沙特 32 5 t 轴重磷酸盐漏斗车为例 利用 SIMPACK 软件建立了动力学分析模型 采用 AAR 标准和 ROA 指南中的要求分别对其扭曲特性 进行了计算分析 并按 ROA 指南中的要求对车辆进 行了线路扭曲特性简化试验 1 计算模型 收稿日期 2010 06 25 作者简介 张良威 1983 男 助理工程师 1 1 模型假设 1 忽略侧架 摇枕和车体等部件的弹性变形 将 各部件均视为刚体 2 忽略相邻车辆的影响 即只考虑单辆车匀速 通过扭曲线路 3 轮轨蠕滑关系采用简化的 Kalker 理论 4 忽略橡胶堆弹簧的非线性特性 1 2 模型建立 由于车辆系统是一个复杂的多体系统 需要根据 实际条件选择各刚体的自由度 各刚体通过约束和力 元进行连接 将转向架作为子结构进行建模 在主模 型中调用该子结构 2 次 图 1 为该车辆系统的拓扑关系图 包括虚物体共 计 11 个刚体 68 个自由度 表 5 根据台架试验结果计算出的列车运行速度 试验工况 一阶垂向弯曲 频率 Hz 万向轴转速 r min 1 车轮直径 m 列车速度 km h 1 台 架 试 验 工况1 工况2 744 440 工况3814 860 0 89 新轮 297 0 85 半磨耗轮 284 0 81 全磨耗轮 271 0 89 新轮 325 0 85 半磨耗轮 310 0 81 全磨耗轮 295 共振区域下限653 900 0 89 新轮 260 0 85 半磨耗轮 250 0 81 全磨耗轮 237 3 CRH5 型动车组用万向轴专项检修时 对十 字轴组成 滑动键组成要进行严格检查并及时更换 要 严格进行动平衡检测 弯曲度测量和连接法兰扭矩检 测 以减小有害间隙 提高自振频率 参考文献 1 Schmeiz F 等 万向轴和传动轴 M 北京 北京理工大学出版社 2008 2 张红军 罗 赟 等 CRH5 型动车组万向轴传动系统技术特征分 析 J 铁道学报 2009 31 2 115 119 3 姚 远 张红军 等 CRH5 型动车组万向轴扭转振动分析 J 中 国铁道科学 2009 30 2 82 85 4 邬平波 罗 赟 曾 京 等 CRH5 动车组 MC1车整车滚振试验 台动力学试验报告 R 2008 编辑 李 萍 11 试验研究铁道车辆 第 48 卷第 12期 2010 年 12 月 ABSTRACT Comparison and Analysis of the Aerodynamic Performance of High Speed Trains Passing by Each Other inside Tunnel and on Open Track FENG Zhi peng et al male born in 1986 T raction Power State Key Laboratory of Southwest Jiaotong University Cheng du 610031 China Abstract The numerical calculation model of high speed trains passing by each other inside tunnel and on open line is established The finite element volume method is used to solve the three dimension al compressible unsteady N S equation and k two equation turbulence model and the relative motion of trains is realized through the sliding mesh technolo gy The carbody surface pressure the changing pat tern of aerodynamic load on trains in the course of passing by each other inside tunnel and on open line at the constant speed of 350 km h are analyzed The research result shows that the carbody surface pres sure on trains passing by each other inside tunnel is 6 kPa higher than that on trains passing by each other on open line and the fluctuation amplitude of carbody surface pressure is two times that on open line The negative pressure on crossover carbody surface is 1 5 kPa higher than that on non crossover carbody sur face The aerodynamic force moment is slightly less than that on open line The changing pattern of aero dynamic resistance on the first car and the last car is similar to that of a single car crossing the tunnel however the peak of changes of resistance is 2 5 times of that of a single car crossing the tunnel Key words trains passing by each other high speed train aerodynamic performance tunnel Analysis of the Structure and Critical Rotating Speed of the Cardan Shafts for CRH5 Multiple Units LENG Yang li et al male born in 1970 engineer Changchun Rail way Vehicles Co Ltd Changchun 130062 China Abstract T he composition of the driving system of CRH5 multiple units and the fundamental struc ture of the cardan shaft are described T he theoretical calculation is made upon the critical rotating speed of cardan shafts T hrough the hammer test and the bench test the resonance point and resonance field of the driving system are found and the critical rotating speed of the cardan shaft in the driving system is de termined Key words CRH5 multiple units cardan shaft critical rotating speed natural frequency resonance field Analysis of the Adaptability Features of the Phosphate Hopper Car with an Axleload of 32 5 t Exported to Saudi Arabia on Twisted Track ZHANG Liang wei et al male born in 1983 assistant engineer Product Research Institute of CSR Yangtze Rolling Stock Co Ltd Wuhan 430212 China Abstract With the phosphate hopper car with an axleload of 32 5 t exported to Saudi Arabia as the ob ject of research according to requirements of AAR and ROA the adaptability features to twisted track are calculated and the simplification test is made ac cording to requirements of ROA manual Both the calculation and test results show that under the spec ified track conditions the safety of the phosphate hopper car with an axleload of 32 5 t exported to Sa udi Arabia on twisted track can meet the design re quirements Key words railway freight train twisted track dynamics performance Tentative Plan for Specialized Combined Operation in Railway Transportation to Solve Troubles in Freight Cars and Ensure Unimpeded Running ZHAO Chang bo et al male born in 1966 senior engineer Freight Car Department Equipment Section of MOR Transporta tion Bureau Beijing 100844 China Abstract T hrough analysis of the challenge faced in the safety and unimpeded running of railway transport as well as the present conditions of trouble determination and disposition in operation of the freight trains the tentative plan for specialized com bined operation in railway transportation to solve troubles in fr