第02章转向架结构原理及基本部件.ppt

思考题 1 阐述如下概念 有轨车辆铁道车辆市郊客车地铁车辆轻轨车辆2 简述铁道车辆的基本特点3 简述铁道车辆的一般组成 思考题 4 简述车辆代码的组成及主要车种的编码 5 简述车辆标记的作用 举例说明定期修理标记 6 车辆方位是如何确定的 7 有没有从不运旅客的客车和从不装货物的货车 8 解释如下车辆技术参数 自重系数比容系数最高试验速度最高运行速度轴重每延米轨道载重车辆全长车辆换长车辆定距转向架固定轴距车钩高隧道的阻塞比 第一节转向架的作用与组成一 转向架的作用二轴车辆 载重 长度和容积等不能满足要求 三轴车辆 过曲线性能差 转向架 常见的多轴车辆采用带转向架结构形式的 把两个或几个轮对用专门的构架组成的一个小车 称为转向架 转向架基本作用及要求 增加车辆载重 长度和容积 提高速度 正常情况下车体都能可靠坐落在转向架上 承受并传递从车体至轮对以及钢轨间的各种载荷和作用力 使轴重均匀分配 安全 灵活地在线路 如直线 曲线 上运行 具有良好的减振性能 减小振动 冲击和动应力 提高车辆的运行平稳性和安全性 利用轮轨间的粘着 传递牵引力和制动力 要求结构简单 装拆 检修方便 二 转向架的组成轮对轴箱装置弹簧悬挂装置第一系悬挂 轴箱悬挂 第二系悬挂 中央悬挂 包括 弹簧装置 减振装置和定位装置3 构架或侧架4 基础制动装置5 转向架支承车体装置或称承载方式转向架的承载方式 心盘集中承载 非心盘承载和部分心盘承载 转向架的组成 轮对轴箱装置 一系悬挂 二系悬挂 构架 非心盘承载 转向架的组成 基础制动装置 盘形制动 CRH1动车组转向架 轮对轴箱装置 二系悬挂 中央悬挂 心盘集中承载 第二节转向架的分类一 按轴数 类型及定位方式分类 一 轴数与类型车轴 B C D E四种直径越粗 允许轴重越大 新型货车主要采用D E轴 新型客车主要采用D轴 转向架 二轴 三轴和多轴 轴数根据车辆总重和允许轴重来定 D轴允许轴重21t 车辆 4轴 总重84t E轴允许轴重25t 车辆 4轴 总重100t 二 轴箱定位方式轴箱定位装置 约束轮对和构架相对运动机构基本要求 纵向和横向适当的弹性定位刚度 性能稳定 结构简单 成本低 无或少磨耗 作用 避免蛇行失稳 良好的曲线导向性能 减小轮轨力和磨耗 确保运行安全和平稳性 轴箱定位方式有多种 常见的有下面几种 固定定位 轴箱与侧架为一体 无间隙 2 导框式定位 轴箱上有导槽 侧架或构架上有导框 前后左右有一定间隙 3 干摩擦导柱式定位 构架上的导柱插入轴箱弹簧托盘上的支持环 209T型转向架轴箱弹簧装置 4 油导筒式定位 5 拉板式定位 特种弹簧钢制成薄形定位拉板 一端连轴箱 另一端通过橡胶节点连构架 6 拉杆式定位 拉杆两端有橡胶节点 分别与轴箱和构架连接 实现弹性定位 7 转臂式定位 又称弹性绞定位 一端与轴箱固接 另一端通过橡胶节点与构架相连 8 橡胶弹簧定位 轴箱和构架间设有橡胶弹簧 合理选取刚度 实现弹性定位 轴箱定位刚度与临界速度 二 按弹簧悬挂装置分类1 一系弹簧悬挂 结构简单 便于检修 制造 成本低 多见于货车 2 二系弹簧悬挂 减振效果好 结构复杂 另部件多 成本高 用于客车和机车 中央弹性悬挂 轴箱弹性悬挂 3 多级悬挂 很少用 结构过分复杂 两级悬挂设计合理的话减振效果已足够好 外侧悬挂转向架 中心悬挂转向架 内侧悬挂转向架 三 按垂向载荷的传递方式分类 一 车体与转向架间的载荷传递1 心盘集中承载 2 非心盘承载 旁承承载 弹簧承载 3 心盘部分承载 旁承 心盘按一定比例承载 二 转向架中央 摇枕 悬挂装置的载荷传递1 具有摇动台装置的转向架 2 无摇动台装置的转向架 1 非心盘承载无摇动台转向架 2 心盘承载无摇动台转向架 三 构架 侧架 与轴箱轮对间的载荷传递1 侧架直接置于轮对轴箱上 无轴箱弹簧装置2 转向架有均衡梁 构架置于均衡梁弹簧上3 转向架构架由轴箱顶部的弹簧支承4 转向架构架由弹簧托盘上的轴箱弹簧支承 第三节轮对一 轮对组成及基本要求一根车轴 两个相同的车轮 轮轴配合部采用过盈配合 不能有任何松动 承担车辆全部重量和各种力的作用 对轮对的要求 1 足够的强度 2 重量小 具有一定弹性 3 阻力小 耐磨性好 4 能适应车辆直线运行 同时又能顺利通过曲线 具备必要的抵抗脱轨的安全性 二 车轴绝大多数为圆截面实心轴 一 车轴各部位名称及作用1 轴颈 2 防尘板座 3 轮座 4 轴身轴颈 车轴上与轴承相作用的部分 轮座 车轮压装处 也是车轴上直径最大的部分 防尘板座 客 货车车轴上轴颈与轮座之间的过渡处 其上装有滑动轴箱的防尘板或滚动轴箱的后挡板 轴身 两车轮之间的部分 有些客 货车车轴的轴身自轮座向中央逐渐缩小 也有一些轴身通长为圆柱形 采用盘形制动的制动盘组装在轴身上 二 车轴材质及要求优质碳素钢 锻压成型含碳量小于1 35 除铁 碳和限量以内的硅 锰 磷 硫等杂质外 不含其他合金元素的钢 碳素钢的性能主要取决于含碳量 含碳量增加 钢的强度 硬度升高 塑性 韧性和可焊性降低 三 空心车轴车轴通常是实心的 但车轴应力在截面上的分布是不均匀的 越接近表面就越大 而在中心的应力很小 因此有可能采用空心车轴代替实心车轴 以减轻簧下重量对机车车辆和线路的有害影响 空心车轴在一些国家的铁路上虽已试用多年 但由于在运用中受力状态复杂 仍在研究改进中 与实心车轴比 减轻质量20 40 降低了簧下质量 从而减小轮轨动力作用 特别适用于高速和重载车辆 三 车轮 一 车轮各部位名称及作用1 踏面 2 轮缘 3 轮辋 4 辐板 5 轮毂车轮上与钢轨相接触的部分称为踏面 车轮上踏面下最外的一圈 在整体轮上称为轮辋 在轮箍轮上称轮箍 踏面一侧凸起的部分称为轮缘 轮缘位于钢轨的内侧 可防止轮对滚动脱轨 并起导向作用 车轮上与车轴相结合的部分称为轮毂 轮毂与轮辋用轮辐连接 轮辐可以是连续的圆盘 称为辐板 也可以是若干沿半径方向布置的柱体 称为辐条 1 踏面2 轮缘3 轮辋4 辐板5 轮毂6 轮箍7 扣环8 轮心 整体轮 直辐板轮 S形辐板轮 轮箍轮 车轮按结构可分为轮箍轮和整体轮两大类 轮箍轮是将轮箍用热套装法装在轮心上 镶入扣环而成 扣环可在轮箍和轮心配合松弛时防止轮箍脱出 起安全止挡作用 整体轮是将轮箍与轮心上的轮辐合成一个整体 此外 有些国家还采用在轮辋与辐板之间加入弹性元件的车轮 这种车轮称为弹性车轮 通常只在地铁车辆上使用 中国铁路目前在机车上仍用轮箍轮 在客 货车辆上已全部使用整体辗钢轮 S型辐板整体辗钢轮 应用于高速 重载 特点 辐板为不同圆弧连接成的S形状 LM型踏面 取消了辐板孔 适当减薄轮毂孔壁厚度 可提高强度 有较好的径向弹性 可显著改善轮轨动作用力 弹性车轮主要优点 可减小车辆簧下部分质量 降低轮轨力 缓和冲击 提高列车运行平稳性 改善车轮与车轴的运用条件 减小磨耗和噪声 压剪型 压缩型 车轮踏面做成一定的斜度 其作用为 便于通过曲线可自动调中踏面磨耗沿宽度方向比较均匀磨耗型踏面踏面形状应满足的要求 名义直径 离轮缘内侧70mm处的直径 为滚动圆 轮径小的优点 降低车辆重心 减小簧下质量 缩短固定轴距 缺点 阻力增加 轮轨接触应力增大 踏面磨耗较快等我国标准轮径 货车840mm 客车915mm 柴油机车轮径为1050毫米 电力机车轮径为1250毫米 蒸汽机车各种车轮的直径因机型而异 动轮直径通常在1370 2000毫米之间 锥型踏面 UICS1002磨耗型踏面 四 轮对形状尺寸与线路的相互作用 一 轮缘内侧距离与线路尺寸的关系保证轮缘与钢轨间有一定的游间 以减少轮缘与钢轨的磨耗 实现轮对的自动调中作用 避免轮对两侧车轮直径的允许公差要求过高 避免轮轨之间的过分滑动及偏磨现象 轮缘间隙 轨距 轮缘内侧距 2 轮缘厚度 2 安全通过曲线车轮踏面的安全搭载量 轮对的最小内侧距 最薄轮缘厚度 轮辋厚 最大轨距 3 安全通过辙叉1 翼轨2 轮缘3 叉心4 辙叉5 护轮轨 二 踏面斜度与曲线半径径向通过曲线 可减小运行阻力 减小轮轨之间的磨耗 有利于避免脱轨现象的发生 外侧半轮半径 r0 y 内侧半轮半径 r0 y由得 纯滚线横移量y一定时 踏面斜度 越大 通过的曲线半径R越小 轨距加宽 一定 R越小 则y越大 外侧轮缘间隙减小 因此轨距要加宽 当R 650m时要考虑轨距加宽 第四节轴箱装置一 轴箱装置的作用1 将轮对和侧架或构架联系在一起 使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿线路的平动 2 承受车辆的重量 传递各方向的作用力 3 保证良好的润滑性能 减少磨耗 降低运行阻力 4 良好的密封性 防止尘土 雨水等物侵入及甩油 从而破坏油脂的润滑 甚至发生燃油等事故 二 滚动轴承轴箱装置1 特点 1 降低了车辆起动阻力和运行阻力 在牵引力相同条件下 可以提高牵引列车的重量和运行速度 2 改善了车辆走行部的工作条件 减少了燃轴等惯性事故 3 减轻了日常养护工作 延长了检修周期 缩短了检修时间 加速车辆的周转 节省油脂 降低运营成本低 2 形式滚子滚动轴承 圆柱 圆锥和球面滚子轴承轴承组成 外圈 内圈 滚子和保持架 隔离环 1 圆柱滚子轴承与轴箱特点 承受径向载荷的能力较大 承受轴向载荷稍差 结构简单 制造容易 成本低 检修方便 运用比较安全可靠 RD3型滚动轴承轴箱装置 用于206 209客车转向架 RD3型滚动轴承轴箱 横向力的传递过程 右端车轴防尘挡圈与后轴承内圈后轴承滚子后轴承外圈前轴承外圈轴箱盖轴箱体左端车轴压板前轴承挡圈前轴承滚子前轴承外圈后轴承外圈轴箱后盖轴箱体为改善轴箱密封性能 用橡胶迷宫式取代毛毡式密封 2 圆锥滚子轴承与轴箱197726T圆锥滚子轴承 无轴箱式 用于货车转向架 承受轴向力能力较强 特点 既能承受径向力 又能承受轴向力 结构简单 制造容易 检修方便 由于无轴箱体而重量轻 二 滚动轴承的选型主要根据额定动载荷来选取 100万转时承受的载荷额定寿命选用轴承的程序如下 确定工作条件负荷大小和方向 2 负荷性质 稳定 交变或冲击 3 转速 4 工作环境 5 机器部件结构上的特殊要求 6 轴承寿命 2 根据工作条件 选取轴承类型 确定精度等级3 选用轴承 根据轴承的负荷 转速和寿命 计算额定动载荷 再在产品样本中选取轴承 铁路轴承载荷工况复杂 要求耐振 耐冲击 寿命高 且要求有较小的尺寸与重量 一般为非标准产品 三 高速车辆对滚动轴承的要求主要问题 降低轴承温度 小型轻量化影响轴承性能的主要因素是 轴承结构 形式 保持架 内部形状 轴承质量 材质 热处理 精度 润滑油 质量 数量 种类 密封 形式 质量 和工作环境 1 轴承的选型 精度等级 材质及热处理硬度圆柱 圆锥滚子轴承都能满足高速 200 230km h 2 圆锥滚子轴承优于圆柱滚子轴承 磨耗小 温度低 3 240km h以上 一般采用圆锥滚子轴承 4 高速轴承 瑞典SKF 德国FAG 日本NTN 5 ISO轴承精度 普通级 P6 P5 P4 SP UP 6 我国轴承精度 G E D C 材质 采用真空脱气或真空冶炼的优质轴承钢 热处理 控制其硬度2 轴承润滑脂基本功能 隔离金属表面 减小磨耗 2 轴承润滑 润滑油 润滑脂 3 润滑油 高负荷 高速 高温 密封复杂 维护困难 4 润滑脂 密封简单 维护容易 用于铁道车辆高速列车车轴轴承基本要求是粘度低 润滑脂填充少 3 润滑脂的填充量与车辆运行密切相关 应适当 通常润滑脂的填充量为轴承和轴承箱的自由空间的30 50 4 轴承的密封作用 防止污染物进入和润滑剂溢处 提高轴承使用寿命 高速转向架采用整体金属迷宫式 是一种不完全密封结构 优点 结构简单 装卸和检修方便 检修成本低 无磨损 不产生附加运行阻力和摩擦生热 有利于控制轴温 密封性能稳定 5 轴承游间径向游间 最佳径向游间可提高寿命 减小阻力和磨耗原始游隙是指轴承未安装前的游隙 配合游隙是轴承与轴及轴承座安装完毕而尚未工作时的游隙 由于过盈安装 或使内圈增大 或使外圈缩小 或二者兼而有之 均使安装游隙比原始游隙小 工作游隙是指轴承实际运转条件下的游隙 工作时内圈温升最大 热膨胀最大 使轴承游隙减小 同时 由于负荷的作用 滚动体与滚道接触处产生弹性变形 使轴承游隙增大 轴承工作游隙比安装游隙大还是小 取决于这两种因素的综合作用 轴向游间 越小则性能越好 6 轴承温度及降温措施轴温 与轴承的质量和结构 轴承的内摩擦 运行条件 润滑脂的粘度和质量 轴承系统的散热条件等 轴温高影响轴承寿命 降低轴温的措施 好的材质 提高精度 光洁度和可靠性 良好润滑 适宜的润滑脂黏度 填充量少 控制连续运转时间 改善振动性能 第五节弹性悬挂元件弹簧减振装置 缓和冲动 衰减振动的装置三类 主要起缓和冲动的弹簧装置 主要起衰减振动的减振装置 主要起定位作用的定位装置 一 弹性元件的作用及特性1 弹簧装置的作用均衡车辆系统中的载荷缓和线路不平顺和各种因素引起的车辆的振动提高车辆运行的舒适性和平稳性 延长车辆和轨道使用寿命 2 弹簧的主要特性 线性弹簧 分段线性弹簧 软 硬弹簧特性 3 弹簧的串联 并联刚度的计算并联弹簧 如果各弹簧刚度相等 串联弹簧 如果各弹簧刚度相等 串并联弹簧刚度计算 对于车辆悬挂系统的设计 应采用仅可能大的弹簧静挠度 即小的弹簧刚度 可降低车体的自振频率 提高运行平稳性 二 钢弹簧结构及计算螺旋弹簧结构及主要参数通常为簧条截面为圆形的圆柱压缩螺旋弹簧 即圆簧材质 55Si2Mn 60Si2Mn主要参数 簧条直径d 弹簧平均直径D 有效圈数n 总圈数N 弹簧全压缩高度Hmin 自由高度H0 弹簧指数m D d 垂向静挠度fv 垂向刚度Kv 三 车辆的抗侧滚装置 1 布置在车体和转向架间 提高抗侧滚性能 2 在纵 横 垂向对中央悬挂影响很小 3 扭杆和转臂应有足够刚度 4 防止高频振动的传递 四 橡胶元件结构及计算优点 利用橡胶的三维特性避免磨耗 方便维修 成本低可减轻自重有较高内阻 高频吸振及隔噪好较大的弹性 良好的非线性特性缺点 耐高温 耐低温 耐油性能差性能离散度差易老化 刚度特性发生变化 1 橡胶元件设计时的注意事项 1 橡胶具有特殊的蠕变特性 具有弹性滞后 动刚度比静刚度大 其增大的倍率与动载荷振动频率和振幅有关 2 性能受温度影响很大 3 具有体积不变特性 应保证有足够空间改变形状 4 散热性不好 采用多层片状结构 5 防止疲劳损坏 6 变形受载荷影响较大 一般用于受剪受压 2 橡胶元件的有关计算 1 各种模数的计算与硬度 成分 形状 工作温度等有关 2 应力计算 3 静刚度 动刚度计算规则形状较容易计算 不规则形状一般采用实验 五 空气弹簧结构及计算空气弹簧是利用橡胶气囊内部压缩空气的反力作为弹性恢复力的一种弹性元件 1 空气弹簧装置的应用及特点刚度比较低 可降低车辆的自振频率具有非线性特性 可设计成比较理想的刚度特性曲线刚度随载荷变化 可保持空重车车体自振频率几乎相等与高度控制阀并用 保持地板面高度不变具有三向刚度 可代替传统的摇动台 结构简单 减轻自重本体和附加空气室间设节流孔 提供垂向阻尼良好的高频吸振和隔音性能缺点 附件多 成本高 增加了维护检修工作量 2 空气弹簧装置的组成弹簧本体附加空气室高度控制阀差压阀 安装在车体和转向架之间的空气弹簧通过节流孔与附加空气室连通 用风管将附加空气室与高度控制阀连接 高度控制阀固定在车体上 并通过杠杆和拉杆与转向架连接 空气经储风缸引至高度控制阀 当空气弹簧内没有压力空气时 则车体下落 打开充气阀 接通风源 压力空气就经过充气阀 附加空气室 节流孔 充入空气弹簧 随着空气弹簧内空气压力的增高 车体升起到平衡位置 关闭充气阀 切断压力空气通路 充气完毕 空气弹簧达到工作高度 当车体载荷增加 车体下降 高度控制阀的杠杆在拉杆的作用下按顺时针方向转动 将与储风缸连接的高度控制阀的进气阀打开 空气开始流入附加空气室和空气弹簧 一直到车体升高到原来位置为止 于是杠杆恢复到原来水平位置 并且高度控制阀的进气阀被关闭 当车体载荷减少 空气弹簧内压力空气膨胀 车体向上升起 而高度控制阀的杠杆按反时针方向转动 将与大气相通的高度控制阀的排气阀打开 空气弹簧内多余的压力空气从空气弹簧和附加空气室排向大气 车体下降 恢复到平衡位置 关闭排气阀 切断排气通路 排气完毕 空气弹簧恢复到工作高度 空气弹簧系统的工作原理 3 空气弹簧的分类及组成囊式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的挠曲获得弹性变形 膜式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形 混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式 1 囊式空气弹簧 可分为单曲 双曲和多曲等使用寿命长 制造工艺比较简单 但刚度大 振动频率高 已不采用 2 膜式空气弹簧 可分为约束膜式和自由膜式等约束膜式空气弹簧 内外筒和橡胶囊优点 刚度小 振动频率低 弹性易控制缺点 工作状况复杂 耐久性较差 自由膜式空气弹簧 无内外筒 减轻橡胶囊磨耗 提高寿命 安装高度低 重量轻 弹性可控制 4 高度控制阀和差压阀 1 高度控制阀作用 保持车体在不同静载荷下高度基本不变 在直线正常运行情况下不发生进 排气作用 在曲线时 转向架左右侧高度阀产生进 排气动作 减小车体倾斜 高度控制阀的主要特性及参数 1 截止频率 2 无感区 3 延迟时间 4 充排气时间 5 供风风压 6 检修期 2 差压阀作用 保证转向架两侧空簧压差小于规定值 如0 08MPa 均衡垂直载荷 提高运行安全性 选择差压阀的压差值应注意4点 空气弹簧的节流孔固定节流孔可变节流孔 第六节减振元件一 车辆减振元