CRH3型动车组动车转向架三维实体设计

CRHCRH3型动车组动车转向架三维实体设计型动车组动车转向架三维实体设计 摘摘 要要 随着我国铁路第六次大提速的顺利实施 以及客运专线不断建成通车 国 产 CRH 系列 200 300km h 动车组已分期分批投入运营 转向架是高速动车 组的走行机构 必须始终保持良好的性能状态 才能保证高速列车的安全可靠 运行 所以必须对高速动车组转向架进行进一步研究 本论文主要研究设计 CRH3高速动车组动力转向架三维实体造型 首先介 绍了世界各国的典型高速动车组技术 其次对我国的 CRH3型电动车组设备组 成进行了介绍 然后应用 Solidworks 三维软件对 CRH3动车组转向架各零部件 进行设计和实体建模并进行了虚拟装配 并对一些零件进行了分析 最后对 CRH3型动车组动力转向架进行了总体设计 为以后转向架的优化设计提供一定 的参考 关键词 关键词 高速动车组 转向架构架 转臂式轴箱定位装置 架悬式 Abstract As China s railway the sixth speed up was carried out as well as the passenger special line was opened to traffic continuously Domestic CRH series of 200 300km h EMUs have been put into operation in stages Bogie is the high speed EMUs traveling agency so in order to ensure the high speed train operation safely and reliably it must be always maintained a good performance status Therefore we should do further research on high speed EMU bogie In this passage the research design3D solid modeling for driving bogie theCRH3 high speed EMU Introduced the first countries in the world of the typical high speed EMU then the CRH3 EMU equipment were introduced Then the application of Solidworks 3D software on CRH3 EMU bogie of the various parts to design and solid modeling and virtual assembly And some parts analysis the overall design of the final the CRH3 EMU power bogie After bogie optimize the design to provide a reference Keywords high speed train bogie frame rocker typejournal box positioning device Frame suspension 目录目录 1 绪论 4 1 1 日本新干线高速动车组的发展及应用 4 1 2 法国 TGV 高速动车组的发展及应用 5 1 3 德国 ICE 高速动车组的发展及应用 5 1 4 其他国家 6 1 4 1 意大利 7 1 4 2 瑞典 7 1 4 3 西班牙 7 1 4 4 我国高速铁路的发展 8 1 5 结束语 8 2 转向架总体设计 9 2 1 转向架设计准则 9 2 2 高速转向架技术 9 2 2 1 构架 10 2 2 2 轮对 10 2 2 3 弹簧悬挂装置 10 2 2 4 牵引装置 10 2 2 5 轴箱定位装置 10 2 2 6 回转阻尼装置 11 2 2 7 抗侧滚装置 12 2 2 8 主动和半主动悬挂系统的开发 12 2 2 9 高速运行的稳定性 12 2 2 10 高速通过曲线的性能 13 3 基于 Solidworks 的转向架三维实体设计 14 3 1 三维造型软件 Solidworks 软件简介 14 3 2 转向架的三维模型建立 14 3 2 1 特征的概述 14 3 2 2 零件的三维造型与装配 15 3 3 3 装配干涉检查 16 3 4 本章小结 16 4 构架 17 4 1 转向架构架 18 4 1 1 侧梁 19 4 1 2 横梁 20 图 4 4 横梁 21 5 轮对轴箱定位装置 21 5 1 轮对 21 5 2 主从动齿轮配合设计 23 5 3 轴箱体 24 5 4 本设计轴箱定位装置也采用转臂式定位 27 6 悬挂与制动 27 6 1 中心悬挂 28 6 2 牵引装置 30 6 3 电机驱动装置 31 6 4 基础制动装置成 32 7 转向架附属装置设计 33 7 1 撒砂装置 33 7 2 轮缘润滑装置 33 7 3 扫石器组装 33 结论 34 致谢 35 参考文献 36 1 绪论绪论 目前世界上拥有自主开发并已成功运用高速动车组的国家有日本 法国 德国和意大利 其共同之处在于列车各部件大量运用高新技术 同时又各具特 色 即根据本国的运用条件和传统经验 特别是在转向架结构 车体轻量化 流线型外形 列车动力配置及构成形式 电传动及控制技术 列车信息网络等 方面都具有各自的特点 其他正在发展高速铁路技术的国家和地区 如西班牙 比利时 荷兰 韩国和中国 台湾等 都是建立在引进这些国家的成熟技术的 基础上而发展起来的 1 11 1 日本新干线高速动车组的发展及应用日本新干线高速动车组的发展及应用 日本的东海道新干线于 1959 年开工建设 1964 年 10 月 1 日东京奥运会开 幕前夕开通 该线路的成功运营 开创了一世界上高速铁路的新纪元 第一列 0 系新干线列车以 210km h 的最高运行速度投入运用 使东京一大阪间列车运 行时间由 7h 缩短至 3h10min 东海道新干线建成并成功运行 在日本产生了良 好的社会效益和经济利益 对世界铁路的发展产生了重大影响 1985 年 日本 东北 上越新干线相继开通 200 系 100 系新干线列车分别以 240km h 和 210km h 的最高运行速度投入运用 100 系列车在 1986 年与 0 系列车一同达到 220km h 1987 年日本国铁民营化之后 新干线网络的不断扩大 为了适应不同线路 的运营条件 提高运行速度 降低对环境的影响 日本持续不断地开发研制不 同系列的新干线高速动车组 使日本高速铁路技术飞速发展 1992 年 300 系列 车在东海道新干线投入运行 最高速度达到 270km h 该车通过采用铝合金车 体 轻量化转向架和交流传动技术使轴重大幅度降低 同时 运行速度及动力 学性能得到较大提高 随后 日本又开发了采用其有更好的空气动力学性能 并采用半主动减振 技术的 500 系 最高试验速度 350 4 km h 运行速度 300 km h 采用 IGBT 变流 技术的 700 系 最高运行速度 285km h 采用双层车体的 E4 系 运行速度 240km h 和 Star21 700 系等型号的新干线列车 并一直保持自开通运行以来无重大事故的 良好记录 2002 年 12 月 1 日 东北新干线盛冈一八户新建标准新千线开通运营 东 日本公司采用 E2 系 1000 型高速动车组 每列车由 10 辆编组 8M2T E2 系 1000 型动车组最高设计速度 3l5km h 最高运行速度 275 km h 我国从日本引进 并联合设计生产的 200 km h 动车组的原型即为该型动车组 1 2 法国法国 TGV 高速动车组的发展及应用高速动车组的发展及应用 自 1967 年起 法国国营铁路开始着手研究高速运输 首先是尝试将航空用 燃气涡轮发动机用于铁路动车组 1969 年 11 月 法国研制成功了第一代 ETG 型燃气轮动车组 最高试验速度达到 248km h 此后 通过进一步提高燃气轮 动车组质量 又研制出第二代 ETG 型燃气轮动车组 最高试验速度为 260km h 为了配合在巴黎 里昂建设高速铁路 还研制了第三代 TGV 一 00l 型燃气轮动车组 5 节编组 1972 年最高试验速度达到 381 km h 然而 1973 年中东钱争引起第一次世界石油危机后 法国开始将高速动车组技术政策转向 电力牵引 并率先在欧洲实行将速度 环保意识 充分利用能源 高新技术以 及经济可靠性综合考虑的技术方针 1973 年研制出第一列 Z7001 电动车组 1975 年最高试验速度达到 309 km h 自 1976 年开始 法国开始着手研究交一直传动的 TGV PST 动车组 并在 1981 年 9 月投入运用 此后 法国先后研制了交一直一交传动的 TGV A TGV R TGV 2N TGV TMST 西班牙 AVE TGV PBKA TGV K 等动车组 新型动力 分散动车组 AGV 也已研制成功 并投入试验运行 其中 TGV A 325 号车组 于 1990 年 5 月在大西洋线创造了 515 3 km h 轮轨系统高速行车的纪录 2007 年 4 月 3 日 TGV 以 574 8 公里的时速创造了轮轨列车的最快纪录 同时 TGV 也是世界上定期轮轨客运列车中平均速度最快的 1 31 3 德国德国 ICEICE 高速动车组的发展及应用高速动车组的发展及应用 早在 1970 年 原联邦德国政府技术研究部就开始组织对未来长途运输系统 新技术的研究 在发展高速铁路采用磁悬浮技术还是轮轨技术的问题上 德国 经过了旷日持久的讨论 由于联邦铁路在市场竞争中亏损越来越大 而法国 TGV 高速动车组的成功运营也刺激着素以高技术著称的德国 故原联邦德国政 府加快了发展高速铁路的步伐 1982 年 5 月 13 日 原联邦德国铁路成立董事会 决定修建高速铁路 并 一于 1982 年 7 月动土 1982 年 8 月 联邦铁路投资 1200 万马克 研制 ICE Inter City Express 试验型城际快车 1985 年 2 动 3 拖的 ICE V 试验型高 速电动车组试制成功 同年 其最高试验速度达到 317km h 1988 年 5 月 ICE V 型试验列车在汉诺威 维尔茨堡间创造了 406 km h 的当时高速动车组速 度纪录 在 ICE V 的基础上 1985 年 12 月联邦铁路确定了 ICE 设计任务书 1986 年开始试制 ICE1 型高速动车组 1990 年 7 月试制完成并一于 1991 年 6 月 2 日 以 280 km h 的速度正式投入运行 1991 年民主德国 联邦德国统一后 德国政府决定修建柏林 汉诺威的高 速铁路 同时开始了第二代 ICE 高速动车组 ICE2 的开发 1996 年 该型动 车组投入运用 德国铁路于 1995 年开贻动工修建科隆 法兰克福的高速铁路 由于该线路 最高运行速度提高到 300km h 线路最大坡度达到 4 既有的 ICE1 ICE2 型列 车已经不能满足运行需要 为此 德国铁路于 1994 年向工业界订购了 50 列 ICE3 型动力分散电动车组 1997 年 ICE3 型电动车组投入运行 为了使 ICE 能于未来推广至整个欧洲 ICE 列车班号已被简化 ICE 1 2 都是推拉形式的传统火车系统 为乎合 UIC 新的标准 新型 ICE 403 德国内的 I CE3 及 406 适合多国电压的 ICE 3M 采用动力分布式的设计 ICE 3 所有的列 车型号全归类为 Siemens Velaro Siemens Velaro 列车的动力被分散在列车各轮 上 令各车卡推进力量相同 在相同的能源输入下 大大提升列车的稳定性 动力效能与行驶斜度 与 ICE 2 一样 ICE 3 也可以两组列车联挂运行 或在 中途站分体后行走两条不同路线 ICE 3 及 ICE 3M 是德国国铁最高速的铁路列 车 在科隆至法兰克福 及因戈尔施塔特至纽伦堡高速线路上 ICE 3 都可以高 于时速 300 公里行走 1 41 4 其他国家其他国家 除了上而所说的日本 法国和德国拥有高速铁跻以外 由于高速铁路具有 的良好的经济促进作用 世界各国都纷纷研究高速铁路技术 先后发展了一系 列的高速动车组 例如西班牙 意大利 瑞典 韩国 比利时 荷兰 英国和 关国等等 其中主要的有意大利 瑞典和西班牙三个国家 他们各自的高速动 车组均具有各自的特色 1 4 11 4 1 意大利意大利 意大利铁路早在 20 世纪 50 年代的 Settebella 电动车组上就获得了最高速度 达 200km h 的运行经验 在 20 一世纪 80 年代初计划建设高速铁路网的同时着 手研制高速动车组 1989 年春 ETRX500 型试验列车在罗马 佛罗伦萨试验时速度达到 316 km h 随后 意大利又开发了 预生产型 ETRY500 列车 经试验后一于 1991 年投入运行 随后 正式生产的 CTR500 试验列车于 1995 年开始供货并投入运 用 同时 由于 意大利铁跻曲线多 为适应这些线路还开发了车体可倾摆式 列车 Yendolinoo Fiat 公司在 1967 年就开始对摆式车体的理论和系统进行研究 1974 年试制成第一代摆式动车织 ETR401 并一于 l976 年开始试用 鉴于 ETR401 往运用中的良好效果 随后 第二代 ETR450 第三代 ETR460 ETR4 l0 ETR480 摆式列车相继研制成功井投入运用 现时这款列车除意大利外 在西班牙 葡萄牙 斯洛文尼亚 芬兰 捷克 英国 瑞士及中国也可找到其 踪影 当中中国版本被称为 CRH5 但不设摆式功能 1 4 21 4 2 瑞典瑞典 和意大利一样 瑞典铁路的线路状况也不十分理想 因此 瑞典铁路主要 通过采用摆式列车实现高速化 瑞典铁路的主要特点是弯道多 曲线半径小 鉴于其铁路线路现状 瑞典国营铁路 SJ 和 ABB 公司经过多年的研究实验 研制成功了 X2000 型摆式列车 并于 1990 年投入运用 此后 瑞典还研制了 XG KC1 等型号的摆式列车 1994 年 4 月 瑞典国铁与中国铁道部决定合作研究利用 X2000 动车组在中 国既有线路实施提速的可能性 经过研究与谈判 1996 年双方决定瑞典 ADtranz 公司为中国制造一列 X2000 动车组 1998 年 1 月 15 日 列车运抵大 津新港 随即被送至中国铁道科学研究院环行线进行系统性能实验 同年 8 月 在广深线完成安全评估试验 并于 1998 年 8 月 28 日正式在广深线投入运用 1 4 31 4 3 西班牙西班牙 西班牙在马德里 塞维利亚的高速铁路主要采用 AVE Alfa Velocidad Espanola 动车组和由 5252 型电力机车牵引的 Talgo 摆式列车进行商业化运行 其 AVE 功车组主要是从德 法两国购置的 二次世界大 钱后 西班牙开始着手研制 Talgo 列车 1950 年 由美国车辆 及铸造公司制造的 Talgfl 列车投入运行 在此基础上 又先后研制了 TalgoII Talgolll Talgo Pendular 等列车 1998 年 4 月 西班牙铁路与德国 ADtran2 Siemen 及四班牙 Talgo 公司签订了合同 研究开发 Talgo350 摆式列车 样车 于 2000 年底研制完成 并于 2001 年 2 月 24 日达到 359 km h 的最高试验速度 1 4 41 4 4 我国高速铁路的发展我国高速铁路的发展 适合高速铁路的生存环境其实只要两条基本原则 第一是人口稠密和城市 密集 而且生活水准较高 能承受高速铁路比较昂贵的票价和多点停靠 第二 是较高的社会 经济和科技基础 能够保证高速铁路的施工 运行和维修需求 随着城市化进程的加快和物质文化水平的提高 人际间的交流将越来越频繁 这些预示着客运需求潜力很大 我国高速铁路建设处在起步阶段 2004 年铁道 部根据国务院 引进先进技术联合设计生产 打造中国品牌 的指导方针 通 过引进国外高速铁路先进技术立足国内 自主创新 已取得了实质效果 2008 年 8 月 1 日 在京津高速线上开行 350km h 的高速动车组拉开了我国 300km h 以上高速列车的发展序幕 所用动车组是通过再创新 把 250km h 的动车组提 升到了 350km h 这一阶段为再创新阶段 目前全长 1300 多公里的京沪高速铁路 正在试运行阶段 于 11 年六月开通运行所采用的动车组是京津高速所用的两个 动车组平台 通过自主创新设计速度 380km h 持续运行速度 300km h 1 51 5 结束语结束语 世界高速铁路的发展方兴未艾 在欧洲根据规划 2020 年将形成一个新建 高速铁路 10000 公里和改建既有线 15000 公里的遍及全欧的高速铁路网 美国 加利福尼亚州和佛罗里达州均将建造高速铁路 技术发展的主要方向为 一是提 高线路质量 采用无碴轨道 长期保持线路的稳定性和几何尺寸的持久性 降 低维修成本 二是高速列车正向 360 400km h 迈进 摆式列车 双层客车也有所 发展 三是高速列车 时速在 250 公里以上者 采用动力分散型是大势所趋 四是降 低轴荷重已引起许多国家的重视 日本 500 系 700 系的轴荷重分别为 10 8t 和 11 2t ICE3 为 12 5t 五是复合制动系统也在发展 此外 与高速铁路配套 的安全保障措施列车运行控制系统正在积极研发中 主要是基于无线通信 卫 星定位和智能化的自动控制技术相整合的综合系统是今后的发展主流 欧洲己 制订了 ETCS 标准 我国己开始修建客运专线 向早期建设高速铁路的国家汲 取先进经验和失败教训 将大大有助于我国高速铁路的稳步发展 2 转向架总体设计转向架总体设计 2 12 1 转向架设计准则转向架设计准则 动车组车转向架是动车组车的重要部件之一 它用来传递各种载荷 并利 用轮轨间的粘着保证牵引力的产生 转向架构架性能的好坏 直接影响列车的 牵引能力 运行品质 轮轨的磨耗和列车的安全 特别是即车向高速 重载方 向发展 对转向架的要求就更高了 根据现代动车组的发展趋势 转向架应具 有的技术要求是 1 保证最佳的粘着条件保证最佳的粘着条件 轴重转移尽量小 以满足提高动 车组车牵引力的要求 一般要求粘着重量利用率不低于 90 2 良好的动力学性能在直线或曲线区段运行时 具有良好的动力学性能 尽可 能减小对线路的动作用力和减小轨道及车轮的盈利与磨耗 因此 对动车组的 簧下重量有不同的要求 二系悬挂采用空气弹簧 并增大弹簧装置的静挠度 以适应高速运行的需要 3 自重轻 工艺简易转向架构架在满足强度和刚度的前提下 尽可能的减轻自 重 制造工艺简单 各梁之间不允许用螺栓连接 4 良好的可接近性要求转向架各部分具有良好的可接近性 在保证运用可靠的 前提下 结构简单 采用无磨耗及不需维修的结构形式 以减少维修工作量及 延长两次维修间的走行公里数 5 零部件材质统一设计转向架时 要求各零部件结构和材质尽可能统一化 2 2 高速转向架技术高速转向架技术 尽管高速转向架的形式多种多样 但随着列车速度的进一步提高 高速转向架 结构形式逐步趋于类同 它们的主要特点是 无摇枕 空气弹簧悬挂 有回转 阻尼 加装弹性定位等 2 2 1 构架构架 它是安装各种零部件的载体 承受和传递垂向力 水平力和扭矩等 2 2 2 轮对轮对 轮对是转向架的关键件之一 列车的大部分载荷通过它传递给钢轨 牵引 电机所产生的扭矩也是通过它传至钢轨产生牵引力 列车运行时 它还承受钢 轨接头 道岔 曲线通过和线路不平顺时的垂向和横向作用力 轮对直接向钢 轨传递列车重量的动作用力 通过轮对的回转实现列车在钢轨上的运行 有些 转向架的制动力也通过轮对实现 基础制动装置是使运行中的机车减速和停车 停放中的机车不发生溜逸的部件 采用轮盘制动方式 每个车轮安装有一套独 立的单元制动器 车轮辐板上装有制动盘 单元制动器上的闸瓦在压力的作用 下与制动盘摩擦 进而将动能转化为热能 达到减速停车的目的 2 2 3 弹簧悬挂装置弹簧悬挂装置 它是用来保证一定的轴重分配 缓和轮轨冲击作用 是保证车辆运行平稳 性等动力学性能的重要装置 一系悬挂采用螺旋弹簧 减振垫和垂向减振器 垂向承担车体及转向架重量及垂向动力作用 横向承担轮对相对于转向架构架 的横向力 衰减一系簧下振动对构架和车体的冲击 二系悬挂是由空气弹簧和 各种减振器组成 垂向承担车体重量以及车体与转向架之间的垂向动力作用 横向则承担风力 离心力及车体与转向架的横向作用力 衰减二系弹簧下振动 对车体的冲击和蛇形运动 2 2 4 牵引装置牵引装置 它是车体与转向架的连接装置 用以传递车体与转向架之间的水平力等 同时保证车体与转向架之间回转运动 2 2 5 轴箱定位装置轴箱定位装置 它是联系构架和轮对的活动 关节 除了保证轮对能自由回转外 还能在 构架与轴箱之间产生相对运动时由它传递纵向力和横向力 并实现弹性定位作 用 目前 高速转向架的轴箱定位装置有单 双 拉板式 拉杆式 转臂式以 及采用橡胶弹簧等多种结构形式 图图 2 1 日本日本 IS 式 单拉板式 轴箱定位装置式 单拉板式 轴箱定位装置 图图 2 2 法国法国 TGV 转向架的轴箱定位装置转向架的轴箱定位装置 2 2 6 回转阻尼装置回转阻尼装置 回转阻尼也是抑制高速转向架蛇行运动的一个有效措施 一般采用以下两 种装置 旁承支重结构和抗蛇行减振器 全旁承支重结构由摇枕上的旁承装置 承受全部载荷 当转向架相对车体转动时 上下旁承之间由摩擦力形成的摩擦 力矩阻止转向架相对车体转动 以提供足够的回转阻尼 旁承支重具有结构简 单 可减轻车体摇枕梁和摇枕重量等优点 但需选择适当的摩擦副材质 车体与构架之间 或摇枕与构架之间 安装抗蛇行减振器 也可提供足够的回 转阻尼 有效地抑制转向架的蛇行运动 例如 MD52 型转向架在采用磨耗形 踏面的情况下 速度只能达到 160km h 而装用抗蛇行减振器后 速度可提高 到 250km h 因此 在日 法的 200km h 以上转向架上都安装有抗蛇行减振器 2 2 7 抗侧滚装置抗侧滚装置 为了使高速客车具有良好的垂直振动性能 车体悬挂装置的总静挠度至少 需要 200mm 以上 其中 80 左右分配在中央弹簧上 而在垂向悬挂比较柔软 的情况下 为防止通过曲线时车体的侧滚角过大 一般在高速转向架上设置抗 侧滚扭杆 此外 加大中央弹簧的横向间距也可以起到同样的作用 如 MD52 350 型将中央弹簧的横向间距加大到 2500 2600mm 取消了抗侧滚扭 杆装置 2 2 8 主动和半主动悬挂系统的开发主动和半主动悬挂系统的开发 应用主动或半主动控制方法来控制车辆系统的振动 车体倾斜 曲线通过 以及轮对位置等等 就可用更经济的手段实现高的速度 或达到更好的运行性 能 这是新一代转向架发展的主要特点之一 如 SGP400 型在回转阻尼系统 中央悬挂的横向弹性系统以及轮对导向系统等三方面 应用主动或半主动控制 系统 2 2 9 高速运行的稳定性高速运行的稳定性 在设计制造高速转向架时 必须解决其高速运行时的稳定性 平稳性和良 好的曲线通过性能等关键技术问题 以保证高速列车安全行驶 乘坐舒适 减 少维修 平稳性是列车在规定的线路条件下 在设计最高速度范围内运行时 设备能平稳工作 乘客感到舒适的基本性能 乘客舒适度是反映乘客在旅途中 疲劳程度的综合性生理指标 影响舒适度的因素很多 如车内设备 通风 照 明 温度 湿度 噪声 瞭望和振动等等 不过 其中振动是车辆整个运行中 始终存在的 一直起作用的主要因素 理论分析和实践经验表明 车辆的垂向 和横向运行平稳性随速度提高而下降 通常用平稳性指数 W Sperling 方法的 评价计算值 来表示 它反映了力的变化率引起的冲动和振动时的动能大小对 舒适度的影响 图图 2 3 蛇形运动蛇形运动 平稳性指数 W 式 2 1 10 3 896 0fF f a W 轮对蛇行运动曲线为 式 2 2tyy sin 0 其中是轮对蛇形运动的角频率 式 2 3V br0 0 V 为车辆运动的速度 当铁道车辆在某一速度以下运行时 即使有一定的线路扰动使车辆在横向 偏离线路中心位置 但扰动消失后 车辆的横向振动会逐渐衰弱 最后回到线 路中间位置 因此车辆运动是稳定的 而当车辆在某一速度以上运行时 蛇行运动的振幅将会越来越大 直至车 轮轮缘碰撞钢轨 损伤车辆及线路 甚至造成车辆脱轨 倾覆等行车安全事故 这时列车运行是不稳定的 这一速度称为蛇行稳定性临界速度 简称临界速度 国外高速转向架的试验研究证明 当车辆的运行速度超过 200km h 时 有可能出现这种不稳定的蛇行运动 高速列车必须保证在其临界速度以下 运行 以使其运行稳定 安全 通过改变转向架结构 优化参数使其具有较高的临界速度 是研制高速转 向架需要解决的关键技术问题 也是高速转向架有别于一般转向架的主要特点 2 2 10 高速通过曲线的性能高速通过曲线的性能 高速客车通过曲线时 将产生过大的侧压力 会造成轮 轨的剧烈磨损 还易引 起脱轨 倾覆等安全事故 要合理地兼顾车辆的曲线通过性能与抗蛇行运动稳定性要求 此外 还需 要控制噪声 减少自重 尤其是减轻簧下质量等 3 3 基于基于 SolidworksSolidworks 的转向架三维实体设计的转向架三维实体设计 3 13 1 三维造型软件三维造型软件 SolidworksSolidworks 软件简介软件简介 Solidworks 公司是达索系统 Dassault Systemes S A 下的一个子公司 专 门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品 达索公司是负责系统性的软件供 应 并为制造厂商提供具有 Internet 整合能力的支援服务 该集团提供涵盖整 个产品 生命周期的系统 包括设计 工程 制造和产品数据管理等各个领域中的最佳 软件系统 Solidworks 三维软件是 Solidworks 公司在 1995 年推出的一款三维 CAD 软 件 进入 21 世纪后 Solidworks 公司经过不断的创新 与时俱进 几乎每年都 有新的版本推出 该产品得到了很多用户的认可 目前 Solidworks 已经成为计算机平台上的主流三维设计软件 其最大特 点 参数化设计也给设计工作者带来了很大的便利 3 23 2 转向架的三维模型建立转向架的三维模型建立 本课题采用 Solidworks2011 为设计平台 采取自底而上 Down Top 的建模 方式 先对转向架整体结构进行分析 明确每个子装配和子装配下的零件 然 后对每个零件进行实体建模 再完成子装配部件的装配 最后把每个部件组装 这样的建模思路明确 容易分工合作 提高了设计的效率 3 2 13 2 1 特征的概述特征的概述 现代的三维 CAD 软件中 立体建模方式都是采用 特征 Feature 建模法 所谓特征 指的是反映产品零件结构特点的 可按一定原则加以分类的产品描 述信息 三维零件的设计中 在对结构和形状较为复杂的产品进行建模时 首 先是分解特征 将模型分为主要特征和若干添加特征 我们往往把产品模型最 主要的部分看作为基本特征 完成整个产品的基本特征后 在基本特征上完成 其他的添加特征 通过特征之间的布尔运算 逐步得到完整的产品模型 三维造型实体是由一个一个特征逐步构成的 特征是构成三维模型的基本 要素 常用的特征有 拉伸 切除 旋转 扫描 放样等 基于特征的三维实体造型设计方法的优点 1 零件图和装配图都是三维立体图形 渲染着色后就像看到了制造出的真 实产品 2 发现不合理可随时修改 尺寸不合适 更改尺寸对参数化系统非常简单 3 可以自动生成二维图纸 零件和装配模型设计好后自动生成二维图纸空 间 省时省力 准确表达三视图 4 设计数据全相关性 工程图尺寸的修改 对应的实体模型将随之发生变 化 反之 三维模型改变 工程图都会随之发生改变 5 可自动计算零件的物理特性 如重量 重心 主惯性轴 惯性矩 免去 了设计人员许多计算时间 3 2 23 2 2 零件的三维造型与装配零件的三维造型与装配 1 零件的三维造型 转向架由多个子装配部件组成 所用零件很多 而且还包括了一些标准零 件和非标准零件等 对不同的零件 建模方法也异同 如侧挡模型中 孔比较 多 也为非对称结构 只能采用分组建模的方法 每个特征完成一组孔的建模 对于具有旋转中心的零部件 如轮对中的车轮和横梁零件 建好的车轮模型 可以通过建立辅助基准轴 通过旋转命令来完成零件主要特征的建模 再在主 要特征的基础上完成辅助特征的建模 而对那些具有对称结构的零部件 可以 先构建出零件的一半 然后通过镜象命令选择好对称基准来完成模型的建立 对于转向架中所运用到的螺母 轴承 高强度螺栓等标准件均可在 Solidworks 的标准件库 toolbox 中直接调用 首先在 Solidworks 中的工具选项中 选择插件栏 同时勾选 Solidworks toolbox 栏 然后点击主界面右边的设计库 就可以看到标准件库 toolbox 的菜单 如果找不到标准件库的插件 还要另外 安装 在标准件库 toolbox 插件中含有很多国家不同的标准件 例如中国国标的 标准件有 螺母 螺栓和螺钉 O 型环 铆钉和焊钉 销和键 轴承垫圈和挡 圈 结构件之类 从而省去了很多标准件建模的时间 只须调出相对应的标准 件 然后对其型号输入就可以生成我们所需要的零件 大大的节约了设计的时 间 2 装配模型的建立 任何一台设备都是有许多零件和部件组成的 零件由毛坯加工成成品后 要按照一定的技术要求进行装配 将若干零件装配起来成为组件 部件 再进 一步装配 最终获得所需的产品 由各个零件组装成整台设备的过程称为装配 一般来讲 总装配由多级的子装配组成 在 Solidworks 系统里 是通过配对条 件来表达产品的配合关系 配对描述的是如何按照预定的两个零件的约束关系 将一个零件通过配合放置在另外一个零件上 其中一个零件叫做参考零件 另 一个叫做配对零件 在装配设计中 约束是指零件之间相对位置的限制条件 具体包括了点约束 直线约束和平面约束等几大类 各种约束的所限制的自由 度不一样 Solidworks 支持的配合关系有 重合 平行 同心等 零件的装配 关系可以在特征管理器上显示 方便了对装配关系的管理 3 3 33 3 3 装配干涉检查装配干涉检查 干涉检验是可装配性检查的重要手段 本课题就使用三维设计软件 Solidworks 提供的装配体干涉检查的功能 干涉检查能检测装配体零件之间是 否存在干涉 并能精确地给出相关的干涉参数 这对减少零件的设计错误有很 大的帮助 除了用软件检查的方法 就只能靠用户的经验来判断装配的可行性 3 43 4 本章小结本章小结 本章介绍了 CAD 技术的概念及其优势 相对传统的二维 CAD 设计 三 维设计的直观可见 参数化驱动使设计者的工作效率大大提高 本课题用三维 造型软件 Solidworks 对转向架进行三维实体建模 并对模型进行干涉检查 以 确保模型的正确性 随后用工程图模块对转向架的工程图进行绘制 4 4 构架构架 转向架构架是转向架的骨架 用以连接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 如车轴相互平行并垂直于构架纵线轴 它一般由左 右两侧梁和一个或几个横梁组成 图图 4 1 动力转向架动力转向架 表表 4 1 动力转向架动力转向架 1 电动轮对10 动车转向架构架 2 一系悬挂装置11 轮盘制动 3 轴箱定位装置12 牵引杆 4 横向终点止动装置13 牵引电动机 5 二系悬挂装置14 牵引电动机通风装置 6 横向悬挂装置15Trainguard 天线 7 抗蛇行减振器16GFX 3A 型接收器 8 空气弹簧连杆17 轮缘润滑装置 9 扭杆18 撒砂和扫石器 CRH3高速列车为电动车组 EMU 由 8 节独立的客车组成 列车采用二 轴两系空气弹簧转向架 该项目使用的转向架以 SF500 转向架为基础 在 SF500 转向架的基础之上 为适应中国 CRH3项目宽车体的要求 作了适当改 进 通过对每种车辆转向架各部件重量和中心的调整 以及悬挂弹簧参数的调 整使其运行质得到优化 CRH3高速列车转向架分动力转向架和非动力转向架 两种转向架采用基本一致的结构型式 构架为 H 型焊接构架 圆柱滚子轴承单 元 轴径 130mm 转臂轴箱定位 一系悬挂是螺旋弹簧加垂向减振器 二系悬 挂为带有辅助橡胶堆的空气弹簧直接支撑车体 在车体和转向架之间装有主动 控制的抗蛇行减振器 采用 Z 型拉杆牵引装置 转向架的轮径为 920mm 固定 轴距为 2500mm 由于特定的优化 动力转向架和拖车转向架不可互换 4 14 1 转向架构架转向架构架 转向架构架的设计是双 H 字结构 包括两个焊接在一起的箱型截面侧梁 通过两个管状横梁相互连接 构架为 H 型轻量化低合金高强度钢板焊接结构 主要由 2 根侧梁和 2 根横梁组成 图图 4 2 构架构架 构架侧梁上焊有制动缸安装座 轴箱弹簧定位座等 横梁上焊有牵引电机 吊座 齿轮箱吊杆座 牵引拉杆座和横向缓冲器座等 所有关键安装座的位置 精度均通过对转向架构架的整体加工获得 构架的材料以钢板 S355J2G3WC 和 S355J2G3C 为主 强度依据 UIC 515 4 和 615 4 标准计算 可承受的应力标准依据 DIN 15018 评估工作在试验台上 验证 由于设备不同 拖车转向没有牵引电机架安装座和齿轮装置扭力杆 拖 车转向架安设制动盘座 因此 拖车和动力转向架构架不能互换 表表 4 24 2 动力转向架技术参数动力转向架技术参数 轴列式 B0二系纵向力传递方式枕梁 轨距 mm 1435最小曲线半径 m 连挂时低速时 250 最高运行速度 300最小曲线半径 m 单车调步行速度时 km h 车150 最高试验速度 km h 330S 形曲线180m 10m 过渡 180m 固定轴距 mm 2500运营服务时一次性演示 最高速度 km h 350 车轮直径 mm 920 830转向架距轨面高度 mm 新轮 空气弹簧充风 1010 摇枕上边 缘 最大静轴重 变 形载荷 t 174 最大 0 0 17 68t 传动轴装式平行轴传 动 未平衡离心加速 度 m s2 0 79持续轴功率 kw 约 560 转向架质量 包 括摇枕及其零部 件 10 000 kg 机械制动轮盘制动 一系悬挂螺旋圆柱钢弹 簧 停放制动 二系悬挂空气弹簧 4 1 14 1 1 侧梁侧梁 侧梁不仅仅是向轮对传递垂向力 纵向力和横向力 还用来规定轮对的位 置 侧梁上盖板 下盖板和立板的厚度分别为 12mm 14 mm 10 mm 侧梁内 部设有多块厚度为 8 mrn 的筋板 图图 4 3 侧梁侧梁 4 1 24 1 2 横梁横梁 横梁用来保证构架在水平面内的刚度 保持个轴的平行及承托牵引电机两 端的横梁又称端梁 构架横梁采用直径 180 mm 壁厚 14mm 的无缝钢管 可 提高构架主体结构的可靠性 侧梁与横梁的连接处和两横梁之间设有纵向加强 梁 图图 4 44 4 横梁横梁 5 5 轮对轴箱定位装置轮对轴箱定位装置 目前 大多数动车组转向架结构型式的不同主要体现在轴箱定位方式的差 异上 约束轮对与构架之间相对运动的机构 称为轴箱定位装置 对轴箱定位 装置的基本要求是 应该在纵向和横向具有适宜的弹性定位刚度 其值是该装 置主要参数 结构形式应能保证良好地实现弹性定位作用 性能稳定 结构简 单可靠 无磨耗或少磨耗 制造检修方便 重量轻 成本低等 适宜的轴箱弹性定位 不仅可以避免车辆在运行速度范围内发生激烈的振 动 还能保证车辆在曲线上运行时具有良好的导向性能 从而减小轮对与钢轨 之间的冲击和侧压力 减轻车轮轮缘与钢轨的磨耗 确保车辆运行的安全性和 平稳性 5 1 轮对轮对 高速动车的车轴上承受的载荷是比较复杂的 它不仅承受由于车体自重而 产生的弯矩 同时还受很大的扭矩 主要是由牵引电动机经传动齿轮传动时侧 压力引起的弯 扭矩 轴承 轮心 齿轮压装在车轴上引起的组装应力 牵引 电机的动 静载荷 当机车通过曲线时 外轮的导向力将给车轴一个相当大的 附加弯矩 一个轮对的一侧车轮相对于另一端车轮滑动时也将产生附加扭矩 由于主要的应力都是交变的 所以车轴的折损通常是疲劳引起的 高速动车车 轴的裂损多发生 图图 5 15 1 轴轴 在齿轮和车轮压装部位两侧的圆肩部分 在轴颈圆肩部 轮座外缘部 车 轴中央部分发生疲劳折断 轮对的车轴采用高频淬火 镗孔径 60mm 材质为 A4T 轴颈直径 130 mm 车轴按疲劳寿命 20 年设计 为减轻重量 车轴为 空心设计 并进行轴的超声探伤 动力和非动力转向架的车轴主要在齿轮座和 制动盘座处不同 拖车转向架车轴有用于安装制动盘的座而无安装齿轮的座 在设计车轴时 着重考虑避免应力集中 在车轴不同直径的过渡区大都采用了 大圆弧过渡 有些地方还采用液压加工提高表面质量 尽可能的减小车轴的应 力集中 采用有效的工艺措施提高疲劳强度 车轮是铁道车辆用碳素钢整体碾压车轮 具有较好的弹性和优良的防噪声 性能 车轮直径 920 mm 宽度 135mm 车轮材质为 R8T 车轮踏面为 1 8 磨耗型踏面轮缘高 28 mm 最大可能的磨耗半径为 35mm 如要更换车轮 车 轴轴承以及 图图 5 2 车轮车轮 接地刷等要首先移除 使用油压方法将车轮移出和将新轮装入 通过简单 工具和辅助装置来完成 车轮材料的选用将依据 300km h 的运行速度和 350 km h 的测试速度而定 即采用 R8T 5 25 2 主从动齿轮配合设计主从动齿轮配合设计 驱动装置采用直齿传动 传动比为 101 21 齿轮模数为 9 0 齿轮中心距 564 966mm 齿轮材料选用 18CrNiMo7 6 该材料属于低碳低合金高强度渗碳 齿轮钢 经过渗碳 淬火和低温回火以后 其齿轮表面硬度高 耐磨性好 心 部韧性好 抗冲击具有较高的延伸率 因此用于高速 齿轮油牌号 Mobil Mobilube SHC 75W90LS 小齿轮两端为轴承安装座 一端加工了端面齿轮 通 过与齿轮联轴器配合传递电机扭矩 图图 5 3 齿轮联轴器齿轮联轴器 5 3 轴箱体轴箱体 轴箱装配主要由前后端盖 轴箱体 吊钩 轴承单元 压盖 转臂 一系 弹簧和橡胶减振垫 一系垂向减振器等组成 轴箱装配采用转臂式定位结构 每一轴箱采用一组单圈螺旋弹簧加橡胶垫 并在端轴轴箱间配置一系垂向减振 器 构成一系悬挂系统 一系悬挂装置与转向架构架弹性相连 把车体簧上部 分的重量传递给轮对 同时将来自轮对的牵引力 制动力 横向力等传递到构 架上并减弱来自轮轨的垂向振动 转向架中间轴右侧装有光电速度传感器 轴箱由 GGG 铸铁制成 并使用圆锥滚子轴承 可不拆卸轴承更换轮对 车轴轴承箱为分体设计 其下部可分离以便更换轮对 轴箱前盖采用铝合金铸 件 AC4CH T6 JIS H 5202 轴箱后盖采用铝合金板材 A5083P O JISH 4000 或者铝合金锻造材料 A5083FD O JIS H4051 采用上下分体的结构 用螺栓连接组装 图图 5 4 轴箱体轴箱体 轴箱定位装置有多种结构方式 最常见的有 1 板弹簧式 也叫做板弹簧德国式 在战后的德国国铁中使用 是使用板弹簧的先驱 转向 架框架通过轴弹簧上下运动时 水平支撑板多少也会产生上下前后晃动 所以 使用一端可垂直弯曲的垂直弹簧板 将其安装在侧梁上 2 IS 式 拉板式的一种 针对高速行驶 在 0 系列新干线之后采用 使用橡胶衬套与侧梁连接 可以使 前后 左右具有适当的刚性 与板弹簧式中的板弹簧相比 可降低弹簧应力 在 0 系列 100 系列及 200 系列中使用 3 拉板式 支撑板式 SU 板弹簧式 将 IS 方式中一侧的板弹簧移到中心侧 轴箱与转向架侧梁间使用 2 个板弹簧固 定 可减小转向架的长度 4 麦弗逊式 也叫做双连杆式 使用缓冲橡胶衬套 将轴箱两侧和侧梁相连接 可缩短转向 架长度 5 轴箱导框架式 使用轴箱导框架引导轴箱上下运动 并限制前后左右运动 保持车轮与转向架 框架正确的位置关系 在与轴箱接触的位置安装耐磨树脂磨耗板 若滑动部位 磨 损会产生松动 容易发生轮对蛇行运动 可能会导致车体左右剧烈晃动 在普 通客车及机车中广泛使用 6 圆柱导轨式 螺旋弹簧圆筒叠层橡胶并用式 该方式包括两种模式 即通过在密封的滑动部位注油 使其具有摩擦 磨损对 策和减震效果的湿式 以及在滑动部位使用耐磨树脂 安装叠层橡胶使其具有 适当刚性的方式 京急新 1000 型 使用干式橡胶 JR 东海 700 系列 JR 九州 885 7 拉杆式 为麦弗逊式的变形 轴箱和转向架使用单连杆支撑 与 SU 板弹簧式相比 它 可以减小前后支撑刚性 以及降低曲线横向和滑动所发出的声音 8 圆锥叠层橡胶式 是使钢板和橡胶层压成圆锥状的方式 按软剪切方向施加轴弹簧作用 压缩方 向为硬 不使用螺旋钢弹簧 可利用橡胶的衰减力 JR 九州 817 系列 JR 西 KIHA 126 系列 9 转臂式 其历史很悠久 现在大部分的客车和新干线均在使用 有的使用叠层橡胶取代 橡胶衬套 JR 东 E231 系 东急 5000 系 西武 3000 系 京王 9000 系 JR 西 500 系新干线 近铁 23000 系 表表 5 1 轴箱定位方式的比较轴箱定位方式的比较 5 45 4 本设计轴箱定位装置也采用转臂式定位本设计轴箱定位装置也采用转臂式定位 在本论文中轴箱定位装置为转臂式定位 一系悬挂圆弹簧置于转臂安装座 上 转臂通过橡胶节点安装在侧架上 定位转臂是该装置中的骨架 是轮对轴 箱与构架的联系纽带 为减小定位节点刚度对一系垂向刚度的附加影响 定位 转臂选择尽可能长一些 图图 5 5CRH3动力转向架轴箱定位系统动力转向架轴箱定位系统 6 6 悬挂与制动悬挂与制动 6 1 中心悬挂中心悬挂 橡胶止挡用于通过其特性限制纵向的位移 由此 加速和减速力的传递无 冲击 每个转向架有两个用于安装横向液压减震器的座 图图 6 1 橡胶止挡和横向液压减震器橡胶止挡和横向液压减震器 中央悬挂装置采用低横向刚度 大扭转变形的空气弹簧直接支承车体的三 无结构垂向用可变阻尼节流阀减振 横向安装油压减振器 还设有非线性横向 缓冲 止挡和新型抗侧滚扭杆装置牵引装置由中心销 牵引梁和新结构 Z 形牵引拉杆 组成 牵引点距轨而高度为 385 mm 新结构 Z 形牵引拉杆具有低的横向及垂 向 附加刚度 提高了车辆的横向及垂向动力学性能 实现了无磨耗 无间隙牵引 橡胶止挡用于通过其特性限制纵向的位移 由此 加速和减速力的传递无冲击 每个转向架有两个用于安装横向