铁路运输侧翻车系统设计

本科毕业设计（论文）铁路运输侧翻车系统设计学院机械工程学院专业工程机械学生姓名学号指导教师答辩日期2013年6月毕业设计（论文）任务书学院机械工程学院系级教学单位机械电子工程系学号学生姓名专业班级09级工程机械题目名称铁路运输侧翻车系统设计题目性质1理工类工程设计（）；工程技术实验研究型（）；理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）2文管理类（）；3外语类（）；4艺术类（）题目类型1毕业设计（）2论文（）题目题目来源科研课题（）生产实际（）自选题目（）主要内容确定铁路运输侧翻车整体方案确定侧翻车零部件参数，液压系统参数进行侧翻车三维实体设计，仿造，仿真模拟液压元器件选型，结构强度校核，系统工程图绘制基本要求设计说明书6070页铁路运输侧翻车整体装配图一张A0零部件图四张A1参考资料成大先著，机械设计手册，化学工业出版社严隽耄，傅茂海主编，车辆工程（第三版），中国铁道出版社胡仁喜等编，SOLIDWORKS2012中文版机械设计从入门到精通，机械工业出版社蒲广义编著，ANSYSWORKBENCH12基础教程与实例详解，中国水利水电出版社周次第14周第58周第912周第1316周第1718周应完成的内容查阅收集资料，提前交文献综述和开题报告5千字外文翻译，节点考核确定参数结构设计三维造型绘制图纸、审查图纸，中期考核液压元器件选型，结构强度校核撰写论文制作PPT准备答辩指导教师赵延治系级教学单位审批年月日职称副教授2013年06月18日摘要我国铁路货物运输中散装货物所占比重较大，大约占据总的货运量的六成，但其卸货机械化和自动化的程度较低。在现实社会中，大量的散货都是由轮船、火车等运输工具运送，在卸载时不用考虑货物的损坏，但是却需要大量的人力或复杂设备，因此卸货效率不高。专用卸车机在一些比较大型的港口和矿场运用比较多，但是翻车机设备庞大复杂并有一定局限性，易损坏车辆。随着我国基础建设的迅速发展，这中劣势越发明显。对如何进一步提高散装货物卸车机械化的程度，应考虑是研制装卸机械化的设备还是采用设备与车辆合二为一，使它们能更好的满足不同散货的高效卸车要求。铁路运输侧翻车是一种将卸货设备和运输车体结构结合在一起的专用铁道车辆，大力发展侧翻车的设计制造水平和应用范围可以有效提高我国铁路货运能力。铁路运输侧翻车适用于散装货物的运输。具有两侧自翻，自动开、关门的功能，（以下简称为侧翻车），可大大的节省人力，减轻劳动强度。该车能通过机车车载液压缸的伸长动作实现向任何一边卸料的工作目的,即能同时满足单、双边卸料的要求,对货物的粒度的允许范围很大,主要用于装运大块矿石,且具卸货速度快、场地设施简便、经济效益好、节约人力等优点。因此，设计一种高效率的散货侧翻车是十分必要的。本文针对如上问题主要做了以下方面的设计1、介绍铁路运输侧翻车的相关背景。2、分析铁路运输侧翻车的工作原理及组成。3、设计铁路运输侧翻车的原理图，根据相关强度大小计算零件的尺寸。4、用SOLIDWORKS三维软件建造侧翻车的模型。5、用ANSYS、HYPERMESH等有限元分析软件校核关键零部件强度。关键词铁路货车、侧翻车、连杆机构、有限元结构分析ABSTRACTCHINASRAILWAYTRANSPORTOFGOODSBYALARGERPROPORTIONOFBULKCARGO,ACCOUNTINGFOR60OFFREIGHTTRAFFIC,BUTITSHANDLINGESPECIALLYUNLOADINGALOWERLEVELOFMECHANIZATIONONTHESTANDARDGAUGEFORTRANSPORTATIONOFORE,PEELROCKS,GRAVEL,COAL,BUILDINGMATERIALSANDOTHERBULKCARGOHAVINGTWOSIDESSINCETHETURN,AUTOMATICOPENINGANDCLOSINGFUNCTION,HEREINAFTERREFERREDTOASROLLOVERCAR,YOUCANSAVEMANPOWER,REDUCELABORINTENSITYMOTORCYCLETHROUGHTHECARORONTHEGROUNDFORTHEPRESSURETOACHIEVEDISCHARGETOEITHERSIDE,THATCOULDSATISFYBOTHSINGLEANDBILATERALDISCHARGEREQUIREMENTS,NORESTRICTIONSONTHEGRANULARITYOFTHEGOODSCANBESHIPPEDLUMPORESANDUNLOADINGBOTHFAST,NOTBURIEDROAD,TURNOVERISQUICK,GOODECONOMICRETURNS,SAVINGMANPOWER,ETC,MOREANDMORELARGESCALEFACTORIESANDMINESOFALLAGESINREALITY,ALOTOFBULKAREMADEAUTOMOBILES,TRAINSANDOTHERVEHICLESTRANSPORTING,UNLOADINGWITHOUTWORRYINGABOUTTHEDAMAGETOTHEGOODS,BUTITREQUIRESALOTOFMANPOWER,ANDDISCHARGEEFFICIENCYISNOTHIGHUNLOADINGOPERATIONSINSOMEOFTHELARGERPORTSANDMINESUSEMORE,BUTDUMPEREQUIPMENTCOMPLEXANDTHEREARESOMELIMITATIONS,EASILYDAMAGEDVEHICLESONHOWTOFURTHERIMPROVETHELEVELOFMECHANIZATIONOFBULKCARGOUNLOADING,LOADINGANDUNLOADINGSHOULDBECONSIDEREDISTHEDEVELOPMENTOFMECHANIZEDEQUIPMENTORTHEUSEOFEQUIPMENTANDVEHICLESINTOONE,SOTHATTHEYCANBETTERMEETTHEREQUIREMENTSOFDIFFERENTBULKEFFICIENTUNLOADINGTHEREFORE,THEDESIGNOFANEFFICIENTBULKVEHICLEROLLOVERISNECESSARYKEYWORDSRAILWAYWAGONS,ROLLOVER,LINKAGE,FINITEELEMENTSTRUCTURALANALYSIS目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景112本设计课题的意义及主要研究的内容113铁路散货侧翻车的现状2131散货卸载侧翻车的国外现状2132散货卸载侧翻车的国内现状3第2章机构选型设计及尺寸综合621设计要求622设计数据6221基本数据6222自设数据723机构选型设计7231倾斜机构7232厢门机构724倾翻设计方案及原理925侧翻车构件长度及传动角10251侧翻车的自由度计算10252侧翻车构件的相关长度数据计算10253传动角1226液压缸相关参数计算12261液压缸所受负载12262液压缸的直径和其相关参数14263活塞杆弯曲稳定性的校核15264耳环参数16265液压缸活塞销钉参数1727本章小节18第3章液压元件的设计及安装1931液压站元件选取1932油箱及附件的确定1933泵站附件的选取1934管路及管接头20341管路20342管接头21343管路安装2235对液压系统制造方面的要求23351液压泵装置的安装要求23352液压油箱的安装要求24353液压阀的安装要求24354液压执行元件的安装要求2436液压系统常见的故障2537本章小结25第4章零部件的设计2641车厢的设计26411侧厢门的设计26412车厢底板设计27413端壁的设计2842主梁的设计2843转向架的设计2945整车造型3146本章小结31第5章机构的运动及零部件的强度分析3251车厢侧门的运动分析32511位移分析32512速度分析32513加速度分析3352关键零件的有限元分析34521主支撑支座的有限元分析34522长支撑横梁的有限元分析36523转向架侧架的有限元分析3853本章小结40结论41参考文献42致谢44附录145附录267第1章绪论11课题背景目前，我国散装货物运输主要靠通用敞篷货车来完成。卸车作业在一些大型钢厂、铁矿场和港口一般采用翻车机和链斗卸车机卸货。但由于成本原因绝大部分的中小型厂、矿及站厂的卸车作业，只能通过人工卸货。同时链斗卸车机效率比较低，边角部位不易清除，卸货不够彻底，因此很难满足散货的卸货要求。翻车机整套设备庞大复杂，价格昂贵，有很大的局限性，且易与车厢碰撞从而破坏车辆。关于如何提高散装货物卸车的效率，应从两方面考虑其一，采取卸车设备与车辆本身合二为一的方法其二，从专用卸车装备考虑，研制装卸机械化高的设备，从而满足不同散装货物的高效卸车要求。根据调查研究数据及实际经验，前者是提高卸车效率的有效途径，这就要求大力发展和开发专用铁路货车的数量和品种。从我国及世界各国铁路货车的发展趋势看，专用货车发展的速度很快，我国目前散货货物运输约占货物总运输量的40，但是与之相适应的运输车辆则较少，特别是车辆与卸车设备相结合的自动倾翻车则更少。因此大力发展自动倾翻车辆势在必行。侧翻车是一种卸车设备与起运输作用的车体结构结合在一起的专用铁路车辆，该车在卸货工作时由液压缸的伸长动作支撑起厢体并使其倾翻，同时通过与厢门连接的连杆机构使厢门打开从而达到自动倾斜货物的目的。用它既可以最大限度地简化卸货场地设施，又能更好地适应大中小型厂、矿及站厂的使用。112本设计课题的意义及主要研究的内容我国上世纪六七十年代自动倾翻车的设计制造发展较为迅速，品种相对较多，吨位齐全。但是进入21世纪几乎没有什么实质性新产品，但理论上的构想方案仍有一些。提高卸货的效率，有助于节省人力，促进经济的大力发展。散货侧翻车具有比较强大的功能和比较简单的结构，能够自动开关车门，可节省人力，节约设备费用，减轻劳动强度还可以设计专门的侧翻车去满足不同的工业要求。从满足铁路货运发展乃至整个物流业发展的角度看，应大力研制相同吨位不同容积适以应不同的货物运输。本文以载重100T侧翻车为研究对象，首先通过对其原理和结构进行了分析，了解了侧翻车的结构特点特性，为侧翻车的结构设计及分析提供一定参考数据。然后通过理论分析并设计方案，同时计算各个构件的相长度，同时根据相关强度来确定尺寸大小从而设计整个侧翻车。然后通过SOLIDWORKS进行三维建模、并做了部分零件的有限元分析。载重100T侧翻车车体包括车厢、主梁两部分。整个主梁结构是由中梁、枕梁及端梁等组成的箱型焊接结构。车厢由车厢底架、侧门、端壁等三大部件组成，其主要承载件由板材Q235钢板和H型钢组焊而成。本文以载重100T侧翻车车厢、主梁、转向架以及液压部分为研究对象，主要研究内容如下1根据设计要求，设计出相应的方案，计算侧翻车相关构件的参数，和尺寸大小，确定方案的二维图草图。2利用三维软件SOLIDWORKS建立侧翻车三维实体模型并进行运动仿真和动力学分析。3应用二维制图软件CAXA绘制工程图纸。4利用有限元软件ANSYS进行部分零件的强度校核。13铁路散货侧翻车的现状131散货卸载侧翻车的国外现状在与国外散货侧翻车的情况对比中，发现国外的侧翻车起步时间早，许多种类的侧翻车，例如捷克的2VS105型六轴侧翻车曾于1975年在BRNO博览会荣获得金质奖章，适于运送比重175与225吨米的碎石和矿石,并适于在矿石堆积处卸货或为采矿厂和露天煤矿的捣碎机供料用。除此之外还有东德的FAKKS型侧翻车，这是一种供运输砾石道渣等铁路建筑材料用的专用货车，以及欧美等国研制一系列针对不同情况设计的侧翻车。详细资料见表11132散货卸载侧翻车的国内现状我国冶金、采矿行业使用的侧翻车大部分是二十世纪中后期生产的KF60型侧翻车，该型车制动采用的是液压制动系统，没有手动制动装置，制动管系螺纹连接的GK型制动阀，车钩缓冲装置采用2号车钩或普通材质13号车钩，3号或2号缓冲器、转向架采用H2E型二轴转向架轴承采用滑动轴承。近年来，虽然高速列车的一些典型事故的发生制约了铁路客车装备的发展，但是我国对铁路货车技术的政策一直是比较支持。而且新工艺、新材料、先进的控制技术和先进的CAD技术在各型货车上已经得到了广泛的应用，目前我国的铁路货车在运行速度、车辆使用寿命和安全性等方面发生了质的飞跃。而由于市场需求的原因，铁路侧翻车近年来没有进行过大的技术改进，技术水平在横向比较上落后与先进国家，在纵向比较上落后与其他货车的制造水平。基本上不具备正线提速运营的条件，也没有扩大使用范围的条件。但随着冶金、采矿、物流行业的发展壮大，矿石运输量的增加，对货物装卸效率的要求提高，运输路径点对点区间的延长，原有的矿石运输车辆制约物流业发展甚至整个装备制造业发展的问题已显露出来。我国的散货侧翻车与外国比还有很大的差距，在国内的应用也有很大限制。存在一些比较突出的问题，像最高运行速度低，自重较大，通过对最小曲率半径大，品种较少，关键技术缺乏基础研究，稳定性不高等。国内常见的侧翻车有KF60AK型侧翻车、KF100型液压侧翻车、KF100A型气压侧翻车、KF60型侧翻车。我国在70年代新产品较多,而进入80年代到90年代几乎没有什么新产品。国外的侧翻车起步时间早，品种多样化。与国外相比，我国侧翻车的研制和应用发展较晚，无论数量、品种还是性能都难以适应当代物流快速发展的需要。我国制造的第一台侧翻车是上世纪三十年代由当时大连工矿车辆厂现大连华锐重工起重机公司，仿造美国60T自动倾翻车制造的，后在1959年转由哈尔滨轨道交通装备有限责任公司生产。哈尔滨轨道交通装备有限责任公司又经过一系列改进，于1963年定型为KF60型。该型车是我国生产领域数量最多、使用时间最长、发展最为成熟的主要产品。之后哈尔滨轨道交通装备有限责任公司又先后研制了载重100吨的KF100型液压侧翻车、载重70吨的KF70型风动侧翻车、载重65吨的KF65型侧翻车，一共四种形式。表12列出其详细参数。我国铁路侧翻车与国外相比还有很大差距，主要存在以下问题1自重大国内平均自重系数为051，国外为049。这和侧翻车本身的工作性质有关，装货条件恶劣要求有足够的强度保证倾翻稳定，又要求车箱和主梁有足够的刚度，所以自重系数均较通用车要高。2最高运行速度低KF60型侧翻车的最高运行速度是80KM/H，后来哈尔滨轨道交通装备有限责任公司为哈尔滨铁路局制造了一批最高运行速度90KM/H的KF60型侧翻车，株洲车辆厂为郑州铝厂制造了一批最高运行速度为100KM/H的KF60型侧翻车，但是该两种车辆均未正式定型。KF100型侧翻车应用的转向架是三轴一体构架式转向架，所以适应曲线能力比较差，对线路的曲率和坡度要求较高，最高运行速度为80KM/H，但由于各种现场条件的制约其实际运用速度低于40KM/H。和我国目前货车最高运行速度120KM/H的要求有很大差距。3品种少目前，在我国矿业、冶金业、物流业及其它部门使用的侧翻车，仅有KF60型、KF80型和KF100型三种。其中KF60型较多，但是全国范围内最多不超过3000台，而且形式多样且较杂，有用滚动轴承的，有用滑动轴承的，有三大件式转向架的，有焊接构架式转向架，但上体基本上是KF60原型原样。KF100型侧翻车全国只有攀枝花矿业公司应用，共60辆，到目前为止仅由哈尔滨轨道交通装备有限责任公司制造。4关键基础技术缺乏研究侧翻车，不同于其它普通的专用货车车辆，有其独特的要求，涉及的方面较多。由于政策上的支持和国际背景，我国侧翻车在上世纪六七十年代是发展高峰，但之后多停留在行走部的改进上和局部钢结构的加强，在整体车辆框架和一些影响倾翻稳定性能的结构、尺寸及配合的关键技术上基本处于停滞阶段。最突出的一点就是对倾翻机构缺乏更详尽的研究，目前侧翻车的倾翻机构主要有三种，一是四连杆机构，KF一100型侧翻车采用该结构。二是端部控制机构，前苏联研制的侧翻车多采用该种结构三是采用大折页的机构，KF一60型侧翻车应用此种结构除此之外，还没有推出更新的机构，来实现简化车辆结构，减轻车辆自重，增加车辆倾翻稳定性。但是不论国内还是国外,总的发展趋势是朝着大吨位、大容积的方向发展。2第2章机构选型设计及尺寸综合21设计要求（1）车厢向一侧倾翻车厢向一侧倾翻至给定角度时，该侧厢门联动打开，成为车厢底面的延伸面或平行延伸面。（2）车厢向一侧倾翻时，另一侧厢门不得向内摆动挤压。（3）车厢未倾翻时及恢复水平状态时，两侧厢门联动关闭，厢门不得在散货压迫下自行开启。（4）驱动和传动系统在车厢下面，不超出车厢侧面。（5）采用液压驱动，各传动角不得小于30。（6）不得发生杆件干涉现象。受力合理。（7）不得出现高副机构。22设计数据221基本数据图21基本数据上图中的尺寸数据即为设计的基本要求尺寸。222自设数据主梁长14820MM主梁宽2200MM主梁板厚12MM车厢外侧长14420MM车厢内侧长14540MM车厢内侧宽3070MM车厢内侧高1124MM厢门长14540MM厢门高1124MM厢门厚12MM载重100T23机构选型设计231倾斜机构由于侧翻车是用液压驱动的，所以选取液压缸来作为它的驱动原件，在随着社会的发展，尽管研发了许多适合不同场合的侧翻车，但是它们的驱动原件一般都是选取液压缸来进行传动的。232厢门机构国内外侧翻车侧门机构发展大概可以分成2个阶段，在20年代到50年代，一般采用端部控制机构（图22）和大折页机构（图23）。60年代以后，采用较普遍的是端部控制机构和四连杆机构（图24）。图22端部控制机构1支撑杆一2支撑杆二3杠杆图23大折页机构示意图1折页2抑制肘3抑制肘弹簧4环头丝杆图24四连杆机构示意图1吊板2长支承杆3短支承杆2312324倾翻设计方案及原理图25侧翻车草图当侧翻车向右倾斜卸货时，左边的液压缸EF缓慢向上顶，车厢绕G点顺时针旋转（基本上趋近于匀速转动），旋转至40度时的虚线位置，由于左边的连杆与侧门垂直，并且连杆不会发生逆时针转动，所以左侧侧门不会自动打开，也不会向里挤压。右侧侧门在在K点的带动下相对于J点顺时针旋转，最后旋转到与车厢底面平行，货物被卸下。由于该机构是对称的，所以侧翻车向左倾斜卸货的工作原理与向右倾斜卸货的工作原理相同，符合要求。25侧翻车构件长度及传动角251侧翻车的自由度计算当侧翻车向右倾翻卸货时自由度17253F，所以有确定的运动，由于该机构是对称的，所以侧翻车向左倾翻卸货时与侧翻车向右倾翻卸货时的自由度相等，也具有确定的运动。252侧翻车构件的相关长度数据计算根据给定的原始参数可以求出各连杆的长度和相关机构的角度表21机构各连杆尺寸计算参数计算过程结果AM已知参数307AMM307AMMBK已知参数1BK1BKFG已知参数2FG2FGRS已知参数30RS30RSKM已知参数1414AB已知参数MABMABJG由已知条件得2302435JGKSM（）5JSK同理可得4543SKFC同理可得FCFCBR同理可得BR5BRJK由已知条件得J48135294MJ8GS同理可得MSGS4RF同理可得FFBC同理可得BCBCJI初始位置状态时RGSJK48，在GKJRT中，由勾股定理可得2235465JM当GK旋转到与GJ重合时，KJ的长度最短，可以根据几何关系可以求得此时KJ的长度为6254190KJ此时JI的长度应该小于JG的长度，即JI在初始位置长度加上JK与JG重合时JK从滑块右端向左端滑出的部分为的和应该小于JG的长度，即MJIJIJI63470531428；可以推出M32JI50所以取MJI50CD与求JI的方法相同，其结果也与JI相同可得CD1MCD10QGQG的长度应该小于FG的一半，即MQGF801622，所以取M60QG6PF与求QG的方法相同，其结果也与QG相同可得PMPF60GH根据侧翻车机构运动图上给定的数据可以求出液压缸的原始长度，H528013取G50GH5FE与求QG的方法相同，其结果也与QG相同可得MFEFE0在侧翻车倾斜到虚线位置时，此时液压缸的长度可以根据几何关系图求得，简化图如右图所示由于GF,45所以67在RT中MFRG361210567COS又由于F所以所以42在E中57922COSEFE210615061424M1745MEF7所以取VW放在转向架上的钢梁结构的宽度RSVW160所以取2MVW0253传动角当侧翻车在初始位置时，传动角都为90，当侧翻车向右倾斜卸货后开始返回时KGS为传动件，输出构件为MI,传动角为传动件对输出构件的作用力和传动构件的转动中心连线间所夹的锐角，如简化图26所示在KGSRT中，图26传动角7056348TAN所以2此传动角为最小传动角，满足传动角的设计要求。26液压缸相关参数计算261液压缸所受负载由于侧翻车载重100吨，即货物的质量为100000KG，车厢质量约重18吨，即18000KG，取，所以可以得出车厢加上货物的重力98/为，本侧翻车（10000018000）98115640011564车厢每侧采用2个液压缸。图27侧翻车液压缸受力图当侧翻车向右侧倾翻卸货时，由于液压缸的运动非常缓慢，可以视为匀速运动，故车厢将绕着G点作匀速旋转。侧翻车的车厢在水平位置时左侧液压缸的受力最大，由上图可以得车厢出左侧2个液压缸的每个液压缸的受力大小。忽略其他杆件的受力情况，由静力平衡得，又，所以得到2052330即为液压缸把车厢顶起来的最少推力。2891262液压缸的直径和其相关参数图28液压缸草图表22液压缸相关结构尺寸的具体计算参数计算过程结果活塞杆直径D由输出推力得424，4由于各类起重运输机械液压缸的压力范围为,25100所以可以取，取3509故428911033510609108根据活塞杆强度公式得24，4取活塞杆的材料为Q235碳钢，查机械设计手册（软件版2008），其，235可知，取得3，235378。42891103781066871015所以液压缸的活塞杆稳定性要进行校核。C活塞杆的截面转动惯量464D活塞杆截面的面积24E活塞杆断面的回转半径401440035F活塞杆细长比,15053543G由于液压缸的两端采用铰接，所以末端条件系数1H又Q235钢为中碳钢，故根据液压传动设计指南（北京2009）的柔性系数表查得杆的柔性系数85I所以85185J总上所述,2891稳定安全系数，一般取，本验算中取）。244O由此看出符合液压缸的稳定性条件。264耳环参数根据液压缸活塞杆采用的是销轴，所以与液压缸连接的耳环一般采用双耳环。如下图所示图29双耳环草图表23耳环尺寸的计算尺寸计算过程结果耳环宽度EW由公式得，156810300515010621（其中，而对于45102025号钢其，600）025600150故取9090耳孔CX一般取104故104505252MS一般取1542故154264040L一般取14故14507070C一般取3350150150265液压缸活塞销钉参数图210销轴草图表24销轴尺寸计算销轴直径0由图可知销轴是双面受剪，为此其直径应按0以下式子计算。0064对于45号钢其。70故0064156810370106378根据液压缸活塞杆端部耳环CD直径取050050销轴一端的长度L其长度一般为。0125故501258015015027本章小节本章主要介绍了机构的选型和尺寸的计算。包括翻车机构的确定、侧翻车的外形尺寸、翻车四杆机构的长度、液压驱动部分及液压元件的尺寸及动力参数。第3章机构的运动分析机构的运动分析是对设计结果很重要的一步验证。过去只能靠人工进行基本的简化模型计算，不仅工作量大、工作复杂而且精度不高。在计算机技术和软件技术快速发展的今天通过建立虚拟样机在实体机械设备的制造之前作出运动仿真可以及时的发现设计上的错误，或对原来的设计进行优化。从而使整个设计更趋于合理同时也最大的节约了测试成本。本文正是出于如上考虑对先前确定的尺寸做了一次运动的仿真，以及时验证尺寸的确定是否合理。一般虚拟样机的建立和分析是通过专门的动力学软件进行的。但是考虑到其定义函数的过程相当复杂，且三维造型能力有限，本次设计的虚拟样机是直接应用的SOLIDWORKS建立的三维模型，利用其中的模块进行的运动学分析。中的模块的内核也是因此其分析的精度同样很高。在动力学分析中载荷的定义如图所示31车厢侧门的位移分析根据对液压缸定义匀速运动并捕捉侧厢门形心的运动，得到如下图所示的位移曲线。由下图可以看出位移曲线相当光滑，车厢侧门运动比较平稳说明本次设计的杆长比较合适。图51位移曲线512速度分析由下图可以看出速度曲线比较接近正弦曲线，也比较光滑没有突变和尖点存在，虽然速度有一定的变化幅度但是变化的很平稳不会有冲击现象。速度曲线也符合要求。图52速度曲线513加速度分析由下图可以看出加速度除了在初始位置有突变之外，在其余时刻也没有突变和尖点。说明机构的运动不存在动力冲击。同样虽然加速的变化有一定的幅度，且有两次极值，但是总体变化平稳。所以即使加速度曲线不太理想但是仍然可以接受。图53加速度曲线37本章小结本章主要介绍了液压元件包括油箱、附件、泵站的选择，以及管路的设计计算及安装，还有一些元件的安装要求和液压系统的常见故障。第4章零部件的设计41车厢的设计车厢的结构如图41所示。该车厢由三部分构成，即左右两个侧厢门、前后两个端壁和下面一个底板。由于该部分零部件均为焊接件，且均为板材焊接的结构件，强度及刚度要求都不是很高。所以其板材均选用12MM厚的普通碳素结构钢Q235。车厢的长度为14192MM，宽度为3240MM，高度1400MM。图41车厢411侧厢门的设计厢门的结构如下图所示。由于筋板同时与翻车机构连接，所以筋板和侧门板分开制作，并通过焊接方法将其连接到一起。由于翻车动作时侧厢门要承受一定的载荷，所以对侧厢门的强度和刚度有一定的要求。本次设计应用了折线截面的侧门板而不是简单地矩形截面，此举有利于提高侧门板的屈曲稳定性，筋板的加入可以提高侧厢门的刚度防止侧厢门的过大变形所引起的受力不良的情况。侧厢门的高度为1200MM，长度为1400MM。图42侧厢门412车厢底板设计车厢底板的设计见图43和图44。底板也为焊接件，主要为盖板、纵向筋梁、横向筋梁和支撑厚板拼接而成。盖板为12MM厚的普通碳素钢Q235，横筋梁和纵筋梁为厚12MM的矩形型钢截面尺寸为150X150和一根工字型钢。支撑厚板的厚度为100MM，长和宽均为600MM。需要注意的是在各钢材拼接时要留出底架横梁的矩形截面槽。图43车厢底板模型图图44车厢底板二维图413端壁的设计车厢端壁的结构如下图所示。端壁由端壁板、端壁底板和五根100100的矩形型钢筋板焊接而成，端壁板和端壁底板均为厚度为12MM的Q235钢板。其受力最为单一，受力情况简单，一般不会被破坏。图45车厢端壁42主梁的设计主梁主要由大梁主体和端梁焊接而成。大梁主体是承受载荷的关键部分，也是连接车厢和转向架的关键零部件。其截面设计采用等强度梁的思想，即两端的截面面积较小而中间的截面面积较大。此举有利于充分利用材料、节约成本，并可以有效地减小车体重量，使设计更为合理。大梁主体由上下前后四部分盖板焊接而成，其前后盖板形状完全相同，均为鱼腹型钢板，厚度为12MM。上盖板为简单的矩形钢板其厚度也为12MM。由于要留出矩形槽与转向架连接，下盖板要分为5部分。也是通过焊接将其拼接到一起。因为主梁的高度合理，不容易丧失稳定性，所以内部不用加隔板或筋板。侧梁的结构要相对简单一些，因其几乎不受任何力的作用，仅做成简单的箱型截面。图46主梁43转向架的设计转向架是轨道车辆结构中最为重要的部件之一，其主要作用如下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，通过轴承装置使车轮沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动；3）支撑车体，承受并传递从车体至车轮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和安全性。6）充分利用轮轨之间的粘着，传递牵引力和制动力，放大制动缸所产生的制动力，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，在转向架于车体之间尽可能减少联接件。在我国通常一对车轮的轴重为25T，及每对车轮所能承受的平均重量为25T。而本次设计载重加上车体的自重大约为140T。每节车厢一般只能安装两对转向架。所以本次设计应采用三轴转向架。虽然转向架的设计已有国家标准，但是国家标准大部分是针对二轴转向架。所以转向架应单独设计。通过查阅大量资料，本次设计的转向架为两级悬挂无心盘支撑结构。两级悬挂意味着减震系统有两级，考虑到侧翻车运行的恶劣工作环境此举可以有效地减小车厢的动力响应，并因此提高零件的寿命。图47转向架45整车造型通过以上主要零部件的设计和其他辅助零件的设计以及一些标准件的选择和调入得出整车的造型如下图所示。图48整车三维造型46本章小结本章主要介绍了零部件的结构及三维图绘制过程。包括车厢部分的底板、侧厢门、端壁的结构。大梁主体、端梁的连接方式和三维效果图以及转向向架的确定和绘制。从而得出了整车的三维造型。从而为接下来的动力学分析、有限元结构分析和二维图出图得到了物质基础。第5章关键零部件的有限元强度分析52关键零件的有限元分析521主支撑支座的有限元分析主支撑支座为侧翻车的主要支撑部分其受力情况最恶劣，强度的大小直接影响到侧翻车的性能。因此本次设计详细分析了支座的强度。并应用有限元软件ANSYS做了详细分析。图54、55、56分别为有限元分析结果的网格划分、位移图像和应力图像。图54主支撑支座的网格划分图55主支撑支座的位移图像图56主支撑支座的应力图像522长支撑横梁的有限元分析在侧翻车侧翻工作时，即车厢翻过一定的角度时，长支撑横梁的工作载荷也会比较大。但是随着角度的增大，货物被不断的卸掉，载荷也会慢慢减小。本次强度分析采用保守的计算方法，将最大的载荷加在最不利的位置上，极力保证了侧翻车工作时的安全系数。图57、58、59分别截取了分析过程中的网格图像、位移图像和应力图像。图57长支撑横梁的网格划分图58长支撑横梁的位移图像图59长支撑横梁的应力图像523转向架侧架的有限元分析转向架是铁道车辆上最重要的部件之一，它直接承载车体自重和载重，引导车辆沿铁路轨道运行，保证车辆顺利通过曲线，并具有减缓来自车辆运行时带来震动和冲击的作用，因此转向架的设计也直接决定了车辆的稳定性和车辆乘坐的舒适性。因此转向架的强度也是侧翻车性能的关键指标，其强度分析也至关重要。因此本次设计将其作为主要零部件做了有限元分析。同样截取了分析过程中的网格划分、位移图像、应力图像放置于图510、511、512中。图510转向架的网格划分图511转向架的位移图像图512转向架的应力图像53本章小结本章的内容主要是由ADAMS动力学分析软件及ANSYS有限元分析软件获得。有限元分析（FEA）是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等问题，有限元方法已经应用于水工、土建、桥梁、机械、电机、冶金、造船、飞机、导弹、宇航、核能、地震、物探、气象、渗流、水声、力学、物理学等,几乎所有的科学研究和工程技术领域。基于有限元分析（FEA）算法编制的软件，即所谓的有限元分析软件。所分析的主要内容为通过给定液压缸的运动，所得到的车厢形心的位移、速度和加速度。以及在给定的载荷下大支座、长支撑横梁和转向架的受力和变形。结论本文的主要目的是结合实际情况，在限定机构的设计条件先设计出来的，在设计过程中，在设计过程，采用了，假设某杆的尺寸，在通过图解法计算出其他杆的尺寸，总格考虑侧翻车机构在工作中所涉及的机械，液压传动和电力等方面的关系，使机构能够很好的满足工程所要求的条件。主要完成的工作有计算侧翻车的外形尺寸及零部件的尺寸参数使其达到实现预期的运动的目的、绘制三维的零件图并实现装配成功从而模拟了侧翻车的运动、通过三维零件图绘制了二维工程图、对部分零部件做了有限元强度分析、撰写了设计说明书。通过对选取零件的分析了解到设计的零件有些在结构上是有缺陷的，并不能直接进行实际的应用，需要再次优化设计，但限于时间也只能对少量零件进行初步的优化。也了解到了有限元分析在实际应用中的重要性。参考文献1郭乃文载重80吨自翻车结构分析及轻量化设计的研究J北京北京交通大学硕士论文2009，1102范如虎25T轴重新型铁路侧翻车研制D北京北京交通大学硕士论文2005,21严隽耄车辆工程（第三版）M北京中国铁道出版社，20052葛立美国产铁路货车M北京中国铁道出版社,19963徐灏机械设计手册M北京机械工业出版社，20004王红卫新型KF60_（A）型侧翻车J铁道车辆2003,225285张俊克，黄元琳，许芳峰等谈谈我国自动倾翻车的发展J铁道车辆1989，678867吴佳明，铁路散货侧翻车设计计算D北京交通大学硕士论文2012，618邓佳凌，侧翻车综合设计D西南交通大学硕士论文2011,6469FANY,TONGWTRANSPORTATIONBRACKETFORHEAVYEQUIPMENTIETRANSPORTATIONFLATCAR,HASHANGINGCROSSBEAMS,WHEREDISTANCEBETWEENCROSSBEAMSISGREATERTHANWIDTHOFFLATBOARDOFHYDRAULICFLATCAR,ANDCONNECTIONBEAMARRANGEDONBOARD,JUN201110王庆海,安春杰侧翻车倾翻稳定性分析及保证措施J煤炭技术2002,101711LIUG,CHENY,WEIZ,LIUY,ZHIS,ZHOUX,QIANS,SONGD,SUSPENDINGDEVICEFORMODULETYPEHYDRAULICFLATCAR,HASBALANCEARMTHATISCONNECTEDTOCANTILEVERANDAXLETHROUGHSHAFTPIN，APR201112CHENWDIESELEXPERIMENTMOBILECAR,HASFLATCARINSTALLEDWITHBUFFERANDFASTENINGDEVICE,STARTDEVICE,ELECTRICDEVICEANDHYDRAULICFASTENINGDEVICE,WHERESTARTDEVICEANDELECTRICDEVICEARECONNECTEDWITHTECHNICALMAINGENERATOR,JAN201013KF5100液压侧翻车的运用和改进J铁道车辆1976,951114XUW,ZHAOH,COUPLERFORMOVINGANDPAVINGORBITOFFLATCAR,HASCARPASSAGEFLATBRIDGEPROVIDEDWITHORBITSANDMOUNTEDONHYDRAULICSYSTEMINHINGINGMANNER,WHEREORBITPOSITIONINGSYSTEMISMOUNTEDONHYDRAULICSYSTEM,JUL2011,15HOHMANN，C、SEHIFFNER，K、OERTER，K、REESE，HCONTACTANALYSISFORDRUMBRAKESANDDISKBRAKESUSINGADINACOMPUTERSTHEGEOMETRYINTERPOLATIONANDTHEDEFORMATIONINTERPOLATIONINTHEPROPOSEDFORMULATIONS,THERAILSCANHAVEARBITRARYGEOMETRYWHICHISDESCRIBEDUSINGTHEISOPARAMETRICGEOMETRICINTERPOLATIONTHECOORDINATESOFTHEPOLYNOMIALSUSEDINTHISINTERPOLATIONREPRESENTCONSTANTPOSITIONANDGRADIENTSCOORDINATES,WHICHAREUSEDTODESCRIBEACCURATELYTHERAILGEOMETRYONTHEOTHERHAND,THERAILDEFLECTIONSASWELLASCARBODYDEFORMATIONSAREDESCRIBEDUSINGTHEDEFORMATIONINTERPOLATIONANDTHENONLINEARFINITEELEMENTFLOATINGFRAMEOFREFERENCEFORMULATIONINTHEFORMULATIONPROPOSEDINTHISPAPER,THERAILTANGENTANDNORMALVECTORSASWELLASOTHERGEOMETRICPARAMETERSSUCHASTHECURVATUREANDTORSIONATTHEWHEEL/RAILCONTACTPOINTSAREEXPRESSEDINTERMSOFTHERAILDEFORMATIONCOORDINATESTHENONLINEARDYNAMICCOUPLINGBETWEENTHERAILGEOMETRYANDTHEVEHICLEDYNAMICSISALSOCONSIDEREDINTHEFORMULATIONPROPOSEDINTHISPAPERINPARTICULAR,THELONGITUDINAL,LATERALANDSPINCREEPAGESAREEXPRESSEDINTERMSOFTHETRACKDISPLACEMENTSWHICHARETHERESULTOFTHEWHEEL/RAILCONTACTFORCESTHISNONLINEARCOUPLEDANALYSISALLOWSFORMOREACCURATEPREDICTIONOFTHERAILROADVEHICLEDYNAMICSTHISPAPERALSOPROPOSESANEWEFFICIENTFINITESEGMENTMETHODBASEDONTHECONCEPTOFRIGIDFINITEELEMENTTOMODELTRACKSTRUCTURENUMERICALRESULTSAREPRESENTEDINORDERTODEMONSTRATETHEUSEOFTHEFORMULATIONPROPOSEDINTHISSTUDY1INTRODUCTIONFORHIGHSPEEDRAILSYSTEMS,ITISIMPORTANTTOCONSIDERTHEEFFECTOFTHESTRUCTURALFLEXIBILITYONTHENONLINEARDYNAMICSOFTHERAILWAYVEHICLESYSTEMS1,CHAPTER3THEMETHODALLOWSFORUSINGANOTHERSUITABLEGEOMETRICREPRESENTATIONTHISALLOWSFORTHEUSEOFGEOMETRICREPRESENTATIONSTHATHAVEC2,C3,ORHIGHERCONTINUITY,WHEREASTHEISOPARAMETERICMETHOD,ASPREVIOUSLYDESCRIBED,ISRESTRICTEDTOUPDATINGUPTOTHEFIRSTORDERNODALDERIVATIVESUNLESSTHEMETHODPRESENTEDIN7ISEXTENDEDTOPROVIDEASCHEMEFORDEFININGORINTERPOLATINGHIGHERORDERNODALDERIVATIVESC2CONTINUITYISIMPORTANTFORACCURATELYPREDICTINGWHEELRAILCONTACTFORCES,ANDC3CONTINUITYISIMPORTANTFORTHECONTACTCONSTRAINTFORMULATIONSTHEDISADVANTAGEOFTHESUPERPOSITIONMETHODISTHATTHEDISCONTINUITIESINTHEDEFORMATIONOFTHEFINITEELEMENTMESHOFTHEDEFORMABLERAILELEMENTSWILLAPPEARINTHEFINALDEFINITIONOFTHERAILSURFACEGEOMETRYHOWEVER,SINCETHEDEFORMATIONISEXPECTEDTOBEVERYSMALL,THEDISCONTINUITIESINTRODUCEDINTOTHEFINALRAILSURFACEGEOMETRYAREEXPECTEDTOBEVERYSMALLINTHESUPERPOSITIONMETHOD,ANALYTICALKINEMATICEQUATIONSEXPRESSEDINTERMSOFTHERAILSURFACEPARAMETERSCANALSOBEUSEDTODEFINETHEPOSITION,TANGENTANDNORMALVECTORSASWELLASTHEIRDERIVATIVESTHEFLOATINGFRAMEOFREFERENCEFORMULATIONISUSEDTOPREDICTTHERAILDEFORMATIONNONISOPARAMETRICFINITEELEMENTINTERPOLATIONANDTHEFLOATINGFRAMEOFREFERENCEFORMULATIONAREUSEDTOUPDATETHEGEOMETRYDUET