现代车辆设计概论及转向架悬挂系统设计PPT

1、现代铁道车辆设计概论及转向架悬挂系统设计,西南交通大学机械工程学院 傅 茂 海 2011-5-20,主要内容,现代车辆设计概论 一、现代车辆设计的基本过程 二、不同设计阶段的主要工作内容 实例：车辆转向架悬挂系统设计,现代车辆设计概论,一、现代铁路车辆设计的基本过程 铁路车辆 是一种运载工具，包括： 客车(动车和拖车）、货车和城轨车辆； 服务对象： 旅客、货物 基本要求： 安全，舒适，可靠,1. 现代车辆设计与传统设计的主要区别 传统设计方法(经验设计) 设计（根据经验） 试制 试验 改进 试验 改进 产品 周期长,成本高,成功率低 现代设计方法(科学设计, 仿真设计或虚拟样机设计) 设计 计

2、算机仿真 试制 试验 改进 试验 产品 周期短,成本低,成功率高,一、现代车辆设计的基本过程,2. 现代车辆设计基本过程 现代车辆设计的四个阶段: 阶段1：概念设计（项目策划） 阶段2：详细方案设计 阶段3：技术设计及施工设计阶段 阶段4：产品试制、测试、试验和改进完善阶段 成熟的产品 商品,1. 概念设计（项目策划） 1）.了解项目的性质,采取不同的策略 研究型(试验型)项目: 可以采用许多新的技术,甚至可以做一些开创性的研究工作,成功和失败共存, 作为技术跟踪和技术储备； 工程化(商品化)项目: 主要应采用成熟、可靠的技术，进行集成，确保项目的成功率和产品的商品化。,二、不同设计阶段的主要

3、工作内容,A. 了解项目的详细信息 产品的规模（批量） 行车里程/每年 最大运行速度 内部设备、设施及其要求 定员（客车、城轨车）或载重（货车） 用户指定的装置和系统 使用环境（温度，湿度，海拔） 对美工、人机工程等等工业设计的要求 维护要求,2）概念设计的主要工作内容,A. 了解项目的详细信息 可利用的技术、配件和装备 预见可能出现的问题和困难 能承担的风险（包括财政和技术上） 所要遵守和满足的标准 与相关结构的接口及参数 工艺设备和制造能力 B. 技术查新 了解国内外类似项目的进展情况和技术水平,知识产权的保护(专利)。,C. 基本方案构建 获得产品的基本信息和要求后,制定项目设计规划书，

4、提出项目的技术路线和总体方案设想，对其可行性、经济性、工艺性和技术合理性进行详细分析，提出基本模式。 D. 任务的执行者 外委设计咨询公司、项目经理或总体组承担，贯穿项目的全过程。 概念设计阶段应周全、详尽，为产品的进一步设计奠定基础。,1）.主要结构的选择和确定 根据概念设计确定的方针、路线和模式，设计详细的技术方案，选择和确定主要结构。 2）、主要尺寸和参数的确定，虚拟样机设计 利用现有的计算和分析手段，对基本方案的可行性进行分析，对结构和参数进行优化研究，提出主要技术参数、性能参数和基本尺寸。 虚拟样机设计的主要包括运行性能（动力学性能）、安全可靠性（静强度、动强度和动应力分析等）的仿真

5、分析。 3）、完善方案设计 根据理论分析结果，完善设计方案。提出方案设计审查文件。,2、详细方案设计的主要工作内容,车辆动力学计算机仿真,一、车辆和线路的一些动力学性能特点,(一) 实际车辆是一个多体多自由度系统,(二) 车辆零部件的非线性,1. 弹性元件的非线性,2. 阻尼非线性,3. 游间和止档,（三）轮轨关系,1. 轮轨接触几何关系,2. 轮轨间的蠕滑,（四）车辆蛇行运动及其临界速度,（五）轮对的运动,一、车辆和线路的一些动力学性能特点,（六）线路实际情况,1. 线路随机不平顺,2. 曲线地段和道岔,3轨道的弹性,（七）车体、转向架、轮对、轨道是一个完整的大系统,美国线路功率谱,二、车辆

6、动力学仿真的目的、原理和方法,（一）车辆动力学仿真的内容,车辆动力学仿真的主要内容有以下几个方面： 1）预测车辆在线路上运行时，在各种激扰情况下的响应。如零部件之间的相对位移和速度，相互作用力和加速度，轮轨之间的作用力以及车辆垂向和横向的运行品质和平稳性指数。 2）预测车辆在通过曲线和道岔时的相互作用力、车轮冲角、脱轨系数、磨耗功率和磨耗指数等各项与安全、阻力、寿命有关的指数。 3）研究车辆蛇行运动，确定车辆蛇行运动失稳的临界速度，采取措施使车辆蛇行运动临界速度超过其最高运行速度。 4）研究车辆所采用的零部件对车辆各项运行性能的影响和优化车辆性能。 5）研究车辆运行时对所运人员及特殊设备的影响

7、。 6）研究车辆运行时车辆外形的包络线与车辆限界的关系等。,二、车辆动力学仿真的目的、原理和方法,(二)车辆动力学仿真的原理和方法,1) 建立实际车辆的力学模型。,二、车辆动力学仿真的目的、原理和方法,(二)车辆动力学仿真的原理和方法,2) 建立车辆运行时的数学模型，即建立车辆在线路上运行时的动力学方程,3) 选用合理的数学方法解线性或非线性运动方程。 4) 编制计算机仿真软件或利用成熟的软件。 5)计算机根据软件的各项指令进行各种处理和运算，输出仿真所需要的各项结果。,二、车辆动力学仿真的目的、原理和方法,(三)仿真软件,通用软件有很多，如SIMPACK、NUCARS等。,(四) 车辆动力学

8、仿真实例,有限元分析,分析软件： 在我国工程界比较流行被广泛使用的大型有限元分析软件有MSC.NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、I-deal、MARC、COSMOS、ADINA和ALGOR等。 相关标准： TB/T1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 UIC 标准 AAR标准,离散图,有限元分析,模型建立（离散）： 单元选择（板壳、实体、梁等） 约束条件： 刚性约束 弹性约束 载荷施加： 垂向 横向 纵向（拉伸、冲击） 扭转 顶车 结果处理： 变形 应力（主应力、当量应力）,中梁变形图,4）、大部件结构设计 根据理论分析结果，完善设计方案。提出方案设计审查文件。 5）、方案

9、设计审查 广泛听取不同意见和建议，取得有关专家和用户的认同。 6）、修改和完善设计方案 7）、任务的执行者 项目经理或总体组成员，主要技术设计师，工艺师（设计工艺并行）。,1）.性能预测和评估 进一步对其运行品质、安全可靠性、寿命进行预测和评估。 2）、细部结构设计 3）、施工图设计 4）、工艺技术设计 5）、工艺文件制定和工装设计 6）、生产和试制准备 7）、任务的执行者 项目经理、总体组成员，技术设计师、工艺设计师。,3、技术及施工设计的主要工作内容,1）、产品试制 2）、尺寸、主要参数测试 目的在于验证设计观念和具体细节。 3）、出厂前调试 4）、试验 台架试验：静强度试验、疲劳强度试验

10、、结构的动态特性试验、滚动振动台试验等； 线路试验：动力学性能试验，牵引和制动性能试验，电器系统、网络、控制、通讯等相关试验。 确定所设计的产品是否具备之前预想的性能。,4、试制、测试、试验和改进完善阶段,车辆动力学性能试验,转向架性能参数测试,一、零部件性能试验,一、零部件性能试验 车辆上有些零部件的性能直接影响车辆的运行品质，在整车试验前或检修之后要通过试验考核实际性能是否符合该零部件规定的性能，例如高速车辆轮对的动平衡试验、悬挂中的弹簧要通过特性试验、空气弹簧、节流孔和液压减振器要进行试验测试其性能等。 为了保证组装后的部件的技术参数满足设计要求，其各零部件需要经过选配安装，组装后还要进

11、行整体试验。例如高速车辆的转向架在组装后要求进行参数测试。,二、车辆整车试验 车辆整车试验有台架模拟试验、环形道试验和正线线路试验三种。 （一）台架模拟试验 1. 滚动试验台：用滚轮模拟钢轨，车辆的轮对架设在滚轮上。滚动试验台主要用来测试车辆蛇行运动的临界速度。 2. 振动试验台：把车辆放在试验台上，用液压作动器给车轮各种激扰，模拟线路不平顺给车轮的作用。 在试验以前先要在线路上采集某一特定区段车辆运行时的各种轮轨激扰信号，存储在数据库中，在试验时把信号变成各种指令使作动器在轮对上实现，重现轮对在线路上的激扰，从而模拟车辆在线路上运行情况。根据安装在车辆上的传感器发出的信号从而测得车辆的各种响

12、应。 3. 整车滚动、振动试验台 滚动、振动试验台是把滚动和振动试验台合成一个试验台。 台架试验的优点是试验方便，各种方案比较时，更换零部件方便，试验成本低，在一定条件下能够优化性能。,（一）台架模拟试验,（二）环形线试验 为了能有充分的时间对车辆进行试验而不影响营业线上列车的运行，我国在铁道科学院的试验基地内专门建筑了环形试验线。环形线有一个大环和一个小环，大环全长9km，曲线半径为1432m，超高hse=105mm；小环全长为8.5km，曲线半径为1000m，超高hse=120mm，另外在小环中还设有R=800m，R=350m的小曲线段和直线段。 由于环形试验线是专门的试验线路，因此试验条

13、件和设备比较完整，试验不受任何干扰。环形线比较接近实际线路，但环形线终究不是实际正线。,（三）线路试验 1. 试验线路区段的选择 试验线路应有典型性，能代表车辆运行区域的基本情况。试验区段确定之后，要详细了解该区段线路的基本特点，以便确定试验时在何处采集数据。 2. 试验车辆的准备工作 试验前先确定测试部位，安装传感器和能表示车辆在线路上位置的信号。 线路试验时，在试验列车中，除牵引的机车和被试车辆外，还要加挂一辆试验设备车（简称试验车）和隔离车。 试验车中安装各种测试仪表和记录仪表，被试车辆中测到的各种数据信号，通过有线和无线的方式输送到试验车的仪表中，经过数据处理后送入存储数据的仪表中。

14、隔离车是把被试车辆和机车隔开，减少机车对测试的影响。 3. 数据处理 试验结束后，对所测得的数据进行整理。最后整理成试验报告供有关部门审查，经铁道部批准后才能批量生产和投入使用。 在相关试验标准中对车辆动力学试验有各项具体规定。,铁路正线试验是在营业线路上进行的，一次试验要影响很多列车正常运行，试验的代价很高，一般只有在对车辆最终考核时，才在正线上进行试验。 总之，只有实车实线试验最能反映车辆在线路上的真实情况，因此国内外的机车车辆的鉴定标准仍基于线路动力学试验结果，线路试验结果是评定车辆运行性能的唯一依据。,5）、技术审查 6）、运行考核 7）、完善和改进设计 根据测试、运行考核的进行，也许

15、需要对设计作出修改和完善，确定最终的设计方案。,转向架悬挂系统设计,可靠性：静强度和疲劳强度应满足有关标准的要求（TB/T1335-1996及相关标准） 稳定性、舒适性、安全性：动力学性能满足有关标准的要求（GB/T5599-1985）。动力学性能与转向架悬挂参数息息相关。,一、转向架的运行性能,我国评定车辆动力学性能的标准是GB/T5599-1985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范，轨行机械、特种车辆和长大平车采用GB/T17426-1998铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法，包括以下几个方面： 安全性及曲线通过性能 稳定性 平稳性（舒适性）,1. 铁道车辆动力学性能,评定指

16、标： 轮轨横向力Q 轮轴横向力H 脱轨系数Q/P 轮重减载率P/P 倾覆系数D 磨耗功率和磨耗指数,1.1 安全性及曲线通过性能,轮轨横向力Q是指车轮和钢轨之间横向作用力，包括轮轨间接触点的法向力的横向分量和横向蠕滑力。 GB/T5599-1985规定，Q允许限度采用以下标准。 a.道钉拨起，道钉应力为弹性极限时的横向力标准: 这里Pst为车轮静轮重。 b.道钉拨起，道钉应力为屈服极限时的横向力标准: 主要影响参数：Kpx、Kpy、Kpz、Ksy、 ,轮轴横向力H是指轮对和钢轨之间横向作用力。 GB/T5599-1985规定，轮轴横向力H允许限度采用以下标准。 对于木枕： (最大值) (平均值

17、) 对于钢筋混凝土枕： (最大值) (平均值) 这里Pst为车轮静轮重。 主要影响参数：Kpx、Kpy、Kpz、Ksy、 ,脱轨系数Q/P是指车轮同一侧轮轨横向力Q和垂向力P的比值，它综合反映了轮轨横向力和垂向力的变化情况，是评定车辆脱轨安全性的重要指标。 GB/T5599-1985规定，当横向作用力Q的作用时间大于0.05s时，脱轨系数Q/P（轮对爬轨）采用以下标准。 第一限度（容许限度）: 第二限度（安全限度）: 式中:为爬轨侧车轮作用于钢轨上的横向力，kN; 为爬轨侧车轮作用于钢轨上的垂向力，kN。 主要影响参数：Kpx、Kpy、Kpz、Ksy、Cpz、Csz、,当轮轨间横向作用力的作用

18、时间小于0.05s时，容许的脱轨系数（轮对跳轨）： t:轮轨横向作用力Q的作用时间,轮重减载率P/P是指车轮减载量与平均轮重的比值。 GB/T5599-1985规定，轮重减载率 P/P采用以下标准(准静态工况）。 第一限度（容许限度）: 第二限度（安全限度）: 式中: P为车轮减载量，kN; 为平均轮重，kN。 动态工况（直线高速运行）：可采用动态轮重减载率 主要影响参数：Kpx、Kpy、Kpz、Cpz、Csz、Kphx、 ,倾覆系数D是指车辆在横向力的作用下，一侧车轮增载，一侧车轮减载，车辆一侧垂向力的变化量与静止是的垂向载荷的比值，称为倾覆系数。 GB5599-85规定，倾覆系数D采用以下

19、标准。 主要影响参数：Kpy、Kpz、Ksz、Cpz、Csz、Kphx,这两个指标都表示轮轨之间的磨耗程度。 磨耗功率：是指轮轨间蠕滑率和蠕滑力的乘积，也表示车轮在钢轨上的滑动程度，它主要表示踏面磨耗的程度。 磨耗指数：是指轮轨横向力和轮对冲角的乘积，它主要表示轮缘的磨耗程度。 目前 GB5599-85还没有磨耗指标的限度。 主要影响参数：Kpx、Kpy、Csx、Mcp、,磨耗功率和磨耗指数,主要指车辆蛇行运动稳定性，一般情况下采用以下方法判定： UIC标准规定，轴箱上部构架上的横向加速度连续6个波的幅值超过0.8g，即视为转向架蛇行失稳。 AAR法： 车体最大横向加速度Ay1.5g， 车体最

20、大横向加速度的标准偏差0.26g， 二者取其一 主要影响参数：Kpx、Kpy、Csx、Csy、Mcp、,1.2 蛇行运动稳定性,根源线路不平顺 线路不平顺：线路名义尺寸与实际尺寸之差。分为局部不平顺和随机不平顺。 局部不平顺：如钢轨接头、三角坑、道岔等。 随机不平顺：线路不平顺不是一个确定量，它因时因地而有不同值，它的变化规律是随机的，具有统计规律，因而称为随机不平顺，分为高低不平顺、水平不平顺、轨距不平顺、方向不平顺四种。,1.3 平稳性（舒适性）,我国车辆平稳性采用Sperling平稳性指数法进行评定。 GB/T5599-1985规定，运行平稳性用车体心盘偏离横向1m处地板面的横向及垂向平

21、稳性指标和车体振动最大加速度来表示。新造客车、货车的横向及垂向平稳性指标应满足GB/T5599-1985的良好标准。 此外，GB5599-85规定货车车体横向最大振动加速度应小于0.5g，垂向最大振动加速度应小于0.7g。 主要影响参数：Ksy、Ksz、Csy、Csz、Kphx,平稳性（舒适性）评定标准,GB5599-85（GB/T5599-1985)标准,GB/T17426-1998标准,AAR动力学性能标准,垂向悬挂,设计输出,其它,减振装置,横向悬挂,二、悬挂系统设计要求,悬挂装置分类、组成,按位置分类： 轴箱悬挂（第一系悬挂） 中央悬挂（第二系悬挂） 按方向分类： 垂向悬挂 横向悬挂,

22、二、悬挂系统设计要求,垂向悬挂,设计输出,其它,减振装置,横向悬挂,悬挂系统设计内容,导向,安全性要求,轮重,车体侧滚运动 (包括风力）,平稳性,频率分离,垂向悬挂,稳定性,曲线通过性能,横向平稳性,安全性,轨距及限界,制动系统,齿轮箱,横向悬挂,平稳性,稳定性,减振装置,电机和齿轮箱悬挂,纵向动力学,标准,装载对象（旅客或货物）的特殊要求,其他需要考虑的因素,线路扭曲及顺坡,曲线参数 (半径、 超高 、缓和曲线、允许欠超高),轨道不平顺,轨头形状、 轨底坡,竖曲线,环境参数 (温度、风力等),设计输入（已知条件） 线路,最大运行速度,轴距,车轮踏面形状,载重,车体质量、转动惯量,车体模态,簧

23、上及簧下质量,容许的轴重、轮重差,设计输入（已知条件）车辆,轴箱弹簧,轮对径向（导向）及定位装置,空气弹簧,抗侧滚扭杆,牵引装置,减振装置,止挡,电机吊挂和齿轮箱安装,悬 挂 系 统 组 成,功能,限制因素,其他,设计输出,类型,轴箱悬挂,功能,支承车体及转向架构架重量,联系簧上和簧下质量,吸收和缓解振动,满足蛇行稳定性要求,适应曲线通过,轴箱悬挂,轴箱弹簧 钢簧 橡胶（人字形，锥形等） 钢簧+橡胶 定位装置： 转臂、拉杆、导筒、导柱、橡胶定位器、导框、干摩擦、径向装置等,轴箱悬挂类型,转臂定位装置,转臂定位装置,1-系转臂；2-轴箱；3-底部压板；4-一系垂向减振器；5-止挡管；6-凸台；

24、7-弹簧套；8-螺旋弹簧； 9-锥形套；10-拄形橡胶套；11-锥形销。,弹性节点+双拉杆定位装置,拉板定位装置,锥形橡胶堆定位,橡胶定位装置,人字形橡胶堆定位,锥形橡胶堆复合弹簧定位,锥形橡胶堆复合弹簧定位,双橡胶圆簧定位,利诺尔减振器定位,双斜契减振器定位,轴箱弹簧,类型,钢簧,优点: 静、动态刚度变化小，垂向特性呈线形，寿命长，成本低，受温度变化小,缺点:无阻尼，高度大，纵横向刚度线形、不易控制,橡胶弹簧,优点: 有阻尼，高度小，纵横向刚度易控制，三向刚度具有非线形,缺点:寿命短，动态刚度变化大，受温度的影响大,约束条件,限制因素,垂向: 载重, 变形,动态性能，空间大小,横向: 空间大

25、小、制动系统,性能,垂向 轮重减载, 脱轨,轮轨力, 吸振,横向 稳定性/曲线通过性能: 由弯曲刚度和剪切刚度确定,其它,结构,寿命, 重量,其它 维护、保养 环境: 温度, 污染 防火 美观,制造 数量,表面质量, 合适的高度, 安装,设计输出,三向静态刚度,三向动态刚度,阻尼值的大小,位置,空间尺寸,安装方法,结构,定位装置,功能 提供纵向定位刚度，而不增加横向刚度 提供轮对摇头刚度，满足稳定性要求 导向，便于通过曲线,结构 功能 优缺点 特性 类型 设计输入 设计输出,空气弹簧,结构： 气囊 气室 紧急弹簧 管路 节流阀 附加气室,空气弹簧,空气弹簧组成,功能 垂向 支撑车体重量 控制车体侧滚 吸收车体振动能量 满足轨道扭曲不平顺 横向 适应车体相对构架的纵、横向运动 满足车辆通过曲线时的纵向及横向变形 吸收振动 提供转向架抗蛇行运动的刚度和阻尼,空气弹簧,优点： 垂向非线形，刚度小 能满足横大纵向大