100kmh速度级A型地铁转向架的研究（可编辑）

100kmh速度级A型地铁转向架的研究（可编辑） 100kmh速度级A型地铁转向架的研究 国内图书分类号:. 密级:公开 国际图书分类号: 西南交通大学 研究生学位论文 年 级 姓 名 专 二零一~年一/月 月 一苓一~,年幽 :. ..: 也 伽? : : : : :. :. 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 .保密口,在 年解密后适用本授权书; 不保密彩使用本授权书。 . 请在以上方框内打“奶 学位论文作者签名: \录姒 ?虢钎 日期:枷,. 日期:。【\..西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下: 、对/速度级型地铁转向架总体和各主要装置进行了选型设计研究; 、对转向架构架进行了静强度计算和分析; 、对转向架构架的强度试验进行了分析和说明。 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者 日期:西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 摘 要 随着我国经济的飞速发展,城市化规模不断的扩大,城市产业不断外移,促使卫星 城以及远离市中心的新型产业区的建立,这就要求加快郊区地铁和市域铁路的建设,以 满足人们的日常生活及工作需要。郊区铁路的特点是:线路长、站间距长。因此,一般 的速度等级为/的地铁车辆已不能满足人们的需求,故为了节省时间,达到方便、 经济、快捷的目的,郊区地铁应选择运行速度较高的地铁车辆。基于此,本文研究/ 速度级型地铁转向架。 目前,国内成熟运营的/速度级的地铁只有广州地铁三号线以及天津滨海快 速线。年年底开通的上海地铁号线北段也将其速度定在/,并且对南段 提出最高运行速度等级为/。可见,对速度相对较高的地铁车辆的研制十分必要。 本文主要通过五部分内容进行阐述。其中,第章主要说明本文的设计背景、该速 度等级地铁车辆的发展现状以及本文研究内容;第章对转向架的总体设计方案以及各 组成部件进行阐述说明;第章概述有限元法以及本设计所应用的分析软件;第章对 转向架构架进行静强度计算分析、疲劳强度分析以及模态分析;第章对其设计构架进 行静强度和疲劳强度试验,并得出试验结论。本文通过相应的计算分析、试验分析,研 究结果具有一定的参考价值,为以后的工作提供了参考依据。 关键词:/速度级;型地铁转向架;构架;静强度;疲劳强度西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 , . ., /, ,, ./. / ., /, /. 也. . / . .、; . , , . ,. 、析? . / :, ,, 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 . 目 录 第章绪论?. .论文选题背景? .我国城市轨道交通车辆转向架技术现状和特点??. .. 型地铁车辆转向架技术现状和特点.. 型地铁车辆转向架技术现状和特点??. . /速度等级型地铁车辆转向架的基本要求. .主要研究工作.. 第章转向架的总体技术方案研究 .转向架总体方案 .转向架主要技术参数.转向架结构说明。..轮对驱动装置..构架.. ..轴箱定位和一系悬挂装置 ..二系悬挂装置..中心牵引装置..抗侧滚装置 ..基础制动装置 第章有限元方法与应用软件 .有限元法概述??. . 软件简介 .. 软件的发展 .. 技术特点.. .. 软件功能.. 软件内的模型建立?. 第章转向架构架的强度计算分析 .构架强度计算的主要参数.计算载荷??.. ..构架静强度计算载荷及载荷工况 ...载荷工况??超常载荷工况??. ...载荷工况转向架纵向冲击载荷工况...载荷工况卜电机振动冲击载荷工 况?..西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ...载荷工况.?霹引电机短路时齿轮箱冲击载荷工况?.. ...载荷工况一紧急制动载荷工况.. ..构架疲劳强度计算载荷及载荷工况??。 ...构架主体结构及抗侧滚扭杆座...牵引电机安装座??一 ...齿轮箱吊挂座 ...二系垂向、横向减振器座?.. ...一系垂向减振器安装座??. 制动器吊座?. ... .边界条件 计算模型.. . .材料疲劳曲线? ..制造材料及板材厚度..静强度许用应力? ..疲劳曲线.. ..疲劳强度评定方法【】.静强度计算结果??.. ..载荷工况??超常载荷工况? ..载荷工况转向架纵向冲击载荷工况? ..载荷工况. ..载荷工况牵引电机短路时齿轮箱冲击载荷工况. ..载荷工况 .疲劳强度分析一 ..构架主体结构及抗侧滚扭杆座? ..牵引电机安装座?. ..齿轮箱吊挂座及牵引座? ..二系垂向/横向减振器座.. ...二系垂向减振器座? ...二系横向减振器座?西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .试验内容??.. .试验载荷 .应变片测点布置??.. .静态试验结果一 ..构架扭曲位移..静态应力?. 疲劳试验结果??小? . .试验结论【】?一 ?一 结论与展望 型【谢. 参考文献??一 攻读学位期间发表的学术论文??. 附录:测点贴片布置图及照片.西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章绪论 .论文选题背景 我国大陆地区以下简称“我国城市轨道交通从年开通北京地铁一号线 开始,经历了年的发展,取得了很大的成绩。特别是进入世纪以来,随着我国 经 济的飞速发展,城市人口迅速增长和城市化进程的加快,发展城市轨道交通 已成为我国 大中城市发展公共交通和缓解交通压力的必然选择,城市轨道交通进入快速 发展阶段。 到年底我国开通城市轨道交通线路的城市有北京、上海、广州、深圳、南京、 天津、 武汉、成都、重庆、长春、沈阳和大连等个城市,运营里程达到 。除了不断 增加城市轨道交通运营里程外,提高运营速度也一直是交通运输追求的目标,特别是延 伸至大城市郊区、站间距较长的城市轨道交通线路,提高运营速度可以明显缩短旅行时 间。目前我国城市轨道交通车辆的最大运营速度一般是/,但在一些城市站间 距较长的城市轨道交通线路上,已经开行了最大运营速度/一/的城市轨 ,比如广州地铁号线车辆,最大运营速度是/,天津滨海快轨车 道交通车辆】 辆和大连快轨号线,最大运营速度是/,北京机场快轨车辆,最大运营速度是 但这些车辆均是轴重小于的型地铁车辆或直线电机地铁车辆,但对于轴 /, 重达到的型地铁车辆,除了上海轨道交通号线北段,目前的最大运营速度只有 /。年,上海轨道交通号线北段工程车辆公开招标采购,该车辆采用轴重 的型地铁车辆,要求最大运营速度 /。上海轨道交通号线北段工程车辆 是我国目前具有最大运营速度型地铁车辆,在后期上海轨道交通号线向南延伸, 南段的最大运营速度将提高到/。本论文研究的/速度等级型地铁车辆 转向架,以上海轨道交通号线北段工程车辆技术规格书为基本技术条件,已经批量生 产,运用于上海轨道交通号线北段工程车辆,在年底已投入运行, 年完成 所有的型式试验,形成了/速度等级型地铁车辆转向架的基本平台。/ 速度等级型地铁车辆转向架的研究是南车株洲电力机车有限公司联合西南交通大学等 高等院校进行的自主化的研究,对推动我国型地铁车辆转向架的技术发展具 有深远的 意义。 .我国城市轨道交通车辆转向架技术现状和特点 我国开通运营的城市轨道交通车辆的主要型式是型、型地铁车辆,还有少数 型和直线电机地铁车辆和轻轨车辆,由于型和型地铁车辆占据我国城市轨道交通车 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 辆的绝大部分,因此主要介绍这两种车型的转向架技术。 .. 型地铁车辆转向架技术现状和特点 年上海地铁号线投入试运营,国外先进的型地铁车辆正式驰骋于我国城市, 到年深圳地铁一号现延长线试运营,基本上有三种型号的型地铁车辆转向架运 用于我国地铁车辆】,即以西门子技术、庞巴迪技术、阿尔斯通技术为代表型地铁车 辆转向架,这些转向架均为采用大柔度空气弹簧的无摇枕、轴箱外置式转向架,速度等 级为/、轴距、轴重、车轮直径、适用轨距。三种转 向架的主要技术参数见表.。 表.三种型地铁车辆转向架基本技术参数西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 主要技术特点按时间顺序归纳如下: ? 年,西门子转向架 图 型转向架 西门子型转向架在我国最早运用于上海地铁号线直流传动车辆,上海地 铁号线后来又增购了交流传动车辆,采安装交流牵引电机的型转向架, 年广州地铁号线运营,采用的也是安装交流牵引电机的型转向架。从年 运营的上海地铁号线明珠二期开始,南车株洲电力机车有限公司对型转 向架进行了国产化,并在引进型转向架全套技术的基础上,通过消化、吸收西 门子技术,进行了自主化的设计和制造,生产出具有自主知识产权的型转向 架, 于年大批量运用于深圳地铁号线延长线。型转向架结构见图.,主要 技术特点如下。 转向架质量轻,其中动车转向架的质量不大于,拖车转向架质量不大于 ; 转向架构架采用低合金高强度结构钢板组焊成形,采用不需进行整体退火的 焊接工艺;西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 采用了三向刚度能很好匹配的人字形金属橡胶叠层弹簧作为一系弹簧: 二系采用大柔度空气弹簧,每个转向架设有个二系垂向减振器和个横向减 振器,并安装了一套抗侧滚装置: 首次在国内采用形辐板整体辗钢车轮,车轮材料采用符合规定的 材料,具有较高的强度和韧性,抗轮缘磨耗能力强; 首次在国内采用了符合的规定车轴,提高了车轴强度等级;在 动车车轴的传动齿轮侧轮座采取喷钼处理,提高了车轴的抗拉伤和抗疲劳性 能,提高可 维护性。 采用了铝合金轴箱体,降低了簧下质量,有利于降低轮轨间的作用力,轴箱轴 承 采用双列圆柱滚子轴承; 牵引装置采用中心销、复合弹簧、字形双拉杆牵引。 ?年,阿尔斯通转向架 口 团: 囝 图.阿尔斯通转向架西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 采用南京浦镇车辆厂和阿尔斯通公 年上海地铁号线明珠一期开通运营, 司联合生产的地铁车辆,该车辆转向架结构见图.,主要技术特点如下。 呈“型,结构简单,重量轻: 构架均为合金钢板焊接结构, 一系弹簧由螺旋钢弹簧加橡胶垫组成,能承受高的载荷,并安装一系垂向减 振 器: 轴箱定位采用转臂式,转臂通过橡胶关节与构架连接; 二系采用大柔度空气弹簧,每个转向架安装了二系垂向减振器和横向减振 器, 并安装了一套抗侧滚装置; 采用铸钢轴箱体,轴箱轴承采用双列圆柱滚子轴承; 、 牵引装置采用中心销、牵引橡胶堆方式牵引。 ?年,庞巴迪转向架 图.庞巴迪转向架系列之一 年,广州地铁号线开通运营,该地铁车辆转向架是庞巴迪在技术比较成熟的 系列转向架基础上,根据广州地铁的特点专门设计制造的,结构见图.,主要 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 技术特点如下。 转向架采用型全钢焊接构架; 采用铸钢轴箱体,轴箱轴承采用双列圆锥滚子轴承; 一系悬挂采用具有适当的垂向和横向刚度的锥形金属橡胶弹簧,同时作为轴箱 定位装置; 二系采用大柔度空气弹簧,每个转向架安装了二系垂向减振器和横向减振器, 并安装了一套抗侧滚装置; 转向架通过带有橡胶关节的牵引杆与车体牵引座连牵引装置采用单牵引杆, 接; 牵引电机通过橡胶衬套安装在构架电机安装座上,与刚性安装方式相比,这样 的弹性安装方式更有利于减缓电机传给构架的振动,降低构架的电机安装座受力。 .. 型地铁车辆转向架技术现状和特点 型地铁车辆是我国使用最多的地铁车辆,目前已发展了/、/、和 /多个速度等级【】【】。除老北京地铁车辆外,这些型地铁车辆采用的转向架均 为大柔度空气弹簧的无摇枕、轴箱外置式转向架,轴距一、轴重、车轮 直径、适用轨距。三种速度等级转向架的主要技术参数见表?。 表三种速度等级型地铁车辆转向架基本技术参数 /转向架?和叼 一 /转向架‘~吲/转向架‘】 西门子 型号 一 一 南车株机 最大运营速度/ 轨距 轴距 轴重 车轮直径新轮/ 轮对内侧距 轴径中心距舢空簧横向跨距 轴箱定位 转臂式 转臂式 锥形橡胶弹簧式 一系悬挂弹簧 螺旋钢弹簧 螺旋钢弹簧 锥形金属橡胶弹簧 二系悬挂弹簧 无节流孔空气弹簧 有节流孔空气弹簧 有节流孔空气弹簧 电机悬挂方式 弹性橡胶垫架悬式 架悬式 架悬式 牵引装置 单拉杆牵引 字形双拉杆牵引 字形双拉杆牵引西南交通大学硕士 研究生学位论文 第页 主要技术特点按速度等级归纳如下: ?/速度等级型地铁车辆转向架 图 速度等级型转向架西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 /速度等级型地铁车辆转向架以新北京地铁车辆转向架为代表,生产企业 是长春轨道客车股份有限公司和四方机车车辆股份有限公司,结构见图,主 要技术 特点如下。 构架形的钢板压型焊接结构,钢板采用低合金结构钢,构架横梁使用无缝钢 管. 口’ 采用铸钢轴箱体,轴箱轴承采用双列圆柱滚子轴承; 同时作为轴箱定位装置; 一系弹簧采用圆锥叠层金属橡胶弹簧, 二系弹簧采用大柔度空气弹簧,空气弹簧有节流孔,利用空气弹簧内部的节 流 孔衰减垂向振动,不需要安装垂向减振器; 牵引装置采用中心销、复合弹簧、字形双拉杆牵引; ?/速度等级型地铁车辆转向架 。 鞴 : 瞬 ~ 厂. 芦 螨 修融 ‖刊. 蝴 、、庶 舔掺 烈硇 础? ? 妒 ,刀? ‖ 自过 。?乡西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 辆,由长春轨道客车股份有限公司制造。在当时此车创下中国多项第一,处于国内领先、 、 国际先进的水平。该车辆转向架结构见图.,主要技术特点如下。 钢板采用低合金结构钢,构架横梁使用无缝钢 构架形的钢板压型焊接结构, 管; 轴箱轴承采用自密封双列圆柱滚子轴承; 采用铸钢轴箱体, 一系弹簧由螺旋钢弹簧加橡胶垫组成,并安装一系垂向减振器; 轴箱定位采用转臂式,转臂通过一个弹性节点铰接在构架上: 二系采用低横向刚度的空气弹簧,空气弹簧有节流孔,利用空气弹簧内部的节 流孔衰减垂向振动,不需要安装垂向减振器;安装了抗侧滚扭杆,抑制车辆的侧滚振动; 牵引装置采用中心销、复合弹簧、字形双拉杆牵引; ‘ ? /的型地铁车辆转向架西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 年底,广州地铁三号线首段开通试运营,最高运营速度/,是我国目前 运营速度最高的地铁线路,车辆由南车株洲电力机车有限公司引进西门子技术生产制造。 车辆采用西门子型转向架,南车株洲电力机车有限公司在型转向架基础 上,通过消化、吸收西门子技术,进行了自主化的设计和制造,又生产出具有自主知识 产权的型转向架,型转向架降运用于广州机场线地铁号线的北延 伸段。型转向架结构见图,主要技术特点如下。 构架采用低合金高强度结构钢板组焊成形,横梁采用无缝钢管,轮盘制动单元 安装座设置在横梁上,采用不需进行整体退火的焊接工艺; 采用铸钢轴箱体转臂;轴箱轴承采用自密封双列圆锥滚子轴承; 一系弹簧由螺旋钢弹簧加橡胶垫组成,布置在轴承的侧面,并安装一系垂向减振 : 器 轴箱定位采用转臂式,转臂通过一个弹性节点铰接在构架上: 二系采用大柔度空气弹簧,每个转向架安装了二系垂向减振器和横向减振器,并 安装了一套抗侧滚装置: 抗侧滚装置扭力杆布置在车体底架的下方,简化了转向架的结构,减轻了转向架 的簧间质量; 牵引电机为架悬式弹性悬挂; 牵引装置采用结构非常简单的无磨耗单拉杆牵引方式。 . /速度等级型地铁车辆转向架的基本要求 研究/速度等级型地铁车辆转向架的最终目的是为了实现该转向架的批量 化生产,其基本要求必须符合用户的技术规格书,因此本转向架的基本要求主要参照上 海轨道交通号线北段工程车辆技术规格书【。 基本技术参数 上海轨道交通号线北段工程车辆技术规格书对转向架参数的基本要求见 表.。 表 /速度等级型地铁车辆转向架基本技术参数 序号 参数名称 参数值 最大运营速度/ 轨距 轴重转向架中心距 轴距西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 转向架强度的基本要求 结合上海轨道交通号线北段工程车辆技术规格书和相关标准,该转向架的强 度的 基本要求如下。 构架横梁规定的载荷: 电机悬挂座上的载荷: 横向: 纵向:? 垂向:一? 齿轮箱转矩反作用于构架上的载荷:垂向: 一 疲劳试验次电机悬挂座上的载荷: 横向: 纵向:? 垂向:一? 齿轮箱转矩反作用于构架上的载荷:垂向:? 转向架构架的其它载荷按】或相当的国际标准规定。 .主要研究工作 论文基于我国城市轨道交通车辆转向架技术特点,按照高速度城市轨道交通车辆转 向架的基本要求,进行了如下的研究工作。 转向架总体技术方案研究。研究转向架基本部件的结构和参数,最终确转向架的 总体技术方案。 转向架主要部件结构强度研究。我国型地铁转向架早期曾经出现过构架疲劳 本文研究了构架电机悬挂座和齿轮箱吊挂座等关键部位的裂纹的问题【】, 载荷,在研 究确定转向架基本载荷前提下,研究了构架的疲劳强度。 转向架型式试验。主要进行构架疲劳强度试验。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 第章转向架的总体技术方案研究 .转向架总体方案 图动力转向架西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 转向架分为动力转向架见图.和非动力转向架,转向架的主要性能、结构特 点如下【~】: 能保障车辆具有优异的动力学性能,平稳性指标望.; 轮对符合欧洲标准的规定,车轮采用直辐板整体车轮,两侧装有制动盘,车轴满 足等级修要求; 轴箱定位采用转臂式,一系弹簧采用螺旋钢弹簧与橡胶垫组合,位于轴箱体 顶部, 并设置垂向油压减振器: 二系悬挂装置无摇动台、无摇枕、无心盘,车体自重及载重全部由空气弹簧承载, 设置三点高度调整装置,能根据负载情况对地板高度进行自动调节。并在车体和转向架 之间设置抗侧滚装置,以抑制车体侧滚; 驱动装置由电机、联轴节、齿轮箱组成,交流牵引电机采用全悬挂方式,电机与 齿轮箱之间采用齿式联轴节连接; 牵引装置采用单牵引拉杆推挽式结构中央牵引装置; 基础制动采用轮盘制动装置; 构架是用低合金高强度结构钢板和无缝钢管等组焊而成的型构架,动车构架 . 和拖车构架完全互换。 .转向架主要技术参数‘ 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 .转向架结构说明 动力转向架和非动力转向架结构基本相同,主要部件有轮对驱动装置、构架、一系 悬挂装置、二系悬挂装置、基础制动装置、电机和齿轮箱传动装置动力转向架、抗侧 滚装置、中心牵引装置、空气管路、电器装置等。 ..轮对驱动装置 轮对驱动装置见图?。 图轮对驱动装置 车轮采用整体辗钢轮,新轮直径为,车轮踏面采用磨耗型踏面外形。车轮为 直辐板,辐板两侧安装制动盘。 车轴在轮座处留有单边的镟修余量,满足两次等级修的要求。 轴箱体为铸钢件。轴箱轴承为整体式免维护圆锥滚子轴承。 每个动车车轴上装有一套驱动装置,传动装置包括交流牵引电机、齿轮箱、联轴节。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 布置并以全悬挂的方式直接安装在转向架构架上。齿轮箱的一牵引电机横向 端支撑在车 轴上,而另一端由吊杆支撑在转向架构架上。齿轮箱上设有安全销,防止悬挂螺栓发生 故障或吊杆断裂后齿轮箱掉落。牵引电机和齿轮箱之间的力的传递由柔性齿形联轴节实 现。 ..构架 动、拖车转向架构架能完全互换。构架由两根侧梁和一根主横梁焊接而成的“’’型 结构,见图.。 『 \.?~.笊 ‘ 纠厂.’、刖 , 孓? 姻一 一 ~ 、。 只?~ 嗜 “ 景 ? 目 ’ 直 ?手 、 区 ? 三 一凹 ~ 阿?串石?车~ 图构架 构架采用钢板、钢管和铸钢等三种材料。钢板材料为,钢管材料为, 铸钢材料为.,上述三种材料具有优良的机械性能和焊接性能。焊接满足 焊接体系标准九要求。 构架侧梁采用箱形结构,在中部降低以安装空气弹簧。构架横梁主要承载结 构由两 根无缝钢管组成,横梁上焊有电机吊挂座、齿轮箱吊挂座、制动器吊挂座和 牵引座。..轴箱定位和一系悬挂装置 地铁转向架对轴箱定位装置的要求是在纵、横向具有适当的弹性定位刚度, 结构简 单,无磨耗,制造维修方便。轴箱定位和一系悬挂装置有多种,目前我国地铁车辆常用 的轴箱定位和一系悬挂装置有种【】,即人字型金属橡胶弹簧式、锥形金属橡胶弹簧式 和采用螺旋钢弹簧的转臂式轴箱定位。 采用人字型金属橡胶弹簧和锥形橡胶弹簧的一系悬挂装置具有结构简单、橡胶弹簧 可有效吸收高频振动的优点。但是由于一系悬挂的刚度完全由橡胶弹簧提供,而橡胶弹 簧的特性具有非常强的非线性,而且随着使用时间的增加,橡胶也不断的在 老化,其特 性有较大的变化,这样就影响到定位刚度和一系悬挂性能的稳定性。因此这两种悬挂方 式的好坏关键在于所使用橡胶的性能好坏。 . 转臂式轴箱定位,一系悬挂采用螺旋钢弹簧橡胶垫垂向减振器的方式,其悬挂的 垂向刚度与垂向阻尼主要由螺旋钢弹簧和垂向减振器提供;纵、横向刚度主要由定位节 点橡胶关节纵、横向刚度决定。这种轴箱定位方式可以方便的实现设计所需的三个方向 的悬挂刚度,而且垂向刚度和纵、横向刚度解耦,这有利于保持一系悬挂特性的稳定性。 本转向架选择转臂式轴箱定位,一系悬挂由螺旋钢弹簧、橡胶关节定位器和一系垂 向减振器等部件组成,螺旋钢弹簧位于轴箱体项部。在每轴箱处设一个垂向 油压减振器,。 减小轮轨之间的动载荷影响,减小转向架的振动。 ..二系悬挂装置 二系悬挂装置设置有两个空气弹簧、两个垂向减振器和一个横向减振器。 每车设三个高度阀,一个差压阀。当任一空气弹簧泄气时,则该转向架的另一空气 弹簧也会立即放气。高度阀调整装置能使车辆地板高度差控制在规定的范围内。 设置横向止挡,确定自由间隙和弹性间隙,限系悬挂装置超出正常自由范围的 横向变形。并设置调整垫以调整左右自由间隙,保证左右偏差值不大于一侧的自由范围, 其刚性固定止挡限制整个的横向位移。 采用单独的压力容器作为空气弹簧的储气缸,储气缸的容积满足空气弹簧的使用要 求,且不影响车辆上其他气动系统的功能。 ..中心牵引装置 牵引力和制动力通过中央牵引装置实现力的传递,采用单牵引拉杆推挽式结构。中 心牵引装置由牵引座、纵向牵引杆等组成。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 ..抗侧滚装置 车体和转向架之间设抗侧滚扭杆以抑制车体侧滚。扭杆从车体底架下横向穿 过,两 端通过垂向拉杆与转向架的扭杆座连接。 ..基础制动装置 基础制动采用轮盘制动,每个转向架设有个盘式制动单元,其中个带有储能制 动器,成对角布置。单元制动器安装在横梁的制动器吊挂座上。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 第章有限元方法与应用软件 .有限元法概述 有限元法是最先应用于航空工程结构的矩阵分析方法。主要用来解决复杂结构中力 与位移的关系。有限元法的基本思想:将具有无限个自由度的连续的求解区域离散为具 有有限个自由度、且按一定方式节点相互连接在一起的离散体单元,即将连续体 假想划分为数目有限的离散单元,而单元之间只在数目有限的指定点处相互联结,用离 散单元的集合体代替原来的连续体。一般情况下,有限元方程是一组以节点位移为未知 量的线性方程组,解次方程组可得到连续体上有限个节点上的位移,进而可求得各单元上的应力分布规律。 有限元方法求解问题主要分为以下几步: 结构的离散化,将连续体离散成为单元组合体; 选择位移模式,即假定单元中位移分布是坐标的某种函数,位移模式一般选为 多项式的函数; 分析单元的力学特性,利用弹性力学的平衡方程、几何方程、物理方程和虚功 原理建立单元刚度矩阵; 》计算等效节点力,根据虚功相等原则,用等效节点力来代替所有作用于单元边 界或单元内部的载荷; 建立整体结构平衡方程,集合所有单元的刚度矩阵; 求解未知节点位移和计算单元力。 随着现代力学、计算数学以及计算机等学科的不断发展进步,有限元法已被广泛应 用于各各工程领域,同时涌现出了大量的商业有限元分析软件,如:、 等,其具有很强的前后处理功能,显著提高了有限 、、 元分析效率。本设计选用软件进行相关分析。 . 软件简介 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析 软件,可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造 船、汽车交通、国防军工、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业 及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统上运行,从机到工作站直至巨型 计算机,文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容;该软件基于的菜西 南交通大学硕士研究生学位论文 第页 单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择,此举大 大方便了用户操作。它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国公司开 发,能与多数软件接口,实现数据的共享和交换,是现代产品设计中的高级 工具之一。 、 在公司相继收购了、、瓜 ,、等世界著名有限元分析程序制造公司并将其产品和整合 ,实际上已成为世界上最通用和有效的商用有限元软件。 之后 .. 软件的发展 公司是由美国匹兹堡大学的 博士在年创建的,其总部位 于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡,目前是世界行业最大的公司。余年来, 公司一直致力于设计分析软件的开发,不断吸取新的计算方法和计算技术,领导着世界 有限元技术的发展。 软件的最初版本和最新版本 .相比有很大区别,最初版本仅仅是 提供了热分析和线性分析功能,是一个批处理程序,而且只能在大型计算机上使用。 世纪年代初,随着非线性、子结构以及更多的单元类型的加入,软件发生了 很大的变化,新技术的融入进一步满足了用户的需求;世纪年代末,交互方式的 加入是该软件最为显著的变化,此举使得模型生成和结果评价大为简化。 .. 技术特点 与其他有限元计算软件相比,具有以下技术特点: 能实现多场及多场耦合功能。 集前后处理、分析求解及多场分析于一体。 独一无二的优化功能,唯一具有流场优化功能的软件。 具有强大的非线性分析功能。 具备快速求解器。 最早采用并行计算技术的软件。 从微机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上全部数据文件兼容。 支持从、到巨型机的所有硬件平台。 从微机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上具有统一用户界面。 可与大多数软件集成并有接口。 可进行智能网格划分。 具有多层次多框架的产品系列。 》具备良好的用户开发环境。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 不仅在计算速度上进行了改进,同时增强了软件的几何处理、网格划分和 后处理等能力。另外,它还将创新的、耳目一新的仿真技术引入各主要物理 学科。这些 改进代表了仿真驱动产品的发展道路又向前迈出了一步。 .. 软件功能 包括以下主要功能模块:结构分析、热分析、电磁分析、流体分析、耦合 场分析一多物理场。本设计运用其结构分析功能,结构分析包括以下类型: 静力分析??用于静态载荷。可以考虑结构的线性和非线性行为。 模态分析??计算线性结构的自振频率及振幅,谱分析是模态分析的扩展,用 于计算由随机振动引起的结构应力和应变。 谐响应分析??确定线性结构对随时间按任意变化的载荷的响应。 瞬态动力学分析??确定结构对随时间任意变化的载荷的响应。 》特征屈曲分析??用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状。 专项分析??断裂分析、复合材料分析、疲劳分析。 本设计应用静态分析功能,对转向架构架进行强度应力分析。 . 软件内的模型建立 使用的模型可分为两类:实体模型和有限元模型。类似于,以数字的 即实体模型。该类模型可以在其中填充节点和单方式表达结构的几何形状, 元,也可以 在模型边界上施加载荷及约束。而有限元模型是由节点和单元组成,专门供 有限元分析 计算用的一类模型。实体模型并不参与有限元分析,所有施加在实体模型边 界上的载荷 或约束必须传递到有限元模型上,即在节点和单元上进行求解。 软件提供了种创建模型的方法: 直接建模 》实体建模 输入在计算机辅助设计系统中创建的实体模型 输入在计算机辅助设计系统中创建的有限元模型 直接建模 . 直接建模方法是在显示窗口直接创建节点和单元,模型中没有实体点、 线、面出现,其特点如下: 优点 适用于小型模型、简单模型以及规律性较强的模型 可实现对每个节点和单元编号的完全控制西南交通大学硕士研究生学位论 文 第页 缺点 ’ 需人工处理的数据量大、效率低 不能使用自适应网格划分功能 困难 网格修正非常 不适合进行优化设计 容易出错 .实体建模 实体建模是先创建由关键点、线段、面和体构成的几何模型,然后利用网 格划分工具对其进行网格划分,生成节点和单元,最终建立有限元模型的一 种建模方法。 这种建模方法具有以下特点: 优点 适合于复杂模型,尤其适合于实体建模 , 需人工处理的数据量小、效率高 允许对节点和单元实施不同的几何操作 . 支持布尔操作 支持优化设计功能 可以进行自适应网格划分 可以进行局部网格细化 便于修正和改进 缺点 有时需要大量的处理时间 对建立小型、简单的模型有时很繁琐 在特定的条件下可能会失败即程序不能生成有限元网格 .输入在计算机辅助设计系统中创建的实体模型 软件为不同的软件提供了导入导出接口,利用这些接口,用户可以将在 系统建立的实体模型以一定的格式导入软件进行分析。 如果从系统导入的实体模型不适合进行网格划分,则需要进行大量的修补工 并经过相应的几何简化才能作。此时需要利用提供的拓扑和几何修复工具, 满 足使用要求。 .输入在计算机辅助设计系统中创建的有限元模型 该方法是利用系统的网格划分方面的优势,预先将实体模型划分为有限元模 型,然后通过一定的格式导入到。导入到中的有限元模型在使用之前一 般需要经过检验和修正。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章转向架构架的强度计算分析 本章主要对转向架焊接构架结构及其安装座结构进行结构优化、静强度、疲 劳强度 和模态进行分析。对构架在.有限元软件平台上进行有限元建模,并实施相关 。 计算分析。 .构架强度计算的主要参数 转向架主要技术参数和一二系减振器参数分别见表和表。 表.转向架主要参数 名称 单位 参数 转向架质量 轴重设计 轴距 最大起动牵引力 最大持续牵引力 最大制动力 / 最大运行速度 抗侧滚扭杆额定载荷 . 二系横向止挡纵间隙 自由;弹性 / 二系空气弹簧横向刚度 / 一系弹簧悬挂纵横向刚度 . / 一系弹簧悬挂垂向刚度 . 表.一、二系减振器额定最大阻尼参数 名称 单位 数值 洲 一系垂向减振器额定载荷 蝌 二系垂向减振器额定载荷 . 、 二系横向减振器额定载荷 .西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .计算载荷 ..构架静强度计算载荷及载荷工况 转向架焊接构架静强度计算载荷工况主要依据国际铁路联盟标准《动力 车~转向架和走行部一构架结构强度试验》【、欧洲标准《铁路应用一转向 架构架结构要求的规定方法》【和技术规格书规定确定。主要考虑以下计算 载荷及载荷 工况。 ...载荷工况??超常载荷工况 每侧梁垂向载荷作用于二系弹簧座 一一:娑: 一 每抗侧滚扭杆座垂向载荷 ,蒯一政一 转向架承担的横向载荷作用于横向止挡 ‰%警?? 扭曲载荷??‰的轨道扭矩; ...载荷工况转向架纵向冲击载荷工况 每侧梁垂向载荷作用于二系弹簧座。:娑: 三 构架承担的纵向载荷 ,,一 式中,转向架质量。 ...载荷工况卜电机振动冲击载荷工况 牵引电机安装座承担的载荷包括: 每侧梁垂向载荷作用于二系弹簧座:: .?? 横向载荷:凡一 ?? 纵向载荷:础一 ??/? :础一?西南交通大学硕士研究生学位论文 垂向载荷 第页 :产 电机质量 在上述载荷作用下的载荷组合见表.。 表 牵引电机安装座静强度计算载荷组合 ...载荷工况卜牵引电机短路时齿轮箱冲击载荷工况 牵引电机短路时扭矩反作用于构架齿轮箱悬挂座上的垂向载荷包括齿轮箱 吊挂重 量分别为 ’ 秭一 秭。; 在上述载荷作用下的载荷组合见表。 表齿轮箱吊挂座静强度计算载荷组合 ...载荷工况??紧急制动载荷工况 在紧急制动状态下,制动器吊座承担的载荷为 ,曲一: 在上述载荷作用下的载荷组合见表.。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 表制动器吊挂座静强度计算载荷组合 ..构架疲劳强度计算载荷及载荷工况 ...构架主体结构及抗侧滚扭杆座 转向架焊接构架疲劳强度计算载荷工况主要依据国际铁路联盟标准、欧 洲标准和标书规定确定。主要考虑以下计算载荷及载荷工况。 满载状态下的每侧梁垂向静载荷 ?::?:尝聊。。一,,: / 每台转向架的横向力 . ,?.:. 转向架的扭曲载荷与在车轮平面上‰的轨道扭曲相对应。 口..‖. 在上述载荷的联合作用下,根据标准将构架疲劳强度计算划分为个载 荷工况。表.给出构架疲劳强度计算的载荷组合。 表构架及抗侧滚扭杆座疲劳强度计算载荷组合 载荷 作用于每侧梁上的垂向力 扭曲 抗侧滚扭杆座垂向力 横向力 工况 , ,及 ,及 载荷 ???????? ~一 一 一 : 一卵: 一 一 弘: 一: ,一 矿: 一卵: , ‖ ‖ : 一印: , 一, ? 一 一矿:.: 一?: : 一, 一 :: 一, ,, ?:优: 一, 一, 一倪 一 一 一 一西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 载荷上况 垂向振动加速度 作用于每侧梁上的垂向力 横向振动加速度 纵向振动加速度 ...齿轮箱吊挂座 齿轮箱吊挂座疲劳强度分析考虑的垂向载荷为:如? 作用于牵引座上的载荷为:?西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 在上述载荷联合作用下的载荷组合见表.。 表.齿轮箱吊挂座疲劳强度计算载荷组合 ...二系垂向、横向减振器座 二系垂向、横向减振器座疲劳强度分析考虑的计算载荷根据、 和标书规定确定,主要考虑以下载荷 二系垂向减振器最大载荷: 二系横向减振器最大载荷: 在上述载荷联合作用下的载荷组合见表.。 表二系垂向横向减振器座疲劳强度计算载荷组合 ...一系垂向减振器安装座 一系垂向减振器安装座疲劳强度分析考虑的计算载荷根据、和标 书规定确定,主要考虑以下载荷 一系垂向减振器最大载荷 ; 。 在上述载荷联合作用下的载荷组合见表? 表.一系垂向减振器座疲劳强度计算载荷组合西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 制动器吊座 ... 制动器吊座疲劳强度分析考虑的垂向载荷为:,把 。 在上述载荷联合作用下的载荷组合见表. 表.制动器安装座疲劳强度计算载荷组合 .边界条件 在构架结构强度有限元强度计算中,构架结构自重和牵引电机重量以质量形式在计 算模型中考虑,其它载荷根据载荷的作用方式分别以面载荷和节点载荷的形式作用于相 关位置。约束条件根据不同的载荷工况具体确定,主要作用于一系弹簧上和轴箱转臂定 位座上。 .计算模型 构架结构强度有限元分析使用.有限元软件,结构优化后构架的实体和有 限元模型如图.和.所示。 构架结构离散为三维实体单元、牵引电机质量离散为三维质量单元和一系弹簧悬挂 系统离散为三维弹簧单元。构架有限元模型由个节点和个单元组成。其 中:实体单元个、三维质量单元个、三维梁单元个和三维弹簧单元个。 计算模型整体坐标系的平面位于构架侧梁空气弹簧安装平面上,原点位于构 架 的结构中心,轴的正方向为转向架前进方向,轴垂直向上,轴为转向架的横 向。 计算模型质量包括牵引电机质量× ;不包括焊缝质量为,构架 结构质量不包括焊缝为。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .转向架焊接构架实体模型 图 .材料疲劳曲线 ..制造材料及板材厚度 ’ 图.办谯型地铁转向架焊接构架有限元模型 转向架焊接构架是由不同板厚钢材和铸钢件组成的焊接结构。构架由侧梁和 横梁组西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 成。侧梁箱型结构由、、、、厚钢板、厚 的钢板和铸钢件焊接而成;横梁由厚钢板、× 无缝钢管加工后外径为?、、厚钢板和一铸钢件 焊接而成。 ..静强度许用应力 整个构架使用的结构钢的最小屈服强度为。表.~表.列出了构架结 构制造材料的机械性能参数和静载荷作用下的许用应力值。 表钢的基本物理参数 表. 在静载作用下各种板厚的许用应力 表一调质在静载作用下指定厚度的许用应力 ..疲劳曲线 整个转向架焊接构架使用的结构钢的最小屈服强度为。 由于没有对构架制造材料进行疲劳试验,为此,根据 】给出的强度