A型地铁车辆动车转向架设计

A型地铁车辆动车转向架设计 中南大学本科毕业设计论文(设计) 摘要 据统计，现今世界上人口超过一千万的城市有18个，而在我国近年来也将 近共有 50个城市左右的人口超过了一百万。为了减少日益增长的城市交通压力， 保证人们的出 行便利和城市的环境质量。人们开始发展了地下轨道运输。转向架 作为城市轨道车辆的 重要组成部分起到了至关重要的作用。本文就对地铁A型动 车转向架进行了。对地 铁A型车辆的转向架的构架，轮对，轴箱，位于构架 与轮对之间的一系悬挂，位于构架 与车体之间的二系悬挂，驱动装置(牵引电机) 和基础制动装置(踏面制动)进行了设 计和详尽的介绍。并采用solid works 和AutoCAD等软件对转向架的装配与和零部件图 进行了展示。 关键字:城市轨道车辆转向架设计 ABSTRACT According to statistics, there are 18 cities with a population of more than ten millions in the world . while in China in recent years has almost 50 city?s with a population of more than one million. . In order to reduce the growing urban traffic pressure, people started to develop the underground rail transport. Bogie as an important part of the urban rail vehicles has played a an important role. This paper analyses the metro bogie type A motor car. On the bogie frame, wheel, axis, a suspension, suspension, drive and foundation braking equipment design, and detailed introduced. Using solid works and Auto CAD software for truck parts and assembly drawing for the display. Key word: metro bogie design 1 中南大学本科毕业设计论文(设计) 目录 _................................................................................... 1 ABSTRACT ........................................................................................................... 2 前............................................................................................................................ 5 第1章问题的提出 .............................................................................................. 6 1.1国内城市交通现状..................................................................................... 6 1.1.1城市道路拥堵问题 .......................................................................... 6 1.1.2城市的环境问题.............................................................................. 6 1.2国内城市地铁现状及问题的提出............................................................... 6 第2章设计思路与可行性分析 .............................................................................. 10 2.1总体设计思路 .......................................................................................... 10 1.2 2.2设计目标 ............................................................................................ 11 2.3可行性分析.............................................................................................. 11 第3章地铁A型动车转向架总体设计方案 ........................................................... 13 3.1整车简介 ................................................................................................. 13 3.2转向架设计总体要求 ............................................................................... 14 3.3.转向架整体结构 ...................................................................................... 15 第4章转向架主要零部件设计 ....................................................................... 17 4.1 補 ............................................................................................................ 17 4.2轮对轴箱装置 .......................................................................................... 20 4.2.2轴箱装置....................................................................................... 21 4.3弹性悬挂装置 .......................................................................................... 23 4.3.1 —系弹性悬挂装置 ........................................................................ 23 4.3.2二系弹性悬挂装置 ........................................................................ 23 4.3牵引装置 ................................................................................................. 27 4.4制动装置 ................................................................................................. 29 30 2 中南大学本科毕业设计论文(设计) 4.5附属附属 ................................................................................................. 29 &棘......................................................................................................................31 参考文献..............................................................................................................32 3 中南大学本科毕业设计论文(设计) 刖S 城市的发展需要发展交通，交通的发展又促进着城市的发展。在现代化的 大城市中，城市轨道交通已经成为了城市形象的标志之一。它凭借着大载客量、 快捷、准时、安全、环保而成为解决城市交通拥堵的有效手段。 自从世界上第一个地铁系统于1863年在英国伦敦建成运行以来，尽管历经 了许多的曲折和发展历程，但是世界上的大城市无不以轨道交通系统作为城市骨 干的公共交通系统。我国在建国后期也开始了地下铁道的建设，但当时多是为了 战事工程建筑的。我国第一条地铁是在1965年于北京建成的，在接下来的几十 年里，上海，广州，天津等城市也纷纷的构建起了城市轨道交通。截止到目前为 止，北京地铁通车长度为456公里，上海通车长度为473公里，广州通车长度为 236公里，这些在我国都属于城市轨道交通比较发达的城市。但是即便如此在任 何一个国内的城市中都没有形成真正意义上的以轨道交通为骨干的公共交通网 络。我国是世界上人口最多的国家，发展公共交通事业这一任务刻不容缓。 转向架作为城市轨道车辆的重要组成部分，可以分为动车转向架和拖车转 向架，它对列车的运行起到了十分关键的作用。它的主要任务是负责承载，牵引， 缓冲转向和制动。因此转向架可以直接的影响到车辆的运行品质，动力性能和行 车安全等。转向架设计的基本原则是尽量采用高柔性的弹性悬挂系统，以获得良 好的震动性能;采用高强度，轻量化的转向架结构，以降低轮对间的动力作用; 采用能有效的一直转向架蛇形运动，提高转向架蛇形运动临界速度的各种措施; 基础制动装置采用复合制动装置系统等。 本次毕业设计的题目是A型地铁车辆动力转向架设计，在我国目前的城市 轨道交通车辆中广州地铁一号线，上海地铁一号线等车辆采用的是A型车。因此 我们设计参考的是广州地铁一号线的动车转向架。此型号车辆的A1型的制造商 是德国adtranz与西门子公司，设计时速为80km/h; A2型是由长春长客-庞巴迪 轨道车辆制造的，设计时速90km/h,营运时速是80km/h; A3型是由庞巴迪长春 客车制造的设计时速90km/h，营运时速80km/h. 4 中南大学本科毕业设计论文(设计) 第1章问题的提出 1.1国内城市交通现状 随着社会的发展，许多城市都纷纷的涌来了大批的外来人口，城市中的 人口变得越来越多。截止到2012年，北京市人口达到2069. 3万，上海市的人口 达到2347. 46万，广州市的人口达到1275万。另外近年来机动车的数量也快速 的发展，给城市的道路压力和环境带来了很多不利的影响。城市交通中的矛盾也 被体现的越来越突出和明显。 1.1.1城市道路拥堵问题 许多的城市由于机动车的快速增长，道路的压力越来越大，对居民的日常 的工作和出行造成了很大的影响，并且已经成为了制约城市发展的重要瓶颈，虽 然说有些城市的为了减少这些问题采取了限号出行等方案，但是都没有很根本的 解决问题。 1.1.2城市的环境问题 近年来由于经济的快速发展，对我们的环境也产生了非常巨大的问题。机 动车尾气的排放已经成为仅次于工业和建筑业的第三大排放源。正是由于这些污 染近年来我国的出现的雾霾的情况也越来越多，给居民的生活健康造成了极其重 大的影响。另外机动车产生的噪声污染也不可忽视。 所以就目前的现象来看低碳环保的公共交通凭借着它运能大、速度快、无 污染等优越的特点已经成为国家发展的趋势。2013年，预计有12个城市将开通 运营轨道交通线路，其中新增首次运营的城市有哈尔滨、长沙、宁波、郑州，总 计新增运营里程约387公里。 1.2国内城市地铁现状及问题的提出 建国之后，新中国第一条地铁线路始建于1965年07月01日(北京地铁一 号线)，1969年10月01日建成通车，使北京成为中国第一个拥有地铁的城市。 天津地铁始建于1970年4月7日，1976年1月试运行。是中国继北京后第2个 拥有城市轨道交通系统的城市。随后上海、广州、深圳等城市也相继开通了地铁。 根据每个城市人口的需求和客流的分析，每条城市轨道的车辆基本上可以分为三 种型号，分别是A、B、C三种。A型地铁列车(主要应用在人口比较稠密和客流 量比较大的城市线路之中):长22. 8米，宽3米;B型地铁列车(有的城市根 据自己的城市轨道特点还会将型号更改为非 5 中南大学本科毕业设计论文(设计) 型)长19米，宽2. 8米;C 型地铁列车:长19米，宽2. 6米。国内基本上采用B: 型车的城市比较多，例如 北京地铁的车辆除了机场线是A车，其他均为B车。而天津因为人口没有那么 稠密所以地铁的车型基本上全部为B型车。天津地铁1号线为非标准B车，2号 线B1型车，3号线标准B型车。广州1、2号线为A车，3号线、广佛地铁为B 车。 转向架作为地铁车辆的重要组成部分承担着很大的作用，由于城市轨道交通 需要具有足够的载重量，而且在长度和容积上也要考虑到乘客的安全，因此采用 转向架是最好的解决方案之一。另外我们城市的轨道不可能是一路上都是直线， 所以蛇形运动在我们的的车辆中是不得不考虑的一个问题。为了减少这个现象， 让乘客更加舒适的乘坐。我们可以利用转向架来实现车体的自由回转，这样一来 车辆能够最大限度的不受到曲线半径的影响，同时还能降低运行时产生的各种不 利因素(环境噪声和阻力等)达到最优状态的运行。最为重要的一点就是乘坐的 舒适性问题。为了增加城市轨道交通的稳定性我们必须对地铁的转向架安装减震 装置(一系悬挂和二系悬挂)，这样一来才能减少车辆在运行过程中的颠簸，使 乘客具有良好的舒适度，这样一来才能最大限度的保证车辆具有良好的动力特性 和运行品质;另外转向架还能起到平衡车体的重量使车体的各种载荷和作用力均 匀的传递到轮轨上面，让车轴的受力可以更加的均匀增加使用寿命。另外车子的 制动装置(此车型使用踏面制动)和牵引装置也是安装在转向架上面的，从而满 足多方面的牵引力和制动力的要求。 由于我国的地下铁道运输开展的比较晚也比较缓慢，我国的通车里程以及技 术条件上面的差异也相较国外相差比较多。但是我们国家正在努力的缓解这样的 问题。我国的轨道交通车辆基本上可以分为以下几种类型。长春客车厂制造的客 车(天津地体一号线，天津地铁九号线、北京地铁一号线等，)使用的均是标准零 部件及成熟的设备。其中很重要的一个生产原则就是生产的模块化，这项原则已 经很广泛的应用在我国的机车车辆制造产业之中(我们在戚墅堰实习时也听过类 似的讲座)。所谓的模块化就是将转向架分为几个部件，单独生产在进行相互装 6 中南大学本科毕业设计论文(设计) 配，这样能够使多个工位同时进行，让车辆的维修周期的效用达到最优化。另外 在踏面制动的踏面处应进行定期的磨耗检查，轮对也要进行探伤实验。 此类转向架构架为„H?型结构，也是转向架之中最常见的一种结构(我们 此次设计的A型车就是H型构架)。位于车体和转向架之中的二系悬挂装置多采 用空气弹簧，也有少数车辆采用的是橡胶弹簧。这些弹簧和减震装置(横向减震 器和纵向减震器)基本上是安装在侧架的中部。在横梁上安装有电机吊座(电机 的悬挂方式分为轴悬和架悬只有架悬式才安装有电机吊座)。为了防止转向架的 侧扭，在侧梁的下部还设置有抗侧滚扭杆座。为了便于维修，侧梁端部设置了四 个起吊座，使构架或整个转向架被安全地吊起。对于强度计算的话，基本上是采 用了 EN10025标准的S275J2G3钢板制造。构架的焊接和探伤检查均采用欧洲标 准。在额定载荷下，构架预计疲劳寿命为3〇?35年。轴箱轴承采用符合nc标 准的圆锥滚子密封轴承(此次设计的转向架采用的是双列圆柱滚动轴承)，整体 压装到车轴上。轴箱轴承组件形成整体密封系统，并预先添加了润滑脂，延长了 使用寿命和维修间隔的时问。轴承内装有塑钢保持架，可降低内部摩擦并具有良 好的自润滑性能。轴箱端部可安装碳刷式轴端接地装置，将电流直接导向钢轨(适 用于北方第三轨受电的车辆)，防止电流经过轴承产生电蚀。为了保证车辆能够 完美的完成制动，在转向架的每根轴上还装有防滑速度传感器，为车上的防滑控 制系统提供车轮转动速度信息，防止车轮发生滑行。另外作为附属装置在每列地 铁编组头车的轴端还装有ATP速度传感器，用以检测车辆的时速。 本次毕业设计设计的A型动车转向架的构架采用的是“H”型构架，这样可 以起到动车与拖车转向架之间的互换作用。转向架的焊接方式一般采用以下几 种，包括构架式焊接转向架，三大件式转向架和堆构架式转向架。我们此次设计 采用的是全钢焊接构架。它是由横梁和两侧梁组焊而成。在横梁上设有各种零件 的安装座，包括电机(架悬式)，齿轮装置和牵引装置等。另外在构架的侧梁上 也设有踏面单元制动器。在侧梁上也设计了 一些安装座，包括了 一系悬挂装置(八 字形橡胶堆)和二系悬挂装置(橡胶弹簧)等部件。为了保证各部件都能够精准 的得到组装，同时在维修时也方便零件的购买和互换。所有出现在安装座的安装 孔的尺寸大小都经过精确定位，从而保证了所有部件组装后的转向架运行性能。 值得注意的是此次设计的H型构架符合采用了互换性设计的原则，不同转向架的 动车和拖车构架在维修中可以互换。另外在额定载荷的情况下，构架使用寿 7 中南大学本科毕业设计论文(设计) 命为 30年。横梁和侧梁上共有六个比较大的圆形孔，平时用塑料盖封上。这样减少 了构架重量，还能提供空间安装部分设备，此外构架底部还有排水孔，构架内腔 均匀喷涂保护腊。空气弹簧座位于侧梁和横梁连接处，中心距为1500mm。另外 转向架还分为以下的两种形式，有摇枕转向架和无摇枕转向架(适用范围相对较 广)。 根据调查，我国的转向架大多数是依靠进口的或者外国研发的，这样一来我 们使用的成本就会大大。为本来就无法盈利的地铁更加增添了一个负担。所以就 目前的状况来看，A型地铁列车国产化是实现重大突破的主要任务之一，我们此 次设计的地铁车辆也是根据材料进行比较设计的。目前我国上海市也新开发研制 出来国产的地铁A型列车。新下线的该列车的最大载客量可以达到2460人;不 同于一般列车的长度22m，宽度3m，高3. 8m。据了解我们全新下线的车辆每辆 车长度为22. 8米，宽度为3米;最大运行速度每小时80公里。与我国普遍运营 的A型、B型、C型列车相比，具有载客量大、功能先进、运行可靠等特点，尤 其适合人口密度、流量大的特大型城市使用，可以解决加挂车厢过多带来的诸多 难题，有效缓解轨道交通运输压力。 8 中南大学本科毕业设计论文(设计) 第2章设计思路与可行性分析 2.1总体设计思路 转向架是支承车体并担负车辆沿着轨道走行的支承走行装置。转向架是车 辆最重要的组成部件之一，它的结构是否合理直接影响车辆的运行品质、动力性 能和行车安全。根据现代地铁车辆的发展趋势，转向架结构设计应该具有的技术 原则有以下几点: 1. 采用高柔性的弹簧悬挂系统，这样可以获得更加良好的震动性能，使列 车能够更加平稳的运行在轨道之中，增加乘客的舒适程度。另外此种高柔性空气 弹簧在正常速度下均能表现出优越性。 2. 确保良好的动力学性能采用高强度、轻量化的转向架结构，这样可以减 少转向架的重量，增加载客量。 3. 才用能有效的抑制转向架的蛇形运动的措施，提高转向架蛇形临界速度 的各种措施。 4. 基础制动装置尽量采用复合制动系统。处采用的常规的空气盘形制动和 踏面制动外，可以配以磁轨制动、涡流制动等非粘性制动系统。 5. 转向架尽量采用统一的材料，和标准化的参数以确保以后维修的便利。 另外为 了方便以后的维修转向架还要具有以下的几个主要特点:重量轻，乘 坐舒适，具有良好的运行性能转向架零、部件少维修费用低易于组装和拆卸 (分解)等。 综上所述，我们再考虑到让乘客更稳定的乘坐，让结构尽可能的轻量化同时 在减少噪声的环境下。我们设计出A型车转向架。列车设计时速为90km/h，运行 时速为80km/h。 9 中南大学本科毕业设计论文(设计) 1.2 2.2设计目标 1. 转向架总体符合GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》 : 1) 车辆行走机构的性能、主要尺寸应与轨道相互协调，并保证其相关 部件在允许磨损限度内，仍能确保列车以最高允许速度安全平稳运行。即使在 悬挂或减振系统损坏时，也能确保车辆在轨道上安全地运行到达终点。 2) 转向架构架结构强度试验可按照UIC 615-4的要求进行。 3) 转向架构架应做改善内应力处理。 4) 悬挂系统采用如下结构: A. —系悬挂为八字形叠层橡胶弹簧 B. 二系悬挂为空气弹簧，并设置高度自动调整装置: C. 转向架构架与车体之间安装横向减振器和横向止挡。 5) 车轮采用整体碾钢轮或弹性车轮，其踏面形状应符合TB/T 449-2004 的要求。 km/h，实际运行时速为80km/h， 3•2. 转向架为A型车动车转向架，设计时速为90 转向架动力学性能满足TB/T2360-93《铁道机车动力学性能试验鉴定方法 及评定方法》。 4. 转向架的性能安全可靠能够保证乘客的乘坐安全舒适，经久耐用。 5. 本转向架应该能够在同等条件的型号的转向架达到国内领先水平。 6. 转向架要采用标准零件以方便维护，长使用寿命30年到35年。 2.3可行性分析 从1987年与日本联合研制转向架到1994年成功自主设计研制无摇枕地铁 转向架，一直到现在，我国在地铁转向架方向的研究一直没有停止脚步，在这个 过程中，我们在学习国外地铁转向架的先进技术的同时，也通过自己的努力，在 转向架构架的形式、轴箱的定位方式、车体和转向架之间传递载荷的方式等方面， 不断的技术创新。目前国内成熟运行的地铁线路中，广州地铁一号线、二号线， 深圳地铁一号线等是属于A型车的。因此我这次的毕业设计参考的是广州地铁一 号线的车辆。此型号车辆的A1型的制造商是德国adtranz与西门子公司，设计 时速为80km/h; A2型是由长春长客-庞巴迪轨道车辆 中南大学本科毕业设计论文(设计) 制造的，设计时速90km/h, 营运时速是80km/h; A3型是由庞巴迪长春客车制造的设计时速90km/h，营运时 速 80km/h. 由此可见，设计出大容量的A型车能够充分的符合大城市对城市轨道公共 交通的需求，为大城市的路面交通系统减少了许多无形的压力，对经济发展有促 进和推动的作用。 11 中南大学本科毕业设计论文(设计) 第3章地铁A型动车转向架总体设计方案 3.1整车简介 我们此次设计的转向架是地铁A型动车转向架，设计时速90km/h，运行时 速为80km/h.列车采用的是四动二拖六节编组，即Tcp + M + M - M + M + Tcp 或者A+B+C+C+B+A，其中，A代表的是带司机室和受电弓的动车，B代表的是不 带司机室的拖车，C代表的是不带司机室的动车，一般A车位于列车两端。A1 型号最大载客人 22数2592人(9人/m)，A2型号坐席载客量310人，载客量为1860 人(6人/m)。坐席 2载客量为336人，载客量为1860人(6人/m)。A1型车规 格为140米(长)x3米(宽)x3.8米(高)，自重为33吨(A车)36吨(B 车、C车);A2型车规格为139980mm粒 x 3074mm宽)A3型车规格为139980mm (长)x 3074mm (宽)，自重为35吨(A车)38吨(B车、C车)。 该列车为A型车，主要的技术参数如下图所示 列车长度 139980mm 单节车辆长度(跨车钩连接面) 19980mm 车辆宽度 3000mm 受电弓落弓高度 3875mm 车辆高度(不含排气口和空调单元) 3800mm 车辆高度(含排气口和空调单元) 3855mm 转向架中心距 15700mm 车辆地板高度 1130mm 供电方式 架空刚性接触网 额定电压 DC1500V 受电弓工作高度 175-1600mm 3.2转向架设计总体要求 1. 设计的转向架的综合性能要符合国家规定的限界和线路条件，并且要满 足地下铁道运输系统的运用要求。 2. 转向架的运行稳定性良好和曲线通过能力符合要求。 3•按GB5599《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》对转向架的运行 的平稳性 12 中南大学本科毕业设计论文(设计) 的规定:在多种运营速度和空载到满载的任何载荷条件下，转向架的横 向和垂向平稳性指标不得高于2. 5,这样才能够保证车辆运行性能稳定舒适。 4•按GB5599《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的规定执行转向 架的安全性，脱轨系数小于1. 0,轮重减载率不得高于0. 6,倾覆系数不得高于0. 8。 5. 转向架的关键零部件的静强度和动强度符合TB1335《铁道车辆强度设计 及试验规范》的要求。 6. 在满足强度要求的前提下，尽量减轻转向架的重量，使转向架的轻量化 程度越高。 7. 高可靠性和维护性 另外在转向架落成后，应对其单元制动缸管路系统进行气密性试验(采用的 是踏面制动)来保证它能够正常的工作。当转向架落成后也要对它四个单元制动 缸的每一个都要进行动作试验，保证转向架固定轴距两侧之差应小于等于2mm，对 角线之间的差值也应该3mm。在车辆静载荷(自重载荷)恒定的情况下，测量转向 架构架四角距轨面的高度差，高度差应大于等于3mm，测量空气弹簧上平面距轨面 的高度差应大于等于1〇_。空气弹簧左右高度差大于等于〇. 5_。根据轴重的规 定，在同一列动车上每根车轴上所测得的轴重与该车各车轴实际平均轴重之差不 应超过实际平均轴重的2%。每个车轮的实际轮重与该轴两轮实际平均轮重之差不 应超过该轴两轮实际平均轮重的4%。另外我们对转向架自身的重量也是有规定 的:A型车动车的重量不超过8. 0t,拖车不的重量超过6. 0t; B型车动车的重量 不超过7. 5t，拖车的重量不超过5. 5t; C型车动车的重量不超过7. 0t，拖车的重 量不超过5. 0t。 3.3.转向架整体结构 该转向架为A型动车转向架，设计时速为90km/h，运营时速为80km/h.转向 架主要由构架、减振装置、电机驱动装置、一系悬挂装置、二系悬挂装置、牵引拉 杆、中心销座、单元制动器及高度调整阀、速度传感器、接地装置等组成。其中该 构架为箱型焊接结构，有两根侧粱和两根横梁组成的可替换H型构架，由此以来动 车的转向架和拖车的转向架可以达到互换的效果。侧梁两端做成框架形状，框架内 部设有弹簧安装座，用以安装八字形橡胶弹簧。横梁上焊有齿轮箱吊座和电机安装 座。人字弹簧座焊接在侧梁弯臂中，用于安装一系悬挂人字弹簧。人字弹簧座要求 在靠模上定位后焊接，定位要求高。在侧梁弯臂的下箱板下方，设有安装孔，用来 安装垫片以保证轴箱与构架之间的合理间隙。另外在构架上两侧有4个挂 13 中南大学本科毕业设计论文(设计) 架，即每 个侧梁弯臂上有一个，用于起吊构架。此外在构架上还设有各种安装座和吊座(牵 引电机、弹簧等)，用以安装转向架的各种部件。 轴箱是实现论对于构架之间相互连接与相互运动的关键部件，它起到了承上 启下的重要作用。在我们设计的轴箱中，采用的定位方式为八字形(人字形)橡胶 定位。垂向力、纵向力、横向力均由八字形橡胶堆传递。另外车辆采用双列圆柱滚 动轴承。在垂向载荷下，橡胶同时受剪切和压缩变形，改变其安装角度，可得到不 同的垂向和纵向刚度。采用此类一系悬挂的优点是具备无摩擦磨损，重量轻、结构 简单，吸收高频振动和减少噪音等优点，且寿命可达到150万走行公里以上。 二系悬挂包括橡胶空气弹簧、中央牵引销连接装置和抗测滚扭杆弹簧装置等。 各个部件的作用分别是橡胶空气弹簧直接与车体相连负责承载和传递重量;中央牵 引销连接装置负责传递纵向力和横向力;抗测滚扭杆弹簧起到限制车体的测滚的作 用。 牵引杆在车体与转向架构造之间起着传递牵引力和制动力的作用，同时通过橡 胶联接套缓和并减轻传递中的振动和冲击，使力传递平稳。 每个动车转向架的动力装置由两齿轮传动装置及两牵引电机组成。牵引电机 悬挂于转向架构架上，齿轮传动装置安装在具有悬挂作用的吊杆上。牵引电机和齿 轮传动装置由联轴节连接。车辆采用鼠笼式三相异步交流电机，功率190KW，由主 逆变器产生的变频变压三相电流驱动，电机安装在构架上属于架悬式。 14 中南大学本科毕业设计论文(设计) 制动系统包括电制动(再生制动和电阻制动，仅在动车转向架上)和踏面制 动(每个 动车和拖车转向架上各有4个踏面制动单元)，其中两个踏面制动单元 装有附加的弹簧制动 装置，起停车制动的作用。 结构速度 90km/h 最大运行速度 80km/h 轨距 1435mm 转向架中心距 15700 固定轨距 1435 两侧梁横向中心距 2100mm 车轮直径 840mm 轮对内侧距(空载) 1353 轴重 <16t 轮重偏差 < ?2% 一系垂向刚度 1220kN/m 一系横向刚度 3884kN/m 一系纵向刚度 31391kN/m 转向架质量 6. 5t —系悬挂方式 八字形橡胶堆叠层悬挂 二系悬挂方式 橡胶堆弹簧 轴向定位方式 八字形橡胶定位 牵引力传递方式 牵引杆 基础制动方式 踏面制动 联轴器 柔性齿式联轴器 转向架使用寿命 30年 第4章转向架主要零部件设计 4.1构架 15 中南大学本科毕业设计论文(设计) 转向架构架作为整个结构的骨干部分，是能够使转向架传递牵引力和承载各 种力度载荷的结构基础。构架相当于一个连接装置，将转向架的各个零件之间的 相互位置关系和运动关系加以约束。转向架的轮对轴箱装置、悬挂装置(一系的 八字形弹簧装置和二系的橡胶弹簧装置)、牵引装置、电机悬挂及基础制动装置 等都是安装在构架这个基体上，在加上管、线等附属装置，组成一个完整的转向 架。 构架的设计功能及要求: 1. 传递载荷，承受上方的重量并将重量均匀的传递给轮对减少轮对的磨损。 2. 作为一系悬挂个二系悬挂的连接装置为两个悬挂起到了支持作用。 3. 在构架上还有电机等其它部件的安装座，给辅助的零件也起到了支持作 用; 4. 作为重要骨架，构架应具有良好的强度(包括静强度和疲劳强度等)这 样才能保证车辆的安全运行。 为了便于车辆的维修，转向架应该具有以下的特点，重量轻，乘坐舒适， 有优良的强度保证期良好的运行性能。尽量保证转向架的零部件能够尽可能 的减少这样维修费用就会降低低更加利于转向架的易于组装和拆卸(分解)， 给维修工作带来了很大的便利。为了保证要求，我们要测试当车辆在各种情况 下运行时，构架有可能会承受车体重量和转向架上部所有设备重量总和所造成的 的垂向载荷，另外还有当机车在振动时，还会引起垂向附加动载荷，这些可变的 因素也要计算在内;除了垂向的力之外，构架还会承受横向的力，包括列车牵引 与制动时所产生的力。构架也会承受车辆在牵引时产生的牵引力和制动时产生的 制动力;当车辆通过曲线时，构架会受到离心力作用。所以当我们在设计转向架 的时候，一定要将转向架在各种状况下可能发生的情况都考虑进去，将各种状况 下的力的载荷也纳入计算之中。通常还会考虑到以下的几个原则: (1) 要考虑到设计的转向架与其它零部件之间的相互位置关系 (2) 将构架尽可能的设计成等强度的梁，这样既能方便计算，又可以保证获 得最大的强度和最小的自重。 (3) 在我们设计转向架的时候，尽可能将转向架的结构设计成对称的结构， 可以方便我们对其的简化和制造。 (4) 在设计的时候，要注重考查各个梁上的应力，避免造成应力集中过高的 情况。 (5) 在保证了构架的强度之后，我们还要设计好构架的刚度，让构架具有一 定的柔性。 16 中南大学本科毕业设计论文(设计) (6) 要注意焊接应力，将焊接的位置与结构尺寸布置好。 (7) 在构架上要考虑设置机车车辆出轨后使其复位的支撑位置。 我们设计的构架是由钢板压制形成的，经过焊接而形成。在水平面呈现为“H” 字型，为了安装八字形叠层橡胶弹簧，把侧梁和横梁的结构设置成封闭的箱型结 构，并在两侧梁的两端设有倒框。侧架的中部设有橡胶弹簧安装座，用来安装二 系悬挂的弹簧。因为此转向架为架悬式，所以在横梁的中部设有牵引电机安装座。 在横梁的上部装有牵引座，构架上还设有连接抗测滚扭杆、自动高度调整阀及单 元制动机等部件的安装座。 这样设计的优点是:横梁用无缝钢管制成的，以前横梁是钢板焊接结构， 内部设有支承肋板，而本次设计横梁内部没有支承肋板。同时，无缝钢管用 作附加空气室，替代以前转向架用摇枕作附加空气室。侧梁和无缝钢管的焊 接。侧梁与无缝钢管间的焊接是用圆环形板进行加强的，辅助附加空气室位 于横梁两端用来增加体积。 另外我们在主要受力的各个地方包括(轴箱拉杆座、减振器座、旁承座和牵 引电动机悬挂座)都安装了强化的肋板，这样可以保障转向架的强度，刚度和疲 劳寿命。构架的焊接标准按DIN6700进行，焊接的方法主要应用富氩气体保护焊。 构架焊接完成后，各焊缝都要打磨光滑以便消除焊缝表面缺陷，并通过打沙、喷 丸等方式来消除氧化层，焊缝表面缺陷标准按EN25817钢电弧焊接缺陷等级标准 来评定，为保证焊缝的质量，重要部位的焊缝要求进行探伤检查，焊缝按DIN6700 标准进行X光检验，按EN1290的检测标准进行磁粉探伤。另外，为了减少焊接 时产生的残余应力，构架在组装焊接完成后，应改进行退火处理，来减少焊接时 产生的残余应力。 设计好的转向架构架应按标准WC615-4《动车组一转向架与走行部一转 向架构架结构强度试验》来进行构架的静强度和疲劳强度的核算。 17 中南大学本科毕业设计论文(设计) 18 中南大学本科毕业设计论文(设计) 4.2轮对轴箱装置 4.2.1轮对结构 轮对是由一根车轴和两个同型号的车轮组成的，它们的配合方式是过盈配 合属于车辆行走的关键部位件。轮对可以接受的从车辆传来的大部分载荷来支持 车体，为了能够转动前进，轮对还要接受牵引电机所传递的扭矩。另外轮对的强 度也要经过检查和校核，因为当列车在经过非平直位置时(道岔、钢轨接头、曲 线、或者不平整路段时)，轮对也会受到水平和垂向的作用力。为了保证在最高 速和最大载荷的条件下安全运行，我们要确保轮对的强度，同时要减少轮轨之间 的作用力和磨耗。它的主要作用主要包括以下三个方面。 (1) 承受全部载荷和冲击 (2) 与钢轨粘着，这样可以产生牵引力或者制动力控制列车 (3) 轮对滚动使车辆前进。 轮对一般是由车轮、轮心和轮箍构成的。我们所设计的城市轨道车辆的轮对 一般是采用的是没有轮心与轮箍区分的整体车。另外城市轨道车辆的轮对还有动 力轮对和非动力轮对的区别，其中动力轮对上通常装有牵引大齿轮或者齿轮箱。 此次设计的A型车车辆新轮滚动圆直径为840mm，并且采用的是整体辗钢 轮，通过冷压的方式压装到车轴上。它的压装压力范围为650KN?1110KN，从而 保证轮轴之间有足够的压紧力，又不致于轮轴接触部位应力过大，影响轮对使用 寿命。需要换轮时，采用液压工具将旧轮从车轴上退下。另外此次车辆的车轮采 用的踏面形式为磨耗形踏面，踏面是由1: 46、1: 15组成的斜面。 轮对在正常线路状态上运行时，轮圆的内侧距是影响运营安全的一个重要因 素之一。轮缘内侧距有严格的规定:一般铁路标准轮对，内侧距为1353?3mm， 我国地铁车辆轮对的内侧距为1353?2mm。轮缘内侧距应保证在任何线路上运行 时轮缘与钢轨之间具有一定的游间，以减少轮缘与钢轨之间的磨耗。为了保证列 车在不利的情况下不会发生脱轨的情况，我们应该在钢轨上设有足够安全的轮对 踏面搭接量，用以保证安全通过道岔。 在我国，已经将车轴的轴型进行了标准化和系列化，这样可以满足不同车种 和不同车辆的载重要求，标准滚动轴承车轴有RB、RC、RD、RE、RC、RC、 222234RD、RD，该车轴选用1?型。这样可以便于设计制造与维修。 344 在我国的车轮系统中，车轮分有整体车轮和带箍车轮，其中整体车轮按其材 质分又有碾钢轮和铸钢轮，带箍车轮也可分为铸钢辐板轮心、碾钢辐板轮心和铸 钢辐条轮心的车 19 中南大学本科毕业设计论文(设计) 轮。我们设计的转向架车轮采用整体碾钢轮。 整体辗钢轮一般是由踏面、轮缘、辐板和轮毂组成。踏面指的是车轮与钢轨 的接触面，它可以帮助轮对在行进过程中自动调中，也会对离心力造成一些抵抗 作用，是车辆在直线和曲线都能够顺利的通过。一般来说，踏面和轮缘磨损都是 比较严重的。因为踏面与钢轨的接触区域是很明显的属于狭小面积接触，会产生 局部的磨耗。所以我们会采用磨耗形(凹形、曲形、弧形)的轮对。我们此次设 计的踏面是由1: 46、1: 15组成的斜面。 轮对的组装工艺通常有两种，热套和液压套装。热套就是把轮心加热之后套 到车轴上面，把轮箍加热之后在套在轮心上面。而液压套装就是在车轮与车轴拆 装过程之中，通过专门的液压装备向轮座接触面注入高压油。这样能够使得轮座 孔扩张同时施以推力将车轮压入或者退出，我们就是使用的这种方法。 4.2.2轴箱装置 轴箱装置是实现轮对与构架相互连接又相互运动的关键部件，他起着承上启 下的作用。总的来说，它必须具备以下的作用: (1) 活动关节一联系构架和轮对的活动关节。 (2) 传递载荷一传递牵引力、横向力和垂向力 (3) 运动一能够实现轮对与构架之间的垂向运动和横向运动 我们此次设计的车辆采用的双列圆柱滚动轴承，该设计的转向架的轴箱装置 主要由轴箱体、轴箱轴承、轴箱端盖等组成，轴箱体采用高强度的合金钢铸造。 因为列车会产生蛇形运动，所以约束好构架和轴箱之间的关系采用何种轴箱定位 方式对列车的安全行进具有至关重要的作用。 按照轴承类型分，有滑动轴承轴箱和滚动轴承轴箱，城轨车辆均采用的滚动 轴承轴箱，而滚动轴承轴箱又有圆柱滚动轴承、圆锥滚动轴承、球面滚动轴承。 (即调心轴承)。上海 地铁和北京地铁车辆的轴箱轴承都是采用的圆柱滚动轴承。 按照定位方式分类，我们可以分为: (1) 拉板式定位:用特种弹簧钢材制成的薄片形定位拉板，其一端与轴箱 连接，另一端与构架相连。利用薄片拉板在纵横两个方向的不同刚度把轴箱和构 架的相对运动约束在较小的范围，以此来实现弹性定位。由于拉板的上下弯曲刚 度很小，所以对构架和轴箱上、下方向的相对移动约束很小。 20 中南大学本科毕业设计论文(设计) (2) 拉杆式定位(东风4型内燃机车用)拉杆的两端分别于轴箱和构架的 销接，: 拉杆两端的橡胶垫和橡胶套分别用来限制轴箱和构架之间横向和纵向两个 方向上的相对位移，并实现弹性定位。这种定位方式允许轴箱和构架在上下方向 有较大的相对位移。 (3) 转臂式定位(北京地铁车辆DK3和天津轻轨车辆用):转臂式定位又称 弹性铰定位，定位转臂的一端与圆筒形轴箱体固接，另一端的橡胶弹性节点则与 转向架构架上的转臂定位安装座相连接。弹性节点允许轴箱与构架在上下方向有 较大的位移，弹性节点内的橡胶件设计成使轴箱在纵向和横向具有适宜的不同的 定位刚度的要求。 (4) 叠成橡胶弹簧式定位(北京城铁车辆用):在构架和轴箱之间装有压剪 型叠层式橡胶弹簧，其垂向刚度较小，使轴箱相对构架有较大的上下方向位移， 而它的纵向和横向有适宜的刚度，来实现良好的弹性定位。 (5) 干摩擦导柱式定位:磨耗套安装在导柱和支持环上，导柱安装在构架 上，支持环坐落在轴箱弹簧托盘上，导柱插入支持环中，当构架和轴箱之间发生 向上、下的运动时，两磨耗套产生干摩擦，并由导柱与支持环传递纵向力和横向 力来实现定位作用，再通过轴箱橡胶垫产生不同方向的剪切变形，来实现弹性定 位。 在我们次次的设计轴向过程中，采用的是八字形橡胶堆定位装置，垂向力、 纵向力和横向力均由八字形橡胶堆传递。该橡胶堆有三向弹性特征，并且可以根 据需要进行设计。通常kl: k2: k3=l: (2-2.5) : (10-12)，即垂向刚度kl 最小(均为纯剪的1倍)，纵向刚度kz最大。，在垂向载荷作用下，橡胶同事受 剪切和压缩变形，改变其安装角度，可得到不同的垂向和纵向刚度，此装置的安 装角度为10度到11度，另外它的优点可以总结为无摩擦磨损，重量轻，结构简单， 21 中南大学本科毕业设计论文(设计) 吸收高频振动和减少噪音等特点，寿命可以达到150万走行公里以上。 4.3弹性悬挂装置 铁路接车车辆通常采用的弹簧种类有:圆弹簧、板弹簧、橡胶弹簧及空气弹 簧。但在现代机车车辆上板弹簧由于结构复杂且笨重，已经被取缔，很少使用。 圆弹簧和橡胶弹簧经常被用作一系悬挂，空气弹簧则被广泛的应用于第二系悬挂 (取代旁承)。 铁路机车车辆一般来说采用的减震器基本上包括液压减震器、摩擦减震器。 我们这里采用的是液压减震器。所谓的一系悬挂是指在构架与轴箱之间设有第一 系簧的弹簧悬挂，一般用于低速和中速的机车车辆。二系悬挂则是指既有第一系 弹簧，还在构架与车体间设有第二系弹簧的悬挂，适用于中速和高速机车车辆。 我们采用二系悬挂的目的是可以减少弹簧装置的合成刚度，增加其总的静挠度， 以改善机车车辆在铅垂方向的运行平稳性和减少机车车辆对线路的动作用力。 4.3.1 —系弹性悬挂装置 此次设计一系悬挂为八字形叠层橡胶弹簧，被安装在轮对轴箱和构架之 间，它是由多层橡胶和钢板经硫化而制成的弹性元件。另外动车和拖车转向架一 系弹簧形式相同。只是动车和拖车转向架的人字弹簧刚度系数不同。动车转向架 一系簧刚度(一组):1150N/m?6%拖车转向架一系簧刚度(一组):1050N/m-8%。 4.3.2二系弹性悬挂装置 ; 二系悬挂安装在转向架与车体之间。采用橡胶弹簧作为二系悬挂装置。 主要的零部件包括空气弹簧、横向止挡、高度调节阀、横向和垂向油压减震器、 抗侧滚扭杆等。而且一般来说，橡胶弹簧只作压簧和扭转簧。因为在拉伸时，橡 胶对局部缺陷的表面拉伤反应十分明显。 橡胶弹簧的特点是结构简单重量轻;减震性能好，特别是能够吸收高频振动， 并且频率越高，阻尼越大(原因:振动时，橡胶变形导致内部分子发生内摩擦从 而导致热量的消耗)通常被人为其相对阻尼系数D=0. 03-0. 05;维护简单，不必 经常检查(不存在像金属弹簧那样突然折断的可能性);橡胶弹簧不稳定在温度 高的情况下会造成老化，在温度低的情况下会造成脆化，并且它的制造工艺比较 复杂。 橡胶弹簧的性能指数计算: 垂向刚度的计算:橡胶弹簧的弹性刚度(变形)与其初始形状有关。 对于一般弹簧 来说，载荷P与刚度k，挠度AA之间符合胡克定律。 k=p/ Ah, 22 中南大学本科毕业设计论文(设计) 而对于橡胶弹簧，载荷=压力x承载面积。 ?=SXA L 且橡胶元件在简单拉伸和压缩变形时，其应力3与应变e之间的关系式为: 公式中，e = A/z/h，AA为橡胶弹簧变形量即挠度，h为橡胶弹簧厚度。 该公式在拉伸应变小于20%和压缩应变小于50%这个重要的工程应用范围内 有足够 的精确度。从橡胶弹簧承受疲劳强度考虑，一般应变量均控制在e〈15%， 由此可以近似 地取:3 于是有:P=EeA=E4 (A/?A) 故:k=E 4 /h 对于中孔圆柱形橡胶弹簧的刚度k的计算: 2承载面积 4 = ;r(r - r,) 2 自由扩胀面积、 A = 27ii{r +r) Fx2 面积比 5 = r - ^ ) /(2/〇 2 2垂向形状修正系数 // = 1.2(1+ 1.65S) z:jy =1/|1 + (/^)叫 横向形状修正系数 2 Jx 垂向刚度 k z= juEA!h (受压) L= 横向刚度 = jGA/h C受m) K =K xL 橡胶弹簧的应力校验 压应力 0 =尸/4<[<| 剪应力r=Q/4