转向架重要承载结构电测试验并评价其动力学性能毕业论文.docx

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转向架重要承载结构电测试验并评价其动力学性能毕业论文

摘要

随着我国现代经济的高速发展,为提高铁路运输能力,货运列车一直在向“重载”方向发展。

由于高速、重载,铁路车辆动负荷加剧,车体钢结构过早疲劳损坏现象不断发生。

车辆关键部位疲劳开裂的主要原因为车辆振动造成的疲劳破坏,这就有必要考虑车辆运行过程中动力学问题。

本文综述了国内外重载运输的发展现状,分析了国内外现有重载货车转向架的结构特点和性能,并以K6型转向架为研究对象，对其摇枕弹簧进行电测试验并以试验结果评价其动力学性能。

试验分为空重车两种状态下有无摇枕弹簧作用四种情况，通过在车体上安装传感器接收电信号，并使用DH5922动态测试分析系统采集到各组加速度值。

使用origin软件对所得结果进行处理，各组情况对比分析得到加速度时域分析图。

最后，通过所得曲线的拟合，得到经验公式，可对不同速度下的加速度值进行预测。

论文研究结果表明,当车辆速度达到20km/h后，摇枕弹簧垂向减振效果明显。

关键词:

重载货车转向架车辆动力学试验加速度

Abstract

WiththerapiddevelopmentofChina'smoderneconomy,toimprovetherailwaytransportcapacity,freighttrainshavebeento"heavyload"direction.Duetothehigh-speed,heavy-duty,railvehiclesdynamicloadincrease,prematurefatiguedamagephenomenonofsteelbodycontinuestooccur.Fatiguefailureofkeypartsofvehiclesmainlyduetofatiguecrackingcausedbyvehiclevibration,whichisnecessarytoconsidertheproblemsofvehicledynamicsduringvehicleoperation.Thispaperreviewsthecurrentdevelopmentofdomesticandforeignheavytransportandanalyzesthestructuralcharacteristicsandperformanceofexistingheavy-dutytrucks’bogieathomeandabroad.WithK6bogietypeforthestudy,doelectricaltestingexperienceforitsbolsterspringandusetheresultstoevaluateitsdynamicperformance.Thetestisdividedintotwokinds，emptyorheavyandwhethertheactionofthebolsterspringspresence.ReceiveelectricalsignalsbysensormountedonthevehiclebodyandusedynamictestingandanalysissystemDH5922collectedaccelerationvaluesineachgroup.Originsoftwareisusedtodealwiththeresults.Comparativeanalysisofthesituationineachgroupgetaccelerationtime-domainanalysischart.Finally,throughthecurvefitting,wegetempiricalformulas,whichcanpredictaccelerationvalueunderdifferentspeeds.Thesisresearchresultsshowthatwhenthevehiclespeedreaches20km/h,bolsterspringverticaldampingeffectisobvious.

Keywords:

heavydutytruckbogievehicledynamicstestacceleration

第一章绪论

1.1选题背景

自18世纪第一次工业革命以来,人类文明有了突飞猛进的发展。

特别是从20世纪中叶到21世纪初,相对稳定、和平的世界格局使各个国家深入学习新理论、钻研新技术,积极发展本国经济,以期跻身于世界强国之列。

这时,各国和各地区之间经济和贸易往来更加频繁,国内和国际间的商品交换和资源合理分配在一定程度上促进了人类运输方式的发展。

目前,现存的主要运输方式有:

公路、铁路、航空、水运、管道等。

铁路运输是一种古老的运输方式,它运量大,连续性强,行驶速度较高,运费较低,污染少,运行一般不受气候、地形等自然条件的影响,适用中长途客货运输。

但是,早期的铁路运输模式落后,速度慢,运量低,还受到线路的限制,至使铁路运输经济效益低,曾面临着被其他运输方式取代的危险。

因此铁路行业只能不断谋求自身发展,才能够适应经济社会的高速发展。

当今世界铁路运输发展的两个主要方向是高速和重载。

世界各国均投入大量精力开发运用高速客车、快速货车和重载货车。

就铁路货运而言,发展重载运输是铁路运输扩能提效的有效措施,也是缓解经济发展带给铁路运输压力的重要途径。

自20世纪中叶以来,发展铁路重载运输得到了世界上越来越多国家的重视,铁路重载运输在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭、矿石等大宗货物运量大的国家发展迅速。

我国国土面积辽阔,各种自然资源丰富,特别是煤炭资源的储蓄量很大。

据统计,煤炭资源在全国一次能源生产和消费中的比重一直保持在70%左右。

但是我国资源分布和工业布局又呈现出分配不均衡的特点。

煤炭和矿石资源大都分布在西部和北部,而消耗这些物质能源的工业都位于东部、南部地区。

煤炭、矿物和钢铁等货流稳定,流向集中为我国铁路发展重载运输提供了良好的市场。

据统计,在各种运输方式中,铁路承担了70%以上的煤炭运输量。

为了满足我国经济持续发展的需要,国家必须加大开行重载列车力度,提高货物列车的性能,与世界重载运输接轨。

然而，与此同时,货运重载伴随的矛盾日益凸显,例如:

高速重载与线路构造、车辆强度、运行平稳性、车辆构造状态之间的矛盾,高速重载带来的振动加剧和作用力增大现象所引起的车辆和线路之间的矛盾等。

由于高速、重载,铁路车辆动负荷加剧,车体钢结构过早疲劳损坏现象不断发生。

车辆关键部位疲劳开裂的主要原因为车辆振动造成的疲劳破坏,这就有必要考虑车辆运行过程中动应力问题。

K6型转向架是我国火车主力转向架之一，对该转向架重要承载结构进行电测试验并以试验结果评价其动力学性能，对于推进转向架研制和应用水平，保障铁路运输的安全健康发展均具有重大的现实意义。

1.2国外铁路货车转向架现状

世界各国铁路货车转向架主要分两大模式[1-3],一种是以北美、前苏联为代表重视载重、初始制造成本并要求维修、制造简便,但较为笨重的“三大件”式铸钢转向架,其采用摇枕弹性定位而轴箱无弹性定位的形式。

另一种以欧洲为代表,侧重速度、轻巧的焊接构架式转向架,采用无摇枕整体构架和轴箱弹性定位形式。

20世纪70年代前,Barber:

型转向架是美国标准货车转向架阵[4],其占美国铁路货车转向架的70%以上,其为典型的三大件式,结构与转8A相同。

20世纪70年代,美国高速铁路货车发展迅速,美国铁路货车随着载重和运行速度的逐步提高,发现Barber型转向架铸钢三大件式货车转向架运行性能不良,货车轮缘磨耗严重,限制了运行速度的进一步提高,为此美国铁路部门先后推出了交叉支撑转向架和摆式（Swing-Motion）转向架。

美国货车转向架虽有各种类型,但基本上都是铸钢三大件式或是其改进型。

由于铸钢三大件式转向架具有结构简单、车轮均载性好、检修方便、制造成本低等优点,因此一直是北美铁路的标准货车转向架。

除此之外,美国铁路的主要转向架还有控制型（RideControl）转向架、Barber-scheffel径向转向架、DR-1型和DR-2型径向转向架[4-7]。

在美国铁路的各型转向架中,运用性能满足120km/h及以上速度的转向架。

交叉支撑转向架属于三大件式转向架的改进型件[8-9]。

SCT公司从1976年开始根据用户提出的严格标准进行侧架交叉支撑装置的设计、试验和运用分析,1986年开始装用。

新造的和改造型的侧架交叉支撑装置,设计应用于载重100t货车,也用于载重70t和125t的货车,主要车型有:

小汽车运输车、关节式平车、双层集装箱车、端墙平车、罐车、煤车、矿石漏斗车、敞车、棚车等。

美国伯灵顿北方铁路公司（BN）于1984年-1986年对装用侧架交叉支撑装置的运煤车进行了运行试验,结果表明:

车轮磨损率约减少75%,总的车轮磨损率比传统三大件式转向架的一半还少。

受机车速度限制,试验以近128km/h最大速度运行时,试验车辆没有出现蛇行运动,横向和垂向加速度明显减少,整个试验过程均保持良好的运行稳定性。

摆动式转向架是由美国NACO公司（国民铸钢公司）设计开发的[6-9],20世纪70年代装用摆动式转向架的货车在加拿大和美国即开始投入运用。

1970年-1979年共生产736辆,1983年一1990年共生产778辆,主要是小汽车运输车、隔热棚车、平车、守车、集装箱车等。

1991年以来,生产量较多,至今共有约3.5万辆货车（其中包括出口泰国的249辆）,以载重量为70t、100t和125t的双层或三层小汽车运输车为最多。

这种车辆要求运行速度高,平稳性好。

除美国外,加拿大铁路从1988年开始装用侧架交叉支撑装置,1991年开始大批装用。

加拿大太平洋铁路公司1998年共有1600辆装用侧架交叉支撑装置转向架的运煤货车。

该交叉支撑装置装于载重100t货车的BarberS-2或BarberS-2-HD转向架上[4-5],主要目的是将IO0t运煤货车提高到110t增载运输,并改善车轮踏面的剥离现象。

该载重110t运煤货车在山区以最高80km/h速度运行,在平原以最高96km/h速度运行。

根据7年来的运用及检查、维修情况来看,转向架各部磨耗大为改善。

Y25型转向架是法国铁路部门于60年代开发研制成功的一种焊接构架和一系悬挂的货车转向架[8-10]。

由于其性能理想,国际铁路联盟UIC将其确定为欧洲铁路的标准货车转向架,其运行速度为120km/h,Y25原型转向架由于采用整体式焊接构架,且立板为单幅板的形式,故具有重量轻、柔性好的特点,但对焊接工艺的要求较高。

构架式的采用使一系悬挂采用轴箱螺旋钢簧加单侧顶柱式利诺尔摩擦减振器的方式成为可能,这样簧下重量仅为轮对和轴箱,可以大降低轮轨间的相互动力作用。

TF25型转向架是英国研制的整体构架式货车转向架[8-10]。

TF25转向架和传统货车转向架有较大区别,轴箱悬挂采用了类似客车转向架的结构,如轴箱顶簧悬挂、一系液压减振器、转臂式轴箱定位装置等。

采用这种悬挂方式使轴箱结构大大简化,可有效地降低簧下质量,实现了无磨耗设计。

转向架采用由侧梁和横梁组焊的整体焊接构架,侧梁由上、下盖板和单腹板组成,横梁由上、下盖板和双腹板组成箱形结构。

TF25转向架采用中心销牵引,车体的全部载荷由位于横梁左右两端的弹性旁承承载。

TF25转向架的基础制动装置为吊挂式单侧踏面制动。

从TF25转向架的结构来看,突破了传统货车转向架的基本框架,借用了许多客车转向架的结构,有利于改善转向架的动力性能,由于悬挂装置无磨耗,减少了转向架的维修工作量和维修成本。

目前,TF25转向架己开始在集装箱平车、自卸车等货车上得到应用。

DB-661型转向架是德国研制的一种采用焊接构架一系板簧轴箱定位的货车转向架,该转向架运行速度是120km/h,也是国际铁路联盟（UIC）标准转向架[12-13]。

DRRS也是德国开发的一种焊接构架、轴向橡胶弹簧悬挂和单侧顶柱式摩擦减振器定位的货车转向架,当运行速度为120km/h时,采用双侧踏面制动,运行速度160km/h,采用盘形制动。

该转向架是在Y25型转向架的基础上采用双层圆环形橡胶弹簧进行轴箱定位,利用橡胶弹簧的非线性特点来保证空重车性能,并以横向柔性定位来改善曲线通过性能。

该转向架目前主要用于集装箱平车和公铁两用车,其最高试验速度达到230km/h。

在南非,德国人HerbertScheffel博士在70年代初期根据南非铁路曲线多的特点,在三大件式转向架的基础上开发出了著名的Scheffel自导向径向转向架[11]。

Scheffel自导向转向架是在传统三大件转向架的基础上,用一根弓形梁将每轮对的左右两侧联系在一起,组成一个副构架,再用两根对角斜撑连杆将前后副构架联系在一起,形成自导向机构。

为了能受到较好的自导向效果和降低簧下质量,Scheffel转向架在承载鞍和侧架之间加装了橡胶垫。

该转向架最高运行速度为120km/h,经过多年的试验后表明,其具有良好的曲线通过性能和轮缘磨耗较小的特点。

Scheffel转向架虽然改善了曲线通过性能,仍存在三大件转向架的固有的缺点,并未针对转向架菱形变形大的问题采取相应的措施。

加装副构架后,也加大了转向架的簧下重量,所以Scheffel转向架适用在对速度要求不太高、曲线较多的线路上运行。

在南非,Scheffel转向架主要用在运煤重载专用车上。

除此之外还有意大利的Fiat转向架、日本RT-X4型等转向架,其速度在120-160km/h。

SJ型转向架是瑞典的ABBTRACTION公司于1983年开始研制并开发成功的一种采用三大件模式的高速货车转向架[23],其最高运行速度为160km/h。

俄罗斯现有货车基本全部为三大件转向架,该转向架基本结构与转8A基本相同,临界速度为90km/h。

1.3国内铁路货物列车转向架现状

我国铁路建国前货车转向架主要采用美国、日本进口的30t拱板型转向架,如转15、转16。

另有少量30t、40t铸钢转向架,如转1、转2型。

建国后借鉴前苏联货车转向架自行设计制造了50t的转3、转4及60t的转5、转6、转8,同时还先后研制了曲梁式转9型等。

转8A转向架是在美国Barber型转向架的基础上结合我国实际情况研制的[15-17]。

1964年,原齐齐哈尔车辆工厂和铁道部科学研究院等有关单位根据生产、运用、检修和科研方面所反映的意见,对转8型转向架进行了改进设计。

改进后的转向架1966年通过铁道部鉴定,定名为转8A型,又名新转8。

其为铸钢三大件形式,具有结构简单、检修方便、对线路适应性好,是我国上世纪主型货车转向架,目前已运用30多年。

转8A转向架设计构造速度是100km/h,运用磨耗后,其实际运行速度空车在70km小左右,重车在80kl可h左右,上世纪末,为了适应我国国民经济建设迅速发展的需要,我国铁路自1997年起至今已进行了六次客运列车的大提速,主要铁路干线提速区段的最高运行速度己达140-160km/h,今后我国铁路旅客运输还将进一步全面提速。

由于我国铁路网基本上是客、货共线运输的铁路网,随客运速度的提高,要求货运速度相应提高,只有客、货车运行速度合理匹配,才能提高铁路运输的整体经济效益,更好地发挥铁路运输在我国国民经济发展中的作用,因此,从上世纪90年代中期,我国开展了转8A改造及开发各种新型货车转向架。

转8AG转向架是齐车集团采用从美国引进交叉支撑技术,在老转8A基础上,在两侧架之间加装弹性下交叉支撑装置、采用双作用常接触弹性旁承及两级刚度弹簧、加装心盘磨耗盘来进行改造[12]。

改造后转向架采用老侧架改造的为8AG,采用新侧架的为转8G。

转8AG、转8G运用后发现交叉杆盖板产生裂纹等缺陷,加之其运行速度为100km/h,达不到提速要求,因此未全面展开。

目前我国对装用转8A转向架货车进行的提速改造,实际采用的是换装转K2转向架。

转Kl、K2转向架是齐车集团采用从美国引进交叉支撑技术[18-22],重新研制的转向架。

转Kl为中交叉支撑转向架,1998年12月,该型中交叉支撑转向架装于P65型行包快运货车,由于两交叉杆须穿过摇枕,其侧壁需开孔,检修不方便,因此只生产了50辆。

转K2转向架为下交叉支撑转向架,两交叉杆不须穿过摇枕,便于检修。

2004年开始,结合货车厂修对既有货车进行换装转K2型转向架120km/h的提速改造,当年完成3万辆。

2005年开始在各货车修理厂及全路各车辆段进行全面转K2转向架提速改造,到2008年底共66万辆货车装用转K2型转向架。

转K2型转向架以已成为我国的主要转向架。

转K4转向架是株洲车辆厂通过与美国ABC-NACO公司合作,在美国摆式（Swing-Motion）转向架基础上进行改进研制的。

转K4转向架结构上属于铸钢四大件式转向架,既在原摇枕、侧架三大件基础上增加一个横向弹簧托板,左右侧架成为可以左右摆动的吊杆,悬挂系统为二系二级刚度摇枕弹簧,该结构使其垂向、横向都具有两级刚度特性。

以上转向架运行速度都在120km/h,轴重21t。

除21t转向架外,随着重载运输发展,我国先后研制了多种形式的轴重载货车转向架。

目前已定型的25t轴重转向架是齐车集团在转K2基础上研制的转K6转向架[18],株洲厂在转K4基础上研制的转K5转向架[23]。

这两种转向架运行速度为120km/h,已开始在全国推广使用,将会是今后我国主型货车转向架。

除转K4外,株洲车辆厂还研制了运行速度120km/h转K3型构架式货车转向架。

转K3型转向架采用焊接整体构架、轴箱多级刚度的一系悬挂、双斜楔摩擦减振器、球面心盘、弹性常接触弹性旁承等技术。

该转向架最高线路实验速度达140km/h。

此外,为了满足大秦线开行2万吨运煤专列的运输需求,原眉山车辆厂根据2004年铁道部科技研究开发计划进行了25t轴重副构架转向架的研制。

2007年8月24日,25t轴重副构架转向架通过了铁道部科技司和运输局组织的技术审查。

2007年9月,铁道部运输局装备部以运装货车电[2007]2602号文的形式将25t轴重副构架转向架定型为转K7型转向架[14]。

1.4本文主要研究内容

（1）巩固《车辆工程》课程中转向架相关章节的内容的掌握，熟悉K6转向架结构的结构特点。

（2）学习加速度等物理量电测技术的原理和方法。

（3）根据《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，设计K6型转向架摇枕弹簧垂向减振效果测试方案，完成传感器、测试仪器选择、安装、布线、连线、数据采集与分析。

得出垂向加速度水平，评估弹簧垂向减振效果；分析加速度与车辆运动速度、车辆载重的关系，并对试验结果做出评价。

第二章试验仪器的选择

2.1传感器的选择

2.1.1传感器选择的重要性

在航空、航天、车辆、机械、土木、化工等工程领域,机械振动和结构动力学问题日益突出。

振动测试和动态分析已成为机械、结构产品研究、设计、生产和使用、维护中不可或缺的重要手段。

随着测试技术向数字化、智能化和计算机化方向的发展它们发挥着愈来愈重要的作用。

而振动传感器的选择,是振动测试中首先要考虑的问题[24]。

振动试验中，我们对控制点、监测点等的振动量值都是通过传感器采样得到的，该数值的正确性、可信性，直接影响到对试验的结果判定。

如果控制点所得到的数值不真实，则不能真实反应样品的质量信息，达不到预期考察样品“抗振”的试验目的；如果监测点所得到的数值不真实，监测的作用就失去了应有的作用，达不到监测振动台面和样品某薄弱环节的作用，甚至会带来不必要的错误改进。

因此，影响振动试验中振动量值的正确获得，除了与传感器的安装位置、．样品的安装等外，还跟传感器的技术指标有关，它是得到振动量值的最直接也是最重要的单元之一[25]。

2.1.2传感器的分类

由于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。

有的是将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化，有的是将机械振动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。

因此，振动传感器的类型按机电变换原理可分为：

①电动式、②压电式、③电涡流式、④电感式、⑤电容式、⑥电阻式。

根据测量结果的表达方式的不同，一般可分为加速度、速度和位移传感器。

在给定频率下,加速度、速度与位移之间的幅值相差一个圆频率因子,相位差90b。

在测量系统中,可通过积分电路由加速度得到速度,由速度得到位移。

但是由于三类传感器原理构造的不同,使用范围的差异,在特定情况需选择恰当的传感器类型。

2.1.3传感器的确定

因本试验目的是评估垂向减振效果，加速度可以形象描述物体振动的快慢，故选用加速度传感器。

而压电式加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。

所以本试验中可选择一种压电式加速度传感器。

综合考虑灵敏度、安装谐振频率、传感器质量、动态范围、使用环境及经济因素，最终选择美国Wilcoxon加速度传感器，型号786A如图2-1（a）、784A如图2-1（b）。

2.2加速度传感器的布置方法

试验初期，经考虑试验内容做出两种传感器的布置方案备选。

方案一：

选择每种型号传感器各两个。

分别在车辆横向左右两侧的侧架和车体上垂直粘贴。

布置在侧架上的加速度传感器测量的加速度值为无摇枕弹簧作用的结果，布置在车体上的传感器测量的加速度值为有摇枕弹簧作用的结果。

通过所得两种不同位置的加速度值的对比，评估摇枕弹簧的垂向减振效果。

方案二：

选择每种型号传感器各两个。

分别在车辆横向左右两侧车体上垂直粘贴两个。

通过调节车体的高度，将转向架完全承载车体重量视为无摇枕弹簧作用时情况，将摇枕弹簧完全承载车体重量视为有摇枕弹簧作用时的情况。

通过两种不同情况下的加速度值的对比，评估摇枕弹簧的垂向减振效果。

比较以上两种方案：

方案一，优点是步骤简单，可同时测出有无摇枕弹簧作用时的加速度，直接比较弹簧减振效果。

缺点是侧架和车体上分别用两个传感器，使得测试点数量少，且会因为布置在不同结构上引起误差。

方案二，优点是传感器均布置在车体上，降低因布置结构的不同而带来的误差。

且每种情况下测试点为四个，数量有所增加，可增加测量结果的准确性。

缺点是试验步骤增加，需做两次试验方可比较摇枕弹簧的减振效果。

综合分析，考虑到试验的准确性及弹簧的减振最终目的为乘客的舒适及货物的安全平稳，将传感器均布置在车体上较为合理。

故选择方案二。

2.3试验仪器

2.3.1DH5922动态信号测试分析系统

本试验所用的信号测试分析仪器为江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH5922动态信号测试分析系统。

该系统准确度:

小于0.5％（F.S）（预热半小时后测量）;系统稳定度:

0.05％/h（同上）;失真度:

不大于0.5％;最大分析频宽:

DC～50kHz。

可实现多种形式传感器同时接入，多通道多参数同步测量；包括直流电压放大器、低通滤波器、抗混滤波器、16位A/B转换器、以及采样控制和计算机通讯的全部硬件，而且提供了充分考虑用户方便操作本系统所需的控制软件及分析软件，是以计算机为基础、智能化的动态信号测试系统。

且该系统曾成功应用于京沪高铁CRH380AL动车组线路振动及模态试验项目，故应用它足够测得本试验所需数据。

DH5922动态信号测试分析系统见图2-2。

2.3.2试验数据处理软件

Origin是美国OriginLab公司开发的图形可视化和数据分析软件，是科研人员和工程师常用的高级数据分析和制图工具。

Origin自1991年问世以来，由