轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型设计.docx

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轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型设计

西南交通大学

本科毕业设计（论文）

轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型设计

年级:

2011级

学号:

20116514

姓名:

文江剑

专业:

铁道车辆

指导老师:

崔大宾

2015年6月

院系机械工程系专业铁道车辆

年级2011姓名

题目轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型设计

指导教师

评语

指导教师（签章）

评阅人

评语

评阅人（签章）

成绩

答辩委员会主任（签章）

毕业设计（论文）任务书

班级2011级铁道车辆（3）班学生姓名文江剑学号20116514

发题日期：

2014年11月20日完成日期：

2015年6月8日

题目轨道车辆立体综合试验线转向架比例模型设计

1、本论文的目的、意义进入21世纪以来，我们国家的工业不断进步，人民生活水平不断提高，人们对自己的出行要求也不断增多。

如何能够快速、安全、舒适的把人们安全地送到他们的目的地，成为我们关注的一个问题！

随着出行人数的不断增加，大巴车和飞机已经不能满足而普通列车也不能满足人们的要求，所以在交通部门领导的重视下，高铁动车组不断发展，不断的代替了传统的出行工具，正飞速的发展。

这些年来，我国先后发展了206/207/209系列、CW-200、PW-250、CW-300、SKMB-200、SKMB-250、SKMB-300、SKMB-400等多种转向架以适应列车在高速环境下行驶，并对转向架的技术提出了越来越高要求。

为了缩短转向架的生产周期，确保我们生产的转向架一上路就可以发挥作用，轨道车辆立体综合试验线转向架比例模型设计应运而生，它可以让我们生产的转向架经过成千上万次的电脑仿真模拟之后达到最终的成品，提高材料的利用率，同时也提高产品的质量，正品率！

为我们赢得国际声誉，为我们的高铁外交赢得信心！

2、学生应完成的任务

（1）、相关文献的查阅

（2）、开题报告说明书

（3）、1:

5CRH2型转向架比例模型设计

（4）、完成比例模型转向架的设计装配图及构架的零件图

（5）、通过ANSYS分析比例模型转向架是否满足刚度及强度要求

（6）、毕业论文写作

（7）、外文翻译

3、论文各部分内容及时间分配：

（共16周）

第一部分论文相关文献的查阅及外文资料的翻译（3周）

第二部分1:

5CRH2型转向架比例模型设计（3周）

第三部分完成比例模型转向架的设计装配图及构架的零件图（2周）

第四部分通过ANSYS分析比例模型转向架是否满足刚度及强度要求（3周）

第五部分数据的分析及论文的撰写（3周）

评阅及答辩论文的检查和修改（2周）

备注《车辆系统动力学》、《PROE动力学分析基础教程》、《车辆工程》

指导教师：

崔大宾年月日

审批人：

年月日

摘要

随着新一届政府领导班子的上台，李克强总理的“高铁”外交成为全世界关注的焦点。

中国的高铁在全球扮演着越来越重要的角色，这就需要我们新一代的铁路人必须严格要求自己，同时不断提高我们在铁路上的研究水平。

这就催生了我们必须重视轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型的设计。

这就是我们课题研究的重要意义。

1:

5CRH2转向架比例模型的设计，是本课题研究的重点。

通过相似实验的相关分析方法，在建立起数学模型的基础上，采用数值计算分析方法。

通过1:

5的转向架模型近似模拟1:

1转向架在实际运行中的真是数据。

根据CRH2型动车组转向架的结构特点，运用SolidWorks建立实体模型，绘出CRH2型转向架的装配图与构架的零件图。

然后将构架等零件的实体模型导入ANSYS进行有限元分析，看它们是否满足刚度及强度要求。

关键词：

相似实验；数值计算分析方法；SolidWorks建模；ANSYS有限元分析

Abstract

Asanewgovernmentleadership,primeministerlikeqiang,"high-speedrail"diplomaticbecomethefocusofattentionallovertheworld.China'shighironplaysamoreandmoreimportantroleinthewholeworld,thisneedsustoanewgenerationofrailwaymustbestrictwiththemselves,andconstantlyimproveourlevelofresearchontherailway.Thisledtotheusmustpayattentiontorailwayvehiclescomprehensiveexperimentlinebogieproportiondesignofthemodel.Thisisourimportantresearchsignificance.

1:

5CRH2truckscalemodeldesign,itisthefocusofthistopicresearch.Throughcorrelationanalysismethod,similartoexperimentonthebasisoftheestablishedmathematicalmodel,usingnumericalanalysismethod.Through1:

5bogiemodelapproximate1:

1bogieisinactualoperationdata.AccordingtothestructuralcharacteristicsoftypeCRH2emubogie,useSolidWorkstoestablishsolidmodel,drawtheCRH2typebogieassemblydrawingandpartdrawingofthearchitecture.ThenputtheframeandotherpartsofthesolidmodelintoANSYSfiniteelementanalysis,seeiftheymeetthestiffnessandstrengthrequirements.

Keywords:

Similarexperiments；numericalanalysismethod；SolidWorksmodeling；ANSYSfiniteelementanalysis

第一章绪论

1.1研究背景及意义

随着国家的不断发展，高铁经济在国民经济中占有的比例越来越高。

高铁的不断普及，也带动了当地经济的腾飞。

政府相关部门也越来越重视高铁的发展，高铁发展最重要的就是转向架技术的提高，这就是本课题研究的背景。

轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型的设计与研究就越发的重要。

新一届政府领导班子的上台，李克强总理的“高铁”外交成为全世界关注的焦点。

中国的高铁在全球扮演着越来越重要的角色，这就需要我们新一代的铁路人必须严格要求自己，同时不断提高我们在铁路上的研究水平。

这就催生了我们必须重视轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型的设计。

轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型的设计对机车车辆动力学试验有着重要的意义。

转向架比例模型的设计的意义是相对于传统的机车车辆动力学试验——线路实验而言，它有周期短、成本低、不会影响正常的列车运行等优点。

而且相对于1:

1的转向架比例模型，1:

5的小比例转向架模型也有着成本低，工程量小的优点。

只要可以通过数学模型，找到相应的数学关系，我们可以通过数值分析法，相似试验的原理得到近似的实验结果。

因此，1:

5转向架比例模型的设计对我们研究车辆系统动力学，尤其是车辆稳定与安全方面有着重要的意义。

1.2国内外研究现状

目前，日本、德国等国家都在1:

1的转向架比例模型设计上做了相应试验研究，但是，就目前的情况来说，我们建造一个比例完全按照转向架现有尺寸而成的现代化的轨道车辆立体综合实验县转向架模型，无论是对一个科研团队还是对国家研究项目小组甚至是对一个国家来说都是一个比较大的经济支出，而且也没有必要浪费。

我们完全可以花更少的钱去完成相同的事情，所以，研究比例小的比例模型综合实验台受到相关部门的重视，而且越来越多的科研部门都着手开始研究这个项目。

我们国家在兰州、成都、上海等铁道相关院校都有这个项目的研究。

这个项目的研究对于我们了解车辆运行性能，特别是动力学性能，影响车辆运行的安全性，舒适性等方面都有着重要的意义。

这种不是全尺寸1:

1的转向架比例模型研究取得成功的关键就是要建立全尺寸跟我们需要建立的1:

5的比例模型之间的数学模型。

使他们可以近似的相似从而达到替代和我们需要的是要效果，为我们研究车辆系统动力学做出相应的科研成效。

1.3研究本课题的方法、目标和内容

本课题名为轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型设计顾名思义就是完成转向架比例模型设计。

这次课题研究的主要内容就是更具现有的2型车转向架结构作为基准设计出满足转向架运行性能的1:

5的试验台转向架。

同时完成现有转向架的测绘，建立转向架三维模型，保证转向架比例模型的强度要求，绘出相应的工程图纸。

我们的目标是通过自己的设计可以满足转向架正常走行功能及各种强度要求。

可以通过我们的设计达到轨道车辆立体综合实验线转向架比例模型设计的意义——通过不是全尺寸的缩小的比例模型试验台转向架来替代全尺寸的转向架在轨道车辆综合实验线上的运行试验，从而得出一样的实验结果供我们进行车辆运行品质方面的研究。

使我们设计的转向架可以给乘客带去安全、舒适、便捷等实用性能。

我做这个课题研究的方法是通过老师的建议考虑到我们现在还没办法独立完成转向架各个方面的研究设计，所以，我借鉴我们学校东坡轨道车辆实验室里面的2型车模型作为参考，通过所学的三维软件SolidWorks建立我们学要的1：

5转向架比例模型。

再查阅资料，通过自己的设计满足转向架比例模型的走行功能及各种强度要求。

通过ANSYS有限元分析完成转向架的疲劳强度分析以及构架的应力应变分析。

最后通过SolidWorks画出转向架比例模型的装配图以及构架的零件图导入AutoCAD进行修改以满足机械制图相应的国标要求。

第二章转向架功能及组成介绍

2.1转向架的功能

学车辆的同学们肯定都知道转向架对于列车的重要性，就好比人的心脏一样。

如果一组列车的运行要想从根本上提高就必须从转向架上下手。

转向架它不仅仅是列车的重要组成部分更是列车运行品质，动力学性能以及运行安全的重要考量。

转向架对于车辆来说是必不可少的一部分，当然它就得有一些不可或缺的功能。

作为车辆它的首要功能是载客或者载货也就是——承载，所以说转向架作为车辆跟轮轨接触的部分它必须要满足承担它上面所有物体的重量，并且还要把重量分布到各个车轴上，避免应力集中。

其次，我们都知道列车上没有方向盘，所以这部分的功能就交给和轮轨接触的转向架实现也就是——转向，用以车辆可以安全地在轨道上行驶直线和曲线。

然后就是线路不是随时都是一样平顺的，这也需要转向架有这样的性能——缓冲，以缓和车辆通过不平顺的的线路时所收到的冲击，给我们乘客提供一个比较舒适的旅行空间。

还有就是我们车辆要想跑起来就需要有足够的轮轨粘着，这也学要转向架具备一个性能——牵引，通过粘着产生力，并把它传递给车体和车钩，是列车高速运行。

最后一个就是我们的车辆不可能随时都跑着不停下来，这就需要转向架具备——制动的性能，保证列车可以在规定的距离内实现制动或者动车。

转向架是车辆不可缺少的部件，那么它就必须具备一些不可或缺的功能。

那就是承载、转向、缓冲、牵引、制动。

对于车辆来说最重要的就是载客或者载货，所以转向架首先就是要有承载的功能，用以承受它自身以上的包括自身的全部重量并且把它均分到车轴上避免出现应力集中。

其次就是要具备转向的功能，学车辆的同学都知道列车没有方向盘而可以顺利的通过曲线靠的就是转向架的自行导向功能。

然后就是缓冲，相信很多人都知道坐火车不容易晕车二坐客车很容易晕车，这就是因为转向架具有缓冲的性能，它缓和了因为轨道不平顺给车身到来的冲击。

还有就是必须具备牵引的功能，不然我们的车辆根本就不会跑起来，这是靠转向架与轮轨间的接触产生的接触力使车辆前进。

最后车辆不可能一直跑，就要求转向架必须在规定的距离内减速或者停车，这就是转向架的制动功能。

牵引中心销

增压缸

驱动装置

基础制动装置

一系悬挂

二系悬挂

抗蛇形减震器器

构架

轴箱装置

2.2转向架的组成和组成部分的作用

动力轮对lundui

图2-1转向架设计三维模型

熟悉汽车的同学都知道，车辆有驱动轮于非驱动轮之分。

我们的列车也不例外，这主要体现在我们的转向架具有动力和非动力上。

有动力的转向架叫做动力转向架，没有动力的叫做非动力转向架。

我们这里主要讨论动力转向架，它由轮对轴箱装置、基础制动装置、驱动装置、构架、各种减震器、增压缸以及悬挂系统组成，悬挂系统又分为一系悬挂和二系悬挂。

下面分别对它们作简要的功能介绍：

轮对轴箱装置：

轮对作为转向架的一部分同时也是列车的一部分，是列车与轮轨接触的部位。

它通过与轮轨的接触产生接触力进而产生牵引力带动车辆前进或者让车辆停下来。

轴箱是轮对和构架之间的连接桥梁，它起着传递力的作用，同时也对轮对进行定位使之不发生较大偏移。

同时还起着缓冲的作用，缓和线路对轮对的冲击，使车辆稳定运行。

构架：

构架是转向架的架子，就相当于人生上的骨头一样不可或缺，转向架所有的零部件都依托在构架上。

构架上有各种支撑座和安装座，用以安装其他零部件。

并且还要承受绝大部分车辆运行时的力，主要是通过牵引中心销和牵引拉杆实现传递牵引力和制动力。

悬挂系统：

悬挂系统主要部件就是弹簧，它们的主要作用就是减振和缓和冲击。

2型车的悬挂系统可以分为一系悬挂和二系悬挂。

一系悬挂主要设置在构架和轴箱之间，用来避免较大的冲击力对线路造成损害。

二系悬挂通过构架上的空气弹簧支撑梁安装在转向架上，连接车体和构架，缓冲车体给构架的冲击以及线路不平顺给车体带来的失稳现象。

从而使车体可以安全稳定的运行，增加转向架通过曲线的性能。

驱动装置：

主要是通过电机加联接轴加上齿轮箱来给转向架输出动力，传递扭矩给轮对，是列车正常运行。

基础制动装置：

顾名思义就是使车辆减速或者停下来的装置。

当我们需要减速时，它主要是通过增压制动缸，将压力增大后传递给闸瓦，然后通过轮盘制动加紧车轮或者制动盘，从而实现制动。

2.3设计技术要求

转向架的设计要求主要目的就是为了我们设计的转向架可以更好的运行，可以更大限度的去进行试验达到我们需要的结果。

这就需要我们首先要让我们的设计具有完美的动力学性能，这样就可以保证我们车辆再通过直线和曲线是都可以从容。

其次，我们的设计还必须具备更高的使用寿命。

转向架的损坏更多的集中在轮对的更换上，因为轮对一直在磨损。

所以，我么要想办法降低轮轨间的动作用力，以此来达到减少轮轨接触力以及降低轮轨磨耗，延长使用寿命的效果。

由于转向架是运用在列车上，列车是中国目前载客量最大的交通工具。

所以我们设计的转向架模型如果要达到需要的效果这就要求我们必须做到高度的可靠性，从转向架各个零部件的过程中都应该做到高度专注和严格要求。

从能源节省和工艺上面来说，我们必须使设计的产品做到自重较轻，这样可以节省很大量的能源。

从工艺上来说，越简单越好，设计越简单，我们就越好修理。

从零部件的检修来说，我们应该让自己设计的产品具有良好的靠近性，这样不仅方便我们的安装，更是方便日后的检修。

当然为了使我们的产品具有更好的易换性，就是说有些部件损坏后直接购买标准化的产品安装就可以直接使用。

这就要求我们在设计时尽量保证结构和材质标准化和统一化。

第三章总体设计方案

3.1设计思路

在自己对转向架的有关资料进行阅读，大量了解转向架的设计任务，以及转向架的组成和他每个部分的作用之后，我产生自己简单的设计思路，如下：

1、

到东坡轨道车辆实验室查看转向架模型，初步确定自己的设计框架和步骤。

翻看相关书籍和论文，找到相关参数。

通过SolidWorks建立自己的1:

5比例的构架模型。

2、

设计按照尺寸设计强度设计工艺设计的思路进行。

3、通过翻阅书籍和找老师咨询了解后，在东坡实验室2型车的基础上开始自己的设计，首先设计构架。

4、构架设计完成后，开始轮对轴箱的设计，轴向采用转臂式定位。

5、在SolidWorks里面完成转向架的装配。

并输出各个零部件的简单工程图，再用AutoCAD严格按照国标做出工程图。

6、对构架及车轴进行受力分析，看是否符合强度设计要求。

第四章构架的设计

4.1构架的设计方针

1、翻阅书籍得到构架的参数，确定构架的尺寸。

2、有相关书籍及实际转向架应用可知，转向架构架是由两个侧梁和两个横梁组成的H行的结构。

为了稳定构架的形状，是构架结构更加稳定，牢靠，在两个横梁的中间设置两个纵向连接梁，这就得到构架的几何形状。

3、在前面我们已经确定本次设计轴箱与轮对构架之间采用的是转臂式定位。

因此，构架上面必须要设置和它呼应的结构。

这样还可以达到缩短构架长度的目的，同时也减轻了自重，可谓一举两得。

4、构架是转向架不可或缺的组成部分，所以它的设计必须要满足刚度强度要求。

5、由于转向架构架是焊接件，所以为了满足焊接强度要求，焊接完成后需进行对或处理。

4.2构架的组成

侧梁

构架的本身结构比较简单，就是有两个侧梁加两个横梁组合而成。

但是由于构架式转向架的骨架，所以，为了实现更多的功能，构架上往往有很多的焊接件以及稳固结构的纵向连接梁。

构架结构如图4-1。

空气弹簧支撑梁

纵向连接梁

横梁

图4-1构架结构图

正如前文所说，构架是转向架的骨架，所以构架必须具备足够大的强度以支撑车体上绝大部分的重力。

因此，我们在设计构架的时候，想方设法的就是要提高构架的强度和刚度，提高强度和高度的办法除了从材料上面着手，我们还可以从结构上面下功夫。

侧梁是构架的主要承载部件，因此我们需要提高侧梁的刚度。

我们通过在侧梁内部设置加强筋板来达到这个目的。

通过图4-1我们可以看出这次设计的构架结构及组成，这里做简述。

两侧梁与两横梁组成基本结构。

两横梁之间设置两纵向连接梁，用来稳定结构和设置增压缸及横向减震器、横向止挡安装座。

在侧梁的外部设置空气弹簧支撑梁用来安装空气弹簧，它与横梁相连组成附加空气室，再和空气弹簧一并组成二系悬挂。

在横梁上，两纵向连接梁和侧梁之间设置有四个一样的轮盘制动吊座，用来安装轮盘制动装置。

无论我们设计任何东西都是有设计使用寿命的，而我们本次设计的构架应该和转向架的设计寿命一致为20年。

因此，只要在满足强度刚度设计要求，我们要尽可能地减轻自重，这样可以减少零部件间的磨损，以及车轮的磨耗从而提高使用寿命。

构架在材料的选择上也有相应的要求，主要承载部件包括侧梁和横梁等采用的是符合JISG3114标准的耐候钢材料，其他不是承受重力的零部件采用合金结构钢。

构架是焊接件是由不同的板型结构件焊接而成的，为了满足强度要求，我们在焊接完成后还要对构架进行退火热处理，提高材料的强度。

当然为了满足粗糙度的要求以及整体结构的完美，我们还要对构架进行整体机加工。

一切设计完成之后我们就要对构架进行强度设计和刚度设计。

这得按照构架设计的国家标准来进行。

我们设计的时候要按照JISE4207（铁路车辆-转向架构架设计通则）这个标准来进行设计。

我们检验的时候则要按照JISE4208（铁路车辆-转向架静载荷试验方法）标准实施静载荷试验来进行强度确认。

4.3构架侧梁的设计

侧梁结构比较简单，基本上都是由薄板焊接组合而成。

它不仅是转向架构架的不可缺少的组成部分之一，还是构架的主要承受车体施加载荷的部件。

一般来说，为了加强侧梁的强度刚度，我们在他的内侧设置加强筋板。

侧梁的组装如图4-2。

筒壁上盖板

侧梁上盖板

筒体结构

图4-2侧梁组成

通过图4-2，我们可以明显的看出，侧梁的两端运用的是类似于圆筒的筒体结构。

为了方便与横梁间的连接，在侧梁的中央采用机加工生成两个圆孔。

圆筒筒壁上盖板与侧梁梁体腹板采用焊接而成，焊缝是对接焊缝。

还有一个零件在图中未显示出来，它就是安装在侧梁圆筒结构外侧的轴箱减震器座。

它是一个看上去比较不起眼但是作用丰富的零件。

首先，它可以作为垂向减震器的安装座，其次，在它的内侧设置吊装口，可以用于安装吊钩。

最后，它还可以用来安装轮对提吊，可以使轮对与转向架构架作为一个整体当转向架在起吊的时候。

4.4构架横梁的设计

构架横梁是构架设计中重要的组成部分，它是构架跟其它转向架上的零件相互连接的支撑部件。

构架横梁是最简单的零件之一，它就是两根无缝钢管组合设计而成。

横梁支架上面有驱动装置安装座、轮盘制动安装座、齿轮箱安装座、纵向连接梁、限位止挡等零件，它们全部是焊接组成，为转向架的正常功能实现起了重要的作用。

构架横梁设计如图4-3。

限位止挡

驱动装置安装座

轮盘制动安装座

牵引中心销安装部件

纵向连接梁

图4-3横梁组装

从图中我们可以看到，驱动装置安装座上设有圆形孔，这么做的目的是为了方便安装的驱动电机和横梁之间的焊接过程。

还有就是可以通过这样设计降低转向架自重。

任何机器都不会完美无暇的运行，随着使用时间的增加，难免会出现故障。

我们在安全挡座间安装挡销就是为了在出现故障的时候可以对齿轮箱的安全托起到一定程度的保护。

我们已经知道横梁其实就是两根无缝钢管组合成的零件，看是很简单。

但是它的材料选择也很重要，因为横梁也是构架上主要承受载荷的部件之一。

根据资料，我们可以知道横梁材料采用的是耐候钢。

从图4-3我们可以知道，限位止挡设置在横梁中央的内侧。

它的功能是当空气弹簧过充风时，它会阻止其继续。

从而使空气弹簧始终保持在合适的状态下。

因此它也被称为防过充止挡。

4.5构架设计总结

通过对构架的设计以及三维建模，我们可以得出的是构架的结构是H型。

制造工艺采用的是钢板、铸件焊接组合而成。

钢板焊接构架的优缺点是：

生产的周期缩短，效率提高，需要加工的部件也减少；自重相对铸钢构架来说较轻；焊接变形较难控制，但容易产生焊接热应力及焊缝缺陷等。

第五章轮对组装

5.1车轮设计

轮对是转向架的重要部件之一，它关系到车辆运行的两大重要因素——安全性和平稳性。

不仅如此，轮对也是车辆跟钢轨直接接触的部件，它对钢轨的静动力作用直接影响到钢轨的应力大小、使用寿命及磨损状况。

从我们查阅的资料来看，2型车的转向架车轮的设计和生产是按照碳素钢整体碾压车轮的标准来进行的。

车轮采用的是整体轧制，踏面形状采用的是LMA型。

新造车轮滚动圆直径为Ø860mm（1:

1），因此我们采用的1:

5车轮滚动圆直径为172mm。

最大磨耗直径为Ø790mm（1:

1），因此我们采用的1:

5车轮最大磨耗直径为Ø158mm。

在靠轮辋轮缘侧面Ø158mm圆周上，设有磨耗到限标记。

车轮三维形状如图5-1所示。

图5-1