轻轨转向架的结构设计与分析毕业设计机械制造与自动化论文.docx
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轻轨转向架的结构设计与分析毕业设计机械制造与自动化论文
毕业设计
轻轨转向架的结构设计与分析
机械工程系
学生姓名：
学号：
机械设计制造及其自动化
系部：
专业：
指导教师：
二零一二年六月
诚信声明
本人郑重声明：
本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：
年月日
毕业设计任务书
设计题目：
轻轨转向架的结构设计与分析
系部：
机械工程系专业：
机械设计制造及其自动化学号：
学生：
指导教师（含职称）：
（副教授）专业负责人：
1．设计的主要任务及目标
本次毕业设计着重参考国内较为先进的在广州地铁3号线车辆SF2500型转向架、B型地铁车辆ZMA120型转向架以及DB—80（B1）型转向架，对转向架的主要结构（构架、轮对轴向装置、一系悬挂装置、二系悬挂装置、基础制动装置等）进行设计和性能分析，完成零件图及装配图。
2．设计的基本要求和内容
收集现有的先进轻轨转向架的相关资料，分析转向架的基本组成结构，根据转向架的主要设计要求、主要技术参数，确定其主要结构设计方案。
熟练使用有关设计手册，确定其主要零部件（构架、轮对轴向装置、一系悬挂装置、二系悬挂装置、基础制动装置等）设计。
然后针对转向架主要零部件（构架、车轴）进行受力分析与强度计算，同时运用CAD软件绘制主要零部件图并完成装配图。
3．主要参考文献
[1]蒋学忠.车辆学[M].北京：
人民铁道出版社.1980
[2]刘盛勋,赵邦华主编.车辆设计参考手册・转向架[M].北京：
中国铁道出版社.1988
[3]刘申全,黄璟主编.工程力学（下册）[M].北京：
兵器工业出版社.2007
[4]濮良贵,纪名刚主编.机械设计（第八版）[M].北京：
高等教育出版社.2006
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅相关的文献资料，完成开题报告
2012年02月27日至03月08日
2
完成相构架、轮对轴箱设计
2012年03月09日至04月01日
3
完成一系悬挂及初期零部件草图
2012年04月02日至04月26日
4
二系悬挂、制动装置设计及绘图工作
2012年04月27日至05月30日
5
整理毕业设计相关资料，准备答辩
2012年05月31日至06月10日
转向架的结构设计与分析
摘要：
随着我国国民经济的飞速发展，人口的不断地膨胀，城市规模的不断扩大直接导致了我国交通运输的巨大压力。
面对亟待解决的城市公共交通问题,发展由地面、地下和高架组成的立体城市轨道交通变得愈加重要。
而转向架作为轨道交通最重要的组成部件之一，是支承车体并担负着车辆沿着轨道走行的支承走行装置，它的结构是否合理直接影响车辆的运行品质、动力性能及行车安全。
本设计分析了较为先进的轻轨车辆转向架（SF2500型转向架、B型地铁车辆ZMA120型转向架以及SDB—80（B1）型转向架）主要技术参数、主要零部件结构。
针对构架、车轴、车轮、轴箱装置进行了具体设计；对于二系悬挂及盘形制动装置，参考并引用了现有的成熟的转向架技术，实现轻轨转向架的轻量化、国产化生产。
关键词：
轻轨，转向架，结构设计
Thestructureofthebogiedesignandanalysis
ABSTRACT：
Withtherapiddevelopmentofournationaleconomy,Thepopulationcontinuedtoexpand,theconstantenlargementofthecitydirectlyledtothehugepressureoftransportationinChina.Facetheurgentproblemofpublictrafficofcitydevelopment,bytheground,undergroundandelevatedconsistingofthree-dimensionalcityorbittrafficbecomesmoreandmoreimportant.Butthebogieframeisthemostimportantcomponentsoftherailvehiclebogie,supportingbodyandloadingvehiclealongatrackwalkingsupportwalkingdevice,itsstructureisreasonableornotdirectlyaffecttheoperationofthevehicledynamicperformanceandquality,trafficsafety.
Thisgraduationdesignhasanalyzedthemaintechnicalparameters,structureofmainpartsoftheadvancedlightrailvehiclebogie,suchasSF2500typebogie,BtypemetrovehiclebogieoftheZMA120andSDB-80（B1）typebogies.Ithasdesignedindetailoftheframe,axles,wheels,axleboxes.AccordingtoreferenceoftheexistingmatureBogieTechnology,completethedesignoftwosuspensionsanddiscbrakedevice,toachievelightweight,domesticofthelightrailbogies.
Keywords:
lightrail,bogie,structuredesign
前言
随着国民经济的快速发展，城市交通运输问题成了当今世界的一大难题，因此城市轻轨便在城市轨道建设中扮演着重要的角色，也是当今世界上发展最为迅猛的轨道交通形式。
本设计根据现有的较为先进的转向架技术对轻轨转向架的结构设计与分析，旨在通过设计使转向架朝着轻量化、国产化的方向发展。
本设计主要阅读了《铁道机车车辆》、《电力机车与城轨车辆》、《铁道车辆》、《中国铁道科学》等期刊；查找了相关设计手册，如《车辆设计参考手册・转向架》、《滚动轴承双列圆锥滚子轴承外形尺寸》；运用所学专业基础知识初步了解了转向架的结构、作用及运行原理完成了转向架主要零、部件的设计。
通过对一些文献的查找，如刊登在《电力机车与城轨车辆》上的期刊——《B型地铁车辆ZMA120型转向架国产化研制》，它较为详细的介绍了转向架各零部件的国产化研制和成品校验，以及实现国产化后的经济效应；又如《机车车辆工艺》的期刊文章——《城轨B型车辆的转向架方案设计》，它采用无摇枕转向架结构及空气弹簧支承方式，并简化了零部件结构，同时各零部件具有较高的互换性，初步达到了轻轨的国产化要求。
另外，通过对《车辆设计参考手册・转向架》的阅读，了解了转向架的发展历史，及相关零部件的优化方案，对转向架也有了更深入的认识，为以后的工作奠定了一定的知识基础。
1．转向架概述及主要设计内容的确定
1.1转向架的概述
转向架是支承车体并担负着车辆沿着轨道走行的支承走行装置，也是车辆最重要的部件之一，它的结构是否合理直接影响车辆的运行品质、动力性能及行车安全。
1.1.1转向架的基本作用及要求
把两个或几个轮对用专门的构架组成的一个小车，称为转向架。
转向架的基本作用及要求：
（1）车辆上采用转向架是为了增加车辆的载重、长度与容积，提高列车运行速度以满足铁路运输发展的需要。
（2）保证在车辆正常运行条件下，车体都能可靠地坐落在转向架上，通过轴承装置把车轮沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动。
（3）支承车体，承受并传递从车体至轮对之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力，并使轴重均匀分配。
（4）保证车辆安全运行，能灵活地沿着直线线路运行及顺利地通过曲线。
（5）转向架的结构要便于弹簧减振装置的安装，使之具有良好的减振特性，以缓和车辆和钢轨之间的相互作用，减小振动和冲击，提高车辆运行的平稳性、安全性和可靠性。
（6）充分利用轮轨之间的黏着性，传递牵引力和制动力，放大制动缸所产生的制动力，使车辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车。
（7）转向架是车辆的一个独立部件。
在转向架与车体之间尽可能减少连接件，并要求结构简单，装卸方便，以便于转向架可单独制造和检修。
1.1.2转向架的组成及分类
由于车辆的用途、运行条件、制造和检修能力及历史传统因素的不同，因此转向架的类型繁多，结构各异。
但它们又都具有共同的特点，其基本作用和基本组成部分是相同的,其结构如图1.1。
图1.1转向架结构示意图
一般转向架的组成可以大致分为以下几个部分：
（1）构架或侧架
（2）轮对轴箱装置
（3）弹性悬挂装置
（4）基础制动装置
由于车辆的用途不同，运行条件的差异，制造维修方法的制约和经济效益等具体因素影响，对转向架的性能、结构、参数和采用的材料及工艺等要求就有差别，因而出现了多种型式的转向架。
我国国内目前使用的客车转向架、货车转向架有几十种，各种转向架的主要区别在于：
转向架的轴数和类型，弹簧悬挂系统的结构与参数，垂向载荷的传递方式，轮对支承方式、轴箱定位方式，基础制动装置的类型与安装，以及构架、侧架结构型式等诸多方面。
①按车轴的数目和类型
按转向架上的轴数，可分为2轴、3轴和多轴转向架。
转向架轴数的多少是由车辆总重和每根轴的允许轴重确定的。
车轴的类型，在我国铁路上按允许轴重分为B、C、D、E、F、G六种，最大允许轴重受到线路和桥梁标准的限制。
②按轴箱定位方式
约束轮对与轴箱之间相对运动的机构称为轴箱定位装置。
常见的定位装置的结构型式有：
固定定位，如图1.2所示
导框式定位，如图1.3所示
干摩擦式导柱定位，如图1.4所示
油导筒式定位，如图1.5所示
拉板式定位，如图1.6所示
拉杆式定位，如图1.7所示
转臂式定位，如图1.8所示
层叠式橡胶堆弹簧定位，如图1.9所示
如图1.2固定定位如图1.3导框式定位
如图1.4干摩擦式导柱定位如图1.5油导筒式定位
如图1.6拉板式定位如图1.7拉杆式定位
如图1.8转臂式定位如图1.9层叠式橡胶堆弹簧定位
③按弹簧装置型式
根据转向架所采用的弹簧系统可分为：
一系弹簧悬挂：
在车体和轮对之间，只设有一系弹簧减震装置，它可以设在车体与构架之间，也可以设在构架与轮对之间。
二系弹簧悬挂：
在车体和轮对之间设有两系弹簧减震装置，即在车体和构架间设置摇枕弹簧减震装置，在构架与轮对之间设轴箱弹簧减震装置，两者相互串联，使车体的震动经过两次弹簧减震的衰减。
④按摇枕弹簧的横向跨距
外侧悬挂、内测悬挂、中心悬挂
⑤按车体与转向架之间的载荷传递方式
心盘集中承载、非心盘承载、心盘部分承载
1.2设计的主要内容及要求
转向架使轨道交通车辆最重要的组成部件之一，其结构的重要性可想而知。
本次设计采用无摇枕转向架结构，使用环境条件、限界条件、结构特点、功能要求、强度及动力学性能等，均比铁路用客车转向架要求要高，在满足转向架性能要求的前提下，设计中尽可能采用简单可靠的结构；各运动部件要尽可能实现无磨耗的结构形式；要求具有较高的互换性，便于转向架的运用维修；在转向架一、二系悬挂处应考虑加垫易于调整车辆高度；在最不利的情况下，所有转向架的零部件均能保证车辆的安全运行。
1.2.1主要设计方案确定[8]
（1）构架
构架为H形,横梁采用无缝钢管,省去了内部的加强筋板。
无缝钢管或侧梁兼作空气弹簧的附加空气室。
两根小梁将两根横梁连接在一起,增大了横梁的强度和刚度。
侧梁采用16MnR材料,为中间下凹的鱼腹箱形结构,上、下盖板与腹板之间采用高强度焊缝连接。
中间隔板的位置根据受力情况而设定,以保证侧梁体的抗弯、抗扭性能。
上、下盖板均为整体压形,避免设置横向焊缝而影响整体强度。
横梁无缝钢管和侧梁的接合部位用圆形垫板补强。
（2）轮对轴箱装置
采用整体辗钢车轮,采用S型辐板车轮以增加其力学性能。
轮对轴箱装置采用整体铸钢结构。
这种结构的轴箱设有前、后盖,轴箱后部采用密迷宫式密封。
在轴箱前部,为了进一步提高密封部性能,在轴箱盖径向增加了一道密封圈。
轴箱轴承为进口圆锥滚子轴承,应满足计算寿命不小于80万km的要求。
（3）轴箱定位装置（一系悬挂装置）
为了简化结构和减轻质量,轴箱定位装置使用了圆锥叠层橡胶式轴箱弹簧。
满足轴箱纵、横向定位，垂向空、重车质量差大和制动的要求。
（4）二系悬挂装置
①为了满足空、重车车钩高的要求二系必须采用空气弹簧。
另外,转向架靠空气弹簧的横向和纵向变形来实现其转向作用,因此必须采用低横向刚度的新型结构空气弹簧直接支承车体,下部送风口与构架里的附加空气室相通。
在通过曲线转向时,空气弹簧下面的叠层缓冲橡胶弹簧随空气弹簧的横向变形也产生剪切变形,从而减少了空气弹簧胶囊横向变形的负荷。
另外,在空气弹簧失效时,叠层橡胶弹簧还可以缓和垂向振动。
②横向油压减振器和横向缓冲橡胶止挡为了提高车辆的舒适性,本转向架采用了低横向刚度的空气弹簧。
与此配套使用了横向油压减振器,提供相应的振动阻尼,改善横向振动特性。
横向油压减振器安装在牵引销（或牵引梁）与构架之间。
在牵引销（或牵引梁）两端还设有非线性的横向缓冲橡胶止挡。
（5）基础制动装置
采用盘形制动，轮盘材料一般为铸钢或锻钢，内外侧轮盘通过均匀分布的连接螺栓安装在车轮辐板上。
1.2.2转向架的主要技术参数[7]
转向架的主要技术参数如下：
运行速度km/h80
自重t≦7（6.92）
固定轴距mm2200
轮对内侧距mm1353±2
车轮直径mm新轮时840,mm,最大磨耗时770mm
轴颈中心距mm1930
轴颈直径mm120
构架型式钢板压型焊接
一系悬挂圆锥型橡胶层叠
二系悬挂空气弹簧+横向减震器
车辆支承型式空气弹簧
基础制动装置轴盘式盘形制动
参考材料16Mn
许用应力Mpa240
弹性模量pa2.09×105
空气弹簧高（距轨面高度）mm270
空气弹簧横向间距mm1930
空气弹簧有效直径mm540
空气弹簧工作高度mm200
空气弹簧无气时下降高度mm≦40
圆锥橡胶弹簧垂直刚度KN/m0.728
轨距mm1435
通过最小曲线半径mm正线：
R300
车场线：
R150
限界：
符合城市轨道交通B型车限界
2.构架的总体结构设计
转向架是轨道交通车辆最重要的组成部件之一，而构架是转向架的骨架，是以联系转向架各组成部分和传递各方向的力，并用来保持车轴在转向架内位置的重要部件。
其结构的合理性直接影响车辆的运行品质和行车安全，因而合理设计转向架的结构并使其达到一定的强度和刚度是轨道交通车辆设计中的一项重要工作。
2.1构架的总体结构设计
2.1.1构架的结构设计要求
（1）合理选择轴箱和车体的的支承方式，纵梁、横梁的结构与连接方式。
（2）合理选择构架材料、类型并充分考虑其结构工艺性。
（3）针对构架的强度、刚度进行校核，使其满足列车正常行驶所需条件。
2.1.2构架的类型确定
客车转向架构架的三种类型中，框架构架结构复杂，自重大，制造难度大，构架的转动惯量大，现已很少使用；U型构架结构比H型构架稍复杂且其侧梁中部下凹，虽有利于降低构架重心和轴向定位设计，但制造难度大，自重比较大，不适合轻轨的运行要求；H型构架不但结构简单，容易制造和维修，而且还有足够的强度和刚度，自重小，满足轻轨车辆的运行要求。
综上所述，选择H型构架。
构架采用H型钢板压型焊接结构，由两根侧梁和两根横梁组成，侧梁为中间下凹的鱼腹形U形梁。
由4块钢板组焊成箱型封闭结构，侧梁内部形成的密封隔板使侧梁内腔成为空气弹簧的附加空气室。
横梁采用无缝钢管，各种连接座焊接于构架的侧梁和横梁上。
构架结构如图2.1。
图2.1构架
2.1.3构架主要轮廓的尺寸确定
构架轮廓尺寸主要依据技术参数中的轴距、轮对中央悬挂装置、基础制动装置的结构形式与支座的安装以及轴向定位装置的需要而定。
由技术参数可知，轴距2200mm，轴颈中心距1932mm,轴颈直径ø120mm，查表I—32客、货车车轴轴型与最大轴重[2]，选择RC3构架两侧梁中心线应与轴颈中心线重合，构架两横梁间距离主要由基础制动装置及各吊座的安装需要而定。
我国现有通用型客车转向架两横梁支柱座纵向中心距均为560mm（RC3型轴）。
构架侧梁顶面距离轨面的高度应保证车辆运行中不与底架枕梁相碰，一般控制在870～930mm左右，侧梁端面的底部（与轴箱对应处）距轨面的高度根据轴箱的结构与轴箱弹簧的需要而定，并保证在轴箱弹簧压死状态下不与轴箱顶面相碰。
国产转向架一般将该间隙的值定在45mm以上（厂、段修限度为38mm，运用限度为30mm）。
在构架的侧梁上焊接有8个铸钢铸造而成的轴箱弹簧安装座。
同一车轮轴箱上的弹簧安装座纵向间距为560mm,横向距离为1930mm，在横梁的两侧焊接有4个制动吊杆安装座，安装座为“工”字形结构，上盖板和中央腹板的厚度为12mm,下盖板厚度为14mm，制动吊杆安装孔板厚度为16mm。
制动吊杆安装座选用低合金高强度Q345-B钢板焊接而成，同侧安装座的横向距离为860mm。
具体参数值如表2.1
表2.1构架尺寸（单位：
mm）
轴型
固定轴距
构架轮廓尺寸
构架形式
侧梁中心线间距
弹簧支柱座中心距
横梁中心线间距
RC3
2200
3132*2410*400
钢板压型焊接H型
1930
560
400
注①，车轴是标准件，“R”代表装滚动轴承的车轴；“C”代表轴型为C；“3”代表装用滚动轴承形式及安装方法。
2.1.4构架断面尺寸及壁厚的确定
断面尺寸及壁厚主要依据转向架的承载形式和载荷大小，由强度和刚度条件，并参考同类构架的结构、检修运用中暴露的问题以及相关计算来确定。
采用H型钢板压型焊接结构构架在焊接时应尽量避免焊缝的集中和多条焊缝的交叉，减少交叉处的内应力。
构架设计为全封闭断面，上下盖板均用直边，增大了侧梁的横截面面积，提高了侧梁的整体强度，外观更加简洁美观，更好的避免了因积水而使盖板腐蚀。
因此，查表Ⅳ-36【2】客车铸钢架（ZG25Ⅱ）的断面尺寸及壁厚，确定具体尺寸如下（单位：
mm）:
侧梁中部断面尺寸（高×宽）240*160（180）
上下盖板厚度14.3
腹板厚度14.3
端部断面尺寸（高×宽）160*160（180）
横梁直径ø165.2
壁厚14.3
截面图如图2.2，图2.3，图2.4所示：
图2.2侧梁中部断面图2.3侧梁端部断面图2.4横梁断面
2.2构架的受力分析
构架的载荷即为垂向静载荷、垂向动载荷、侧向力引起的附加垂向动载荷、垂向斜对称载荷、制动时的载荷等五种载荷。
构架的计算简图可化为平面板架（载荷垂直于构架平面）和平面钢架（载荷作用于构架平面内）的组合，忽略各梁轴线的微小弯曲和截面的微小变化，忽略各梁汇交处结点的刚度对变形的影响
2.2.1垂向静载荷及垂向动载荷
（1）垂向静载荷
构架的受力情况如图2.5：
图2.5垂向静载荷情况
设作用在转向架上的车体垂向静载荷PST,按照该转向架所用轮对压在钢轨上的允许载荷（即允许轴重）来考虑，
即：
Pst=（n×PR-PT）×9.81（KN）（2.1）
式中
PR——一个轮对压在钢轨上的允许载荷（即允许轴重）（t）,PR=13t；
n——一台转向架的轴数，N=2；
PT——一台转向架的自重（t）,PT=6.92t;
代入上式可得：
Pst=（n×PR-PT）×9.81=（2×13-6.92）×9.81=187.175（KN）
则Pst=Pst/4=46.794（KN）
求得Pst后，按下列公式计算出作用在构架上的垂向静载荷Pst1，即：
Pst1=（Pst+PT1）×9.81/m=（n×PR-PT）×9.81/m（KN）（2.2）
式中
PT1——垂向静载荷自心盘面起至构架为止包括所有零件质量之和（包括构架本身的自重）（t）,PT1=PT/2=3.46t；
m——一台转向架中平行受力的同名计算构架的数目，m=1;
其他符号的含义同式（2.1）
按式（2.2）计算时，构架自重包含在Pst1，并以集中力考虑，这样将使计算简便，对计算结果影响不大，而且是偏于安全的。
计算得Pst1=221.1174（KN）
（2）垂向动载荷
垂向动载荷是由于钢轨不平、接缝、道岔等线路原因以及车辆本身的结构状态不良（如车轮滚动圆偏心、椭圆、踏面擦伤）等因素引起的簧上振动而产生的。
作用在转向架零部件上的垂向动载荷Pd1，是由于车辆运行中轮轨之间冲击和簧上振动引起的，Pd1的作用方式与Pst1相同，受力图示如图2.6
图2.6垂向动载荷
作用在构架上的垂向动载荷按式（2.3）计算，即：
Pd1=az*Pst1（KN）（2.3）
按照TB/T2705-1996［5］
表2.2垂向动静载荷系数
使用最高速度Km/h
垂向动载荷
az
垂向静载荷
ay
120以下
0.4
0.3
120～160
0.5
0.4
代入式（2.3）
得：
Pd1=0.5*221.1174=120.126（KN）
2.2.2侧向力引起的附加垂向动载荷
作用在车体上的侧向力包括风力与离心力，当风从车辆侧面吹来并垂直于车体侧壁，而车辆又运行曲线区段时车体所受的侧向力为风力与离心力之和。
我国风力取值系据建筑界有关全国风力分布图的研究而得，计算时取风压力540N/m3,风力的合力作用于车体侧向投影面积的形心上。
整个车辆的离心力作用在车辆的重心上，其方向沿径向指向曲线外侧。
计算时通常把车体及转向架的离心力分别考虑。
对客车及车体的重心取在距轮对中心线上方1600mm处。
外轨超高量h与曲线半径R有关。
h=
（mm）（2.4）
式中vp——列车平均速度，取vp=60Km/h；
R——曲线半径，据技术参数得R=300m;
则可得h=141.6mm
（1）侧向力
①风力q=540N/m3,车体高x=2140mm,
则形心处受力H1=
qx=
×540×2140=577.8（N）
②离心力则由式（2.5）求得，
H2=Pst（
-
）（2.5）
式中
Pst——车体垂向静载荷（N）；
g——重力加速度（m/s2），其值取9.81；
R——曲线半径，R=300m;
h——外轨超高量（mm）;
2b1——轮对两滚动圆之间的距离之半（mm），其值为2b1=1493mm;
v——通过曲线时车辆最大允许速度（Km/h）,取值为v=60Km/h;
代入式（2.5）求得：
H2=1
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