1、太原工业学院毕业设计毕 业 设 计轻轨转向架的结构设计与分析学生姓名： 学号： 系 部： 专 业： 指导教师： 二零一二年六月机械工程系机械设计制造及其自动化太原工业学院毕业设计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 日太原工业学院毕业设计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 S
2、F2500 型转向架、B 型地铁车辆 ZMA120 型转向架以及 DB80(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
3、献1蒋学忠.车辆学 M.北京：人民铁道出版社.19802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.19883刘申全,黄璟主编.工程力学（下册）M.北京：兵器工业出版社.20074 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、
4、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 日太原工业学院毕业设计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（SF2
5、500 型转向架、B 型地铁车辆ZMA120 型转向架以及 SDB80(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The structure of the bogie design and analysisABSTRACT： With the rapid development of our national economy, The population continued to expand, the const
6、ant enlargement of the city directly led to the huge pressure of transportation in China. Face the urgent problem of public traffic of city development, by the ground, underground and elevated consisting of three-dimensional city orbit traffic becomes more and more important. But the bogie frame is
7、the most important components of the rail vehicle bogie, supporting body and loading vehicle along a track walking support walking device, its structure is reasonable or not directly affect the operation of the vehicle dynamic performance and quality, traffic safety.This graduation design has analyz
8、ed the main technical parameters, structure of main parts of the advanced light rail vehicle bogie, such as SF2500 type bogie, B type metro vehicle bogie of the ZMA120and SDB - 80 (B1) type bogies. It has designed in detail of the frame, axles, wheels, axle boxes. According to reference of the exist
9、ing mature Bogie Technology, complete the design of two suspensions and disc brake device, to achieve lightweight, domestic of the light rail bogies.太原工业学院毕业设计Keywords: light rail, bogie, structure design太原工业学院毕业设计第页 共 页目录前言 11转向架概述及主要设计内容的确定 .21.1 转向架的概述 .21.1.1 转向架的基本作用及要求 .21.1.2 转向架的组成及分类 .21.2
10、设计的主要内容及要求 .51.2.1 主要设计方案确定 .51.2.2 转向架的主要技术参数 .62.构架的总体结构设计 82.1 构架的总体结构设计 82.1.1 构架的结构设计要求 .82.1.2 构架的类型确定 .82.1.3 构架主要轮廓的尺寸确定 .92.1.4 构架断面尺寸及壁厚的确定 102.2 构架的受力分析 112.2.1 垂向静载荷及垂向动载荷 112.2.2 侧向力引起的附加垂向动载荷 132.2.3 垂向斜对称载荷 152.2.4 制动时的载荷 162.3 构架的强度校核 182.3.1 垂向静载荷及垂向动载荷的强度校核计算 182.3.2 侧向力引起的附加垂向载荷作用
11、下强度校核计算 202.3.3 垂向斜对称载荷作用下强度校核计算 212.4 构架刚度校核 222.4.1 垂向静载荷及垂向动载荷的刚度校核计算 222.4.2 侧向力引起的附加垂向载荷作用下刚度校核计算 232.4.3 垂向斜对称载荷作用下刚度校核计算 233轮对结构设计 25太原工业学院毕业设计第 页 共 页3.1 轮对的基本组成及相关设计要求 253.2 车轮结构设计 253.2.1 车轮结构、名称及其作用 263.2.2 车轮的材质及标准轮的尺寸确定 263.3 车轴结构设计 273.3.1 车轴型式、主要结构及各部分作用 283.3.2 车轴材质及标准车轴尺寸确定 283.3.3 车
12、轴受力分析 303.3.4 车轴的弯矩计算 323.3.5 车轴的强度校核计算 333.4 滚动轴箱装置 363.4.1 轴承的材质及选型 363.4.2 轴箱相关零件确定 383.4.3 轴箱定位装置 404.转向架其他相关装置 .424.1 二系悬挂装置 424.1.1 二系悬挂结构组成及作用 424.1.2 二系悬挂系统的选定 434.2 基础制动装置 444.2.1 轻轨制动系统具备的条件 454.2.2 制动装置的组成及选定 455.结论与展望 .485.1 主要设计结论 485.2 展望 48参考文献 .50致谢 .51附录 .52太原工业学院毕业设计- 1 -前言随着国民经济的快
13、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
14、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。太原工业学院毕业设计- 2 -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
15、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
16、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，因此转太原工业学院毕业设计- 3 -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
17、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。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
18、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。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 所示太原工业学院毕业设计- 4 -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
19、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，它可以设在车太原工业学院毕业设计- 5 -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。按摇枕弹簧的横向跨距 外侧悬挂、内测悬挂、中心悬挂按车体与转向架之间的载荷传
20、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
21、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。在轴箱前太原工业学院毕业设计- 6 -部,为了进一步提高密封部性能,在轴
22、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
23、空气弹簧失效时,叠层橡胶弹簧还可以缓和垂向振动。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/h 80自重 t 7(6.92)固定轴距 mm 2200轮对内侧距 mm 13532车轮直径 mm 新
24、轮时 840,mm,最大磨耗时 770mm轴颈中心距 mm 1930轴颈直径 mm 120太原工业学院毕业设计- 7 -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 Mpa 240弹性模量 pa 2.09105空气弹簧高（距轨面高度）mm 270空气弹簧横向间距 mm 1930空气弹簧有效直径 mm 540空气弹簧工作高度 mm 200空气弹簧无气时下降高度 mm 40圆锥橡胶弹簧垂直刚度 KN/m 0.728轨距 mm 1435通过最小曲线半径 mm 正线：R300车场线：R150限界
25、：符合城市轨道交通 B 型车限界太原工业学院毕业设计- 8 -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
26、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
27、接座焊接于构架的侧梁和横梁上。构架结构如图 2.1。太原工业学院毕业设计- 9 -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 120mm，查表 I32 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（RC 3型轴）。构架侧梁顶面距离轨面的高度应保证车
28、辆运行中不与底架枕梁相碰，一般控制在 870930mm 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
29、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太原工业学院毕业设计- 10 -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，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
30、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-36 【2】 客车铸钢架（ZG25）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 165.2壁厚 14.3截面图如图 2.2，图 2.3，图 2.4 所示：太原工业学院毕业设计- 11
31、-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=（nP R
32、 -PT）9.81 (KN) 太原工业学院毕业设计- 12 -（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）, P R=13t；n 一台转向架的轴数，N=2；PT 一台转向架的自重（t）, P T =6.92t;代入上式可得：Pst=（nP R -PT）9.81=(213-6.92) 9.81=187.175(KN)则 P st= 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= （P st+ PT1） 9.81/ m =（nP R -PT）9.81/ m (KN) （2.2）式中PT1垂向静载荷自心盘面
33、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）, P T1= 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 P st1=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，P d1 的作
34、用方式 与 Pst1 相同，受力图示如图 2.6太原工业学院毕业设计- 13 -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/T2705-19965 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ay120 以下 0.4 0.3120160 0.5 0.4代入式（2.3）得： P d1=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
35、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）11.8vp2R式中 v p列车平均速度，取 vp=60Km/h；R曲线半径，据技术参数得 R=300m;太原工业学院毕业设计- 14 -则可得 h=141.6mm（1）侧向力风力 q=540N/m 3, 车体高 x=2140
36、mm,则形心处受力 H 1= qx= 5402140=577.8(N)12 12离心力则由式（2.5）求得，H2= Pst( - ) v23.62gR h2b1（2.5） 式中 Pst车体垂向静载荷（N）；g重力加速度（m/s 2），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=187.17510( - )=85.479(KN)6023.629.81300141.61493则侧向力为：H=H 1+H2=577
37、.8+85.479=663.279（N）（2）侧向力引起的垂向动载荷每个轴箱的垂向反力 Pf 可按下式计算,Pf= (N) （2.6）Hhm02b2式中 h车体侧向力至车轴中心线所在水平面之间的垂向距离（m）,其值为 h=1600mm；2b2轮对两轴颈中心线间的水平距离之半，其值为 2b2=1930mm；m0 车辆一侧的轴箱数（即车辆轴数），m 0=4；代入式（2.6）得Pf= =137.467（N）663.2791.641.93太原工业学院毕业设计- 15 -构架的受力情况如图 2.6 所示，处于曲线外侧的两个轴箱弹簧对构架的作用力向上，而内侧的则向下，每一个轴箱作用力的数值为。轴箱弹簧对构
38、架的作用力 Pf与作用在构架二系弹簧处的 Pn 力达到动态平衡，即：Pn=2Pf= 274.934（N）图 2.7 侧向力引起的附加垂向动载荷2.2.3 垂向斜对称载荷垂向斜对称载荷是垂向作用在构架轴箱部位的一组对于构架纵向和横向中心线均为反对称的自相平衡力系，此力系对于构架的纵向和横向中心平面均呈反对称分布，如图 2.7 所示。图 2.8 垂向斜对称载荷分布情况垂向斜对称载荷仅产生在具有刚性构架的转向架上。构架上的垂向斜对称载荷是由于在垂向斜对称载荷作用下，因为线路及转向架结构本身存在缺陷等原因引起构架的四个轴箱反力不等而造成的。因此垂向斜对称载荷和垂向静载荷是同时存在的。太原工业学院毕业设
39、计- 16 -导致构架四个轴箱反力不等的因素有很多，其主要原因是：各支承点的高度不等（由于构架、轴箱弹簧、车轮直径、轴颈直径等制造误差以及线路不平顺和转向架进入缓和曲线时所造成的）和各支承点的刚度不等（主要是轴箱弹簧的刚度误差）。因此，要同时综合考虑以上诸多因素对构架垂向斜对称载荷的影响是比较复杂的，很难一一考虑，为了求得 Pk的数值，根据实践经验，通常把上述诸因素的综合影响当量的看成转向架上某一车轮在轨道上升起或下沉一个 Z 值，而其他因素均认为是正常的。经过分析和推导，得到垂向斜对称载荷 Pk（N）的计算公式: P k= ( ) (N) （2.7）142b2z2b1 K1K2K1+K2式中
40、 K 1一个轴箱上弹簧的总刚度（N/mm），其值为 K1=2k=1.456 N/mmK2构架抵抗垂向斜对称载荷的刚度（或称构架的扭转刚度）（N/mm）其值为： K 2= （2.8）1其中 构架在一组 Pk=1N 的力的作用下b2轮对两轴颈中心线间的水平距离之半（mm），2b 2=1930mmb1轮对两滚动圆之间的距离之半，2b 1=1493mmz转向架上某一车轮升起或下沉一个值，实际计算时，推荐采用 z =16mm则Pk=5.17 (N) K1K2K1+K2（2.9）其中构架的扭转刚度 K2远大于 K1，则进一步简化为Pk=5.17 K1=7.53N2.2.4 制动时的载荷当列车所有车辆均发生
41、制动作用后，车辆间的纵向冲击消失，制动力却逐渐增大至最大值，由于制动力的作用，就将引起车体和转向架质量的纵向惯性力。这种纵向惯性力对车体的作用远小于上述纵向力作用，故可不计，但它对转向架有一定的影响。制动时钢轨作用大于车辆的最大值动力 F（其方向与车辆运行方向相反）由下式决定：太原工业学院毕业设计- 17 -F= Png （2.10）式中 P n车辆总重（车体和转向架的自重以及车辆在种之和）（t），取其值为 Pn =72.3t轮轨间的黏着系数，一般取 =0.25Pn =MC+ MO (t) （2.11）其中 MC 车辆自重，取 MC =37.4t MO 载员重量，取 MO=34.9t计算 Pn
42、后代入式（2.11），求得 F 值，F= Png=72.30.259.81=177.32KN 因此在制动 F 的作用下，车辆的最大加速度为=g=0.25g这时，策划体的纵向惯性力将引起前、后（按车辆运行方向）转向架的垂向增减载荷 Pa，以及作用在转向架新判处的水平载荷 Ta,根据车体受力平衡，得Pa= （2.12）QhLTa= （2.13）Q2式中 h重载车体的重心至心盘面的垂向距离，取值为 h=1.2m;L车辆定距（m）,其值为 L=12.6mQ车体的纵向惯性力，其值为Q= P1a= P10.25g(KN) （2.14）其中 P 1 车体垂向静载荷（车体自重与载重之和），即P1= Pst-
43、2PT=72.3-26.92=58.46t因此计算得 Q=143.38KN则可求得 Pa Pa=13.427KN Ta=71687KN目前，在使用空气制动机和铸铁闸瓦的情况下，最大制动力（即等于车辆惯性力以及由它所引起的转向架的应力）是发生在制动过程的最后阶段，即低速时，这时太原工业学院毕业设计- 18 -作用在转向架的其他制动载荷（如垂向动载荷和侧向力）都比较小了，因此在计算转向架构架强度时，一般不考虑制动载荷的作用。 2.3 构架的强度校核构架是转向架的一个重要部件，是转向架其他零、部件的安装基础，也是承载体和传力体，因此转向架的结构型式既要考虑与其他各有关零、部件的相互位置和转向架总体布
44、置，又要保证构架具有足够的强度和刚度要求，以保证结构紧凑安全可靠。由于构架采用 16Mn 钢板和钢管焊接而成的箱体结构，故必须充分考虑焊缝位置的布置并注意焊缝的内部和表面质量，以降低焊缝区域的应力集中，保证焊接强度和最小的焊接变形。为了消除残余应力，构架组装焊接后必须整体退火，最后进行整体加工以确保构架加工面的尺寸精度和位置精度。2.3.1 垂向静载荷及垂向动载荷的强度校核计算在垂向静载荷、垂向动载荷作用下的受力分析如图 2.5 和图 2.6 所示。取侧梁为分离体，则其轴力图如下。图 2.9 垂向静载荷、垂向动载荷作用下侧梁轴力图其中 a=0.56m，b=1.1m 由 Y=0 得R= =47.
45、977KNPSt1+Pd12MB=Raa=47.977056=26.9KNmMo=R(b+ )+R(b- )=2Rb=105.55KNma2 a2其弯矩图如下：太原工业学院毕业设计- 19 -图 2.10 垂向静载荷、垂向动载荷作用下侧梁弯矩图由图 2.10 可知，侧梁的最大弯矩发生在侧梁中部，则 Mmax =105.55KNm，所以侧梁的危险截面为 O 处断面，由于梁的截面为空心矩形截面，所以惯性矩 3为：（2.15）则抗弯截面模量 W z= = - （2.16）IZH/2BH26 bh26H正应力 = MmaxWz（2.17）(1)对于侧梁中部截面：B=160mm,H=240mm,b=13
46、1.4mm,h=211.4mm,如图 2.11图 2.11 侧梁中部截面 图 2.12 侧梁端部截面所以求得侧梁中部截面的抗弯截面模量 Wz为：Wz1= - =0.67410-3m30.160.2426 0.13140.2114h260.24太原工业学院毕业设计- 20 -正应力 1= = =156.63MpaMmaxWz1 105.55KNm0.67410-3m3查车辆设计参考手册转向架 2 ,16Mn 钢的许用应力=210Mpa,因为正应力 1 =210Mpa,所以满足强度要求。(2)对于侧梁端部截面：B=160mm，H=160mm，b=131.4mm，h=131.4mm。截面如图2.12 。将数据代入式（2.16），求得侧梁端部截面的抗弯截面模量 Wz2：Wz2= - =0.372110-3m30.160.1626 0.13140.1314360.16正应力 2= = =72.3MpaMmax2Wz2 26.9KNm0.372110-3m3因为正应力 2 =210Mpa,所以满足强度要求。2.3.2 侧向力引起的附加垂向载荷作用下强度校核计算在侧向力引起的附加垂向载荷作用下，受力分析如
