CRH3型动车组拖车转向架三维实体设计.doc
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1、 CRH3型动车组拖车转向架三维实体设计 目录1.绪论11.1国内外动车组的发展概况11.1.1德国高速铁路概况11.1.2日本动车组概况11.1.3法国高速铁路概况21.1.4我国动车组发展概况21.2本论文主要研究工作32.转向架52.1转向架基本知识52.2转向架的组成、任务和分类52.2.1任务52.2.2组成及各部件的作用62.2.3转向架的主要技术要求72.2.4转向架分类73.CRH3型动车组转向架93.1转向架设计思想93.2转向架结构概述93.2.1 转向架主要技术参数103.3转向架零件的三维实体设计113.3.1 轮对113.3.2 转向架构架183.3.3轴箱213.3
2、.4一系悬挂轴箱定位装置223.3.5中央弹簧悬挂装置243.3.6基础制动装置263.4虚拟装配274.构架的静强度评价314.1有限元算法基本原理314.2使用UIC615-4标准对构架进行静强度评价344.2.1有限元模型的建立344.2.2计算载荷354.2.3边界条件的确定374.2.4计算结构分析及评价37结论41致谢42参考文献431.绪论1.1国内外动车组的发展概况 世界变化日新月异,铁路科技事业也正在飞速的向前发展,特别是高速铁路的发展给世界带来的巨大的经济效益。西方国家从20世纪60、70年代起,相继发展高速铁路,并研制出了多种模式的高速列车,颇具代表性的有:德国的ICE列
3、车、法国的TGV列车以及日本的新干线高速列车等。而就国际上列车的构成模式而言,也正从早期的机车牵引客车的模式逐步向自带动力、固定编组的动车模式过度,这是铁路技术的一大进步。一般来说,工业发达国家铁路较之发展中国家铁路的这一过渡要进行的早,推广的快。在我国,随着铁路客运的改革和提速战略的实施,已经逐步在一些城际间采用动车组模式,并取得较好的经济和社会效益,预计这种形式还会进一步发展。1.1.1德国高速铁路概况ICE (Inter City Express,城际特快车) 是以德国为中心的一系列的高速铁路系统与相对应的高铁专用列车系列,由德国西门子为首的开发团队设计制造,德国国铁官用,其服务范围除了
4、涵盖德国境内各主要大城市外,还跨越临近国家,行经多个城市。德国是最早制造和运用动车的国家,制造技术一直领先。1903年7月8日,首先运行了由钢轨供电的动车组,由4节动车和2节拖车编成。同年8月14日,又运行了由接触网供电的动车组,这是世界上第一列由接触网供电的单相交流电动车组。同年10月28日,西门子公司制造的三相交流电动车进行了高速试验,首创时速210.2公里的历史性记录1。1.1.2日本动车组概况 日本属于岛国,山丘、坡道、弯道多,地质松软,对动轴轴重限制十分严,因此要比欧洲早17年实现世界第一条高速铁路。自1964年首条高速线开通以来,日本的动车组从0系发展到了现如今的700系,它能稳定
5、的担负大运量、高速度、高密度运输的重要原因是作出了铁道系统的的正确选择,即选择了动力分散型动车组、实现了交流电动机驱动方式以及在各部最大限度、成功的实现了轻量化等。700系列新干线高速列车是作为300系列的换代车,由JR东海和JR西日本共同开发,大大提高了舒适度和车内肃静性、环境适应性和车辆性能,降低了成本。从运行能量来看,700系列列车 (270km/h)性当于东海道新干线开业时0系列 (220km/h)的84%;如按同一速度(220km/h)则前者消耗的能量仅为后者的66%。这些都是电功率、轻量化、减少空气阻力的结果,也反映了日本新干线的告诉的技术水准。因此,日本动车组发展过程中主要的参数
6、的演变使我们看到了车辆的轻量化和“电功率、信息、控制”的应用大大推进了技术的进步2。1.1.3法国高速铁路概况受到日本东海道新干线成功运行的启发,欧洲各国铁路也于上世纪70年代开始,利用既有线路,对时速200km的高速铁路进行挑战。首先建设高速铁路专用线的是法国的TGV,于1981年在巴黎至里昂间的400km线路上开始时速为260km的高速铁路的运行。法国现有1280km告诉营业线,在2006年TGV(Train a Grande Vitesse,高速列车)巴黎至斯特拉斯堡的东欧线完成后,总里程已达到1900km。由于TGV与既有线直通运转,实际上,列车营业总里程达到8400km。TGV构成了
7、目前世界上最大规模的高速列车网,并且,它也是世界上最快的列车群。2007年创下了574.8km/h的铁路行驶新记录,打破了自己保持17年之久的515.3km/h的世界记录,在列车网整体的速度水平即营业列车的平均速度也非常高。为达到提高运载能力、提高运营速度、增加价格优势等目的,在TGV取得巨大成功后,阿尔斯通公司设计了AGV,与此同时保留了TGV运行可靠、有效的技术,采用动力分散方式,并且开发了涡流制动和onixIGBT主变流器,此外AGV电动车组还开发了一系列新技术,如牵引电动机悬挂装置、自冷通风和涡流法分离灰尘、在端车上装有6.5t重的牵引变压器、采用铝质车体用以减重等3。1.1.4我国动
8、车组发展概况我国铁路背景与欧洲相似。既有线如160km/h的提速干线,以及车牵引形式为主,而且还会较长时期占据主导地位。但在客运为主的干线,动车组运输效率高,牵引制动时舒适性好,有经济、环保等优势,逐渐会受到运输部门的欢迎。在经济繁忙的大城市之间开行动车组,如“中原之星”、“蓝箭”等已为用户接受,并发挥出较大的经济效益。从中国铁路的发展历程来看,我国铁路动车和动车组的发展已经经历了两个阶段,目前正在向第三个阶段过渡。从1958年到20世纪80年代末期,是我国铁路动车动车组发展的初始阶段。期间,四方机车车辆厂在大连机车车辆研究所,上海交大和集宁机务段协助下,自行设计、研制了我国首列双层液力传动内
9、燃动车组,当时称为东风号双层摩托列车。这个阶段特点归纳为:内燃动车组和电力动车组同时得到发展;电力传动、液力传动和机械传动都得到采用;国内自行研制和从国外进口相结合;设计试制工作中,制造工厂,运用部门,科研单位和院校联合协作;出进口产品外,试制产品没有投入正式商业运用和批量生产,但是多进行的设计、试制、试验工作为后来我国铁路动车组乃至机车的进一步发展累计了经验;初始阶段持续时间长,其发展速度、研制产品的技术水平、品种和数量等与同期国外铁路工业和铁路运输发展较快、水平较高的国家和产品相比,相对缓慢和滞后。20世纪90年代到21世纪最初几年,是我国铁路动车和动车组发展的第二阶段,即加速发展阶段。1
10、990年9月5日,全路首列四季空调列车在北京广州的47/48次列车上使用。自此,铁路客运出现了多品种、多样性、多档次、多元化的新局面。从1997年到2007年,中国铁路实现了6次大提速。据不完全统计,1994年以来,中国北方、南方机车车辆工业集团公司所属企业,在铁道部及其下属运用部门的密切合作下,研究开发了各种动车和动车组20多个品种,计67系列。其中,有46列在国内进行试验或交付运用,21世纪出口到国外。在此期间研制的动车和动车组,包括内燃和电力两种类型。内燃动车和动车组又可分为液力传动和电力传动;电力动车和动车组又包括直流电力传动和交流电力传动。总的来说,我国铁路动车和动车组在发展的第二阶
11、段具备的特点为:发展速度快、技术含量高、品种全、用途广,但可靠性差4。目前我国铁路动车和动车组的发展正处在“引进先进技术,联合设计生产,打造中国品”牌的阶段。这个阶段的总体要求就是通过以市场换技术,走技贸结合、自主创新的路子。我们的最终目标是立足国产化,促进我国铁路动车和动车组的健康和持续发展。我们不是要向国外买一个机车车辆装备现代化,而是要通过引进国外成熟先进的技术,努力在我国铁路动车和动车组的发展中,逐步并尽快实现以跟踪模仿为主向以自主创新为主的深刻转变。1.2本论文主要研究工作转向架是铁路车辆的基本部件之一,其性能直接关系到铁路车辆的安全性、稳定性和可靠性。对于高速动车组而言,转向架的重
12、要性更是不言而喻。本论文,以CRH3高速动车组拖车转向架为研究设计对象,采用Solidworks对其进行设计分析,采用相关标准进行动车组转向架的强度分析评价。利用现有计算资料,对CRH3高速动车组拖车转向架进行强度分析,期望能给我国高速动车组设计评价标准的制定提供依据。本论文在利用现有技术资料的基础上,采用Solidworks软件建立CRH3高速动车组拖车转向架的三维实体模型,在软件Solidworks中划分单元网格,按照欧洲高速动车组相关标准,在Solidworks中加载计算,进行静强度分析。本论文主要工作如下:(1) 结合我国高速铁路的现有技术水平和运用条件,对转向架及其主要零部件进行合理
13、的选型,确定转向架主要结构形式和技术参数;(2) 利用Solidworks建立转向架的三维实体模型,利用Solidworks有限元对转向架进行加载受力分析;(3) 着重分析转向架构架的静强度,计算在不同加载下,转向架构架的受力静强度情况;(4) 评价设计是否符合设计要求2.转向架2.1转向架基本知识转向架是机车车辆最重要的组成部件之一,其结构是否合理直接影响机车车辆的运行品质,动力性能和行车安全。高速列车在全世界各地的疾驰,现代城轨车辆的飞速发展,无一不与转向架技术的进步发展息息相关。可以毫不夸张地说,转向架是“靠轮轨接触驱动运行的现代机车车辆”得以生存发展的核心技术之一。由于各国铁路发展历史
14、和背景的不同,以及技术条件上的差异,致使各国研究的高速转向架类型和结构也相差较多。然而在设计原则上的共识和实践经验却导致高速转向架形式上的众多相同之处,如采用空气弹簧悬挂系统、无磨耗轴箱弹性定位、盘形制动为主的复合制动系统,等等。根据国外告诉转向架的设计经验,建议采用以下设计原则:(1) 采用高柔性的弹簧悬挂系统,以获得良好的振动性能。这种高柔性空气弹簧在速度300km/h以下能表现出其优越性。(2) 采用高强度、轻量化的转向架构架,以降低轮轨间动力作用。(3) 采用能有效地抑制转向架蛇形运动,提高转向架蛇形运动临界速度的各种措施。(4) 驱动装置采用简单、实用、可靠、成熟的结构,尽量减少簧下
15、质量和簧间质量,以改善轮轨间的动作用力,提高高速运行稳定性。(5) 基础制动装置采用复合制动装置。2.2转向架的组成、任务和分类2.2.1任务任何铁路机车车辆转向架必须完成如下任务: (1)承重:承担机车上部的重量,包括车体及安装在车体内的各种机械、电气设备的重量,并把这些重量经一系弹簧悬挂装置传递到钢轨上。 (2)传力:产生牵引力和制动力,并把产生的牵引力和制动力经牵引装置传递到车体底架,最后传递到车钩,实现对列车的牵引和制动。 (3)缓冲(走行):在机车运行中缓和线路对机车的冲击,保证机车运行的平稳性。 (4)导向:在钢轨的作用下,引导机车顺利地通过曲线和道岔,保证机车在曲线上安全运行。
16、(5)制动:产生必要的制动力,以使车辆在规定的距离内减速或停车。2.2.2组成及各部件的作用 通常一般动车组转向架分为动力转向架和非动力转向架,常见的非动力转向架结构如图2.1所示,其主要组成部分及其作用叙述如下:图2.1 非动力转向架结构 (1)轮对:轮对直接向钢轨传递重量,通过轮轨间的黏着产生牵引力或制动力,并通过车轮的回转实现车辆在钢轨上的运行(平移)。 (2)轴箱:轴箱是连接构架与轮对的活动关节,它除了保证轮对进行回转运动外,还能使轮对适应线路的不平顺等条件,相对于构架上、下、左、右和前、后运动。 (3)一系悬挂(弹簧悬挂装置):用来保证一定的轴重分配,缓和线路不平顺对车辆的冲击,并保
17、证车辆运行平稳。它包括轴箱弹簧、垂向减震器和轴箱定位装置等。 (4)构架:转向架的骨架,它将转向架的各零、部件组成一个整体,并承受和传递各种力。它包括侧梁、横梁和端梁,以及各种相关设置的安装或悬挂支座。 (5)二系悬挂车架(体)与转向架之间的连接装置:用以传递车体与转向架之间的垂向力和水平力,使转向架在车辆通过曲线时能相对于车体回转,并进一步减缓车体与构架之间的冲击振动,同时必须保证转向架安定。它包括二系弹簧、各方向减震器、抗侧滚装置和牵引装置等。 (6)驱动装置(动力转向架):将动力装置的扭矩最后有效地传递给车轮。包括牵引电机、车轴齿轮箱、联轴节或万向轴和各种悬吊机构等。 (7)基础制动装置
18、:由制动缸传来的力,经过放大系统(一般为杠杆机构)增大若干倍以后传给闸瓦(或闸片),使其压紧车轮(或制动盘),对车辆施行制动。包括制动缸(气缸或油缸)、放大系统(杠杆机构或空-油转换装置)、制动闸瓦(或闸片)和制动盘等。一般动车组的非动力转向架与动力转向架的主要区别是:非动力转向架没有驱动装置。2.2.3转向架的主要技术要求 (1)保证最佳的黏着条件。轴重转移应尽量小,且轮轨间不产生黏-滑振动。(2)良好的动力学性能。尽量减少轮轨间的动作用力,减少轮轨间的应力和磨耗。 (3)重量轻,工艺简单。尽可能减少自重,且制造和修理工艺简易。 (4)良好的可接近性。易于接近,便于维修。(5)零部件标准化和
19、统一化。结构和材质尽可能统一化。2.2.4转向架分类2.2.4.1按轴数分类 一般铁道机车车辆有:两轴转向架、三轴转向架和四轴转向架(极少数)等。而对高速动车组车辆来说,通常只采用两轴转向架,但在比较特殊的轻轨车辆上有时可见单轮对(或轮组)转向架。2.2.4.2按弹簧装置形式(悬挂方式)分类有一系悬挂和二系悬挂转向架之分:(1) 一系悬挂。仅在轮对轴箱与构架之间或者仅在构架与车体间的弹簧,适用于中、低速车辆。(2) 两系悬挂。除了在轮对轴箱与构架之间由弹簧外,还在构架与车体间设置第二系悬挂弹簧,一般适用于中、高速机车车辆。2.2.4.3按轴箱定位形式分类轴箱定位装置是指约束轮对轴箱与构架之间相
20、对运动的机构。它对转向架的横向动力性能、曲线通过性能和抑制蛇形运动具有决定性的作用。轴箱定位装置的纵向和横向定位刚度选择合适,可以避免车辆在运行速度范围内蛇形运动失稳,保证曲线通过时具有良好的导向性能,减轻轮缘与钢轨间的磨耗和噪声,确保运行安全和平稳。常见的轴箱定位装置的结构形式有:(1) 拉板式定位(如日本0系和100系转向架)(2) 拉杆式定位(如CRH5转向架)(3) 转臂式定位(如CRH1、CRH2和日本500系转向架)(4) 层叠式橡胶弹簧定位(又称八字形或人字形橡胶定位,上海地铁转向架)(5) 干摩擦式导柱定位(6) 导框式定位(很少使用)由于转臂式定位轴箱结构简单,拆装方便,因此
21、在高速动车组转向架上得到了越来越广泛的使用。2.2.4.4按按车架(体)与转向架之间的连接装置形式分类按车架(体)与转向架间的连接形式分,可分为心盘(或牵引销)转向架、无心盘(或牵引销)转向架和铰链式转向架(议程雅可比转向架)。铰链式转向架又可分为如下三种:(1) 具有双排球形转盘的铰链转向架;(2) 具有球心盘的铰链转向架;(3) TGV高速列车式铰链转向架。 带心盘(或牵引销)式结构由于很难实现转向架相对于车体的横向弹性运动的要求,且结构比较复杂,因此在现代高速动车组转向架中几乎不被采用10。3.CRH3型动车组转向架转向架是机车车辆最重要的组成部件之一,其结构是否合理直接影响机车车辆运行
22、品质、动力性能和行车安全。高速列车在全世界各地的急速奔驰,现代城轨车辆的飞速发展,无一不与转向架技术的进步发展息息相关。可以毫不夸张的说,转向架技术是“靠轮轨接触驱动运行的现代机车车辆”得以生存发展的核心技术之一。由于各国铁路发展历史和背景的不同,以及技术条件的差异,致使各国研制的高速转向架结构类型也相差较多。然而在设计原则上的共识和实践经验却导致高速转向架形式上的众多相同之处,如采用空气弹簧悬挂系统、无磨耗轴箱弹性定位、盘形制动为主的复合制动系统,等等3.1转向架设计思想 CRH3动车组转向架的技术设计思想主要体现在: 1 基于具有良好运用业绩的原型车方案;采用成熟和可靠的技术; 2 有针对
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