转向架的受力分析

转向架的受力分析摘要：铁路运输的发展极大的促进了国民经济的进步。

随着改革开放与经济的发展，铁路的高速化已经势在必行。

截止2007年4月18日零时起，全国铁路实施了六次大提速。

伴随着列车运行速度的提高，车辆各部件的振动问题也开始显露，特别是转向架垂向振动尤为突出。

旅客长期乘坐在不断振动的车厢中会感到疲劳。

剧烈的振动会使车辆运行品质下降，导致某些部件频繁发生故障，危及行车安全。

本文运用车辆动力学理论与方法，建立了传统车辆垂向振动模型和车辆—轨道耦合集总参数垂向振动模型。

将轴箱弹簧的应力变化结合疲劳分析理论对轴箱弹簧的疲劳寿命和达到疲劳寿命时车辆的运行里程进行了评估和判断。

关键词: 车辆振动，动力学分析，动力学模型1 绪论1.1本课题目的和意义自1997年以来，我国铁路进行了全面提速，取得了很好的经济效益和社会效益。

今天对铁路机车车辆的高速化、安全性、可靠性和舒适性提出了更高的要求。

高速列车的转向架作为高速列车的关键部件之一，直接影响铁路高速化的实现，影响列车安全性、可靠性和舒适性的提高。

因此，对高速列车转向架的研究和开发是我们必须尽快解决的一个课题。

在研制开发高速转向架的过程中，首先需要确定其基本的设计方案，并在此基础上合理选择其悬挂参数和结构参数，使其在线路上运行时具有平稳的运行特性和良好的动力学性能，从而提高运行安全性，延长零部件的使用寿命，减小维修工程量，缩减维修费用。

机车车辆动力学是一门与铁路机车车辆同步成长的学科，是研究机车车辆运动规律的科学，其主要任务就是通过分析机车车辆和线路之间的相互作用，研究机车车辆在各种速度时不同线路条件下的振动规律。

在机车车辆动力学理论的指导下，以保证运行安全和舒适平稳为目标，可以指导我们对现有机车车辆的相关结构进行改进，并指导我们研究新的机车车辆，主要包括确定机车车辆在线路上安全运行的条件，研究车辆悬挂装置的结构、参数和性能对振动和动载荷传递的影响等。

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。

高速列车在世界各地极速奔驰，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。

根据实际应用条件包括运行速度、线路半径、超高以及线路不平顺等，综合考虑机车车辆各方面的动力学性能，经过协调后优化该转向架的结构参数和悬挂参数，使之满足高速运行的需要。

1.2国内外研究现状、发展动态国外高速动车组较发达的国家是欧洲的法国、德国、意大利和瑞典及亚洲的日本，这些国家的高速动车组有其各自的特点。

法国的高速列车全部采用动力集中方式，他们认为，这样可以降低成本，便于列车组的薄弱环节-一动力装置的检修维护，同时无动轴客车的噪声要比动力分散的客车小很多。

因此，法国高速线上的电动车组为动力集中式。

法国在1960年旅客列车的最高运行速度普遍提高到160km/h，1975年特快列车的最高速度达200km/h，70年代末又创318km/h记录，1983年9月巴黎东南新干线使用的TGv一A试验列车试验速度达到515.3km/h，创造了轮轨粘着式交通工具速度的最高记录。

1990年大西洋新干线(巴黎一一勒芒、图尔)正式通车，采用TGv一A电动车组，最高运行速度为300km/h。

“欧洲之星”高速列车是法国TGV列车的派生系列，目前运行在伦敦至巴黎和布鲁塞尔之间、该车载客量794人、12根动轴，总功率12000kw，时速达30Okm/h，编组型式为ZL18T，铰接式转向架。

本世纪初，由于更高运行速度的提出，法国采用了动力分散方案，完成了AGV高速列车的研制。

德国是铁路客运速度提高较快的国家之一，由于人口稠密且分布比较均匀和工业的发达，所以较早建成了完整的铁路网。

1962年德国研制的“莱茵金子”号客车的构造速度已达16Okm/h，1974年ET403型电动车组的最高运行速度为160km/h，1977年提高到200km/h。

1985年制造出ICE型高速列车。

由5辆车组成的ICE列车于1985年交付试验。

头车和尾车为动车，各长20.sm，自重78.2t，采用三相交流牵引装置，每辆动车的功率为4200kw。

中间3辆拖车的长度均为24.34m。

德国的ICE第一代列车(ICEI)于1988年就跑出了400km/h的速度，列车编组为2辆动力头车牵引10一14节客车不等。

该列车的设计把乘客的舒适度放在首位，由于德国铁路穿越隧道较多，故对列车的密封性设计也仿效日本新干线列车进行设计，为欧洲第一代气密性列车，随后改进制成工CE第二代忆CE2)和ICE第三代杠CE3)产品。

由于工CE3要在莱茵一科隆间线路上运行，该线路设计坡度为40编、并以300km/h运行，为了有足够的粘着力，故该车采用动力分散型。

此外，为了在既有线路实现列车运行速度的提高，德国铁路还开发了ICT型摆式动车组。

目前，运行速度达到350km/h的工CE21型高速电动车组正在研制中。

日本是世界上最早开行高速动车组的国家，日本东海道新干线投入商业运行40年来，以其高速、安全、准时、污染小而著称，被誉为…旧本经济的脊梁”。

日本由于降水量多且地基较松软，为了减轻列车压力对线路的冲击采用动力分散方式，这种小功率、多动轴的方案确保了轮轨间的粘着利用良好。

日本的高速列车以动力分散为主、大编组、高功率、小轴重。

由于日本人口比欧洲国家多、城市密集、又以输送上下班的员工为主，故每列车中一等座席占比例数相对欧洲国家来说较低。

日本的高速列车以动力分散为主、大编组、高功率、小轴重。

由于日本人口比欧洲国家多、城市密集、又以输送上下班的员工为主，故每列车中一等座席占比例数相对欧洲国家来说较低。

日本东海道新干线从1964年投入运营以来，至今已40多年了，高速列车从东海道新干线的0系，发展了100系、200系、300系、400系、500系、700系、El系(MAX)、E2系、E3等。

300系电动车组，其构造速度为300km/h，为交流传动，采用了再生制动，车辆采用铝合金密封式车体。

新干线里最受关注的车辆，是运营速度最快，体现出九十年代高科技水准的500系电动车组。

生产于1995-1998年，16辆编组，最高运行时速为300公里。

500系的车头流线型可谓十足，弯曲部分长达9米多。

远远看过去，500系就象一条细长的蛇。

所有新干线车辆中，流线型最好的就数500系了。

700系名为铁路之星Rail Star,这是日本最新也是最先进的一款电动车组。

正式投入运行是在1999年3月11日。

700系C sets模式每组车有16节车厢，E sets 模式有8节车厢。

最高运营时速为285km/h。

由于车体采用了中空铝型材，700系重仅708吨。

车的编组方式为12动4拖，功率13200kw。

700系全长约400米，共载1323名乘客。

700系的车体是用铝合金压制成的中空外壳，内部填充的是吸音，防震的复合材料。

E1型是日本MAX新干线中的一种，为12辆编组，最高时速240Km/h。

1999年12月后，东北新干线上的E1换成了E4系。

E2型为8辆编组，1997年投入运营。

最高时速为275km/h。

E3型建造于1995年，编组方式为6辆（R系）和7辆（L50系）。

R系车在东北新干线上时速为275km/h。

而L50系在东北线上时速为240km/h。

在东京和盛冈之间运行时，E3和E2拼结成的一组车速度达到了275km/h，成为E3的纪录时速。

与国外相比，国内的转向架研究起步较晚，1949年以前，中国基本没有客车生产能力，所有转向架均为国外产品，品种复杂，且技术落后。

新中国成立后，开始仿造前苏联的客车转向架，如101转向架和201转向架。

101转向架于1953年开始大量生产，主要用于21型客车上。

201转向架是1956年仿制前苏联全钢客车标准型转向架设计和制造的，主要用于22型软卧车和餐车上。

101和201转向架在解放初期为中国的经济复苏和发展作出了贡献，但由于该转向架结构老化，定位和悬挂装置不理想，动力学性能较差，被后来开发的202转向架取代。

1.3动车转向架问题的研究模型1.3.1 概述车辆与轨道的动态相互作用问题，是铁路轮轨接触式运输系统中最为基本的、也是最难以解决的问题，直接影响着铁路运输的安全与效率。

长期以来，由于专业划分和计算条件的影响，有关铁路轮轨系统动力学方面的问题，常常归结为“机车车辆动力学”、“轨道动力学”及“轮轨关系”三个相对独立的研究领域。

事实上，铁道车辆与轨道线路乃是铁路轮轨系统中不可分割的两大组成部分，车辆系统并非孤立系统，二者是相互依赖、相互影响的，从动力学角度来看，他们构成了一个耦合系统。

最早开始涉及轨道动力问题可以追溯到20世纪40年代，铁木辛柯(Timoshenko)采用单自由度集总参数轨道模型分析正弦荷载作用下的轨道位移响应问题。

日本学者佐藤裕和佐藤吉彦对轮轨动力分析做了大量有价值的工作。

他们曾经采用集总参数模型和连续弹性基础梁模型研究了轨道的动力效应，其中比较有代表性的是佐藤(Sato)“半车—轨道”集总参数模型。

在现有的各种车辆—轨道动力学模型，依据各自分析目的和模拟侧重点不同，形式种类各不相同。

若按轨道模型参数来分，有分布参数模型与集总参数模型两大类；若按车辆模型化方法划分，则有整车、半车和轮对模型三种。

在各类模型中又有多种不同形式，如分布参数模型中出现了弹性基础梁模型和弹性点支承梁模型，Euler梁模型与Timoshenko 梁模型等等。

1.3.2 车辆—轨道垂向系统统一模型众所周知，车轮在钢轨上的运动是一个复杂的动力学过程，牵涉到很多因素，既有车辆方面的，又有轨道方面的，而且还互相渗透。

而影响和控制这一动力行为的根源在于轮轨接触点处的作用力。

因此，认识并改进轮轨相互动态作用关系，是确保铁路运输安全高效的基本前提，也是不断发展和完善铁路轮轨运输系统的必要条件，由此而形成了轮轨系统动力学。

轮轨动力学以轮轨关系为核心，着重研究轮轨相互动态作用及其相关问题，主要包括：轮轨接触几何学，轮轨蠕滑理论，轮轨接触振动，轮对运动学，运动稳定性与导向理论等。

世界各国的科学工作者对此进行了长期的研究与试验，取得了大量的研究成果，对铁路运输事业的发展起到了极大的推动作用。

轮轨之间的相互动力作用，以轮轨接触点为分界面，向上传递给车辆，向下施加于轨道。

从系统工程的观点来看，铁路轮轨系统包含着两个相对独立的物理系统—机车车辆系统和轨道系统。

轮轨相互作用问题，实质上是机车车辆—轨道相互作用问题，相应地，对轮轨关系得研究也宜扩展为对机车车辆与轨道之间关系的研究。

机车车辆与轨道的关系是铁路轮轨系统中最为基本的，也是最难以解决的问题，直接制约着铁路运输的安全、舒适和效率，一直是铁路工程技术人员前赴后继为之探索的课题。