转向架设计

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我国评定车辆动力学性能的标准是GB5599-85
《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》,
包括以下几个方面:
安全性及曲线通过性能
稳定性
平稳性(舒适性)
1.1 安全性及曲线通过性能
评定指标:

轮轨横向力—Q


轮轴横向力—H
脱轨系数—Q/P


轮重减载率—△P/P
倾覆系数—D 磨耗功率和磨耗指数
1.2 稳定性
UIC规定轴箱上部构架侧梁上的横向加速度连 续六各波超过8m/s**2时,认为转向架蛇行失 稳。
主要影响参数:Kpx、Kpy、Csx、Csy、 Mcp、λ
1.3 平稳性(舒适性)
根源——线路不平顺 线路不平顺:线路名义尺寸与实际尺寸 之差。分为局部不平顺和随机不平顺。 局部不平顺:如钢轨接头、三角坑、道 岔等。 随机不平顺:线路不平顺不是一个确定 量,它因时因地而有不同值,它的变化 规律是随机的,具有统计规律,因而称 为随机不平顺,分为高低不平顺、水平 不平顺、轨距不平顺、方向不平顺四种。
其它
维护、保养 环境: 温度, 污染 防火 美观
一系悬挂
设计输出
三向静态刚度
三向动态刚度
阻尼值的大小 位置 空间尺寸 安装方法
径向装置
结构
径向臂
关节
径向臂
功能

提供纵向定位刚度,而不增加横向刚度

提供轮对摇头刚度,满足稳定性要求
导向,便于通过曲线
轨道不平顺描述
轨道不平顺描述
轨道不平顺描述
平稳性(舒适性)评定标准
我国车辆平稳性采用Sperling平稳性指数法
进行评定。
平稳性指数标准

平稳性(舒适性)评定标准
GB5599-85规定,运行平稳性用的横向及垂向
平稳性指标和车体振动最大加速度来表示。新 造客车、货车的横向及垂向平稳性指标应满足 GB5599-85的良好标准。
平稳性(舒适性)评定标准
此外,GB5599-85规定货车车体横向最大振动
加速度应小于0.5g,垂向最大振动加速度应小 于0.7g。
主要影响参数:Ksy、Ksz、Csy、Csz、
Kphx
二、车辆转向架新技术
径向转向架
主动悬挂转向架
独立旋转车轮转向架
二、车辆转向架新技术
变轨距转向架
耦合轮对转向架
Pst ! Pst 2 H 0.85 (10 ) 2

这里Pst为车轮静轮重。 主要影响参数:Kpx、Kpy、Kpz、 Mcp、 Ksy、 λ
脱轨系数Q/P

脱轨系数Q/P是指车轮同一侧轮轨横向力Q和垂向力P的比值,
它综合反映了轮轨横向力和垂向力的变化情况,是评定车辆
脱轨安全性的重要指标。
径 向 机 构 的 模 块 化 设 计
迫 导 向 自 导 向
柔 性 定 位
2.2 主动悬挂转向架
定义:车辆运行时,通过车载计算机控制转向架的悬 挂元件(主要是减振元件),实时改变悬挂参数,使 车辆对线路不平顺的响应减小到最小。具有这种功能
的转向架称为主动悬挂转向架。
优点:改善车辆的运行品质 用途:用于高速列车 实例:日本高速列车头车 ICE高速列车拖车的SGP-400转向架
安全性要求 轮重 车体侧滚运动 (包括风力)
平稳性
自振频率与外部激扰频率分离
横向及纵向悬挂
稳定性
曲线通过性能 横向平稳性 安全性 轨距及限界 制动系统
齿轮箱
减振装置
平稳性
稳定性
其他需要考虑的因素
电机和齿轮箱悬挂
纵向动力学 标准 装载对象(旅客或货物)的特殊要求
车辆转向架 悬挂系统设计
四川 成都 2004-5-24
悬挂装置分类、组成
按位置分类:
轴箱悬挂(第一系悬挂)
中央悬挂(第二系悬挂)
按方向分类:
垂向悬挂 横向悬挂
二系(中央)悬挂装置
一系(轴箱)悬挂装置
悬挂系统设计要求
垂向悬挂
横向悬挂 减振装置 其它 设计输出
垂向悬挂
导向

GB5599-85规定,脱轨系数Q/P采用以下标准。
第一限度(容许限度):
第二限度(安全限度):
Fra Baidu bibliotek
式中:Q为爬轨侧车轮作用于钢轨上的横向力,kN; P为爬轨侧车轮作用于钢轨上的垂向力,kN。
Q 1.2 P Q 1.0 P

主要影响参数:Kpx、Kpy、Kpz、 Mcp、 Ksy、

空气弹簧
结构
功能
优缺点
特性
类型
设计输入
设计输出
空气弹簧
结构:



气囊 气室 紧急弹簧 管路 节流阀 附加气室
Cpz、Csz 、 λ
轮重减载率△P/P

轮重减载率△P/P是指车轮减载量与平均轮重的比值。 GB5599-85规定,轮重减载率 △P/P采用以下标准。

第一限度(容许限度):
第二限度(安全限度):
式中: △P为车轮减载量,kN;
P为平均轮重,kN。
P 0.65 P P 0.6 P
用途:低地板轻轨车辆,变轨距转向架
实例:大连市内有轨电车、长春轻轨车(低地板)
独立旋转车轮原理
2.4 变轨距转向架
定义:在运行过程中同一轮对左右两车轮之间的横向距离可以改 变,以适应不同轨距铁路的转向架,称为变轨距转向架。通常采 用独立旋转车轮技术。
优点:便于适应不同轨距铁路,减少过轨时间,提高运输效率。
Kphx
磨耗功率和磨耗指数

这两个指标都表示轮轨之间的磨耗程度。 磨耗功率:是指轮轨间蠕滑率和蠕滑力的乘积,也 表示车轮在钢轨上的滑动程度,它主要表示踏面磨 耗的程度。

磨耗指数:是指轮轨横向力和轮对冲角的乘积,它 主要表示轮缘的磨耗程度。

目前 GB5599-85还没有磨耗指标的限度。

主要影响参数:Kpx、Kpy、Csx、Mcp、λ
容许的轴重、轮重差
悬挂系统组成
轴箱弹簧
轮对径向(导向)及定位装置 空气弹簧 抗侧滚扭杆 牵引装置
减振装置 止挡
电机吊挂和齿轮箱安装
轴箱悬挂
功能
类型 限制因素 其他 设计输出
一系悬挂
功能
支承车体及转向架构架重量 联系簧上和簧下质量 吸收和缓解振动 满足蛇行稳定性要求 适应曲线通过
铁道车辆动力学性能 及车辆转向架新技术
四川 成都
2004-10-16
客车转向架
货车转向架
转向架性能:
可靠性:静强度和疲劳强度应满足有关标
准的要求(TB/T1335-1996及相关标准) 稳定性、舒适性、安全性:动力学性能满
足有关标准的要求(GB5599-85)
1. 车辆动力学性能及其 主要影响因素
设计输入(已知条件) ——线路
线路扭曲及顺坡
曲线参数 (半径、 超高 、缓和曲线、允许 欠超高) 轨道不平顺
轨头形状、 轨底坡
竖曲线
环境参数 (温度、风力等)
设计输入(已知条件) ——车辆
最大运行速度
轴距
车轮踏面形状
载重 车体质量、转动惯量 车体模态 簧上及簧下质量
ICE-ET摆式客车转向架
SGP-400高速客车转向架
主动悬挂一系定位刚度Kpx、Kpy 主动控制抗蛇行减枕器 主动控制二系横向悬挂
ICE2拖车转向架--SGP400
SGP400转向架
德国摆式列车转向架 (SGP〕
德国高速摆式列车(ICT-ET)
2.3 独立旋转车轮转向架
定义:同一轮对左右两个车轮可以独立旋转的转向架, 称为独立旋转车轮转向架。 分类:有车轴和无车轴等类型 优点:消除轮对蛇行运动
轮轨横向力Q(衡量车轮对钢轨、道钉的破坏程度)

轮轨横向力Q是指车轮和钢轨之间横向作用力,包 括轮轨间接触点的法向力的横向分量和横向蠕滑力。 GB5599-85规定,轮轨横向力Q允许限度采用以下 标准。 a.道钉拨起,道钉应力为弹性极限时的横向力标准:


Qb 19 0.3 Pst
用途:用于有多种轨距铁路的国家,以及国际联运车辆。 实例:TaLgo 变规矩转向架 德国变轨距转向架DBAG/Rafil V型
西班牙Taglo变轨距转向架
变轨距过程
德国变轨矩转向架轮对
2.5 耦合轮对转向架
定义:介于刚性轮对和独立旋转车轮转向架之间的一 种转向架,左右车轮间的连接刚度及阻尼可随时改变。 分类:根据介质不同磁流变和 电流变耦合轮对转向架。
一系弹簧
约束条件
限制因素
垂向: 载重, 变形,动态性能,空间大小 横向: 空间大小、制动系统
性能
垂向 轮重减载, 脱轨,轮轨力, 吸振 横向 稳定性/曲线通过性能: 由弯曲刚度和剪切刚度确定
一系悬挂
其它
结构
寿命, 重量
制造
数量,表面质量, 合适的高度, 安装
VT612自导向机构布置
纵向减振器
轴箱拉杆
VT612自导向机构
扭杆式自导向客车转向架
1—轮对 2—焊接构架 3—轴箱悬挂装置 4—中央悬挂装置
5—自导向机构
迫导向转向架基本原理
连构架 连车体
连轴箱
β
α β
瑞士ICN动车迫导向转向架
日本283摆式动车迫导向转向架
中国迫导向摆式客车转向架
迫导向摆式客车转向架正视图
货车自导向径向转向架的几种典型结构
Scheffel 副构架径向转向架
客车自导向径向转向架的几种典型结构
(a) 扭杆式
客车自导向径向转向架的几种典型结构
(b) 纵向液压减振器式
客车自导向径向转向架的几种典型结构
(c) 拉压杆式
南非SHEFFEL自导向转向架
南非SHEFFEL自导向转向架
VT612自导向摆式客车转向架
这里Pst为车轮静轮重。 b.道钉拨起,道钉应力为屈服极限时的横向力标准:
QS 29 0.3 Pst

主要影响参数:Kpx、Kpy、Kpz、Ksy、 λ
轮轴横向力H(衡量轮对对轨枕、道床等整个轨道的破坏程度)

轮轴横向力H是指轮对和钢轨之间横向作用力。 GB5599-85规定,轮轴横向力H允许限度采用以下 标准。
高速及重载货车转向架
摆式客车转向架及高速客车转向架
2.1 径向转向架
定义:车辆通过曲线时,所有轮对都有趋于曲线径向 位置的能力的转向架,称为径向转向架。 分类:根据导向原理不同,可分为自导向径向转向架 和迫导向径向转向架两种。 优点:便于车辆通过曲线,减少轮轨磨耗、噪音和环 境污染,提高安全性。
2.1 径向转向架

主 要 影 响 参 数 : Kpx、Kpy、Kpz、Cpz、Csz、 Kphx、 λ
倾覆系数D

倾覆系数D是指车辆在横向力的作用下,一侧车轮增载,一侧 车轮减载,车辆一侧垂向力的变化量与静止是的垂向载荷的 比值,称为倾覆系数。

GB5599-85规定,倾覆系数D采用以下标准。
D 0.8

主要影响参数:Kpy、Kpz、Ksz、Cpz、Csz、
1.2 稳定性
主要指车辆蛇行运动稳定性,一般情况下采用以下方 法判定:
1.2 稳定性
当车辆系统受到一个初始激扰后,分析车辆在 不同的运行速度下各刚体振动位移随时间的变 化情况,如收敛,则车辆的运行是稳定的(图 (a)); 如发散,则处于失稳状态(图(b));如既 不收敛,也不发散,处于一种临界状态(如图 (c)),此时相对应的车辆运行速度称为车辆 的蛇行运动临界速度。
用途:用于曲线多、曲线半径较小的线路。 实例:重载货车转向架(南非SHEFFEL自导向转向架) 摆式客车转向架(德国VT612、瑞士ICN摆式转 向架)
径向转向架的基本原理
普通转向架:
轮对定位刚度大 冲角大、轮轨力大、轮轨磨耗 严重、安全性差
径向转向架:
存在导向装置 轮对中心线处于曲线径向位置、 轮轨力小、磨耗少、安全性好
一系悬挂类型
钢簧 橡胶(人字形,锥形等) 钢簧+橡胶
一系定位装置:
转臂、拉杆、导筒、导柱、橡胶定位器、导框、
干摩擦(用于货车转向架)、径向装置等
转臂定位装置
拉板定位装置
拉板定位装置
橡胶定位装置
锥 形 橡 胶 堆 定 位
橡胶定位装置
人 字 形 橡 胶 堆 定 位
橡胶定位装置
锥 形 橡 胶 堆 复 合 弹 簧 定 位
橡胶定位装置
双 橡 胶 圆 簧 定 位
利诺尔减振器定位装置
利 诺 尔 减 振 器 定 位
轮对定位装置
双 斜 契 减 振 器 定 位
一系弹簧
类型 钢簧
优点: 静、动态刚度变化小,垂向特性呈线形, 寿命长,成本低,受温度变化小 缺点:无阻尼,高度大,纵横向刚度线形、不易控制 橡胶弹簧 优点: 有阻尼,高度小,纵横向刚度易控制,三 向刚度具有非线形 缺点:寿命短,动态刚度变化大,受温度的影响 大
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