車輛工程專業(yè)畢業(yè)論文30t軸重貨車轉(zhuǎn)向架搖枕的結(jié)構(gòu)及設計

1、摘要隨著我國鐵路運輸向高速和重載方向發(fā)展，轉(zhuǎn)向架搖枕的運用條件日趨苛刻。因此，研究重載運輸條件下的搖枕結(jié)構(gòu)及其性能變得尤為重要。本文通過國內(nèi)外重載運輸?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀的了解,分析了國內(nèi)外現(xiàn)有重載貨車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點和性能。首先對我國30t軸重轉(zhuǎn)向架進行了結(jié)構(gòu)選型，初步確定了適應我國國情的30t軸重貨車轉(zhuǎn)向架的基本結(jié)構(gòu)型式。重點對該轉(zhuǎn)向架的搖枕的結(jié)構(gòu)進行自主設計與分析。運用SolidWorks建立30t軸重貨車轉(zhuǎn)向架搖枕的三維模型，并且詳細介紹了該轉(zhuǎn)向架搖枕的結(jié)構(gòu)特點及設計步驟，其中包括了外壁和內(nèi)部筋板厚度、排水口、漏沙孔等工藝孔、搖枕斜楔、旁承臺座、彈簧承臺、心盤部位、搖枕吊耳。然后對該搖枕進行了有

2、限元應力分析，然后根據(jù)分析結(jié)果確定搖枕的薄弱地方并進行改進，最終設計得到滿足強度要求，并有足夠抗疲勞性能的轉(zhuǎn)向架搖枕。 關鍵詞：重載貨車；轉(zhuǎn)向架；搖枕；設計；有限元分析AbstractWith the development of railway transportation in China to high speed and heavy, truck bolster conditions using the increasingly harsh.Therefore, studying under heavy haul bolster structure and performance ha

3、s become particularly important. The current development status at home and abroad through the heavy haul transportation understanding, analysis of the structure characteristics and performance of the existing heavy truck frame at home and abroad to .The first of China's 30t axle load bogie stru

4、cture selection, initially identified the basic structure frame of the axle load 30t China steering. The focus of the steering structure bolster frame of independent design and analysis.Use SolidWorks to set up 30t axle load truck steering frame bolster 3D model, and introduces the structure charact

5、eristics and design steps of steering frame bolster, including the outer and inner rib plate thickness, drains, drain sand hole technology of hole, bolster wedge, a side bearing pedestal, spring seat, center plate position, swing hanger lug. Then the bolster the finite element stress analysis, then

6、bolster weak place and determined according to the analysis results, the final design can meet the strength requirements, and has enough fatigue performance of the bogie bolster.Keywords: heavy-duty freight car;Bogie;Bogie Bolster; Design;The finite element analysis目錄1 緒論11.1 選題背景11.2 國外重載車輛的現(xiàn)狀11.3

7、我國近年來重載車輛現(xiàn)狀21.4 本文主要工作22 國內(nèi)外大軸重轉(zhuǎn)向架的現(xiàn)狀32.1 國外大軸重轉(zhuǎn)向架32.2 我國國內(nèi)及出口大軸重轉(zhuǎn)向架53 轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)選型83.1 轉(zhuǎn)向架選型原則83.2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點84 轉(zhuǎn)向架搖枕的設計104.1 大軸重轉(zhuǎn)向架載重分析和損傷部位探究104.2 轉(zhuǎn)向架搖枕的三維結(jié)構(gòu)設計124.2.1 總體結(jié)構(gòu)設計124.2.2 外壁和內(nèi)部筋板厚度的設計134.2.3 排水口、漏沙孔等工藝孔的設計144.2.4 搖枕斜楔的設計154.2.5 旁承臺座的設計164.2.6 彈簧承臺的設計174.2.7 心盤部位的設計174.2.8 搖枕吊耳的設計184.2.9 棱角的圓弧過

8、渡設計195 轉(zhuǎn)向架搖枕的有限元分析215.1.1 有限元求解問題的思路及方法215.1.2 轉(zhuǎn)向架搖枕承受載荷情況分析225.1.3 轉(zhuǎn)向架搖枕使用Simulation進行有限元分析235.1.4 轉(zhuǎn)向架改進措施275.1.5 本章小結(jié)27結(jié)論28致謝29參考文獻301 緒論1.1 選題背景我們國家自從改革開放到現(xiàn)在，隨著國民經(jīng)濟的一直深入的發(fā)展和人民生活水平的顯著提高，我們對貨物運輸效率的要求也是越來越高了。由于我國國土面積的廣闊，長期以來我國鐵路運輸以其運量大、能耗低、運價低廉的顯著優(yōu)勢在貨運方面一直處于不能缺少的地位，是我國最重要的貨物運輸方式之一。而其中重載貨運就是我國鐵路當前發(fā)展中

9、的重要方向，研發(fā)出新一代大軸重專用和通用貨車就是“十二五”期間鐵路貨車技術的很重要的發(fā)展目標。但是，從總體來講我國鐵路運輸技術還遠遠不能滿足我國國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，和發(fā)達國家相比來講仍然存在很大的差距。自20世紀50年代以來，重載鐵路運輸通過其運能大、效率高、運輸成本低的各種特點而受到世界各國的廣泛重視，尤其是在一些地域遼闊、物資豐富，煤和礦石等大量貨物運量占有很大比重的國家，例如美國、南非、加拿大、巴西、澳大利亞等，重載貨運的發(fā)展尤其迅速。在20世紀60年代中后期，重載運輸開始取得實質(zhì)性的進展。20世紀80年代之后，隨著材料、計算機控制、工藝和信息技術等現(xiàn)代高新的技術在車輛上的廣泛應用，鐵路

10、的重載運輸技術以及裝備水平都在不斷提高，重載列車的牽引重量也有非常大的提高。1.2 國外重載車輛的現(xiàn)狀表1.1國外重載貨車大軸重轉(zhuǎn)向架的應用情況國家美國加拿大澳大利亞南非巴西俄羅斯轉(zhuǎn)向架類型BarberRide controlBarber s-2Ride controlRide controlScheffelBarberRide control18-57818-579軸重32.4、32.7529.8、32.4332.5、35.726-3039.8、32.525、30軌距（mm）14351435143616071607、16001520牽引重量（t）12000-2000012000-200080

11、00-2000020000-2200021000-3200085000速度（km）60-8060-6560-8050-6050-60-線路代表BNSF,UPCSXDP,CNBHP,QROrex RecharCVRDLKAB運營里程(km)19.20萬4.7萬462/1600861/627892/905540線路類型準軌準軌準軌、窄軌窄軌、電氣寬軌、準軌準軌重載運輸在美國、加拿大、澳大利亞、南非和巴西等國家得到較為廣泛的應用，瑞典及俄羅斯、德國、法國、挪威等歐洲國家也正在應用重載運輸。這些國家的重載運輸車輛軸重大、載重大，鐵路貨運勞動生產(chǎn)率高，經(jīng)濟效益顯著。表1.1中對國外大軸重轉(zhuǎn)向架的型號、軸

12、重及運行速度等應用情況進行分析。1.3 我國近年來重載車輛現(xiàn)狀我國鐵路重載貨車引進消化了部分美國技術, 如大容量緩沖器，轉(zhuǎn)動車鉤等, 研制了專用貨車相繼投入運用, 但數(shù)量有限、與北美澳大利亞采用第二代重載單元列車的技術差距較大。運輸效率有待提高。1.4 本文主要工作發(fā)展重載運輸,開發(fā)30t軸重的重載貨車,并保證其具有優(yōu)良的動力學性能,關鍵在于貨車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式的選取和懸掛參數(shù)的匹配。隨著貨車軸重增加,輪軌間的相互作用(特別是垂向相互作用)不斷增強,車輛對軌道結(jié)構(gòu)的破壞作用及線路變形也隨之加劇,如不采取措施,將會大大增加軌道日常維護工作量,縮短軌道使用壽命。本文以減小30t軸重貨車轉(zhuǎn)向架輪軌相互

13、作用力為目的,主要討論和研究以下內(nèi)容:(l)根據(jù)國外重載運輸?shù)陌l(fā)展經(jīng)驗和我國國情,為我國30t軸重貨車選擇合理的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式,并確定其初始參數(shù);(2)在充分考慮貨車轉(zhuǎn)向架各種因素的基礎上建立重載貨車轉(zhuǎn)向架的模型;(3)在仿真模型基礎上,研究重載貨車搖枕結(jié)構(gòu)對車輛力學性能的影響,提出我國30t軸重貨車搖枕的適合結(jié)構(gòu);(4)運用solidworks建立30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕的三維模型,并進行搖枕有限元計算,根據(jù)加載計算結(jié)果確定轉(zhuǎn)向架搖枕受載薄弱部位;(5)對我國30t及以上軸重貨車轉(zhuǎn)向架的未來研發(fā)做出預測2 國內(nèi)外大軸重轉(zhuǎn)向架的現(xiàn)狀2.1 國外大軸重轉(zhuǎn)向架國外的30t及以上軸重重載貨車轉(zhuǎn)向架代表有

14、美國研發(fā)的一種自導向轉(zhuǎn)向架Dresser DR-1轉(zhuǎn)向架、英國人設計的一種迫導向轉(zhuǎn)向架Devinescales轉(zhuǎn)向架、由傳統(tǒng)三大件轉(zhuǎn)向架改進而來的側(cè)架交叉支撐式轉(zhuǎn)向架、英國開發(fā)了一種低軌道作用力LTF轉(zhuǎn)向架、法國研究出的一種焊接構(gòu)架式第一系懸掛貨車轉(zhuǎn)向架Y-25轉(zhuǎn)向架、南非研制的Scheffel自導向轉(zhuǎn)向架等。表2.1國外大軸重轉(zhuǎn)向架歸納Dresser DR-1轉(zhuǎn)向架現(xiàn)有三大件轉(zhuǎn)向架承載鞍上加裝一對弓形導向臂，前后輪對的弓形導向臂在搖枕孔附近銷接在一起，兩個弓形導向臂在水平面內(nèi)可以相對轉(zhuǎn)動。當車輛通過曲線時，一個輪對產(chǎn)生搖頭轉(zhuǎn)動，并通過導向臂迫使轉(zhuǎn)向架上另一個輪對做相反方向的搖頭轉(zhuǎn)動，兩個輪對

15、相對成八字形并接近曲線的徑向位置Devine-scales轉(zhuǎn)向架當車輛進入曲線時，由于車體和轉(zhuǎn)向架間的相對回轉(zhuǎn)運動，導向杠桿系統(tǒng)使同一轉(zhuǎn)向架上兩輪對曲線外側(cè)的軸距擴大，曲線內(nèi)側(cè)的軸距縮小，從而使輪對處于徑向位置。在直線線路上，剛性構(gòu)架和導向杠桿系統(tǒng)使輪對保持與線路中心線相垂直，抑制輪對的蛇行運動、增強車輛的橫向穩(wěn)定性側(cè)架交叉支撐式轉(zhuǎn)向架這種轉(zhuǎn)向架在側(cè)架上焊接筋板，兩根交叉支撐通過橡膠襯墊固定在側(cè)架筋板上，兩根支撐桿交叉于轉(zhuǎn)向架的中心線上。兩根交叉支撐可以從搖枕下部穿過，也可以在搖枕兩側(cè)腹板上開孔穿過。交叉支撐可以增加兩側(cè)架在水平面內(nèi)的抗菱形剛度，提高三大件轉(zhuǎn)向架的抗蛇行穩(wěn)定性，提高車輛的臨界速

16、度，但交叉支撐并不妨礙兩側(cè)架在縱、垂平面內(nèi)的相對轉(zhuǎn)動，保持了三大件轉(zhuǎn)向架各車輪載荷均勻的優(yōu)點。LTF轉(zhuǎn)向架這種轉(zhuǎn)向架采用內(nèi)置軸箱，即軸箱安裝在車輪內(nèi)側(cè)，采用重量較小的鍛鋁軸箱，盤形制動，采用構(gòu)架式兩系懸掛：一系懸掛為高圓簧，二系懸掛為橡膠彈簧，它們提供垂向和橫向的剛度；二系懸掛中有一個傾斜安裝的油壓減振器提供垂向和橫向減振阻尼。Y-25轉(zhuǎn)向架60年代末法國研制的UIC標準型貨車轉(zhuǎn)向架，焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)，一系螺旋鋼彈簧加利諾爾減振器，軸箱定位，兩級剛度彈簧，UIC標準球面心盤和常接觸彈性旁承，運行速度120km/h。Scheffel自導向轉(zhuǎn)向架在原三大件轉(zhuǎn)向架的基礎上加一個副構(gòu)架，安裝在一個輪對的左

17、右兩個承載鞍上，前后兩個副構(gòu)架由兩根交叉支撐銷接。這種交叉支撐結(jié)構(gòu)能保證輪對徑向通過曲線，轉(zhuǎn)向架側(cè)架和副構(gòu)架間在承載鞍前后位置有剪切剛度較小的橡膠墊，也便于輪對徑向通過曲線。2.2 我國國內(nèi)及出口大軸重轉(zhuǎn)向架我國鐵路重載貨車技術主要還是消化吸收了美國和加拿大的技術。早期主型貨車轉(zhuǎn)向架為轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架,之后我國對既有轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架進行改造,設計制造了轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)8型系列轉(zhuǎn)向架停產(chǎn)以后為繼設計制造了21t軸重的轉(zhuǎn)K1、轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K3和轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架,因大秦線將開行2萬噸重載列車,后分別研制出25t軸重的轉(zhuǎn)K5、轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架。后來引進南非Scheffel徑向轉(zhuǎn)向架技術,研制出25

18、t軸重的轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架。25t軸重轉(zhuǎn)K5、轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架均已裝配在C80運煤專用敞車上,并在大秦線上得到運用。雖然目前我國重載專用貨車的最大軸重僅為25t，但我國卻成功出口了許多軸重大于或等于25t的重載貨車轉(zhuǎn)向架。出口的轉(zhuǎn)向架都有出口委內(nèi)瑞拉30t軸重轉(zhuǎn)向架，出口澳大利亞35.7t軸重轉(zhuǎn)向架，出口巴西25t軸重轉(zhuǎn)向架。表2.2我國國內(nèi)及出口大軸重轉(zhuǎn)向架歸納轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架其側(cè)架搖枕定位剛度不足，致使菱形剛度低，容易產(chǎn)生菱形變位，導框式軸箱定位致使轉(zhuǎn)向架蛇行運動穩(wěn)定性差，滾動軸承損壞過快。轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架兩個側(cè)架間加裝彈性下交叉支撐裝置，采用了雙作用彈性旁承，采用兩級剛度彈簧，加裝心盤磨

19、耗盤，使心盤受力均勻，減少上下心盤之間的磨耗；轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架出口委內(nèi)瑞拉30t軸重轉(zhuǎn)向架南車集團眉山車輛廠與委內(nèi)瑞拉某公司簽訂了自翻車出口合同，該轉(zhuǎn)向架為安裝有常摩擦減振裝置的控制型轉(zhuǎn)向架，主要由搖枕、側(cè)架、輪對、雙列圓錐滾子軸承、減振裝置和基礎制動裝置等組成。出口澳大利亞35.7t軸重轉(zhuǎn)向架齊齊哈爾鐵路車輛有限責任公司為澳大利亞力拓礦石公司開發(fā)研制了35.7t軸重的貨車轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架為鑄鋼三大件控制型轉(zhuǎn)向架，主要由側(cè)架、搖枕、中央彈簧懸掛裝置、減振裝置、輪對、基礎制動裝置、彈性旁承等組成。出口巴西25t軸重轉(zhuǎn)向架該轉(zhuǎn)向架為25t軸重新型鑄鋼三大件轉(zhuǎn)向架,采用Barber S2-M型變摩擦減

20、振器的中央彈簧懸掛裝置,斜楔為加寬分離式,加寬了側(cè)架立柱磨耗板和搖枕斜楔插板;下心盤與搖枕鑄成一體;側(cè)架與導框頂面焊裝磨耗板,滑槽內(nèi)鑲卡入式磨耗板,搖枕斜楔槽內(nèi)焊插板;基礎制動裝置為下拉桿式單側(cè)閘瓦制動,采用高磨合成閘瓦,雙滾子間隙旁承。3 轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)選型隨著貨物列車重載化的發(fā)展，特別是隨著貨車軸重的增加，列車與線路間動態(tài)相互作用顯著增強，加劇了車輛磨損，降低了車輛部件的使用壽命；同時，列車對軌道結(jié)果的破壞作用及線路變形也隨之加劇。開發(fā)低動力作用轉(zhuǎn)向架可以減輕重載列車和線路間的相互作用3.1 轉(zhuǎn)向架選型原則1）減小簧下質(zhì)量簧下質(zhì)量對輪軌垂向動作用力特別是低頻作用力的影響很大。降低簧下質(zhì)量的有

21、效措施是采用一系懸掛-三向定位的彈性承載鞍。2）優(yōu)化車輪參數(shù)加大輪徑可有效減小輪軌的接觸應力，但是輪徑增加將導致車輛簧下重量增加，輪軌間相互作用加劇，并且使車輛重心升高，對車輛運行平穩(wěn)性不利，所以重載輪徑應限制在一個合理的范圍。3）減小一系橫向定位剛度一系彈簧橫向定位剛度對輪軌間橫向作用力影響很大，減小橫向定位剛度不僅可以降低車輛對軌道的動力作用，還可以提高抗脫軌安全性。（但是一系懸掛在縱向和橫向的定位剛度對于車輛蛇行穩(wěn)定性有很大影響，故只能在保證橫向蛇行穩(wěn)定性的前提下減小軸箱彈簧的橫向定位剛度。）4）發(fā)展徑向轉(zhuǎn)向架采用徑向轉(zhuǎn)向架能減小或消除輪對沖角，有效的減小輪軌磨損。3.2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點

22、1）該轉(zhuǎn)向架屬于30t軸重低動力作用鑄鋼三大件式貨車轉(zhuǎn)向架。需要要貨車廠具有豐富的設計和生產(chǎn)三大件貨車轉(zhuǎn)向架的經(jīng)驗,并具有較強的鑄造能力。與側(cè)架擺動式三大件轉(zhuǎn)向架相比,側(cè)架交叉支撐式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)相對簡單,磨耗件小,易于推廣,檢修方便;2）采用一系懸掛裝置,減輕轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量。一系懸掛我決定采用三向定位的彈性承載鞍，這樣能降低輪軌動作用力以及輪緣磨耗，也能降低來自輪軌間的高頻振動。3）二系懸掛我決定采用裝有組合式變阻尼減振裝置的兩級剛度中央彈簧懸掛系統(tǒng)，采用內(nèi)、外枕簧不同高度的兩級剛度彈簧是提高空車彈簧靜撓度的有效措施，即在空車時彈簧具有較小的剛度，使空車彈簧靜撓度提高，而在重車時彈簧具有較大的

23、剛度，以承受重車的載荷，這樣可使貨車轉(zhuǎn)向架的空、重車彈簧靜撓度都在合理范圍內(nèi)。故該轉(zhuǎn)向架應采用的兩級剛度彈簧為內(nèi)、外圈彈簧不等高結(jié)構(gòu)，空車時僅外圈彈簧承重，重車時由內(nèi)、外圈彈簧共同承重。 4）側(cè)架立柱磨耗板采用卡入式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)選定為OCr18Ni9，之所以這樣選擇是為了在有效提高組裝效率的同時，可顯著降低側(cè)架搖枕擋的磨耗問題以及側(cè)架立柱磨耗板由于采用折頭螺栓緊固所帶來的翹曲和斷裂的幾率。5）搖枕、側(cè)架采用B+級鑄鋼制造。6）在上、下心盤之間，加裝心盤磨耗盤。上、下心盤的平面和圓周邊部分都被心盤磨耗盤隔離，這就完全避免了上、下鋼質(zhì)心盤間的直接磨損，也改善了上、下心盤面的承載勻衡性，可以有效提高上

24、、下心盤的使用壽命。7）車輪材質(zhì)為CL70鋼、采用直徑為915mm的整體輾鋼輪或鑄鋼車輪:。裝用AAR K級雙列圓錐滾子軸承，滿足軸重30t運用需要。我國主型貨車的軸重在21t25t之間，車輪直徑為840mm，美國、澳大利亞和巴西等國30t軸重車輛正是采用直徑為915mm的車輪。有人研究了輪徑變化對30t軸重車輛動力學性能的影響，建議我國30t軸重重載貨車輪徑取915mm比較合適。8）每臺轉(zhuǎn)向架裝有4個工作行程為15mm的CCB-3000XT型常接觸彈性旁承，使轉(zhuǎn)向架與車體之間具有較為合適的回轉(zhuǎn)阻力矩，在提高轉(zhuǎn)向架高速運行穩(wěn)定性的同時增強車輛抗側(cè)滾能力。9）彈簧排布方式中央彈簧懸掛裝置決定借鑒

25、K6轉(zhuǎn)向架改進為由9組兩級剛度彈簧組成，其中搖枕彈簧7組，減振彈簧2組，彈簧的材質(zhì)為暫時選定為60Si2CrVAT。4 轉(zhuǎn)向架搖枕的設計4.1 大軸重轉(zhuǎn)向架載重分析和損傷部位探究在工程結(jié)構(gòu)和機械設備中,疲勞破壞的現(xiàn)象極為廣泛,它普遍存在于每個運動的零部件。甚至有些看上去是靜止的結(jié)構(gòu),但是只要它承受反復作用的載荷,都會導致疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計大約有50一90%的機械結(jié)構(gòu)破壞屬于疲勞破壞。我國鐵路貨車的軸重正在由25t向30t發(fā)展,車輛的最高商業(yè)運行速度正在由80km向120km/h發(fā)展。搖枕作為鐵路貨車轉(zhuǎn)向架主要承載部件之一,在使用過程中承受著巨大的拉、壓、沖擊、彎曲等交變載荷作用,工況十分惡劣,其

26、主要失效形式是疲勞破壞。另外,車輛運用中難免出現(xiàn)的偏載、超載、輪對擦傷等因素會使搖枕的受力狀況更加惡化,加劇了裂紋的產(chǎn)生和擴展。加強搖枕的結(jié)構(gòu)強度是解決搖枕疲勞損傷的一個顯著方法，在搖枕設計之前，需要得知搖枕的主要受力情況，以便在設計時控制主要應力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度。我們可以通過搖枕在經(jīng)過廠修、段修時發(fā)現(xiàn)的主要損傷和裂紋產(chǎn)生部位來大體分析搖枕的主要應力集中區(qū)域。圖4.1列車車輛對轉(zhuǎn)向架的載荷示意圖由上圖可以看出，當轉(zhuǎn)向架承受列車車輛的靜載荷時，主要是心盤和左右旁承承受載荷，而側(cè)架對搖枕的的作用力集中作用在搖枕的八字面上。圖4.2搖枕在豎直方向受到的作用力示意圖由此作用力示意圖可推測出搖枕最為主

27、要的疲勞裂紋等損傷一般出現(xiàn)的位置為搖枕心盤部位、底部排水口、搖枕八字面部位以及搖枕兩端的下彎角部位。經(jīng)搜集查閱相關資料，也證實了之前的推測。以下便是搖枕最為經(jīng)常出現(xiàn)損傷的部位的照片。圖4.3搖枕排水口部位裂紋照片圖4.4搖枕下彎角部位裂紋照片圖4.5搖枕八字面裂紋照片圖4.6搖枕心盤部位裂紋照片有資料顯示，在所有轉(zhuǎn)向架搖枕檢修的損傷裂紋中，心盤部位、八字面部位、下彎角部位以及搖枕下部排水孔部位出現(xiàn)裂紋的比率各占20%。這個數(shù)據(jù)很直觀的告訴我們，想要整體提升轉(zhuǎn)向架搖枕的結(jié)構(gòu)強度和使用壽命，必須在這幾個容易產(chǎn)生損傷裂紋的部位進行優(yōu)化。4.2 轉(zhuǎn)向架搖枕的三維結(jié)構(gòu)設計4.2.1 總體結(jié)構(gòu)設計搖枕的結(jié)

28、構(gòu)設計并不能隨心所欲的進行發(fā)揮和臆想，要適應搖枕中部受彎矩較大而兩端受彎矩較小的情況，故搖枕中央部分的截面要比兩端大，使得中央部分具有較大的截面模數(shù)，即魚腹形設計。再者需要考慮到正常裝配、生產(chǎn)工藝的簡單不復雜、對生產(chǎn)成本的控制等各方面的因素，最終決定借鑒我國轉(zhuǎn)K6和轉(zhuǎn)K7兩種經(jīng)典的25t軸重貨車轉(zhuǎn)向架搖枕的總體結(jié)構(gòu)尺寸，來設計30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕。圖4.7搖枕總體形狀圖4.8 搖枕總體尺寸轉(zhuǎn)向架外圍的形狀尺寸是在K6轉(zhuǎn)向架和K7轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)基礎上，做了一些調(diào)整。大軸重轉(zhuǎn)向架軸頸、輪徑的選取都要比K6轉(zhuǎn)向架和K7轉(zhuǎn)向架的要大，故要滿足降低車體及鉤緩裝置高度不變的要求，就必須將轉(zhuǎn)向架搖枕及側(cè)架進行

29、外部形狀上的改變。心盤承載的部位設計成下陷的結(jié)構(gòu)，就可以有效的降低心盤的高度了。根據(jù)力的杠桿原理，心盤部位設計成下陷的結(jié)構(gòu)對搖枕旁彎角部位的結(jié)構(gòu)強度就有了更大的需求，因為力臂增大之后力矩也變大了。所以在左右下彎角部位要設計出更大的弧度來滿足大載荷對搖枕強度的要求。4.2.2 外壁和內(nèi)部筋板厚度的設計可以說搖枕外壁和中間的支撐筋板的強度就決定了搖枕的整個結(jié)構(gòu)強度，所以外壁和筋板的設計一定要滿足30t軸重重載的要求，但是也不能一味的追求強度而忽視了自重太重的問題，必須按照相關的結(jié)構(gòu)設計標準，既要滿足強度要求，也要兼顧考慮降低自重。圖4.9 外壁及筋板厚度設計中，相對于轉(zhuǎn)K6型和轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架搖枕外

30、壁厚度為18mm，30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕加大厚度到22mm，這是保證強度足夠又不產(chǎn)生強度過剩、自重過大的合理厚度。設計中還針對搖枕心盤部位、下方排水口部位、搖枕下彎角部位及八字面部位承受載荷較其他部位大的工況條件，必須對這些部位進行結(jié)構(gòu)強度增加的設計處理。4.2.3 排水口、漏沙孔等工藝孔的設計搖枕設計中有一些必須的工藝孔也是必不可少的，比如排水口、漏沙孔等，這些工藝孔的設計不僅是方為了鑄造時起模、掉沙方便，在搖枕的日常使用及檢修中也扮演者重要的角色。比如排水口，當搖枕在正常使用中遇到下雨天氣，雨水會積攢在搖枕中，如果不及時排出便會引起搖枕內(nèi)部銹蝕，久而久之變減小了搖枕的強度，縮小了搖枕的使用壽

31、命。圖4.10 搖枕內(nèi)部工藝孔設計中比較值得一提的是位于搖枕中部腹板的用于制動中拉桿穿過的兩個橢圓孔，它的尺寸大小決定了制動裝置是否可以正常使用，所以在設計中參照了K6轉(zhuǎn)向架的設計標準，最終確定了孔的形狀大小及方位。4.2.4 搖枕斜楔的設計斜楔是轉(zhuǎn)向架的重要減振元件之一，它構(gòu)成了轉(zhuǎn)向架的摩擦減振器。K6型轉(zhuǎn)向架和K7型轉(zhuǎn)向架都采用的摩擦減振器與彈簧一起構(gòu)成彈簧減振裝置。彈簧主要起緩沖作用，緩和來自軌道的沖擊和振動激擾力，而摩擦減振器作用是減少振動-它的作用力總是與運動的方向相反，起著阻止振動的作用。摩擦減振器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，制造和維修比較方便，故廣泛應用在貨車轉(zhuǎn)向架上。摩擦式減振器是借助金

32、屬摩擦副的相對運動產(chǎn)生摩擦力，將車輛振動動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏⑹У酱髿庵?，從而減少車輛振動。一般摩擦楔塊的一邊為45度角，該斜邊嵌入搖枕端部的楔形槽中，另一邊與垂線的夾角為30度左右，緊緊壓在側(cè)架立柱的磨耗板上。其工作原理是：車體重量通過搖枕作用于彈簧上，是彈簧壓縮。由于搖枕和楔塊之間為45度的斜面，因此在車體作用力和彈簧反作用力的作用下，楔塊與搖枕之間、楔塊與側(cè)架立柱磨耗板之間產(chǎn)生一定壓力。行駛中各摩擦面產(chǎn)生相對摩擦，將車輛振動的沖擊力轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軓亩鸬綔p振的作用。圖4.11 搖枕斜楔三維圖圖4.12 搖枕斜楔剖面圖30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕的斜楔設計參照K6型轉(zhuǎn)向架和K7型轉(zhuǎn)向架的斜楔樣式，最終斜邊

33、與豎直方向的夾角選定為32度。斜楔面的寬度的設計則必須根據(jù)選擇的外圈彈簧的最大直徑并參照其配合關系來確定。最終確定為174mm作為斜楔面的寬度。4.2.5 旁承臺座的設計旁承承載的使用大大改善了心盤的受力狀態(tài)，25t及以上軸重轉(zhuǎn)向架的旁承一般應用彈簧與橡膠復合生產(chǎn)而成。增加了車體與轉(zhuǎn)向架間的回轉(zhuǎn)阻尼，有效抑制轉(zhuǎn)向架與車體的搖頭蛇行運動和車體側(cè)滾振動，從而解決了空、重車回轉(zhuǎn)阻力難以協(xié)調(diào)的技術難題，進一步提高了車輛的臨界速度，有效保證車輛運行性能的穩(wěn)定，降低了運行時的橫向加速度，并較大量的緩解了心盤的承載壓力，減少了心盤裂紋產(chǎn)生的概率。圖4.13搖枕旁承臺座三維圖圖4.14 搖枕旁承臺座剖面圖旁承

34、臺座的設計需要根據(jù)旁承種類型號來選擇，30t軸重轉(zhuǎn)向架選用的是JC型雙作用彈性旁承，它的優(yōu)點是使用了端部無磨耗彈性定位技術和縱向滾動限位技術來減少車輛彎道行駛時的蛇形運動，從而改善了車輛的平穩(wěn)性能。4.2.6 彈簧承臺的設計彈簧承臺是搖枕和側(cè)架都有的，搖枕彈簧承臺和側(cè)架彈簧承臺之間是彈簧減振裝置。30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕的彈簧承臺是在一個平面（承臺面）上鑄有9個突出的圓臍子，主要是起到對彈簧定位的作用。彈簧減振裝置的作用是緩和并消減車輛運行時受到的沖擊和振動，它由搖枕彈簧和楔塊組成，每臺轉(zhuǎn)向架有2套。每套搖枕彈簧為9組雙圈螺旋圓彈簧，直接放在側(cè)架的彈簧承臺上。2個楔塊分別裝在搖枕楔形槽中，其下各有

35、一組雙圈搖枕彈簧。圖4.15 搖枕彈簧承臺30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕彈簧承臺的9個突出的圓臍子，根據(jù)其彈簧是定位彈簧或者減振彈簧等的作用不同其大小是不一樣的。反映在設計中便是圓臍子的高度。最中心的圓臍子在設計時必須將高度增加，以便保證彈簧在使用中可以起到應有的作用。4.2.7 心盤部位的設計心盤的功用有以下幾點：1、支撐并傳遞車體重量的1/2，即整個轉(zhuǎn)向架荷重（裝用常接觸式彈性旁承除外）；2、連接轉(zhuǎn)向架與車體，承受縱向牽引力、沖擊力、離心力、風力等，完成牽引任務；3、完成轉(zhuǎn)向架與車體間的相對轉(zhuǎn)動作用，隨時進行運行中的轉(zhuǎn)向。心盤從作用位置上可分為上心盤（與車體連接），下心盤（與轉(zhuǎn)向架連接），從結(jié)構(gòu)上分

36、，下心盤可分為與搖枕一體式和組合式兩種。30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕的心盤被設計成組合式，在搖枕中心部位設計下心盤部位，并留有心盤螺栓孔和心盤銷孔。為便于落車時導向，使上下心盤吻合和防止在運行中發(fā)生跳動而分離，上下心盤間穿以中心銷，起連接作用。圖4.16搖枕心盤部位搖枕的心盤部位是主要的承載載荷的部位，故必須有一定的強度要求，材料的厚度一定要達到承載的要求。又因為30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕為了在輪徑、軸頸變大的情況下滿足車身高度要求以及鉤緩裝置的鉤掛要求而設計成為弧型的搖枕外形中間的心盤部位需要承受更大的載荷，故在根據(jù)K6型轉(zhuǎn)向架和K7型轉(zhuǎn)向架的設計標準要求上，參照部分資料，最后確定了心盤部位的壁厚為32m

37、m。心盤部位留有心盤螺栓孔和心盤銷孔以便于下心盤連接，而且在新盤部位尺寸大小必須與30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕下心盤的406mm直徑相配合。在兩邊突出部位必須設計筋板來起到鞏固強度的作用，防止在車輛跳動時引起的搖枕心盤松動等問題。4.2.8 搖枕吊耳的設計搖枕吊耳的主要作用在于搖枕的搬運以及鑄造時方便搖枕起模使用。它的設計應該遵循以下幾點要求：1、 四個吊耳的時候必須能夠承受搖枕的整體重量；2、 兩個吊耳的時候必須要能承受翻轉(zhuǎn)重量（單件重量）；3、 吊耳在模具上的位置應以模具重心線為中心；4、 吊耳設計時要注意在吊裝時不要與其它零件（如導柱、限位器等）或者同意零件其他部位相互干涉；圖4.17搖枕吊耳搖

38、枕吊耳設計時的位置選擇和強度設計是最主要的兩個方面。吊耳所在的位置必須要能夠在起吊時均衡的承受載荷并且要兩兩對稱；搖枕的吊耳一定要保證在起吊及鑄造翻模時能足夠承受搖枕自身重量。所以30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕的吊耳厚度設計為28mm，這樣就有能夠滿足吊耳強度上的要求了。4.2.9 棱角的圓弧過渡設計就是在轉(zhuǎn)角的地方不用棱角分明的角度，而用圓弧平滑過渡。鑄件一般在棱角采用圓弧過渡，其好處在于可以避免應力集中，提高強度，改善熔體在型腔中的流動，有利于充滿型腔，便于脫模。搖枕的設計中圓弧過渡是不可缺少的一部分，不僅外壁需要圓弧過渡，內(nèi)部的筋板等都需要圓弧過渡。既能得到圓潤好看的外觀，又能方便加工組裝，最重要

39、的是減少了應力集中增加了搖枕的結(jié)構(gòu)強度。圖4.18搖枕底部圓弧過渡圖4.19 搖枕圓弧過渡剖面圖30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕在主要承載部位棱角部分都采用了圓弧過渡以減少應力集中增加搖枕結(jié)構(gòu)強度；其余棱角部分均借鑒K6型轉(zhuǎn)向架和K7型轉(zhuǎn)向架的外形構(gòu)造采用圓弧過渡。5 轉(zhuǎn)向架搖枕的有限元分析有限元法(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM)是隨著計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種計算方法，是一種求解關于場問題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法。在機械工程中，有限元法已經(jīng)作為一種常用的方法被廣泛使用。凡是計算零部件的應力、應變和進行動態(tài)響應計算及穩(wěn)定分析等都可以用有限元法。Simulation是SolidW

40、orks公司推出的一套有限元分析軟件。它作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成。運用Simulation，普通的工程師就可以進行工程分析，并可以迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度地縮短了產(chǎn)品設計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。其基本模塊能夠提供廣泛的分析工具來檢驗和分析復雜零件和裝配體，它能夠進行應力分析、應變分析、熱分析、設計優(yōu)化、線性和非線性分析等。不管項目多復雜或應用領域多廣，無論是結(jié)構(gòu)、熱傳導，還是聲學分析，對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學模型的問題，有限元求解的基本步驟是一樣的，只是具體公式推導和運算求解不同。5.1.1 有限元求解問題的思路及方法1.基本思路(1)建立數(shù)

41、學模型。Simulation對來自SolidWorks的零件或裝配體的幾何模型進行分析。該幾何模型必須能夠用正確的適度小的有限單元進行網(wǎng)格劃分。通常情況下，需要修改CAD幾何模型以滿足網(wǎng)格劃分的要求。這種修改可以采取特征消隱、理想化或清除等方法。(2)建立有限元模型。通過離散化過程，將數(shù)學模型剖分成有限單元，這一過程成為網(wǎng)格劃分。離散化在視覺上將幾何模型劃分為網(wǎng)格。然而，載荷和支撐在網(wǎng)格完成后也需要離散化，離散化的載荷和支撐將施加到有限元網(wǎng)格的節(jié)點上。(3)求解有限元模型。創(chuàng)建有限元模型后，使用Simulation的求解器進行求解。(4)結(jié)果分析?？傮w來說，結(jié)果分析是最困難的一步。有限元分析提

42、供了非常詳細的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用各種格式來表達。對結(jié)果的正確解釋需要熟悉和理解各種假設、簡化約定以及在前面三步中產(chǎn)生的誤差。2.使用步驟以上介紹了Simulation有限元分析的基本思路，在實際應用Simulation進行分析時，一般遵循以下步驟：創(chuàng)建算例、應用材料、添加約束、施加載荷、劃分網(wǎng)格、運行分析和分析結(jié)果。3.SimulationXpress應力分析SolidWorksSimulationXpress為SolidWorks用戶提供了一款初步的應力分析工具。通過在計算機上測試用戶的設計，SimulationXpress可以幫助用戶減少昂貴費時的實體測試，降低成本及減少投入市場的時間。

43、SimulationXpress的向?qū)Ы缑鎸⒁龑в脩敉瓿煞治?，其中?yōu)化分析是可選模塊。5.1.2 轉(zhuǎn)向架搖枕承受載荷情況分析列車在正常行駛中不僅僅只收到單一垂直方向的靜載荷，在行駛過程中軌道的不平順，軌道線路的拐彎等不同情況下轉(zhuǎn)向架搖枕所承受的載荷一定是不同的。首先需要對轉(zhuǎn)向架搖枕受載情況進行分析：作用在心盤上的載荷 (KN) 或者 (KN)式中-一個輪對壓在鋼軌上的允許載荷（允許軸重） n-一臺轉(zhuǎn)向架的軸數(shù)-一臺轉(zhuǎn)向架的自重（t）表5.1 搖枕垂向靜載荷工況載荷工況定義載荷大小1心盤垂向載荷（P）1P2左旁承載荷（R1）+心盤垂向載荷（P） 2P3右旁承載荷（R2）+心盤垂向載荷（P） 2P

44、由此我們可以知道30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕上大概需要承受的垂直靜載荷的大小為：則表5.2各工況承載載荷大小載荷工況載荷大?。↘N）1529.7421059.4831059.485.1.3 轉(zhuǎn)向架搖枕使用Simulation進行有限元分析(1)建立新算例。算例是由一系列參數(shù)定義的，這些參數(shù)完整地表達了物理問題的有限元分析。當對一個零件或裝配體進行分析時，想得到它在不同工作條件下的反應就要運行不同類型的分析。一個算例的完整定義包括分析類型、材料、負荷、約束和網(wǎng)格。在這一步驟中，可以為算例設定一個名稱，并同時設定算例的“類型”為“靜態(tài)”。將30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕導入算例中。(2)應用材料。在運行算例之前，必

45、須定義模型的材料屬性。在Simulation中定義材料不會更新已在SolidWorks中為CAD模型分配的材料。在裝配體中，每一個零件可以指定不同的材料。30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕采用B+級鋼鑄造而成，屈服強度為s=344.5MPa ，抗拉強度為b=551MPa，故采用近似的鑄造合金鋼作為分析材料。圖5.1材料選擇(3)添加約束。為了完成一個靜態(tài)分析，模型必須被正確地約束。Simulation提供了各種夾具來約束模型，一般而言，夾具可以應用到模型的面、邊和頂點。單擊Simulation工具欄“夾具”下拉菜單的“固定幾何體”，完成對零件約束的添加。當某個面添加了約束之后，就可以看到夾具符號出現(xiàn)在該面上

46、。夾具符號分別用箭頭和圓角表示各方向的移動和轉(zhuǎn)動自由度的限制。本文中選擇“固定幾何體”夾具類型，意味著所有的6個自由度，包括三個移動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度都被限制了。30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕添加的約束條件實在彈簧承臺面豎直向上的。圖5.2添加約束(4)施加載荷。單擊Simulation工具欄中“外部載荷”下拉菜單中的“力”，完成對零件載荷的施加，圖5.3 添加載荷-工況1圖5.4 添加載荷-工況2(5)生成網(wǎng)格。單擊Simulation工具欄中的“運行”下拉菜單中的“生成網(wǎng)格”，完成對零件的網(wǎng)格化。圖5.5 生成網(wǎng)格-工況1圖5.6 生成網(wǎng)格-工況2(6)運行算例。完成應用材料、添加約束、施加載荷

47、和對模型進行網(wǎng)格劃分后，就可以進行分析了。單擊Simulation工具欄中的“運行”，系統(tǒng)就開始進行分析，并彈出運行窗口，其中會顯示分析節(jié)點、單元以及自由度的數(shù)目。(7)顯示結(jié)果。運行結(jié)束之后，SimulationStudy樹中增加了“結(jié)果”文件夾，并且“結(jié)果”下還有應力、位移、應變和安全系數(shù)四個圖解選項。圖5.7 應力圖解-工況1圖5.8 工況1所受應力圖5.9 應力圖解-工況2圖5.10 工況2搖枕所受應力(8) 生成報告。經(jīng)過結(jié)果分析后，可以將結(jié)果生成研究報告，以方便查閱、演示和存檔。(9) 制作受力簡圖，確定最大承載區(qū)域。圖5.11 搖枕承載最大應力簡圖搖枕承受載荷應力最大的部位分別是

48、A區(qū)（搖枕兩端下彎角部位），B區(qū)（搖枕底部兩排水口附近）。(10)分析及結(jié)論： 已知B+級鋼的屈服強度： =344.5MPa 則B+級鋼的許用應力 表5.3 各工況受載情況統(tǒng)計受載工況受載大小與許用應力比較是否滿足強度要求1滿足2滿足3滿足經(jīng)以上分析，搖枕在兩個工況條件下，所承受靜態(tài)垂向載荷在A、B兩應力集中區(qū)域承受應力值均小于B+級鋼自身的許用應力，故可得出結(jié)論：該搖枕滿足應力強度要求。5.1.4 轉(zhuǎn)向架改進措施1、加厚心盤座厚度。根據(jù)Simulation對30t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕的有限元分析可以得出，承載載荷較大的部位依舊是心盤部位，從有限元的分析的位移圖解得出結(jié)論，心盤周邊部位結(jié)構(gòu)強度仍舊欠缺，所以應該對心盤部位加