现代轨道交通车辆设计.pptx
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1、第第1 1节节 车辆动力性能分析车辆动力性能分析1、悬挂系统的基本参数、悬挂系统的基本参数2、车辆动力学模拟分析步骤、车辆动力学模拟分析步骤3、ADAMS/Rail原理与应用原理与应用1 1、悬挂系统的基本参数、悬挂系统的基本参数由于转向架悬挂系统的结构和参数对机车车辆运行平稳性有着决定性的影响,因此,由于转向架悬挂系统的结构和参数对机车车辆运行平稳性有着决定性的影响,因此,悬挂系统的设计就成为转向架设计中的一项重要内容。悬挂系统的设计就成为转向架设计中的一项重要内容。客车转向架悬挂系统通常由客车转向架悬挂系统通常由弹性元件弹性元件(各种型式的弹簧)和(各种型式的弹簧)和减振器减振器两部分组成
2、。两部分组成。悬挂系统设计中有两项参数最重要:一是弹簧的静挠度值,一是阻尼率值。悬挂系统设计中有两项参数最重要:一是弹簧的静挠度值,一是阻尼率值。弹簧静挠度值弹簧静挠度值应设计得尽可能地大,以降低振动系统的自振频率。阻尼率值阻尼率值过大或过小都不利,它有一个优化值或优化范围,此值与系统的其他参数有关,阻尼优选值需通过转向架悬挂系统的振动理论分析来获得。运行平稳性(走行舒适性):运行平稳性(走行舒适性):即走行部振动平稳性对车辆内旅客的反映。它将反映在列车运行中所有线路和速度之中。Sperling指数、振动加速度指数、振动加速度等。运行稳定性(走行安全性):运行稳定性(走行安全性):它主要是当列
3、车因直线高速运行时,可能出现的横向自激振动问题,通常被称为蛇行稳定性。它不但影响列车的平稳性,而且也会导致脱轨,危及运行安全。蛇行临蛇行临界速度、脱轨系数界速度、脱轨系数等曲线通过性能:曲线通过性能:是指列车通过曲线时,对轨道和转向架产生不利的静态和动态作用力,列车通过曲线时,轮/轨作用力不当而产生脱轨的可能性。外轨超高、未平衡离心力、曲线限速等。外轨超高、未平衡离心力、曲线限速等。2、车辆动力学模拟分析步骤、车辆动力学模拟分析步骤1、建模、建模车辆动力学模拟分析首先需要建立车辆系统力学模型及其数学描述,称之为车辆动力学模拟分析首先需要建立车辆系统力学模型及其数学描述,称之为“建模建模”。2、
4、提供分析时的系统参数(、提供分析时的系统参数(这些参数主要包括几何、质量和悬挂参数。)这些参数主要包括几何、质量和悬挂参数。)几何参数:车轮直径、转向架轴距、转向架中心距。几何参数:车轮直径、转向架轴距、转向架中心距。质量参数:电机、车体、构架、齿轮箱、轮对及轴箱等部件的质量和转动惯量。质量参数:电机、车体、构架、齿轮箱、轮对及轴箱等部件的质量和转动惯量。悬挂参数:一系、二系定位刚度和悬挂刚度悬挂参数:一系、二系定位刚度和悬挂刚度;一系、二系的阻尼特性曲线。一系、二系的阻尼特性曲线。其他参数:轮其他参数:轮/轨接触几何状态、接触点锥度及其变化曲线。轨接触几何状态、接触点锥度及其变化曲线。3、提
5、供线路轨道激励、提供线路轨道激励分析时需要输入的外加激励按线路条件确定。分析时需要输入的外加激励按线路条件确定。4、输出数据、输出数据相对每一组系统参数和一种线路不平顺激相对每一组系统参数和一种线路不平顺激扰可以求解出列车在不同速度下的下列数据扰可以求解出列车在不同速度下的下列数据:各车轮的轮各车轮的轮/轨相互作用力轨相互作用力Y,Q;轮轮/轨垂向力及其变化轨垂向力及其变化轮轨最大载荷轮轨最大载荷和减载率和减载率;最大脱轨比最大脱轨比车体车体x、y、z三个方向的振动加速度三个方向的振动加速度;振动平稳性指数振动平稳性指数(统计值统计值);转向架构架的振动加速度转向架构架的振动加速度;轮轮/轨磨
6、耗指数。轨磨耗指数。3 3、ADAMS/RailADAMS/Rail原理与应用原理与应用ADAMS/Rail原理与应用原理与应用ADAMS/Rail可以完成如下数值仿真计算任务。可以完成如下数值仿真计算任务。预载计算、线性分析、稳定性分析和动态分析。预载计算、线性分析、稳定性分析和动态分析。车辆舒适性和曲线通过能力分析。车辆舒适性和曲线通过能力分析。列车牵引和制动计算。列车牵引和制动计算。车辆悬挂系统设计。车辆悬挂系统设计。钩缓装置设计。钩缓装置设计。牵引传动装置设计。牵引传动装置设计。动态轮动态轮/轨接触分析,轮轨蠕滑与磨耗计算。轨接触分析,轮轨蠕滑与磨耗计算。车辆脱轨和倾覆分析。车辆脱轨和
7、倾覆分析。第第2 2节节 转向架零部件设计转向架零部件设计一、悬挂元件结构设计一、悬挂元件结构设计二、轮对结构设计二、轮对结构设计三、构架结构设计三、构架结构设计四、其他零件设计四、其他零件设计一、一、悬挂悬挂元件结构设计元件结构设计1、液压减振器液压减振器2、圆柱压缩螺旋弹簧、圆柱压缩螺旋弹簧3、橡胶弹簧设计、橡胶弹簧设计4、空气弹簧设计、空气弹簧设计5、抗侧滚扭杆系统设计、抗侧滚扭杆系统设计1、液压减振器液压减振器液压减振器主要设计内容液压减振器主要设计内容液压减振器液压减振器阻力特性计算阻力特性计算液压减振器实验原理液压减振器实验原理SKF1液压减振器调整液压减振器调整(1)液压减振器液
8、压减振器主要设计内容主要设计内容减振器减振器结构和参数设计的主要内容如下:结构和参数设计的主要内容如下:(1)阻尼特性的选择。)阻尼特性的选择。根据减振器的安装部位和被衰减振动的性质来确定其阻尼特性:对一系和二系悬挂(垂向和横向)选用对称的线性阻尼特性;对抗蛇行减振器和车体间纵向减振器选用摩擦型阻尼特性。(2)阻尼率(系数)的设计计算。)阻尼率(系数)的设计计算。根据转向架悬挂系统的振动理论分析来获得的优选值并计及悬挂系统的其他参数计算出所需的阻尼率。(3)活塞行程及外部尺寸的确定。)活塞行程及外部尺寸的确定。根据减振器所在的部位,考虑最不利的运动工况,对其两端作运动学分析从而来确定活塞的最大
9、行程,再根据所选用减振器的品牌、型号及其固定结构尺寸来确定减振器的安装长度,其直径则从系列尺寸中选取。根据这些尺寸可进行减振器空间位置的布置。(4)端部弹性连接结构的选型。)端部弹性连接结构的选型。根据减振器两端相对运动的形式和受力大小选择端部连接结构的型式和规格。并连同上述项内容,以完成减振器的参数设计。(2)液压减振器液压减振器阻力特性计算阻力特性计算A.拉伸阻力拉伸阻力B.压缩阻力压缩阻力表示拉伸阻力与表示拉伸阻力与运动速度的平方成正运动速度的平方成正比,与节流孔面积的比,与节流孔面积的平方成反比。平方成反比。油液双向流动减振器油液双向流动减振器这就是说压这就是说压缩阻力要大于拉伸缩阻力
10、要大于拉伸阻力。阻力。2、圆柱压缩螺旋弹簧、圆柱压缩螺旋弹簧(1)几何参数)几何参数(2)弹簧应力分析)弹簧应力分析(3)单卷弹簧设计公式)单卷弹簧设计公式(4)双卷弹簧设计双卷弹簧设计公式公式(5)弹簧现代设计)弹簧现代设计d簧条直径(簧条直径(mm)D弹簧中径,即螺旋线圆柱直径弹簧中径,即螺旋线圆柱直径n弹簧的有效圈数,即螺旋线的圈数弹簧的有效圈数,即螺旋线的圈数H0弹簧的自由高弹簧的自由高D2=D+d弹簧外径弹簧外径D1=D-d弹簧内径弹簧内径弹簧的螺旋角,即螺旋线的升角弹簧的螺旋角,即螺旋线的升角t簧条间距,即螺旋线的节距簧条间距,即螺旋线的节距 螺旋线的极角螺旋线的极角C旋绕比,旋绕
11、比,C=D/d(1)几何参数)几何参数 基基本本参参数数当螺旋角9时,KbFKtF 0Zm、Zt分别为抗弯和抗扭截面模量通过简化将上式简化为:垂向变形为:(2)弹簧应力分析)弹簧应力分析受垂受垂受垂受垂向力向力向力向力作用作用作用作用时时时时(3)单卷弹簧设计公式单卷弹簧设计公式EXCELEXCEL在在在在CRH2CRH2轴箱弹簧轴箱弹簧轴箱弹簧轴箱弹簧分析中的应用分析中的应用分析中的应用分析中的应用(4)双卷弹簧设计双卷弹簧设计公式公式采用采用单单级刚度双卷弹簧双卷弹簧代替单卷弹级刚度双卷弹簧双卷弹簧代替单卷弹簧时,为不改变原弹簧的特性,必须满足以下簧时,为不改变原弹簧的特性,必须满足以下条
12、件:条件:弹簧指数弹簧指数相等相等应力应力相等相等挠度挠度相等相等即:即:(5)弹簧现代设计)弹簧现代设计A、弹簧、弹簧CAD设计设计B、弹簧有限元分析、弹簧有限元分析C、弹簧优化设计、弹簧优化设计A A、弹簧、弹簧CADCAD 1、几何参数、几何参数2、卷制工艺、卷制工艺3、仿真设计、仿真设计4、配置、配置5、库零件、库零件卷制工艺卷制工艺 制造工艺过程制造工艺过程:修正修正下料下料端部加热端部加热锻尖锻尖加热加热卷绕卷绕淬火淬火回火回火强化处理(喷丸、强压、渗碳)强化处理(喷丸、强压、渗碳)磨平端面磨平端面试验或验收。试验或验收。热卷大弹簧热卷大弹簧.flv仿真设计仿真设计(1)一段变螺距
13、螺旋线扫描法)一段变螺距螺旋线扫描法(2)三段等螺距螺旋线扫描法)三段等螺距螺旋线扫描法(3)三段直线扫描法)三段直线扫描法(4)弹簧练习)弹簧练习(1 1)一段变螺距螺旋线扫描法)一段变螺距螺旋线扫描法弹簧是由簧条弹簧是由簧条圆绕一条螺旋圆绕一条螺旋线旋转而成的,线旋转而成的,故其造型过程故其造型过程为:先绘制螺为:先绘制螺旋线,再绘制旋线,再绘制簧条圆,然后簧条圆,然后利用扫描特征利用扫描特征创建弹簧基体,创建弹簧基体,最后利用拉伸最后利用拉伸切除特征创建切除特征创建支撑圈。支撑圈。(2 2)三段等螺距螺旋线扫描法)三段等螺距螺旋线扫描法(3 3)三段直线扫描法)三段直线扫描法先钢丝先钢丝
14、后卷滚后卷滚(4 4)弹簧练习)弹簧练习用多种方法进行弹簧建模用多种方法进行弹簧建模B B、弹簧、弹簧CAECAE分析分析弹簧弹簧CAE设计实例设计实例-转转K2弹弹簧有限元簧有限元分析分析(1)刚度()刚度(f=mm)(2)强度()强度(f=47.2mm)几几何何非非线线性性|大大变变形形问问题题C、弹簧优化设计、弹簧优化设计(C)算例算例已知某机车弹簧的相关参数为:已知某机车弹簧的相关参数为:Pst=119.428kN,fst=106.0mm,H0=490mm。材料为。材料为60Si2CrVAT,许用应力,许用应力=1050MPa4,疲劳,疲劳许用应力许用应力-1=370MPa。取机车。取
15、机车取弹簧裕度系数取弹簧裕度系数Kvd=0.5,动荷系,动荷系数数Kd=0.255。1.“目标函数目标函数”m文件文件2.“约束条件约束条件”m文件文件3.“优化程序优化程序”m文件文件(A)Matlab中的中的分析步骤分析步骤1.建立优化模型并转成标准格式。建立优化模型并转成标准格式。2.生成生成“优化目标函数优化目标函数”m文件文件3.生成生成“优化约束条件优化约束条件”m文件文件4.生成生成“优化求解程序优化求解程序”m文件文件5.执行求解程序。执行求解程序。(B)弹簧优化设计数学模型)弹簧优化设计数学模型执行:执行:OPTProg结果:结果:x=50.8034220.93034.797
16、5fval=6.8228e+0043、橡胶弹簧设计、橡胶弹簧设计 (1 1)橡胶堆)橡胶堆)橡胶堆)橡胶堆CAD/CAECAD/CAE(2)橡胶弹性关节)橡胶弹性关节CAD/CAE(1)橡胶堆)橡胶堆CAD/CAE横向刚度(受剪应力)横向刚度(受剪应力)垂向刚度(受压)垂向刚度(受压)压应力 剪应力 刚度计算结果刚度计算结果(2)橡胶弹性关节)橡胶弹性关节CAD/CAE橡胶弹性关节具有结构简单,减振隔声性能好,易实现不同橡胶弹性关节具有结构简单,减振隔声性能好,易实现不同方向、不同弹性特性要求等特点,广泛应用于铁道机车车辆。方向、不同弹性特性要求等特点,广泛应用于铁道机车车辆。橡胶材料采用应用
17、最广泛的Mooney一Rivlin本构模型,材料系数值:取C01/C10=0.25,C10=0.4825Mpa,C01=0.1206MPa;压缩性定义取Dl=25e-5。按照国际惯例,通常将橡胶弹性关节的4种主要变形径向、轴向、偏转、扭转定义如图5一2所示。A、空气弹簧的垂直刚度 多变指数,在等温过程=1,在绝热过程=1.4,在一般动态过程1 装配分析承载分析3个工况;应用CAD技术建立D580空气弹簧模型,利用ABAQUS非线性有限元分析软件,计算和研究了它的各项力学特性,并就影响空气弹簧横向和垂向力学性能的各种主要参数进行了讨论 5、抗侧滚扭杆系统设计、抗侧滚扭杆系统设计抗侧滚扭杆系统(如
18、图1 所示)主要包括扭杆轴、扭转臂、连杆、安装座等部件。其中扭杆轴是主要受力部件,车体侧滚时,扭杆轴因承受扭矩而发生扭转变形,同时提供扭转反力矩来抵抗车体的侧滚。扭杆轴与扭转臂边界条件按照实际工况设置,如下图5 所示,扭转臂内侧两个支撑球铰固定不动,按照图5 中红色箭头方向施加相应的面压力载荷,以此种方式给扭杆系统施加扭转载荷,扭杆轴与扭转臂、支撑球铰与扭转轴采用Contact 连接,属性为FREEZE。二、二、轮对设计轮对设计(一)车轮的强度分析(一)车轮的强度分析(一)车轮的强度分析(一)车轮的强度分析(二)车轴的强度分析(二)车轴的强度分析(二)车轴的强度分析(二)车轴的强度分析(三)轮
19、对分析(三)轮对分析(三)轮对分析(三)轮对分析(一)(一)(一)(一)车轴的强度分析车轴的强度分析车轴的强度分析车轴的强度分析1 1、车轴的强度分析载荷工况、车轴的强度分析载荷工况、车轴的强度分析载荷工况、车轴的强度分析载荷工况2 2、车轴的强度分析模型、车轴的强度分析模型、车轴的强度分析模型、车轴的强度分析模型3 3、车轴的强度分析结果、车轴的强度分析结果、车轴的强度分析结果、车轴的强度分析结果1、传统设计、传统设计根据欧洲标准根据欧洲标准EN13104对车轴进行计算,加载对车轴进行计算,加载方案如图方案如图5-50所示。所示。表表5-16 30NiCrMoV125-16 30NiCrMo
20、V12钢轴不同位置的旋转弯曲疲劳极限钢轴不同位置的旋转弯曲疲劳极限材料材料轴身表面轴身表面带缺口轴身表面带缺口轴身表面轮座压配合表面轮座压配合表面短轴压配合表面短轴压配合表面30NiCrMoV12316 MPa120 MPa175 MPa120 MPa2、现代设计方法、现代设计方法加工加工a、b、c、d、e、f、g面和各轴面和各轴肩进行加工;肩进行加工;(二)车轮的强度分析(二)车轮的强度分析1 1、车轮的强度分析载荷工况、车轮的强度分析载荷工况、车轮的强度分析载荷工况、车轮的强度分析载荷工况2 2、车轮、车轮、车轮、车轮CADCAD3 3、车轮、车轮、车轮、车轮CAECAE1、车轮的强度分析
21、载荷工况、车轮的强度分析载荷工况根据根据UIC510-5:2003(整体车轮技术)标准进行车轮设计,对于安装到动轴(整体车轮技术)标准进行车轮设计,对于安装到动轴上的车轮,考虑车轮通过直线、曲线和道岔时的载荷,见表上的车轮,考虑车轮通过直线、曲线和道岔时的载荷,见表5-15,加载方式如,加载方式如图图5-49所示。所示。除了上述除了上述UIC UIC 510-5510-5规定的垂向规定的垂向和横向载荷外,和横向载荷外,还应考虑表还应考虑表5-155-15所示的载荷条件。所示的载荷条件。切向载荷切向载荷(粘着系数粘着系数0.33)0.33)27.5 kN27.5 kN最大速度情况下最大速度情况下
22、(200(200公里公里/小时小时)转速转速1310 rpm1310 rpm车轴与车轮压装的最大过盈量车轴与车轮压装的最大过盈量0.30 mm0.30 mm踏面上热处理偏差而产生的应力踏面上热处理偏差而产生的应力表表5-15车轮载荷条件车轮载荷条件载荷工况载荷工况垂向力垂向力横向力横向力直线运行直线运行Fz1=1.25QFy1=0曲线运行曲线运行Fz1=1.25QFy2=0.7Q过道岔过道岔Fz1=1.25QFy2=0.42QQ:每个车轮承担的重量每个车轮承担的重量车轮一直由两道工序加工完成车轮一直由两道工序加工完成,即:先加工即:先加工内壳面、内辐板、轮缘、内辋面;然后翻内壳面、内辐板、轮缘
23、、内辋面;然后翻身找正加工外壳面、外辐板、外辋面、踏身找正加工外壳面、外辐板、外辋面、踏面及孔面及孔其中轮缘、踏面在喉部接刀。其中轮缘、踏面在喉部接刀。切右辐板切右辐板钻轮毂孔钻轮毂孔选材料选材料切左辐板切左辐板镟踏面镟踏面车轮CAD设计1-内辋面内辋面 2-内壳面内壳面 3-内辐板内辐板 4-轮缘轮缘 5-喉部喉部 6-踏面踏面 7-外辋面外辋面 8-轮轮 辐辐 9-外辐板外辐板 10-外壳面外壳面2、车轮、车轮CAD3、车轮、车轮CAE(三)轮对分析(三)轮对分析(三)轮对分析(三)轮对分析1 1、轮对分析模型、轮对分析模型、轮对分析模型、轮对分析模型2 2、轮对分析结果、轮对分析结果、轮
24、对分析结果、轮对分析结果1、轮对、轮对CAD轮对压装位置要求轮对压装位置要求(1)轮对内侧距离轮对内侧距离L=(1 3532)mm,且任意且任意3处处距离差不大于距离差不大于1 mm。当内侧距离当内侧距离L不符合规不符合规定时定时,不得向外侧调压不得向外侧调压,但当轮对内侧距离比规但当轮对内侧距离比规定的最小距离小定的最小距离小1 mm以下时或因车轮辗制不以下时或因车轮辗制不均匀而致使任均匀而致使任3处距离处距离差超过规定时差超过规定时,可以通可以通过旋削轮辋内侧面进行过旋削轮辋内侧面进行调整。调整。(2)轮对轮位差轮对轮位差:L1-L2 3 mm。轮对压装过程.flv2 2、轮对、轮对、轮对
25、、轮对CAECAE为保证运行过程中,车轮不会与车轴发生相对转动或脱离,为保证运行过程中,车轮不会与车轴发生相对转动或脱离,轮轴之间应有足够的轮轴之间应有足够的接触压应力。在标准接触压应力。在标准EN13260:1998对轮对轮轴过盈量对轮对轮轴过盈量j有如下有如下规定:规定:a)采用收缩装配采用收缩装配:0.0009dmj0.0015dm;b)采用压力装配采用压力装配:0.0010dmj0.0015dm+0.06;其中其中:dm表示轮座位置轴的平均直径,单位为表示轮座位置轴的平均直径,单位为mm。dm=194mm时,时,0.174mmj0.291mm轮对承载应力轮对承载应力轮对承载应力轮对承载
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