学生姓名：白昊宇

班   级：车辆2019-01班

指导教师：黄运华

毕设题目：时速400公里高速动车组非动力转向架方案设计及构架强度计算

一、概况

1.选题意义

近年来，中国高速铁路的发展举世瞩目，高速动车组的开行密度越来越大，人们的出行也越来越方便和快捷。但人们对速度和效率的追求从未停止，特别是对运输速度的要求是与日俱增，开行更高速动车组列车的呼声有增无减。中车相关企业在此方面进行了尝试性的研究，400km/h及更高速动车组转向架研究也在进行中，开发和研制适合我国国情的400km/h及更高速动车组转向架已势在必行。本课题旨在通过毕业设计的训练，培养轨道车辆转向架方面的研发能力，在设计中扩展所学专业知识，在实践中了解和掌握轨道车辆转向架的设计方法、步骤及手段，培养轨道车辆转向架方面的设计能力，并为研究和开发具有自主知识产权的高速动车组非动力转向架提供一定的借鉴。

2.任务分解

任务分解甘特图如下图1所示：

图 1 任务分解图

完成400km/h高速动车组非动力转向架总体方案设计, 完成该转向架构架的强度分析，完成设计计算说明书等相关文本的撰写。

具体任务：

 (1)资料查阅与文献翻译

   查阅了解国内外相关研究成果。

   翻译指定外文文献。

   掌握转向架设计相关标准与规定查阅方法。

   明确基本过程和需要完成的任务。

   方案设计分析时，针对选题的制约或影响因素，包括社会、健康、安全、法律、文化以及环境与可持续发展等现实约束，对设计方案的可行性分析评价。

  (2)转向架结构设计

    轮对的设计：设计车轮踏面、轮辐、轮座等，设计各轴段尺寸，装配上制动盘。

    轴箱的设计：根据具体要求和各轴箱定位方式特点选择合适的轴箱定位方式。

    一系悬挂装置的设计：确定弹簧装置及减震器的类型，设计刚度、阻尼，进行稳定性校验，建模实体。

    构架的设计：确定构架型式，设计建模构架侧梁、横梁，装配形成转向架构架，绘制构架上各安装座。

   牵引装置的设计:根据力的传递和牵引装置特点选择合适的车体与转向架连接装置，分别连接枕梁与构架。

   二系悬挂装置的设计:设计建模枕梁、空气弹簧、二系横向减振器、抗蛇行减振器、抗侧滚装置等部件。

    基础制动装置的设计:根据制动要求和安装空间选择合适的基础制动装置型式，绘制制动梁，装配制动缸、制动夹钳等。

  (3)构架强度分析

    使用Solidworks完成构架与侧梁的三维模型建立。

    导入hypermesh，使用四面体单元建立有限元模型并划分网格。

    明确计算载荷与工况。

    按工况要求施加力与约束，求解后在hyperview中查看结果。

    利用静强度评定方法对求解结果进行评价，得出强度分析结论。

   (4)成果与报告

    绘制装配图与工程图。

    完成开题报告、中期检查报告、结题报告、进度报告等要求的阶段性报告。

   撰写设计计算说明书。

   准备开题答辩、中期答辩、结题答辩。

二、已完成工作

1.轮对轴箱装置的设计建模

图 2 轮对模型图

  选择LMA磨耗型踏面直辐板车轮，采用内置式轴箱设计减轻簧下质量与转向架整体质量，轴箱采用转臂式定位，通过一系悬挂即层叠弹簧橡胶堆、双圆簧和一系垂向减振器与构架侧梁上盖板连接。由于制动方式采用轴盘制动与轮盘制动相结合的方式，车轴装入两个轴装制动盘，两车轮分别装入轮装制动盘，轮对模型图如下图2所示。

2.构架的设计建模

构架由两个侧梁和两根空心梁组成的横梁焊接而成，其上设置了各安装座。根据动车组转向架构架U形侧梁最高点及空气弹簧最高点距地面高度的一般取值、一系悬挂的定位尺寸以及轮对内侧距的要求，设计建模下底板、立板、隔板、上盖板，并组装成构架侧梁，再根据两个侧梁的定位尺寸建模横梁，构架模型图如下图3所示。

图 3 构架模型图

3.牵引装置的设计建模

牵引装置采用牵引中心销配合双牵引拉杆的方式连接构架横梁与枕梁，传递纵向力。设计时，牵引拉杆两端螺栓垂直交叉排列，销连接可自由转动，不会增加横向刚度与垂向刚度。中心销套与牵引梁中间有橡胶结构柔性连接，中心销套与中心销设置有圆锥斜度配合，起定位与压紧固定作用，牵引装置模型图如下图4所示。

图 4 牵引装置模型图

   4.二系悬挂装置设计建模

二系空气弹簧（如下图5所示）垂直连接构架侧梁顶部与枕梁底部，同时提供刚度与阻尼，传递垂向力。枕梁设计成中空结构，内有空气弹簧附加气室。

两侧各设置有两个抗蛇行减振器（如下图6所示），用于限制蛇行运动，提高蛇行失稳临界速度，改善动力学性能。抗蛇行减振器两端分别与构架和枕梁上的安装座连接。

设置有抗侧滚装置（如下图7所示），用于增加横向刚度，限制车体侧滚角度。由抗侧滚扭杆与两个可调连杆组成，抗侧滚扭杆与可调连杆之间由转臂连接，可调连杆为拉压杆，可以调整长度，便于装配在构架安装座和枕梁安装座之间。

图 8 枕梁装配体模型图

横向止挡用于限制车体相对转向架构架横移过大而可能造成的刚性碰撞，在通过较小曲线发生较大横移时传递主要横向力。横向止挡座安装在横梁上方，横向橡胶止挡隔着垫片装配在止挡座上，横向止挡挡板安装在中心销下方安装座上。

横向减振器一端连接中心销下方横向减振器座，一端连接构架对应支座，用于改善车体枕梁与构架横向运动的动力学性能，全部装入后中央区域装配模型如下图9所示。

5.基础制动系统设计建模

由于采用内置式轴箱设计，转向架内部横向间距太小，而制动盘的数量需要满足400km/h高速动车组减速时的较高要求，所以选择采用轴盘制动和轮盘制动相结合的方式布置。轴上装有两个制动盘，制动缸与制动夹钳三点吊挂布置在内侧，如下图10所示。

轮上各装有一组制动盘，制动缸与制动夹钳布置在端部外侧，他们都专门设计建模了一套基础制动装置，如下图11所示。

6.资料查阅与文献翻译

完成外文文献“Welding simulation of railway bogie frame side beam Analyses of residual stresses, clamping forces, distortion and prediction of fatigue S-N curves”—《铁路转向架构架侧梁焊接模拟：残余应力、夹紧力、形变和S-N疲劳曲线预测分析》的中文翻译，如下图12所示，查阅了有关转向架设计和强度计算的相关标准与文献。

7.建模转向架整体装配图

由各个模块组装成转向架整体三维模型，如下图13所示，形成较完整（无端部制动梁与轮盘制动系统）的总体技术方案。

装上端部制动梁与轮盘制动系统后的装配体模型如下图14所示：

图 14 枕梁装配体模型图

三、下一步工作计划

1.4月1日-4月8日

完成端部制动梁和安装座的设计建模，并完成轮盘制动基础制动系统的装配。

2.4月8日-4月20日

完成构架有限元模型的建立，进行几何体搭接、网格划分等前处理工作。

3.4月20日-5月1日

明确计算载荷和计算工况，施加约束与作用力。

4.5月1日-5月7日

求解得到有限元强度分析结果，形成强度校核结论。

5.5月7日-5月14日

绘制转向架装配图及构架工程图。

6.4月8日-5月14日

撰写完成设计计算说明书。

明确了即将进行的构架强度分析总体思路与流程步骤：

问题一：你的转向架设计怎样保证能达到400km/h的速度？一句话总结来说它有什么特色吗？

回答：该转向架拥有各种必要结构可以满足400km/h运行需求，空心车轴、内置轴箱设计减轻重量，空气弹簧横、纵向特性并用适合提高动车组运行平稳性，“Z”字形双牵引拉杆配合中央牵引销的车体与转向架连接装置在轴重分配、横动、回转等方面具有优势，设置有横向减振器优化横向动力学性能，横向侧挡限制横动，抗蛇行减振器限制蛇行运动，抗侧滚扭杆限制侧滚角度，轮盘制动与轴盘制动各两套保证制动需求。总而言之，该转向架具备结构紧凑，必要功能结构齐全的特点。

问题二：我之前听到你说，你的转向架构架最初的选型目标是做“H”形构架，但它现在加上了端部制动梁后两端封闭成了“日”字形，有考虑过两种构架形式的区别吗？你怎样克服现在的设计带来的不利影响呢？

回答：其实两种构架形式主要差别就在于刚性不同，“H”形构架属于开放的“柔性”结构，能够通过自身变形将集中载荷部分地传递到其他部分，起到“以柔克刚”的作用，是比较理想的结构；“日”字形构架属于封闭的“刚性”结构，比较“强壮”，在各种载荷下都不容易变形，可能出现应力集中导致裂纹的出现。如果强度分析存在问题，可以考虑断开制动梁中间的连接，另外设计加强结构。

毕业设计做到现在我最大的感受还是在于课堂所学理论知识和实际工程项目的关系吧，以前上课学习的时候还感觉到有一点点枯燥，觉得这些知识离自己太远，与自己关系不大，感受不太到它们和自己的专业的紧密联系，着手做毕业设计并逐渐深入才深刻体会到这些知识的重要性和它们与自己近在咫尺的距离，不过我想，这也是学习任何知识内容的必要的一个过程吧。还有就是做毕业设计加深了我对学习模仿和自主创新的一些理解，任何的新事物都是站在巨人的肩膀上完成的，没有前人的探索和总结，甚至不会形成我最基本的认识和概念。我的转向架模型到目前为止已经历经二十余个版本的修改，从最初的一根轴、一个螺钉、一块板开始设计建模到形成现在如此复杂的大型装配体，经历了不知多少个日日夜夜的修改打磨，每次新建与修改都要参考大量的既有模型与资料文献。更加关键的是，在进行自己的转向架模型建立之前，我在寒假进行了长达几周的对现有转向架三维模型的研究，通过对别人转向架的拆解、修改、重装，形成了我自己的一套建模软件使用经验与转向架机械结构详细理解，在这个基础上，才能如此顺利地尽早开始我自己的转向架设计建模，才能在之后明显地感到自己相关能力无阻碍地提升。科研并不是从头开始的天马行空，学会调用别人的资源、成果为自己所用，才能最大效率地正确完成工作，不过，我在这方面的能力依然有所欠缺，查阅资料文献、提取有用信息的技巧和熟练度还需要在不断的尝试与使用中增强，如此希望能最终达到自主设计符合标准规定的同时不让标准规定成为创新思维限制的最高境界。