高速动车组转向架标准及规范的研究.docx
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摘要
随着经济的发展和科学技术的进步，高速动车组在我国必将得到更广泛的使用。
转向架是动车组的关键部件之一，其性能好坏对动车组运行安全性具有十分重要的影响。
所以对高速动车转向架的标准的研究也是非常必要的，同时标准化是一项综合性的技术基础工作，通过标准的制定和组织实施，可以有效地保证和提高产品质量和工程质量，是组织现代化生产和进行贸易的技术准则，是科学管理的重要组成部分。
本文简要介绍了国内外包括日本新干线、E系列和欧洲TGV、ICE还有国内CRH系列等高速动车组转向架的发展概况和发展方向，并简述了高速动车组转向架的主要组成零部件的特点与要求。
通过对转向架构架的国内标准（TB/T 2368-2005）、JIS标准（JISE4207-2002）和UIC标准（UIC615-4-2003）的详细分析和研究，国内标准和UIC标准主要包括列车在超常载荷和模拟运营载荷下的试验方法,JIS标准则对其设计的通用条件及载荷试验方法进行了规定。
最后对三个标准进行综合比较和对比研究，找出了它们之间的差异性和存在差别的原因，对TB/T2368-2005提出改进意见。
同时本文针对转向架轮对的国内外标准包括《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》（以下简称暂行规定）的轮对标准部分、UIC 510-5-2003、 EN13103-2001 > EN 13104-2001和JISE4505-1995做了研究与分析，建议按照规定更为严格的欧洲规范进行轮对强度设计，同时应该根据实际运用经验对其进行修改完善，尽快制定出符合本国高速动车组转向架轮对强度的计算标准。
最后本文研究了弹簧悬挂装置的国内标准，并将其与其他国外标准进行分析和比较，可以得出国内空气弹簧标准应当吸取既有JIS与EN弹簧标准中合理的内容，结合中国轨道车辆运行情况和运行条件，提出修改的建议。
关键词：
转向架；构架；轮对；弹簧；标准
Abstract
Withthedevelopmentofnationaleconomyandscientificandtechnologicalprogress,high-speedelectricmulti-units（EMU）isboundtobemorewidelyusedinChina.ThebogieisoneofthekeycomponentsoftheEMU,itsperformanceisgoodorbadtohaveanimportantimpactofEMUrunsecurity.Standardofhigh-speedmotorbogieisalsoverynecessary,whilestandardizationisacomprehensivetechnicalfoundationwork,implementedthroughthedevelopmentofstandardsandorganizationscaneffectivelyensureandimproveproductqualityandqualityoftheprojectistoorganizemodernizationofproductionandtrade-relatedtechnicalstandards,animportantpartofscientificmanagement.
Thispaperintroducesthedomesticandforeign,includingJapan'sShinkansen,theSeriesEandtheEuropeanTGV,ICE,aswellasdomesticCRHseriessuchastheoverviewofthedevelopmentanddirectionofdevelopmentofhigh-speedEMUbogieandamajorcomponentofhigh-speedEMUbogiepartsofthecharacteristicsandrequirements.Bydomesticstandardsonthebogieframe（TB/T2368-2005）,JISstandard（JISE4207-2002）standardsandUICstandards（UIC615-4-2003）,thedetailedanalysisandresearch,nationalstandardsandUICstandardsprovisions,includingthetrainunderextraordinaryloadsandsimulatedoperationalloadtestmethods,generalconditionsofJISstandards,itsdesign,andloadtestmethods.Finally,thethreecriteriatocompareandcontraststudiestoidentifythedifferencesbetweenthemandthepresenceofthedifferenceisduetosuggestionsforimprovementofTB/T2368-2005.
Inthispaper,thebogiewheelonthedomesticandinternationalstandardsincludingtheInterimProvisionsof 《200km/handabovespeedclassrailwayvehiclestrengthdesignandtestevaluation》（hereirmfterreferredtoasInterimProvisions）ofthewheelonastandardpartoftheUIC510-5-2003,EN13103-2001、EN13104-2001andJISE-4505-1995,doresearchandanalysis,proposedmorestringentEuropeanregulationsinaccordancewiththeprovisionsoftheroundonthestrengthofthedesignshouldbebasedontheexperienceofthepracticalapplicationofrevisedandimprovedassoonaspossibletoworkoutaccordingtotheirownhigh-speedEMUbogiewheelonthestrengthcalculationstandards・
Finally,thispaperstudiedtheInterimProvisionsofthespringsuspensionofdomesticstandards,andotherforeignstandardsforanalysisandcomparisoncanbedrawnfromthedomesticairspringsstandardshouldlearnthecontentsofbothJISandENspringstandard, combinedwiththeChinesetrackvehicleoperationandoperatingconditionspresentedarevisedproposal.
Keywords：
bogie;framework;wheelset;spring;standard
1.绪论 1
1」国内外高速动车组转向架的发展概况 1
1.2高速动车组转向架的组成及基本要求 2
1.3论文研究的意义 4
1.4论文研究的主要内容 4
2.国内外高速动车组转向架构架标准及规范 6
2」转向架构架概述 6
2.2TB/T2368-2005 的研究 6
221超常载荷 7
2.2.2模拟运营载荷 7
2.2.3试验方法 8
2.3UIC615-4-2003 的研究 10
2.3.1超常载荷的静强度试验 11
2.3.2模拟主要运行载荷的静强度试验 12
233模拟特殊运行载荷的静强度试验 14
2.3.4疲劳试验 15
2.4JISE4207-2002 的研究 17
2.4.1设计适用范围和通用条件的分类 17
2.4.2设计的通用条件 17
2.4.3内容的辅助说明 21
2.5转向架构架标准的综合比较 23
3.高速动车组转向架轮对的标准 25
3」转向架轮对概述 25
3.2国内暂行规定轮对标准部分的研究 26
321设计载荷 26
3.2.2强度与刚度评定 26
3.2.3试验方法 27
3.3UIC510-5-2003 的研究 27
3.3.1载荷条件 27
II
3.3.2应力参量 28
3.3.3评价准则 28
3.4EN13103-2001 和 EN13104-2001 的研究 29
3.4.1 载荷 29
3.4.2应力计算 30
3.4.3许用应力 31
3.5JISE4505-1995 的研究 31
3.5.1许用应力 32
3.5.2高速车轴的疲劳设计方法 32
3.6上述轮轴标准的比较 34
4.转向架弹簧装置的标准 36
4」弹簧装置概述 36
4.2国内暂行规定一、二系弹簧标准部分的研究 37
4.2.1基本载荷 37
4.2.2强度评定 37
4.2.3强度试验 37
4.3转向架用弹簧标准的分析比较 38
4.3.1扭转疲劳试验方法及试验条件 38
4.3.2试验振幅 39
4.3.3扭转半径 40
4.3.4扭转疲劳试验次数 40
4.3.5疲劳试验结束后的验证 41
4.3.6结论及建议 41
结论 42
致谢 43
参考文献 44
II
1・绪论
1.1国内外高速动车组转向架的发展概况
20世纪60年代，日本开发了第1代0系新干线动车组用DT200型动力转向架，其一系悬挂采用IS拉板双圆簧模式，中央悬挂山空气弹簧、液压减振器等组成。
随着研究的不断深入，乂先后开发了200系动车组用DT201型、500系用WDT205型、700系用TDT204 型和TTR7002型等20余种转向架。
这些转向架结构不断简化，通过采用轻量化焊接构架、铝合金轴箱、铸铝齿轮箱和空心车轴等技术使转向架质量和簧下质量得到降低；驱动单元除采用常规的牵引电机架悬挂、通过齿式联轴节补偿相对位移的模式外，还在试验转向架上对牵引电机半体悬挂、平行万向轴驱动和牵引电机体悬挂、纵向万向轴-锥齿轮传动等模式进行了试验；对于轴箱定位方式，新干线动车组则通过多方案对比确定最优模式；500系、N700系和适合北方地区气候特点、地形特点的“E1系列”、“E2系列”、 “E3系列””和“E4系列”等动车组分别采用了半主动控制横向减振器、主动控制空气弹簧等新技术，以改善车辆动力学性能，提高车辆运行速度。
欧洲早期高速动车组采用动力集中模式，其动力转向架模式与现代动力分散型动车组转向架有较大的区别，而其拖车转向架则由常规客车转向架演化而来。
图1.1动力转向架外观
近年来，欧洲国家开发的动力分散型动车组用动力转向架模式与日本新干线动车组转向架模式基本相同，一般采用无摇枕结构，构架为轻量化焊接构架；轴箱定位采用转臂定位或橡胶弹簧定位；中央悬挂装置山空气弹簧、横向减振器、抗蛇行减振器和抗侧
42 滚扭杆等部件组成；驱动单元采用牵引电机架悬或体悬、齿轮箱抱轴悬挂的形式；采用轴装或轮装盘形制动；牵引机构则釆用单拉杆或Z形拉杆牵引。
此外，部分欧洲国家还通过采用摆式列车技术实现在既有铁路线上的舟速运行。
同时比较典型的还有法国的 TGV列车以及阿尔斯通公司最新研制的AGV-V150高速列车，TGV列车釆用狡接式动力转向架，列车编组始终保持两端为动力车，拖车之间采用狡接式连接，整个动车组不可分解独立运行。
德国城间高速列车ICE是德国现代铁路技术的代表作，其配套的高速客车转向架也因此而天下闻名。
ICE列车U前共发展了三代。
ICE1拖车采用MD53O型转向架、ICE2拖车釆用SGP400型转向架、ICE3采用SF500型转向架。
随着铁路运行速度的不断提高，我国在设讣动力分散型动车组时先后设计了多种
动力和非动力转向架，其中较具代表性的有CRH1动车组用AM—96型、CRH2动车组用SKTB-200型、CRH3动车组用SF—500型和CRH5动车组用AX—30513型转向架。
国家科技支撑项L1把高速转向架技术列为重要课题之一，在科技部和铁道部两部联合行动计划的指导下，北车长客股份走产学研用相结合的道路，组织国内最强的科研院所联合攻关，先后在京津线、武广线做了大量的科学试验，取得了宝贵的第一手数据，建立了仿真分析模型，在国家重点实验室滚振试验台进行多方案比选试验和线路试验验证，随后在CRH380BL转向架设计制造中全部采用。
北车长客股份科技人员掌握了高速转向架技术，积累了大量的科学数据，在CRH3动车组转向架基础上自主创新了 CRH38OBL 速转向架，最高线路试验速度达487.3km/h,试验台试验速度达500km/ho
图1.2高速动车组转向架
1.2高速动车组转向架的组成及基本要求
转向架主要山轮对、轴箱、一系弹簧悬挂装置、构架、二系弹簧悬挂装置、驱动装
42 置（仅动力转向架有）和基础制动装置等7部分组成。
（1）轮对：
轮对直接向钢轨传递车辆重量，通过轮对间的黏着产生牵引力或制动力,并通过轮对的转动实现车辆在钢轨上的行走和导向。
（2）轴箱：
联系构架和轮对的活动关节，它除了保证轮对进行回转运动外，还能使轮对适应线路等条件，相对于构架上下、左右和前后活动。
（3）—系弹簧悬挂装置：
用来保证轴重分配均匀，缓和线路不平顺对车辆的冲击，还能使轮对适应线路等条件，相对于构架上下、左右和前后活动。
它包括轴箱弹簧装置、轴箱定位装置和轴箱减振装置。
（4）构架：
转向架的骨架，用于安装转向架各部件，承受和传递垂向力及水平力。
（5）二系弹簧悬挂装置：
也叫车体支撑装置，它是车体和转向架之间的连接装置。
其作用是承受车体载荷，传递垂向和横向力，进一步缓和冲击振动，通过曲线时使转向架相对于车体回转，保证车辆的运行平稳性。
它包括二系悬挂装置、二系减振装置、抗侧滚装置和牵引装置。
（6）驱动装置：
将动力装置的功率最后传递给轮对。
包括牵引电机、转动装置和电机悬挂装置。
（7）基础制动装置：
将制动缸传来的力增大若干倍后传递给执行机构进行制动。
随着高速动车组运行速度的不断提高，列车所需的牵引功率急剧增长，轮轨动力作用也随之加大，轮轨黏着快速降低，制动功率需要增加，从而对转向架提出了更高的要求。
高速动车组转向架的特点和要求主要有：
1.具有良好的高速运行平稳性
高速动车组运行平稳性表示人所感受到的列车运行品质。
运行平稳性差就会使乘客感到舒适性不好，容易使人疲劳，使乘务员精神不集中，从而产生行车事故。
因此，对高速列车的垂向和横向平稳性都有明确规定。
高速动车组必须在悬挂装置方面采取有效的措施，以确保高速列车具有良好的运行平稳性。
2.具有良好的横向稳定性
高速动车组在直线高速运行时，应具有良好的横向稳定性，也就是高速动车组在低速至最高速度范围内，不允许发生蛇行失稳。
否则，会产生很大的横向轮轨作用力，对线路造成破坏，使车轴轴承过热或损坏，引起车辆脱轨，影响运行安全。
因此，应采取有效的措施，保证高速动车组运行时的横向稳定性。
3.保证良好的曲线通过能力
高速动车组曲线通过性能是指列车通过曲线时，对轨道和转向架产生的静态和动态
42 作用力，它关系到列车脱轨的安全性，横向轮轨柞用力和运行阻力的大小，轮缘和曲线轨侧的磨耗。
为了保证良好的曲线通过能力，要求一系悬挂具有较低的纵向弹性定位刚度，以使轮对在曲线上处于径向位置和有利于蠕滑力的导向。
列车的曲线通过性能与横向稳定性是相互矛盾的，即转向架的结构参数有利于曲线通过，则对横向稳定性是不利的，反之亦然。
因此，在选择这些参数时，要在曲线通过和横向稳定性两方面进行权衡。
4.转向架结构轻量化
随着高速动车组运行速度的提高，轮轨之间的动载荷也增加，动载荷分为垂向和横向。
过大的动载荷会加速线路的损坏，其至危及行车安全。
为了降低轮轨之间的动力作用，要尽可能地使转向架结构轻量化，减少轮对簧下质量，降低轴重，改善列车的运行平稳性、横向稳定性和曲线通过能力。
5.工作安全可靠，维修工作量少
高速动车组转向架必须保证具有足够的强度和刚度，特别是转向架构架对刚度的要求较高。
要求转向架T作安全可靠，便于维修，维修工作量少。
为了满足上述要求，我们需要对高速动车组转向架要解决的关键技术和标准及规范进行硏究。
1.3论文研究的意义
转向架是机车的主要组成部分之一，它用来传递各种载荷，并利用轮轨间的黏着保证牵引力的产生。
它的性能的好坏直接影响车辆的牵引能力、运行品质、轮轨的的磨耗和列车的安全。
自高速动车组问世以来，转向架对提高速度的重要作用越来越受到重视,因而高速转向架一直处于不断的发展中。
所以应该对动车组转向架的设讣标准进行研究与分析，以让转向架获得更好的使用性能，为提高铁路运输能力和提高社会、经济效益做出更大贡献。
1.4论文研究的主要内容
基于转向架对高速铁路提速的重要性，本文主要从以下儿个方面对高速动车组转向架的标准进行研究：
（1）对世界各国动车组转向架发展概况和转向架的组成结构及主要零部件的作用作了介绍。
然后针对高速动车组的不断提速，对其转向架所要具备的特点进行简要阐述。
（2）对转向架最关键的零部件之一构架的TB/T2368-2005.UIC标准和JIS标准进行了研究和分析。
其中TB/T2368-2005规定了在实验台上鉴定动力转向架构架承受各种运营载荷能力的试验方法，而UIC标准则主要规定了转向架构架在超常载荷和模拟运营载荷
42 下的试验方法，JIS标准则是对其设汁的通用条件及载荷试验方法进行了规定。
最后对构架的三大标准进行对比分析，提出改进的建议。
（3）对于轮对研究的主要标准有国内的200kni/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定（以下简称暂行规定）、UIC 510-5-2003、EN 13103、EN13104^JISE4505-1995o然后对上述四个标准进行了对比分析，找出差异性。
（4）最后是对转向架用空气弹簧国内标准的研究与各国标准的综合比较，通过比较我们可以看出国内空气弹簧标准应当吸取既有空气弹簧标准中合理的内容，结合中国轨道车辆运行情况和运行条件，作出修改。
42
2.国内外高速动车组转向架构架标准及规范
2.1转向架构架概述
图2.1转向架构架结构图
构架是转向架最关键的零部件之一，是转向架其他个零部件的安装基础，动车组动力转向架不但要支撑车体、电机及各种零部件，而且需要传递车体与轮对之间的牵引力、制动力等各种横向、垂向和纵向力，其可黑性直接影响动车的性能和安全性。
随着运行速度的提高，构架除了要有良好的疲劳强度外，还需具有结构简单和重量轻等特点。
构架的构造取决于车轮直径、轴箱定位方法、车体支撑形式、弹簧悬挂装置形式、相邻的车架部件及车体部件的布置等。
构架一般山左右侧梁，一根或者儿根横梁以及前后端梁组焊而成。
有的转向架构架没有端梁，称为开口式或H型构架；有端梁的构架称为封闭式构架。
侧梁一般采用箱形结构，其口的一方面可增加强度，另一方面可增加空气弹簧附加空气室的容积。
欧洲国家横梁一般采用箱形结构模式，而日木则采用双无缝钢管的方式。
采用双无缝钢管横梁的构架具有重量轻、易实现盘形制动等特点，近年来得到广泛应用。
为降低轮重减载率和提高脱轨稳定性，高速客车转向架的构架应尽可能地采用柔性构架，如德国TALBOT的高速转向架釆用构架侧梁上盖板开槽的方式，SIG和SGP的高速转向架采用合理的横梁结构来实现提高柔性的LI的。
从发展的观点来看，高速动车宜采用轻量化的焊接柔性构架。
2.2TB/T2368-2005 的研究
本标准规定了在实验台上鉴定动力转向架构架承受各种运营载荷能力的试验方法。
42
本标准主要研究了超常载荷的静强度试验、模拟主要运营载荷的静强度试验、模拟特殊运营载荷的静强度试验和疲劳试验。
2.2.1超常载荷
1垂向载荷
转向架上部载荷
1.3
（2.1）
Fzm#=—x（M|+2nx〃）xg J
式中：
耳呎一转向架构架一侧的超长垂向载荷，N;/% —整备状态车体质量，kg；n 一定员数；p一每一旅客计算质量，取p=80kg/A:
g一重力加速度 （g=9.81m/s2）；j—常数：
对于一般四轴车辆取j=4。
2横向载荷
式中:
—转向架构架横向载荷，N；j—常数：
对于一般四轴车辆取j=12； 其他变量参见公式2.1。
3斜对称载荷
斜对称载荷按转向架通过轨道最大扭曲量10%考虑
式中：
Fn—斜对称载荷，kN； L—轮对两滚动圆间距离，cm； L—车轴轴颈中心线间距离，cm；z—轨道最大扭曲量（= 10%）时，某一车轮升高值， cm；C]——个轴箱上轴向弹簧总高度，kN/cm；C2—转向架抵抗斜对称的刚度，kN/cmo
4纵向载荷
在转向架牵引点处沿纵向作用的最大牵引力（根据转向架牵引功率确定）。
2.2.2模拟运营载荷
模拟运营载荷是实际应用中经常发生的载荷。
1垂向载荷
转向架一侧的基本垂向载荷按下式计算
42
巧=严+1.2><[（2汀+〃）"]}“ （24）
J
式中：
F：
—转向架一侧的基本垂向载荷，N；其他变量参见公式2.1。
2横向载荷
每台转向架上的横向载荷按下式计•算
Fy =0.5x（Fz +0.5M, -^） （2.5）
式中：
F、—横向载荷，N：
转向架一侧的基本垂向载荷，N； ——台转向
架的质量，kgo
3斜对称载荷
斜对称载荷Fn按转向架通过轨道最大扭曲量5%。
考虑。
4强度和刚度评定
1） 超长状态静强度评定
在规定的个载荷单独及组合作用下，转向架构架任何点的应力均不能超过第14章规定的超常载荷许用应力并不得产生残余变形。
2） 模拟运用状态的（疲劳）强度评定
按各载荷工况得到应力cl,...,013,从中确定其最大值omax和最小值omin。
按下式计算平均应力Gm和应力幅值46
Ac =rmm （2.7）
2.2.3试验方法
1超常载荷静强度试验
试验目的是检验转向架构架在最大可能载荷组合下不发生破坏和永久变形。
试验应在试验台上进行，试验台应能最大限度的模拟运用中所发生载荷的性质。
所有大应力区（特别
升级会员 