32.5吨轴重转向架轮对结构设计及强度分析.docx

西南交通大学本科毕业设计（论文）32.5吨轴重货车转向架轮对设计及强度分析STRUCTUREDESINGANDSTRENGTHANA1.YSISOF32.5tAX1.E-1.OADFREIGHTCARWHEE1.SET年学姓专指级:车辆三班号20071297名：周建清业:车辆工程2011年6月系级院年机械工程学院专业车辆工程2007级姓名周建清S大轴重货车转向架轮对结构设计及强度分析指导教师.（签章）指导教师周张义评阅人（签章）成绩答辩委员会主任签章）毕业设计（论文）任务书班级车辆三班学生姓名周建清学号20071297发题日期：2011年3月5日完成日期：2011年6月15日题目大轴重货车转向架轮对设计及强度分析1、本论文的目的、意义重载货运是我国铁路当前发展的重要方向，研发新一代大轴重重载通用和专用货车是“十二五”期间铁路货车技术的主要发展目标。大轴重转向架技术是发展重载货车的关键技术之一。随着轴重的增加，转向架主要承载不见的服役环境更为恶劣，其结构强度的可靠性直接关系到重载货车的综合技术性能和行车安全。本课题旨在通过大轴重货车转向架轮对设计及强度分析训练，扩充学生所学知识，在设计实践中了解和熟悉货车转向架主要承载结构的设计分析方法，培养学生的铁道车辆结构研发能力，并未我国新一代大轴重货车转向架的研制提供一定的借鉴。2、学生应完成的任务1、完成轮对结构设计，AO图一张2、完成车轴结构设计，A1.图一张3、完成车轮结构设计，A1.图一张4、完成说明书的撰写，大于2万字摘要：中文700-1000字3、论文各部分内容及时间分配：（共12周）第一部分资料查阅及外文文献翻译（2周）第二部分轮对结构设计（2周）第三部分车轴和车轮结构设计（2周）第四部分车轴和车轮结构强度计算（3周）第五部分毕业设计说明书撰写并提交（2周）评阅及答辩（1周）备注指导教师：年月日审批人：年月日随着我国经济的不断深化发展，铁路运输担负的运输任务越来越重，重载高速货运就成为我国铁路发展的重要方向。研发新一代大轴重通用和专用货车是“十二五”期间铁路货车技术的主要发展目标。大轴重转向架技术是发展重载货车关键技术之一。随着轴重的增加，转向架主要承载部件的服役环境更为恶劣。轮对作为主要的承载部件之一，车辆的全部重量通过轮对施加在钢轨上，其结构的可靠性直接关系到重载货车的综合技术性能和行车安全。在研制高速重载货车时，应该对其结构进行合理设计。因此，在设计阶段应该对轮对进行完善的强度分析。所以基于其受力特点和工作环境，本文针对32.5吨轴重货车转向架轮对进行结构设计和强度分析，为我国新一代大轴重货车转向架的研究提供一定的借鉴。本文首先对车辆轮对研究进行论述分析，简要介绍目前轮对的相关研究现状。根据美国标准AARMTOI和欧洲标准EN13103对32.5吨车轴进行了结构设计。对车轴的轴颈尺寸和其他各部分尺寸圆弧过渡进行了设计。此外，对结构有限元的研究方法及基本原理进行论述，并选择用ANSYS软件对轮对进行强度分析。分析了目前国际上常用的车轴和车轮的强度分析方法，并确定基于材料力学的方法根据美国标准AARM-IO1.AARManua1.StandardsandRecommendedPracticesWhee1.sandAx1.es和欧洲标准ENI3103-2009RaiIwayapp1.icationsWhee1.setsandbogiesNon-poweredax1.es一DeSignInethod对32.5t轴重的货车车辆车轴进行结构设计和强度分析，基于有限元理论根据国际铁路联盟UIC510-5Technica1.Approva1.ofso1.idWhee1.s标准对车轮辐板进行强度分析。根据欧洲标准EN13103在车轴垂向、纵向弯矩和扭矩的合力矩作用下计算出了车轴上各截面的应力值并进行了校核，结果表明，该车轴满足材料的许用应力条件。此外，基于标准UIC510-5确定了车轮疲劳强度分析的载荷工况，建立了轮对的有限元模型，根据车轮的应力变化规律进行模拟运行，对车轮静强度进行了评定，结果显示，该车轮辐板满足评估要求。关键词：重载货车；车轴；车轮；疲劳强度；静强度；有限元分析AbstractWiththedeepeningdeve1.opmentofChina'seconomy,rai1.transporttaskhasbecomemoreandmoreheavy.Soheavyandhigh-speedfreightrai1.waydeve1.opstobecomeanimportantdirection.Deve1.opinganewgenerationof1.argeax1.egenera1.andspecia1.vehic1.esisthemaindeve1.opmentobjectivesduringthe"Twe1.veFive".1.argerax1.e1.oadbogietechno1.ogyisakeytechno1.ogyofheavytruckdeve1.opment.A1.ongwiththeincreaseofax1.e1.oad,themainserviceenvironmentofbogies'bearingpartsisevenworse.Thewhee1.-setwhichisoneofthemainbearingpartsputsthefu1.1.weightofvehic1.estransfertotherai1.Thestructurere1.iabi1.itydirect1.yre1.atestocomprehensivetechno1.ogyperformanceandsafetyofover1.oadedfreighttrain.Inthedeve1.opmenthigh-speedheavyfreighttrain,itsstrengthshou1.dbeareasonab1.edesign.Therefore,inthedesignphasewhee1.setshou1.dbeacomp1.etestrengthana1.ysis.Therefore,basedonitsmechanica1.characteristicsandworkenvironment,inthispaper,itwi1.1.aimatthe32.5tonsax1.e1.oadbogie'swhee1.setofthefreighttrainforstructuredesignandstrengthana1.ysis,andprovideareferencetothenextgenerationof1.arge1.oadbogies.Thispaperdiscussestheresearchofvehic1.ewhee1.ana1.ysis,briefintroductionofthecurrentroundofthecurrentresearchstatusofre1.ated.AccordingtotheAmericanstandardAARM-IO1.andEuropeanstandardEN13103to32.5tonsofax1.edesignthestructure.Ax1.eshaftnecktosizeandotherdimensionsarctransitiontocarryonthedesign.Inaddition,thestructureofthefinitee1.ementmethodandbasicprincip1.e,anddiscussedandchoosetouseANSYSsoftwareofstrengthana1.ysisintheround.Ana1.ysisofthecurrentinternationa1.isusedtothestrengthofthewhee1.andax1.eana1.ysismethod,andbasedonthemethodofmateria1.mechanicsdeterminedaccordingtothestandardAARM-IO1."AARforyourDNSsettingStandards-WheeIsinPractices"andEuropeanstandardAx1.esEN13103-2009theRai1.wayisamarketingmethod-Whee1.setsbogies-comeAx1.es-ourmethodof32.5twou1.doffreightcarsofax1.e1.oadforstructureDesignandtheintensityoftheax1.eana1.ysisbasedonthefinitee1.ementtheory,accordingtotheinternationa1.federationUIC510-5"theRai1.waywiththestandardofshou1.dWhee1.s*'so1.idistocarspokesboardstrengthana1.ysis.AccordingtotheEuropeanstandardEN13103theax1.estructura1.isdesigned.Sizeoftheax1.ejourna1.sized,andotherpartsofthetransitionwasdesignedarc.InaccordancewithEuropeanstandardEN1.3103andthevertica1.ax1.e,1.ongitudina1.bendingmomentandtorqueundercombinedtorqueoftheax1.eontheca1.cu1.atedstressva1.ueofeachsectionandmakeacheck,theresu1.tsshowedthattheax1.estressconditionsrequiredtomeetthemateria1.Inaddition,standards-basedUIC510-5todeterminethefatiguestrengthofwhee1.1.oadconditions,theestab1.ishmentofawhee1.onthefinitee1.ementmode1.,basedonwhee1.ofstresschangesinthesimu1.ationrun,thewhee1.staticstrengthwaseva1.uated,theresu1.tsshowsthecarp1.atetomeettheassessmentrequirements.keywords：heavyfreighttrainax1.eswhee1.fatiguestrengthstaticstrengthfinitee1.ementana1.ysis第一章绪论11.1 选题背景11.2 重载货车发展及轮对技术研究现状31.2.1 国内外货车发展现状31.2.2 国内外轮对技术发展61.3 本论文主要任务及使用方法8第二章轮对结构设计92.1 轮对的基本组成及相关要求92.2 车轮结构设计102.2.1 车轮工作条件及结构102.2.2 车轮结构设计112.3 车轴结构设计132.3.1 车轴的服役环境及结构设计特点132.3.2 车轴结构设计14第三章车轮强度分析203.1 有限元法及有限元分析软件ANSYS简介203.1.1 有限元法的发展203.1.2 有限元法基本原理213.1.3 有限元分析软件ANSYS概述213.1.4 ANSYS软件的分析求解步骤223.2 铁道车辆轮对强度分析的目的和内容253.2.1车轮强度分析方法253.3车轮强度分析方法253.3.1静强度设计载荷及工况253.3.2车轮静强度评定方法283.4车轮强度计算模型283.4.1有限元模型283.4.2边界条件293.5车轮静强度评价结果293.5本章小结32第四章车轴强度分析334.1 车轴强度计算分析方法334.2 车轴强度计算相关参数及具体内容344.2.1 车轴强度计算相关参数344.2.2 车轴受力分析及计算模型354.2.3 车轴应力计算404.2.4 车轴强度评价424.3 车轴强度分析434.3.1 车轴计算参数43.3.1作用于车轴力矩计算结果444.3.2 危险截面选择464.3.3 车轴危险截面应力计算及强度评价47结论49致谢50参考文献51第一章绪论1.1 选题背景我国自改革开放以来，随着国民经济的不断深入发展和人民生活水平的不断提高，对货物运输效率的要求也越来越高。由于我国国土面积广阔，长期以来铁路运输以其运量大、能耗低、运价低廉的优势在货运方面处于不可或缺的地位，是我国重要的货物运输方式之一。而重载货运是我国铁路当前发展的重要方向，研发新一代大轴重专用和通用货车是“十二五”期间铁路货车技术的主要发展目标。但是，从总体上来讲我国的铁路运输技术远远不能满足国民经济发展的需求，和发达国家相比仍然存在明显差距。自20世纪50年代以来，重载铁路运输由于其运能大、效率高、运输成本低的特点而受到世界各国的广泛重视，特别是在一些地域广阔、资源丰富，煤和矿石等大宗货物运量占有较大比重的国家，如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非等，重载货运发展尤为迅速。20世纪60年代中后期重载运输开始取得实质性进展。20世纪80年代以后，随着材料、工艺、计算机控制和信息技术等现代高新技术在车辆上的广泛应用，铁路重载运输技术及装备水平不断提高，重载列车的牵引重量也有很大提高。国外重载货物列车牵引重量一般为13万吨，美国重载列车的编组通常为108辆货车，牵引重量为13600吨；加拿大典型单元重载列车编组为124辆货车，牵引重量为16000吨；南非重载列车的牵引重量一般为18500吨2万吨；澳大利亚哈默利斯铁矿铁路重载列车一般编组为226辆货车，牵引重量为28000吨；巴西维多利亚一米纳斯铁路标准编组列车为320辆，列车牵引重量31000吨。重载运输发展多年来，一些国家的列车牵引试验牵引重量记录不断被刷新：1967年10月，美国诺克福西方铁路公司在韦尔什朴次茅斯间开行重载列车（编组500辆、6台内燃机车、全长6500米、总重44066吨）；1989年8月，南非铁路在锡申一萨尔达尼亚间开行重载列车（编组660辆、16台内燃机车、总长7200米、总重71600吨）；1996年5月28日，澳大利亚在纽曼山一海德兰港间开行重载列车（编组540辆、IO台DaSh-8内燃机车）；2001年6月21日，澳大利亚BHP公司开行重载列车（编组682辆、8台机车、总重99734吨、总长7300米），创造了重载列车的试验新记录。以上各车列所配车辆的轴重都超过27吨，均为大轴重货车。我国自1992年以来，为逐步改造既有繁忙干线,开行整列式重载列车模式阶段。为在全国既有路网推行重载列车技术,铁道部有计戈|J、分步骤地在一些主要干线（包括京广线、京沪线、京哈线等），如图IT为我国京哈线开行的重载组合重载列车。繁忙区段组织开行了5000吨级的整列式重载列车及我国大秦线开行的4X5000吨和2X10000吨列车，如图1.2为我国大秦铁线重载列车。大轴重、低自重、低动力的重型化货车是当前重载货车的主要发展方向。从轴重方面来看，美国、加拿大、澳大利亚的货车为32.5-35.7吨，巴西、瑞典为30吨，南非为26吨，俄罗斯则计划提高到27吨，并且在加紧研究适用于35吨轴重的轨道零部件。美国所有的一级铁路标准轴重自1990年以来已经重达是33吨；加拿大一级铁路标准轴重也于1995年改为33吨。通过较长时期的运行经验，在33吨轴重作用下，美国一级线路的维修成本从1990年的1120亿美元下降到1999年的837亿美元，降低了25%。美国、加拿大的一级线路如柏林顿北方及圣太菲铁路、联合太平洋铁路等，运输密度很高，每天要运行万吨级重载煤运列车90325歹J,年运量达2.22.5亿吨。澳大利亚BHP重载线路上的货车轴重已经提高到35吨，巴西卡拉齐斯重载铁路的轴重已经达到30吨，南非重载铁路的轴重已经达到26吨(窄轨)，瑞典重载铁路已将轴重由25吨提高到30吨，印度铁路则在2001年开始计划将重载列车轴重提高到25吨。由此可见提高轴重是重载列车降低运行成本的最有效的措施之一。图IT我国京哈线开行的重载组合重载列图1-2(a)我国大秦铁线重载煤列车图12(b)大秦线上用于两万吨运输的货车目前我国铁路正处于高速重载的关键发展时期，客货车共线、提速、重载，使得我国铁路发展面临严峻的挑战。货车轮对作为车辆转向架关键的部件之一，其性能直接影响运输品质、运输效率和行车安全。近年来，随着新技术、新工艺的广泛应用，以及既有的货车K2提速改造完成，货车运用故障已已经大幅下降，但是轮对故障尤其是轮对的擦伤、密耗、剥离等故障却在不断上升，已成为影响货车运行的主要故障之一，如表IT为上海铁路局杭州北车辆段2006年和2009年货车轮对故障的反馈情况。轮对故障的大幅度增长，不仅影响了运输效率，增加了车辆段的检修工作量，还给运输安全带来严重隐患，造成经济损失。表IT上海铁路局杭州北车辆段2006年和2009年货车轮对故障的反馈情况时间年度一季度二季度三季度四季度合计轮对故障2006年4789542568646256233342009年113531017491591146042146由以上论述可以看出，在研制大轴重货车时，应该对其强度加以关注，在设计中应该对轮对进行完善必要的强度分析和试验校核。基于此，本论文主要针对大轴重货车转向架轮对结构进行设计并对其强度进行理论性分析和校核，为我国新一代大轴重货车转向架的研究提供一定的借鉴。1.2 重载货车发展及轮对技术研究现状1.2.1 国内外货车发展现状20世纪50年代以来,世界铁路货车发展迅速,主要有两大发展方向：一是以美国、澳大利亚、加拿大、巴西、南非为主要代表的重载货车技术。其主要特点是车辆的轴重较大、载重较大、自重轻、车编组辆数多。二是以欧洲国家为代表的货运快速货车技术。其特点是车辆运行速度高、列车编组辆数较少。其中美国、加拿大铁路以重载运输为主。美国轴重29.8吨吨（F轴）、载重90100吨级的货车保有量最大，少量货车载重达120吨。轴重32.43吨（超F轴），载重达到110吨级的货车是目前主型新造车,产量较大，少量货车轴重达到35.7吨。轴重为25吨的货车大多数已经被淘汰。普通列车编组为100辆150辆,牵引吨位为15OOO吨17500吨,运煤专列牵引吨位达到17500吨20000吨，最高运行速度一般为80kmh96kmh。澳大利亚重载列车大多采用大轴重专用货车,轴重为25吨、30吨、35吨，少量矿石车轴重为为40吨，载重97吨98吨，少量达110吨120吨。近15年来发展了不锈钢运煤车,列车编组为192辆240辆，牵引吨位为17450吨29000吨，最高运行速度为80km/h左右。南非铁路（窄轨）目前的重载货车主要为轴重26吨、载重84吨、车体材料为不锈钢的运煤敞车,列车编组为200辆,牵引吨位为20800吨，运行速度为60kmh左右,安装ECP的货车最高速度可达80km/ho矿石车轴重30吨,载重100吨，列车编组216辆,牵引吨位25920吨,运行速度一般为50kmh60kmh,最高可达70kmh。目前欧洲铁路货车轴重一般为18吨225吨，最高运行速度一般可以达到140kmh-160kmh,列车编组通常为20辆左右,牵引重量1400吨1800吨。近几年来,欧洲开始研制25吨轴重重载货车和200kmh轻快货车。由以上可以看出，国外铁路技术发达的国家，货运都朝着高速化、重载化、专运化的服务方向发展。自2003年以来我国铁路跨越式发展,铁路货车技术水平也迅速提高,虽然和铁路技术发达的国家相比仍有差距，但是综合技术水平已经有了很大提高。货车重载运输达到了牵引2万吨的技术水平，如图1-4为正在大秦线上行驶的2万吨级重载列车。目前,大秦线上采用的C80系列铝合金运煤敞车和C80B系列不锈钢运煤敞车轴重均达到25吨，载重为80吨，如图1-5为C80型铝合金运煤敞车。列车编组辆数为204辆,牵引吨位达到20400吨，实际运行速度为80km/h,商业运营速度达到100km/ho图卜4正在大秦线上行驶的2万吨级重载列车图1-5C80型铝合金运煤敞车近年来,货车发展主要以引进、消化吸收再创新和自主创新之为主要模式。主要研发了70吨级的敞、棚、平、集、罐和漏斗等通用和专用货车,完成了铁路货车由60吨级向70吨级的全面换代如图1-6为我国的几种货车。其中新型70吨级货车轴重为23吨,载重为70吨，商业运营速度达到120kmh,列车牵引重量为5OOO吨10OoO吨,该种货车载重大、速度快，达到了国际水平。新型70吨级货车采用了先进车体轻量化技术,应用可靠性设计理念,实现了在轴重23吨的条件下载重达到70吨、时速120弱和单机牵引5000吨、双机牵引6OOO吨10OOO吨的技术目标,既能大幅度提高铁路运输效率,又能适应我国铁路既有的线路、桥梁、隧道及站台等铁路设施的使用条件。铁路通用货车在铁路客货混运的条件下，达到了载重70吨、商业运营速度120,实现了提速与重载的两个发展关键目标，提高了运输效率。(a)70吨级新型通用敞车-C70敞车(b)载重100吨的矿石、矿粉、钢材运输车(c)C64K型通用敞车(d)出口澳大利亚粮食漏斗车图1-6我国的几种货车1.2.2 国内外轮对技术发展自20世纪以来在轮对设计中大量采用高新技术。主要有：用有限元对轮对结构进行优化设计，用计算机仿真技术对轮对进行分析，利用现代电子技术、信息技术、计算机技术、激光成像及测距技术、等检测手段对轮对质量及故障进行检测。美国采用有限元分析法，设计了盆形辐板及S形辐板车轮。这两种车轮能极大改善在热负荷作用下的车轮应力状态,而得以迅速推广应用。目前美国AAR已将车轮设计的有限元分析纳入标准，并作为评定车轮设计的条件。西欧许多国家也把车轮结构的有限元优化设计作为车轮结构改进的必要条件。此外，利用计算机仿真技术极大地优化了车轮生产工艺及热处理工艺，并且计算机技术也为车轮、车轴的失效问题的分析提供了保障。在轮对生产中大量采用新工艺，是的轮对质量和产量有了较大提高。自上世纪50年代以来，高速、重载轮对技术快速发展。在轮对设计中，合理考虑轴重和轮径比值。在欧洲和美国货车的设计中都限制单位轮径的轴重，特别是对于运行速度较高(IOOkmh120km/h)的大型货车，更是不容忽视的。在UIC标准中，对同一轮径，随着速度的提高，轴重则相应减小，如专用货车用轮径为92Omm的标准车轮,100km/h轴重22吨，120kmh轴重20吨。表1-2中的数据为欧、美的一些规定值。表1-2各国轮重轮径比值项目轮径(mm)轴重(t)轴重/轮径(tmm)UIC(欧洲铁路联盟)要求8409201820200.0214-0.02380.0217英国100吨总重的货车950250.0263法国Y25型转向架950250.0263此外，在车轴设计中考虑了高速运行的特点。并且开发设计了空心车轴，车轮设计也尽量做到了轻量化设计。在国外，对车轮和车轴的强度都有相关的规定和标准。就车轮而言，主要有国际铁路联盟组织的UIC510-5和欧洲联盟标准BSEN13979-1-2003,两个标准中对强度的要求基本相同。其中规定在车轮强度检测时，静强度的要求为：VonMiSeS应力必须小于弹性极限；疲劳强度的要求为：车轮轮心已加工的动应力幅值4。360MPa,车轮轮心未加工的应力幅值。(290MPa。国际铁路联盟组织的UIC510-5中规定了计算载荷和计算工况。日本也在行业标准中给出了材料、表面缺陷和机械试验的方法及要求，但是对车轮的强度计算未给出具体要求。目前，国外车辆车轴的设计和强度分析方法主要采用两种标准：日本工业标准J1.SE4501-1995铁道车辆-车轴强度设计方法、美国标准AARS66083机车和货车车轮设计分析评定办法和国际铁路联盟标准UIC515-3/1994铁道车辆/转向架-走形部/车轴计算方法和EN13103-2009轮对和转向架/非驱动车轴-设计方法。车轴强度计算方法采用材料力学确定应力分布。其中，美国AAR标准S66083机车和货车车轮设计分析评定办法标准中规定了轮对计算载荷和计算工况，采用了比较的评定方法，但这一规范比较粗糙。在欧洲标准EN13103-2009轮对和转向架/非驱动车轴-设计方法中给出了车轴的设计方法和强度计算的相关工况和计算强度的方法。中国铁路的发展主要在上世纪50年代初，即从1949年以后开始，特别是从80年代开始，我国铁路及铁路交通设备快速发展。50年代初，中国铁路客车基本使用传统的带箍铸钢车轮和滑动轴承。货车则使用铸铁车轮和滑动轴承。客、货车辆轴型以B、C型系列为主。随着铁路机车车辆制造工业体系的完善发展和与之配套的冶金、机械、化工等相关行业的发展，从60年代开始，中国铁路用了10年的时间，首先完成了客车滚动轴承代替滑动轴承的换代、国产整体辗钢车轮替代了带箍车轮和铸钢车轮的技术改造，又在80年代进行了主型客车RC型系列车轴向RD型系列车轴的过渡。在淘汰客车带箍车轮和铸钢车轮的同时,货车也普遍以整体辗钢车轮替代铸铁车轮和传统的铸钢车轮。从80年代开始，新造货车大规模采用滚动轴承来代替原来的滑动轴承。此外，淘汰了全部装用B、C型车轴的货车，使货车（除少量守车外）基本上以RD型车轴替代了其他车轴。近年来，我国不断发展轮对技术，主要采取了，引进、吸收、创新的模式相继开发了各种重载快速车辆轮对使得我国的运输能力进一步加强和发展。目前，国内并无完整的关于轮对强度的分析和评定办法。针对车轮强度的分析方法，国内主要采用有限元技术。通过对比车轮上检验点处的计算应力和许用应力，如果检验点的计算应力低于许用应力，车轮强度就符合设计要求；如果检验点计算应力大于许用应力，那么车轮强度就不符合设计要求。大型分析软件ANSYS计算规模较大,有条件建立离散单元比较小的轮对有限元模型，尤其在铁路车辆轮轴方面使用较为合适。所以，国内大多采用ANSYS软件对轮对强度进行有限元强度分析和评定。唐道武使用ANSYS软件对带辐板孔车轮进行了三维实体有限元分析，计算出了直线、曲线和道岔工况下的辐板应力分布。刘会英等提出了主动轮和从动轮强度计算的载荷工况和当量静应力计算方法。米彩盈等根据国际铁路联盟的相关规定和标准，对国产中华之星对动力车车轮进行了强度分析。就目前而言，在这一领域国内取得了不小的突破和进展。针对车轴的强度计算方法国内主要采用材料力学或弹性力学理论确定车轴的应力分布。并且采用比较系数的评定方法。1.3 本论文主要任务及使用方法本论文主要针对32.5吨轴重货车轴重较大的特点，主要根据欧洲标准EN13103-2009轮对和转向架/非驱动车轴-设计方法对32.5吨轴重的车轴进行结构设计并利用材料力学理论对其进行强度计算和校核。采用铁标中的相关规定对车轮进行结构设计并采用ANSYS软件根据国际铁路联盟组织的UIC510-5中规定的计算载荷和计算工况对车轮强度进行有限元强度分析。为我国新一代的大轴重货车转向架轮对的研制开发提供一定的借鉴和参考。第二章轮对结构设计2.1 轮对的基本组成及相关要求轮对作为转向架中重要的承载部件之一，其性能的好坏直接影响到行车性能的安全与否。货车车辆轮对是由一根车轴和两个相同的车轮在轮轴结合部位以过盈配合方式牢固连接在一起的，两轮内端面之间的距离的基本尺寸为1353mm,如图2-1所示。图2-1轮对1-车轴；2-车轮轮对承担车辆的全部重量，同时车辆在轨道上运行，轮对还要承当从车体、钢轨传递过来的各种垂向力和横向力，受力较为复杂。因此，对货车轮对有较高的要求。具体要求主要有以下几个方面：应该具有足够的强度，这样才能保证在高速和重载下行车安全；应该在保证行车安全的前提下，使其质量尽量轻，并具有适当的弹性，以减小簧下质量和轮轨间的相互作用力；应该具有阻力小和耐磨性好的优点，同时要具有较好的耐腐蚀性，这样才能减少使用的牵引力和以高使用寿命；应该具备较好的去行通过能力，同时还要有抵抗脱轨的安全性能。所以在设计和分析轮对强度时，应该考虑到轮对的特殊工作环境和尽量避免应力集中对轮对造成的影响。2.2 车轮结构设计2.2.1 车轮工作条件及结构在车辆的所用承载部件中，车轮的工作条件最为恶劣。车轮不仅承担整个车辆的质量，而且还要承受由闸瓦摩擦、钢轨接头、轮轨间持续不断动态载荷引起的热应力和机械应力产生的机械损伤。目前我国铁路上大多采用整体碾钢轮，其结构主要包括踏面、轮缘、轮辐板和轮毂等，主要结构如图2-2所示。轮毂是车轮与车轴相互过盈配合的部位,辐板连接轮辆与轮毂，踏面是车轮与钢轨接触的部位。车轮辐板形式主要有4种类型：直辐板、波形辐板、盆形辐板和S形辐板车轮。图2-2整体车轮结构图I-踏面；2-轮缘；3-轮辆；4-辐板；5-轮毂车轮踏面和轮毂的形状几乎是不变的，车轮踏面需要做成一定的斜度和形状，其主要形状和基本尺寸如图2-3所示。车轮踏面做成一定的形状不仅易于标准化生产，而且还具有以下作用：1.便于通过曲线；2 .可自动调中；3 .踏面磨耗沿宽度方向比较均匀。图2-3车轮轮缘踏面外形图(a)锥形踏面；(b)1.M磨耗型踏面2.2.2车轮结构设计目前我国多采用辗钢整体轮和铸钢整体轮和少量的轮箍轮。我国货车多采用辗钢整体车轮，本设计中也采用辗钢整体车轮的结构形式。其主要具有强度高、韧性好、自重轻和安全可靠的优点，图2-4为我国GB8601T988铁路用辗钢整体车轮的结构图。图2-4我国整体辗钢车轮结构图H本设计中采用S形辐板结构，其主要优点是：各项性能均比较好，热负荷承受能力和横向刚度都比较大。车轮踏面采用1.M型踏面形式，由于本设计所设计车轮轴重为32.5吨轴重货车车轮，所以为了减小阻力，降低轮轨接触应力，使踏面磨耗速度降低，同时，为了降低车轮通过轨道凹陷和接缝处对于车辆振动的影响，车轮的轮径采用915mm的大轮径。所设计的车轮断面如图24所示。图2-4所设计车轮断面图其主要参数在表2-1中所示:表2-1所设计车轮结构参数表项目轮径D轮车固内侧内径D1.轮毂孔径d轮毂外径D3毂长1.辆高H毂桐距E辐板厚度S轮毂斜度Q轮辆斜度8单位mmO尺寸915823230315178135682512°20°在设计中轮辆厚度为46mm,轮毂厚度为42.5mm。此外，各处倒角都采用较小角度，只采用R8和R3的小倒角。由于该设计中轴重较大，为使车轮辐板具有较大的强度和刚度，所以设计时，主要加厚了辐板，使其值为25mm。2.3车轴结构设计铁道车辆车轴在运用中的所受载荷是比较复杂的，它不仅承受着轴承传递过来的压力，而且还承受着车钩传递的牵引力和制动基础装置提供的制动力以及来自线路不平顺的冲击载荷和通过曲线时横向作用于轮缘的导向力等多重载荷作用。所以设计时应该充分考虑能够保证其具有足够的强度。近几年来，随着列车行车速度和载重量的提高，为了降低能耗，提高货物列车的载重能力，在现代贴到车辆的承载部件之一的车轴结构中，将车轴设计的越来越轻。车轴作为货车车辆的关键承载部件，其自重属于簧下质量，簧下质量的轻重，在一定程度上决定着轮轨动作用载荷的的大小。在车轴设计过程中，应该在保证满足强度要求的前提下，尽量降低轮轨动作用载荷，尽可能减轻簧下质量，以保证车辆的运行品质。2.3.1 车轴的服役环境及结构设计特点在货车车辆轮对结构中，车轴主要与车轮和滚动轴承等零部件以过盈配合的方式安装在一起（即轮毂的内径稍大于车轴的外径）。在过硬配合面在半径方向上产生接触面压力，由此引起的接触面间的摩擦力传递水平方向的扭矩、各方向上的弯矩和轴向力，主要装配方式为冷压装配（车轮和车轴之间的装配）和热套装配（滚动轴承和车轴之间的装配）。在配合部位，车轴不仅承受由弯曲产生的正应力和由扭矩产生的剪应力，而且还承担由过盈配合引起的沿半径方向上的接触应力和轮毂和车轴之间产生的沿轴表面的剪应力。此外，在轮轴配合部位，由于车轴结构形状和微动磨损的原因，其盈利状态较为复杂，使得车轴在轮座部分的疲劳强度要低于车轴上的平直部分,该部分是车轴疲劳断裂的主要部位。所以，在车轴设计过程中为了提高车轴的疲劳强度，一般在两相邻不同直径轴段间采用圆弧过渡，尤其是在轮轴配合部位，如图2-5所示为轮轴压装部位结构简图。图2-5轮轴压装部位结构简图就轮轴配合部位结构参数而言，欧洲各国和日本以及我国所选的参数各有不同，我国TB2705-1996车辆车轴设计与强度计算方法中规定的时速在120Km以下的轮座部分车轴参数与各国对比如表2-2所示。其中日本工业标准J1.SE4501-1995规定在轮轴配合部位采取大的过度圆弧半径(r=100mm)和小的直径比(Dd=1.10),这样以降低过度圆弧的应力集中，使其疲劳断裂的危险区域在轮轴压装部分。欧洲标准EN中轮轴间采用小的过度圆弧半径和比较大的直径比，以此来降低压装部位的微动磨损，提高车轴的疲劳强度。表2-2轮座配合部位车轴相关参数参数项新干线TGVICE国内TB2705-1996直径D/mm209212190/d/mm190184160/直径比D/d1.101.151.191.10-1.14圆弧半r/mm10015.7015.75rD=0.20-0.402.3.2 车轴结构设计(一)车轴形式、主要结构及各部分作用铁道货车车辆大多使用圆截面实心轴。根据国家标准中的相关规定货车主要采用RB2、RD2、RE2、RE2A、RE2B和RD3、RD4型标准滚动轴承，如图2-6所示为滑动轴承车轴和RB2结构简图。图2-6(b)RB2、RD2、RE2、RE2A、RE2B型车轴由于车轴上个部分受力状态及装配需要不同，所以其直径也不尽相同。货车车轴主要结构有轴颈、防尘板座和轴身组成，如图2-7所示为滚动轴承车轴。其各部分作用如下：1.轴颈：用来安装轴承，承担着车辆重量，此外还要传递各个方向的动、静载荷。2 .轮座：与车轮采用过盈配合，用以安装车轮，并承受车轮传递来的个方向的力。轮座是车轴上受力最大的部位。3 .防尘板