高速变轨距动车转向架轮轴传动方案结构设计及关键部件强度分析

摘要

铁路运输是我国与陆上邻国进行贸易交流的重要交通方式，随着国家“一带一路”和“走出去”战略的提出，我国与“一带一路”沿线国家的经济文化交流将会变得越来越频繁。但是由于种种原因，导致各个国家的铁路轨距并不统一，这为国际联运造成了巨大的困难。变轨距列车可在不同轨距的铁路上运行，是解决国际联运难题的最佳方案。由于变轨距转向架轮轴传动方式有别于传统转向架轮轴通过过盈配合传递扭矩的方式，所以需要对轮对结构进行重新设计和分析。　　本文首先介绍了西班牙等国变轨距转向架轮对的主要结构，简要分析了不同变轨距转向架的变轨原理和轮轴扭矩的传递方式。以国内某高速动车组转向架的轮轴结构为基础，结合国外变轨距转向架的成功设计经验，提出了3种适用于1435/1520mm铁路轨距的高速变轨距动车转向架轮轴结构的传动方案，即滚子花键传动方案、花键轴传动方案和轴套式花键传动方案。　　其次，参照《机械设计手册》和标准GB/T17855-2007《花键承载能力计算方法》，对设计的渐开线花键进行理论强度分析。计算发现花键轴传动方案的花键副不满足长期无磨损工作的要求，而轴套式传动方案的花键副满足各项强度校核指标。对三种变轨距转向架轮轴传动方案的优缺点进行比较分析，发现轴套式花键传动方案优点较为突出。　　再次，利用HyperMesh建立了传动渐开线花键的有限元模型，并运用ANSYS软件进行求解计算，分析了轨距变化和结构装配过盈量变化对其有限元强度的影响。计算结果表明，轨距变化对花键整体强度影响不大，花键强度主要受到结构过盈量大小的影响。　　随后，对两种变轨距转向架车轮进行静强度和疲劳强度分析。从车轮局部静强度校核结果来看，辐板的最大应力随载荷加载截面的改变变化很大；从车轮整体静强度校核结果来看，两种车轮的静强度校核结果均满足要求；从车轮辐板孔区域和非辐板孔区域的疲劳强度校核结果来看，校核区域结点的疲劳强度安全系数均大于1，所以两种车轮的疲劳强度均满足要求。　　最后，根据欧洲标准EN13104《铁路应用轮对和转向架动力车轴设计方法》，对两种变轨距转向架车轴的受力情况进行了分析，并计算了车轴危险截面在不同轨距、不同运行工况下的应力值大小。计算结果表明，两种车轴校核截面的强度安全系数均大于1，均满足标准要求。

目录

声明

第1章绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国外变轨距技术运用现状

1.2.1 西班牙

1.2.2 波兰

1.2.3 韩国

1.2.4 日本

1.3 国内变轨距技术运用现状

1.4 本文的主要工作及研究技术路线

第2章高速变轨距动车转向架轮轴传动方案设计

2.1 滚子花键传动方案设计

2.1.1 滚子花键介绍

2.1.2 高速变轨距转向架滚子花键的设计

2.1.3 滚子花键方案扭矩传递过程及转向架变轨机理

2.2 花键轴传动方案设计

2.2.1 花键轴传动方案轮轴结构设计

2.2.2 渐开线花键设计

2.2.3 渐开线花键强度校核

2.3 轴套式花键传动方案设计

2.3.1 轴套式花键轮轴传动方案轮轴结构设计

2.3.2 轴套式花键的设计

2.3.3 轴套式花键强度校核及结构过盈配合量的计算

2.4 三种传动方案优缺点分析

2.5 本章小结

第3章渐开线花键有限元强度分析

3.1 有限元方法和接触理论介绍

3.1.1 有限元方法介绍

3.1.2 接触理论介绍

3.1.3 有限元软件的选择

3.2 渐开线花键有限元模型的建立

3.2.1 有限元模型网格划分

3.2.2 材料及载荷工况

3.2.3 载荷及边界条件的施加

3.3 渐开线花键有限元强度计算结果

3.3.1 轨距变化对渐开线花键强度的影响

3.3.2 结构过盈量变化对渐开线花键强度的影响

3.4 本章小结

第4章变轨距转向架车轮强度分析

4.1 车轮有限元模型的建立

4.1.1 有限元模型网格划分

4.1.2 载荷工况及约束条件

4.2 静强度及疲劳强度校核方法

4.2.1 静强度校核方法

4.2.2 辐板非孔区域疲劳强度校核方法

4.2.3 辐板孔区域的疲劳强度校核方法

4.3 车轮静强度分析

4.3.1 车轮辐板静强度分析

4.3.2 车轮整体强度分析

4.4 车轮辐板疲劳强度分析

4.4.1 车轮辐板非孔区域疲劳强度分析

4.4.2 车轮辐板孔区域疲劳强度分析

4.5 本章小结

第5章变轨距转向架车轴强度分析

5.1 车轴受力分析

5.1.1 车轴簧上和簧下载荷计算

5.1.2 驱动系统载荷计算

5.1.3 车轴力矩计算

5.2 车轴截面应力计算方法和受力力矩图的绘制

5.2.1 车轴截面应力计算方法及许用应力确定

5.2.2 车轴Ⅰ危险截面的确定和受力力矩图的绘制

5.2.3 车轴 Ⅱ危险截面的确定和受力力矩图的绘制

5.3 车轴强度分析

5.3.2 车轴 Ⅱ强度分析

5.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

学位论文数据集