摘 要

随着我国高铁技术不断发展，高速列车对转向架的技术要求也越来越高，这对转向架检测设备的需求也迅速增大。目前国内高速列车型号基本上为CRH系列“和谐号”动车组,转向架检测设备大部分依赖进口，而国内的转向架检测设备又不能满足要求，国内的技术水平与国际先进水平仍有不小差距。为了满足国内CRH系列转向架的检测要求，提高转向架静载试验台的兼容性，本论文主要设计了CRH动车组转向架静载试验台的机械结构，以满足CRH₁、CRH₂、CRH₅等CRH系列转向架的测试要求。

本论文通过对比分析国内外转向架静载试验台的发展状况，说明本毕业设计课题的目的及意义，并设计转向架静载试验台的机械结构及其对转向架进行静态加载测试的流程。转向架静载试验台的机械结构由龙门架、底座、加载装置、升降装置和称重单元这五个模块组成，其中龙门架和底座是试验台的基本构架，为加载装置、称重单元和升降装置模块提供安装位置及支撑；加载装置由两个加载液压缸同步加载，为转向架模拟车体加载试验提供载荷；升降装置利用四个举升液压缸同步举升，通过辅助导轨与车间导轨平齐，使被测转向架能够进入试验台；而称重单元通过三个呈三角形布置的称重传感器，来测量转向架的轮重和轴重，检测转向架是否合格，并为转向架的调簧计算提供参数。本论文根据CRH₁、CRH₂、CRH₅动车组型转向架尺寸参数以及测试要求，对CRH动车组转向架静载试验台龙门架、底座、加载装置、升降装置和称重单元这五个模块的机械结构进行设计。利用Solidworks软件建立各模块的三维模型，并装配成转向架静载试验台模型。采用ANSYS Workbench有限元分析软件对静载试验台的关键部件进行有限元分析，以确保所设计的机械结构强度满足技术要求。最后，通过分析转向架需要调簧的原因，阐述转向架的调簧原理以及计算方法。

关键词：静载试验台；设计；有限元；调簧

Abstract

With the development of high-speed railway technology in China, high speed train has increasingly demand on bogie technology, which demands for more bogie testing equipments. So far the basic type of domestic high speed trains is CRH (China Railway High-speed), and most of bogie testing equipment relies on imports. However，domestic bogie testing equipment cannot meet the requirement，and there is a large difference with international advanced technology. In order to satisfy the testing requirements of bogies of CRH series, improving the compatibility of bogie static test bench, this paper mainly designs a structure of CRH EMU (Electric Multiple Units) bogie static test bench, such as CRH₁, CRH₂ and CRH₅, to meet their testing requirements.

This paper explains the purpose and significance of graduation project by comparing and analyzing the development of the bogie static test bench at home and abroad, and designs the structure of bogie static test bench as well as the process of static load test of bogie. The structure of bogie static test bench in this paper is composed of five modules: the gantry frame, the base, the loading device, the lifting device and the weighing units. As the basic frame of test bench, gantry and base provide mounting positions and supports for loading device, lifting device and weighing units. Loading device provides the loads when emulating a train body loading on bogie by the two hydraulic cylinders synchronized loading. Through auxiliary rails connecting to the rails of workshop the tested bogie has access to the test bench with the four hydraulic cylinders of lifting device synchronized loading. And weighing units of which the three weighing sensors render a triangular layout can measure the wheel load and axle load of bogie to examine the quality, and also provide testing parameters for calculation of spring adjustment. According to the size parameters of CRH₁, CRH₂ and CRH₅ bogies as well as the testing requirements, a structure of the five modules of CRH EMU bogie static test bench which includes the gantry frame, the base, the loading device, the lifting device and the weighing units is designed in this paper. The 3D model of five modules of bogie static test bench is established by Solidworks, to assemble the model of bogie static test bench. Then, ANSYS Workbench is utilized for finite element analysis of the key components, to ensure that the strength of the structure to meet the technical requirement. Finally, the principle of spring adjustment and the method of calculation for bogie are expounded through the analysis of the reason why bogies need to adjust the spring.

Key Words: static test bench; design; finite element; spring adjustment

第1章 绪论

1.1 论文背景

高铁技术自二十世纪六十年代以来就一直在迅速发展，并在许多欧洲、亚洲、北美等国家普及，1964年10月1日，世界首条高速铁路东海新干线于日本建成；1983年9月，法国建成TGV东南高速线正式通车，列车速度可达到270km/h ^[1]。

随着高速铁路的快速发展，对高速列车转向架的设计要求也越来越高，对转向架检测设备的需求的不断增加。转向架位于列车的底部，承载来自车体和轨道所传递的载荷，在列车运行过程中起引导作用，使列车能够顺利铁路弯道，而且还能够缓和列车运行时因为轨道不平引起的振动及冲击，是列车不可或缺的部件 ^[2]，其结构图如图1.1所示。而转向架静载试验台可以实现转向架参数的测量。转向架静载实验台是通过对转向架进行加载来模拟车体加载在转向架上，测定轴重、一系、二系弹簧位移量、轴距、车轴平行度等参数，并可进行空气弹簧气动及气密性测试的转向架参数测定装置。目前，我国高速动车组主要为CRH动车组，已开行的CRH动车组有CRH₁、CRH₂、CRH₃、CRH₅和CRH₆等21种车型。对于CRH动车组这21种车型的转向架，若要每种车型都只使用专用的转向架静载试验台则不能满足通用性和兼容性，而且还会大大增加研发及制造成本提高，不利于试验台的发展以及使用的方便。综上所述，本论文选择CRH动车组转向架静载试验台作为研究方向，并设计其机械结构。本论文主要选取CRH₁、CRH₂、CRH₅这三种型号的转向架作为研究对象，根据其型号尺寸以及测试技术要求来进行CRH动车组转向架静载试验台机械结构的设计，并且设计转向架静载试验台进行静载试验的测试流程。

1.2 设计目的及意义

为了说明本论文所设计的转向架静载试验台机械结构的特点以及实用性，下面将从设计目的和设计意义两方面进行说明。

1.2.1 设计目的

本论文所设计的转向静载试验台理论上能够兼容CRH系列的动车组转向架，这里由于篇幅限制，选取CRH₁、CRH₂和CRH₅转向架作为本论文的研究对象，针对毕业设计任务书所提出的要求，本设计将围绕以下五点设计目的进行设计。

图1.1 动车组拖车转向架

（1）提高转向架静载试验台的兼容性，使其适用于不同类型的动车组转向架，并对现有的试验台的结构进行优化，减少转向架的生产或维修成本。

（2）能够模拟实际加载，进行静态加载试验，对转向架进行称重测试、尺寸测量和气动及气密性测试，并通过测控系统和数据管理对转向架进行调整。

（3）设计转向架静载试验台的性能试验和总体布局，提高转向架性能参数测定实验的合理性和可靠性，提高转向架生产或维修的效率。

（4）对设计的转向架静载试验台机械结构的关键部件进行有限元分析，确保机械结构合理可靠，并对试验台结构进行优化。

（5）对设计的转向架静载试验台所组成的零部件进行标准化， 使试验台零部件具有通用性和互换性。

1.2.2 设计意义

当前，我国高速铁路技术通过引进和吸收国外高速铁路的技术，已经掌握高速铁路的核心技术，并成功研制出CRH系列“和谐号”动车组。目前，中国、日本、德国、法国分别拥有国际上先进的高速铁路技术，其代表分别是京广高铁、新干线、ICE高速线和TGV东南线。比较四国的高铁，日本新干线发展速度略慢，德国高铁技术一流但价格高昂，法国高铁出口困难，而中国高铁造价为国外的1/3—1/2，最快时速可达486km/h，技术先进、安全性高、性价优势大。此外，我国正积极对外出口高铁，因此，未来购买中国高铁或高速列车的国家将越来越多，这对相关的检测设备需求也不断倍增。

转向架作为轨道车辆的重要组成部分，其自身的设计要求非常高，所检测的指标也相当多，这需要一种适用于各种型号CRH动车组转向架的静载试验台。所以，设计CRH动车组转向架静载试验台有以下意义：

（1）本设计转向架试验台适用于各种型号CRH动车组转向架，减少了每种型号转向架专用试验台的研发，降低转向架生产和维修的成本。

（2）有利于实现CRH动车组转向架静载试验台的标准化，提高试验台零部件的互换性，缩短研发周期，降低试验台的制造和维修成本。