兰州交通大学毕业设计（论文）
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(JIS E 4207-2002)和UIC标准(UIC 615-4-2003)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/T 2368-2005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、EN 13103-2001、EN 13104-2001和JIS E 4505-1995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
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Abstract
With the development of national economy and scientific and technological progress, high-speed electric multi-units (EMU) is bound to be more widely used in China. The bogie is one of the key components of the EMU, its performance is good or bad to have an important impact of EMU run security. Standard of high-speed motor bogie is also very necessary, while standardization is a comprehensive technical foundation work, implemented through the development of standards and organizations can effectively ensure and improve product quality and quality of the project is to organize modernization of production and trade-related technical standards, an important part of scientific management.
This paper introduces the domestic and foreign, including Japan's Shinkansen, the Series E and the European TGV, ICE, as well as domestic CRH series such as the overview of the development and direction of development of high-speed EMU bogie and a major component of high-speed EMU bogieparts of the characteristics and requirements. By domestic standards on the bogie frame (TB/T 2368-2005), JIS standard (JIS E 4207-2002) standards and UIC standards (UIC 615-4-2003), the detailed analysis and research, national standards and UIC standards provisions, including the train under extraordinary loads and simulated operational load test methods, general conditions of JIS standards, its design, and load test methods. Finally, the three criteria to compare and contrast studies to identify the differences between them and the presence of the difference is due to suggestions for improvement of TB/T 2368-2005.
In this paper, the bogie wheel on the domestic and international standards including the Interim Provisions of 《200km/h and above speed class railway vehicle strength design and test evaluation》 (hereinafter referred to as Interim Provisions) of the wheel on a standard part of the UIC 510-5-2003, EN 13103-2001、EN 13104-2001and JIS E-4505-1995, do research and analysis, proposed more stringent European regulations in accordance with the provisions of the round on the strength of the design should be based on the experience of the practical application of revised and improved as soon as possible to work out according to their own high-speed EMU bogie wheel on the strength calculation standards.
Finally, this paper studied the Interim Provisions of the spring suspension of domestic standards, and other foreign standards for analysis and comparison can be drawn from the
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domestic air springs standard should learn the contents of both JIS and EN spring standard, combined with the Chinese track vehicle operation and operating conditions presented a revised proposal.
Key words: bogie; framework; wheelset; spring; standard
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目 录
1. 绪论 ..................................................................................................................................... 1
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
2.1 转向架构架概述 .......................................................................................................... 6 2.2 TB/T 2368-2005的研究 ............................................................................................... 6
2.2.1 超常载荷 ............................................................................................................ 7 2.2.2 模拟运营载荷 .................................................................................................... 7 2.2.3 试验方法 ............................................................................................................ 8 2.3 UIC 615-4-2003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 2.3.3 模拟特殊运行载荷的静强度试验 .................................................................. 14 2.3.4 疲劳试验 .......................................................................................................... 15 2.4 JIS E 4207-2002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
3.1 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
3.2.1 设计载荷 .......................................................................................................... 26 3.2.2 强度与刚度评定 .............................................................................................. 26 3.2.3 试验方法 .......................................................................................................... 27 3.3 UIC 510-5-2003的研究 .............................................................................................. 27
3.3.1 载荷条件 .......................................................................................................... 27
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3.3.2 应力参量 .......................................................................................................... 28 3.3.3 评价准则 .......................................................................................................... 28 3.4 EN 13103-2001和EN 13104-2001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 3.5 JIS E 4505-1995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
4.1 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
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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，中央悬挂由空气弹簧、液压减振器等组成。随着研究的不断深入，又先后开发了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；中央悬挂装置由空气弹簧、横向减振器、抗蛇行减振器和抗侧
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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；牵引机构则采用单拉杆或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高速运行。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列车采用铰接式动力转向架，列车编组始终保持两端为动力车，拖车之间采用铰接式连接，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列车目前共发展了三代。ICE1拖车采用MD530型转向架、ICE2拖车采用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, 我国在设计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。国家科技支撑项目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
CRH380BL高速转向架，最高线路试验速度达487.3km/h，试验台试验速度达500km/h。
牵引装置牵引电机构架基础制动装置二系悬挂装置轮对轴箱
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
转向架主要由轮对、轴箱、一系弹簧悬挂装置、构架、二系弹簧悬挂装置、驱动装
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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)一系弹簧悬挂装置：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
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作用力，它关系到列车脱轨的安全性，横向轮轨怍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，甚至危及行车安全。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研究。
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计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，本文主要从以下几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/T 2368-2005、UIC标准和JIS标准进行了研究和分析。其中TB/T 2368-2005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
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下的试验方法， JIS标准则是对其设计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）、UIC 510-5-2003、EN 13103、EN 13104和JIS E 4505-1995。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。
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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，其可靠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。构架一般由左右侧梁，一根或者几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，其目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的高速转向架采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目的。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。
2.2 TB/T 2368-2005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。
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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
Fzmax?1.3?(M1?2n?p)?g (2.1) j式中：Fzmax— 转向架构架一侧的超长垂向载荷，N;M1 — 整备状态车体质量，kg；
n — 定员数；p — 每一旅客计算质量，取p=80kg/人；g — 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
Fymax?2?[104?(M?2n?p)?g] (2.2)
j式中:Fymax —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
C?C1L?z Fn??(z)?12 (2.3)
4L1C1?C2 式中：Fn— 斜对称载荷，kN；L1— 轮对两滚动圆间距离，cm；Lz— 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；C1— 一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/cm。
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
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Fz?{M1?1.2?[(2?S?n)?p]}?g (2.4)
j式中：Fz—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?0.5?(FZ?0.5M2?g) (2.5)
式中：Fy—横向载荷，N；FZ—转向架一侧的基本垂向载荷，N；M2—一台转向
架的质量，kg。
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σ1,…,σ13， 从中确定其最大值σmax 和最小值σmin。 按下式计算平均应力σm 和应力幅值Δσ：
?m??max??min (2.6)
2 ?σ??max??min (2.7)
22.2.3 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（特别是应力集中区）都应布置应变片或应变花。各载荷工况以不小于3/4最大载荷进行预加载；然后分2～3级加载到最大载荷。不发生永久变形时，至少进行3次试验，按3次平均进行评价。 2 模拟运营载荷静态试验
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试验目的是检验转向架构架在运营载荷作用下是否会产生疲劳裂纹。试验应在试验台上进行。试验台应能正确模拟运营中各项载荷的作用。 应使用组装好的转向架进行此项试验；并能正确模拟与车体连接件的间隙和自由度。 3 刚度试验
建议进行此项试验。试验目的是测定转向架构架的刚度，为分析转向架的性能提供必要的数据。 (1)垂直弯曲刚度试验
垂直弯曲刚度定义为垂直载荷作用下作用点的挠度与垂直载荷的比值。按下式计算：
KZ?2FZ?Z (2.8)
式中：KZ—垂直弯曲刚度，kN/mm； 2FZ—转向架垂直载荷，kN； ?Z—载荷作
用点垂直挠度，mm。
垂直弯曲刚度试验一般与模拟运营载荷试验同时进行，测量作用点的垂直挠度。 (2)横向弯曲刚度试验
横向弯曲刚度定义为轴箱横向载荷作用下作用点的挠度与横向载荷的比值。按下式计算：
Ky?2Fy?y (2.9)
式中：Ky—横向弯曲刚度，kN/mm； Fy—转向架轴箱处横向载荷，kN；?y—作
用点横向挠度，mm。
试验时在两轴箱之间施加1/2超常横向载荷，分别记录两作用点的横向位移，取其平均值作为横向挠度δy。 4 疲劳试验
(1)疲劳试验目的是验证转向架构架的疲劳强度，对疲劳寿命进行评估。 a）垂向载荷 —静态载荷
Fz1＝Fz2＝Fz (2.11)
—准静态载荷（模拟曲线上的滚摆）
Fzz1＝Fzz2＝±α?Fz (2.12)
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—动态载荷（模拟浮沉振动）
Fzd1＝Fzd2＝±β?Fz (2.13)
对于在构架上有重大悬吊质量的原则上也应按2.2.2款考虑。 b）横向载荷
— 准静态载荷
Fyz＝±0.25(Fz+0.5M2×g) (2.14) — 动态载荷
Fyd＝±0.25(Fz+0.5M2×g) (2.15)
(2)试验方法
试验台应能正确的模拟实际运营中各载荷的作用方式。转向架构架在试验台上的安装应能正确模拟悬挂支承方式及与车体连接件的间隙和自由度。
疲劳试验由交替反映左向和右向曲线的准静态载荷及动态载荷的重复作用构成。 横向载荷与垂向载荷加载频率2～7Hz。
在每个相应于左向或右向曲线的准静态载荷范围内，动态载荷的频数一般取为20次。 疲劳试验循环次数和评定列于表2.1：
表2.1 疲劳试验循环次数和评定表 试验阶段 1 2 3 准静态载荷系数 1 1.2 1.4 动态载荷系数 1 1.2 1.4 动态载荷循环次数 6×106 2×106 2×106 评 定 不得出现裂纹。 不得出现裂纹。 只允许出现运营中可能出现、但不需要立即修理的微小裂
转向架构架疲劳试验按第一阶段600万次不出现裂纹评定，并通过无损探伤来检验（磁力探伤、渗透探伤）。此后两个阶段的两个200万次对于新设计的构架仍应按要求完成，作为设计参考和技术储备。
2.3 UIC 615-4-2003的研究
作用在构架上的载荷分为超常载荷和模拟运营载荷两类，超常载荷是指运营中可一能发生的最大载荷，超常载荷试验是检验构架在最大可能载荷组合下是否发生破坏和永久变形，目的是评价构架的静强度。模拟运营载荷试验是检验转向架构架在运营载荷作用下是否会产生疲劳裂纹，目的是评价构架的疲劳强度。具体来说，标准UIC615-4-2003
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将该试验分为以下四组:
l)在超常载荷作用下的静载荷试验
通过该试验，验证构架在叠加上运营中的最大载荷时会不会有永久变形发生的危险。
2)在模拟运营中的主要载荷作用下的静载荷试验
通过该试验来验证在叠加上运营中的主要载荷时（垂句、横向以及轨道扭曲时的影响）会不会有疲劳裂纹产生的危险。
3)在模拟运用中的个别特殊载荷作用下的静载荷试验
通过该试验来验由构架部件（电机、制动、减振器、抗侧滚扭杆）以及通过小曲线半径时而引起的交变应力会不会存在导致局部疲劳裂纹发生的危险。
4)疲劳试验
通过该试验可以确定转向架的使用寿命，井进行安全余量的评估，最终发现在试验中未能发现的薄弱部位
2.3.1 超常载荷的静强度试验
1 载荷定义（参考图2.2）
垂向试验载荷（转向架每侧）：
? Fz1m(aNx)?Fz2mxa1.4g(mv?c1?nbm?) (2.16) 2nb 横向试验载荷：
Fymax(N)?2[104扭曲试验载荷：
对应于转向架翘曲至一个车轮100%减载时测点构架扭曲载荷，以分析转向架脱轨时的情况。注意：在超常载荷的静强度试验中，没有模拟纵向力；对于三轴转向架（n=3），认为中间轴不传递横向力；在异常环境中，因子1.4可以升至2。 2 测试过程与结果
测试分两个阶段进行：
—初步测试，在负载等于最大值一半的情况下进行，以确保在满负载测试期间将不会出现重大问题；
—满负载测试，它必须不致于引起在任何一个点上发生超过弹性极限的情况并且在
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(mv?c1)g] (2.17)
3nbne兰州交通大学毕业设计（论文）
测试负载撤除后不引起任何永久变形。
图2.2 静强度试验中加载力示意图
2.3.2 模拟主要运行载荷的静强度试验
1 载荷的定义（参考图2.2）
垂向载荷：作用在转向架每侧的垂直力：
FZ(N)?每转向架上的横向力：
Fy(N)?0.5(FZ?0.5m?g) (2.19) 扭曲载荷： 对应于转向架运行于5‰扭曲线路时的构架扭曲载荷。 2 测试过程
试验工装应保证试验载荷作用在运行中出现这些载荷的确切位置，同时应能模拟悬挂和转向架或车体连接件的作用方式与自由度。
没有安装牵引电机的状态定义为初始状态（应变片零点）。
牵引电动机安装完毕后，就可以对转向架构架施加不同组合的载荷，其中：— 由车体垂向运动（浮沉）引起的垂向力动态变化，用垂直力的百分数来表示：βF ；
— 由车体侧滚运动引起的垂向力动态变化，它用垂直力的百分数来表示：αF ； 一般情况下，对于欧洲铁路上的运行条件：
α=0.1 β=0.2
如果轨道的质量已知显著低劣，或者车辆运行在非常大的欠超高条件下，可以使用
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g(mv?1.2c2?nbm?) (2.18) 2nb兰州交通大学毕业设计（论文）
更高的α、β值。
相继施加的各种不同负载的配置应按下表中所示定义：在这些测试之后，载荷工况0，3，5，7和9与轨道扭曲迭加在一起重复进行测试；轨道扭曲的引入不应修改垂向力的合力；注意：载荷工况2，4，6和8的目的只是估计横向力的影响。
表2.2 不同载荷工况下构架所受力 构架每侧的垂向力 载荷工况 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 F ZF Z1F Z2作用在构架上的横向力 0 安装牵引电动机 F Z0 0 +Fy 0 +Fy 0 -Fy 0 -Fy (1+α-β)F Z(1-α-β)F Z(1+α-β)F Z(1-α-β)F Z(1+α+β)F Z(1-α+β)F Z(1+α+β)F Z(1-α+β)F Z(1-α-β)F Z(1+α-β)F Z(1-α-β)F Z(1+α-β)F Z(1-α+β)F Z(1+α+β)F Z(1-α+β)F Z(1+α+β)F Z
3 测试结果
对于每一个测量点，记录下表中每一种工况下的应力值。
通过这些数值，得到最大值?max与最小值?min，以确定：
??????min ?ave?minmax ???max (2.20)
22极限应力由目前所获得的知识给出，不过，在已经设计的测试方案的情况下，可允许在有限数目的测量点上，极限应力最大超过20%，但是这种情况随后在疲劳测试期间要特别小心地予以控制。
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如果由于横向力的影响，二系横向悬挂装置部位部件上的测试结果超过弹性极限的20%，要专门对这些部件进行重复试验，试验时横向载荷减小到原来的1/2。
2.3.3 模拟特殊运行载荷的静强度试验
1 载荷的定义
该实验模拟的作用力主要取决于转向架设计的具体特征，并与牵引、制动有关。因此，本标准不可能详细地定义所有试验。
此外，它可以指导当前在欧洲主要的铁路上使用的各种类型的标准转向架的测试过程。
(1) 电动牵引/制动装置
模拟作用在构架上驱动力的载荷施加在轴箱纵向力作用处；模拟电动机反扭矩的载荷施加在电动机吊座处。 (2) 空气制动装置
模拟制动装置施加在构架上的力，力的作用点为运用中产生这些力的位置（如闸瓦作用在车轮上产生的反力，闸片作用在制动盘上产生的反力）；正常使用中的最大值作为试验时采用的载荷值。 (3) 减振器
在每个减震器座（抗摇头、垂向、横向和纵向）上施加1.5F的力。F为减振器在
A
A
载荷速度时的减震力。 (4) 纵向力
该纵向力由摇头运动以及通过小半径曲线时作用在轮对上的力引起。对于除径向转向架以外的传统转向架的每条轮对，该纵向力为：
m?g) (2.21) Fx?0.1(FZ?22 测试过程
在所有工况下，首先在转向架的每侧施加垂向载荷，并记录下4个轮子(QXF,Q,Q,Q)的反作用力。
11
12
21
22
施加前面所提到的力，先是一个方向，然后反方向。在整个过程中，要保证(Q+Q+Q+Q)是一个常数。
11
12
21
22
通过这种方式，获得了每一个应力测量点的三个值，找出最大值和最小值，可以算出?ave，??。
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3 结果
对于这些测试，必须考虑两种情况：
— 对于模拟运营中主要负载的那些测试点，仅显示出存在很低的应力，它将充分证实由于特殊负载所引起的应力低于该极限值。
— 对于定义的测试点，显示出存在显著应力，所获得的应力应是被迭加到一起了，它不应超过极限值。
2.3.4 疲劳试验
1 测试条件
疲劳测试要在下列情况进行：
— 安装有驱动系统（牵引电动机和齿轮传动系统）时，可以施加试验载荷在构架上进行试验。
— 在驱动系统拆除后不影响构架刚度，试验构架可拆除驱动系统进行试验。 2 载荷的定义
(1)垂向载荷（每一边）： 静态部分：
FZS1?FZS2?FZ (2.22)
准静态部分（模拟曲线上的侧滚）
FZq1??FZq2???FZ (2.23)
动态部分（模拟车体的浮沉）
FZd1??FZd2???FZ (2.24)
(2)横向载荷（每个转向架）: 准静态部分：
Fyq??0.25(FZ?mg) (2.25)
动态部分：
Fyd??0.25(FZ?mg) (2.26)
??(3)扭曲载荷：
对应于转向架运行于5‰的扭曲线路时的构架扭曲载荷。 3 测试过程
疲劳试验在试验台上进行。试验工装应能将载荷施加并分配到在实际运营中产生这
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些力的确切位置，并同时能模拟悬挂和转向架和车体连接件的作用方式与自由度。
疲劳试验载荷由交替反映在左曲线和右曲线的交变准静态载荷和动载荷的重复作用构成。
如果静强度试验表明线路扭曲只在转向架有限的区域上引起应力，而这些区域由垂向力和横向力所造成的应力比较小，那么在疲劳试验中只包含垂向力和横向力。
在每一段对应于左曲线或右曲线的准静态载荷范围内，垂向和横向动载荷的循环次数一般为20次；如果转向架运行在曲线比较多的线路，动载荷的循环次数要减少到10次；如果曲线数量特别多，动载荷的循环次数还要进一步的减少。
垂向力和横向力动态分量的频率和相位要相同，见图2.3。 试验载荷应包含同样数量的模拟左曲线段和模拟右曲线段。
根据施加载荷的不同，疲劳试验分三个阶段： 第一阶段动载荷的循环次数为6 x 10； 第二阶段动载荷的循环次数为2 x 10，试验载荷的静力部分不变，准静态部分和动载荷部分为第一阶段的1.2倍； 第三阶段动载荷的循环次数为2 x 10，并且要像第二个阶段一样来进行，但是，但是因子1.2要换成1.4。
6
6
6
图2.3 疲劳测试阶段的定义
4 试验结果
在前两个载荷阶段的完成之后不应出现任何形式的裂纹。这一结论应由在完成4 x 10次动载荷循环，以及在第一和第二载荷阶段终了时所进行的无损探伤检验（磁粉探伤或渗透探伤）来确定。
16
6
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在第三载荷阶段，允许出现在转向架运行中不需要马上修复的微小裂纹。 如果出现这种裂纹，建议制造厂商对转向架设计进行局部改进，以便增强转向架的强度，但无需进行进一步的试验。
在静强度试验中产生最大应力的测点，尤其是超过定义的应力极限的测点，应在疲劳试验的整个过程中用应变仪检测其应力变化。
已在静强度试验中确定由于横向力过大而过载的位于二系悬挂之上的零部件，可以出现任何形式的裂纹。
建议在转向架构架疲劳试验之前，对转向架连接装置（如柔性接头）进行疲劳试验确定其使用寿命，使转向架构架试验能够顺利完成。
2.4 JIS E 4207-2002的研究
该标准对铁路车辆(用于特殊铁路的除外)用转向架构架设计的通用条件进行了规定。另外，关于在车体与转向架构架之间使用枕梁的转向架，其枕梁的设计也可适用本标准。设计上的通用条件分为载荷条件、强度设计条件、结构设计条件及刚性设计条件，详细说明如下:
2.4.1 设计适用范围和通用条件的分类
本标准规定了铁道车辆用转向架构架设计的通用技术条件，该标准引用如下标准: JIS G 3101 普通结构用压延钢材；JIS G 3106 焊接结构用压延钢材； JIS G 3114 焊接结构用耐候性热轧钢材；JIS G 3125 高耐候性压延钢材； JIS G 3444 普通结构用碳素钢钢管；JIS G 3445 机械结构用碳素钢钢管； JIS G 3452 管路用碳素钢钢管；JIS G 3454 压力管路用碳素钢钢管； JIS G 5101 碳素钢铸钢；JIS G 5102 焊接结构用铸钢。
设计的通用条件分为载荷条件、强度设计条件、结构设计条件和刚度设计条件。 (1) 载荷条件的分类 载荷条件分为静载荷和动载荷；
(2) 强度设计条件的分类 强度设计条件分为应力计算和许用应力；
(3) 结构设计条件的分类 结构技术条件分为形状、尺寸和材料, 结构设计上的考虑事项及焊接接头设计上的考虑事项；
(4) 刚度设计条件的分类 刚度设计条件分为弯曲刚度和扭转刚度。
2.4.2 设计的通用条件
1 载荷条件
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(1)静载荷
静载荷是在车辆停车状态下作用在转向架上的载荷, 由公式(1) 得出。
W= W1 + W2+ W3 (2.27)
表2.3 载重质量
分类 客车 机车 货车 一般货车 罐车
具体内容 乘客、乘务员、水、燃料、砂、蓄电池、食品(餐车)、行李(行李车) 乘务员、水、燃料、砂、蓄电池、行李 货物 装载物 (2)动载荷
动载荷是在车辆运行的状态下作用在转向架构架上的载荷,作为静载荷的附加部分列于表2.4。
表2.4 动载荷
分类 起因 静载荷垂直振动引起的载荷 侧梁上安装的零部件 横梁上安装的零部件 端梁上安装的零部件 载荷 (0.2-0.5)*W (1-2)*Lp (3-5)*Lp (5-10)*Lp (0.2-0.4)*La p*f (0.2-0.3)*W (2-4)*Lp (0.2-0.4)*W (1-3)*Lp 实例 — 制动零部件 主电动机、驱动装置 制动零部 件、排障器 — — — 主电动机、 驱动装置 垂向 装的零部件振动引起的载荷 驱动引起的载荷 制动引起的载荷 横向振动引起的载荷离心力引起的载荷 安装的零部件的振动 引起的载荷 横向 纵向 纵向振动引起的载 荷，牵力引起的载荷 安装的零部件的振动 — 主电动机 注:(4)作用在转向架构架的静载荷;(5)安装部件的质量产生的载 荷;(6)轴重;(7)闸瓦压力;(8)闸瓦和车轮踏面之间的摩擦系数。
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2 强度设计条件 (1) 应力计算
应力计算是计算每种载荷作用在转向架构架上的静载荷和动载荷所产生的应力,分为平均应力和动应力,并且合成。
平均应力是静载荷产生的应力。但脉动载荷所产生的平均应力,应是将其载荷所产生应力的加到静载荷所产生的应力上。动应力是动载荷产生的应力的合成,由公式(2.28)得出。
222??3?..?.?n ?a??12??2 (2.28)
22式(2.28)中:a—动应力,N/mm2；?12，?2...?n每种动载荷的计算应力,N/mm2。
但是,脉动载荷所产生的应力,为用其1的应力合成,由公式(2.29)得到。
2 ?a??1??2??3?...?(222?i22)2?...??n (2.29)
式中：?a—动应力,N/mm2；?1、?2、?n—每种动载荷的算应力,N/mm2；?i—脉动载荷所产生的应力,N/mm2。 (2)许用应力
图2.4 应力限界图
主要材料的抗拉强度?B、屈服强度?S以及疲劳许用应力?W1-?W3见表2.5。
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表2.5 主要材料的抗拉强度、屈服强度和疲劳许用应力N/mm 材料种类 分类 材料的抗拉强度?B 材料的屈服强度?S 材料的屈服许用应力?a 母材?W1 疲劳 许用 应力 未修磨?W2 焊缝 修磨后?W3 110{11} JIS G 3101 SS400 JIS G 3106 SM 400 JIS G 3114 SM A 490 490{50} 355{36} 305{31} 155{16} 70{7} 2400{41} 235{24} 205{21} 135{14}
3 刚度设计条件 (1) 弯曲刚度
垂向弯曲刚度以垂向载荷作用下的作用点的挠度表示,由公式(2.30)给出。
KV??VWV (2.30)
式(2.30)中: KV—垂向弯曲刚度,mm/N；WV—图2.7的垂向载荷, N；?V—图2.5的垂向挠度,mm。
图2.5 垂向弯曲刚度
横向弯曲刚度以横向载荷作用下的作用点的挠度表示,由公式(2.31)给出。
KL??LWL (2.31)
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式(2.31)中: KL—横向弯曲刚度,mm/N；WL—图3的横向载荷, N；?L—图2.6的横向挠度,mm。
图2.6 横向弯曲刚度
(2) 扭转刚度
扭转刚度以扭转载荷作用下的作用点的挠度表示,由公式(2.32)给出。
KT??TWT?l (2.32)
式(2.32)中: KT—扭转刚度,mm/N；WT—图4的扭转载荷, N；l—图2.7的载荷作用点的间距,mm；?T—图2-7的刚度,mm。
图2.7 扭转刚度
2.4.3 内容的辅助说明
(1) 适用范围
本标准规定的对象是用于铁道车辆的转向架构架,不适用于使用橡胶轮胎的无轨电
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车、独轨车辆和中运量轨道系统车辆等使用的转向架构架。
(2)设计的通用条件的分类
对于转向架构架的设计,是根据通用条件的分类,以设计程序明确化、标准化为目标而规定的。除了这里规定的条件以外,还有乘坐舒适度条件和运行条件等,但由于这些条件是针对整个转向架的要求,故除外。
(3) 载荷条件
适用于转向架构架的载荷条件用于强度计算。但由于强度评价是以疲强度为主,所以规定了为进行疲劳强度试验设计的分析方法。因此,载荷种类分为“静载荷”和“动载荷”,并各自规定了考虑方法。
(4)动载荷
动载荷的值因线路条件、速度条件、发生机理和发生频率的不同而异,所以,本标准只列出了通常考虑的范围。
另外,用于转向架的静载荷试验的载荷值,在JIS E 4208（铁道车辆用转向架的载荷试验方法）中作了规定。
(5) 应力合成方法有2种:
(a)平均应力以及动应力均取代数和的方法；
(b)平均应力取代数和、动应力为平方和的平方根的方法。
但考虑到以疲劳强度为基准时,最好采用(b)方法,从过去的现车试验数据来看,总是与实际接近,所以规定了这种方法。
将利用振动加速度等引起的动载荷进行的静载荷试验得到的动应力,按正文公式(2.28)和公式(2.29)合成为?a,?a与从现车试验得到的测定应力?b的比根据动载荷系数的选择方法,可以将这个比值定在大于1。
(6) 脉动载荷
用转向架构架负载的动载荷,有时其交变载荷和脉动载荷同时叠加在静载荷上。 这时,各自分别应用交变疲劳极限和脉动疲劳极限进行强度评价比较困难,所以,将脉动载荷引起的应力的加到平均应力上,剩下的作为动应力处理,并采用了合成的方法
(7)表(2.5)主要材料的抗拉强度、屈服强度以及疲劳极限
转向架构架上采用的典型材料的抗拉强度、屈服强度以及疲劳极限示于表(2.5)。 根据试件、结构部分试件和实物等的大量疲劳试验结果,抗拉强度为400MPa的材料的疲劳极限,采用了试件疲劳极限值的80%,为135MPa，这与现车上的损伤例子的分析结果非常相符。经修磨的焊缝的疲劳极限,由于不会因焊接不均匀的形状而引起可靠性降低,
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?a?b为0.6-1.2,
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所以相对未修磨的采用较大的值。
关于铸钢件的疲劳极限,提出了下列方案,经过长时间的审议,但目前还没有整理出充分的数据,待积累了数据后再作规定。
(a)根据抗拉强度、屈服强度和试件的疲劳试验数据,规定铸钢件与SS400及SM400一样,疲劳极限为135MPa。
(b)以统计方法为基础,考虑到铸钢件的缺陷率,规定疲劳极限W的变异系数为SS400及SM400的2倍,许用应力为110MPa。
(8)尺寸
转向架构架结构上基本尺寸有轴距和侧梁横向间距。其他的尺寸可自由选择,所以,推荐了轴距和侧梁横向间距2种基本尺寸。
关于厚度,以作为普通结构材料使用的钢板的标准厚度为主体而确定。在铸钢情况下,有可以任意选择壁厚的优点,但标准的壁厚尺寸还是希望选择正文表(2.8)的数值。
(9)结构设计上考虑的事项
转向架构架由于受弹簧装置、摇枕装置、车体和附件等的影响,不能单独设计,还要根据使用车辆的特性来进行设计。
关于转向架构架和车体、摇枕、轮轴及附件的相对运动,作为标准虽然经过了审议,但因涉及到转向架的整体设计,所以在标准正文中只规定了通用项目。
2.5 转向架构架标准的综合比较
上面2.2、2.3、2.4节分别对国内、欧洲和日本的转向架构架的标准进行了研究，在对三大标准进行比较时，我们可以看出：在进行加载时，国内标准与UIC标难将载荷工况分为超常载荷和模拟运营载荷两种工况。超常载荷是指运营中可能发生的最大载荷，包括：机车上部质量的1.3倍、构架及悬吊载荷的X倍、横向载荷、斜对称载荷和纵向载荷等。模拟运营载荷是指实际运营中经常发生的载荷，包括：垂向载荷、构架上悬吊载荷，横向载荷和斜对称载荷等。
在JIS标准中，将载荷分为静载荷和动载荷。静载荷指车辆在停止状态下转向架所承受的载荷，动载荷指车辆在运行状态下转向架所承受的载荷。动载荷又分为静载荷与附加系数的积所表示的载荷以及根据安装的特性所决定的载荷，具体细分为上下方向载荷、左右方向载荷、前后方向载荷、扭转载荷等。
在载荷大小的计算上，三种标准也有着各自的特点。不论是垂向载荷、横向载荷、纵向载荷还是扭转载荷，UIC标准规定的载荷与JIS标准规定的载荷值均较为相似，国内
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标准除了规定了垂向载荷、横向载荷和纵向载荷外还规定了斜对称载荷的计算方法。而在进行疲劳校核时，UIC标准给出了十三种工况，并且在两种工况叠加时选择可能产生最大应力幅值的两种工况进行考虑，从而通过叠加求出应力均值和应力幅值；而在JIS标准中却是将所有可能引起疲劳破坏的载荷条件通过公式进行叠加，从而求出应力均值和应力幅值。
通过使用国内标准、UIC标准和JIS标准对构架进行静强度和疲劳强度的分析比较，我们可以从下面几个方面中得到结论，如下所述:
l)适用范围:国内标准和UIC标准适用于200km/h及以上速度级的一般用途的准轨道高速车辆和其主要零部件，是强度分析和试验规范；JIS标准是对铁路车辆用转向架构架(车体与转向架构架之间的摇枕也适用)设计的通用条件进行了规定，是设计标准。
2)载荷条件分类:国内标准、UIC标准将载荷分为超常载荷和模拟运用载荷；JIS标准将载荷分为静载荷与动载荷两类，并在给定动载荷时，对上下、左右、前后及扭转载荷的叙述与界定较为详细。
3)静强度评价方法:国内标准和UIC标准对构架施加超常载荷，通过计算得到危险部位的应力值，分别对母材区和焊接区进行静强度评价；JIS标准是通过计算疲劳评价时的应力均值和应力幅值，然后相加，得出来的应力值作为静强度评价的应力值，从而进行评价。
4)疲劳强度评价时的应力计算：国内标准和UIC标准在进行疲劳强度评价时的平均应力为一组模拟运营载荷作用下，特定点的应力最大值?max、与应力最小值?min代数和的平均值，应力幅值为?max和?min差的平均值；JIS标准在进行疲劳强度评价的平均应力为静载荷作用下所得出的应力的代数和（存在脉动载荷时，平均应力为该载荷应力的1/2与静载荷应力之和），应力幅值为动载荷应力的合成值，即各动载荷的计算应力的平方和的几何平均数。
5)焊接区域的疲劳强度评价：UIC标准未将焊接区域进一步细分，而是作为一个整体进行评价；JIS标准将焊接区域分为打磨区与非打磨区，并且对其分别给出评价标准，因此在焊接区域的评价方法上，JIS标准规定的更加详细、更加符合实际情况。而国内标准对此并未做出详细规定，应借鉴JIS标准进行制定。
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3. 高速动车组转向架轮对的标准
3.1 转向架轮对概述
轮对是机车机械走行部中最重要的部件之一。轮对的作用主要是：机车的全部静载荷通过轮对传递给钢轨；牵引电动机的转矩也通过轮对作用于钢轨产生牵引力。通过轮对滚动使机车前进。当机车沿着轨道运行时，轮对还刚性地承受来自钢轨接头、道岔以及路线不平处的全部垂直和水平面的作用力，同时轮对本身将这些作用力刚性的作用到线路上。另外，轮对在机车行进中受载情况复杂，当车轮行经钢轨接头、道岔等线路不平处时，轮对直接承受全部垂向和侧向的冲击。因此，保持轮对的正确形状和良好的技术状态是机车安全运行的必要条件，所以对轮轴的制造和维护应特别重视。
轮毂热套在轮心上和车轴压装在轮心内都在车轮内部引起组装应力。
轮对由于承受很大的静载荷和动作用力、组装应力、闸瓦制动力以及曲线通过时的构架力、向导力、轮对本身旋转的离心力以及闸瓦制动时产生的热应力等，因此要求轮对必须有足够的强度。另外，由于轮对是簧下质量（又称死质量），为了减轻它对线路的动作用力，还要求尽可能减轻其质量。为了保证安全，适当选择轮对部件的材料，保持轮对的正确组装和良好的状态是很有必要的。
轮对由车轴、车轮、大齿轮（齿轮数视机车的型号而定）组成。轮对装配主要有车轴、轮心、轮毂、扣环等组成。
图3.1 转向架轮对
车轴也是机车转向架中最重要的部件之一，是轮对转动的中枢，它的质量好坏，直接关系到运行的安全，所以在制造、维修中必须要严格要求。机车车轴上承受的载荷一般是比较复杂的。它不仅承受由于机车自重而产生的弯矩，同时还承受很大的扭矩（主要是由牵引电动机经过齿轮传动时侧压力引起的弯、扭矩），轴承、轮心、齿轮压装在
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车轴上引起的组装应力；牵引电动机的静、动载荷；当机车通过曲线时，外轮的导向力将给车轴一个相当大的附加弯矩；一个轮对的一侧车轮相对于另一端车轮滑动时也产生附加弯矩。因此在设计车轴时，必须尽可能减小车轴的应力集中，采取有效的工艺措施提高疲劳强度。
3.2 国内暂行规定轮对标准部分的研究
本规定规定了200km/h及以上速度级铁道车辆的强度设计、评估及试验鉴定的要求。适用于坚定我国新研制的最高时速在200km/h及以上速度级的一般用途的准轨道高速铁道车辆及主要零部件的结构强度。
3.2.1 设计载荷
1 车轴
a） 垂向载荷取：Fz=2×0.5×轴重，分别作用于两轴颈中央截面处。 b） 横向载荷取：Fy=0.5×轴重，作用在轮在内园角处。
c） 扭转载荷取：Mn = 0.2×轴重×轮径，分别作用于轮在与制动盘在上。
2 车轮
a) 垂向载荷取： Fz=2×0.5×轴重，应考虑两个不同垂向载荷作用线位置： 1)作用在轮在内圆角处；2) 作用在距轮辋外在面25mm处踏面上。 b) 横向载荷取： Fy=0.5×轴重，作用在轮在内圆角处。 c) 设计计算时，应进行下列工况分析：
1)垂向载荷Fz和横向载荷Fy同时作用在轮在内圆角处； 2) 垂向载荷Fz作用在距轮辋外在面25mm处踏面上。
3.2.2 强度与刚度评定
1 强度评定 (1) 车轴强度评定
在载荷组合作用下，轮在、轴颈和轴身各点的合成应力应小于规定的运营状态许用应力。
(2)车轮强度评定
在载荷工况下，车轮设计应力应小于规定的运营状态许用应力。 2 刚度评定 (1)车轴刚度评定
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轮对在两轴颈垂向静载荷(Fz=0.5×轴重)作用下，由于车轴弯曲使轮对内在距离变化不得大于1mm。 (2)车轮刚度评定
车轮刚度不作具体数值规定，应结合轴重、车速、车辆走行性能和噪音等因素综合考虑。
3.2.3 试验方法
1 静强度试验
静强度试验的目的是检验车轴、车轮在设计载荷作用下的强度、刚度以及是否会产生疲劳裂纹。
试验在试验台上进行。试件在试验台上的安装应能模拟设计规定的载荷工况。 (1) 车轴静强度试验
在轴肩、轮在内在圆弧和轴身处布置应力测点。 (2) 车轮静强度试验
试验在组成轮对后进行。在辐板内外布置应力测点。
允许垂向载荷与横向载荷分别加载，然后进行应力合成。允许垂向载荷加在滚动圆处，横向载荷加在轮辋处。 2 疲劳试验
(1)车轴疲劳试验
在悬臂式车轴旋转弯曲疲劳试验机或1:1轮轴疲劳试验台上进行。
施加垂向载荷使轮在内在处应力达到设计应力。加载频率3～10Hz，循环次数6?106。完成试验后，经探伤检查，车轴不得产生疲劳裂纹。 (2) 车轮疲劳试验
车轮水平装在试验台上。
在轮毂中央施加0.1～0.5轴重的交变载荷。加载频率3～10Hz，循环次数6×106。完成试验后，经探伤检查，车轮不得产生疲劳裂纹。
3.3 UIC 510-5-2003的研究 3.3.1 载荷条件
根据UIC 510-5-2003（整体车轮技术）标准进行车轮设计，对于安装到动轴上的车轮，考虑车轮通过直线、曲线和道岔时的载荷，见表3.1，除了上述UIC 510-5-2003规定的垂向和横向载荷外，还应考虑表3.1所示的载荷。
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表3.1 车轮载荷条件
切向载荷（黏着系数=0.33） 最大速度情况下（200km/h）转速 车轴与车轮压装的最大过盈量 27.5kN 1310r/min 0.30mm
计算施加在车轮上的载荷时，按直线、曲线和道岔3种工况（分别命名为工况1、2和3），使用UIC 510.5规定中的公式计算各工况的载荷值。
工况1：直线
Fz1=-1.25Qg (3.1) Fy1=0 (3.2)
工况2：曲线
Fz2=-1.25Qg (3.3) Fy2=0.7Qg (3.4)
工况3：道岔
Fz3=-1.25Qg (3.5) Fy3=-0.42Qg (3.6)
式中：Q为每个车轮作用在钢轨上的平均质量；g为重力加速度；Fz为垂向力；Fy为横向力。
3.3.2 应力参量
确定出下述应力参量：①分别计算出上述3种载荷工况下各节点的主应力（最大主应力与径向应力相同）；②分别计算出上述3种载荷工况下各节点的最大应力；③分别计算出上述3种载荷工况下各节点的最小应力；④确定各节点的如下应力：
?m?(?ma?x?mi)n/2 (3.7) ?a?(?ma?x?mi)n/2 (3.8) ????ma?x?mi n (3.9)
3.3.3 评价准则
车轮辐板上所有节点的动应力范围应低于许用应力，即：①用加工中心加工的车轮<360MPa；②未用加工中心加工的车轮<290MPa；③最大Von Mises应力低于车轮材料弹
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性极限(355MPa)。
3.4 EN 13103-2001和EN 13104-2001的研究
本设计标准规定的计算方法思路简述如下：
(1)计算车轴在运行中承受的载重和自重，以及车体、右倾斜引起的偏载等这些主要的基本载荷。
(2)计算由基本载荷在各重要截面内产生的力矩。
另外在机械制动、电机制动和列车起动时，还会引起附加载荷，这些载荷在计算车轴强度时亦应考虑，但这三种载荷不会同时存在，应分别与基本载荷一起考虑，即与基本载荷叠加，形成各种组合载荷工况。
(3)计算由基本载荷和制动载荷引起的各内力矩分的和力矩MR。用第三强度理论求解出在各重要截面上的相当应力。
(4)由于实际车轴结构由各不同直径截面组成，在各截面不同直径改变处有不同的过渡圆弧半径，以减少应力集中现象，虽然如此，但仍然存在较大的应力集中情况，特别在压配合部位如轮轴座部边缘和过渡区域应力集中现象相当严重，该部位最易发生疲劳裂纹，引起断轴事故，为了保证车轴安全运用，故在计算式中将其应力值乘以大于1的系数K，K为疲劳应力集中系数。
(5)由此计算车轴各部位实际应力，计算公式为：
??MR?K (3.10) W3.4.1 载荷
图3.2 车轴受力简图
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车轴的设计计算载荷是由恒幅疲劳载荷来考察车轴的服役寿命，它是服役期车变幅
载荷的等效强化载荷。车轴载荷与车辆运动、制动和牵引等有关，车轴驱动扭矩产生的力通常忽略不计。计算和经验表明，牵引力产生的弯矩和扭矩比制动产生的小，且牵引力矩和制动力矩不会同时出现。 运动过程中的垂向和横向载荷
垂向动态载荷系数：?=0.250g 横向动态载荷系数：?=0.175g
根据标准ENl3104车辆运行中产生的垂向和横向载荷由下式确定：
P1=(0.625+0.0875h1/b)m1g (3.11) P2=(0.625-0.0875h2/b)m1g (3.12) Y1=0.35m1g (3.13) Y2=0.175m1g (3.14) Q1?1[P1(b?s)?P2(b?s)?(Y1?Y2)R?F1(2s?y1)] (3.15) 2S1 Q2?[P2(b?s)?P1(b?s)?(Y1?Y2)R?F1y1] (3.16)
2S式中：m1—作用在单根轴上的质量；P1—作用在大载荷轴颈上的垂直(N)；P2—作用在小载荷轴颈上的垂直力(N)；Y1—大载荷轴颈端车轮与钢轨正交产生的作用在钢轨上的水平力(N)；Y2—小载荷轴颈端车轮与钢轨正交产生的作用在钢轨上的水平力(N)；
Q2—位于小载荷轴颈端车轮上的垂Q1—位于大载荷轴颈端车轮上的垂直反作用力(N)；
直反作用力(N)；F1—位于两车轮间的簧下部分质量施加的力(N)；y1—车轮滚动圆和力F1之间的距离(mm)。
在ENl3103中还给出了非导向轴的载荷工况，ENl3104还给出了牵引工况下的载荷工况，这两个工况载荷值都小于上面的，这里不再赘述。
从上面的公式可以看出，EN的载荷工况与车辆构造速度、线路情况无关，只与轴重有关，这一点应该不太符合实际情况。当用该标准计算车轴时，轴颈应力总是很小，特别是高速车这一点尤其突出。另外ENl3103的载荷工况按导向轴与非导向轴划分，这一点也没有意义，因为实际生产运用中不可能区分导向轴和非导向轴。
3.4.2 应力计算
1)合成力矩
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在车轴各截面，最大应力通过合成力矩MR计算而得，合成力矩MR为：
MR?MX?MY?MZ (3.17)
式中：MX—车轴的垂向平面上产生的弯矩总合；MY—车轴的纵向平面上产生的弯矩总合；MZ—车轮之间的扭矩总合。 2)应力计算
对于外径是d，内径是d?车轴的任意截面，应力计算公式是：
K?32?MR ?? (3.18) 3?d对于空心车轴外表面：
??内表面：
??k?32?MR?d? (3.20) 44??(d?d?)222k?32?MR?d (3.19)
??(d4?d?4)在光滑圆柱形的实心轴表面和空心轴内、外表面上，应力集中系数k等于1。然而，截面处的每一个变化都会产生一个应力增量，这个应力增量值产生在两个邻近不同直径截面的过渡区域底部或卸载槽底部。
3.4.3 许用应力
许用应力由车轴的疲劳极限除以安全系数S确定。车轴各部位的疲劳极限是不同的。按疲劳破坏机理划分，车轴有两种不同区域，微动磨损疲劳区和一般疲劳区。因此需要首先确定不同材料这两个区域的疲劳极限。
从四方所《铁道车辆用LZ50车轴钢疲劳试验》报告得知：LZ50钢种的实心轴轮座部位疲劳极限可保守地取为120MPa，轴身部位疲劳极限均值为223 MPa，最小可取为218MPa。另外在钢铁研究总院《LZ50车轴钢光滑试样和缺口试样疲劳极限测试》报告中，给出了光滑试样50％可靠度下疲劳极限为250MPa。在EN l3261中规定：EAIN材料光滑试样50％可靠度下疲劳极限不低于250MPa。从光滑试样和实物轴的试验结果可以看出，LZ50车轴钢在没有缺口的情况下的疲劳性能能够满足EN l3261的要求。虽然LZ50实物轴轴身疲劳强度较标准要求略高，但这只是这一批车轴的结果。为了保险起见LZ50车轴各部位的疲劳极限按ENl3103、ENl3104的EAIN车轴选取。
3.5 JIS E 4505-1995的研究
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日本JIS E 4501-1995标准的思路简述如下：
(1)计算轴颈处车体、轴箱等垂向载荷对轮座部位所产生的弯矩M。
(2)计算因线路不平顺等原因引起车辆振动而产生的垂向动载荷对轮部位所产生的弯矩M1。
(3)计算横向力对轮座内侧部位所产生的弯矩M。
(4)计算轮座内侧部位的应力，计算公式为。
f(M1?M2?M3) (3.21) ?b?Z其中f为额外系数，大小为1.0～1.3；Z为车轴轮座部位的抗弯截面模量。 (5)计算轮座部位的安全系数，其值为许用应力与轮座内侧部位应力之商。
3.5.1 许用应力
车轴上的轮座、电机座和制动盘座等是疲劳裂纹产生的危险部位，日本的车轴许用应力标准见表(3.2)，其安全系数大于1.0；表(3.3)给出了欧洲的标准，其材料为经退
表3.2 日本标准的许用应力
等级 1 2 3 4 材料 SFA55*退火 SFA60退火 SFA65淬火和回火 SFAQA 感应淬火 许用应力/Mpa 98.1 103 108 147 *SFA55:锻钢,抗张强度>539 Mpa
表3.3 欧洲标准的许用应力
铁路 TGV(法国) TGV(法国) ICE德国) ICE德国) 许用应力/Mpa 80(拖车，配合处) 100(动车，配合处) 100(配合处) 166(平而处) 安全系数 1.2 1.5 1.0 1.0
火处理的0.37%碳钢，对应于日本标准中的二级，见表(3.2)，因此两个标准的许用应力近似一致。
3.5.2 高速车轴的疲劳设计方法
日本的车轴疲劳设计方法结合了车体振动引起的垂向加速度来计算弯曲应力,如图
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3.3所示。图3.3所对应各代码注释为:
(1)车轴装配作用力
W-车辆静轴重;P-横向力,P=W?L ；?L-横向加速度系数；Q0-P引起的轴颈上的垂向力, Q0=Ph/j；R0=P(h+r)/g,R0-P引起的踏面上垂向力。
(2)车轴装配的尺寸
d-车轴直径；r-车轮半径；j-轴颈间距；g-车轮踏面间距；a-轴颈中心到轮座端部的距离；h-车轴中心线与重心位置的距离；x-车轮轮心外侧到接触载荷的距离；y-车轮轮心内侧到接触载荷的距离；l-车毂长度,l=x+y。
(3)轮座位置车轴的弯曲应力
M1= (j-g) W/4 (3.22) M2=?VM1 (3.23) M3=rP+Q0(a+1)-yR0 (3.24)
?b?m(M1?M2?M3) (3.25)
Z
图3.3 日本车轴设计方法
式中：?V—垂向加速度系数；m—安全系数；Z—车轮踏面的截面模数；M1—轮座处p引起的弯曲力矩M2-轮座处垂向加速力引起的弯曲力矩；M3—轮座处水平力引起的弯曲力矩；?b—车轮踏面弯矩作用在车轴上的弯曲应力。
车轴直径的选取要保证其最大应力低于许用应力在日本,铁路系统分为高速铁路系统和常规低速铁路系统两种每个系统的加速度力与速度的关系依赖于车辆和转向架的性能和维护,如表(3.4)所示。
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表3.4 加速度与车辆速度的关系
铁路系统 1 1 2 2 等级 SA A A B 速度v(km/h) 200-350 150-280 60-160 60-130 ?v 0.0027v 0.0027v 0.002 7v 0.005 2v ?L 0.030?0.00060V 0.030?0.00085V 0.040?0.0012V 0.060?0.0018V 日本车轴疲劳设计是以1970年颁布的标准为基础。根据旧标准最大速度为210 km/h的车辆的动态加速度相对于垂向加速度稳态载荷的增载率,随速度线性增加。
该标准于1995年制订了新的SA级，允许设计运行速度为350 km/h。这个SA级是专门为高速车辆和转向架提出的，根据新标准性能运行的测试速度已超过250 km/h，这是由于高速铁路系统中应用了高运行性能的转向架，采用了高标准的维护。实际的弯曲应力很小，其结果是SA级上横向加速度对速度的依赖性比常规低速铁路系统中低。现在新干线的最高运行速度为300 km/h，是世界上最快的运营速度，其中Tokyo至Hakata全长1070 km只需要4149 min。
实际弯曲应力?ac与稳态应力值?st的比值的最大值可以从以下与速度相关的公式得到:
?ac?1.126?0.0052v (3.26) ?st这个比值在300 km/h新干线上?st的典型值为24Mpa，而?ac为65 Mpa。在运行过程中发生这么高应力的概率为百万分之一，并且?ac是?st的1.1倍。新干线的车轴通过高频硬化来保证疲劳强度，高频硬化后车轴具有抗约100Mpa微裂纹源的能力。因此新干线的车轴在实际应力下具有很大的疲劳安全裕量。
3.6 上述轮轴标准的比较
日本的车轴强度计算方法列出了车轴轮座部位通用的强度计算公式，为了适应高速运行的要求，根据不同线路及不同速度采用与速度有关的动载荷系数进行修正，使该基本公式更加合理，一直沿用至今。而且它还具体规定了350km/h以下不同速度级、不同轴重、不同线路情况下的载荷工况，规定了4种不同材质、不同制造工艺的车轴轮座部位的许用应力。但它的缺点是只对轮座部位进行强度计算。
欧洲的车轴强度计算方法考虑的很全面，根据经验明确了动载系数在高速时的取值，除了以上几种载荷外，还考虑了簧下质量、制动、启动时所引起载荷的影响；对不同的制动方式，都有各自的计算方法；考虑到车轴形状尺寸的影响，还详细定义了应力
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集中系数，使结果更加可信；另外对于强度评定的时候，ENl3104-2001、JIS E 4505对各部分的许用应力取值区分都细致，更准确的反应了实际工况条件，这些都是我国高速转向架轮轴强度设计规范制定时值得借鉴的。
我国铁路几乎没有进行过轮轴载荷谱测试，也没有对现有的实物轮轴的疲劳极限进行过测试。到目前已制定过3个轮轴设计规范，TB/T2705-1996《车辆车轴设计与强度计算方法》规定了铁路客、货车车辆车轴的设计与强度计算方法，该规范适用于客车最大速度不超过160km/h、货车最大速度不超过120km/h的铁道车辆用非动力车实心车轴；TB/T2395-1993《机车车轴设计与强度计算方法》规定了铁路机车车轴的设计与强度计算方法，该规范适用于最大速度不超过140km/h的电力、内燃机车车轴，其他具有动力的车轴也可参照使用；《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》也有轮轴部分的规定，但由于前两个均是低速规范，前者为160km/h以下车辆车轴设计规范，是参照日本早期车轴设计规范制定的，后者是140km/h以下机车车轴设计规范，在缺少基础数据的情况下制定的《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》轮轴部分不甚合理。
而且TB/T2705-1996只考虑了几种简单的载荷：垂向静载、垂向动载、垂向附加载荷和横向载荷，考虑载荷不全面，而且动荷系数的取值较根据试验得到的结果来规定其取值的日本规范粗糙。
由于高速动车组轮对的载荷工况更复杂，国内原来尚无160km/h以上的车辆，随着近十几年来国内高速车辆的发展,涌现了大批160-250 km/h以上的高速车辆，旧标准己无法对新型的车辆进行有效的判断。随着疲劳强度问题的趋于严重，在我国尚未制定出高速轮对疲劳强度计算标准的情况下，建议按照规定更为严格的欧洲规范进行轮轴强度设计。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轮对强度的计算标准。
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4. 转向架弹簧装置的标准
4.1 弹簧装置概述
机车车辆的车轮与钢轨面之间是刚性接触，当机车在线路上运行时，由于线路不平顺钢轨的接缝和道岔以及车轮踏面磨耗不均匀，踏面擦伤等各种因素的影响，轮对都会受到来自线路的冲击和振动。车轮表面的不规则和轨道的不平顺都将直接经车轮传递到悬挂部件上去，从而引起机车车辆部分零件产生松动和损坏，并使乘务员的工作环境恶化，同时这些冲击对线路也有很大的破坏作用，降低机械部件的结构强度和使用寿命以及恶化运行品质，这对运输的安全性，舒适性和经济性都是不利的。为了保证机车车辆在线路上安全，平稳的运行，必须在其走行部即转向架中装上具有良好性能的弹簧悬挂装置，这种装置通常由两部分组成：一是弹性元件，如采用螺旋弹簧、空气弹簧或橡胶弹簧；二是减振器，它起减小车辆悬挂系统振动的作用。
为使机车在全路段行驶过程中，保证机车不发生大的振动，所以就设计了一系和二系弹簧悬挂装置。所谓的一系弹簧悬挂装置就是：弹簧装置设置在轴箱转向架与构架之间，弹簧装置以上的重量称为簧上重量或活重量，以下的重量称为簧下重量或死重量。二系弹簧悬挂装置就是:弹簧装置设置在车体与转向架之间，以减小弹簧装置合成刚度，增大其静挠度。
图4.1 二系弹簧
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4.2 国内暂行规定一、二系弹簧标准部分的研究 4.2.1 基本载荷
1 一系弹簧垂向载荷
Fzt1 = 1.5? (P0 - mw·g)/Ct1 (4.1)
Ct1—每轮对一系弹簧总数 ；P1—静轴重,kN； 式中：Fzt1—一系弹簧垂向载荷，kN ；
Mw—轮对质量（包括一系悬挂质量的一半和轴箱质量）；g—重力加速度,m/s2。
2 二系弹簧垂向载荷
Fzt2 = 1.3?( mc - 2mb )·g/Ct2 (4.2)
式中：Fzt2—二系弹簧垂向载荷，kN；Ct2—车辆二系弹簧总数；mc—车辆总质量，t ；mb—转向架质量，t 。
4.2.2 强度评定
1 静/动强度评定
计算与试验时，两种载荷工况的各点应力均不得大于σb/2,σb为弹簧材料的强度极限。 2 疲劳强度评定
疲劳强度试验按规定载荷工况进行, 其中施加横向位移分两个阶段进行：第一阶段试验施加横向位移最大值的一半,循环次数为是9×10；第二阶段试验施加横向位移最大值，循环次数为1×10。 在总循环1×10以后，不应出现任何裂纹。试验结果，将在循环一千万次后，通过无损探伤来检验（磁力探伤、渗透探伤）。
6
7
6
4.2.3 强度试验
1 刚度试验
逐步改变作用于弹簧的垂向载荷，测出相应的弹簧挠度的变化，得到ΔP—ΔL曲线(即弹簧垂向载荷变化量相对于弹簧挠度变化量的曲线)，对一、二系弹簧进行刚度测定, 以检验该产品是否与设计参数相符。 2 变形裕度实验
弹簧在垂向载荷作用下至刚好压死状态时的载荷应大于垂向载荷Fzt的10%。卸载后不得有残余变形。 3 稳定性实验
根据转向架一、二系弹簧支承结构, 在试验机上施加Fzt的力, 使横向产生最大位移,检验其稳定性。
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4 静/动强度试验
试验在弹簧强度试验机上进行。
每种载荷工况应预试一次“加载-卸载”，然后进行三次“加载-卸载”正式试验，记录各测点应力。取三次试验的算术平均值为各测点在该种载荷下的应力值。5 疲劳试验
试验在弹簧强度试验机上进行。垂向载荷和横向位移的试验频率为2～7 Hz。
4.3 转向架用弹簧标准的分析比较
空气弹簧是无摇枕转向架的重要组成部分，车辆通过曲线时，车体转向架之间有明显的相对扭转运动，空气弹簧承受扭转运动位移，包括大的径向位移和扭转角位移。扭转运动是空气弹簧疲劳破坏的主要工况，空气弹簧在装车运用前，需要根据实际运营情况，进行扭转疲劳试验验证。不同国家和地区关于扭转疲劳试验的试验方法差别较小，但试验条件和判断准则差别较大，重点对试验条件和判断准则进行讨论。
4.3.1 扭转疲劳试验方法及试验条件
扭转疲劳试验时，模拟空气弹簧在现车上的安装情况把其放置于试验台上，与上盖接触的试验台面积应不小于现车接触面积，二者摩擦系数尽量模拟现车情况；固定上盖或底板，使底板或上盖能够相对运动，上盖相对底板的横向偏移量可调，以模拟车辆通过曲线时车体与转向架之间的横向偏移；能够随时向空气弹簧充气或充水以补充内部压力。
对空气弹簧水平加载，使其绕固定轴线产生循环往复运动，以模拟车辆在曲线轨道上运行时，空气弹簧在车体与转向架之间的相对运动。
空气弹簧标准有国内的暂行规定、EN13597-2003和JIS E 4206-1989都有关于上述试验方法的描述。
EN 13597-2003标准中关于扭转疲劳试验的描述为：空气弹簧在标准高度以转动半径为L的转臂带动下，振幅为常数，载荷为空载在水平方向进行至少5×104次扭转振动；然后将载荷降到空载的90％，继续扭转振动至少5×104次；再充至载荷为空载，并使空气弹簧上端（或下端）沿径向偏离中心横向最大位移，转动半径和振幅不变，在水平方向进行至少5×104次扭转振动；然后将其载荷降到空载的90％，继续扭转振动至少5×104次。
空气弹簧往复运动的振幅按照式(1)计算：
a?(LB?Lb)/Rc (4.3)
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式中LB为车辆定距的一半；Lb 为空气弹簧中心到转向架中心销或牵引拉杆中心的距离，m；Rc为线路曲线半径。根据技术规范要求确定，如果技术规范没有明确要求，取150 m。
JIS E 4206-1989标准关于扭转疲劳试验的描述为：在0.5～1.5 Hz的任一频率下，水平常用最大位移作2×105次的水平振动。垂直和水平振动可同时进行。试验中空气弹簧的平均内压力不应小于常用最高内压力。
可以看出不同标准的试验条件有较大差异，见下表。
项目内容 安装高度 循环次数/万 垂向载荷 颇率/Hz 振幅a/mm 表4.1 不同标准扭转疲劳试验条件
TB/T 2841-2005 EN 13597-2003 标准高度 标准高度 20 至少20 500 kPa气压时，10万次循环 空载时，至少10万次循环 450 Pa气压时，1090%空载时.至少10万次循环 万次循环 0.5-1.0 没有明确规定.但一般采用0.7 Hz 不同的车辆结构振幅不同.按公式?80 (1)计算得到 1.0 不同的车辆结构，采用的扭转半径不同，为空气弹簧中心到转向架中心销或牵引拉杆中心的距离 任缩空气或水 JIS E 4206-1989 标准高度 20 空气弹簧的平均内压力 不小于常用最高内压力 0.5-1.5 ?70 扭转半径/m 0.95 压缩空气 压力介质 压缩空气
上述试验条件中，疲劳试验振幅、扭转半径和试验次数是较为关键的参数。可以看出。暂行规定和JIS E 4206标准的试验振幅采用固定幅值，振幅分别为?80 mm和?70 mm。扭转半径分别为1.0 m和0.95 m．疲劳试验次数均为20万次。而EN 13597则根据车辆结构不同而变化振幅和扭转半径，20万次是其最少的疲劳试验次数。
4.3.2 试验振幅
扭转疲劳试验振幅对空气弹簧的破坏性较大，主要模拟车辆通过曲线时车体与转向架之间纵向相对位移，其与车辆定距、空气弹簧横向跨距、线路曲线半径直接相关。
对于不同的车辆，定距和横向跨距不会完全相同，即使运行线路完全相同，通过曲线时产生的车体与转向架之间纵向相对位移也会有差异。
因此，暂行规定和JIS E 4206标准的试验振幅采用固定幅值是不合理的．这样对于
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有的空气弹簧试验条件可能过于苛刻．而对于另外的空气弹簧．试验条件则可能较为宽松。达不到充分考验疲劳性能的目的。建议按照EN 13597--2003标准。采取变振幅方式。不同的车辆选用不同的试验幅值。关于曲线半径，建议按照我国铁路干线9号道岔的R180 m。
4.3.3 扭转半径
扭转半径主要是模拟车辆通过曲线时。空气弹簧向架中心的水平距离，一般为空气弹簧横向跨距的。由表(4.2)可以看出。不同的车型。其空气弹簧横向不同。如果采用固定的扭转半径，则对于横向跨距的车型，疲劳试验扭转角度大，对于横向跨距小的车型劳试验扭转角度也小，也不能达到模拟实际运行条的目的。
建议按照EN 13597--2003标准，采用空气弹簧向架中心的水平距离作为扭转半径。
车型 CRH5 CRH3 CRH2 CRHl SW-220K CW-200 AM96 表4.2 铁路干线主型车通过小曲线半径时车体转向架之间纵向位移
车辆定距/m 弹簧横向跨距/m 最小曲线半径/m 车体与转向架之间纵向位/mm 19 2 150 63 17.375 1.9 150 55 17.5 2.46 150 72 17 1.86 150 53 18 2.3 150 69 18 2 150 60 18 2 150 60 4.3.4 扭转疲劳试验次数
扭转疲劳试验主要模拟车辆通过曲线和道岔时的工作状态．疲劳试验次数应该依据车辆实际运行时经过的曲线和道岔数量，这样才能证明空气弹簧基本能够达到期单的寿命。
既有25型车按照暂行规定中的20万次进行疲劳试验．但约50％的空气弹簧气囊运用过程中出现了裂纹，不能满足技术要求。说明暂行规定中的20万次不足以考核空气弹簧的耐疲劳性能，因此应增加疲劳试验循环次数。
我国干线铁路车辆年运行里程为40万～70万km，空气弹簧寿命要求为6～10年，使用期限内运行总里程为240万～480万km。
按照车辆每天运行里程1500km，每年运行300天，6年运用时间计算。结合我国线路谱情况，曲线占总运行里程的30％～40％，假设车辆每运行100 km停靠一个车站，每个车站进站和出站大约经过6个道岔，仅考虑半径在R800 m以内的曲线和小于188道岔，按照R800 m以内的曲线个数占所有曲线的65％，小于180的道岔占所有道岔的90％考虑，
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则车辆每天经过R800 m以内的曲线和小于180道岔的总数约为576个，6年使用期限内，空气弹簧承受的总扭转循环次数为104万次。
4.3.5 疲劳试验结束后的验证
疲劳试验结束后的产品，仍然要保持其功能特性。暂行规定、JIS E 4206-1989标准疲劳试验结束后的功能验证仅包括气密性检验。EN 13597中没有关于辅助弹簧疲劳试验结束后的功能验证。建议参照EN13597-2003标准增加空气弹簧疲劳试验后的最大外形测试、承载能力测试、刚度测试、爆破试验、气囊耐环境能力和帘布层粘合强度测试，增加辅助弹簧垂向疲劳后的刚度测试，只有上述结果均符合技术规范要求和相关标准要求时，才能证明空气弹簧扭转疲劳试验合格。
4.3.6 结论及建议
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，加以修改或重新制定。
由于国内既有空气弹簧标准已不适应轨道车辆的运行需要，很多测试项没有验证依据和试验方法，建议尽快修订既有空气弹簧标准，以满足不同轨道车辆的运营需要。在修订时把握标准的广泛适用性和先进性，采纳既有国内外标准的合理内容，结合我国线路和车辆运营情况，制定出满足我国轨道车辆对一、二系弹簧悬挂系统的需要的标准。
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结论
本文围绕高速动车组转向架国内外标准展开讨论和研究，通过分析比较国内外动车组转向架结构特点及主要标准，对动车组转向架构架的超常载荷静强度试验、模拟主要运营载荷静强度试验、模拟特殊运营载荷静强度试验、疲劳强度试验、动应力测试和疲劳强度评估等方面内容进行了研究；对转向架轮对的设计载荷、载荷条件、强度和刚度评定方法、疲劳试验等方面内容进行了研究；同时也对转向架一二系弹簧的基本载荷、强度评定和强度试验等方面内容进行了研究，现总结如下：
1)通过对转向架构架的国内标准(TB/T 2368-2005)、JIS标准(JIS E 4207-2002)和UIC标准(UIC 615-4-2003)的详细分析和研究，找出了它们之间的差异性即在适用范围上：国内标准和UIC标准适用于200km/h及以上速度级的一般用途的准轨道高速车辆和其主要零部件，是强度分析和试验规范；JIS标准是对铁路车辆用转向架构架(车体与转向架构架之间的摇枕也适用)设计的通用条件进行了规定，是设计标准；在载荷条件分类的问题上：国内标准、UIC标准将载荷分为超常载荷和模拟运营载荷；JIS标准将载荷分为静载荷与动载荷两类，并在给定动载荷时，对上下、左右、前后及扭转载荷的叙述与界定较为详细。
2)针对转向架轮对的国内外标准包括暂行规定的轮对标准部分、UIC 510-5-2003、EN 13103-2001、EN 13104-2001和JIS E 4505-1995做了研究与分析。随着疲劳强度问题的趋于严重，在我国尚未制定出高速轮对疲劳强度计算标准的情况下，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轮对强度的计算标准。
3)研究了弹簧悬挂装置的国内标准即暂行规定，并将其与其它国外标准进行分析和比较。在现有条件下，国内已有机车车辆转向架弹簧标准已不适应高速动车组的运行需要，所以我们要在结合我国高速轨道车辆运行情况和运行条件的基础上，对现有标准加以修改，制定出更符合我国高速动车以及其他车型运营需要的弹簧标准。
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致谢
本文是在薛海老师的悉心指导下完成的，从论文选题到研究内容的开展，每项工作
都得到了导师大力支持。在跟随薛老师做毕业设计的时间里，学习生活的方方面面都得到了无微不至的照顾。导师深厚的轨道车辆知识背景及宽阔的工程视野和实事求是的工作作风让我倍感钦佩，本文作为我学习生涯的总结，是导师辛勤培养的结晶。在此向导师表示衷心的感谢。
论文写作期间，和我同组的各位同学也给我的论文提出了许多宝贵的意见，对他们的真知灼见表示感谢。
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参考文献
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