EN13104中文版

EN13104:2001铁路行业轮对和转向架驱动车轴结构设计和计算方法1适用范围这个标准—定义的力是依据质量的影响、驱动和制动条件确定的；—确定了轴承外端支撑车轴的应力计算方法；—规定了EN1A质量等级钢的最大许用应力；—给出了其它类型钢材的最大许用应力的确定方法；—确定了不同轴截面的直径。为了保证运行性能，定义优先的结构形式和过度区域。这个标准应用于—铁道机车车辆的实心和空心驱（主）动轮对；—动力转向架的实心和空心从动轮对；—机车的实心和空心从动轮对；—按照EN13261-1998标准设计的车轴；—所有轨距。这个标准适用于在欧洲铁路线路的正常运行条件下投入使用的机车车辆的车轴，不能应用于特殊使用条件下的机车车辆的车轴（如：铁路线路的拔道机和道床捣固机）对于城市轨道车辆须应用其他车轴标准。2参考标准3符号说明表1符号单位说明m1kg作用于轴颈上的质量（包括轴承和轴箱的质量）m2kg轮对质量和两车轮间非弹性支撑的质量（如：制动盘、齿轮等）mm21+kg轴重gsm2/重力加速度PN轮荷载()2/21gmm+P0N对称分布下的垂向轴承力2/1gmP1N作用于较大轴颈处的垂向轴承力P2N作用于较小轴颈处的垂向轴承力P,N制动状态下的轮重Y1N作用于较大轴颈力侧的车轮上的横向力Y2N作用于较小轴颈力侧的车轮上的横向力HN力Y1和Y2的平衡力Q1N作用于较大轴颈力侧的车轮上的垂向力Q2N作用于较小轴颈力侧的车轮上的垂向力FiN由两车轮间非弹性支撑的质量（如：制动盘、齿轮等）产生的惯性力FfN一个闸瓦托产生的最大压力或一个摩擦片作用在制动盘上的最大压力MxNmm由运动质量产生的弯矩Mx,，Mz,Nmm由制动力产生的弯矩My,Nmm由制动力产生的扭矩Mx,,，Mz,,Nmm由驱动力产生的弯矩My,,Nmm由驱动力产生的扭矩MX，MZNmm合成弯矩MYNmm合成扭矩MRNmm计算力矩b2mm轴承中心间横向距离s2mm车轮名义滚动圆间横向距离h1mm轮对支撑质量重心与车轴中心线间的垂直距离yimm力Fi与车轮名义滚动圆的横向距离ymm车轴任意截面与力P1的横向距离Γ车轮与制动闸瓦或制动盘与摩擦片间的平均摩擦系数σmmN2/车轴截面的计算应力K应力集中系数Rmm车轮名义滚动圆半径Rbmm制动摩擦圆半径dmm车轴截面直径d,mm空心车轴的空直径Dmm确定应力集中系数K的直径rmm确定应力集中系数K的过渡圆弧半径S安全系数4概述5车轴计算使用的力和力矩5.1力的类型在计算中，考虑以下三种类型的力：—运动质量—制动力和力矩—驱动力和力矩5.2运动质量的影响运动质量产生的力平行于垂向对称平面（y,z），如图1所示。图1如果定货方没有其他规定，对于干线铁路的使用条件，运动质量)(21mm+按表2的规定计算。对于特殊的城市轨道交通的使用条件，关于质量的其他考虑是必要的。表2铁道机车车辆类型质量)(21mm+动力车（没有旅客、行李间和邮政间）计算车轴质量为运行质量动力车（有旅客、行李间和邮政间）1干线机车车辆)1运行质量+×2.1额定载荷运行质量包括：不带旅客的机车车辆质量、水箱装满水、砂箱装满砂和装满动力燃料额定载荷包括：每个旅客包括手提行李重量80kg—每个座位座一个旅客—走道和入口通道每平方米有2位旅客—每间乘务室有两个人—行李间mkg2/3002城市轨道交通机车车辆)1)2运行质量+×2.1额定载荷运行质量包括：不带旅客的机车车辆质量、水箱装满水、砂箱装满砂和装满动力燃料额定载荷包括：每个旅客包括手提行李重量70kg—每个座位座一个旅客—走道每平方米有3位旅客—入口通道每平方米有4位旅客（一等车）—入口通道每平方米有5位旅客（二等车）—行李间mkg2/300)1)2车轴每个截面的弯矩Mx由力P1、P2、Q1、Q2、Y1、Y2和Fi按图2计算，图示描述的是车轴最不利的计算载荷工况，即：—载荷不对称分布—这样确定由非弹性支撑质量产生的力Fi的方向为了使其对弯曲的影响与垂向载荷相叠加。图2表3给出了由质量m1产生的力的数值。公式中的系数使用于在标轨距矩线路上使用的传统弹性悬挂系统的机车车辆车轴，对于轨距变化较大的线路—例如：米轨线路、或者使用新型弹性悬挂系统—例如：摆式列车的倾摆机构（通过曲线引起的车体倾斜的调节装置）的铁道车辆，表中的系数须重新考虑。表3使用于本标准的每一类车轴gmYYHgmYgmYgmbhPgmbhP1211211112111175.0175.035.0)/875.0625.0()/875.0625.0(=−===−=+=使用于所有车轴[][]yFRYYPsbPsbPsQysFRYYPsbPsbPsQiiii−−−−−+=−−−+−−+=)()()(21)2()()()(21211121211211表4给出了确定车轴不同区域弯矩Mx的计算公式和车轴的弯矩图。表4车轴区域Mx)1轴颈力中心线和车轮名义滚动圆之间yPMx1=两车轮名义滚动圆之间)()(111ysbyFRYsbQyPMiix−+−−++−=力Fi作用在截面的左侧Mx的弯矩图)1对于受力不对称的车轴，通过交换作用于两轴承上的载荷确定最不利的车轴计算载荷工况。5.3制动的影响制动产生的力矩用三个力矩分量Mx,、My,和Mz,表示，如图3所示。图3—弯矩Mx,表示由z方向的垂向力产生；—弯矩Mz,表示由x方向的垂向力产生；—绕车轴旋转轴（y轴）的扭矩My,由作用于车轮的切向力产生。对于每种制动方式产生的力矩分量见表6。如果不同的制动形式相组合，每种制动状态产生的值应该相加，必须考虑电制动产生力矩和力。注意1：注意2：5.4曲线运行和车轮几何形状的影响对于不制动的轮对，扭矩My,按PR2.0计算，同时考虑车轮直径的差异和曲线运行的影响。对于制动的轮对，上述的影响包含在制动效果中。5.5驱动的影响在通常状态下，由定常摩擦传动装置传递的驱动力矩产生的作用于车轴的力忽略不计。计算结果和经验表明，驱动力产生的弯矩Mx,,、My,,和扭矩Mz,,小于由同样大小的制动力产生弯矩和扭矩，驱动力和制动力不会同时出现。车轴结构还应该考虑以下因素：—合理避开驱动装置和车轴的自振频率；—牵引系统的突然损坏，例如：短路过载。如果使用轮对防空转装置控制牵引力，在确定最大扭矩My,,时，须考虑由额定驱动扭矩引起车轴有规律振动的影响。在启动时带有很高的和经常出现的驱动力矩的一些应用工况中，必须完成以下两个计算—前面给出常规条件—如下的启动条件●由质量产生的力的影响按表5计算；●启动力矩的影响。选择较严格的条件作为确定车轴参数的条件。表5启动状态下的力gmHgmYgmYgmPgmP11211121105.005.010.055.055.0=====5.6计算合成力矩在每个截面上，最大应力由合成力矩MR按下式计算（见下面的注意）MZMYMXMR222++=其中：MX、MY和MZ是由运动质量和制动力产生的不同力矩分量之和。∑+=MMMXxx,)5∑=MMYy,)5∑=MMZz,)5注意：在车轴直径为d的圆柱表面（同样适用于中空圆柱表面）力矩MX、MY和MZ产生的应力为—MX和MZ产生弯曲应力；—MY产生剪应力。)5如果驱动力矩大于制动力矩，Mx,、My,和Mz,的值可以由Mx,,、My,,和Mz,,的值代替。弯曲应力（圆截面弯曲梁）按下式计算dMZMXn32232πσ+=剪应力（圆截面杆的两截面相对扭转）按下式计算dMYt316πσ=作为计算结果的两个主应力为24221σσσσtnn++=24221σσσσtnn+−=由于弯曲应力绝对值远远高于剪应力，按照莫尔（Mohr）应力理论确定的等效应力作为直径为d的截面的检验应力MZMYMXdtn++=+=−=22232221324σσσσσ其中合成力矩的意义为MZMYMXMR222++=空心车轴的计算方法同上。表6力矩分量Mx,,My,,Mz,制动类型双侧踏面制动/每车轮单侧踏面制动/每车轮在轴颈载荷中心线与车轮名义滚动圆间在两车轮名义滚动圆间在轴颈载荷中心线与车轮名义滚动圆间在两车轮名义滚动圆间Mx,yFMfxΓ=3.0,)1)2)(3.0,sbFMfx−Γ=)1)2yFMfxΓ=3.0,)2)(3.0,sbFMfx−Γ=)2ybsybsMz,yFMfz)3.0(,Γ+=)1))(3.0(,sbFMfz−Γ+=)1yFMfz)1(,Γ+=))(1(,sbFMfz−Γ+=ybsybsMy,0,=MyRPMy;,3.0=)3)40,=MyRPMy;,3.0=)3)4续表6力矩分量Mx,,My,,Mz,制动类型在车轴上安装两个制动盘在轮毂上安装两个制动盘)6在轴颈载荷中心线与车轮名义滚动圆间在车轮名义滚动圆与相邻在两制动盘间在轴颈载荷中心线与车轮名义滚动圆间在两车轮名义滚动圆间Mx,yFMfxΓ=,)2)(,ysbFMifx+−Γ=)2yFMfxΓ=,)2)(,ysbFMifx+−Γ=)2bsyyibsyMz,yRRFMbfzΓ=,)2)(,sbRRFMbfz−Γ=)2yRRFMbfzΓ=,)2)(,sbRRFMbfz−Γ=)2bsyyibsyMy,0,=MyRPMy;,3.0=)4)50,=MyRPMy;,3.0=)4)5续表6力矩分量Mx,,My,,Mz,制动类型在轴身上安装一个制动盘在轮毂上安装一个制动盘)6在左侧轴颈载荷中心线与制动盘间在制动盘与左侧轴颈载荷中心线间在轴颈载荷中心线与车轮名义滚动圆间在两车轮名义滚动圆间Mx,ybysbFMifx2)(,−+Γ=)2)2(2)(,ybbysbFMifx−+−Γ=)2yFMfxΓ=,)2)(,ysbFMifx+−Γ=)2ysbisybyiMz,在轴颈载荷中心线与车轮名义滚动圆间在两车轮名义滚动圆间yRRFMbfz2,Γ=)2)(2,sbRRFMbfz−Γ=)2yRRFMbfz2,Γ=)2)(2,sbRRFMbfz−Γ=)2bysbsyyiMy,在轴颈载荷中心线与车轮名义滚动圆间在两车轮名义滚动圆间0,=MyRPMy;,3.0=)4)50,=MyRPMy;,3.0=)4)5)1为了考虑作用于一个车轮的两个制动闸瓦压力可能存在差异，在实验结束后选择系数为0.3。)2在制动闸瓦中：铸铁制动闸瓦：1.0=Γ；除铸铁材料外的其他低摩擦系数的制动闸瓦17.0=Γ；除铸铁材料外的其他高摩擦系数的制动闸瓦25.0=Γ。在制动块垫片中：35.0=Γ)3由实验得出的这个值符合制动时两个车轮间的制动性能不相同，其导致作用在车轮上的切向力存在P,3.0×的差异，这个值包含5.3节中定义的扭矩值。)4P,是制动状态下的轮重P)5规定两名义滚动圆间的扭矩为RP,3.0×，且包含按5.3节由制动产生的扭矩和规定的扭矩。)66车轴不同部分几何参数的确定6.1车轴不同截面的应力直径为d的车轴任意截面的应力)6计算式如下对于实心车轴（图4a）dMRKn332πσ=)7对于空心车轴（图4b）—外表面：)(324'4ddMRdKn−=πσ)7—孔表面：)(324'4'dddMRKn−=πσ)7dDrdDrd'图4a图4b)6在锥形轮座区域，将该区域的最大力矩与轮座较小的截面联系在一起。)7K是关于疲劳载荷的应力集中系数。在实心或空心车轴的圆柱外表面和空心车轴的孔表面区域，应力集中系数1=K，然而截面尺寸的变化意味着应力的增大，最大应力出现在—不同直径的两个相邻圆柱面的过渡区域；—分割槽或退刀槽区域。应力集中系数K根据dr/和dD/的关系由图5（两个圆柱截面间的过渡区域）和图6（分割槽或退刀槽过渡区域）确定。r：过渡曲线半径；d：计算应力集中区域的圆柱截面直径；D：相对圆柱截面直径。0.00.10.20.30.41.01.21.41.61.8K1.31.251.41.351.51.451.551.61.651.71.751.81.92.02.12.22.31.201.1751.151.1251.101.0752.41.05D/dr/d图5应力集中系数为dr/和dD/的关系0.00.10.20.30.40.51.01.11.21.31.41.51.61.7