摘 要

目前，我国的煤炭、粮食、矿石、石油、钢材等大型物资大都数采用火车运输。货运火车运行的动力由火车牵引车提供，提高火车牵引车的工作效率，通常到达指定地点，火车牵引车与火车分离。火车牵引车的最大的牵引力取决于火车牵引车的自重以及牵引车车轮与钢轨的摩擦系数。而本课题所设计的火车牵引车主要针对牵引装置和车架结构进行改进，通过在横梁上设置牵引装置，利用牵引装置实现火车牵引车运动，增大火车车轮与轨道间的摩擦力，减小牵引车本身的负重需求。另外可以通过设置牵引装置夹紧力的大小，来满足不同情况下火车牵引车牵引的需求，达到合理利用能源的目的。另外我们可以通过多台牵引车的连接，来实现更大负载的牵引。论文的主要设计的内容和过程包括：

1）确定火车牵引车的工作原理，总体结构型式，作业流程，牵引能力的计算；

2）确定驱动机构型式，完成驱动功率计算，选择驱动机构驱动装置，如电动机、减速器、联轴器、制动器型号选择；

3）确定车架金属结构型式，利用ANSYS软件完成车架金属结构分析计算；

4）完成驱动机构、车架金属结构的施工设计及SolidWorks三维仿真建模；

5) 利用ADAMS软件完成牵引车的运动学仿真。

本文对15t低速重载火车牵引车进行设计，在传统的火车机车上进行改进和创新，采用一种添加牵引装置来增大牵引力的方式，为这种火车牵引车的运行提供理论基础。同时对牵引驱动装置进行设计和探讨，促进这种方式的火车牵引车的实际推广应用。

关键词：牵引装置；牵引力；驱动机构；ANSYS、SolidWorks三维仿真；运动学仿真

Abstract

At present, most of China’s coal, grain, ore, petroleum, steel, and other large materials are transported by train. The power of freight trains is provided by train tractors. In order to increase the utilization of train tractors, they usually arrive at designated locations. Car and train separated. The maximum traction of a train tractor depends on the weight of the train's tractor and the friction coefficient of the tractor's wheels and rails. The train tractor designed by this subject is mainly aimed at the improvement of the traction device and the frame structure. The traction device is set on the cross beam, and the traction device is used to realize the movement of the train traction vehicle, and the friction between the wheels and the track of the train is increased and the friction is reduced. The weight demand of the tractor itself. In addition, the size of the clamping force of the traction device can be set to meet the traction requirements of the train tractor in different situations and achieve the purpose of rational energy utilization. In addition, we can achieve greater load traction through the connection of multiple tractors. The main design of the paper includes:

1) Calculation of the working principle, overall structure type, and traction ability of the train tractor;

2) Determine the type of drive mechanism, complete the drive power calculation, and complete the drive mechanism drive device, such as motor, reducer, coupling, brake selection;

3) Determine the metal structure of the frame, use ANSYS software to complete the analysis and calculation of the metal structure of the frame;

4) Complete the construction design of the drive mechanism and frame metal structure and SolidWorks 3D simulation modeling;

5) Use ADAMS software to complete the kinematic simulation of the tractor.

This paper designs a 15t low-speed heavy-duty train tractor, improves and innovates on the traditional train locomotive, and uses a traction device to increase the traction, which provides a theoretical basis for the operation of the train tractor. At the same time, the traction drive device is designed and discussed to promote the practical application of the train tractor in this way.

Key words: traction device；traction；drive mechanism；ANSYS；SolidWorks 3D simulation,；kinematics simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的 1

1.2国内外研究的现状 2

1.3 本文完成的工作及意义 3

第2章 火车牵引车总体设计 5

2.1火车牵引车的工作原理 5

2.1.1火车牵引车牵引力的形成 5

2.1.2 黏着牵引力及其系数的计算 5

2.1.3 牵引车的工作原理 6

2.2 火车牵引能力的计算 6

2.2.1 黏着力计算 6

2.2.2 阻力计算 7

2.2.3 牵引功率的计算 8

2.3 火车牵引车的总体布置 8

2.3.1机车车辆限界 8

2.3.2机车总体设计原则及设备布置要求 8

2.3.3 火车牵引车设备布置 9

2.4火车牵引车车体车架 10

2.4.1车体车架的组成、作用及要求 10

2.4.2 车体的结构型式及总装技术要求 10

2.4.3火车牵引车车体钢结构 11

2.4.3.1 底架 11

2.5 轮对 13

2.6牵引车的作业流程 14

第3章 火车牵引车驱动机构设计 15

3.1 驱动机构 15

3.2电动机减速器的选取 15

3.2.1电动机功率计算 15

3.2.2电动机减速器的选取 15

3.2.3齿轮传动装置 16

3.3齿轮联轴器的选取 17

3.4制动器选取 17

3.4.1基础制动装置 17

第4章 火车牵引车的运动 20

4.1牵引装置的设计 20

4.1.1 牵引装置的构造 20

4.1.2 伸缩装置 20

4.1.3 牵引装置的安装 20

4.2火车牵引车运动过程分析 20

第5章 车架金属结构的ANSYS分析 22

5.1 ANSYS Workbench 概述 22

5.2 ANSYS Workbench 车架分析过程 22

5.2.1 车架模型的建立 22

5.2.2 分析项目的创建 22

5.2.3 定义材料数据 23

5.2.4 添加几何模型 23

5.2.5 建立加载力的点 24

5.2.6划分网格 25

5.2.7施加约束和集中力 26

5.2.8 求解 27

第6章 三维仿真建模和运动学仿真 29

6.1三维仿真建模 29

6.1.1 SolidWorks介绍 29

6.1.2 驱动机构三维仿真建模 29

6.1.3车架金属结构三维仿真建模 30

6.2运动学仿真 30

第7章 全文总结 31

7.1 全文概述 31

7.2经济环保性探究 31

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景、目的

在日常生活中，我们所见到的牵引车一般为大型的运输货车或半挂车，它与车箱通过特殊的牵引工具连接。也就是说，牵引车可以脱离它原本牵引的货车，相同道理，车箱也可以脱离原来牵引它的火车牵引车。其中，具有牵引并且驱动它的为牵引车，没有牵引能力的车叫做挂车，牵引车可以牵引挂车走。而本文所设计的火车牵引车，是一种从事铁路运输事业的大型牵引设备。煤炭、矿石、粮食、石油等大宗生产物资通常采用火车进行运输，货运火车运行的动力由火车头提供。在港口、矿山以及货场，需要对火车进行货物的装卸作业，作业过程中，要求火车在装卸区域内进行慢速移动。由于火车头的制造成本及使用成本均较高 ，为提高火车头的利用率及降低使用成本，火车头将火车牵引至上述区域后，通常火车头与火车分离，无动力火车在装卸区域内的移动，交由其它牵引设备完成。目前，常看见的火车牵引车方式有铁牛牵引火车和牵引车牵引火车^[1]。

随着我国铁路事业的飞速发展,国内的火车牵引车的发展十分迅速，尤其受改革开放的影响，国民经济迅速增长，铁路运输的安全性与高效性越来越成为铁路建设部门 关注重点，尤其是在近几十年来火车牵引车传动方面的技术，进步尤为显著。但是，在牵引车动力传动系统技术方面，我国火车牵引车与那些发达国家相比，存在许多明显不足的地方，例如我国研发的火车牵引车动力系统费用颇高，控制传动方面不是非常的合理，与其他发达国家相比略显不足，火车牵引车动力系统控制落后其他国家等等。对火车牵引车动力传动系统出现的这些麻烦，我们根据牵引车动力传动系统的工作原理，对动力传动机构和控制系统进行改进。希望能够促进我国在火车牵引车动力传动方面的动力传动性能，进而推进我国火车的各方面发展^{[2] [3]}。

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