彈簧緩沖結構在冶金車輛中的應用

宋貴芳，佟繼龍

（1.秦皇島秦冶重工有限公司，河北 秦皇島 066318；2.遼寧省機械研究院有限公司，沈陽 110032）

1 引言

冶金行業使用的煉鋼煉鐵車輛屬于重型機械，如鋼包車、廢鋼車、鐵水罐車、板坯運輸車等，其工況環境差，多為高溫、粉塵、重載、沖擊的工況，在這類車輛的設計上，就需要考慮對車輛的防護結構，以保證車輛安全和長效的使用。

重載、沖擊工況的車輛，通常需設計緩沖裝置來保護車體。緩沖裝置型式多樣，可利用材料特性或結構型式來實現功能，常用材料有高分子材料、橡膠、緩沖膠等，采用結構特性的裝置有金屬彈簧、液壓阻尼、磁力等。彈簧緩沖結構是一種使用較廣泛和有效的形式。

2 彈簧緩沖結構的結構形式

彈簧的材料廣泛采用硅錳彈簧鋼，它是一種價廉的合金彈簧鋼，熱處理時有較高的淬透性，加熱時氧化皮較少，能獲得較好的表面質量和較高的疲勞強度。其主要品種有55Si2Mn 鋼和60Si2Mn 鋼兩種。

在彈簧緩沖結構的設計中，多選用圓柱彈簧和碟簧。圓彈簧具有結構簡單、質量小的特點，其結構檢修制造方便，有的緩沖結構還利用了彈簧的橫向彈性，有利于緩和車輛的橫向振動。碟形彈簧形狀為圓錐碟狀，主要特點是：負荷大，行程短，所需空間小，組合使用方便，維修換裝容易，經濟安全性高。適用于空間小、負荷大的精密重型機械。

在選取彈簧時，彈簧的靜剛度和靜撓度是兩個重要參數。本文主要介紹彈簧緩沖機構中，彈簧的幾種布置形式及其在冶金車輛的具體應用。

彈簧的組合布置形式主要有串聯組合、并聯組合、雙卷螺旋彈簧、兩級剛度螺旋彈簧等。下面分別列舉各種組合布置的結構應用。

2.1 串聯組合彈簧

圖1

其布置原理見圖1。當量剛度為1/K=1/K1+1/K2+…+1/Kn。公司設計制造的抱軸式減速機電動平車采用了這種組合方式。減速機機體通過彈簧吊桿與車體連接，減速機在運行中的振動、沖擊產生的能量由彈簧吸收，而且此結構對安裝精度要求低，便于減速機的安裝與調試，見圖2。在碟簧做緩沖的結構中，疊合組合或對合組合的碟簧也是串聯組合彈簧的一種。這種情況下，彈簧的位移小，緩沖行程短，組合剛度大，結構緊湊。在板坯稱量運輸車上，為減小板坯放置時對車體和稱量系統的沖擊，設計了緩沖平臺，平臺下方就使用了這種碟簧組合的緩沖結構，見圖3。

圖2

圖3

2.2 并聯組合彈簧

圖4

其布置原理見圖4，當量剛度為K=K1+K2+…+Kn。在車輛的緩沖設計中，通常采用多組彈簧并行來同時起到緩沖作用的結構。而上述板坯稱量運輸車的緩沖結構，緩沖平臺下同時設置了4 套碟簧組合機構，這也是串聯、并聯結構相結合的應用。

2.3 雙卷螺旋彈簧

為使結構緊湊，減小彈簧占用的空間位置，時常采用雙卷彈簧來代替單卷彈簧。設計計算中，將內、外卷所承受的載荷按1∶2的比例進行分配。個別情況也有采用三卷彈簧的。凡是采用雙卷或三卷螺旋彈簧時，要求其相鄰的兩層簧的螺旋方向相反，一個是左旋，另一個則必須是右旋，以免相互卡住或簧組轉動。設計計算中，對于三卷組合彈簧的內、中、外三卷所承受的載荷按1∶2∶4的比例進行分配。然后分別進行各單卷彈簧參數、簧卷間隙及組合當量剛度等值的設計計算，并適當給予修正，滿足設計要求。因為上述方法簡便，實際中應用較多。高爐煉鐵設備中的鐵水罐車，是運用彈簧緩沖最常見的車輛。每臺鐵水罐車至少需要兩套轉向架，載重大的需要四套、六套不等。每套轉向架含有兩套彈簧組，在承載負荷時，每組彈簧發揮著相同的緩沖作用。只有在彎道轉彎時，由于外側彈簧組需提供車輛的向心力，而與內側彈簧組受力不同，見圖5。

2.4 兩級剛度螺旋彈簧

貨車載重量增加帶來的問題之一是空車、重車簧上質量相差很大。如果采用一級剛度的螺旋彈簧組，有可能由于空車彈簧靜撓度過小和自振頻率過高，而使其振動性能惡化。采用兩級剛度的螺旋彈簧組，可使空車時有較大的彈簧靜撓度，改善其運行的平穩性，同時提高了車輛對扭曲線路的適應能力，使輪對減載率減小，從而改善其運行的安全性。目前，兩級剛度的螺旋彈簧在國內外都不同程度地得到了應用，這是一個值得注意的趨勢。兩級剛度螺旋彈簧組，應用廣泛的是內外簧并聯承載，空車時為外簧承載，重車時為內外簧并聯承載，又稱為不等高兩級剛度彈簧組，其結構簡單，使用最多，轉向架結構的鐵水罐車也是這種緩沖結構的典型應用。

另外，有的彈簧緩沖結構利用彈簧的橫向彈性來起到緩沖的作用。例如目前新型結構的廢鋼料籃車。車輛運載廢鋼料籃，廢鋼從料籃上方落入料籃，對車體的沖擊較大，需要設計緩沖結構以保護車體，見圖6。正常狀態下，彈簧傾斜向上，處于自然狀態。當車體受到沖擊時，彈簧受壓，發生位移，車體向下移動，沖擊能量得到釋放，由于彈簧的橫向彈性，車體再次復位。此外，彈簧橫置，也減小了車輛運行中啟動、制動帶來的水平沖擊。這種緩沖設計，結構簡單，檢修維護方便，不必拆裝車體。

3 結語

綜上，在車輛彈簧緩沖的設計應用中，可以根據結構、功能的需要，選擇適合的組合形式，以達到最好的緩沖和實際應用效果。

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