鐵路貨車轉向架中央懸掛系統設計淺析

摘 要：文章結合多年轉向架研發經驗，介紹了鐵路貨車轉向架中央懸掛系統的空間選擇、彈簧組布置、計算經驗和設計理念。

關鍵詞：鐵路貨車；轉向架；懸掛系統

中圖分類號：U270.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）8-0016-03

轉向架作為鐵路貨車的核心部件，對鐵路貨車的運行性能起決定性作用，而轉向架的性能很大程度上取決于其中央懸掛系統。因此，懸掛系統的設計是轉向架設計者首要考慮的問題。一般步驟是先確定好空間，再設計彈簧組排布方案，最后計算出彈簧組，當然這三個步驟也會相互影響，通常需要交叉進行。

1 設計目標

一個好的中央懸掛系統應具備有以下特征：

①滿足車輛軸重、速度等性能要求，達到平穩性、穩定性、安全性指標。

②空間排布緊湊、合理，安裝和檢修方便。

③彈簧組可靠性高、制作工藝性好，對材料性能利用充分。

2 空間選擇

中央懸掛彈簧組主要放置在側架中央方框中，考慮到重量、限界和轉向架的結構特點，留給懸掛系統的設計空間通常非常有限，如果將懸掛系統的放置空間想象成一個立方體（如圖1所示）。那么只要合理計算出立方體的長寬高，就能夠選定懸掛系統的設計空間。

2.1 高度的選擇

高度H的計算分兩個步驟，首先算出側架中央方框的高度H1（如圖2示）。

公式：H1=P-A-B-C。其中：

P為側架頂部距軌面高：有時設計輸入已規定該值，如果沒有規定，需綜合考慮車體枕梁位置、旁承全壓縮行程以及中央懸掛全壓縮行程確定。

A為側架底部距軌面高：該值需考慮側架下部限界、車輪最大磨耗量以及從車輪至側架底部各關聯尺寸的公差。

B為中央方框下弦桿高：該值取決于側架強度設計需求，通常隨軸重增加而相應加大，可參考同軸重的轉向架側架。

C為中央方框上弦桿高：該值取決于側架強度設計需求，通常隨軸重增加而相應加大，可參考同軸重的轉向架側架。

然后計算出設計空間的高度H（如圖3所示）。

公式：H=H1-S-H2-D2-D1。其中：

S為搖枕頂面與中央方框頂部的間隙：在組裝彈簧組時，搖枕端部穿過中央方框后會被抬到最高位置，因圓弧的存在將產生間隙。該間隙易被設計者忽略，導致組裝彈簧組時帶來困難。

H2為搖枕端部高度：該值取決于搖枕強度設計需求，通常隨軸重增加而相應加大，可參考同軸重的轉向架搖枕。

D1、D2為搖枕和側架彈簧檔高，可參考成熟轉向架而定。通常D1選15～25 mm，D2選20～30 mm。

2.2 寬度的選擇

寬度W的選擇如圖4所示，寬度方向的中心即是軸頸中心線，外側需保證最不利情況下側架不會侵入限界，內側也不宜過寬，否則不利于搖枕下蓋板的強度設計。當然，寬度也不可設計得過窄，這樣將給彈簧組布置帶來困難。設計時建議綜合考慮各方因素，選取合理的寬度。

2.3 長度的選擇

長度選擇按輸入條件的不同有兩種設計思路。

當軸距、車輪直徑和制動梁滑槽角度已確定時，應保證制動梁閘瓦托在最低位置時（新車輪更換閘瓦時）不會碰觸彈簧，這時可將瓦托的最低位置畫出來（如圖5所示），然后確定長度L。

當未限定軸距時，可根據心盤直徑尺寸D相應設計出搖枕端部寬度W1（如圖6所示），為使搖枕設計強度更優，可參考成熟轉向架搖枕D和W1的比例。然后考慮搖枕與側架立柱面的間隙K（如圖7所示），該間隙必須保證斜楔在磨耗極限時，搖枕不會碰觸側架立柱磨耗板。由此可知立柱面間距為W1+2K，再減去斜楔與彈簧外圈的差值，即可得到L。值得一提的是，為滿足強度要求，側架中央方框底部的圓弧R通常設計得較大，設計L時要注意不可侵入圓弧過多，否則將影響側架的強度設計。

3 彈簧組布置

空間確定后，即可著手排布彈簧組，其排布形式靈活多樣，好的方案能夠充分利用空間、合理分布受力。

3.1 彈簧組數的選擇

彈簧組數越多，則每組簧受力越小，平均直徑也越小，由此帶來更小的料徑，更均勻的接觸應力以及整個懸掛系統重量的增加。而彈簧組數越少，則相反。通常彈簧組數控制在5～9組之間，隨軸重增加而增加。

3.2 外徑大小的選擇

應在滿足彈簧組間距的前提下（通常不小于6 mm），盡量選取較大的外徑，在剛度和料徑不變的前提下，可減少有效圈數，加大旋繞比，提高工藝性，減少重量。

3.3 排布方式

AAR標準S-339、S-340、S-341、S-342對各軸重彈簧組布置方案進行了推薦。在設計過程中，還需從轉向架用途的角度綜合考慮。以下圖7組簧排布為例（如圖8所示），a方案可允許彈簧組選用更大的外徑，而且側架受力將更流暢，但其通用性較差；b方案的通用性好，可適用4-9組簧的排布，但其側架縱向截面突變較大，空擋E處易堆積雜物。對于專用轉向架，傾向于a方案，而對于通用轉向架，則建議選b方案。

4 彈簧組計算經驗

彈簧組的計算并無固定模式，教科書和某些論文也介紹了些具體的計算方法，本章簡要談下計算思路和參數選擇建議。

4.1 彈簧組計算

第三版《車輛工程》第二章62頁列舉了彈簧計算的公式。通常情況下，已知的性能參數有：空車載荷、重車載荷、剪切彈性模數，已知的幾何參數有：自由高、全壓縮高、外徑。計算時需設定的參數有：空車撓靜度、料徑。計算過程中需校核的參數有：空重車撓度差、撓度裕量系數、旋繞比、穩定性、徑向穩定性、應力。最終輸出的結果是滿足要求的所有組合，然后再選取性能較好的組合進行微調。

4.2 計算參數選取建議

①材料直徑：應盡量選擇常用的，建議與彈簧制造商溝通，得知其方便獲取的料徑，再對計算結果進行微調，通常可通過微調自由高和有效圈數來實現。

②剪切彈性模數：教科書已給出剪切彈性模數的參考值為79.4 GPa，隨材料批次的不同，該值會有些波動，若希望計算更精準，建議與彈簧制造商溝通，獲取精確值。

③旋繞比：通常不可小于4，該值過小不僅會加大卷簧的制造工藝難度，更會引起過大的附加應力，降低懸掛系統可靠性。

④空車靜撓度：空車靜撓度過小將不利于車輛垂向振動性能，建議在條件允許時，盡量將該值取大。

⑤撓度裕量系數：該值可理解為重車工況下，振動引起彈簧壓死的可能性，裕量越大，彈簧壓死的可能性越小。《車輛工程》規定在有減振器且靜撓度較大時，需不小于0.6。結合試驗數據，在空間允許時，建議取到0.7左右。

⑥許用應力：常用彈簧鋼60 Si2CrVAT的許用應力為

1 050 MPa，計算時通常考慮留一定裕量，經驗值為960 MPa，同時盡量讓內、外簧的最大應力接近，以提高材料利用率。

5 結 語

鐵路貨車轉向架懸掛系統設計復雜，需考慮的相關因素較多，本文主要是實際研發工作中的經驗總結，望能起到拋磚引玉的作用。隨鐵路貨運行業的發展，產品本身及其設計理念不斷發生變化，以下是關于鐵路貨車懸掛系統設計理念發展方向的幾點思考：

①車輛和線路制造水平的提高，將帶來更小的輪軌激勵輸入，動荷系數將變小，對減振裝置的要求將降低，撓度裕量系數的允許限度將變小。

②車輛的制造和運營將更規范，各種使用和磨耗極限的情況不可能同時發生，可思考對限界更充分的利用，為懸掛系統提供更大的設計空間。

③彈簧材質的革新，可能出現新制造工藝、更輕量化和更緊湊的彈簧組設計。

③標準化、系列化將使彈簧組具備更強的互換性和更低的單位成本，可考慮推行懸掛系統的系列化、標準化。

④先進設計工具的開發不斷提升懸掛系統的設計效率，如高級語言程序，交互式界面等，值得開發和關注。

⑤隨綠色環保理念的推行，懸掛系統設計將更多的考慮低噪音設計。

⑥重載技術、輕量化技術的發展也將影響到懸掛系統設計，其發展趨勢值得設計者關注。

參考文獻：

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