鐵道車輛轉(zhuǎn)向架軸箱定位彈簧特性分析

王強

摘要：對軸箱彈簧斷裂的原因進行統(tǒng)計分析，可知引起一系懸掛彈簧斷裂的原因很多，主要分為彈簧缺陷影響、承載影響和裝配影響。缺陷影響包括熱處理缺陷、簧條棒料缺陷、機械硬傷等，承載影響包括軸向承載不均、橫向載荷過大等，裝配影響包括端部結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝方式等。本文在研究彈簧特性的基礎(chǔ)上，分析橫向載荷、端圈支撐面偏心量和軸箱體的旋轉(zhuǎn)對彈簧有效圈應(yīng)力的影響，具有重要的理論和工程實踐意義。

關(guān)鍵詞：鐵道車輛；轉(zhuǎn)向架；軸箱定位；彈簧特性

1 導(dǎo)言

隨著我國鐵路運輸進入高速重載的新時代，鐵路列車運行的平穩(wěn)性與安全性越來越重要。軸箱彈簧懸掛裝置對車輛運行是否平穩(wěn)舒適，能否順利通過曲線并保證車輛安全運行起著重要作用。

2 電力機車發(fā)展及分類

1935年荷蘭的斯特拉廷和貝克爾兩人，試制了以電池供電的兩軸小型鐵路電力機車；1842年，蘇格蘭的戴維森制造出一臺由40組電池供電的標準軌距的電力機車；1979年，德國的西門子設(shè)計制造了一輛小型電力機車，電源由機車外部的150伏直流發(fā)電機供給，能運載20名乘客，時速12千米，同年在柏林貿(mào)易展覽會上，西門子駕駛這輛電力機車首次成功運行。1890年英國倫敦首次用電力機車在5.6公里長的一段地下鐵道上牽引車輛。1895年美國的巴爾的摩鐵路隧道區(qū)段采用干線電力機車。1903年，德國人用西門子公司和美國通用電氣公司聯(lián)合制造的三相交流電動機，在23千米長的電氣化鐵路上創(chuàng)造了時速210千米的記錄。20世紀初，歐洲就有幾個國家曾建成幾段以三相交流電供電的電氣化鐵路。中國1988年制成了第一臺“韶山”型電力機車，1998電力機車是從接觸網(wǎng)上獲取電能的，接觸網(wǎng)供給電力機車的電流有直流和交流兩種。

3 現(xiàn)狀研究分析

彈簧作為鐵道車輛上重要的承載結(jié)構(gòu)，其疲勞強度的分析一直都是國內(nèi)專家學(xué)者的重點研究課題。2000年，趙洪倫運用試樣測試及數(shù)理統(tǒng)計方法，對鐵路機車車輛彈簧鋼60Si2MnR進行了試驗研究，測定了材料試樣的疲勞性能參數(shù)，得到存活率、置信度為95%的P-S-N曲線和修正的Goodman疲勞極限圖。2006年，商躍進在拉伸試驗的基礎(chǔ)上測定彈簧鋼的屈服極限s？、強度極限b？和對稱循環(huán)下的疲勞極限1N，獲得材料的Goodman-Smith圖。彈簧鋼一般按剪切應(yīng)力進行強度設(shè)計和校核，因此，對靜拉伸屈服極限、強度極限和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限進行修正，繪出以剪應(yīng)力表示的Goodman-Smith圖，如圖1所示。Goodman-Smith圖是一種疲勞應(yīng)力包絡(luò)圖，只有位于封閉折線內(nèi)的點才是安全的。由圖可知經(jīng)過fN次循環(huán)不發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力極限。由于機車車輛壓縮彈簧平均應(yīng)力大于零，參考使用Goodman-Smith圖的第一象限部分。

2016年，陳長健針對機車車輛雙圈螺旋壓縮鋼彈簧的結(jié)構(gòu)特點和運用現(xiàn)狀，基于EN13906-1標準規(guī)定的熱卷彈簧疲勞強度Goodman曲線圖，分析彈簧的許用疲勞應(yīng)力，提出彈簧優(yōu)化設(shè)計方法[.2016年，王仁智對圓柱螺旋彈簧的正斷和切斷型疲勞斷裂模式進行研究，結(jié)合承受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和軸向正應(yīng)力的圓柱體的受力分析。

4 局部坐標系的定義

4.1 在對彈簧工作應(yīng)力進行分析

目前，定義彈簧局部坐標系，如圖2所示。沿垂直于簧條軸線方向截切彈簧有效圈，得到圓形橫截面，以圓心為原點，以截面法線為t軸，水平指向彈簧中心軸線為l

軸，b軸垂直于tl平面且與z軸正方向的夾角余弦為正值。

4.2 軸向載荷和扭矩作用下的計算

首先分析彈簧僅受到軸向載荷P作用時，彈簧豎截面上的應(yīng)力合力。在有效圈任意位置垂直截取彈簧，取下面部分為研究對象，上面部分沿中心軸線受到力P的作用。為保持上面部分的平衡，在上面部分的豎截面上，應(yīng)力合力為與軸向載荷相反的通過形心的剪力-P和力矩PD/2。根據(jù)作用力與反作用力原理，下面部分豎截面應(yīng)力合力為剪力FS和力矩T，如圖2所示，有下列關(guān)系式成立：

橫截面上有剪力，截面上各點的切應(yīng)力與剪力不平行，b）的剪應(yīng)力疊加，得到下列公式：

當橫截面存在剪應(yīng)力時，仍可按照純彎曲公式計算正應(yīng)力，對結(jié)果的影響并不顯著。與軸向載荷對應(yīng)的正應(yīng)力均布于橫截面，故彈簧橫截面上任意點（l，b）正應(yīng)力為：

只考慮扭轉(zhuǎn)力矩對彈簧的變形影響，則彈簧變形量為：

式中n——彈簧有效圈圈數(shù)。對應(yīng)的彈簧剛度kq為：

上式忽略了剪力、彎矩的影響。考慮剪力和彎矩對彈簧的變形影響，根據(jù)卡氏第一定理，軸向載荷P和外扭矩T'引起的變形用下列表達式給出：

5 結(jié)論

鐵路運輸?shù)母咚侔l(fā)展對鐵道車輛的性能提出更高的要求。軸箱彈簧是鐵道車輛重要的承載零部件，承受來自構(gòu)架的各向載荷，緩解車輛行走過程中由于軌道不平順帶來的橫向、垂向振動和沖擊，是提高車輛運行平穩(wěn)性重要部件之一。

參考文獻：

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（作者單位：本溪鋼鐵集團有限公司北營廠區(qū)鐵運公司車輛作業(yè)區(qū)）