CN101844567B

CN101844567B - 大抗菱刚度铁道货车转向架

Info

Publication number: CN101844567B
Application number: CN2010101622263A
Authority: CN
Inventors: 孙明道; 徐勇; 王宝磊; 李永江
Original assignee: CSR Yangtze Co Ltd
Current assignee: CRRC Yangtze Co Ltd
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2030-04-27
Also published as: US8689701B2; WO2011134263A1; AU2010352460B2; US20130047882A1; CN101844567A; AU2010352460A1; BR112012027544A2

Abstract

一种大抗菱刚度铁道货车转向架，包括前后轮对组成、两个侧架组成、一个摇枕组成和两组中央弹簧悬挂装置。中央弹簧悬挂装置包括承载弹簧组件、位于承载弹簧组件两侧的减振弹簧、以及位于减振弹簧顶部的小顶角斜楔。小顶角斜楔的主摩擦面与侧架组成的侧架立柱摩擦板贴合，小顶角斜楔的副摩擦面与摇枕组成的摇枕八字面贴合，小顶角斜楔的结构参数满足如下数学关系：L＝200～260mm，α＝16～30°，并目μ＜tgα＜μ+μ₁。其中，L为小顶角斜楔的宽度，α为其副摩擦面与铅垂面的夹角，μ为其主摩擦面的摩擦系数，μ₁为其副摩擦面的摩擦系数。该转向架结构简单可靠，制造和维护成本低廉，具有足够的抗菱刚度和优良动力学性能和曲线通过能力，可满足铁道货车大幅提速的需要。

Description

大抗菱刚度铁道货车转向架

技术领域

本发明涉及铁道货车转向架，具体地指一种大抗菱刚度铁道货车转向架。

背景技术

铁道货车转向架是铁道货车的关键性部件。传统的铁道货车转向架大多数包含两个侧架组成和一个摇枕组成的三大件式结构。侧架组成的两端导框通过承载鞍和轴承组成安装在前后轮对组成上，摇枕组成的两端则通过两组中央弹簧悬挂装置安装在侧架组成的中央方框内。中央弹簧悬挂装置主要由位于中间的承载弹簧组件、位于两侧的减振弹簧和位于减振弹簧顶端的斜楔构成，斜楔上垂直的主摩擦面和倾斜的副摩擦面分别与侧架组成的侧架立柱面和摇枕组成的摇枕八字面摩擦接触，承载弹簧组件、减振弹簧及其上的斜楔一起承担摇枕组成的载荷。摇枕组成的上部两侧设置有下旁承组成，其与摇枕组成的心盘共同承载车体重量。转向架中还设置有基础制动装置，用于对货车实施刹车。

上述三大件式结构转向架虽然具有构造简单、轮重均载性好、制造和检修成本低廉的优点，但也存在摇枕组成和侧架组成之间连接结构松散、抗菱变形的刚度差的缺陷，由此不足以抵抗摇枕组成和侧架组成之间剧烈的摇头运动，导致转向架通过曲线轨道时其轮对组成对钢轨的冲角偏大，轮轨磨耗增多。特别是中央弹簧悬挂装置的斜楔具有较大的设计顶角(其副摩擦面与铅垂面之间的夹角)，大约在35～70°的范围内，其抗菱刚度十分有限，当摇枕组成相对于侧架组成作纵向运动时，摇枕八字面对斜楔的作用力的垂向分力将大于斜楔主、副摩擦面的摩擦力的垂向分力之和，此时斜楔会向下运动，使摇枕组成与侧架组成之间的纵向距离变小，摇枕组成与侧架组成之间即可产生相对转动，发生菱形变形。这样，车辆的临界速度只能较低，车辆运行速度受限，运行品质不高，不能满足铁道货车大幅提速的需要。

为了解决上述问题，目前提速货车采用了在两个侧架组成之间加装交叉支撑装置或加装弹簧托板的方式，以增强传统铁道货车转向架的抗菱刚度。但加装交叉支撑装置或弹簧托板的结构较为复杂、簧下质量偏重、制造和检修成本也偏高。因此，对传统的铁路货车转向架进行改进，设计一种具有足够抗菱刚度和优良动力学性能的转向架，对改善铁道车辆的运行品质具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有加装交叉支撑装置或弹簧托板的转向架所存在的不足，提供一种结构简单可靠、制造和维护成本低廉、具有优良动力学性能和曲线通过能力、满足铁道货车大幅提速需要的大抗菱刚度铁道货车转向架。

为实现上述目的，本发明所设计的大抗菱刚度铁道货车转向架，包括前后轮对组成、两个侧架组成、一个摇枕组成和两组中央弹簧悬挂装置，所述轮对组成的两端安装有轴承组成，所述侧架组成的两端导框通过承载鞍承放在所述轴承组成上，所述摇枕组成的两端安装在所述中央弹簧悬挂装置上，所述中央弹簧悬挂装置承放在所述侧架组成的中央方框内。所述中央弹簧悬挂装置包括承载弹簧组件、安装在承载弹簧组件两侧的减振弹簧、以及安装在减振弹簧顶部的小顶角斜楔，所述小顶角斜楔的主摩擦面与侧架组成的侧架立柱摩擦板贴合，所述小顶角斜楔的副摩擦面与摇枕组成的摇枕八字面贴合。其特殊之处在于：所述小顶角斜楔的结构设计参数满足如下数学关系：α＝16～30°，且μ＜tgα＜μ+μ₁。其中，α为所述副摩擦面与铅垂面之间的夹角，μ为所述主摩擦面的摩擦系数，μ₁为所述副摩擦面的摩擦系数。

本发明将所述小顶角斜楔中α的最大值限定为30°，远小于传统斜楔中35～70°的大顶角设计，并且限定tgα＜μ+μ₁，这样当摇枕组成相对于侧架组成作纵向运动时，摇枕八字面对斜楔的作用力的垂向分力始终小于斜楔的主摩擦面和副摩擦面摩擦力的垂向向上分力之和，从而确保斜楔不会向下运动(锁死)，摇枕组成和侧架组成不能产生相对转动，摇枕组成和侧架组成之间具有足够大的抗菱刚度。当然，如果α值过小到接近斜楔主摩擦面的摩擦角，会使斜楔在摇枕组成相对于侧架组成向下运动时自锁，恶化转向架的动力学性能。故本发明同时将所述小顶角斜楔中α的最小值限定为16°，并且限定μ＜tgα，这样可确保斜楔在摇枕组成作上下运动的过程中也能自由运动(不锁死)，从而使整个转向架具有优良动力学性能和曲线通过能力。

较佳地，所述小顶角斜楔的设计宽度L＝200～260mm。该宽度大约是传统变摩擦斜楔(变摩擦斜楔是指斜楔安装在置于侧架组成中央方框内的减振弹簧上，斜楔的减振摩擦力随摇枕组成承受的垂直载荷的改变而成正比改变)宽度的1.3倍以上，这既增大了小顶角斜楔抵抗摇枕和侧架之间菱形变形力矩的力臂长度，又增加了小顶角斜楔主、副摩擦面与侧架立柱摩擦板和摇枕八字面的接触面积，从而进一步提高摇枕组成和侧架组成之间的抗菱刚度。

更佳地，所述减振弹簧的力学性能满足如下数学关系：K₁×ctgα＝K×C/2μ；其中，K₁为所述减振弹簧的刚度，K为所述中央弹簧悬挂装置的总刚度(可由设计要求确定)，C为铁道货车转向架的相对摩擦系数，且C的取值范围为0.05～0.15，μ即是所述主摩擦面的摩擦系数。因减振弹簧的刚度K₁与小顶角斜楔的ctgα成反比，可根据α值的变化相应调节K₁值，从而确保取得合适的摩擦减振力，不致使衰减车辆的垂向振动和横向振动的摩擦力过大。

本发明的优点在于：所设计转向架的小顶角斜楔既可保证在摇枕组成作上下运动时能自由运动，又可保证在摇枕组成作纵向移动时锁死，这样转向架在没有侧架交叉支撑装置或弹簧托板的条件下仍具有足够大的抗菱刚度和优良的动力学性能，而小顶角斜楔宽度大于传统变摩擦斜楔1.3倍以上的设计也从另一方面强化了其抗菱刚度和动力学性能，从而可大幅提高车辆运行的临界设计速度和曲线通过能力，改善铁道车辆的运行品质。同时，该转向架结构简单、簧下质量轻、制造和检修成本低廉，符合时速120km/h铁道货车制造的设计要求，可满足铁道货车大幅提速的需要。

附图说明

图1为一种大抗菱刚度铁道货车转向架的立体结构示意图；

图2为图1所示转向架的中央弹簧悬挂装置的剖视结构示意图；

图3为图2所示中央弹簧悬挂装置的小顶角斜楔的结构参数标示图；

图4为图2所示中央弹簧悬挂装置的小顶角斜楔在摇枕组成纵向运动时的受力平衡示意图；

图5为图2所示中央弹簧悬挂装置的小顶角斜楔在摇枕组成向下运动时的受力平衡示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明的大抗菱刚度铁道货车转向架，主要由前后轮对组成4、两个侧架组成1、一个摇枕组成2、两组中央弹簧悬挂装置8、两个下旁承组成3以及基础制动装置5构成。轮对组成4的两端安装有轴承组成7，侧架组成1的两端导框通过承载鞍6承放在轴承组成7上。摇枕组成2的两端安装在中央弹簧悬挂装置8上，中央弹簧悬挂装置8承放在侧架组成1的中央方框内。

如图2所示，中央弹簧悬挂装置8主要由承载弹簧组件8c、安装在承载弹簧组件8c两侧的减振弹簧8b、以及安装在减振弹簧8b顶端的小顶角斜楔8a构成。承载弹簧组件8c和减振弹簧8b的下端安装在侧架组成1的中央方框弹簧承台上。使小顶角斜楔8a垂直的主摩擦面8a₁与侧架组成1的侧架立柱摩擦板1a贴合接触，小顶角斜楔8a倾斜的副摩擦面8a₂与摇枕组成2的摇枕八字面2a贴合接触，由此实现小顶角斜楔8a的减振摩擦力与摇枕组成2承受的垂直载荷成正比。小顶角斜楔8a属变摩擦斜楔类别，在车辆空、重不同载重运行时都能较好地起到摩擦减振作用。

图3标示了小顶角斜楔8a的主要结构设计参数L和α。其中：L为小顶角斜楔8a的宽度，α为小顶角斜楔8a的副摩擦面8a₂与铅垂面之间的夹角，它们满足如下数学关系：L＝200～260mm，α＝16～30°，且μ＜tgα＜μ+μ₁。这里，μ为小顶角斜楔8a的主摩擦面8a₁的摩擦系数，μ₁为小顶角斜楔8a的副摩擦面8a₂的摩擦系数。根据α值的设计要求，可以选择合适的材料或结构使μ值和μ₁值也达到设计要求。

图4标示了摇枕组成相对于侧架组成作纵向运动时，摇枕八字面2a给小顶角斜楔8a的作用力N、摇枕八字面2a与小顶角斜楔8a的副摩擦面8a₂之间的摩擦力F_f、以及侧架立柱摩擦板1a与小顶角斜楔8a的主摩擦面8a₁之间的摩擦力F_z。由图4可知，小顶角斜楔8a所受作用力N的垂向分力N_y＝N×sinα，小顶角斜楔8a所受作用力N的纵向分力N_z＝N×cosα。且小顶角斜楔8a同时受其主摩擦面8a₁和副摩擦面8a₂向上的摩擦力阻止，主摩擦面8a₁上产生的摩擦力F_z＝N_z×μ＝N×cosα×μ，副摩擦面8a₂上产生摩擦力F_f＝N×μ₁。根据设计要求N_y＜F_z+F_f×cosα，即N×sinα＜N×cosα×μ+N×μ₁×cosα，简化后即得tgα＜μ+μ₁。这样，小顶角斜楔8a被其主摩擦面8a₁和副摩擦面8a₂的摩擦力锁死而不能向下运动，摇枕组成和侧架组成之间具有足够大的抗菱刚度。

图5标示了摇枕组成相对于侧架组成作向下运动时，摇枕八字面2a给小顶角斜楔8a的作用力N、摇枕八字面2a与小顶角斜楔8a的副摩擦面8a₂之间的摩擦力F_f、以及侧架立柱摩擦板1a与小顶角斜楔8a的主摩擦面8a₁之间的摩擦力F_z。由图5可知，小顶角斜楔8a所受作用力N的垂向分力N_y＝N×sinα，小顶角斜楔8a所受作用力N的纵向分力N_z＝N×cosα。但小顶角斜楔8a只受其主摩擦面8a₁向上摩擦力F_z的阻止，而其副摩擦面8a₂上的摩擦力F_f是向下的，主摩擦面8a₁上产生的摩擦力F_z＝N_z×μ＝N×cosα×μ。根据设计要求F_z＜N_y，即N×cosα×μ＜N×sinα，简化后即得μ＜tgα。这样，小顶角斜楔8a不会被其主摩擦面8a₁的摩擦力锁死，在摇枕组成作上下运动时能自由运动，可保证转向架在车辆运行中正常衰减振动的功能。

由图5还可知，小顶角斜楔8a的减振力主要是其主摩擦面8a₁产生的摩擦力F_z，而摩擦力F_z还与减振弹簧8b的承载力P相关，F_z＝P×ctgα×μ，P＝K₁×y，其中：K₁为减振弹簧8b的刚度，y为减振弹簧8b的挠度。由此可得F_z＝K₁×y×ctgα×μ。为保持小顶角斜楔8a适度的减振力，所设计减振弹簧8b的力学性能应满足如下数学关系：K₁×ctgα＝K×C/2μ；其中，K为中央弹簧悬挂装置8的总刚度，C为铁道货车转向架的相对摩擦系数，且C的取值范围为0.05～0.15。由于K值和μ值是由设计要求确定的，这样当α值趋小时，ctgα相应趋大，减振弹簧8b的刚度K₁可相应选小，从而确保铁道货车转向架的相对摩擦系数C始终稳定在0.05～0.15的范围内，不致使衰减车辆的垂向和横向振动的摩擦力过大。

本发明采用上述结构后，在不加装侧架交叉支撑装置或弹簧托板的情况下，同样具有足够的抗菱刚度、较高的临界速度、以及极好的曲线通过性能，适用于时速120km/h的新型铁道货车，满足铁道货车大幅提速的需要。

Claims

1.一种大抗菱刚度铁道货车转向架，包括前后轮对组成(4)、两个侧架组成(1)、一个摇枕组成(2)和两组中央弹簧悬挂装置(8)，所述轮对组成(4)的两端安装有轴承组成(7)，所述侧架组成(1)的两端导框通过承载鞍(6)承放在所述轴承组成(7)上，所述摇枕组成(2)的两端安装在所述中央弹簧悬挂装置(8)上，所述中央弹簧悬挂装置(8)承放在所述侧架组成(1)的中央方框内，所述中央弹簧悬挂装置(8)包括承载弹簧组件(8c)、安装在承载弹簧组件(8c)两侧的减振弹簧(8b)、以及安装在减振弹簧(8b)顶部的小顶角斜楔(8a)，所述小顶角斜楔(8a)的主摩擦面(8a₁)与侧架组成(1)的侧架立柱摩擦板(1a)贴合，所述小顶角斜楔(8a)的副摩擦面(8a₂)与摇枕组成(2)的摇枕八字面(2a)贴合，其特征在于：所述小顶角斜楔(8a)的结构设计参数满足如下数学关系：α＝16～30°，μ＜tgα＜μ+μ₁；其中，α为所述副摩擦面(8a₂)与铅垂面之间的夹角，μ为所述主摩擦面(8a₁)的摩擦系数，μ₁为所述副摩擦面(8a₂)的摩擦系数；所述减振弹簧(8b)的力学性能满足如下数学关系：K₁×ctgα＝K×C/2μ；其中，K₁为所述减振弹簧(8b)的刚度，K为所述中央弹簧悬挂装置(8)的总刚度，C为铁道货车转向架的相对摩擦系数，且C的取值范围为0.05～0.15。

2.根据权利要求1所述的大抗菱刚度铁道货车转向架，其特征在于：所述小顶角斜楔(8a)的宽度L＝200～260mm。