弹簧缓冲结构在冶金车辆中的应用

宋贵芳，佟继龙

（1.秦皇岛秦冶重工有限公司，河北 秦皇岛 066318；2.辽宁省机械研究院有限公司，沈阳 110032）

1 引言

冶金行业使用的炼钢炼铁车辆属于重型机械，如钢包车、废钢车、铁水罐车、板坯运输车等，其工况环境差，多为高温、粉尘、重载、冲击的工况，在这类车辆的设计上，就需要考虑对车辆的防护结构，以保证车辆安全和长效的使用。

重载、冲击工况的车辆，通常需设计缓冲装置来保护车体。缓冲装置型式多样，可利用材料特性或结构型式来实现功能，常用材料有高分子材料、橡胶、缓冲胶等，采用结构特性的装置有金属弹簧、液压阻尼、磁力等。弹簧缓冲结构是一种使用较广泛和有效的形式。

2 弹簧缓冲结构的结构形式

弹簧的材料广泛采用硅锰弹簧钢，它是一种价廉的合金弹簧钢，热处理时有较高的淬透性，加热时氧化皮较少，能获得较好的表面质量和较高的疲劳强度。其主要品种有55Si2Mn 钢和60Si2Mn 钢两种。

在弹簧缓冲结构的设计中，多选用圆柱弹簧和碟簧。圆弹簧具有结构简单、质量小的特点，其结构检修制造方便，有的缓冲结构还利用了弹簧的横向弹性，有利于缓和车辆的横向振动。碟形弹簧形状为圆锥碟状，主要特点是：负荷大，行程短，所需空间小，组合使用方便，维修换装容易，经济安全性高。适用于空间小、负荷大的精密重型机械。

在选取弹簧时，弹簧的静刚度和静挠度是两个重要参数。本文主要介绍弹簧缓冲机构中，弹簧的几种布置形式及其在冶金车辆的具体应用。

弹簧的组合布置形式主要有串联组合、并联组合、双卷螺旋弹簧、两级刚度螺旋弹簧等。下面分别列举各种组合布置的结构应用。

2.1 串联组合弹簧

图1

其布置原理见图1。当量刚度为1/K=1/K1+1/K2+…+1/Kn。公司设计制造的抱轴式减速机电动平车采用了这种组合方式。减速机机体通过弹簧吊杆与车体连接，减速机在运行中的振动、冲击产生的能量由弹簧吸收，而且此结构对安装精度要求低，便于减速机的安装与调试，见图2。在碟簧做缓冲的结构中，叠合组合或对合组合的碟簧也是串联组合弹簧的一种。这种情况下，弹簧的位移小，缓冲行程短，组合刚度大，结构紧凑。在板坯称量运输车上，为减小板坯放置时对车体和称量系统的冲击，设计了缓冲平台，平台下方就使用了这种碟簧组合的缓冲结构，见图3。

图2

图3

2.2 并联组合弹簧

图4

其布置原理见图4，当量刚度为K=K1+K2+…+Kn。在车辆的缓冲设计中，通常采用多组弹簧并行来同时起到缓冲作用的结构。而上述板坯称量运输车的缓冲结构，缓冲平台下同时设置了4 套碟簧组合机构，这也是串联、并联结构相结合的应用。

2.3 双卷螺旋弹簧

为使结构紧凑，减小弹簧占用的空间位置，时常采用双卷弹簧来代替单卷弹簧。设计计算中，将内、外卷所承受的载荷按1∶2的比例进行分配。个别情况也有采用三卷弹簧的。凡是采用双卷或三卷螺旋弹簧时，要求其相邻的两层簧的螺旋方向相反，一个是左旋，另一个则必须是右旋，以免相互卡住或簧组转动。设计计算中，对于三卷组合弹簧的内、中、外三卷所承受的载荷按1∶2∶4的比例进行分配。然后分别进行各单卷弹簧参数、簧卷间隙及组合当量刚度等值的设计计算，并适当给予修正，满足设计要求。因为上述方法简便，实际中应用较多。高炉炼铁设备中的铁水罐车，是运用弹簧缓冲最常见的车辆。每台铁水罐车至少需要两套转向架，载重大的需要四套、六套不等。每套转向架含有两套弹簧组，在承载负荷时，每组弹簧发挥着相同的缓冲作用。只有在弯道转弯时，由于外侧弹簧组需提供车辆的向心力，而与内侧弹簧组受力不同，见图5。

2.4 两级刚度螺旋弹簧

货车载重量增加带来的问题之一是空车、重车簧上质量相差很大。如果采用一级刚度的螺旋弹簧组，有可能由于空车弹簧静挠度过小和自振频率过高，而使其振动性能恶化。采用两级刚度的螺旋弹簧组，可使空车时有较大的弹簧静挠度，改善其运行的平稳性，同时提高了车辆对扭曲线路的适应能力，使轮对减载率减小，从而改善其运行的安全性。目前，两级刚度的螺旋弹簧在国内外都不同程度地得到了应用，这是一个值得注意的趋势。两级刚度螺旋弹簧组，应用广泛的是内外簧并联承载，空车时为外簧承载，重车时为内外簧并联承载，又称为不等高两级刚度弹簧组，其结构简单，使用最多，转向架结构的铁水罐车也是这种缓冲结构的典型应用。

另外，有的弹簧缓冲结构利用弹簧的横向弹性来起到缓冲的作用。例如目前新型结构的废钢料篮车。车辆运载废钢料篮，废钢从料篮上方落入料篮，对车体的冲击较大，需要设计缓冲结构以保护车体，见图6。正常状态下，弹簧倾斜向上，处于自然状态。当车体受到冲击时，弹簧受压，发生位移，车体向下移动，冲击能量得到释放，由于弹簧的横向弹性，车体再次复位。此外，弹簧横置，也减小了车辆运行中启动、制动带来的水平冲击。这种缓冲设计，结构简单，检修维护方便，不必拆装车体。

3 结语

综上，在车辆弹簧缓冲的设计应用中，可以根据结构、功能的需要，选择适合的组合形式，以达到最好的缓冲和实际应用效果。

［1］成大先.机械设计手册（第三卷）［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［2］JB/T 5000.10-2007，重型机械通用技术条件［S］.

［3］张质文.起重机设计手册［M］.北京：中国铁道出版社，1997.

［4］高敏，张成中.工业设计工程基础Ⅱ-创意结构与控制基础［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.