铁道车辆转向架轴箱定位弹簧特性分析

王强

摘要：对轴箱弹簧断裂的原因进行统计分析，可知引起一系悬挂弹簧断裂的原因很多，主要分为弹簧缺陷影响、承载影响和装配影响。缺陷影响包括热处理缺陷、簧条棒料缺陷、机械硬伤等，承载影响包括轴向承载不均、横向载荷过大等，装配影响包括端部结构设计、安装方式等。本文在研究弹簧特性的基础上，分析横向载荷、端圈支撑面偏心量和轴箱体的旋转对弹簧有效圈应力的影响，具有重要的理论和工程实践意义。

关键词：铁道车辆；转向架；轴箱定位；弹簧特性

1 导言

随着我国铁路运输进入高速重载的新时代，铁路列车运行的平稳性与安全性越来越重要。轴箱弹簧悬挂装置对车辆运行是否平稳舒适，能否顺利通过曲线并保证车辆安全运行起着重要作用。

2 电力机车发展及分类

1935年荷兰的斯特拉廷和贝克尔两人，试制了以电池供电的两轴小型铁路电力机车；1842年，苏格兰的戴维森制造出一台由40组电池供电的标准轨距的电力机车；1979年，德国的西门子设计制造了一辆小型电力机车，电源由机车外部的150伏直流发电机供给，能运载20名乘客，时速12千米，同年在柏林贸易展览会上，西门子驾驶这辆电力机车首次成功运行。1890年英国伦敦首次用电力机车在5.6公里长的一段地下铁道上牵引车辆。1895年美国的巴尔的摩铁路隧道区段采用干线电力机车。1903年，德国人用西门子公司和美国通用电气公司联合制造的三相交流电动机，在23千米长的电气化铁路上创造了时速210千米的记录。20世纪初，欧洲就有几个国家曾建成几段以三相交流电供电的电气化铁路。中国1988年制成了第一台“韶山”型电力机车，1998电力机车是从接触网上获取电能的，接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。

3 现状研究分析

弹簧作为铁道车辆上重要的承载结构，其疲劳强度的分析一直都是国内专家学者的重点研究课题。2000年，赵洪伦运用试样测试及数理统计方法，对铁路机车车辆弹簧钢60Si2MnR进行了试验研究，测定了材料试样的疲劳性能参数，得到存活率、置信度为95%的P-S-N曲线和修正的Goodman疲劳极限图。2006年，商跃进在拉伸试验的基础上测定弹簧钢的屈服极限s？、强度极限b？和对称循环下的疲劳极限1N，获得材料的Goodman-Smith图。弹簧钢一般按剪切应力进行强度设计和校核，因此，对静拉伸屈服极限、强度极限和旋转弯曲疲劳极限进行修正，绘出以剪应力表示的Goodman-Smith图，如图1所示。Goodman-Smith图是一种疲劳应力包络图，只有位于封闭折线内的点才是安全的。由图可知经过fN次循环不发生疲劳破坏的应力极限。由于机車车辆压缩弹簧平均应力大于零，参考使用Goodman-Smith图的第一象限部分。

2016年，陈长健针对机车车辆双圈螺旋压缩钢弹簧的结构特点和运用现状，基于EN13906-1标准规定的热卷弹簧疲劳强度Goodman曲线图，分析弹簧的许用疲劳应力，提出弹簧优化设计方法[.2016年，王仁智对圆柱螺旋弹簧的正断和切断型疲劳断裂模式进行研究，结合承受扭转切应力和轴向正应力的圆柱体的受力分析。

4 局部坐标系的定义

4.1 在对弹簧工作应力进行分析

目前，定义弹簧局部坐标系，如图2所示。沿垂直于簧条轴线方向截切弹簧有效圈，得到圆形横截面，以圆心为原点，以截面法线为t轴，水平指向弹簧中心轴线为l

轴，b轴垂直于tl平面且与z轴正方向的夹角余弦为正值。

4.2 轴向载荷和扭矩作用下的计算

首先分析弹簧仅受到轴向载荷P作用时，弹簧竖截面上的应力合力。在有效圈任意位置垂直截取弹簧，取下面部分为研究对象，上面部分沿中心轴线受到力P的作用。为保持上面部分的平衡，在上面部分的竖截面上，应力合力为与轴向载荷相反的通过形心的剪力-P和力矩PD/2。根据作用力与反作用力原理，下面部分竖截面应力合力为剪力FS和力矩T，如图2所示，有下列关系式成立：

横截面上有剪力，截面上各点的切应力与剪力不平行，b）的剪应力叠加，得到下列公式：

当横截面存在剪应力时，仍可按照纯弯曲公式计算正应力，对结果的影响并不显著。与轴向载荷对应的正应力均布于横截面，故弹簧横截面上任意点（l，b）正应力为：

只考虑扭转力矩对弹簧的变形影响，则弹簧变形量为：

式中n——弹簧有效圈圈数。对应的弹簧刚度kq为：

上式忽略了剪力、弯矩的影响。考虑剪力和弯矩对弹簧的变形影响，根据卡氏第一定理，轴向载荷P和外扭矩T'引起的变形用下列表达式给出：

5 结论

铁路运输的高速发展对铁道车辆的性能提出更高的要求。轴箱弹簧是铁道车辆重要的承载零部件，承受来自构架的各向载荷，缓解车辆行走过程中由于轨道不平顺带来的横向、垂向振动和冲击，是提高车辆运行平稳性重要部件之一。

参考文献：

[1]褚延国，邢春阳.CW—2系列转向架轴箱弹簧定位座裂纹原因分析及改进措施[J].铁道车辆，2006，44（12）：42-43.

[2]田军.202型转向架轴箱弹簧定位装置改进的可行性[J].铁道车辆，1998（6）：24-25.

[3]弘津哲二，曾三元.铁道车辆蛇行运动的模拟分析[J].国外铁道车辆，1985（3）：21-29.

（作者单位：本溪钢铁集团有限公司北营厂区铁运公司车辆作业区）