鐵道車輛轉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構設計、安裝方式等。本文在研究彈簧特性的基礎上，分析橫向載荷、端圈支撐面偏心量和軸箱體的旋轉對彈簧有效圈應力的影響，具有重要的理論和工程實踐意義。

關鍵詞：鐵道車輛；轉向架；軸箱定位；彈簧特性

1 導言

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伏直流發電機供給，能運載20名乘客，時速12千米，同年在柏林貿易展覽會上，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合制造的三相交流電動機，在23千米長的電氣化鐵路上創造了時速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上獲取電能的，接觸網供給電力機車的電流有直流和交流兩種。

3 現狀研究分析

彈簧作為鐵道車輛上重要的承載結構，其疲勞強度的分析一直都是國內專家學者的重點研究課題。2000年，趙洪倫運用試樣測試及數理統計方法，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，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上測定彈簧鋼的屈服極限s？、強度極限b？和對稱循環下的疲勞極限1N，獲得材料的Goodman-Smith圖。彈簧鋼一般按剪切應力進行強度設計和校核，因此，對靜拉伸屈服極限、強度極限和旋轉彎曲疲勞極限進行修正，繪出以剪應力表示的Goodman-Smith圖，如圖1所示。Goodman-Smith圖是一種疲勞應力包絡圖，只有位于封閉折線內的點才是安全的。由圖可知經過fN次循環不發生疲勞破壞的應力極限。由于機車車輛壓縮彈簧平均應力大于零，參考使用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構特點和運用現狀，基于EN13906-1標準規定的熱卷彈簧疲勞強度Goodman曲線圖，分析彈簧的許用疲勞應力，提出彈簧優化設計方法[.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，結合承受扭轉切應力和軸向正應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。根據作用力與反作用力原理，下面部分豎截面應力合力為剪力FS和力矩T，如圖2所示，有下列關系式成立：

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

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

只考慮扭轉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。對應的彈簧剛度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 結論

鐵路運輸的高速發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鐵運公司車輛作業區）