一種用於鐵道車輛車下設備懸掛的減振器的製作方法

2023-05-01 00:14:51

本發明涉及鐵道車輛
技術領域：
，尤其是涉及一種用於鐵道車輛車下設備懸掛的減振器。
背景技術：
：採用動力分散的高速列車，牽引變流器、輔助變流器等設備直接吊掛在車體客室下，隨著列車運行速度的提高，採用輕量化設計技術的車體彈性振動加劇，車下設備直接吊掛於車體下方會對車體運行平穩性產生影響，如果吊掛方式不當，可能導致車體振動惡化，降低車輛運行平穩性。目前高速列車車下設備多採用彈性吊掛於車體下方，其剛度通常是基於設備垂向吊掛剛度進行設計的，主要原因是由於用於車下設備吊掛的橡膠彈簧存在固定的垂向、橫向剛度比，一旦垂向剛度確定，橫向剛度即隨之確定。而實際上，僅考慮垂向吊掛剛度時，雖然垂向振動得到了有效控制，但橫向振動控制卻無法取得最優情況。技術實現要素：本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種用於鐵道車輛車下設備懸掛的減振器。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種用於鐵道車輛車下設備懸掛的減振器，包括並聯設置在車體和車下設備之間的橡膠彈簧和僅用於提供負剛度的碟形彈簧負剛度機構。作為優選的技術方案，所述的碟形彈簧負剛度機構的一端分與車體固定連接，另一端與車下設備滾動或滑動連接。作為優選的技術方案，所述的碟形彈簧負剛度機構包括順次連接的碟形彈簧和滾動輪，所述的碟形彈簧與車體固定連接，滾動輪與車下設備滾動連接。作為優選的技術方案，所述的滾動輪設有一個或多個。作為優選的技術方案，所述的碟形彈簧的高厚比大於作為優選的技術方案，所述碟形彈簧為預壓縮碟形彈簧。作為優選的技術方案，所述的橡膠彈簧的兩端分別與車體和車下設備固定連接。作為優選的技術方案，所述的橡膠彈簧為壓縮型橡膠彈簧。作為優選的技術方案，所述的橡膠彈簧及碟形彈簧負剛度機構分別設置有一個或多個。本發明的工作原理為：利用碟形彈簧的負剛度特性，與橡膠彈簧並聯，設計出一種可以實現垂向、橫向吊掛剛度分離的車下設備新型減振器。其設計步驟為：首先，設計橡膠彈簧，使其橫向(x向和y向)剛度與橫向剛度目標值相等；然後，設計碟形彈簧，使其在平衡位置的負剛度與橡膠彈簧垂向(z向)剛度疊加後同垂向剛度目標值相等；最後，通過滑動或滾動連接(優選採用滾動輪的滾動連接)，釋放碟形彈簧橫向自由度，使其提供的橫向剛度為零，實現車下設備垂向與橫向吊掛剛度的最優匹配。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：(1)採用僅提供負剛度的碟形彈簧負剛度機構與橡膠彈簧並聯的結構形式，使橡膠彈簧在垂向剛度與碟形彈簧負剛度疊加後得到目標剛度，以實現車下設備垂向與橫向吊掛剛度的最優匹配，具有垂向、橫向剛度分離的特性，該減振器可有效降低車體振動，提高車輛運行平穩性。(2)裝置可直接安裝在車體與車下設備之間，無須對車體或車下設備進行改造，可用性高，適用性廣。(3)滾動輪可將碟形彈簧橫向(x向和y向)自由度釋放，使碟形彈簧僅提供垂向(z向)剛度。附圖說明圖1為本發明實施例1的減振器的結構示意圖；圖2為本發明實施例1的碟形彈簧截面示意圖；圖3為本發明實施例1的碟形彈簧受力特性曲線；圖4為本發明實施例1的減振器的剛度-位移(k-x)關係圖；圖5為車下設備分別採用本發明的減振器和傳統橡膠減振器的車輛運行工況車體橫向振動功率譜對比圖；圖6為車下設備分別採用本發明的減振器和傳統橡膠減振器的車輛運行工況車體垂向振動功率譜對比圖。圖1中，1為車體，2為車下設備，3為橡膠彈簧，4為碟形彈簧負剛度機構，5為碟形彈簧，6為滾動輪。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例1一種用於鐵道車輛車下設備懸掛的減振器，如圖1所示，包括並聯在車體與車下設備之間的橡膠彈簧3和僅提供負剛度的碟形彈簧負剛度機構4(本實施例中橡膠彈簧3和碟形彈簧負剛度機構4均設有一個)，橡膠彈簧3一端與車體1固定連接，另一端與車下設備2固定連接，碟形彈簧負剛度機構4的一端分與車體1固定連接，另一端與車下設備2滾動或滑動連接(本實施例中，僅提供負剛度的碟形彈簧負剛度機構4包括順次連接的碟形彈簧5和滾動輪6，碟形彈簧5與車體1固定連接，滾動輪6與車下設備2滾動連接，滾動輪6的個數根據需要至少設置一個，本實施中設置兩個滾動輪6)。對於橡膠彈簧3與碟形彈簧5參數設計具體步驟如下：首先，設計橡膠彈簧3，使其橫向剛度與橫向剛度目標值相等；然後，設計碟形彈簧5，使其在平衡位置的負剛度與橡膠彈簧3垂向剛度疊加後同垂向剛度目標值相等；最後，設計滾動輪6，釋放碟形彈簧5橫向(x向和y向)自由度，使其提供的橫向剛度為零，以實現車下設備垂向與橫向吊掛剛度的最優匹配。具體地：本實施選用無支撐面碟形彈簧，截面示意圖如圖2所示。圖中，tc為厚度，h0為初始高度，d為外徑，d為內徑。通常，無支撐面碟形彈簧(外內徑之比c＝1～4)受力可表示為：式中，e為彈性模量，μ為泊松比，x為碟形彈簧從初始位置沿垂向產生的位移，k1與外內徑之比c(c＝d/d)有關：碟形彈簧根據其高厚比不同，會表現出不同的受力特性，當高厚比大於時，其受力特性會出現一段負剛度區域(特性曲線斜率為負值的區域)，如圖3所示。為了研究碟形彈簧負剛度特性，將式(1)進行簡化，令代入式(1)可得上式對x進行求導，可得碟形彈簧剛度表達式為：可以看出，碟形彈簧剛度kd是變形量x的二次函數，其對稱軸為x＝αtc，且kd(0)＝λ(α2+1)/tc＞0，要使碟形彈簧具有負剛度區間，必須滿足δ＝(-3α)2-6(α2+1)＞0，即此時負剛度的區間為：本實施例的減振器剛度-位移曲線如圖4所示，其中kaideal為剛度設計目標值，kd為通過式(4)計算得到的碟形彈簧剛度曲線，kz為所並聯的橡膠彈簧剛度，ka＝kz+kd即為最終獲得的本實施例的減振器垂向剛度曲線。從圖中可以看出，當系統在平衡位置附近振動時，本實施例的減振器垂向剛度ka可達到剛度設計目標值kaideal。橡膠彈簧可分為壓縮型、剪切型和複合型，軌道車輛車下設備彈性吊掛通常用壓縮型橡膠彈簧，其垂向和橫向剛度之比(垂橫剛度比)通常在4.5以上，即kz≥4.5ky，為方便說明，本實施例取垂橫剛度比為4.5的圓柱形橡膠彈簧為例，作為車下設備彈性吊掛原件，其三向剛度關係為：kz＝4.5ky，ky＝kx。現已通過仿真，得到某高速列車車下設備吊掛頻率最優值為垂向9hz、橫向12hz，該設備質量為6400kg，吊掛點數為4，則設備每吊掛點目標剛度值為據此，本實施例的減振器中橡膠彈簧橫向、縱向剛度即為ky＝kyideal，kx＝ky(7)依據橡膠彈簧垂橫比，可得本實施例的減振器中橡膠彈簧垂向剛度為kz＝4.5×ky＝4.09×107n/m(8)那麼，所本實施例的減振器中碟形彈簧其在平衡位置的負剛度即為kd(u＝0)＝kzideal-kz＝-3.58×107n/m(9)根據以上數值，可給定α和c的值，即可確定碟形彈簧其餘各參數，具體如表1所示。表1碟形彈簧各參數參數單位數值含義egpa206彈性模量μ無0.03泊松比α無4高厚比h0mm12.27高度tcm3.07厚度c無2外內徑之比dmm85.78外徑dmm42.89內徑碟形彈簧要求高厚比大於橡膠彈簧採用壓縮型橡膠彈簧，要求其固定形狀，具有固定的垂橫剛度比，通過上述設計，可以實現車下設備垂向與橫向吊掛剛度的最優匹配。圖5、圖6為分別車下設備採用傳統橡膠元件和本發明減振器的車輛仿真運行時，車體中部地板面橫向、垂向振動加速度功率譜密度對比結果。從圖中可以看出，本發明減振器得到的車體中部地板面橫向振動加速度功率譜密度在9～16hz及垂向振動加速度功率譜密度在9～12hz明顯優於傳統橡膠減振元件，說明新型減振器能夠有效降低車體振動彈性振動，提高車輛運行平穩性。實施例2本實施例的用於鐵道車輛車下設備懸掛的減振器與實施例1基本相同，不同之處在於，本實施例中，碟形彈簧5的高厚比大於首先，設計橡膠彈簧，使其橫向(x向和y向)剛度與橫向剛度目標值相等；然後，設計碟形彈簧，使其在平衡位置的負剛度與橡膠彈簧垂向(z向)剛度疊加後同垂向剛度目標值相等；最後，通過滑動或滾動連接(優選採用滾動輪的滾動連接)，釋放碟形彈簧橫向自由度，使其提供的橫向剛度為零，實現車下設備垂向與橫向吊掛剛度的最優匹配。實施例3本實施例的用於鐵道車輛車下設備懸掛的減振器與實施例2基本相同，不同之處在於，本實施例中，碟形彈簧5為預壓縮碟形彈簧。首先，設計橡膠彈簧，使其橫向(x向和y向)剛度與橫向剛度目標值相等；然後，設計碟形彈簧，使其在平衡位置的負剛度與橡膠彈簧垂向(z向)剛度疊加後同垂向剛度目標值相等；最後，通過滑動或滾動連接(優選採用滾動輪的滾動連接)，釋放碟形彈簧橫向自由度，使其提供的橫向剛度為零，實現車下設備垂向與橫向吊掛剛度的最優匹配。實施例4本實施例的用於鐵道車輛車下設備懸掛的減振器與實施例2基本相同，不同之處在於，本實施例中，橡膠彈簧3為壓縮型橡膠彈簧。首先，設計橡膠彈簧，使其橫向(x向和y向)剛度與橫向剛度目標值相等；然後，設計碟形彈簧，使其在平衡位置的負剛度與橡膠彈簧垂向(z向)剛度疊加後同垂向剛度目標值相等；最後，通過滑動或滾動連接(優選採用滾動輪的滾動連接)，釋放碟形彈簧橫向自由度，使其提供的橫向剛度為零，實現車下設備垂向與橫向吊掛剛度的最優匹配。實施例5本實施例的用於鐵道車輛車下設備懸掛的減振器與實施例1基本相同，不同之處在於，本實施中的橡膠彈簧3及碟形彈簧負剛度機構4設置有多個。首先，設計橡膠彈簧，使其橫向(x向和y向)剛度與橫向剛度目標值相等；然後，設計碟形彈簧，使其在平衡位置的負剛度與橡膠彈簧垂向(z向)剛度疊加後同垂向剛度目標值相等；最後，通過滑動或滾動連接(優選採用滾動輪的滾動連接)，釋放碟形彈簧橫向自由度，使其提供的橫向剛度為零，實現車下設備垂向與橫向吊掛剛度的最優匹配。當前第1頁12