用調整橡膠層斜面防止軸箱軸承磨損的方法及轉臂節點與流程

2023-05-18 18:52:42 1

本發明涉及到一種機車部件性能的調整方法及裝置，具體涉及到一種通過改變機車轉臂節點的性能來防止或減少機車軸箱軸承磨損的方法及轉臂節點，用以提高機車軸箱軸承的使用壽命。屬機車部件製造技術領域。

背景技術：
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轉臂式軸箱定位方式是一種傳統的軸箱定位方式，廣泛地應用於輕軌、地鐵、普通客車和高速動車組轉向架。所謂轉臂式軸箱定位是將軸箱與定位轉臂結合在一起，組成轉臂軸，將軸箱與定位拉杆合為一體，組成轉臂結構。軸箱轉臂定位是通過轉臂一端的節點與構架安裝座相連。節點由2 個錐形橡膠關節組成，用於提供軸箱定位的縱向剛度並且和一系彈簧共同提供一系橫向剛度，傳遞輪對與構架間的縱向和橫向作用力。軸箱垂向彈性則由一系彈簧提供。轉臂式軸箱定位具有結構簡單、落輪方便的優點，並可方便地更換節點的橡膠關節，調整和改變軸箱縱橫定位彈性參數，實現對轉向架動力學性能的調節，有利於轉向架模塊化和新轉向架的試製。近年來，轉臂軸箱定位開始應用於機車轉向架，如法國T G V - A 高速列車動車轉向架，我國出口哈薩克斯坦的200 km/h 機車都採用轉臂式軸箱定位。在轉臂式軸箱定位中轉臂的定位及其關節的性能對整個轉臂式軸箱定位影響很大。其中，轉臂節點是十分關鍵的一個部件，轉臂節點起著連接轉臂與定位拉杆的作用，由於考慮到彈性形變的需要，一般軸箱轉臂節點都採用金屬—橡膠硫化的彈性元件，用以傳遞輪對與構架之間的牽引力和制動力。輪對與構架間的橫向及縱向相對位移依靠節點橡膠套的變形實現，是直接影響車輛運行穩定性和曲線通過性能的懸掛件。但是如何確定轉臂節點縱向剛度和偏轉剛度是當前首要解決的問題，現在的機車轉臂式軸箱定位中經常出現車軸軸承磨損嚴重，據分析很大程度就在於轉臂節點的性能參數選擇不合適，導致車軸軸承磨損嚴重，這樣將極大影響車輛的正常運行，降低車輛的使用壽命，因此很有必要對此加以進一步研究。

通過專利檢索沒發現有與本發明相同技術的專利文獻報導，與本發明有一定關係的專利主要有以下幾個：

1、專利號為CN01213318，名稱為「車輛轉向架軸箱轉臂懸掛用無摩損複合節點套」 的實用新型專利，該專利公開了一種車輛轉向架軸箱轉臂懸掛用無摩損複合節點套，是由芯軸、彈性橡膠體和外金屬套三部分組成，芯軸的芯包為球體狀，彈性橡膠體與芯軸和外金屬套均為球面接觸，彈性橡膠體通過硫化粘接於芯軸和外金屬套上。其整體的靜態性能為軸向與徑向剛度比為1∶2.5～3.2，且外金屬套2為等分的分瓣式結構，可以是三瓣式結構或多瓣式結構，在瓣與瓣之間有一軸向的壓縮槽，並且，為保證所需的壓裝力，金屬外套與安裝孔為小過盈配合安裝。

2、專利號為CN200820072284，名稱為「高速動車組轉向架的轉臂式軸箱定位裝置」 實用新型專利，該專利公開了一種高速動車組轉向架的轉臂式軸箱定位裝置，包括軸箱、連接塊、橡膠節點、軸箱彈簧，軸箱為分體式，由上軸箱和下軸箱兩部分構成，軸箱上設有安全擋板，軸箱彈簧與軸箱之間設有疊層彈簧。

3、專利號為CN201210084417， 名稱為「一種轉向架轉臂式軸箱定位裝置」的發明專利，該專利公開了一種轉向架轉臂式軸箱定位裝置，它包括一定位轉臂、一軸箱體、一構架定位轉臂座、一軸箱彈簧、一軸箱橡膠墊組成、一單向軸箱油壓減振器和一構架；所述定位轉臂一端通過螺栓固定在所述軸箱體的承載座上，另一端通過彈性節點與所述構架定位轉臂座連接，構成鉸接臂；位於所述軸箱體頂部和架構之間設置有所述軸箱彈簧，並在所述軸箱體與所述軸箱彈簧之間增設有所述軸箱橡膠墊組成；位於所述定位轉臂端部與所述構架端部通過所述單向軸箱油壓減震器連接。

3、專利號為US19920892713， 名稱為「Axle box suspension with resilient elements adhered to the movable components such that all relative movement between the components occurs by deformation of the resilient elements」的發明專利，該專利公開了一種軸箱懸掛裝置，該裝置軸箱一端為轉臂，轉臂通過彈性元件連接到車架，使縱向，橫向和垂直旋轉運動的轉軸和車架之間可以通過變形的彈性元件和轉軸之間實現轉臂無間隙運動，使車輛的行駛穩定性大大提高。此外，由於軸箱懸掛設有相對滑動部件之間限定或間隙，有效的降低或消除長期的磨損，減少零件的替換，維護更加便利。

上述這些專利雖然都涉及到轉臂節點的一些結構改進，但是都沒有提出具體的如何通過轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度調整，來提高轉臂式軸箱定位中轉臂的性能，防止車軸軸承的磨損。

同時，我們通過對現有車軸軸承磨損的研究，我們發現之所以會出現車軸軸承磨損，主要是車輛在高速通過曲線時，輪對會對鋼軌產生很大的橫向載荷，由於轉臂節點是連接一系轉臂軸和轉向架構架的連接件，所以對軸箱及軸箱內的軸承具有很大的限制性作用，目前的轉臂節點的縱向（徑向）剛度和偏轉剛度過大，這將會使輪對會對鋼軌橫向載荷進一步加大；同時，鋼軌也會對輪對產生同樣大的橫向反作用力，從而磨耗輪緣；同樣，這種橫向載荷也會增大軸箱內部的軸承的橫向載荷，從而造成軸箱內部的軸承磨損加重。因此要減少軸箱內部的軸承磨損，適當降低轉臂節點的縱向剛度是十分有益的，但是如果轉臂節點的縱向剛度降低過多，將使得轉臂節點連接軸箱與構架的連接限制作用受到影響；這樣車輛將會出現車輛蛇形運動，降低平穩性，嚴重時將會出現脫軌。因此如何選擇合適的轉臂節點縱向（徑向）剛度成為了有效防止軸箱內部的軸承磨損的關鍵。而轉臂節點縱向（徑向）剛度的選擇很大程度上取決於轉臂節點橡膠層的選擇，一般對於轉臂節點橡膠層的設計都主要是從橡膠層的縱向與軸向剛度比來考慮的，將其徑向/軸向剛度比(簡稱徑/軸剛度比)一般限於7∶ 1左右，而且都是通過改變橡膠層的布局斜面結構和方式考慮比較多。但是在研究中發現，由於轉臂式軸箱定位中轉臂節點採取的是兩節組合結構，所以兩節轉臂節點的對稱度，錐軸與錐孔的配合,及其轉向架四個節點及他部件的累積公差,造成節點安裝後轉臂與構架偏心,從而增加了節點的橫向和偏轉載荷,這將增加輪對磨耗等問題，從而增加軸箱內部的軸承磨損。實際上目前我們在確定轉臂節點橡膠層的設計時只考慮徑向/軸向剛度比是不夠的，轉臂節點在實際應用中所承受的是同時存在徑向、軸向、偏轉及扭轉載荷，屬於複合承載元件，因此應該從徑向、軸向、偏轉及扭轉四個方面對轉臂節點進行限定才比較真實。

此外，我們通過分析研究還發現，轉臂節點主要是傳遞縱向牽引力，在橫向和縱向引導輪對，而不限制一系鋼彈簧垂直方向上的位移，且對於軸箱頂置式的一系轉臂式軸箱來說，轉臂節點幾乎不承受垂向載荷，也就是說轉臂節點所希望的橫向和垂向的剛度是不一樣的。為了滿足這種需求目前一般都是通過在轉臂節點橡膠層較小載荷的方向上挖出一些孔或槽，形成空實向相結合的橡膠體結構來實現，但這樣做會給安裝帶來很大的麻煩，安裝時需要對準方向安裝，否則將達不到所希望的效果。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有機車轉臂式軸箱定位中經常出現車軸軸承磨損嚴重的問題，提出一種防止或降低機車車軸軸承磨損的方法及轉臂節點，該方法及轉臂節點通過改變轉臂式軸箱定位中的轉臂節點的部分結構有效降低車軸軸承磨損。

為了達到這一目的，本發明提供了一種通過改變轉臂式軸箱定位中的方式防止軸箱軸承磨損的方法，為用調整轉臂節點橡膠層斜面結構防止軸箱軸承磨損的方法，採用兩節錐形內孔轉臂節點組合結構，並將兩節轉臂節點的橡膠層相對斜向布置，通過改變轉臂節點橡膠層斜面的角度來調整轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性，使得轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度下降，同時通過增加軸向剛度，避免扭轉剛度下降，有效降低車軸軸承磨損。

進一步地，所述的通過改變轉臂節點橡膠層斜面的角度來調整轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性是指將轉臂節點橡膠層斜面與軸線夾角的角度為14~28度，並保證轉臂節點的徑向剛度控制在11-13KN.mm-1，從而減少車輛在高速通過曲線時的橫向載荷，減少軸箱內部的軸承磨損。

進一步地，所述的通過改變轉臂節點橡膠層斜面的角度來調整轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性是指將轉臂節點橡膠層斜面與軸線夾角的角度為14~28度，並保證轉臂節點的軸向剛度控制在6-8KN.mm-1，通過適當提高轉臂節點的軸向剛度，來降低轉臂節點的縱向剛度，並通過控制縱向剛度降低偏轉剛度，同時保證扭轉剛度不下降。

進一步地，所述的改變轉臂節點橡膠層斜面的角度來調整轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性的方式是採取兩節式錐形組合結構，並通過計算轉臂節點扭轉角和偏轉角度來確定轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度，再由轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度確定轉臂節點的斜面角度，保證轉臂節點每一節的斜面角度在14~28度，左橡膠層和右橡膠層的長度在35-60mm，並降低徑向剛度，保證轉臂節點的徑向剛度控制在11-13KN.mm-1，提高轉臂節點的軸向剛度，軸向剛度控制在6-8KN.mm-1，防止或降低軸箱內部的軸承磨損。

進一步地，所述的轉臂節點橡膠層斜面的角度與轉臂節點徑向剛度匹配關係成反比，與軸向剛度的匹配關係成正比，關係式如下：

橡膠層斜面的角度= Ea‧Er‧( Ka / Kr)

式中：Ea——軸向剛度彈性模量修正係數；

Er——縱向剛度彈性模量修正係數；

Ka——轉臂節點的軸向剛度；

Kr——轉臂節點的縱向剛度；

其中，Ea的取值範圍為1.1~1.3；Er的取值範圍為0.5~0.6。

一種轉臂節點，轉臂節點由兩節對稱結構的彈性橡膠件組合形成，包括左金屬外套和左金屬內套，在左金屬外套和左金屬內套之間整體硫化有左橡膠層，以及右金屬外套和右金屬內套，在右金屬外套和右金屬內套之間整體硫化有右橡膠層；左橡膠層和右橡膠層分別相向斜向布置，左金屬內套與右金屬內套的內孔也分別為錐孔相向布置；其特徵在於，左橡膠層和右橡膠層的斜面與軸線夾角的角度在14~28度，左橡膠層和右橡膠層的斜面長度在35-60mm，並保證轉臂節點的徑向剛度控制在11-13KN.mm-1，軸向剛度控制在6-8KN.mm-1，並通過控制縱向剛度降低偏轉剛度。

進一步地，所述的轉臂節點橡膠層斜面與軸線夾角的角度在24~28度；橡膠層長度控制在38-45mm，並保證轉臂節點的徑向剛度控制在12-13KN.mm-1，軸向剛度控制在7-8KN.mm-1。

進一步地，所述的轉臂節點橡膠層斜面與軸線夾角的角度在28度；橡膠層長度控制在40mm，並保證轉臂節點的徑向剛度控制在12.5KN.mm-1，軸向剛度控制在7.5KN.mm-1。

本發明的優點在於：

本發明是在經過對現場運用的轉臂式軸箱定位中經常出現車軸軸承磨損嚴重的問題進行反覆研究後，發現車輛在高速通過曲線時，輪對會對鋼軌產生很大的橫向載荷，如果轉臂節點的縱向剛度過大，將會使橫向載荷進一步加大，加速軸箱內部的軸承磨損的實際情況，提出通過調整轉臂節點橡膠層斜面角度防止軸箱軸承磨損的方法，這在目前的實際應用中很少從橡膠層的斜面角度來考慮，但我們通過試驗發現橡膠層的斜面角度選擇對於改變轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性是十分重要的，而且通過調整徑向剛度和軸向剛度的匹配性，使得徑向剛度下降，軸向剛度增加，以保證轉臂節點的整體剛度不下降，對於防止橫向載荷增加是很有幫助的。根據這種情況，我們經過多種方案的分析研究提出改進轉臂節點的橡膠層斜面角度，以求通過轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性，來適當降低轉臂節點的徑向剛度，提高轉臂節點的軸向剛度，從而降低軸箱內部的軸承橫向載荷，防止軸箱內部的軸承磨損；本發明提出採取兩節式錐形組合結構，並通過計算轉臂節點扭轉角和偏轉角度來確定轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度，再由轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度確定轉臂節點的斜面角度，保證轉臂節點每一節的斜面角度在14~28度，左橡膠層和右橡膠層的長度在35-60mm，並降低徑向剛度，保證轉臂節點的徑向剛度控制在11-13KN.mm-1，提高轉臂節點的軸向剛度，軸向剛度控制在6-8KN.mm-1，試驗證明這樣可以有效防止或降低軸箱內部的軸承磨損。

附圖說明

圖1是本發明轉臂節點的組合結構示意圖；

圖2是本發明單一節轉臂節點的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例來進一步闡述本發明。

附圖1給出了本發明的原理示意，從附圖中可以看出，本發明涉及一種通過改變轉臂式軸箱定位中的方式防止軸箱軸承磨損的方法，為用調整轉臂節點橡膠層斜面結構防止軸箱軸承磨損的方法，採用兩節錐形內孔轉臂節點組合結構，並將兩節轉臂節點的橡膠層相對斜向布置，通過改變轉臂節點橡膠層斜面的角度來調整轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性，使得轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度下降，同時通過增加軸向剛度，避免扭轉剛度下降，有效降低車軸軸承磨損。

進一步地，所述的通過改變轉臂節點橡膠層斜面的角度來調整轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性是指將轉臂節點橡膠層斜面與軸線夾角的角度為14~28度，並保證轉臂節點的徑向剛度控制在11-13KN.mm-1，並通過控制縱向剛度降低偏轉剛度，從而減少車輛在高速通過曲線時的橫向載荷，減少軸箱內部的軸承磨損。

進一步地，所述的通過改變轉臂節點橡膠層斜面的角度來調整轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性是指將轉臂節點橡膠層斜面與軸線夾角的角度為14~28度，並保證轉臂節點的軸向剛度控制在6-8KN.mm-1，通過適當提高轉臂節點的軸向剛度，來降低轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度，同時保證偏轉剛度和扭轉剛度不下降。

進一步地，所述的改變轉臂節點橡膠層斜面的角度來調整轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性的方式是採取兩節式錐形組合結構，並通過計算轉臂節點扭轉角和偏轉角度來確定轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度，再由轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度確定轉臂節點的斜面角度，保證轉臂節點每一節的斜面角度在14~28度，左橡膠層和右橡膠層的長度在35-60mm，並降低徑向剛度，保證轉臂節點的徑向剛度控制在11-13KN.mm-1，並通過控制縱向剛度降低偏轉剛度，提高轉臂節點的軸向剛度，軸向剛度控制在6-8KN.mm-1，防止或降低軸箱內部的軸承磨損。

進一步地，所述的轉臂節點橡膠層斜面的角度與轉臂節點徑向剛度匹配關係成反比，與軸向剛度的匹配關係成正比，關係式如下：

橡膠層斜面的角度= Ea‧Er‧( Ka / Kr)

式中：Ea——軸向剛度彈性模量修正係數；

Er——縱向剛度彈性模量修正係數；

Ka——轉臂節點的軸向剛度；

Kr——轉臂節點的縱向剛度；

其中，Ea的取值範圍為1.1~1.3；Er的取值範圍為0.5~0.6。

實施例一

附圖1和2給出了本發明的一個具體實施例；一種轉臂節點，轉臂節點由兩節對稱結構的彈性橡膠件組合形成，包括左金屬外套2和左金屬內套1，在左金屬外套2和左金屬內套1之間整體硫化有左橡膠層3，以及右金屬外套4和右金屬內套5，在右金屬外套4和右金屬內套5之間整體硫化有右橡膠層6；左金屬內套1與右金屬內套5的內孔分別為錐孔相向布置，即錐孔的大頭在外，錐孔的小頭在內背靠背緊貼靠在一起；其特徵在於，左橡膠層3和右橡膠層6分別相向斜向布置，兩節轉臂節點組合起來後形成「八字」形的截面，且左橡膠層和右橡膠層的斜面與軸線夾角的角度A在14~28度，左橡膠層和右橡膠層的長度L在35-60mm，左橡膠層和右橡膠層的厚度H在22-30mm，並保證轉臂節點的徑向剛度控制在11-13KN.mm-1，軸向剛度控制在6-8KN.mm-1。所述的左橡膠層3和右橡膠層6分別相向斜向布置是將左金屬外套2的內面7和左金屬內套1的外面8與左橡膠層3接觸面，以及右金屬外套4的內面10和右金屬內套5的外面9與右橡膠層6接觸面均做成相同斜率的斜面，並保證斜面與軸線夾角的角度A在14~28度，使得左橡膠層3和右橡膠層6在與外套和內套接觸時形成斜面接觸，並保證轉臂節點的徑向剛度控制在11-13KN.mm-1，軸向剛度控制在6-8KN.mm-1。

實施例二

實施例二與實施例一的結構基本一樣，只是所增加的橡膠層斜面的角度不一樣，所述的轉臂節點橡膠層斜面與軸線夾角的角度在24~28度；橡膠層長度控制在38-45mm，左橡膠層和右橡膠層的厚度H在25-28mm，並保證轉臂節點的徑向剛度控制在12-13KN.mm-1，軸向剛度控制在7-8KN.mm-1。

實施例三

實施例三與實施例一的結構基本一樣，只是所增加的橡膠層斜面的角度不一樣，所述的轉臂節點橡膠層斜面與軸線夾角的角度在28度；橡膠層長度控制在40mm，左橡膠層和右橡膠層的厚度H在27mm，並保證轉臂節點的徑向剛度控制在12.5KN.mm-1，軸向剛度控制在7.5KN.mm-1。

上述所列實施例，只是結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整的描述；顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明的優點在於：

本發明是在經過對現場運用的轉臂式軸箱定位中經常出現車軸軸承磨損嚴重的問題進行反覆研究後，發現車輛在高速通過曲線時，輪對會對鋼軌產生很大的橫向載荷，如果轉臂節點的縱向剛度過大，將會使橫向載荷進一步加大，加速軸箱內部的軸承磨損的實際情況，提出通過調整轉臂節點橡膠層斜面角度防止軸箱軸承磨損的方法，這在目前的實際應用中很少從橡膠層的斜面角度來考慮，但我們通過試驗發現橡膠層的斜面角度選擇對於改變轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性是十分重要的，而且通過調整徑向剛度和軸向剛度的匹配性，使得徑向剛度下降，軸向剛度增加，以保證轉臂節點的整體剛度不下降，對於防止橫向載荷增加是很有幫助的。根據這種情況，我們經過多種方案的分析研究提出改進轉臂節點的橡膠層斜面角度，以求通過轉臂節點的徑向剛度和軸向剛度的匹配性，來適當降低轉臂節點的徑向剛度，提高轉臂節點的軸向剛度，從而降低軸箱內部的軸承橫向載荷，防止軸箱內部的軸承磨損；本發明提出採取兩節式錐形組合結構，並通過計算轉臂節點扭轉角和偏轉角度來確定轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度，再由轉臂節點的縱向剛度和偏轉剛度確定轉臂節點的斜面角度，保證轉臂節點每一節的斜面角度在14~28度，左橡膠層和右橡膠層的長度在35-60mm，並降低徑向剛度，並通過控制縱向剛度降低偏轉剛度，保證轉臂節點的徑向剛度控制在11-13KN.mm-1，提高轉臂節點的軸向剛度，軸向剛度控制在6-8KN.mm-1，試驗證明這樣可以有效防止或降低軸箱內部的軸承磨損。