CN109236915B - 一种提高高速动车组弹性元件综合性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，根据高速动车组的结构特点，在弹性元件的弹性材料件与金属件结合中设置多个弹性材料件的自由面，并让弹性元件的部分金属件处于悬挂状态，通过弹性材料多个自由面和弹性元件的部分悬浮实现应力释放，降低弹性材料应力，并以此来进行多方向的刚度性能调整。所述的设置多个弹性材料件的自由面是在弹性材料与金属结合中，根各个部件不同的受力情况，不同的角度和不同的位置，分别设置弹性材料的自由面，使得弹性材料在各个方向受力时都可以通过自由面释放应力，降低弹性材料应力。

Description

一种提高高速动车组弹性元件综合性能的方法

技术领域

本发明涉及到一种改善弹性复合元件性能的方法，尤其是指一种用于高速动车组系统的弹性减振元件的综合性能改善方法，利用该种改善方法可以有效地提高弹性元件各个方向的综合性能，从而满足恶劣工况转向架系统的弹性减振需求；属于轨道交通制造技术领域。

背景技术：

高速动车组是指构造速度达到250km/h以上的动车组列车，高速动车组可以满足长距离、大运量、高密度、旅行时间短等运输需求。随着现代高铁技术的不断完善，高速动车组在市场上的应用也越来越普及，已经得到了很多国家的普遍认可。由于高速铁路具有良好的经济促进作用，日本、德国、西班牙、意大利、瑞典、韩国、比利时、荷兰、英国和美国等国家都纷纷研究高速铁路技术，先后发展了一系列的高速动车组。

然而随着列车速度的提高，对车辆各个方面的要求也都在提高，其中，对各个部件的各个方向的抗弯和抗剪切能力都有更高的要求，这就使得应用于这种转向架的弹性减振元件的各种载荷工况更恶劣，现有的一些弹性减振元件已经都不能满足很多高速运行部件的要求；这主要是由于现有的弹性减振元件很多只是考虑了径向刚度的变化，最多也只是会考虑到轴向刚度的变化，而对于这种现在的高速车辆许多情况会出现多方向的负载，所带来的刚度变化已经不单单只是径向和轴向两个方向的变化，会出现3个甚至4个方向的刚度变化；如现有的西班牙Talgo 350列车就因为采用无轮轴转向架（或称独立车轮）技术，所以该车辆的许多弹性元件存在3个以上方向的载荷工况，以至现有的弹性减振元件明显达不到这种要求，因此很有必要开发新的弹性减振元件，以满足现代各种转向架系统弹性减振的需求。

通过专利检索没发现有与本发明相同技术的专利文献报道，与本发明有一定关系的专利主要有以下几个：

1、专利申请号为CN201810127686.9，名称为“一种橡胶金属复合类球铰非线性变刚度调整方法”，申请人为：株洲时代新材料科技股份有限公司的发明专利，该专利公开了一种橡胶金属复合类球铰非线性变刚度方法，通过调整橡胶金属复合类球铰的金属件与橡胶件的位置关系调整橡胶金属复合类球铰的非线性变刚度，调整橡胶金属复合类球铰的金属件与橡胶件的位置关系调整橡胶金属复合类球铰的非线性变刚度，是通过调整橡胶金属复合类球铰的轴向变刚度，使得整个橡胶金属复合类球铰的轴向刚度非线性变化，通过橡胶金属复合类球铰的轴向刚度非线性变化调整橡胶金属复合类球铰的非线性变刚度。

2、专利号为CN201721008845.0，名称为“六自由度缓冲精确复位弹性装置”，申请人为：无锡市宏源弹性器材有限公司的实用新型专利，该专利公开了一种六自由度缓冲精确复位弹性装置，包括上连接台、下连接台以及设置于上连接台和下连接台间的六组支链，每组支链包括一个弹性支撑杆以及弹性支撑杆两端的关节轴承；弹性支撑杆的缸体的上端设置有导向筒，缸体的下端设置有下连接头，导向筒中设置有联动杆，联动杆能够在导向筒中上下滑动，导向筒的下端设置有压块，缸体内设置有导向杆，导向杆的底端连接有挡圈，弹性元件沿导向杆设置于压块和挡圈之间。

3、专利号为CN201810127687.3， 名称为“一种具有轴向非线性变刚度的橡胶金属复合类球铰”，申请人为：株洲时代新材料科技股份有限公司的发明专利，该专利公开了一种具有轴向非线性变刚度的橡胶金属复合类球铰，由橡胶与金属材料复合构成，包括套筒，在套筒内通过过盈配合压装有由橡胶与金属材料复合构成的橡胶金属硫化体，橡胶金属硫化体内包含有轴向变刚度调整装置，通过轴向变刚度调整装置调整橡胶金属复合类球铰的轴向刚度，使得整个橡胶金属复合类球铰的轴向刚度非线性变化。所述的轴向变刚度调整装置分为两部分，一部分为轴向小刚度变刚度调整装置，另一部分为轴向高刚度非线性性变刚度调整装置，通过两部分组合实现整个球铰的轴向非线性变刚度调整。

通过对上述这些专利的仔细分析，这些专利虽然都涉及到弹性元件的性能改进，也提出了一些改进技术方案，但通过仔细分析，所有这些专利都完全没有考虑如何提高弹性元件在各个方向的综合性能，仍就停留在以径向刚度和轴向刚度来进行弹性元件性能的调整，所以难以适应现代转向架系统减振需求的问题，有关高速转向架系统如何提高弹性减振元件的综合性能的问题仍有待进一步加以研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有高速动车组系统的弹性减振元件的各种载荷工况更恶劣，现有的一些弹性减振元件已经都不能满足很多高速运行部件的要求的问题，提出一种新型的高速动车组系统弹性元件的减振方法，该种高速动车组系统弹性元件的减振方法可以有效满足高速动车组转向架系统各种载荷工况的弹性减振需求。

为了达到这一目的，本发明提供了一种提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，根据高速动车组的结构特点，在弹性元件的弹性材料件与金属件结合中设置多个弹性材料件的自由面，并让弹性元件的部分金属件处于悬挂状态，通过弹性材料多个自由面和弹性元件的部分悬浮实现应力释放，降低弹性材料应力，并以此来进行多方向的刚度性能调整。

进一步地，所述的设置多个弹性材料件的自由面是在弹性材料与金属结合中，根各个部件不同的受力情况，不同的角度和不同的位置，分别设置弹性材料的自由面，使得弹性材料在各个方向受力时都可以通过自由面释放应力，降低弹性材料应力。

进一步地，所述的多个弹性材料件的自由面为3个及3个以上的自由面，而且每一个自由面都处于不同的角度和位置，以保证弹性材料件在多个方向受力时的应力释放。

进一步地，所述的多个弹性材料件的自由面为3个自由面，其中一个自由面在弹性材料与金属材料结合的外径方向，另一个在由面在弹性材料与金属材料结合的内径方向，还有一个自由面在弹性材料与金属材料结合的斜向角度方向，形成3个方向的自由面。

进一步地，所述的斜向方向的自由面与内径方向的自由面，以及外径方向的自由面连接形成了一个球形状的弹性材料件结构，整体弹性材料件构成一个“人”字形的弹性材料件，以满足高速动车组转向架系统弹性元件的大轴向刚度及低径向刚度的需求。

进一步地，所述的弹性材料件为橡胶材料，橡胶材料与金属件通过整体硫化复合在一起，形成橡胶金属弹性复合元件；且所述的橡胶金属弹性复合元件的橡胶材料与金属结构件采取采用贴近式橡胶型面的包胶结构，橡胶型面包覆在金属结构件的内径型面上，增加防腐和抗震性能。

进一步地，所述的让弹性元件的部分金属件处于悬挂状态是在弹性元件的弹性材料件与金属件结合中设置部分与弹性材料件结合的金属件处于悬浮状态，不承受负载，使得弹性复合元件中部分弹性材料件完全处于剪切状态，降低整个弹性复合元件的径向刚度。悬浮分段式。

进一步地，所述的部分金属件处于悬挂状态是将弹性元件分成四部分，包括弹性材料件、金属外环、金属内环和金属侧环；弹性材料件分别与金属外环、金属内环和金属侧环整体硫化在一起，形成一个具有“人”字形结构弹性材料件的弹性组件；其中，金属内环位于“人”字形结构弹性材料件的内面，金属侧环位于“人”字形结构弹性材料件的一侧侧面，金属外环位于与金属内环相对应的“人”字形结构弹性材料件的外面，且金属外环在安装在高速动车组上时，是处于悬浮状态的，不承受径向负载。

进一步地，所述的弹性元件在径向受载时，金属侧环与安装座固定，载荷作用于与螺杆连接的金属内环，通过金属组件连接成一体，金属外环不承载，属于悬浮状态，同时金属外环与金属侧环之间的橡胶完全处于剪切状态，不提供径向刚度，通过叠加橡胶件的三个自由面实现降低径向刚度，同时在轴向承载时，由于压缩的作用，金属外环与金属侧环之间的橡胶处于压缩状态，大幅度提高轴向刚度，提高整个弹性元件各个方向的承载性能，大幅度降低橡胶应力，提高弹性元件疲劳寿命。

进一步地，所述的弹性元件为成对的弹性组件组装形成，采取两个对称结构的人字型弹性组件轴向预压组合安装，夹持在安装座上；其中，弹性组件的金属侧环的一侧面与安装座固定，金属侧环的另一侧面与橡胶件硫化在一起；在金属侧环连接的橡胶件另一面与金属内环硫化在一起，且金属内环与橡胶件为包胶结构，橡胶件一直包裹着金属内环延伸到金属内环的内径内面，形成一层包胶层；在金属内环与橡胶件结合的外径方向还设有金属外环，金属外环与橡胶件两面硫化接触，使得橡胶件形成具有3个方向的自由面橡胶件。

进一步地，所述的电机吊挂的金属侧环上设有注胶孔，在制作橡胶件时通过金属侧环的注胶孔进行注胶，实现在橡胶件整体硫化时在模具中的注胶定位。

本发明的优点在于：

本发明通过采取多自由面的设计理念，将弹性元件设计成具有多自由面的弹性减振元件，可以大幅度降低橡胶应力，提高弹性减振元件的疲劳寿命，有着如下一些优点：

1、本发明通过多自由面设计，可以有效实现各个方向的应力释放，降低橡胶应力；

2、本发明通过调整各个自由面的结构可以实现径轴偏扭四项刚度，达到径轴偏扭四项刚度比7：100：300：100，满足各项车辆的承载功能要求；

3、本发明的弹性元件采取“人”字形的弹性材料结构件，类似球型结构设计，大幅度降低偏转刚度；

4、本发明的弹性元件内部采用包胶设计，实现径向防腐及抗冲击设计；

5、将本发明原理应用于电机吊挂，完全可以满足西班牙Talgo 350列车的需求；

6、本发明在制作橡胶件时采用金属侧环注胶孔的整体注胶硫化，有效实现产品在模具中的注胶定位。

附图说明

图1是本发明的一个实施例总体结构示意图；

图2是本发明的一个实施例球铰的一边结构示意图；

图3是侧面剖视示意图；

图4是本发明的一个实施例径向刚度曲线图；

图5是本发明的一个实施例轴向刚度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本发明。

实施例一

通过附图可以看出，本发明涉及一种无轮轴转向架系统弹性元件综合性能提高方法的具体应用，主要用于西班牙Talgo 350列车的电机吊挂1，其发明的思路是根据西班牙Talgo 350列车无轮轴转向架系统的结构特点，在电机吊挂1的橡胶金属弹性复合元件2的橡胶件3与金属件4结合中设置多个橡胶件的自由面5，通过橡胶件3多个自由面5实现应力释放，降低弹性材料应力，并以此来进行多方向的刚度性能调整。

所述的在橡胶金属弹性复合元件2的橡胶件3与金属件4结合中设置多个橡胶件3的自由面5是指在转向架中电机吊挂1的橡胶件3与金属件4结合的橡胶金属弹性复合元件2中采用三个橡胶自由面5，其中一个为橡胶件外径方向的自由面6，另一个为橡胶件3内径方向的自由面7，还有一个是在斜向角度方向设置的自由面8，形成具有3个方向的自由面的橡胶件3。

所述的电机吊挂1的橡胶金属弹性复合元件2为成对组装，采用对称轴向预压组合结构；电机吊挂1通过中心螺栓9固定在电机10上，同时，电机吊挂1采取2个橡胶金属弹性复合元件2，通过一个内套16和一个压套17将2个橡胶金属弹性复合元件2对称轴向预压组合方式安装在转向架横梁安装座11上，形成电机吊挂；轴向对称轴向预压通过中心螺栓9穿过压套17连接固定在电机10上时实现。

其中，橡胶件3采用悬浮分段式人字型橡胶结构；电机吊挂1的金属侧环12的一侧面与转向架横梁安装座11固定，金属侧环12的另一侧面与橡胶件3硫化在一起；在金属侧环12连接的橡胶件2另一面与金属内环13硫化在一起，且金属内环13与橡胶件2为包胶结构，橡胶件2一直包裹着金属内环13延伸到金属内环13的内径内面，形成一层包胶层18；在金属内环13与橡胶件2结合的外径方向还设有金属外环14，金属外环14与橡胶件2两面硫化接触，使得橡胶件2形成具有3个方向的自由面的橡胶件2。

所述的电机吊挂1在径向受载时，金属侧环12与转向架横梁安装座11固定，载荷作用于与螺杆连接的金属内环13（通过金属组件连接成一体），金属外环14不承载，属于悬浮状态，同时金属外环14与金属侧环12之间的橡胶完全处于剪切状态（基本不提供径向刚度），叠加橡胶件3的三个自由面实现降低径向刚度，同时在轴向承载时，由于压缩的作用，金属外环14与金属侧环12之间的橡胶处于压缩状态，大幅度提高轴向刚度，提高整个电机吊挂各个方向的承载性能，大幅度降低橡胶应力，提高电机吊挂疲劳寿命；所述电机吊挂的承载和卸载径向刚度曲线如附图4所示；所述电机吊挂的承载和卸载轴向刚度曲线如附图5所示，从附图可以看出，所改变的电机吊挂承载和卸载的径向刚度曲线大幅降低，而电机吊挂承载和卸载的轴向刚度曲线大幅增加。

所述的电机吊挂1的金属侧环12上设有注胶孔15，在制作橡胶件时通过金属侧环的注胶孔15进行注胶，实现在橡胶件整体硫化时在模具中的注胶定位。注胶孔15数量为4个注胶孔，均匀分布，保证注胶均匀性。

上述所列实施例，只是结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

通过上述实施例的描述，可以得知，本发明涉及一种提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，根据高速动车组的结构特点，在弹性元件的弹性材料件与金属件结合中设置多个弹性材料件的自由面，并让弹性元件的部分金属件处于悬挂状态，通过弹性材料多个自由面和弹性元件的部分悬浮实现应力释放，降低弹性材料应力，并以此来进行多方向的刚度性能调整。

进一步地，所述的设置多个弹性材料件的自由面是在弹性材料与金属结合中，根各个部件不同的受力情况，不同的角度和不同的位置，分别设置弹性材料的自由面，使得弹性材料在各个方向受力时都可以通过自由面释放应力，降低弹性材料应力。

进一步地，所述的多个弹性材料件的自由面为3个及3个以上的自由面，而且每一个自由面都处于不同的角度和位置，以保证弹性材料件在多个方向受力时的应力释放。

进一步地，所述的多个弹性材料件的自由面为3个自由面，其中一个自由面在弹性材料与金属材料结合的外径方向，另一个在由面在弹性材料与金属材料结合的内径方向，还有一个自由面在弹性材料与金属材料结合的斜向角度方向，形成3个方向的自由面。

进一步地，所述的斜向方向的自由面与内径方向的自由面，以及外径方向的自由面连接形成了一个球形状的弹性材料件结构，整体弹性材料件构成一个“人”字形的弹性材料件，以满足高速动车组转向架系统弹性元件的大轴向刚度及低径向刚度的需求。

进一步地，所述的弹性材料件为橡胶材料，橡胶材料与金属件通过整体硫化复合在一起，形成橡胶金属弹性复合元件；且所述的橡胶金属弹性复合元件的橡胶材料与金属结构件采取采用贴近式橡胶型面的包胶结构，橡胶型面包覆在金属结构件的内径型面上，增加防腐和抗震性能。

进一步地，所述的让弹性元件的部分金属件处于悬挂状态是在弹性元件的弹性材料件与金属件结合中设置部分与弹性材料件结合的金属件处于悬浮状态，不承受负载，使得弹性复合元件中部分弹性材料件完全处于剪切状态，降低整个弹性复合元件的径向刚度。悬浮分段式。

进一步地，所述的部分金属件处于悬挂状态是将弹性元件分成四部分，包括弹性材料件、金属外环、金属内环和金属侧环；弹性材料件分别与金属外环、金属内环和金属侧环整体硫化在一起，形成一个具有“人”字形结构弹性材料件的弹性组件；其中，金属内环位于“人”字形结构弹性材料件的内面，金属侧环位于“人”字形结构弹性材料件的一侧侧面，金属外环位于与金属内环相对应的“人”字形结构弹性材料件的外面，且金属外环在安装在高速动车组上时，是处于悬浮状态的，不承受径向负载。

进一步地，所述的弹性元件在径向受载时，金属侧环与安装座固定，载荷作用于与螺杆连接的金属内环，通过金属组件连接成一体，金属外环不承载，属于悬浮状态，同时金属外环与金属侧环之间的橡胶完全处于剪切状态，不提供径向刚度，通过叠加橡胶件的三个自由面实现降低径向刚度，同时在轴向承载时，由于压缩的作用，金属外环与金属侧环之间的橡胶处于压缩状态，大幅度提高轴向刚度，提高整个弹性元件各个方向的承载性能，大幅度降低橡胶应力，提高弹性元件疲劳寿命。

进一步地，所述的弹性元件为成对的弹性组件组装形成，采取两个对称结构的人字型弹性组件轴向预压组合安装，夹持在安装座上；其中，弹性组件的金属侧环的一侧面与安装座固定，金属侧环的另一侧面与橡胶件硫化在一起；在金属侧环连接的橡胶件另一面与金属内环硫化在一起，且金属内环与橡胶件为包胶结构，橡胶件一直包裹着金属内环延伸到金属内环的内径内面，形成一层包胶层；在金属内环与橡胶件结合的外径方向还设有金属外环，金属外环与橡胶件两面硫化接触，使得橡胶件形成具有3个方向的自由面橡胶件。

进一步地，所述的电机吊挂的金属侧环上设有注胶孔，在制作橡胶件时通过金属侧环的注胶孔进行注胶，实现在橡胶件整体硫化时在模具中的注胶定位。

本发明的优点在于：

本发明通过采取多自由面的设计理念，将弹性元件设计成具有多自由面的弹性减振元件，可以大幅度降低橡胶应力，提高弹性减振元件的疲劳寿命，有着如下一些优点：

1、本发明通过多自由面设计，可以有效实现各个方向的应力释放，降低橡胶应力；

2、本发明通过调整各个自由面的结构可以实现径轴偏扭四项刚度，达到径轴偏扭四项刚度比7：100：300：100，满足各项车辆的承载功能要求；

3、本发明的弹性元件采取“人”字形的弹性材料结构件，类似球型结构设计，大幅度降低偏转刚度；

4、本发明的弹性元件内部采用包胶设计，实现径向防腐及抗冲击设计；

5、将本发明原理应用于电机吊挂，完全可以满足西班牙Talgo 350列车的需求；

6、本发明在制作橡胶件时采用金属侧环注胶孔的整体注胶硫化，有效实现产品在模具中的注胶定位。

Claims (8)

1.一种提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，其特征在于：根据高速动车组的结构特点，在弹性元件的弹性材料件与金属件结合中设置多个弹性材料件的自由面，并让弹性元件的部分金属件处于悬挂状态，通过弹性材料多个自由面和弹性元件的部分悬浮实现应力释放，降低弹性材料应力，并以此来进行多方向的刚度性能调整；所述的设置多个弹性材料件的自由面是在弹性材料与金属结合中，根据各个部件不同的受力情况，不同的角度和不同的位置，分别设置弹性材料的自由面，使得弹性材料在各个方向受力时都可以通过自由面释放应力，降低弹性材料应力；所述的多个弹性材料件的自由面为3个及3个以上的自由面，而且每一个自由面都处于不同的角度和位置，以保证弹性材料件在多个方向受力时的应力释放。

2.如权利要求1所述的提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，其特征在于：所述的多个弹性材料件的自由面为3个自由面，其中一个自由面在弹性材料与金属材料结合的外径方向，另一个在由面在弹性材料与金属材料结合的内径方向，还有一个自由面在弹性材料与金属材料结合的斜向角度方向，形成3个方向的自由面。

3.如权利要求2所述的提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，其特征在于：所述的斜向角度方向的自由面与内径方向的自由面，以及外径方向的自由面连接形成了一个球形状的弹性材料件结构，整体弹性材料件构成一个“人”字形的弹性材料件，以满足高速动车组转向架系统弹性元件的大轴向刚度及低径向刚度的需求。

4.如权利要求3所述的提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，其特征在于：所述的弹性材料件为橡胶材料，橡胶材料与金属件通过整体硫化复合在一起，形成橡胶金属弹性复合元件；且所述的橡胶金属弹性复合元件的橡胶材料与金属结构件采取采用贴近式橡胶型面的包胶结构，橡胶型面包覆在金属结构件的内径型面上，增加防腐和抗震性能。

5.如权利要求1所述的提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，其特征在于：所述的让弹性元件的部分金属件处于悬挂状态是在弹性元件的弹性材料件与金属件结合中设置部分与弹性材料件结合的金属件处于悬浮状态，不承受负载，使得弹性复合元件中部分弹性材料件完全处于剪切状态，降低整个弹性复合元件的径向刚度。

6.如权利要求5所述的提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，其特征在于：所述的部分金属件处于悬挂状态是将弹性元件分成四部分，包括弹性材料件、金属外环、金属内环和金属侧环；弹性材料件分别与金属外环、金属内环和金属侧环整体硫化在一起，形成一个具有“人”字形结构弹性材料件的弹性组件；其中，金属内环位于“人”字形结构弹性材料件的内面，金属侧环位于“人”字形结构弹性材料件的一侧侧面，金属外环位于与金属内环相对应的“人”字形结构弹性材料件的外面，且金属外环在安装在高速动车组上时，是处于悬浮状态的，不承受径向负载。

7.如权利要求6所述的提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，其特征在于：所述的弹性元件在径向受载时，金属侧环与安装座固定，载荷作用于与螺杆连接的金属内环，通过金属组件连接成一体，金属外环不承载，属于悬浮状态，同时金属外环与金属侧环之间的橡胶完全处于剪切状态，不提供径向刚度，通过叠加橡胶件的三个自由面实现降低径向刚度，同时在轴向承载时，由于压缩的作用，金属外环与金属侧环之间的橡胶处于压缩状态，大幅度提高轴向刚度，提高整个弹性元件各个方向的承载性能，大幅度降低橡胶应力，提高弹性元件疲劳寿命。

8.如权利要求1至7任意一项权利要求所述的提高高速动车组弹性元件综合性能的方法，其特征在于：所述的弹性元件为成对的弹性组件组装形成，采取两个对称结构的人字型弹性组件轴向预压组合安装，夹持在安装座上；其中，弹性组件的金属侧环的一侧面与安装座固定，金属侧环的另一侧面与橡胶件硫化在一起；在金属侧环连接的橡胶件另一面与金属内环硫化在一起，且金属内环与橡胶件为包胶结构，橡胶件一直包裹着金属内环延伸到金属内环的内径内面，形成一层包胶层；在金属内环与橡胶件结合的外径方向还设有金属外环，金属外环与橡胶件两面硫化接触，使得橡胶件形成具有3个方向的自由面橡胶件。

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