CN112026824A - 一种轴箱定位方法及轴箱顶置节点和轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴箱定位方法及轴箱顶置节点和轨道车辆，通过在轴箱的顶部设置垂向刚度小、径向刚度大的轴箱顶置橡胶节点的方式对轴箱进行定位，能够使轴箱弹簧的垂向刚度与纵向刚度及横向刚度解耦，简化了轴箱的定位结构，降低了成本。所述轴箱顶置节点采用多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构，所述隔套采用分瓣式结构，以便对轴箱顶置橡胶节点进行预压缩，以进一步提高径向刚度；同时在轴箱顶置橡胶节点设置有轴向空腔，以实现轴箱顶置节点在不同的径向方向的刚度不同，以满足轴箱定位沿纵向和横向所需的不同刚度要求。

Description

一种轴箱定位方法及轴箱顶置节点和轨道车辆

技术领域

本发明属于一种轨道交通技术领域，具体涉及一种轴箱定位方法及轴箱顶置节点和轨道车辆。

背景技术

转向架作为轨道交通车辆承载、减振和走行机构，通常由两个悬挂系统组成，其中一系悬挂组设置在轴箱和构架之间，主要功能是承载、减振和定位作用。轴箱定位的方式分为：有框定位及无框定位。其中无框定位的方式有：导框式、支柱式、油导筒式、转臂式、拉杆式、拉板式、橡胶弹簧式等。轴箱定位通常采用转臂式轴箱定位或拉杆式定位，但这两种定位方式使轴箱定位的结构复杂且占用空间较大，所对应的单个弹簧的直径均较大，占用转向架的横向空间。

现有转向架一系悬挂主要有两种结构形式：一是叠层橡胶弹簧；二是螺旋钢弹簧。其中橡胶弹簧多用于地铁、轻轨车辆，适用于低速、小轴重转向架，其特点是橡胶弹簧除垂向承载以外，还可以起到轴箱定位的作用，即提供一定的纵向定位和横向定位刚度，其缺点是橡胶弹簧具有迟滞的特性，动态垂向刚度变化范围较大，且垂向刚度、纵向刚度和横向刚度相互影响、相互关联，不能解耦。钢弹簧多用于地铁、城际、高速动车组车辆，适用于大轴重、高速转向架，其特点是钢弹簧仅提供垂向刚度，在不同载荷工况下垂向刚度基本保持不变且承载能力强，其缺点是钢弹簧不能提供纵向定位所需的刚度和横向定位所需的刚度。

目前国内轨道交通的运行时速已达到300公里及以上级，为满足高速轨道车辆运行的稳定和舒适性能，对于转向架承载结构和适用性设计提出了更高的要求。相应地一系轴箱定位装置必须具有较大的横向、纵向刚度，以及提供适合挠度的垂向刚度。

本发明是针对现有的叠层橡胶弹簧多向刚度互耦的问题，以及钢弹簧不能满足定位要求的问题，提供一种纵向、横向及垂向刚度解耦的轴箱定位方法及定位装置。

经专利检索，与本发明有一定关系的专利主要有以下专利：

1、申请号为“CN200910043954.X”、申请日为“2009.07.24”、公开号为“CN101607562A”、公开日为“2009.12.23”、名称为“一种轨道车辆转向架轴箱弹簧减振方法及轴箱弹簧”、申请人为“株洲时代新材料科技股份有限公司”的中国发明专利，该专利的轨道车辆转向架用的货车轴箱弹簧减振方法及轴箱弹簧，采用两级减振方式；轴箱弹簧为一个主簧和一个辅助簧组合形成的复合轴箱弹簧；主簧仍采用现在的金属橡胶复合圆锥形簧；在主簧上面配套设有一个剪切型受力的锥台橡胶堆辅助簧。剪切型受力的锥台橡胶堆辅助簧位于主簧之上，在主簧压缩与之接触时通过承受剪切力予以减振。包括一个主簧，主簧为金属橡胶复合圆锥形簧，在主簧之上串接有一个剪切型锥台橡胶堆辅助簧，由主簧和一个剪切型锥台橡胶堆辅助簧组合形成的复合轴箱弹簧。该发明采用主簧与辅助簧组合结构，利用橡胶体承担弹性减振功能，并对构架垂向、纵向和横向提供柔性支撑和定位，在运行中传递牵引力和制动力，改善车辆运行品质。

2、申请号为“CN201910918685.0”、申请日为“2019.09.26”、公开号为“CN110617293A”、公开日为“2019.12.27”、名称为“一种可变刚度轴箱弹簧减振方法及弹簧”、申请人为“湖南铁路科技职业技术学院”的中国发明专利，该发明提供一种可变刚度减振方法及弹簧，所述轴箱弹簧包括橡胶锥形弹簧与两级减振结构，所述两级减振机构由橡胶锥形弹簧与辅助弹簧组成；所述橡胶锥形弹簧的芯轴设置为空心状，所述辅助弹簧安装于橡胶锥形弹簧的芯轴内。该发明进行了二级减振设计，可保证轴箱弹簧在大载荷时提供较大刚度，减小装置的变形挠度，同时可通过调整辅助弹簧的参数改变轴箱弹簧的刚度特性，并且辅助弹簧并联安装于橡胶锥形弹簧的芯轴内，节约了安装高度，节省了安装空间，降低了成本。

3、申请号为“CN201420351631.3”、申请日为“2014.06.26”、公开号为“CN203902568U”、公开日为“2014.10.29”、名称为“铁路货车转向架一系轴箱悬挂定位装置”、申请人为“南车长江车辆有限公司”的实用新型专利，该实用新型公开了一种铁路货车转向架一系轴箱悬挂定位装置，包括轴箱、设置在轴箱顶部与构架组成的侧架之间的垂向液压减振器、设置在轴箱两侧弹簧承台上面与构架组成底部之间的弹簧导柱、钢圆弹簧和橡胶堆定位器、设置在轴箱两侧弹簧承台下面的起吊挡块；弹簧导柱设置的两级螺纹连接方式为一体化设计，结构简单、紧凑、性能可靠，确保定位性能稳定，有利于满足垂向、纵向和横向具有不同定位刚度的要求，可减轻簧下质量，降低轮轨动作用力，减少轮轨磨耗；轴箱的鞍面下部设有红外轴温探测孔，解决了既有货车转向架一系轴箱在线路运行时不能采用红外线测温技术的不足，可实时检测运行状态下的列车轴承温度，避免因漏探造成的热轴故障，保证铁路运输安全。

4、申请号为“CN201010295875.0”、申请日为“2010.09.27”、公开号为“CN102032303A”、公开日为“2011.04.27”、名称为“铁道车辆用轴箱支承装置的轴弹簧橡胶体及其制造方法”、申请人为“东海橡胶工业株式会社”的中国发明专利，该发明提供一种铁道车辆用轴箱支承装置的轴弹簧橡胶体及其制造方法。该轴弹簧橡胶体能够依靠自身使弹簧特性非线性化。在铁道车辆用轴箱支承装置的轴弹簧橡胶体(14)中的橡胶弹性体(48)的缺口部(54)中，在内部配件(46)的上部设置有向径向外方延伸的上侧橡胶限位部(60)，在外筒配件(44)的下部且上侧橡胶限位部(60)的下侧设置有向径向内方延伸的下侧橡胶限位部(62)。上述橡胶限位部(60、62)设置为各自的前端部部分地上下面对的状态，在内部配件(46)相对于外筒配件(44)向下进行相对位移时，上述橡胶限位部(60、62)在上下方向上抵接。

5、申请号为“CN200920170051.3”、申请日为“2009.08.11”、公开号为“CN201472406U”、公开日为“2010.05.19”、名称为“轨道车辆复合轴箱定位装置”、申请人为“南车青岛四方机车车辆股份有限公司”的实用新型专利，该实用新型所述轨道车辆复合轴箱定位装置，改进为一种分配结构优化、悬挂参数匹配合理的新型轴箱定位结构，从而有效地降低轮轨磨耗、抑制转向架蛇行运动和侧滚运动。在提高车辆运行临界速度的前提下，实现轴箱定位无蠕变、无间隙和无磨耗的弹性定位结构。复合轴箱定位装置设置在轴箱体和转向架构架的垂向之间。其主要包括有套装在定位套外圆周的钢弹簧、以及压装在定位套内部的橡胶定位器。钢弹簧夹持安装在定位套和转向架构架之间，定位套的底部通过螺栓紧固在轴箱体上。定位塞贯穿连接橡胶定位器并安装在转向架构架的下部。

上述专利都是采用钢弹簧及叠层橡胶弹簧的复合弹簧，均没有涉及轴箱顶置定位的方法及定位装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种轴箱定位方法及轴箱顶置节点和轨道车辆。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种轴箱定位方法，通过轴箱弹簧刚度解耦的方式，满足轴箱在垂向（Z）、纵向（X）及横向（Y）三个方向的刚度要求，进行轴箱定位。

进一步地，通过设置轴箱顶置橡胶节点来实现垂向刚度与纵向刚度及横向刚度解耦，以实现小垂向刚度，以减少对轴箱3的垂向（Z）刚度影响；同时保证大纵向刚度及横向刚度，以满足纵向（X）定位及横向（Y）定位的要求。

进一步地，所述轴箱顶置橡胶节点采用多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构，按照多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构的轴线沿垂向（Z）的方向设置在轴箱顶端。

进一步地，所述轴箱顶置橡胶节点的垂向刚度不大于0.4KN/mm、纵向刚度不小于10KN/mm、横向刚度不小于5KN/mm。

本发明还涉及一种轴箱顶置节点，所述轴箱顶置节点设置在轴箱顶端与构架之间，包括：芯轴、隔套、外层隔套、橡胶层及外套。所述轴箱顶置橡胶节点采用多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构，芯轴与多层圆环形金属的隔套及外套按直径大小依次套装，在芯轴与隔套之间、隔套与隔套之间、隔套与外层隔套之间采用橡胶层填充。

进一步地，所述轴箱顶置橡胶节点采用预压缩结构，通过对橡胶层进行预压缩，以增大轴箱顶置橡胶节点的纵向刚度及横向刚度。

进一步地，所述隔套及外层隔套为开口的分瓣式结构，通过缩小分瓣式的隔套及外层隔套开口之间的距离，实现对橡胶层进行预压缩。

进一步地，所述隔套、外层隔套及橡胶层在径向为空实结构，隔套、外层隔套及橡胶层在径向设置有空腔，以满足在不同径向的刚度要求。

进一步地，在隔套及橡胶层的空腔位置，橡胶层设置有深凹形的轴向自由面，在橡胶层的轴向两端设置有深凹形的径向自由面，以提高橡胶层的疲劳寿命。

本发明还涉及一种轨道车辆，包括：车体及转向架，所述转向架包括轴箱，所述轴箱采用上述的轴箱顶置节点。

本发明的有益效果为：本发明采用在轴箱的顶部设置垂向刚度小、径向刚度大的轴箱顶置橡胶节点的方式对轴箱进行定位，能够使轴箱弹簧的垂向刚度与纵向刚度及横向刚度解耦，简化了轴箱的定位结构，降低了成本。所述轴箱顶置橡胶节点采用多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构，所述隔套采用分瓣式结构，以便对轴箱顶置橡胶节点进行预压缩，以进一步提高径向刚度；同时在轴箱顶置橡胶节点设置有轴向空腔，以实现轴箱顶置节点在不同的径向方向的刚度不同，以满足轴箱定位沿纵向和横向所需的不同刚度要求。

附图说明

图1为本发明示意图，

图2为轴箱顶置节点剖视示意图，

图3为轴箱顶置节点俯视示意图，

图4为轴箱顶置节点预压缩之前示意图，

图5为轴箱顶置节点安装后在落车之前的示意图，

图6为图5中A局部放大示意图，

图7为轴箱顶置节点在落车后的示意图，

图8为图7中B局部放大示意图，

图中：1—构架、2—轴箱顶置节点、21—芯轴、211—螺孔、212—锥孔、22—隔套、23—橡胶层、231—轴向自由面、232—径向自由面、24—外层隔套、25—外套、26—空腔、251—止口、252—弹性挡圈、3—轴箱、31—安装锥、4—弹簧、5—螺栓、α—隔套开口圆心角、B—外层隔套开口宽度、L1—无垂向位移时轴线、L2—有垂向位移时轴线、X—纵向、Y—横向、Z—垂向。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的描述：

本发明的轴箱定位方法如图1所示：轴箱3通过弹簧4与构架1弹性连接，由于弹簧4在垂向（Z）具有较大的刚度，能够满足轨道车辆的减振要求，但在沿轨道的纵向（X）及垂直于轨道的横向（Y）的刚度较小，不能提供纵向定位和横向定位所需的刚度。致使轨道车辆行驶过程中，轴箱3在纵向（X）及横向（Y）摆动幅度大，不能满足轴箱定位的要求。当然可以采用转臂式轴箱定位或拉杆式定位的方式，但这些定位方式结构复杂，且占用空间较大，成本高。

本发明是采用在轴箱3的顶部设置轴箱顶置橡胶节点2的方式对轴箱定位。所述轴箱顶置节点设置在轴箱顶端与构架1之间，使轴箱3与构架1弹性连接。所述轴箱顶置橡胶节点2具有较小的垂向（Z）刚度，所以轴箱顶置橡胶节点2对轴箱3的垂向（Z）刚度影响很小。同时轴箱顶置橡胶节点2具有较大的纵向（X）刚度及横向（Y）刚度，从而限制了轴箱3在纵向（X）及横向（Y）的摆动幅度，从而能够满足纵向（X）定位及横向（Y）定位的要求。这种在轴箱3的顶部设置轴箱顶置橡胶节点2的定位方式能够实现垂向刚度与纵向刚度及横向刚度解耦，简化了轴箱3的定位结构，降低了成本。

轴箱顶置橡胶节点2实施例如图2和图3所示：所述轴箱顶置橡胶节点2采用多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构，包括：芯轴21、隔套22、外层隔套24、橡胶层23及外套25。芯轴21与多层圆环形的隔套22及外套25按直径大小依次套装，在芯轴21与隔套22之间、隔套22与隔套22之间、隔套22与外层隔套24之间采用橡胶层23填充。所述轴箱顶置橡胶节点2按照多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构的轴线沿垂向（Z）的方向设置在轴箱3顶端，这种结构的轴箱顶置橡胶节点2具有较小的垂向（Z）刚度，同时具有较大的纵向（X）刚度及横向（Y）刚度。

所述橡胶层23可以采用橡胶成品夹在芯轴21与隔套22之间、隔套22与隔套22之间、隔套22与外层隔套24之间。也可以将芯轴21、多层隔套22及外层隔套24按照直径大小依次放置在硫化模具的下模内，然后盖上上模，向硫化模具内注入橡胶原料进行硫化，得到一体成型的轴箱顶置橡胶节点2。然后将外层隔套24压入到外套25内，当外层隔套24的一端顶到止口251时，用弹性挡圈252卡入外套25的弹性挡圈卡槽内，将外层隔套24固定在外套25内。

在设计橡胶层23时，可以采用等应变设计或等应力设计，通过调整每一层橡胶层23的直径、厚度、长度，以实现橡胶层23的等应变设计的理念，从而消除应力集中，提高产品的使用寿命。

如图4所示：所述隔套22及外层隔套24为开口的分瓣式结构，以便能够对多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构进行预压缩，以增大轴箱顶置橡胶节点2的径向刚度。本实施例中隔套22及外层隔套24分为两瓣，各层隔套22的两瓣之间留有间隙设置，各层隔套22的间隙形成两个圆心角为α的扇形区域。外层隔套24的两瓣之间的开口宽度为B, 外层隔套24的两瓣开口之间的圆心角小于α。在设置好橡胶层23后，采用专用设备沿径向压缩外层隔套24的两瓣，使得外层隔套24的两瓣之间的开口宽度B缩小，直到外层隔套24的两瓣的开口处互相接触为止。由于各层隔套22间隙区域的圆心角α大于外层隔套24的两瓣之间开口的圆心角，所以当外层隔套24的两瓣的开口处互相接触时，各层隔套22的两瓣之间还没有接触、还留有间隙，以便满足不同径向的刚度要求。本实施例的轴箱顶置橡胶节点2能够实现垂向刚度不大于0.4KN/mm、纵向刚度不小于10KN/mm、横向刚度不小于5KN/mm。

由于在压缩外层隔套24的过程中，各层的橡胶层23被压缩，相应地降低了橡胶层23的厚度，同时，增大了橡胶层23的长度，使得轴箱顶置橡胶节点2在径向具有较大的刚度，以满足轴箱3的定位要求。

在实施例中隔套22、外层隔套24及橡胶层23在径向为空实结构，在隔套22、外层隔套24及橡胶层23的两瓣之间设置有沿轴向通孔的空腔26，以减小空腔26处的径向刚度，以满足轴箱3在横向的刚度小于纵向的刚度的要求。

在空腔26位置，橡胶层23设置有深凹形的轴向自由面232，在橡胶层23的轴向两端设置有深凹形的径向自由面231。当橡胶层23受到压缩时，自由面231和自由面232可能会从凹陷变为凸起，当自由面231和自由面232反复在凹陷与凸起两种状态变化时，橡胶层23会出现疲劳撕裂，将会缩短轴箱顶置橡胶节点2的使用寿命。

由于本实施例中的自由面231和自由面232凹陷程度较深，在橡胶层23受到压缩时，自由面231和自由面232难以从凹陷转变为凸起，所以橡胶层23不会出现疲劳撕裂现象，从而延长了轴箱顶置橡胶节点2的使用寿命。

由于车厢重量的影响，在落车后轴箱3与构架1之间的高度会随之减少，致使轴箱顶置橡胶节点2中的芯轴21相对于外层隔套24产生轴向位移，导致橡胶层23在使用过程中始终有轴向应变，这样会缩短轴箱顶置橡胶节点2的使用寿命。

如图5和图6所示：在轴箱顶置橡胶节点2安装时，将轴箱顶置橡胶节点2的芯轴21上的锥孔套在轴箱3上面的锥形安装座上，利用螺栓5将轴箱顶置橡胶节点2与轴箱3连接。此时有意使外套25相对于芯轴21产生一个向上的轴向位移H0，此时轴箱顶置橡胶节点2的隔套22、外层隔套24及橡胶层23的对称轴线由直线L1变为弧线L2。

如图7和图8所示：在落车后，在车厢重量的作用下构架1会下沉，而固定在构架1上的外套25会相对于芯轴21产生向下的位移。当该位移与向上的轴向位移H0相等时，轴箱顶置橡胶节点2的隔套22、外层隔套24及橡胶层23的对称轴线由弧线L2恢复为直线L1，从而避免了橡胶层23由于车厢重量而产生初始轴向应变，降低了橡胶层23的最大轴向应变，减少了橡胶层23的最大应力，避免了橡胶层23因应力过大而被撕裂，提高了轴箱顶置橡胶节点2的使用寿命。

综上所述，本发明的有益效果为：本发明采用在轴箱的顶部设置垂向刚度小、径向刚度大的轴箱顶置橡胶节点的方式对轴箱进行定位，能够使轴箱弹簧的垂向刚度与纵向刚度及横向刚度解耦，简化了轴箱的定位结构，降低了成本。所述轴箱顶置橡胶节点采用多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构，所述隔套采用分瓣式结构，以便对轴箱顶置橡胶节点进行预压缩，以进一步提高径向刚度；同时在轴箱顶置橡胶节点设置有轴向空腔，以实现轴箱顶置节点在不同的径向方向的刚度不同，以满足轴箱定位沿纵向和横向所需的不同刚度要求。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (10)

1.一种轴箱定位方法，其特征在于：通过轴箱弹簧刚度解耦的方式，满足轴箱在垂向（Z）、纵向（X）及横向（Y）三个方向的刚度要求，进行轴箱定位。

2.根据权利要求1所述的轴箱定位方法，其特征在于：通过设置轴箱顶置橡胶节点来实现垂向刚度与纵向刚度及横向刚度解耦，以实现小垂向刚度，同时保证大纵向刚度及横向刚度，以满足纵向（X）定位及横向（Y）定位的要求。

3.根据权利要求2所述的轴箱定位方法，其特征在于：所述轴箱顶置橡胶节点采用多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构，按照多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构的轴线沿垂向（Z）的方向设置在轴箱顶端。

4.根据权利要求3所述的轴箱定位方法，其特征在于：所述轴箱顶置橡胶节点的垂向刚度不大于0.4KN/mm、纵向刚度不小于10KN/mm、横向刚度不小于5KN/mm。

5.一种实现权利要求1至4任意一项所述轴箱定位方法的轴箱顶置节点，所述轴箱顶置节点设置在轴箱顶端与构架之间，包括：芯轴（21）、隔套（22）、外层隔套（24）、橡胶层（23）及外套（25），其特征在于：所述轴箱顶置橡胶节点采用多层圆环形隔套的金属橡胶复合结构，芯轴（21）与多层圆环形金属的隔套（22）及外套（25）按直径大小依次套装，在芯轴（21）与隔套（22）之间、隔套（22）与隔套（22）之间、隔套（22）与外层隔套（24）之间采用橡胶层（23）填充。

6.根据权利要求5所述的轴箱顶置节点，其特征在于：所述轴箱顶置橡胶节点采用预压缩结构，通过对橡胶层（23）进行预压缩，以增大轴箱顶置橡胶节点的纵向刚度及横向刚度。

7.根据权利要求6所述的轴箱顶置节点，其特征在于：所述隔套（22）及外层隔套（24）为开口的分瓣式结构。

8.根据权利要求7所述的轴箱顶置节点，其特征在于：所述隔套（22）、外层隔套（24）及橡胶层（23）在径向为空实结构，隔套（22）、外层隔套（24）及橡胶层（23）在径向设置有空腔（26）。

9.根据权利要求8所述的轴箱顶置节点，其特征在于：在隔套（22）及橡胶层（23）的空腔（26）位置，橡胶层（23）设置有深凹形的轴向自由面（231），在橡胶层（23）的轴向两端设置有深凹形的径向自由面（232）。

10.一种轨道车辆，包括：车体及转向架，所述转向架包括轴箱（3），其特征在于：所述轴箱（3）采用权利要求5至9任意一项所述的轴箱顶置节点（2）。

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