CN103697098B - 两级刚度式弹性体组合装置 - Google Patents

Abstract

一种两级刚度式弹性体组合装置，它具有至少一个小刚度弹性元件和一个大刚度弹性元件，小刚度弹性元件设置在弹性体预压缩装置中、并且在预压缩载荷F1的作用下与大刚度弹性元件串联布置。该装置具有先硬后软的组合刚度，用作铁路车辆轴箱弹性悬挂装置时，在形变位移量很小时具有较大的压缩刚度，而在形变位移量达到设定的数值时，其压缩刚度开始变小，从而有效解决了车辆直线蛇行临界速度和车辆曲线通过性能无法兼顾的矛盾。同时，该装置还可应用于铁路车辆相关构件之间各种需要弹性体减振装置组合刚度先硬后软的场合，以缓和车辆轮轨冲击、提高车辆动力学性能、保障车辆运行安全，进而大幅改善铁路车辆的营运品质。

Description

两级刚度式弹性体组合装置

技术领域

本发明涉及弹性体缓冲减振装置，具体地指一种主要用于铁路车辆构件之间缓冲减振的两级刚度式弹性体组合装置。

背景技术

铁路车辆是一种在专设轨道上运行的特殊车辆，其沿专设轨道运行时可自行导向，无需控制方向。转向架属铁路车辆上最重要的部件之一，它支承整个货物重量和车体本身的重量。传统转向架大多是包含两个侧架组成和一个摇枕组成的三大件式结构，侧架组成的两端导框通过轴箱承载鞍和轴承装置安装在前后轮对组成上，摇枕组成的两端则通过两组中央悬挂装置安装在侧架组成的中央方框内。轴箱承载鞍和轴承装置是联系侧架组成和轮对组成的活动关节，其使车轮沿轨道线路的滚动转化为车体沿轨道线路的平动，并能灵活地沿直线线路运行和顺利地通过曲线。

铁路车辆在轨道上高速运行时，将伴随产生复杂的冲击、振动现象。为了减少轨道线路不平顺和轮对高速运动对车体的各种动态影响，如纵向冲击、垂向振动、横向振动等，本领域技术人员根据各种车况的不同，往往会在车辆相关构件之间设置弹性减振装置。例如在转向架的侧架导框与轮对组成之间增设轴箱弹性悬挂装置，轴箱弹性悬挂装置一般包括位于轴箱承载鞍顶面与侧架导框底面之间的垂向弹性装置和位于轴箱承载鞍与侧架导框两侧面之间的纵向弹性装置，其在车辆直线运行是否平稳、能否顺利通过曲线、并保证车辆安全运行等方面都起着重要的作用。

随着铁路车辆载荷量的不断增加，车辆自身轴重在不断增大，车辆运行速度也在不断提高，这对车辆转向架的质量和性能要求也越来越高。在重载高速状态下，车辆轮对沿轨道运动时就更容易激起车体的摇头运动，导致车辆运行品质大幅降低，严重时还会引起车辆脱轨事故。同时，车辆通过曲线时的轮轨横向力也不能太大，否则车辆也有脱轨的可能。

而直接影响铁路车辆在直线上的蛇行临界运行速度和车辆在曲线上的通过性能的关键部件之一就是上述轴箱弹性悬挂装置中的纵向弹性装置，其结构形状设计和弹性刚度参数设计至关重要。为了提高车辆在直线上运行时的蛇行临界运行速度，必须要求其纵向定位刚度大些；为了使车辆在通过曲线时轮轨之间的横向力不要太大，又要求其纵向定位刚度小些。

目前，提高车辆在直线上的蛇行临界运行速度和提高车辆在曲线上的通过性能是一对矛盾体，在上述纵向弹性装置的具体设计中很难兼顾。这是因为：

现有弹性装置通常由两个或两个以上的弹性体串联、并联、或串并混联构成。例如：图1所示的三个弹性体K1、K2、K3串联结构，图2所示的三个弹性体K1、K2、K3并联结构，图3所示的七个弹性体K1～K7串并混联结构。这些弹性装置的共同特点是：其组合刚度通常是线性刚度或先小后大的刚度，通俗地说是先软后硬的刚度。当其受到外界载荷P的作用时，刚度较小的弹性体会首先承受载荷，产生较大的形变位移；之后才会是刚度较大的弹性体承受载荷，生产较小的形变位移。具体应用到上述纵向弹性装置中时，受自身组合刚度先软后硬的限制，其形变位移量的增大是与载荷呈线性或等比例增大相对应的。这样，无法完全兼顾车辆直线蛇行临界运行速度的大刚度要求和车辆曲线通过性能的小刚度要求，同时也存在列车脱轨的风险，大大降低了其缓冲减振的作用。

如何有效提升重载高速车辆运行的直线平稳性能和曲线通过性能，一直是本领域技术人员试图解决的难题，这对改善铁路车辆的营运品质、保障铁路车辆的安全性能具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种两级刚度式弹性体组合装置，其具有先硬后软的组合刚度，既可应用于轴箱弹性悬挂装置中兼顾铁路车辆直线蛇行临界运行速度和车辆曲线通过性能的要求，又可应用于铁路车辆相关构件之间需要类似缓冲减振的场合。

为实现上述目的，本发明所设计的两级刚度式弹性体组合装置，其特殊之处在于：它具有至少一个小刚度弹性元件和一个大刚度弹性元件，所述小刚度弹性元件设置在弹性体预压缩装置中、并且在预压缩载荷F1的作用下与大刚度弹性元件串联布置；同时，它在所受工作载荷F2由小至大的过程中满足如下关系：当F2＜F1时，所述大刚度弹性元件首先被压缩形变；当F2＝F1时，所述大刚度弹性元件和被预压缩的小刚度弹性元件处于临界状态；直至F2＞F1时，所述小刚度弹性元件才开始被继续压缩形变；从而使该弹性体组合装置在载荷状态下具有先硬后软的两级变刚度特性。

作为第一种优选方案：

所述大刚度弹性元件具有弹性橡胶基层，所述弹性橡胶基层夹持在两块金属承载板之间并与它们硫化成为整体。

所述弹性体预压缩装置具有刚性外罩，所述刚性外罩中轴向设置有导向定位螺杆，所述导向定位螺杆一端伸出刚性外罩开口处与所述两块金属承载板中的一块固定连接，所述导向定位螺杆另一端伸出刚性外罩底面与锁紧螺母螺纹连接。

所述小刚度弹性元件具有锥筒形橡胶层，所述锥筒形橡胶层设置在所述刚性外罩内壁与所述导向定位螺杆之间并与它们硫化成为整体，所述锥筒形橡胶层在锁紧螺母拧紧作用下处于预压缩状态。

作为第二种优选方案：

所述大刚度弹性元件和所述弹性体预压缩装置与第一种优选方案中的结构相同。不同的是：

所述小刚度弹性元件具有由多层金属薄片和多层橡胶片交错布置整体硫化成型的圆筒形叠拼橡胶层，所述圆筒形叠拼橡胶层套装在所述导向定位螺杆上，所述圆筒形叠拼橡胶层一端与所述两块金属承载板中的一块抵接，所述圆筒形叠拼橡胶层另一端与所述刚性外罩底面抵接，所述圆筒形叠拼橡胶层在锁紧螺母拧紧作用下处于预压缩状态。

作为第三种优选方案：

所述大刚度弹性元件和所述弹性体预压缩装置也与第一种优选方案中的结构相同。不同的是：

所述小刚度弹性元件具有金属螺旋弹簧，所述金属螺旋弹簧套装在所述导向定位螺杆上，所述金属螺旋弹簧一端与所述两块金属承载板中的一块抵接，所述金属螺旋弹簧另一端与所述刚性外罩底面抵接，所述金属螺旋弹簧在锁紧螺母拧紧作用下处于预压缩状态。

以上三种优选方案的共性是大刚度弹性元件与导向定位螺杆为一体化设计，共同对小刚度弹性元件施加预压缩载荷F1。

作为第四种优选方案：

所述大刚度弹性元件具有弹性橡胶基层，所述弹性橡胶基层夹持在两块金属承载板之间并与它们硫化成为整体。

所述弹性体预压缩装置具有刚性外罩，所述刚性外罩中轴向设置有导向定位螺杆，所述导向定位螺杆一端伸出刚性外罩开口处与一块端面挡板固定连接，所述导向定位螺杆另一端伸出刚性外罩底面与锁紧螺母螺纹连接，所述端面挡板与所述两块金属承载板中的一块抵接配合，另一块金属承载板的端面则设置有定位凸台。

所述小刚度弹性元件具有金属螺旋弹簧，所述金属螺旋弹簧套装在所述导向定位螺杆上，所述金属螺旋弹簧一端与所述端面挡板抵接，所述金属螺旋弹簧另一端与所述刚性外罩底面抵接，所述金属螺旋弹簧在锁紧螺母拧紧作用下处于预压缩状态。

此种结构的特点是大刚度弹性元件与导向定位螺杆为分体式设计，通过端面挡板对小刚度弹性元件施加预压缩载荷F1。

进一步地，所述小刚度弹性元件和大刚度弹性元件均可由两个及两个以上的独立弹性元件串联、并联、或串并混联组合而成。这样，可以根据实际需要灵活调整小刚度弹性元件和大刚度弹性元件的物理特性，满足不同工况缓冲减振装置的需要。

本发明的主要工作原理如下：所设计的两级刚度式弹性体组合装置由压缩安装在弹性体预压缩装置中的小刚度弹性元件与大刚度弹性元件串联组合而成。当两级刚度式弹性体组合装置承受载荷时，由于最初的载荷小于小刚度弹性元件预压缩设定的载荷，故大刚度弹性元件会首先承受载荷；随着载荷的逐渐增加，两级刚度式弹性体组合装置的形变位移量也会缓慢增加；但是一旦载荷大于之前小刚度弹性元件预压缩设定的载荷时，小刚度弹性元件将开始承受载荷，由于其刚度较小，承受载荷后其形变位移量会快速增加，从而实现两级刚度式弹性体组合装置先硬后软的两级变刚度特性。

本发明的优点在于：所设计的两级刚度式弹性体组合装置结构简单、原理科学、构思巧妙，很容易实现先硬后软的弹簧刚度特性。将其用于铁路车辆轴箱弹性悬挂装置时，在形变位移量很小的时候具有较大的压缩刚度，能够确保铁路车辆在直线上运行时具有较高的蛇行临界速度，满足车辆提速运行的需要；而在形变位移量达到设定的数值时，其压缩刚度开始变小，可以确保铁路车辆通过曲线时轮轨之间的横向力不会太大，保障车辆弯道运行的安全，从而有效解决了车辆直线蛇行临界速度和车辆曲线通过性能无法兼顾的矛盾。同时，本发明还可应用于铁路车辆相关构件之间各种需要弹性体减振装置组合刚度先硬后软的场合，缓和车辆轮轨冲击，提高车辆动力学性能，保障车辆运行安全，进而大幅改善铁路车辆的营运品质。

附图说明

图1为现有技术中三个弹性体串联的结构示意图。

图2为现有技术中三个弹性体并联的结构示意图。

图3为现有技术中七个弹性体串并混联的结构示意图。

图4为第一种两级刚度式弹性体组合装置在铁路车辆转向架的轴箱承载鞍与侧架导框前后侧面之间的安装位置示意图。

图5为第一种两级刚度式弹性体组合装置的剖视结构示意图。

图6为第二种两级刚度式弹性体组合装置的剖视结构示意图。

图7为第三种两级刚度式弹性体组合装置的剖视结构示意图。

图8为第四种两级刚度式弹性体组合装置的剖视结构示意图。

图中各部件标号如下：弹性体K1～K7，外界载荷P；小刚度弹性元件1（其中：锥筒形橡胶层1a、圆筒形叠拼橡胶层1b、金属螺旋弹簧1c）；大刚度弹性元件2（其中：弹性橡胶基层2a、金属承载板2b、定位凸台2c）；弹性体预压缩装置3（其中：刚性外罩3a、导向定位螺杆3b、锁紧螺母3c、端面挡板3d）；侧架导框4；轴箱承载鞍5。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

如图1～3所示现有技术中的弹性体组合结构已在背景技术中作了介绍，于此不再赘述。

实施例1

如图4所示，本发明的第一种两级刚度式弹性体组合装置，安装在铁路车辆转向架的侧架导框4与轴箱承载鞍5的前后侧面之间，它具有一个小刚度弹性元件1和一个大刚度弹性元件2，小刚度弹性元件1设置在弹性体预压缩装置3中、并且在预压缩载荷F1的作用下与大刚度弹性元件2串联布置。

如图5所示，大刚度弹性元件2具有弹性橡胶基层2a，弹性橡胶基层2a夹持在两块金属承载板2b之间并与它们硫化成为整体。弹性体预压缩装置3具有刚性外罩3a，刚性外罩3a中轴向设置有导向定位螺杆3b，导向定位螺杆3b一端伸出刚性外罩3a开口处与其中一块金属承载板2b固定连接，导向定位螺杆3b另一端伸出刚性外罩3a底面与锁紧螺母3c螺纹连接。小刚度弹性元件1具有锥筒形橡胶层1a，锥筒形橡胶层1a设置在刚性外罩3a内壁与导向定位螺杆3b之间并与它们硫化成为整体。锥筒形橡胶层1a在锁紧螺母3c拧紧后，受预压缩载荷F1的作用而处于预压缩状态。

同时，该两级刚度式弹性体组合装置在其所受工作载荷F2由小至大的过程中满足如下关系：当F2＜F1时，大刚度弹性元件2首先被压缩形变；当F2＝F1时，大刚度弹性元件2和被预压缩的小刚度弹性元件1处于临界状态；直至F2＞F1时，小刚度弹性元件1才开始被继续压缩形变；从而使两级刚度式弹性体组合装置在载荷状态下具有先硬后软的两级变刚度特性。

仍如图4所示，第一种两级刚度式弹性体组合装置在装配时，其弹性体预压缩装置3的刚性外罩3a可拆卸式嵌置在侧架导框4的侧面安装孔中，其大刚度弹性元件2的另一块金属承载板2b在小刚度弹性元件1作用下，抵接在轴箱承载鞍5的侧面上。

在铁路车辆运行过程中，当上述两级刚度式弹性体组合装置承受载荷时，由于最初的载荷小于小刚度弹性元件1的预压缩载荷F1，故大刚度弹性元件2会首先承受载荷。这样，两级刚度式弹性体组合装置在形变位移量很小的时候具有较大的压缩刚度，能够确保铁路车辆在直线上运行时具有较高的蛇行临界速度，满足车辆提速运行的需要。随着载荷的逐渐增加，两级刚度式弹性体组合装置的形变位移量也会缓慢增加。而一旦载荷大于小刚度弹性元件1的预压缩载荷F1时，小刚度弹性元件1将开始承受载荷。此时，两级刚度式弹性体组合装置的压缩刚度开始变小，其形变位移量会快速增加，从而实现先硬后软的两级变刚度特性，确保铁路车辆通过曲线时轮轨之间的横向力不会太大，保障车辆曲线运行的安全。

实施例2

如图6所示，本发明的第二种两级刚度式弹性体组合装置，其大刚度弹性元件2和弹性体预压缩装置3的结构与第一种完全相同，只是其小刚度弹性元件1有所区别。该小刚度弹性元件1具有由多层金属薄片和多层橡胶片交错布置整体硫化成型的圆筒形叠拼橡胶层1b，圆筒形叠拼橡胶层1b套装在导向定位螺杆3b上，圆筒形叠拼橡胶层1b一端与其中一块金属承载板2b抵接，圆筒形叠拼橡胶层1b另一端与刚性外罩3a底面抵接。圆筒形叠拼橡胶层1b在锁紧螺母3c拧紧后，受预压缩载荷F1的作用而处于预压缩状态。

实施例3

如图7所示的第三种两级刚度式弹性体组合装置，其大刚度弹性元件2和弹性体预压缩装置3的结构也与第一种完全相同，区别仅在其小刚度弹性元件1上。该小刚度弹性元件1具有金属螺旋弹簧1c，金属螺旋弹簧1c套装在导向定位螺杆3b上，金属螺旋弹簧1c一端与其中一块金属承载板2b抵接，金属螺旋弹簧1c另一端与刚性外罩3a底面抵接。金属螺旋弹簧1c在锁紧螺母3c拧紧后，受预压缩载荷F1的作用而处于预压缩状态。

实施例4

如图8所示的第四种两级刚度式弹性体组合装置，结构与上述三种大同小异。其大刚度弹性元件2具有弹性橡胶基层2a，弹性橡胶基层2a夹持在两块金属承载板2b之间并与它们硫化成为整体。其弹性体预压缩装置3具有刚性外罩3a，刚性外罩3a中轴向设置有导向定位螺杆3b，导向定位螺杆3b一端伸出刚性外罩3a开口处与一块端面挡板3d固定连接，导向定位螺杆3b另一端伸出刚性外罩3a底面与锁紧螺母3c螺纹连接，端面挡板3d与其中一块金属承载板2b抵接配合，另一块金属承载板2b的端面则设置有定位凸台2c。其小刚度弹性元件1具有金属螺旋弹簧1c，金属螺旋弹簧1c套装在导向定位螺杆3b上，金属螺旋弹簧1c一端与端面挡板3d抵接，金属螺旋弹簧1c另一端与刚性外罩3a底面抵接，金属螺旋弹簧1c在锁紧螺母3c拧紧后，受预压缩载荷F1的作用而处于预压缩状态。

第四种两级刚度式弹性体组合装置在装配时，其弹性体预压缩装置3的刚性外罩3a可拆卸式嵌置在侧架导框4的侧面安装孔中，其大刚度弹性元件2的另一块金属承载板2b端面上的定位凸台2c悬挂在轴箱承载鞍5的侧面安装孔中，并通过金属螺旋弹簧1c和端面挡板3d挤压定位；其所获得的效果也与前述三种实施例相同。

Claims (8)

1.一种两级刚度式弹性体组合装置，其特征在于：它具有至少一个小刚度弹性元件(1)和一个大刚度弹性元件(2)，所述小刚度弹性元件(1)设置在弹性体预压缩装置(3)中、并且在预压缩载荷F1的作用下与大刚度弹性元件(2)串联布置；同时，它在所受工作载荷F2由小至大的过程中满足如下关系：当F2＜F1时，所述大刚度弹性元件(2)首先被压缩形变；当F2＝F1时，所述大刚度弹性元件(2)和被预压缩的小刚度弹性元件(1)处于临界状态；直至F2＞F1时，所述小刚度弹性元件(1)才开始被继续压缩形变；从而使该弹性体组合装置在载荷状态下具有先硬后软的两级变刚度特性；另外，它还满足如下结构关系：

所述大刚度弹性元件(2)具有弹性橡胶基层(2a)，所述弹性橡胶基层(2a)夹持在两块金属承载板(2b)之间并与它们硫化成为整体；

所述弹性体预压缩装置(3)具有刚性外罩(3a)，所述刚性外罩(3a)中轴向设置有导向定位螺杆(3b)，所述导向定位螺杆(3b)一端伸出刚性外罩(3a)开口处与所述两块金属承载板(2b)中的一块固定连接，所述导向定位螺杆(3b)另一端伸出刚性外罩(3a)底面与锁紧螺母(3c)螺纹连接；

所述小刚度弹性元件(1)设置在所述刚性外罩(3a)与所述导向定位螺杆(3b)之间。

2.根据权利要求1所述的两级刚度式弹性体组合装置，其特征在于：所述小刚度弹性元件(1)具有锥筒形橡胶层(1a)，所述锥筒形橡胶层(1a)设置在所述刚性外罩(3a)内壁与所述导向定位螺杆(3b)之间并与它们硫化成为整体，所述锥筒形橡胶层(1a)在锁紧螺母(3c)拧紧作用下处于预压缩状态。

3.根据权利要求1所述的两级刚度式弹性体组合装置，其特征在于：所述小刚度弹性元件(1)具有由多层金属薄片和多层橡胶片交错布置整体硫化成型的圆筒形叠拼橡胶层(1b)，所述圆筒形叠拼橡胶层(1b)套装在所述导向定位螺杆(3b)上，所述圆筒形叠拼橡胶层(1b)一端与所述两块金属承载板(2b)中的一块抵接，所述圆筒形叠拼橡胶层(1b)另一端与所述刚性外罩(3a)底面抵接，所述圆筒形叠拼橡胶层(1b)在锁紧螺母(3c)拧紧作用下处于预压缩状态。

4.根据权利要求1所述的两级刚度式弹性体组合装置，其特征在于：所述小刚度弹性元件(1)具有金属螺旋弹簧(1c)，所述金属螺旋弹簧(1c)套装在所述导向定位螺杆(3b)上，所述金属螺旋弹簧(1c)一端与所述两块金属承载板(2b)中的一块抵接，所述金属螺旋弹簧(1c)另一端与所述刚性外罩(3a)底面抵接，所述金属螺旋弹簧(1c)在锁紧螺母(3c)拧紧作用下处于预压缩状态。

5.根据权利要求1所述的两级刚度式弹性体组合装置，其特征在于：所述导向定位螺杆(3b)一端伸出刚性外罩(3a)开口处与一块端面挡板(3d)固定连接，用以替代其与所述两块金属承载板(2b)中的一块固定连接的技术特征，所述端面挡板(3d)与所述两块金属承载板(2b)中的一块抵接配合，另一块金属承载板(2b)的端面则设置有定位凸台(2c)；

所述小刚度弹性元件(1)具有金属螺旋弹簧(1c)，所述金属螺旋弹簧(1c)套装在所述导向定位螺杆(3b)上，所述金属螺旋弹簧(1c)一端与所述端面挡板(3d)抵接，所述金属螺旋弹簧(1c)另一端与所述刚性外罩(3a)底面抵接，所述金属螺旋弹簧(1c)在锁紧螺母(3c)拧紧作用下处于预压缩状态。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的两级刚度式弹性体组合装置，其特征在于：所述小刚度弹性元件(1)由两个以上的独立弹性元件串联、并联、或串并混联组合而成。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的两级刚度式弹性体组合装置，其特征在于：所述大刚度弹性元件(2)由两个以上的独立弹性元件串联、并联、或串并混联组合而成。

8.根据权利要求6所述的两级刚度式弹性体组合装置，其特征在于：所述大刚度弹性元件(2)由两个以上的独立弹性元件串联、并联、或串并混联组合而成。