一种带磨耗板的垂向止挡及防止钢弹簧断裂的方法与流程

本发明涉及一种机车上用的缓冲装置，具体涉及一种缓冲机车一系悬挂系统的垂向止挡。

背景技术：

目前，铁路机车制造过程中，广泛采用了弹簧装置进行承载和减振，弹簧作为机车的关键部件，其对车辆的动力学性能和运行品质有着重要的影响。随着铁路提速、重载战略的实施，因弹簧断裂而影响机车运行性能的故障逐渐增多，机车运行的稳定性变差，给行车安全造成了隐患。

机车轴箱正上方的钢弹簧是转向架的主要零部件之一，钢弹簧承受转向架构架以上的机车重量。钢弹簧传递垂向力的刚度称为一系悬挂的垂向刚度，另外，一系悬挂中还有纵向刚度和横向刚度传递到转向架构架。一系悬挂的垂向刚度、纵向刚度和横向刚度要选择恰当，机车才能具有良好的动力学性能。

钢弹簧是在复杂且载荷不断变化的环境下工作，在一系悬挂的垂向、纵向和横向的力中，不断变化的垂向的压力是让钢弹簧产生金属疲劳的主要原因。机车运行时的振动以及载荷的变化等都会使钢弹簧承受变化的垂向的压力，这种变化的垂向的压力经过长时间累积会使钢弹簧局部产生金属疲劳，从而使得钢弹簧局部产生微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展，最终导致钢弹簧局部断裂失效。

为防止钢弹簧断裂，除了改善制造钢弹簧本身的工艺和材料外，还可以在一系悬挂系统中增加弹性缓冲装置，来减小钢弹簧承受的垂向载荷，降低机车运行过程中钢弹簧产生的金属疲劳，从而防止钢弹簧断裂。

虽然现在有的机车上增加了橡胶块作为垂向止挡来缓冲一系悬挂的垂向压力，但其形状和材料都单一，因此缺少变刚度且对于刚度的调节很有限。而变刚度对于防止钢弹簧断裂和机车上旅客的舒适度都是有很大影响的：垂向止挡的变刚度的幅度过大，则机车的抗振性能差，旅客的舒适度也就差；垂向止挡的变刚度的幅度过小，虽然抗振性能更好但不能很好的分担钢弹簧承受的垂向载荷，也就难以防止钢弹簧断裂。

因此如何使垂向止挡具有合适的变刚度和刚度，让机车在不降低旅客舒适度的前提下能有效的防止钢弹簧断裂，从而满足人们对机车越来越高的要求，同时也让铁路提速、重载战略能更顺利的实施，还需进一步研究。

通过国内检索发现以下专利与本发明有相似之处：

申请号为201420559352.6，名称为“一种轨道车辆转向架及其单拉杆式一系悬挂结构”的实用新型公开了一种轨道车辆转向架及其单拉杆式一系悬挂结构，单拉杆式一系悬挂结构包括构架、轴箱、一系弹簧和一系垂向止挡，构架上设置有导槽及第一定位孔；轴箱上设有止挡安装台；一系弹簧包括一系弹簧座和钢弹簧组，一系弹簧座的一端具有限位于第一定位孔内的限位凸起，另一端具有止挡导柱；还包括设置在上盖板和一系弹簧座之间的第一缓冲垫，其外套于限位凸起；第二缓冲垫，轴箱靠近上盖板的端面上设置有安装槽，第二缓冲垫设置在安装槽内，钢弹簧组的一端与一系弹簧座相抵，另一端与第二缓冲垫相抵。此实用新型通过第一缓冲垫和第二缓冲垫能够缓冲一系弹簧受到的冲击力，从而缓冲一系弹簧发生的垂向振动，进而提高了一系弹簧的使用寿命。

申请号为201020542266.6，名称为“轨道车辆一系弹性定位装置”的实用新型公开了一种轨道车辆一系弹性定位装置，采取轴箱弹性定位结合一系垂向止挡的复合型结构，以优化轴箱定位刚度和保证转向架具有高临界失稳速度。在一系垂向弹簧装置中增加弹性缓冲止挡，以避免一系垂向载荷过大时、或是一系减振部件失效时针对轮对、轴箱等部位形成较大的刚性冲击。一系弹性定位装置设置在转向架构架与车轮轴垂向之间，包括有转臂式轴箱体、以及设置于轴箱体顶端的一系弹簧装置。轴箱体的一端通过橡胶弹性节点安装于构架，其另一端通过一垂向减振器与构架连接。所述的一系弹簧装置，具有上夹板和下夹板，以及在上夹板和下夹板之间压紧安装的双卷螺旋弹簧。在双卷螺旋弹簧的内圈、上夹板底部通过整体硫化工艺而连接一橡胶止挡。

申请号为200820186834.6，名称为“轨道车辆转向架一系悬挂弹簧机构”的实用新型公开了一种轨道车辆转向架一系悬挂弹簧机构，包括同心相套的内、外弹簧以及弹簧上、下定位座，弹簧上定位座与转向架构架相连，弹簧下定位座与转向架定位转臂相连，具有一个固定在弹簧下定位座上且与弹簧同轴安装的弹性挡块，未加载荷时该弹性挡块到弹簧上定位座的距离与该弹性挡块最大压缩变形的距离之和小于弹簧最大压缩变形的距离。当车辆超载或动载荷过大时，弹性挡块可缓冲垂向压力，避免弹簧压死或碰撞而导致弹簧断裂，从而提高弹簧的垂向刚度和延长弹簧的使用寿命。当弹簧意外断裂时，该弹性挡块可以作为安全支撑，保证轨道车辆的行驶安全。

上述专利虽然都有装在钢弹簧内的弹性缓冲装置，但上述弹性缓冲装置的结构简单不能实现变刚度，且刚度的调节也会受到其本身结构的限制。在申请号为201420559352.6的专利中提到“通过第一缓冲垫和第二缓冲垫能够缓冲一系弹簧受到的冲击力，从而缓冲一系弹簧发生的垂向振动，进而提高了一系弹簧的使用寿命”。在申请号为201020542266.6的专利中提到“在一系垂向弹簧装置中增加弹性缓冲止挡，以避免一系垂向载荷过大时、或是一系减振部件失效时针对轮对、轴箱等部位形成较大的刚性冲击”。而在申请号为200820186834.6的专利中提到“当弹簧意外断裂时，该弹性挡块可以作为安全支撑，保证轨道车辆的行驶安全”。由此可见，上述专利中的各种弹性缓冲装置由于没有调节变刚度的结构，且其结构简单使得刚度的调节也受限制，因此难以有效的降低钢弹簧的金属疲劳，仍难以大幅度提高钢弹簧的抗断裂的能力，所以如何更为有效的防止钢弹簧断裂还需进一步探究。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对机车运行时的载荷的变化以及振动等都会使钢弹簧承受变化的垂向的压力，而变化的垂向的压力经过长时间累积会使钢弹簧局部产生金属疲劳，从而使得钢弹簧局部产生微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展，最终导致钢弹簧局部断裂，而提出在钢弹簧中安装垂向止挡来防止钢弹簧断裂。

针对上述问题，本发明提出的技术方案是：一种防止钢弹簧断裂的方法，将磨耗板嵌在橡胶体顶部，通过调节磨耗板的直径或高度能调节垂向止挡的刚度；将底座嵌在橡胶体内，使底座能对垂向止挡的橡胶体进行限位，调节底座的高度能调节垂向止挡的刚度；将橡胶体的上端设成两段以上的环形平直段，调节环形平直段与水平面之间的夹角，能调节垂向止挡的变刚度；通过调节垂向止挡的刚度、变刚度和限位的位置来减小钢弹簧承受的垂向载荷，降低机车运行过程中钢弹簧产生的金属疲劳，从而防止钢弹簧断裂。

进一步地，磨耗板嵌在橡胶体中，增大磨耗板直径能增大垂向止挡的刚度，磨耗板的直径为20mm-50mm；增大磨耗板的高度能增大垂向止挡的刚度，磨耗板的高度为10mm-20mm。

进一步地，将金属的底座设置在橡胶体的下端，当橡胶体上端受到垂向载荷的压力产生形变而向下移动时，底座能限制橡胶体上端进一步向下移动，从而起到垂向限位的作用；调节底座的高度，能调节垂向止挡进行限位的位置；且增加底座的高度，能增加垂向止挡的刚度，底座的高度为30mm-70mm。

进一步地，增加橡胶体的高度能减小垂向止挡的刚度，增大橡胶体的直径能增大垂向止挡的刚度，橡胶体的直径为80mm-95mm。

进一步地，在橡胶体上设置两段以上的环形平直段，每段环形平直段与水平面之间的夹角均大于或等于90度，减小环形平直段与水平面之间的夹角，能增大垂向止挡的变刚度的幅度。

进一步地，橡胶体上的环形平直段的段数与垂向止挡的变刚度的次数是相对应的，增加橡胶体上的环形平直段的段数，能增加垂向止挡的变刚度的次数；调节橡胶体上的任意一段环形平直段的长度，都能调节垂向止挡变刚度的位置。

一种防止钢弹簧断裂的垂向止挡，垂向止挡位于钢弹簧中，垂向止挡包括橡胶体、磨耗板和底座；橡胶体顶部嵌有磨耗板，橡胶体的下端设有底座；橡胶体的上端设有两段以上的环形平直段，橡胶体的底部设有凹孔。

进一步地，磨耗板为纵截面为“工”字形的回转体，磨耗板嵌在橡胶体中，且磨耗板高出橡胶体顶部1mm-2mm；磨耗板的中间向内凹陷，且嵌在橡胶体中的磨耗板的边角都是平滑的圆弧倒角。

进一步地，底座为回转体，底座包括底座主体和底座凸边；底座主体上端的厚度小于底座主体下端的厚度，底座主体的外侧的中间部位设有底座凸边，底座凸边向外侧凸出；底座的高度为30mm-70mm，且嵌在橡胶体中的底座的边角都是平滑的圆弧倒角。

进一步地，橡胶体的上端设有两段以上的环形平直段，相邻的环形平直段之间设有环形圆弧段，相邻的环形平直段通过环形圆弧段连接，橡胶体、磨耗板和底座是一个整体。

本发明的优点是：

1.垂向止挡的底座由金属制成，磨耗板由尼龙或聚四氟乙烯制成，底座、磨耗板和橡胶体通过胶黏剂在一定的温度和压力下硫化成一个整体，使得垂向止挡结构紧密、坚固。

2.垂向止挡装在钢弹簧中，机车运行时垂向止挡顶部与构架导筒之间会产生相对滑动；在橡胶体顶部嵌入磨耗板，能避免橡胶体与构架导筒长时间摩擦导致的橡胶体顶部磨损，能延长垂向止挡的使用寿命。

3.磨耗板由尼龙或聚四氟乙烯制成，不仅表面光滑，摩擦系数小，且表面坚固、耐磨，使得磨耗板不易损坏。

4.磨耗板和底座嵌在橡胶体中，相互接触的表面积大、不易松动；且纵截面为工字型结构的磨耗板卡在橡胶体中不易取出；从而使得磨耗板与橡胶体，以及底座与橡胶体之间结合紧湊，不易松动、脱离。

5.橡胶体的上端设有多段环形平直段，调节每段环形平直段与水平面之间的夹角，能调节垂向止挡的变刚度，使得垂向止挡在小载荷下有较小幅度的变刚度和较小的刚度，从而能增加旅客的舒适度；而在大载荷下使得垂向止挡有较大幅度的变刚度和较大的刚度，从而让垂向止挡承受更多的垂向载荷，降低钢弹簧产生的金属疲劳，有效的防止钢弹簧断裂。

6.在橡胶体中嵌有金属制成的底座，且能通过调节底座的高度，来调节垂向止挡进行限位的位置，从而使得即使出现钢弹簧断裂的情况，垂向止挡也能作为安全支撑，保证轨道车辆的行驶安全。

7.在垂向止挡中：能通过调节橡胶体和磨耗板的直径与高度，以及调节底座的高度，来调节垂向止挡的刚度；能通过调节橡胶体上的每段环形平直段与水平面之间的夹角，来调节垂向止挡的变刚度；能通过调节环形平直段的段数，来调节垂向止挡的变刚度的次数；能通过调节底座的高度，来调节垂向止挡进行限位的位置；从而使得通过调节垂向止挡的变刚度、刚度和限位的位置，让垂向止挡能适应不同型号、不同载荷的机车，所以此垂向止挡的适用范围广、通用性强。

附图说明

图1为本发明的剖视示意图一；

图2为本发明的剖视示意图二；

图3为本发明的立体图；

图4为本发明的刚度曲线图；

图5为本发明应用在钢弹簧中的结构示意图；

图中：1垂向止挡、11橡胶体、111第一环形平直段、112第二环形平直段、113第三环形平直段、114环形圆弧段、115橡胶体顶部、116凹孔、12磨耗板、13底座、131底座主体、132底座凸边、2钢弹簧、3构架导筒、4定位底座、5轴箱、6转向架构架。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做一步的描述：

实施例一

如图5所示，轴箱5上方固定有定位底座4，定位底座4上方设有双卷螺旋状的钢弹簧2，钢弹簧2支撑着转向架构架6以上的机车重量。为了减小钢弹簧2承受的垂向载荷，降低机车运行过程中钢弹簧2产生的金属疲劳，从而防止钢弹簧2断裂，在钢弹簧2中设有垂向止挡1。垂向止挡1的底座凸边132与定位底座4相顶，由于垂向止挡1和定位底座4都是回转体，使得垂向止挡1能卡在定位底座4中。在垂向止挡1的正上方设有构架导筒3，当机车在空载时，垂向止挡1并不与构架导筒3接触；当机车的垂向载荷增大时，构架导筒3向下接近并挤压垂向止挡1；当垂向止挡1与构架导筒3相顶时，垂向止挡1能与钢弹簧2一起支撑转向架构架6以上的机车重量，从而减小钢弹簧2承受的垂向载荷。

虽然增大垂向止挡1的刚度能更好的减小钢弹簧2承受的垂向载荷，但是垂向止挡1刚度过大，机车会有脱轨的风险，也会降低机车的减振、降噪效果，还会降低旅客的舒适度。因此为了让垂向止挡1既能避免机车脱轨，提高机车的减振、降噪性能和旅客的舒适度，又能很好的减小钢弹簧2承受的垂向载荷，有效的防止钢弹簧2断裂，就需要满足以下要求：首先垂向止挡1的起始刚度要小，且起始时，变刚度的幅度要较小，使得垂向止挡1刚接触构架导筒3时能有很好的减振效果；然后随着构架导筒3进一步下压时，垂向止挡1的刚度要能不断增大，且此时刚度的增加的速度要较快，变刚度的幅度要逐渐增大，使得构架导筒3下压一定距离后，垂向止挡1能分担较大的垂向载荷，从而减小钢弹簧2承受的垂向载荷，且保证超载工况下驱动机构与轮对之间的位置关系不致恶化。

机车在空载时，垂向止挡1的磨耗板12与构架导筒3之间有一定的间隙，此时一系悬挂系统的载荷都由钢弹簧2支撑。随着载荷的增加，垂向止挡1与构架导筒3相接触，载荷开始由钢弹簧2和垂向止挡1共同支撑。垂向止挡1的刚度就是垂向止挡1承受的载荷与垂向止挡1的橡胶体顶部115下移的距离的比值。垂向止挡1的刚度曲线图如图4所示，图4中的垂向止挡1变形是指垂向止挡1的橡胶体顶部115下移的距离。

从图4中可看出，垂向止挡1承受的载荷从0开始增大时，刚度曲线是较平缓的，且起始的刚度曲线接近线性。也就是说，垂向止挡1的起始刚度较小，且刚度增加的速度很慢。这样的特性能让垂向止挡1有很好的减振效果，能防止机车出现脱轨。

从图4中可看出，在本实施例中，随着垂向止挡1承受的载荷的增大，载荷超过6KN时，刚度逐渐呈现非线性增大，也就是说，逐渐呈现变刚度。且载荷刚超过6KN时，橡胶体11下移的距离每增加一定的量，例如每增加1mm，对应的载荷增加较小。也就是说，此时向止挡的变刚度的幅度较小，刚度增加的速度较慢。这样的特性能让垂向止挡1有较好的减振效果，能让旅客有良好的舒适度，同时能有效的防止钢弹簧2断裂。

而当垂向止挡1承受大的载荷时，例如超过12KN时，橡胶体11下移的距离每增加一定的量，例如每增加1mm，对应的载荷增加较大。也就是说，此时垂向止挡1的变刚度的幅度较大，刚度增加的速度较快。这样的特性能让垂向止挡1分担更多的载荷，更好的减小钢弹簧2承受的垂向载荷，从而更有效的防止钢弹簧2断裂。

另外，由于机车不同车型空载时的载荷是不同的，且不同车型最大载荷也是不同的，因此不同的机车上对于垂向止挡1的起始刚度和变刚度的要求是不同的，且不同机车对刚度随载荷的增加而变化的要求也是不同的。所以垂向止挡1的变刚度和刚度需要能灵活的进行调节，以满足不同类型的机车的具体要求。

如图1和图3所示，垂向止挡1为轴对称的回转体，垂向止挡1包括橡胶体11、磨耗板12和底座13。橡胶体顶部115嵌有由尼龙或聚四氟乙烯制成的磨耗板12，使得磨耗板12摩擦系数小且经久耐用。磨耗板12嵌在橡胶体11中，但磨耗板12比橡胶体顶部115高出1mm-2mm；磨耗板12的中间向内凹陷，形成纵截面为“工”字形的回转体。“工”字形的磨耗板12使得磨耗板12不易从橡胶体11中脱离出来。嵌在橡胶体11中的磨耗板12的边角都是平滑的圆弧倒角，使得橡胶体11与磨耗板12的结合处能减小应力的集中，从而使得磨耗板12在长期的使用过程中仍能与橡胶体11紧密结合，不易产生间隙。

磨耗板12嵌在橡胶体11中不仅能防止橡胶体11直接与构架导筒3接触和摩擦，使得橡胶体11不会磨损，还能改变垂向止挡1的刚度。增大磨耗板12的直径和高度都会减小橡胶体11的体积，从而会导致垂向止挡1的刚度增大。反之，减小磨耗板12的直径和高度都会减小垂向止挡1的刚度。磨耗板12的直径优选为20mm-50mm，高度优选为10mm-20mm。

垂向止挡1的橡胶体11位于底座13上方，且底座13由金属制成，橡胶体11通过胶黏剂在一定的温度和压力下与底座13硫化成一个整体。在橡胶体顶部115的外围设有两段以上的环形平直段，相邻的环形平直段之间设有环形圆弧段114，相邻的环形平直段通过环形圆弧段114连接，环形平直段与环形圆弧段114的连接处是平滑的连接，且橡胶体11是一个整体。

每段环形平直段与水平面之间呈一定夹角能使得橡胶体11被构架导筒3下压时的刚度呈非线性变化，也就是说能让橡胶体11产生变刚度。多段与水平面呈不同夹角的环形平直段能使橡胶体11产生多次变刚度。每段环形平直段与水平面之间的夹角均大于或等于90度，增大环形平直段与水平面之间的夹角，能减小垂向止挡1的变刚度的幅度，从而提高垂向止挡1的减振效果，提高旅客的舒适度。反之，减小环形平直段与水平面之间的夹角，会增大垂向止挡1的变刚度的幅度，使得橡胶体顶部115下移的距离较小时，刚度会较快的增加。

如图1和图2所示，本实施例中有3段环形平直段，第一环形平直段111与水平面之间的夹角为A，第二段环形平直段112与水平面之间的夹角为B。第三环形平直段113与水平面之间的夹角为90度。上述内容提到机车的起始刚度要小，起始变刚度的幅度要较小，而增大环形平直段与水平面之间的夹角，能减小垂向止挡1的变刚度的幅度。又由于橡胶体11的形变是从橡胶体顶部115开始的，因此更接近橡胶体顶部115的角A的角度应大于角B的角度，才能使垂向止挡1获得幅度较小的起始变刚度。角A的优选角度为135度-165度，角B的优选角度为100度-140度。

橡胶体11上的环形平直段的段数与垂向止挡1的变刚度的次数是相对应的，增加橡胶体11上的环形平直段的段数，能增加垂向止挡1的变刚度的次数。本实施例中环形平直段的段数为3，而变刚度产生的位置是在相邻的两段环形平直段之间的夹角处，由于3段环形平直段之间形成了2个夹角，因此本实施例中垂向止挡1的变刚度的次数为2。而当夹角的角度都不变时，夹角的位置取决于环形平直段的长度，因此调节橡胶体11上的任意一段环形平直段的长度，都能调节垂向止挡1变刚度的位置。

如图2所示，增加橡胶体11的高度能减小垂向止挡1的刚度，增大橡胶体11的直径能增大垂向止挡1的刚度。反之，减小橡胶体11的高度会增大垂向止挡1的刚度，减小橡胶体11的直径会减小垂向止挡1的刚度。第一环形平直段111的垂向长度为H1，第二环形平直段112的垂向长度为H2，第三环形平直段113的长度为H3。其中H1的优选值为10mm-20mm，H2的优选值为10mm-40mm，H3的优选值为15mm-60mm，橡胶体11的直径优选值为80mm-95mm。

如图1、图2和图3所示，底座13为回转体，底座13包括底座主体131和底座凸边132；底座主体131上端的厚度小于底座主体131下端的厚度，底座主体131的外侧的中间部位设有底座凸边132，底座凸边132向外侧凸出。底座13嵌在橡胶体11中，且与橡胶体11硫化成一个整体，为减小底座13与橡胶体11结合处的应力集中，防止底座13与橡胶体11之间在长期的使用过程中产生间隙，嵌在橡胶体11中的底座13的边角都加工成了平滑的圆弧倒角。

将金属的底座13设置在橡胶体11的下端，当橡胶体11上端受到垂向载荷的压力产生形变而向下移动时，底座13能限制橡胶体11上端进一步向下移动，从而起到垂向限位的作用。因此调节底座13的高度，能调节垂向止挡1进行限位的位置，底座13的高度H6的优选值为30mm-70mm。

底座13是嵌在橡胶体11中的，尤其是底座凸边132上方的底座主体131伸入到了橡胶体11中，底座主体131的顶端到底座凸边132的顶端的距离为H5。H5的值越大，垂向止挡1的刚度越大，也就是说，增加底座13的高度，尤其是增加H5的高度，会增加垂向止挡1的刚度。反之，降低底座13的高度，尤其是降低H5的高度，会减小垂向止挡1的刚度，H5的优选值为10mm-45mm。

由于底座13是由硬度大的金属制成，能起到垂向限位的作用，因此底座主体131的顶端以下的橡胶体11对垂向止挡1的刚度和变刚度几乎不会产生影响。所以为了方便制造垂向止挡1时将热的橡胶进行注入，也为了减少橡胶的耗材，在橡胶体11底部的中间位置设有一个凹孔116。虽然凹孔116的高度H4几乎不会对垂向止挡1的刚度和变刚度产生影响，但H4的值太大会影响橡胶体11与底座13结合的牢固程度，因此H4不能与H6等高，H4的优选值为10mm-30mm。

综上所述，垂向止挡1是通过调节橡胶体11和磨耗板12直径与高度，以及调节底座13的高度，来调节垂向止挡1的刚度；通过调节橡胶体11上的环形平直段与水平面之间的夹角，来调节垂向止挡1的变刚度；通过调节环形平直段的段数，来调节垂向止挡1的变刚度的次数；通过调节底座13的高度，来调节垂向止挡1进行限位的位置；通过调节垂向止挡1的刚度、变刚度、以及变刚度的次数，变刚度的位置和垂向止挡1限位的位置来减小钢弹簧2承受的垂向载荷，从而更好的降低机车运行过程中钢弹簧2产生的金属疲劳，更有效的防止钢弹簧2断裂。

很显然，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出的若干改进或修饰都应视为本发明的保护范围。