动车组转向架检修与维护-空气弹簧系统的检修

项目三动车组转向架维护与检修

任务8弹簧装置一、弹簧装置机车车辆的悬挂参数是通过悬挂元器件实现的，对应的悬挂刚度和阻尼是通过弹簧装置及减振器来实现的。铁路机车车辆通常采用的弹簧种类有：圆弹簧、橡胶簧及空气弹簧。圆弹簧和橡胶簧经常被用作第一系悬挂，空气弹簧则被广泛运用于第二系悬挂。铁路机车车辆通常采用的减振器种类有：液压减振器、摩擦减振器。在现代机车车辆上货车采用摩擦减振器，客车全部采用液压减振器。一、弹簧装置通常，所谓一系悬挂是指仅在构架与轴箱间设有一系簧的弹簧悬挂，一般用于低速机车车辆；而所谓两系悬挂是指既有第一系弹簧，还在构架与车体间设有第二系弹簧的弹簧悬挂，用于中、高速机车车辆。采用两系悬挂的目的：①便于结构设计，保证机车车辆的运动稳定性和曲线通过能力；②减小簧下质量，减小对线路的动作用力；③减少机车车辆悬挂的合成刚度，增大其总静挠度，以改善机车车辆的运行平稳性。（一）弹簧装置的主要作用铁道车辆弹簧装置的作用主要体现在两个方面：一是使车辆的质量及载荷比较均衡地传递给各轮轴，并使车辆在静载状况下（包括空、重车），两端的车钩距轨面高度应满足《铁路技术管理规程》规定的要求，以保证车辆的正常连挂；二是缓和因线路的不平顺、轨缝、道岔、钢轨磨耗和不均匀下沉，以及因车轮擦伤、车轮不圆、轴颈偏心等原因引起车辆的振动和冲击。由于有弹簧装置，使车辆的弹簧以上部分和弹簧以下部分分成既有联系又有区别的两个部分。即簧上、簧下的作用力既相互传递，而运动状态（位移、速度、加速度）又不完全相同。车辆内设置弹簧装置可以缓和轮轨之间相互作用，可以提高车辆运行的舒适性和平稳性，保证旅客舒适、安全，保证货物完整无损，延长车辆零部件使用寿命。（二）弹簧的分类车辆上采用的弹簧种类很多，按其材质可分为钢质弹簧、橡胶弹簧、空气弹簧3类。钢质弹簧：主要包括螺旋弹簧、环弹簧、抗侧滚扭杆等，其结构形状如图3-22和图3-23所示。另外，组合使用的弹簧，可多个、多种弹簧组合在一起：有的串联使用，有的并联使用，有的同类弹簧使用，有的异形弹簧组合。图3-24所示为叠板弹簧与螺旋弹簧组合的形式。1．螺旋弹簧弹簧呈螺旋状，有圆柱形和圆锥形。在铁路车辆上通常采用簧条截面为圆形的圆柱压缩螺旋弹簧，故又称圆簧。常用的弹簧材质有55Si2Mn和60S12Mn两种。硅锰弹簧钢热处理时有较高的淬透性，加热时氧化皮较少，能获得较好的表面质量与较高的疲劳强度，而且与其他合金弹簧钢相比价格低廉，其化学成分见表3-5。1．螺旋弹簧此外，车辆上也有某些弹簧采用碳钢或铬锰钢。制造弹簧时分为冷卷与热卷，车辆转向架上采用的簧条直径一般都较粗，故多为热卷。另外，制造时还要将簧条每端约有3/4圈的长度制成斜面，使弹簧卷成后，两端成平面，以保证弹簧平稳站立，并尽量减少偏载。两端的3/4圈作为支持平面，是弹簧辅助部分，起传递载荷作用。弹簧的旋向：螺旋弹簧的旋转方向，可分为右旋和左旋两种，如图3-25所示。所谓右旋是指用眼睛正对弹簧端面簧条旋制方向为顺时针旋转的，否则为左旋。1．螺旋弹簧弹簧旋向与弹簧性能无关。如使用多卷弹簧，则相邻弹簧的旋向必须相反。因为弹簧在承受荷重时，弹簧向相同方向旋转，从而使弹簧产生移动。如果相邻两簧旋向相反，则由于相互作用，移动彼此抵消，上述移动现象即不存在或很微小。2．环弹簧由多个具有锥面配合的弹性环组成的弹簧叫作环形弹簧，简称环弹簧，其结构形状参见图3-23。内环的外面和外环的内面都做成V形锥面，组装时，要求有一定的初压缩力，以保证环弹簧锥面间的密贴配合。当环弹簧受力压缩时，由于内、外环为锥面配合，受力后外环扩张，内环缩小，产生轴向弹性变形，起到缓冲作用。与此同时，内、外环锥面间有相对滑动，因摩擦而做功，从而使部分冲击能量变为摩擦功而消失。当外力去除后，各内、外环由于弹力而复原，此时同样也要消耗部分冲击能量。3.抗侧滚扭杆高速车辆为了改善垂向动力学性能，增加舒适度，克服转向架的二系弹簧刚度较低而导致车辆在运动中的侧滚幅度加大的缺点，在转向架中增设了抗侧滚扭杆装置。抗侧滚扭杆的内容在下一小节将单独阐述。4．橡胶弹簧车辆上橡胶元件主要用于定位装置。此外，车体与摇枕、摇枕与构架、轴箱与构架、弹簧支承面等金属件接触部位之间，常采用橡胶衬垫、衬套、止挡等橡胶元件。图3-28所示为常见的橡胶元件的形式。4．橡胶弹簧铁道车辆上采用橡胶元件具有下列优点：①可以自由确定形状，使各个方向的刚度根据设计要求确定。利用橡胶的三维特性可同时承受多向载荷，以便于简化结构；②可避免金属件之间的磨耗，安装、拆卸简便，无须润滑有利于维修、降低成本；③可减轻自重；④具有较高内阻，有良好的高频振动的减振以及隔音性；⑤弹性模量比金属小得多，可以得到较大的弹性变形，容易实现预想的良好的非线性特性。它的缺点主要是耐高温、耐低温和耐油性能比金属弹簧差，使用时间长易老化，而且性能离散度大，同批产品的性能差别可达10%。但随着橡胶工业的发展，正在研究改进橡胶性能，以弥补这些不足。5．空气弹簧空气弹簧大体上可分为囊式和膜式两类。膜式可分为约束膜式、自由膜式等形式。在后面阐述。空气弹簧（三）弹簧的特性弹簧的特牲可用弹簧挠力图表示，设纵坐标表示弹簧承受的载荷P，横坐标表示其挠度f，如图3-29所示（不考虑内部阻力的情况）。（三）弹簧的特性图3-29(a)表示力与挠度呈线性关系，即弹簧刚度为常量。螺旋圆弹簧的特性就是如此。图3-29(b)表示力与挠度呈分段线性关系，属于非线性弹簧，又称准线性。图3-29(b)曲线1，刚度特性为“先软后硬”，如一些重载货车上采用的两级弹簧的特性就是这样情况。（三）弹簧的特性图3-29(c)表示力与挠度呈曲线关系，即刚度随着载荷的变化而变化，为非线性特性。图3-29(c)中曲线1的刚度，随载荷增加而逐渐增大，如车辆上采用的一些橡胶弹簧，横向缓冲器的特性就是属于这种特性。显而易见，在车辆悬挂系统中，为了减小振动，控制振动位移在一定范围内，不能使用具有图中曲线2特性（“先硬后软”或随载荷增加刚度逐渐变小）的弹簧。（四）弹簧组合的刚度及柔度为了改善弹簧的特性，适应安装位置及空间大小的需要，在铁路车辆上时常采用组合弹簧。这些弹簧有并联、串联和串并联3种组合形式。组合弹簧的总（当量）刚度计算方法如下：

(1)并联时，如图3-30(a)所示，一般弹簧为对称分布。并联布置的弹簧系统的当量刚度等于各个弹簧刚度的代数和。

(2)串联时，如图3-30(b)所示，在组合弹簧上作用着载荷P，分别使备弹簧产生挠度。串联布置的弹簧系统的总柔度等于各弹簧柔度的代数和。

(3)串并联时，如图3-30(c)所示，可先将各级并联弹簧当量刚度计算出来，然后简化成串联布置的当量弹簧系统，计算其当量刚度，就是整个系统的当量刚度。项目三动车组转向架维护与检修

任务9抗侧滚扭杆3．抗侧滚扭杆(1)抗侧滚扭杆装置组成高速车辆为了改善垂向动力学性能，增加舒适度，克服转向架的二系弹簧刚度较低而导致车辆在运动中的侧滚幅度加大的缺点，在转向架中增设了抗侧滚扭杆装置。抗侧滚扭杆装置由1根扭杆，2个扭臂，1个可调节连杆，1个固定连杆和2个支承座组成，如图3-26所示。(2)结构特点①扭杆与扭臂的连接采用圆锥直齿渐开线花键连接及外加防松垫圈和圆螺母紧固，该连接能使扭杆与扭臂之间紧密无间隙，连杆便于安装与拆卸。②在支承座中采用了自润滑聚四氟纤维关节轴承，避免了因扭杆弯曲而影响轴承的使用寿命。③连杆与扭臂及连杆与连杆座的连接均采用自润滑聚四氟纤维杆端关节轴承。④连杆采用单杆可调结构，安装时只需调节1根可调连杆的长度即可使平衡位置时扭杆不受扭矩的作用。(3)侧滚扭杆装置的设置位置抗侧滚扭杆装置的作用特性，确定它应设置在空气弹簧（中央弹簧）的上、下支承部分之间。因转向架结构形式不同，它可以设置在摇枕与弹簧托梁之间；或者设置在摇枕与构架之间；还可以设置在车体与构架之间，如无心盘、无旁承、无摇动台装置的高速客车转向架。抗侧滚扭杆抗侧滚扭杆装置（4）工作原理如图3-27所示，当车体发生侧滚时，一根连杆向上运动，另一根连杆向下运动，这时带动扭臂的一头分别向上和向下运动即作用于扭杆一个力矩，使得扭杆发生扭转变形，扭杆产生的反力矩抵抗车体侧滚，从而改善车体侧滚性能。扭杆弹簧的主体为一直杆，它是利用扭杆的扭转弹性变形起弹簧作用的。在实用范围内扭转力矩与扭转角的特性曲线呈线性。扭杆弹簧具有自重轻、结构简单、单位体积变形大及占空间位置小等特点，所以在铁道车辆上用于抗侧滚装置。扭杆弹簧的材质和制造精度要求较高，在制造加工过程中对其防腐处理要及时，并需进行探伤检验。(5)抗侧滚扭杆装置安装的位置有所不同，但都有相同的主要性能要求①应具有前述的作用特点和适宜的抗侧滚扭转刚度，同时应具有能适应空气弹簧（中央弹簧）上、下支承两部分之间相对运动的随动性。②在垂向、横向及纵向3个方向上，均应尽量减小对中央悬挂装置刚度的影响。③扭杆与转臂之间应有足够大的刚度。④应注意防止车辆高频振动的传递。抗侧滚扭杆装置的最佳抗扭刚度值如何选择，应根据车辆结构、车体重心的高低、转向架结构及悬挂参数、运行速度、线路条件、通过道岔的型号及速度等诸多因素来考虑。应进行必要的理论计算和试验工作来确定。已运行的双层客车抗侧滚扭杆装置的扭转刚度最佳值为1.5～2MN·m/rad。项目三动车组转向架维护与检修

任务10空气弹簧

二、空气弹簧空气弹簧装置主要包括空气弹簧及其附属的高度调整阀、调整阀保温箱及差压阀等。空气弹簧采用自由膜式气囊，与下部的积层橡胶堆组成一体。空气弹簧（一）空气弹簧的特点(1)刚度小，当量静挠度大。空气弹簧能大幅度地增加当量静挠度，可使弹簧悬挂装置设计得很柔软，这样可降低车辆的自振频率。(2)具有非线性特性。空气弹簧具有非线性特性，可以根据车辆振动性能的需要，设计成具有比较理想的弹性特性（曲线）。在平衡位置振动幅度较小时（即正常运行时的振动），刚度较低；若位移过大，刚度显著增加，可限制车体的振幅。(3)刚度随载荷变化。空气弹簧的刚度随载荷而变化，从而可基本保持空、重车时，车体自振频率几乎相等，使空、重车不同状态的运行平稳性几乎相同。(4)高度可调节。空气弹簧和高度控制阀并用时，可使车体在不同静载荷下，保持地板面距轨面的高度基本不变。（一）空气弹簧的特点(5)可充分利用其横向弹性。同一空气弹簧可以同时承受三维方向的载荷，利用空气弹簧的横向弹性特性，可以代替传统转向架的摇动台装置，从而简化结构，减轻自重。(6)能产生适宜阻尼。在空气弹簧本体与附加空气室之间设有适宜的节流孔，可以产生适宜的阻尼，以代替垂向液压减振器。(7)具有吸振和隔音性能。空气弹簧具有良好的吸收高频振动和隔音的性能。(8)空气弹簧的缺点：结构复杂，附件多，制造成本高，维护检修复杂。（二）空气弹簧装置系统组成1．工作原理一般空气弹簧装置由列车主风管、T形支管，截断塞门、滤尘止回阀、空气弹簧贮风缸、连接软管、高度控制阀、空气弹簧本体、差压阀和附加空气室等组成（见图3-31）。空气弹簧系统工作原理（即压缩空气传递过程）：压缩空气由列车主风管l→高度阀排风塞门3→高度控制阀4→空气弹簧排风塞门2→空气弹簧5→节流阀8→附加空气室7。2．空气弹簧结构空气弹簧主要由橡胶气囊、上下盖板、橡胶堆等零部件组成，如图3-32所示。空气弹簧采用上进气设计，压缩空气经过高度调整阀进入橡胶气囊和构架内腔形成的附加空气室，橡胶气囊和附加空气室间设直径为14mm的节流孔，空气通过节流孔时产生的节流效应构成二系悬挂的垂向阻尼。2．空气弹簧结构当空气弹簧上盖板相对于底座产生垂向位移时，空气弹簧内的气体容积发生变化，引起压力的变化。空气弹簧与附加气室之间产生的压差迫使气体流过节流阀。由于气体流过节流阀时流通面积减小，节流阀对气体的流动产生阻碍作用。同时空气弹簧垂向变形时由于胶囊形状的改变，引起胶囊与上盖和底座接触面积的改变，因此空气弹簧的垂向动态特性比较复杂。节流阀对气体流动的阻碍作用引起空气弹簧的动态刚度和阻尼相对于静态刚度产生较大的变化，而且随激扰频率的改变而改变。动态刚度和阻尼的改变影响到车体振动的固有频率和衰减率，影响到车体振动的衰减特性，从而影响到车辆运行的舒适性。由于空气弹簧垂向动态特性规律具有一定的复杂性，因此节流阀参数对空气弹簧振动犄性的影响有着非常重要的意义。橡胶气囊底部橡胶堆的作用是在车体与转向架产生大位移时补偿橡胶气囊本身的变位不足，并且在空气弹簧橡胶气囊出现故障条件下仍具有一定的弹性，下盖板上贴有摩擦系数很小的滑块，允许上下盖板之间产生相对纵横向位移，起到应急弹簧的作用。产品需要按照JISE4206进行规定的特性试验和其他型式试验。CRH380A动车组转向架空气弹簧的有效直径为520mm。为使在空气弹簧泄气时能够行驶，在下面板的上面设置聚四氟乙烯制的滑动面板，在外筒的下面设置钢板，使曲线通过性能提高。（三）高度调节原理1．高度调节原理为了保持车体距轨面的高度不变，在车体与转向架间装有高度调节阀，调节空气弹簧橡胶囊中的压缩空气（充气、放气或保持压力），使车辆地板面不受车内乘客的多少和分布不均的影响，始终保持水平。1．高度调节原理调节原理如下（见图3-33）：(1)在正常载荷位置，即h=H时，充气通路V→L和放气通路L→E均被关闭。(2)当车体载荷增加时，此时h<H，阀动作，使V→L通路开启，压缩空气向空气弹簧充气，直至地板面上升到标定高度（即忍达到H高度）为止。(3)当车体载荷减小时，此时h>H，阀动作，使L→E通路开启，空气弹簧向大气排气，直至地板面下降到标定高度（即h达到H高度）为止。2．高度调整阀高度调整阀工作过程分进气过程和排气过程，具体如图3-34和图3-35所示。2．高度调整阀上述调整只能在静态时进行，不能影响车体与转向架间的正常振动。高度调整阀必须具有如下特性：

(1)不感带(10+1)mm

(2)时间延迟(3±1)s

(3)工作角度±30°（四）差压阀每台转向架的两只气囊都通过差压阀相连。如果气囊突然破裂或毁坏，差压阀将开通，使转向架的两只气囊压力保持平衡。这可防止客车由于一只气囊充气而另一只气囊没有充气而向一边严重倾斜。差压阀的工作原理如图3-36所示。（四）差压阀为什么要用差压阀而不直接用一根气管将左右两只气囊连通起来呢？这是因为：(1)在曲线上时，左右两只气囊必须保证一定的压差，否则车体将会发生倾斜。(2)车体左右摇摆振动时，也必须保证一定的压差，否则将加剧摇摆。项目三动车组转向架维护与检修

任务11CRH380A型动车组转向架的一系悬挂CRH380A型动车组转向架一系悬挂装置采用转臂式结构，转臂方式由定位转臂、定位节点、轴箱弹簧（螺旋弹簧）、一系垂向减振器、防振橡胶、弹簧夹板等构成。定位节点具备相应的纵向、横向定位刚度。垂向载荷由轴箱弹簧全部承担。三、CRH380A型动车组转向架一系悬挂装置（一）轴箱弹簧装置及防雪罩轴箱弹簧装置安装在轴箱和转向架构架之间。1．弹簧组成圆弹簧组传递垂直方向的力，通过调整垫片调整圆簧组使每个车轮的载荷均匀。轴箱弹簧用于动车转向架及拖车转向架，安装在轴箱和转向架构架之间。圆弹簧组传递垂直方向的力。轴箱弹簧组结构如图3-38所示。1．弹簧组成轴箱弹簧安装在轴箱体上部。它包括一个圆簧组（由内、外圈弹簧组成）、弹簧座（上、下）橡胶座、绝缘座。它为双圈螺旋弹簧，内、外弹簧的旋向相反。轴箱弹簧有上、下夹板。上夹板内侧还套上了防止电气腐蚀的绝缘罩，上部镶嵌了防尘帽。轴箱弹簧外安装有防雪罩。2．弹簧夹板为了便于转向架的组装，设置上下弹簧夹板，使圆簧组保持在规定的预压缩高度，并保证转向架构架和轴箱之间的正位，下弹簧夹板上设置了螺纹，以方便弹簧组与转向架的组装、分解和调整。3．橡胶垫安装在下弹簧座和轴箱体之间，橡胶垫为上下硫化黏结钢板结构，用以吸收高频振