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日本铁道车辆用弹簧及弹簧用材料


1 铁道车辆行驶装置和弹簧的作用

  铁道车辆用弹簧有的用于台车的轴弹簧、枕弹簧、抗侧倾扭转平衡杆,有的作为连接器支撑用的机体托架弹簧、导电弓用拉伸螺旋弹簧及压缩螺旋弹簧,作为制动复位用的弹簧等。对于车用弹簧,由于行驶装置类型的不同,弹簧的种类、配置及使用方式也不同,下面对弹簧和行驶装置的关系进行简单的说明。

  为了确保乘坐舒适性和行驶性能,车体与车轮之间必须有缓冲装置,称为悬置或吊架。车体和轴箱之间虽然也可设置弹簧,但将支撑车轮的部分从车体分开的形式更多。因此,能设计出在车辆的车体前后配置二根轴的台车,现在用得最多的是在通过弯道时车体可以旋转的转向架台车。转向架台车利用转向架轴间的平衡,可以减小起因于轨道的纵向摇动,且因设置了二级弹簧装置,一般乘坐舒适性良好。

  一级弹簧是介于台车框架和车轴之间的轴弹簧。由于一般从车轮到吊架的质量(弹簧下重量)越小则乘坐人员舒适性就越好,在台车框架和轴箱间配置轴弹簧一直在设法减小弹簧下重量。另外,由于轴弹簧存在永久应变等时效老化问题,最近多使用螺旋弹簧。

黑龙江快乐十分APP下载   二级弹簧是介于车体和台车框架之间的弹簧。此弹簧的作用除了缓解乘客感受到的随铁道而变化的车体振动之外,还须应对大的摇摆和扭曲。近年由于特殊弹簧的出现而实现了相关构的轻量化和简约化。

  作为其他的弹簧,还有车体角位移摇摆平衡杆。减小轴弹簧和枕弹簧的上下方向弹簧常数可确保良好的上下方向乘坐舒适性,却会造成摇摆刚性的下降。为此,追加了上述平衡杆,以增大车体横摇刚性,从而改善了摇摆方向乘坐舒适性,且还可以减轻在曲线高速运行时车体的倾斜。

  下面介绍三种台车结构

黑龙江快乐十分APP下载   1)是从上世纪50年代开始使用的轴承支架式摇枕台车,是将螺旋弹簧用作轴弹簧和枕弹簧的代表台车,现在仅用于局部铁路线。

  2)是轴横梁式无车架承梁台车,车辆的行驶稳定性、安全性(不易脱轨)及乘坐舒适性优良,且结构简单、部件数量少而大幅度实现了轻量化,是广泛使用的标准台车,在其轴弹簧上多采用螺旋弹簧,在枕弹簧上多采用特殊弹簧。

  3)是支撑板式无车架承梁台车,是在日本新干线一直使用的台车。

  2铁道车辆用弹簧材质

  关于铁道车辆用弹簧的材料,在日本国内规定使用JIS G4801弹簧钢材中的SUP6(Si-Mn)钢、SUP9和SUP9A(Mn-Cr)钢、USP11A(Mn-Cr-B)钢。根据淬透性的要求,选定钢种,具体是按螺旋弹簧和车体角位移摇摆平衡杆的棒材直径进行选择。

  日本以外的弹簧钢规格,主要有AARM-112(美国铁道协会标准)、ASTM A-125(热加工螺旋弹簧钢材,美国工业协会标准)、prEN10089(欧洲标准)、GM/T1222(压缩螺旋弹簧钢,中国标准)等。表1所示为日本、美国、欧洲和中国的铁道车辆用热加工螺旋弹簧用材的化学成分。

  为了实现汽车用悬架弹簧和建设机械用反冲弹簧等的轻量化,并降低其成本,虽然盛行对高强度钢的开发和使用,但在日本的铁道车辆用弹簧实际上至今依然未使用JIS G4801规格以外的钢种。

黑龙江快乐十分APP下载   3 弹簧的设计与特性

  弹簧设计是按JIS E4206的规定进行的,此规定是重新评价现已未用的(日本)旧国铁标准JRS的允许设计应力,在实际的应力设定中,依然将之设定在JRS的基准内。其原因是这样的标准能确保铁道车辆用弹簧具有充分的安全性和可靠性。

  作为铁道车辆弹簧而一直广泛使用的螺旋弹簧的特性,是基本上具有挠度随载荷增加而成比例增大的线性特性。并且,最近具有弹簧常数随载荷增加而增高的非线性特性的锥形螺旋弹簧的使用一直在增加。其原因是即使乘客数量或线路状况发生变化,也可确保乘坐舒适和安全性。

  4 今后课题

  旅客交通机构的共同使命可以概括为安全、准确、舒适、速度和低费用。其中与弹簧相关的是安全和速度。铁路对人与物的运量大,其公益性和对社会贡献都很重要,一旦发生事故都可能造成生命和财产的严重损失。因此,确保铁道车辆用弹簧的质量及稳定性是今后永恒的课题。

  面对航空业和高速公路网的竞争,日本新干线面临进一步提速问题。因此,铁道车辆的轻量化成了今后重要课题。具体除要求功能部件、强度构件需要有高可靠性之外,也要求轴弹簧的轻量化,故如何以新的理念和方式充分确保其强度也很重要。

  作为新的课题,世界正在大力推进铁路建设。日本的铁道车辆生产厂家正陆续接受海外用户订货。因此,如何使日本的铁道车辆技术和产品(包括以车用弹簧质量性能)适应海外的环境和地域特点等要求,正变得十分紧迫和重要。

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