彈簧緩沖結(jié)構(gòu)在冶金車輛中的應(yīng)用

宋貴芳，佟繼龍

（1.秦皇島秦冶重工有限公司，河北 秦皇島 066318；2.遼寧省機(jī)械研究院有限公司，沈陽 110032）

1 引言

冶金行業(yè)使用的煉鋼煉鐵車輛屬于重型機(jī)械，如鋼包車、廢鋼車、鐵水罐車、板坯運(yùn)輸車等，其工況環(huán)境差，多為高溫、粉塵、重載、沖擊的工況，在這類車輛的設(shè)計上，就需要考慮對車輛的防護(hù)結(jié)構(gòu)，以保證車輛安全和長效的使用。

重載、沖擊工況的車輛，通常需設(shè)計緩沖裝置來保護(hù)車體。緩沖裝置型式多樣，可利用材料特性或結(jié)構(gòu)型式來實(shí)現(xiàn)功能，常用材料有高分子材料、橡膠、緩沖膠等，采用結(jié)構(gòu)特性的裝置有金屬彈簧、液壓阻尼、磁力等。彈簧緩沖結(jié)構(gòu)是一種使用較廣泛和有效的形式。

2 彈簧緩沖結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式

彈簧的材料廣泛采用硅錳彈簧鋼，它是一種價廉的合金彈簧鋼，熱處理時有較高的淬透性，加熱時氧化皮較少，能獲得較好的表面質(zhì)量和較高的疲勞強(qiáng)度。其主要品種有55Si2Mn 鋼和60Si2Mn 鋼兩種。

在彈簧緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，多選用圓柱彈簧和碟簧。圓彈簧具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)檢修制造方便，有的緩沖結(jié)構(gòu)還利用了彈簧的橫向彈性，有利于緩和車輛的橫向振動。碟形彈簧形狀為圓錐碟狀，主要特點(diǎn)是：負(fù)荷大，行程短，所需空間小，組合使用方便，維修換裝容易，經(jīng)濟(jì)安全性高。適用于空間小、負(fù)荷大的精密重型機(jī)械。

在選取彈簧時，彈簧的靜剛度和靜撓度是兩個重要參數(shù)。本文主要介紹彈簧緩沖機(jī)構(gòu)中，彈簧的幾種布置形式及其在冶金車輛的具體應(yīng)用。

彈簧的組合布置形式主要有串聯(lián)組合、并聯(lián)組合、雙卷螺旋彈簧、兩級剛度螺旋彈簧等。下面分別列舉各種組合布置的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

2.1 串聯(lián)組合彈簧

圖1

其布置原理見圖1。當(dāng)量剛度為1/K=1/K1+1/K2+…+1/Kn。公司設(shè)計制造的抱軸式減速機(jī)電動平車采用了這種組合方式。減速機(jī)機(jī)體通過彈簧吊桿與車體連接，減速機(jī)在運(yùn)行中的振動、沖擊產(chǎn)生的能量由彈簧吸收，而且此結(jié)構(gòu)對安裝精度要求低，便于減速機(jī)的安裝與調(diào)試，見圖2。在碟簧做緩沖的結(jié)構(gòu)中，疊合組合或?qū)辖M合的碟簧也是串聯(lián)組合彈簧的一種。這種情況下，彈簧的位移小，緩沖行程短，組合剛度大，結(jié)構(gòu)緊湊。在板坯稱量運(yùn)輸車上，為減小板坯放置時對車體和稱量系統(tǒng)的沖擊，設(shè)計了緩沖平臺，平臺下方就使用了這種碟簧組合的緩沖結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖2

圖3

2.2 并聯(lián)組合彈簧

圖4

其布置原理見圖4，當(dāng)量剛度為K=K1+K2+…+Kn。在車輛的緩沖設(shè)計中，通常采用多組彈簧并行來同時起到緩沖作用的結(jié)構(gòu)。而上述板坯稱量運(yùn)輸車的緩沖結(jié)構(gòu)，緩沖平臺下同時設(shè)置了4 套碟簧組合機(jī)構(gòu)，這也是串聯(lián)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的應(yīng)用。

2.3 雙卷螺旋彈簧

為使結(jié)構(gòu)緊湊，減小彈簧占用的空間位置，時常采用雙卷彈簧來代替單卷彈簧。設(shè)計計算中，將內(nèi)、外卷所承受的載荷按1∶2的比例進(jìn)行分配。個別情況也有采用三卷彈簧的。凡是采用雙卷或三卷螺旋彈簧時，要求其相鄰的兩層簧的螺旋方向相反，一個是左旋，另一個則必須是右旋，以免相互卡住或簧組轉(zhuǎn)動。設(shè)計計算中，對于三卷組合彈簧的內(nèi)、中、外三卷所承受的載荷按1∶2∶4的比例進(jìn)行分配。然后分別進(jìn)行各單卷彈簧參數(shù)、簧卷間隙及組合當(dāng)量剛度等值的設(shè)計計算，并適當(dāng)給予修正，滿足設(shè)計要求。因為上述方法簡便，實(shí)際中應(yīng)用較多。高爐煉鐵設(shè)備中的鐵水罐車，是運(yùn)用彈簧緩沖最常見的車輛。每臺鐵水罐車至少需要兩套轉(zhuǎn)向架，載重大的需要四套、六套不等。每套轉(zhuǎn)向架含有兩套彈簧組，在承載負(fù)荷時，每組彈簧發(fā)揮著相同的緩沖作用。只有在彎道轉(zhuǎn)彎時，由于外側(cè)彈簧組需提供車輛的向心力，而與內(nèi)側(cè)彈簧組受力不同，見圖5。

2.4 兩級剛度螺旋彈簧

貨車載重量增加帶來的問題之一是空車、重車簧上質(zhì)量相差很大。如果采用一級剛度的螺旋彈簧組，有可能由于空車彈簧靜撓度過小和自振頻率過高，而使其振動性能惡化。采用兩級剛度的螺旋彈簧組，可使空車時有較大的彈簧靜撓度，改善其運(yùn)行的平穩(wěn)性，同時提高了車輛對扭曲線路的適應(yīng)能力，使輪對減載率減小，從而改善其運(yùn)行的安全性。目前，兩級剛度的螺旋彈簧在國內(nèi)外都不同程度地得到了應(yīng)用，這是一個值得注意的趨勢。兩級剛度螺旋彈簧組，應(yīng)用廣泛的是內(nèi)外簧并聯(lián)承載，空車時為外簧承載，重車時為內(nèi)外簧并聯(lián)承載，又稱為不等高兩級剛度彈簧組，其結(jié)構(gòu)簡單，使用最多，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的鐵水罐車也是這種緩沖結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用。

另外，有的彈簧緩沖結(jié)構(gòu)利用彈簧的橫向彈性來起到緩沖的作用。例如目前新型結(jié)構(gòu)的廢鋼料籃車。車輛運(yùn)載廢鋼料籃，廢鋼從料籃上方落入料籃，對車體的沖擊較大，需要設(shè)計緩沖結(jié)構(gòu)以保護(hù)車體，見圖6。正常狀態(tài)下，彈簧傾斜向上，處于自然狀態(tài)。當(dāng)車體受到?jīng)_擊時，彈簧受壓，發(fā)生位移，車體向下移動，沖擊能量得到釋放，由于彈簧的橫向彈性，車體再次復(fù)位。此外，彈簧橫置，也減小了車輛運(yùn)行中啟動、制動帶來的水平?jīng)_擊。這種緩沖設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，檢修維護(hù)方便，不必拆裝車體。

3 結(jié)語

綜上，在車輛彈簧緩沖的設(shè)計應(yīng)用中，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)、功能的需要，選擇適合的組合形式，以達(dá)到最好的緩沖和實(shí)際應(yīng)用效果。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊（第三卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］JB/T 5000.10-2007，重型機(jī)械通用技術(shù)條件［S］.

［3］張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，1997.

［4］高敏，張成中.工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)Ⅱ-創(chuàng)意結(jié)構(gòu)與控制基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計（第八版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.