调整橡胶层预压缩量改变转臂节点刚度的方法及转臂节点与流程

本发明涉及到一种机车部件性能的调整方法及装置，具体涉及到一种通过改变机车转臂节点的性能来防止或减少机车轴箱轴承磨损的方法及转臂节点，用以提高机车轴箱轴承的使用寿命。属机车部件制造技术领域。

背景技术：
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转臂式轴箱定位方式是一种传统的轴箱定位方式，广泛地应用于轻轨、地铁、普通客车和高速动车组转向架。所谓转臂式轴箱定位是将轴箱与定位转臂结合在一起，组成转臂轴，将轴箱与定位拉杆合为一体，组成转臂结构。轴箱转臂定位是通过转臂一端的节点与构架安装座相连。节点由2 个锥形橡胶关节组成，用于提供轴箱定位的纵向刚度并且和一系弹簧共同提供一系横向刚度，传递轮对与构架间的纵向和横向作用力。轴箱垂向弹性则由一系弹簧提供。转臂式轴箱定位具有结构简单、落轮方便的优点，并可方便地更换节点的橡胶关节，调整和改变轴箱纵横定位弹性参数，实现对转向架动力学性能的调节，有利于转向架模块化和新转向架的试制。近年来，转臂轴箱定位开始应用于机车转向架，如法国T G V - A 高速列车动车转向架，我国出口哈萨克斯坦的200 km/h 机车都采用转臂式轴箱定位。在转臂式轴箱定位中转臂的定位及其关节的性能对整个转臂式轴箱定位影响很大。其中，转臂节点是十分关键的一个部件，转臂节点起着连接转臂与定位拉杆的作用，由于考虑到弹性形变的需要，一般轴箱转臂节点都采用金属—橡胶硫化的弹性元件，用以传递轮对与构架之间的牵引力和制动力。轮对与构架间的横向及纵向相对位移依靠节点橡胶套的变形实现，是直接影响车辆运行稳定性和曲线通过性能的悬挂件。但是如何确定转臂节点纵向刚度和偏转刚度是当前首要解决的问题，现在的机车转臂式轴箱定位中经常出现车轴轴承磨损严重，据分析很大程度就在于转臂节点的性能参数选择不合适，导致车轴轴承磨损严重，这样将极大影响车辆的正常运行，降低车辆的使用寿命，因此很有必要对此加以进一步研究。

通过专利检索没发现有与本发明相同技术的专利文献报道，与本发明有一定关系的专利主要有以下几个：

1、专利号为CN01213318，名称为“车辆转向架轴箱转臂悬挂用无摩损复合节点套” 的实用新型专利，该专利公开了一种车辆转向架轴箱转臂悬挂用无摩损复合节点套，是由芯轴、弹性橡胶体和外金属套三部分组成，芯轴的芯包为球体状，弹性橡胶体与芯轴和外金属套均为球面接触，弹性橡胶体通过硫化粘接于芯轴和外金属套上。其整体的静态性能为轴向与径向刚度比为1∶2.5～3.2，且外金属套2为等分的分瓣式结构，可以是三瓣式结构或多瓣式结构，在瓣与瓣之间有一轴向的压缩槽，并且，为保证所需的压装力，金属外套与安装孔为小过盈配合安装。

2、专利号为CN200820072284，名称为“高速动车组转向架的转臂式轴箱定位装置” 实用新型专利，该专利公开了一种高速动车组转向架的转臂式轴箱定位装置，包括轴箱、连接块、橡胶节点、轴箱弹簧，轴箱为分体式，由上轴箱和下轴箱两部分构成，轴箱上设有安全挡板，轴箱弹簧与轴箱之间设有叠层弹簧。

3、专利号为CN201210084417， 名称为“一种转向架转臂式轴箱定位装置”的发明专利，该专利公开了一种转向架转臂式轴箱定位装置，它包括一定位转臂、一轴箱体、一构架定位转臂座、一轴箱弹簧、一轴箱橡胶垫组成、一单向轴箱油压减振器和一构架；所述定位转臂一端通过螺栓固定在所述轴箱体的承载座上，另一端通过弹性节点与所述构架定位转臂座连接，构成铰接臂；位于所述轴箱体顶部和架构之间设置有所述轴箱弹簧，并在所述轴箱体与所述轴箱弹簧之间增设有所述轴箱橡胶垫组成；位于所述定位转臂端部与所述构架端部通过所述单向轴箱油压减震器连接。

3、专利号为US19920892713， 名称为“Axle box suspension with resilient elements adhered to the movable components such that all relative movement between the components occurs by deformation of the resilient elements”的发明专利，该专利公开了一种轴箱悬挂装置，该装置轴箱一端为转臂，转臂通过弹性元件连接到车架，使纵向，横向和垂直旋转运动的转轴和车架之间可以通过变形的弹性元件和转轴之间实现转臂无间隙运动，使车辆的行驶稳定性大大提高。此外，由于轴箱悬挂设有相对滑动部件之间限定或间隙，有效的降低或消除长期的磨损，减少零件的替换，维护更加便利。

上述这些专利虽然都涉及到转臂节点的一些结构改进，但是都没有提出具体的如何通过转臂节点的纵向刚度和偏转刚度调整，来提高转臂式轴箱定位中转臂的性能，防止车轴轴承的磨损。

同时，我们通过对现有车轴轴承磨损的研究，我们发现之所以会出现车轴轴承磨损，主要是车辆在高速通过曲线时，轮对会对钢轨产生很大的横向载荷，由于转臂节点是连接一系转臂轴和转向架构架的连接件，所以对轴箱及轴箱内的轴承具有很大的限制性作用，目前的转臂节点的纵向（径向）刚度和偏转刚度过大，这将会使轮对会对钢轨横向载荷进一步加大；同时，钢轨也会对轮对产生同样大的横向反作用力，从而磨耗轮缘；同样，这种横向载荷也会增大轴箱内部的轴承的横向载荷，从而造成轴箱内部的轴承磨损加重。因此要减少轴箱内部的轴承磨损，适当降低转臂节点的纵向刚度是十分有益的，但是如果转臂节点的纵向刚度降低过多，将使得转臂节点连接轴箱与构架的连接限制作用受到影响；这样车辆将会出现车辆蛇形运动，降低平稳性，严重时将会出现脱轨。因此如何选择合适的转臂节点纵向（径向）刚度成为了有效防止轴箱内部的轴承磨损的关键。而转臂节点纵向（径向）刚度的选择很大程度上取决于转臂节点橡胶层的选择，一般对于转臂节点橡胶层的设计都主要是从橡胶层的纵向与轴向刚度比来考虑的，将其径向/轴向刚度比(简称径/轴刚度比)一般限于7∶ 1左右，而且都是通过改变橡胶层的布局斜面结构和方式考虑比较多。但是在研究中发现，由于转臂式轴箱定位中转臂节点采取的是两节组合结构，所以两节转臂节点的对称度，锥轴与锥孔的配合,及其转向架四个节点及他部件的累积公差,造成节点安装后转臂与构架偏心,从而增加了节点的横向和偏转载荷,这将增加轮对磨耗等问题，从而增加轴箱内部的轴承磨损。实际上目前我们在确定转臂节点橡胶层的设计时只考虑径向/轴向刚度比是不够的，转臂节点在实际应用中所承受的是同时存在径向、轴向、偏转及扭转载荷，属于复合承载元件，因此应该从径向、轴向、偏转及扭转四个方面对转臂节点进行限定才比较真实。

此外，我们通过分析研究还发现，转臂节点主要是传递纵向牵引力，在横向和纵向引导轮对，而不限制一系钢弹簧垂直方向上的位移，且对于轴箱顶置式的一系转臂式轴箱来说，转臂节点几乎不承受垂向载荷，也就是说转臂节点所希望的横向和垂向的刚度是不一样的。为了满足这种需求目前一般都是通过在转臂节点橡胶层较小载荷的方向上挖出一些孔或槽，形成空实向相结合的橡胶体结构来实现，但这样做会给安装带来很大的麻烦，安装时需要对准方向安装，否则将达不到所希望的效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有机车转臂式轴箱定位中经常出现车轴轴承磨损严重的问题，提出一种防止或降低机车车轴轴承磨损的方法及转臂节点，该方法及转臂节点通过改变转臂式轴箱定位中的转臂节点的部分结构有效降低车轴轴承磨损。

为了达到这一目的，本发明提供了一种调整橡胶层预压缩量改变转臂节点刚度的方法，为通过调整转臂节点橡胶层预压缩量防止轴箱轴承磨损的方法，采用两节锥形内孔转臂节点组合结构，通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来改变转臂节点不同的轴向刚度性能，并通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来提高转臂节点轴向刚度，使得轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1，避免扭转刚度下降，有效降低车轴轴承磨损。

进一步地，所述的通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来提高转臂节点轴向刚度是将两节锥形内孔转臂节点相连接处的凸台长度提高到5~6.5mm，增加两节锥形内孔转臂节点外套之间的间隔距离，通过调整两节锥形内孔转臂节点外套之间的压缩量来提高转臂节点轴向刚度，使得轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1。

进一步地，所述的通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来提高转臂节点轴向刚度是将两节锥形内孔转臂节点相连接处的凸台长度提高到5.5~6.0mm，并保证轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1。

进一步地，所述的通过调整两节锥形内孔转臂节点外套之间的压缩量来提高转臂节点轴向刚度是首先根据转臂长度和钢簧的垂向变形，计算出转臂节点的扭转角；再根据转臂长度和钢簧的横向变形，计算出转臂节点的偏转角度；再根据转臂节点的扭转角和偏转角度确定转臂节点的纵向刚度、偏转刚度和扭转刚度，然后根据车辆的横向载荷和垂向载荷，利用有限元计算出转臂节点所需的轴向刚度；最后根据转臂节点的轴向刚度确定转臂节点橡胶层轴向压缩量，通过增加转臂节点橡胶层轴向预压缩来使得径向刚度降低的情况下，保证偏转刚度和扭转刚度不下降。

进一步地，所述的转臂节点橡胶层具有包边，且包边从内凹槽分别一直延伸到所接触金属外套和内套的表面端面，防止轴向压缩量增加后转臂节点橡胶层出现撕裂。

一种转臂节点，转臂节点由两节对称结构的弹性橡胶件组合形成，为两节锥形内孔转臂节点，包括左金属外套和左金属内套，在左金属外套和左金属内套之间整体硫化有左橡胶层，以及右金属外套和右金属内套，在右金属外套和右金属内套之间整体硫化有右橡胶层；左橡胶层和右橡胶层分别相向斜向布置，左金属内套与右金属内套的内孔也分别为锥孔相向布置；其特征在于，两节锥形内孔转臂节点采取组合结构安装，且转臂节点采用轴向压缩安装，并通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来提高转臂节点轴向刚度，使得轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1，避免扭转刚度下降，有效降低车轴轴承磨损。

进一步地，所述的两节锥形内孔转臂节点是两个橡胶层斜面向内倾斜相向安装，组合后两节的内套端面顶在一起，外套之间存有间隙，所存间隙在没有预压缩之前为10~13 mm。

进一步地，所述的两节锥形内孔转臂节点相连接处的每一节的金属内套与金属外套的端面为不一样高的端面，其中金属内套向外伸出有一个凸台，凸台长度为5~6.5mm，以此增加两节锥形内孔转臂节点外套之间的间隔距离，通过调整两节锥形内孔转臂节点外套之间的压缩量来提高转臂节点轴向刚度，使得轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1。

进一步地，所述的转臂节点金属内套向外伸出有一个凸台，凸台长度为5.5~6.0mm，并保证轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1。

进一步地，所述的转臂节点橡胶层具有包边，且包边从内凹槽分别一直延伸到所接触金属外套和内套的表面端面，防止轴向压缩量增加后转臂节点橡胶层出现撕裂。

进一步地，所述的转臂节点橡胶层包边采取不等厚结构，其中，位于橡胶层大头一边的金属内套的包边要厚于金属外套的包边，且金属内套的包边采用平行转臂节点轴线的平行包边，金属外套的包边采取向内收口的斜边包边；位于橡胶层小头一边的金属外套的包边要厚于金属内套的包边，且金属外套的包边采用平行转臂节点轴线的平行包边，金属内套的包边采取向内收口的斜边包边。

进一步地，所述的金属内套的向内收口的斜边包边为两段不同斜率的收口斜边包边，其中从端口向内的第一段写包边的斜率要小于从第一段斜边的末尾到圆弧凹槽的第二段斜边包边的斜率。

本发明的优点在于：

本发明是在经过对现场运用的转臂式轴箱定位中经常出现车轴轴承磨损严重的问题进行反复研究后，发现车辆在高速通过曲线时，轮对会对钢轨产生很大的横向载荷，如果转臂节点的纵向刚度过大，将会使横向载荷进一步加大，加速轴箱内部的轴承磨损的实际情况，提出通过调整转臂节点橡胶层轴向预压缩的方法和结构，来增加轴向刚度，这样就可以进一步降低转臂节点的径向刚度，而不至于影响转臂节点的扭转刚度和旋转刚度，同时通过加大预压缩的余量使得转臂节点在运行后出现松弛的情况下，有进一步的调整余地，从而避免在转臂节点运行一段时间后轴向刚度下降，导致转臂节点整体性能下降，试验证明可以有效防止或降低轴箱内部的轴承磨损。此外，在增加轴向刚度的同时，改变了橡胶层的包边结构，采取延长包边，并实施不同厚度和不同斜率的包边结构，使得橡胶层的抗撕裂性能大大提高，防止轴向刚度提高后的橡胶撕裂现象出现。

附图说明

图1是本发明转臂节点的组合结构示意图；

图2是本发明单一节转臂节点的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本发明。

附图1给出了本发明的原理示意，从附图中可以看出，本发明涉及一种调整橡胶层预压缩量改变转臂节点刚度的方法，为通过调整转臂节点橡胶层预压缩量防止轴箱轴承磨损的方法，采用两节锥形内孔转臂节点组合结构，通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来改变转臂节点不同的轴向刚度性能，并通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来提高转臂节点轴向刚度，使得轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1，避免扭转刚度下降，有效降低车轴轴承磨损。

进一步地，所述的通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来提高转臂节点轴向刚度是将两节锥形内孔转臂节点相连接处的凸台长度提高到5~6.5mm，增加两节锥形内孔转臂节点外套之间的间隔距离，通过调整两节锥形内孔转臂节点外套之间的压缩量来提高转臂节点轴向刚度，使得轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1。

进一步地，所述的通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来提高转臂节点轴向刚度是将两节锥形内孔转臂节点相连接处的凸台长度提高到5.5~6.0mm，并保证轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1。

进一步地，所述的通过调整两节锥形内孔转臂节点外套之间的压缩量来提高转臂节点轴向刚度是首先根据转臂长度和钢簧的垂向变形，计算出转臂节点的扭转角；再根据转臂长度和钢簧的横向变形，计算出转臂节点的偏转角度；再根据转臂节点的扭转角和偏转角度确定转臂节点的纵向刚度、偏转刚度和扭转刚度，然后根据车辆的横向载荷和垂向载荷，利用有限元计算出转臂节点所需的轴向刚度；最后根据转臂节点的轴向刚度确定转臂节点橡胶层轴向压缩量，通过增加转臂节点橡胶层轴向预压缩来使得径向刚度降低的情况下，保证扭转刚度不下降。

进一步地，所述的转臂节点橡胶层具有包边，且包边从内凹槽分别一直延伸到所接触金属外套和内套的表面端面，防止轴向压缩量增加后转臂节点橡胶层出现撕裂。

实施例一

附图2给出了本发明的一个具体实施例；一种转臂节点，包括左金属外套2和左金属内套1，在左金属外套2和左金属内套1之间整体硫化有左橡胶层3，以及右金属外套4和右金属内套5，在右金属外套4和右金属内套5之间整体硫化有右橡胶层6；左金属内套1与右金属内套5的内孔分别为锥孔相向布置，即锥孔的大头在外，锥孔的小头在内背靠背紧贴靠在一起；其特征在于，左橡胶层3和右橡胶层6分别相向斜向布置，两节转臂节点组合起来后形成“八字”形的截面，两节锥形内孔转臂节点采取组合结构安装，且转臂节点采用轴向压缩安装，并通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来提高转臂节点轴向刚度，使得轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1，避免扭转刚度下降，有效降低车轴轴承磨损。。

所述的两节锥形内孔转臂节点是两个橡胶层斜面向内倾斜相向安装，组合后两节的内套端面顶在一起，外套之间存有间隙L，所存间隙L在没有预压缩之前为10~13 mm。

进一步地，所述的两节锥形内孔转臂节点相连接处的每一节的金属内套与金属外套的端面为不一样高的端面，其中金属内套向外伸出有一个凸台H，凸台H长度为5~6.5mm，以此增加两节锥形内孔转臂节点外套之间的间隔距离，通过调整两节锥形内孔转臂节点外套之间的压缩量来提高转臂节点轴向刚度，使得轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1。

所述的转臂节点橡胶层具有包边，且包边从内凹槽分别一直延伸到所接触金属外套和内套的表面端面，防止轴向压缩量增加后转臂节点橡胶层出现撕裂。

实施例二

实施例二与实施例一的结构基本一样，只是所述的转臂节点金属内套向外伸出有一个凸台，凸台长度为5.5~6.0mm，并保证轴向刚度控制在6-8KN.mm^-1。

所述的转臂节点橡胶层包边采取不等厚结构，其中，位于橡胶层大头一边的金属内套的包边要厚于金属外套的包边，且金属内套的包边采用平行转臂节点轴线的平行包边，金属外套的包边采取向内收口的斜边包边；位于橡胶层小头一边的金属外套的包边要厚于金属内套的包边，且金属外套的包边采用平行转臂节点轴线的平行包边，金属内套的包边采取向内收口的斜边包边。

实施例三

实施例三与实施例二的结构基本一样，只是所述的金属内套的向内收口的斜边包边为两段不同斜率的收口斜边包边，其中从端口向内的第一段写包边的斜率要小于从第一段斜边的末尾到圆弧凹槽的第二段斜边包边的斜率。

上述所列实施例，只是结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的优点在于：

本发明是在经过对现场运用的转臂式轴箱定位中经常出现车轴轴承磨损严重的问题进行反复研究后，发现车辆在高速通过曲线时，轮对会对钢轨产生很大的横向载荷，如果转臂节点的纵向刚度和偏转刚度过大，将会使横向载荷进一步加大，加速轴箱内部的轴承磨损的实际情况，提出通过调整转臂节点橡胶层轴向预压缩的方法和结构，来增加轴向刚度，这样就可以进一步降低转臂节点的径向刚度和偏转刚度，而不至于影响转臂节点的扭转刚度和旋转刚度，同时通过加大预压缩的余量使得转臂节点在运行后出现松弛的情况下，有进一步的调整余地，从而避免在转臂节点运行一段时间后轴向刚度下降，导致转臂节点整体性能下降，试验证明可以有效防止或降低轴箱内部的轴承磨损。此外，在增加轴向刚度的同时，改变了橡胶层的包边结构，采取延长包边，并实施不同厚度和不同斜率的包边结构，使得橡胶层的抗撕裂性能大大提高，防止轴向刚度提高后的橡胶撕裂现象出现。