（光学工程专业论文）货车缓冲器的研究及改进.pdf

摘要( 中文) 本论文回顾了国内外铁路货车缓冲器的发展历程，针对现阶 段我国铁路货车缓冲器存在的问题，尤其是作为我国铁路货车缓 冲器的主型产品s t 、m t 一3 型缓冲器存在的阻抗力大、s t 型缓冲 器螺拴折断等问题。从理论上做深入分析，建立了的数学模型， 找出了影响缓冲器阻抗力大的各种因素，并通过试验进行了逐步 验证。最后对发展2 5 吨轴重的大容量缓冲器如液气缓冲器、弹 性胶泥缓冲器做了一些有益的探索。 本论文的重点在于对干摩擦式缓冲器s t 型缓冲器做了严密 的受力分析，建立了较为精确的数学模型，并通过精心设计的试 验进行对比分析，得出可以通过控制摩擦付的硬度及适当调整缓 冲器几何结构来获得较为满意的阻抗力和容量的结论。同理对 m t 一3 型缓冲器也进行了分析、试验并获得满意的结果。 本论文提出了一套有效的手段来减少干摩擦系数不稳定的 影响，这为指导铁路企业进行缓冲器生产，提高产品质盈，为我 国铁蹄运输提供优质产品，具有积极的指导意义。 关键词：缓冲器容量阻抗力 北京交通大学工程硕士专业学位论文 a b s t r a c t i 。h i st h e s i ss t u d l e st h ed e v e l o p m e n to ft h ct r u c kb u f f e ro fr a i l w a yo f o u rc o u n t r y ，d i r e c ta g a i n s tt h eq u e s t i o nt h a t t h et r u c kb u f f e ro fr a i l w a yo f o u rc o u n t r ye x i s t sa tt h ep r e s e n ts t a g c ，c s p c c i a l i ya so fo u rc o u n t r yr a i l w a y m a i np r o d u c t ss t ，t r u c ko fb u f f e r ，m o d e lm t - 3i m p e d a n c et h a tb u f f e re x i s t s t r e n g t hh e a v y ，m o d e ls tb u f f e rs p i r a ls b c l l f 8s t e n st h e q u e s t i o o f b r e a k i n ge t c ，m a k ci n - d e p t ha n a i y s i st h e o r e t i c a l l y ，m a t h e m a t i c sm o d e l t h a ts e tu p ，i si ti n f 】u e n c eb u f f e ri m p e d a n c es t r e n g t hh e a v yv a r i o u sk i n d s o ff a c t o rt of i n do u t ，a n dp r o v ep f o g r e s s i v e l yt h f o u g ht e s i n g f i n a l i yt o d e v e i o p2 5a x l ei nw e i g h ti a r g ec a p a c i t yb u f f e ri fl j q u i da n g r yb u f f e r ， c i a s t i cc i a yb u f f e rm a k cs o m ce x p i o f a t i o n t h cf o c a lp o i n to ft h ist e x th a si a i ni nm a k i n gt h c “g h to n ea n dis d c r i v c db ys r e n g l ha n a i y s i sa n dm 8 l h c m a t i c si n d o i n g t h cr u b i n gt y p c b u f f c rm o d c is tb u f f o r ，s c tu pc o m p a r a “v c i ya c c u r a i cm a t h c m a “c sm o d c i ， a n dc o m p a r ca n da n a l ys c t h r o u g ht h ct cs tt h a ti sd c s i g n c dm e l i c u l o u s i y ， r c c c i v ca n do b t 日i n c o m p a r a t i v e l ys a “s f a c t o r yi m p c d a n c cs t r c n g h a n d c a p a c j t yt h r o u g hc o t r o i l i n ga n dr u bt h ch a r d n c s sp a i da n da d j u s ti h c b u f f e rg c o m e t r ys t r u c t u r cp r o p c r l y h a v ca n a i y s c d ，t e s t c da n do b t a i n c dt h c s a t i s f a c t o r yc o n c i u s i o nt ot h em o d e im t 3b u f f e rt o oi ns a m c t h r o u g h t h e i n - d e p t ha n a i y s i s o ft h is t c x t ， i ti sc o n v c n i c n tf o r c v e r y b o d yt og r a s pa n d d ot h ep c r f o r m a n c ew h i c hr u bst h eb u f f c r ，r c d u c e a n dd ot h ei n f i u e n c ew i t hu n s t 8 b l ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o n t h r o u g ht h c e f f e c t j v em e a n s ，g u i d er a i l w a ye n t e r p r i s c st o p r o d u c c ，i m p r o v ep r o d u c t q u a l i t y ，o f f c rt h cq u a l i t yp r o d u c tf o rr a 订w a yt r a n s p o r t a t i o no foufc o u t r y k e y - o r d s ： b u f f e r c a p a c i t yi p e d a n c es t r e n g t h 2 1 北京交通大学工程硕士专业学位论文 主要符号表 e 缓冲器的容量 h b 布氏硬度 h r c 洛氏硬度 t 缓冲器的阻抗力 q 、b 和y 一一楔块各棱边的倾斜角 p 缓冲器摩擦热 “一一月葬擦系数 6 一压莹力 抗拉强度 6s 屈服极限 6 5 _ 一伸长率( ) 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第1 章绪论 1 1 国内缓冲器发展概况 缓冲器是用来缓和列车在运锊中枫车牵引力的变化或在扁 动、制动及调车作业时车辆相曩碰攘两弓l 起的缎向冲击和振动。 缓冲器露耗散车辆之闻冲击程振动的功能，从瓤减轻对车体结构 和装载货物瓣破坏 乍用，以提高列车运行平稳性。 我国货车上使用的缓冲器有二、三号和瓤x l 型缓冲嚣及弓i 进积歼发的s t 、m a r k 一5 0 、m t 一2 、m t 一3 缓冲器。根辗1 9 9 7 年底的统计，我闲约有圈轴货车4 3 万辆，有近9 0 万套缓冲器与 之拥配，其中9 0 以上为二号、三号和m x l 囊缓冲嚣。我国货 车上使用的缓冲器容盈一般偏小，缓冲器性能参数见表l 。 出乎：弩、兰弩缓冲器容撩小，最大可达到2 4 k i ，雒x l 型缓冲器性熊不稳定，这样的缓冲器限制了货车嬲连挂速泼双能 在5 k m h 以内。如聚将车辆的连挂速度挺您到7 k m h 、甚至亚态 时，货车在握遮霭载的运茜中发生制动、加速形成冲击时。我国 鞲游生型缓冲器可能被厦恁，造成钩体、钩舌、钩遐榧的硬憔冲 击，这怒提逮重载瑶，钩体、钩舌、钩愿壤裂纹数爨巨增的重要 原因之一。鉴予以上原因，我幽已逐步在淘汰三号缓冲器，斟x l 型缓冲器自2 0 0 0 年也被停止装车使用。现阶段缓冲器的定型产 品为s t 、m t 一3 、m t 一2 型缓冲嚣。种类攀一。s t 型缓冲器存在如 下缺点一一缓；巾器工作不稳定，阻抗大，用于大载重货车时，容 量不足。工作的不稳定楚由于这种缓冲嚣对瘁擦系数的变化敏感 性较态所致。m 下一3 型缓冲器同样存在阻抗大的闷鼷。因此现在 国内货车主型缓冲器不能适应我国铁路发联一提速重载和不 同运输种类专用货车对缓冲器的需要。 提速和熏载是我国货车运输豹两个发展方向，“十五”期翔 铁路桃车车辆的弱标；以快捷货物运输、重载运输和不弼运输季中 类需要的专用货车为发展重点，快速货物列车最高时速达到 1 2 0 l ( m ；普通货物列车最离酵速达到9 0k 翔。继续发展重载运输， 北京交通大学工程礤士专业学位论文 在大秦线、朔黄线等运煤遵道上，积极发展2 5 t 低动力作用4 轴大型货车。瓶这将给钩缓装置带来额的挑战。 衷l国内货车缓冲器性能参数一览表 缓冲二号三号蜒x l磷a r k m t 一2m t 一3s t 型 器型型一5 0型型缓冲 号型器 类型摩獠庠擦摩擦弹簧弹簧弹簧弹簧 式式橡胶 一摩一摩一摩一摩 式擦式擦式擦式 擦式 外形5 1 4 5 8 8 5 6 8 5 7 6 2 2 7 5 7 7 5 6 3 尺寸3 1 7 3 l7 3 1 8 3 2 0 3 2 0 3 2 0 3 8 8 ( m m )2 2 82 2 52 2 62 2 6 2 2 62 2 62 3 0 最大1 2 0 09 0 01 7 0 02 2 7 02 0 0 02 0 0 02 0 0 0 佟用 力 ( k n ) 行稳6 4 5 8 6 58 2 5 58 38 36 8 ( m 臻)6 86 0 容量2 3 8 4 0 5 3 8 75 4 4 53 2 ( k j )2 42 04 36 4 吸收1 3 1 4 3 5 5 05 能最 1 41 74 0 ( x j 能爨 5 77 8 9 08 69 09 08 0 吸收8 5 率( ) 熏曩 1 1 61 8 4 1 3 31 7 81 3 3 ( k g ) o 托京交通大学工程硬士专业学位论文 1 。2 国外缓冲器综述 为了研制高效能的、工作稳定的缓冲器，在不同的时期， 不嗣豹国家研制了不陶的缓冲器。 美国近5 0 年来。为了适应铁路运输发展的需要，北美铁路 协会( a a r ) 曾几度修改有关缓冲器豹标准，从早期颁布的 a a r m 9 0 l 规定的缓冲器容量不得低于2 4 8 k j 。最大阻抗力 1 3 6 m n ，至1 9 5 9 年颁布的 a r m 9 0 1 e ，规定缓冲器容量不得小 于4 9 6 l ( j 。最大阻抗力为2 2 7 m k 。7 0 年代以后。美国发展载重 9 0 t ( 总重约1 2 0 t ) 和l l o t ( 总重约1 4 0 t ) 的大型货车，车辆 允许连挂速度要求达到9 7 一l1 3 k 难，要求缓冲器的容量更大。 除了传统的安裟在辈底架牵引梁前、后从板座之间的缓冲器装嚣 之辨，对于运输易碎、贵重货物的专用车辆，采用活动中梁。在 活动中梁与底架之问装设附加的液压阻尼装置，行程达5 0 8 m m 以上，用以吸收冲击能盘。在中梁的两端再装设普通的缓冲器， 整个系统的总容量达2 0 0 l ( j 。 m a r k 一5 0 型缓冲器的结构型式和性能参数，较适合我固近期 发展5 0 0 0 一6 0 0 0 t 重载列车运输和货车调车允许连挂瓣速度提亮 到7 k m h 以上对缓冲器的要求，其容量为5 3 6 7 k j 。行程8 2 5 5 m m 。 苏联在= 轴和四轴货车上采用i 工【一卜t m 型缓冲器。它是旧型 磁一卜t 缓冲器的改进型，容量增大至5 5 8 5 k j ，最大作用力达 2 5 2 8 m n 。根据苏联铁路远景规划，在设计新缓冲器时，当调 车允许连挂速度按9 5 k m h 考虑时，对于四轴货车，缓冲器容量 应不小于6 0 k j 六轴和八轴货车应不小于1 1 0 k j 。当调车允许连 挂速度提高到l l k m h 时，对于四轴货车，缓冲器容量应不小于 1 0 0 k j ，六轴和八轴货车应不小于1 6 0 k j 。 除了摩擦式缓冲器外，国外还有采用液体来吸收冲击能量 的液殛式缓挣器、潺动中粱鹩等多种形式的缓冲装鬟。 3 北京交通大学工程硕士专业学位论文 1 3 研究缓冲器的目的和意义 1 3 1 课题来源及生产背景 我国铁路货车中的缓冲器品种单一，性能差，容量小，难以 满足国家经济迅猛的发展，与铁路行业实现提速重载跨越式发展 不相适应，于是车辆局和工厂在2 0 世纪9 0 年代联合开发了s t 、 m 卜2 、m t 一3 型缓冲器s t 型缓冲器是在研究前苏联山一卜t m 型 缓冲器基础上开发的新型缓冲器s t 型缓冲器具有结构简单、 维修方便的特点。m t 一2 型缓冲器是在研究美国m a r k 5 0 型缓冲器 的基础上，为我国大秦线开行6 0 0 0 一1 0 0 0 0 吨运煤列车开发设计 的大容量缓冲器。m t 一3 型缓冲器是在m t 一2 型缓冲器基础上开发 的大容量通用缓冲器。m t 一3 型缓冲器具有容量大、检修周期长、 维修方便等特点，装在c 6 4 等车上。s t 、m t 一3 型缓冲器被定为 我国铁路货车缓冲器主型产品。 作为我国货车缓冲器的主型产品s t 、m t 一3 型缓冲器，在实 际运用过程中发现不同程度上都存在着下述问题：虽然由于s t 缓冲器具有结构简单、容量较大、维修方便、价格便宜( 仅为 m t 缓冲器价格的l 2 ) 等优点已被广泛应用到铁路货车中，并 且得到广大客户的认可和赞扬，但是它存在工作不稳定、阻抗偏 大、螺拴在运用中折断等问题。这些问题的存在困扰着s t 型缓 冲器的进一步推广。目前s t 型缓冲器有七家生产单位：北京二 七车辆厂、内蒙古第一机械制造厂、齐齐哈尔车辆厂、株州车辆 厂、牡丹江机车车辆配件厂、天津机车车辆配件厂和十八铁路工 程局，其中有五家曾经在产品抽查中发现产品不合格被停产整 顿过。我厂作为s t 型缓冲器开发的主导厂在2 0 0 3 年上半年因 s t 型缓冲器存在阻抗力偏大( 大于2 0 0 0 k n ) 被停产。给工厂带 来很大经济损失。m t 一3 型缓冲器在生产中也存在阻抗力超限的 问题。目前有：天津机车车辆配件厂、北京二七车辆厂、牡丹江 机车车辆配件厂生产。天津机车车辆配件厂是m t 一3 型缓冲器的 开发主导厂。在2 0 0 3 年上半年铁道部产品质量抽查中天津机车 车辆配件厂和牡丹江机车车辆配件厂因阻抗力超限被停产，而我 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 厂在生产中也发现m t 一3 型缓冲器存在阻抗力偏大的现象。因此 s t 、m t 一3 型缓冲器存在阻抗力偏大等问题是普遍性的，应该深 入进行缓冲器性能的研究，掌握其工作原理，分析影响产品不合 格的因索，制定措施并从设计、制作工艺上加以解决。这有利 于正确指导企业生产，加快产品的更新换代，促进铁路货车缓冲 器行业的发展。为实现铁路跨越式发展做出一点贡献。 1 3 2 研究的内容和方法 本论文主要研究作为我国铁路货车缓冲器的主型产品s t 、 m t 一3 型缓冲器存在的问题，从理论分析、试验验证和应用分析 中查找造成s t 、m t 一3 型缓冲器阻抗力超限及s t 型缓冲器螺拴折 断的原因。制定措施，通过理论分析和试验验证，解决s t 、m t 一3 型缓冲器阻抗力偏大并且不稳定的问题，同时对发展2 5 吨轴重 的缓冲器做些探索。 1 3 3 研究的目的和意义 研究国内外货车缓冲器的发展，针对现阶段我国铁路货车缓 冲器存在的问题做深入分析。提出一套完整的思路和方法，确定 改进方案，解决s t 、m t 一3 型缓冲器阻抗力偏大、不稳定的问题， 正确指导企业生产：探讨开发或引进适应提速重载车辆的缓冲 器，为实现铁路行业发展，和国民经济的飞速发展做一点贡献。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第2 章缓冲器的性能指标及评价体系 2 1 缓冲器的性能 车辆缓冲器主要功能是耗散车辆之问的冲击和振动能量，从 而减轻对车体结构和装载货物的破坏作用以提高列车运行的平 稳性。缓冲器的性能直接影响着列车的牵引总重、运行速度、车 辆的总重、编组作业效率、货物的完好率等涉及铁路运输效能的 主要技术经济指标。一般决定缓冲器性能的主要参数是：缓冲器 的行程、最大阻抗力、容量及能量吸收率等。具体各种类型的缓 冲器又有具体的性能评价体系。 2 1 1 缓冲器的容量 缓冲器的容盘是指缓冲器在全压缩过程中，作用力在其行程 上所做的功的总和。足衡量缓冲器能量大小的主要指标，如果容 量太小，则当冲击力较大时就会使缓冲器全压缩而导致车辆刚性 冲击。 缓冲器的容量大小主要应考虑列车的运行工况和调车工况。 列车运行工况对缓冲器容量的要求与列车的总重、列车的编组方 式、制动机的性能、车钩的纵向问隙以及列车的操纵方式等诸多 因素有关可以根据列车动力学试验和仿真模拟计算予以确定。 对于货车缓冲器容量很大程度上决定于调车冲击工况，根据货 车允许的连挂速度和车辆总重，可按动量守恒和能量守恒计算出 各种载重货车在不同冲击速度下所需冲击座容量值。如果两个相 互冲击的车辆装设同型缓冲器，则缓冲器容量由下式计算： e = w 。w 2 v 2 ( 4 9 ( w 。+ w 2 ) )( 2 1 ) 式中：w 。、w ：一一两冲击车辆的重量，k n ： v 一一冲击时两车的相对速度，即连挂速度，m s 。 2 1 2 缓冲器行程 缓冲器行程是缓冲器受力后产生的最大变形量。此时弹性元 件处于全压缩状态，如再加大外力。交形量也不再增加。缓冲器 的行程直接影响着缓冲器的容量，行程越大，容量越大。而缓冲 北京交通大学工程硕士专业学位论文 器的行程并不能随意增大，它往往受到钩间间隙( 从车钩钩间到 冲击座的距离) 的限制，即缓冲器装车的一个重要原则是：车辆 的钩间间隙必须大于缓冲器的行程。这样，才能保证车辆的纵向 冲击力从车钩经由缓冲器传到底架牵引梁，从而避免冲击力直接 从车钩到冲击座到传到底架端梁。 2 1 3 缓冲器的最大阻抗力 缓冲器的最大阻抗力：缓冲器产生最大变形量是所对应的作 用力。阻抗力越大，表明缓冲器的刚度越大，车体和货物受到的 硬性冲击越大，对车体和货物越不利：阻抗力越小缓冲器的刚 度越小，车体和货物受到的硬性冲击越小，但是当缓冲器行程一 定时，缓冲器的容量越小。缓冲器运用中容易被压死，形成硬性 冲击。 2 1 4 能量的吸收率 缓冲器在全压缩过程中，有一部分能匮被阻尼所消耗，其所 消耗部分的能量与缓冲器容量之比称为能量吸收率。吸收率愈 大，则表明缓冲器吸收冲击能量的能力愈大，反冲作用就愈小。 否则。缓冲器必须往复工作几次方能将冲击能量消耗尽，这将导 致车钩、车底架过早疲劳损伤，并且加剧雷池纵向冲动。一般要 求能量吸收不低于7 0 。 2 2s t 和m t 一3 型缓冲器的评价体系 2 2 1 s t 型缓冲器性能及试验方法 a 范围 技术条件规定了s t 型缓冲器( 以下简称缓冲器) 性能、试 验项目、方法与评定规则。 技术条件适用于缓冲器的试验及结果评定。 b 引用标准 t b t 2 4 1 3 9 3 铁道货车用缓冲器冲击试验方法及评定。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 c术语 ( 1 ) 行程一一落锤试验中缓冲器的压缩量。 最大行程一一指在1 2 t 落锤试验机上，缓冲器差0 2 5 衄就 达到全压死时的行程，或在同一自由落程下两次自由落锤，产生 阻抗力平均值2 o m n 时缓冲器的行程。 ( 2 ) 自由落程一一重锤下落至基准线的距离。 基准线一一降下重锤，使其底面刚与缓冲器上部试验夹具顶 平面相接触，以此作为测定锤自由落程和缓冲器行程的基准。 锤总落程一一锤自由落程与行程的和。 ( 3 ) 容量一一锤的霓量与锤的总行程的积。 初始容摄一一新制的缓冲器，在未磨合状态( 供货状态) 下 在初始容量试验中达到的容嫩。 年磨合容量一一新制的缓冲器，装于承担大运量的6 0 t 敞车 ( 或货运机车) 经一年的使用或累计运行1 0 万k m 后，在年磨合 容量试验中达到的容量。 d 缓冲器性能 ( 1 ) 初始容量不小于2 0k j ，年磨合容量不小于3 2 k j 。 ( 2 ) 最大阻抗力不大于2 o m n 。 ( 3 ) 行程为6 8 ： m m 。 ( 4 ) 吸收率大于8 0 。 ( 5 ) 额定冲击速度为7 k m h 。 ( 6 ) 正常使用的箱体l o 年无故障，正常使用的s t 型缓冲器质量保证 期为6 年。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 e 试验项目、方法与评定规则 ( 1 )试验项目 按b m c p 4 0 2 0 0 b j t s t 型缓冲器技术条件的规定进行初始 容量试验、运用试验、年磨合容量试验和冲击试验。 ( 2 ) 试样的选取 1 ) 从多于5 0 套的同一批新制缓冲器中任意抽取2 0 套作为试样， 均做外观检查、尺寸检查、硬度测试并编号记录。在2 0 套试样中 选取2 套做冲击试验、6 套做初始容量试验。冲击试验、初始容 量试验均合格后，将这2 0 套缓冲器作运用试验。从运用试验合格 后的缓冲器中，任选5 套作年磨合容量试验。 2 ) 拙取的6 套新制缓冲器，5 套按相同方法做初始容盛试验，l 套餐 用。 3 ) 从运用试验合格后的缓冲器中任取5 套按相同方法做年磨合容量 试验。 ( 3 ) 初始容量试验和年磨合容量试验。 1 ) 试验应在1 2 t 落锤试验机上进行。落锤试验机的铁砧应置于 坚实的基础上，砧座重应大于2 0 倍的锤重。 2 ) 为消除外界温度的影响，试验前应将缓冲器放置在试验室内 至少2 4 h 缓冲器的摩擦面应避免受潮和油脂、灰尘等污染。 3 ) 试验中记录重锤的落程、缓冲器的阻抗力、行程、容量、吸 收率、累计输入能量等。 4 ) 试验应将缓冲器置于模拟牵引梁中安装状况、放置于铁砧上 的封闭框架内。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 5 ) 试验时应同时用机械式行程量具或其它方法校核缓冲器的 行程。 6 ) 试验中o 5 h 内累计输入能量不得大于2 5 0 k j 。以免摩擦面过 热。 7 ) 初始容量试验 落锤试验阻抗力滤波频率应设为1 6 0h z 。 自由落程从零开始试验，以1 2 m m 的增基进行锤击，达到或 超过3 5 m m 的行程后，以2 5 m 巾的增量进行锤击，达到距鼹大行程 差6 m m 时，改用1 2 m m 增量继续锤击，达到距最大行程3 m m 时， 改用3 m m 增量锤击，直至最大行程时试验即告完毕。 试验结果评定 经主管部门认定的试验单位所出具的试验报告方为有效试验 报告。 受试缓冲器不得卡死，且5 套缓冲器的初始容量均不得小于 2 0 k j ，最大阻抗力均不大于2 0 m n ，如有l 套的初始容量小于2 0 k j ，但不小于1 8 k j 。允许将备用的l 套补做上述试验，如其初 始容量不小于2 0k j ，则该批缓冲器合格，但必须在试验报告中 加以注明。 试验报告应包括：试验目的；试验时间；缓冲器的数量、编 号；晟大行程、最大阻抗力、容量值、吸收率、锤击次数；评定 结果；参试人员：滤波频率。 8 ) 年磨合容量试验 从运用试验合格后的缓冲器中任选5 套作年磨合容量试验。 1 0 北京交通大学工程硕士专业学位论文 按7 ) 条规定的步骤测定每个缓冲器的年磨合容量。 试验结果评定 受试的缓冲器不得卡死。各套缓冲器年磨合容量均不得小于 3 2 k j ，且任何l 套缓冲器的年磨合容量不得高或低于5 套缓冲器 年磨合容量平均值的2 0 ，其余按e 条规定。 ( 4 ) 冲击试验 按t b t 2 4 1 3 9 3 铁道货车用缓冲器冲击试验方法及评定的规 定执行。 ( 5 ) 运用试验 1 ) 根据e 条选取的2 0 套缓冲器均应作装车运用试验。缓冲器 装车时，应保留装车记录，记录内容至少应包括缓冲器编号、所 拔的车号、修麝部位及修腑量( 必要时可用简图表示) 。 2 ) 受试缓冲器应装于承担干线运输的6 0 t 敞车( 或货运机车) 进行一年或累计l o 万k m 的运行。 3 ) 试验结果评定 主要承载零件不得有损坏任何部分不得有导致在使用中卡 住的变形。符合上述条件者为合格。 2 2 2m t 一3 型缓冲器性能及试验方法 am t 一3 型缓冲器主要性能参数 ( 1 ) 最大阻抗力不大于2 o m n ； ( 2 ) 容量不小于4 5 k j ； ( 3 ) 行程不小于8 3 咖： ( 4 ) 额定冲击速度不小于8 k h 北京交通大学工程硕士专业学位论文 bm t 一3 型缓冲器试验方法 落锤试验按照冲击试验t b t 1 9 6 卜8 7 车辆缓冲器性能及落 锤试验方法；冲击试验按t b 他4 1 3 9 3 铁道货车用缓冲器冲 击试验方法及评定的规定执行。 2 3 关于缓冲器性能评价方法的探讨 目前，用静压试验和落锤试验的方法对单一缓冲器的性能 进行评估。但缓冲器装车后的工作条件和试验条件不尽相同。例 如，在调车作业中发生成组冲击在列车运行时车辆还会受到各 种外力的作用构成一个相当复杂的系统。在不同情况下的缓冲 器动力学特性有很大的区别，仅用单个缓冲器的研究结果来分析 接个系统的动力学性能已难以胜任。 1 缓冲器在静压试验中，缓冲器的全部势能均来自外力所作 的功；而在落锤试验中。缓冲器几乎全部势能均来自落锤动能的 变化。这两种试验都是在特定条件下作出的，难以反映缓冲器的 真实工作情况。铁道科学研究院对m a r k 5 0 和2 号缓冲器的试验 也得出了类似的结论：m a r k 5 0 缓冲器的阻抗力为1 2 0 t f 时，根据 列车动力学试验结果( 紧急制动) ，缓冲器的行程仅为2 0 m m 左 右；在车辆冲击试验时缓冲器行程约为4 5 m m 左右；而在落锤试 验中则达9 0 m m 。这表明它的阻抗体系在不同使用条件下变化是 很大的。 2 调车作业中直接冲击车的相对速差较大，表现出较强的速 度型冲动特征，即速度冲击。列车工况中相邻车辆的速差较小， 表现出较强的载荷型冲动特征，即质量冲击。但在列车工况中， 列车头部及尾部的速差仍有可能达到较高的数值。 对于类似于2 号缓冲器的油脂润滑的缓冲器，调车工况冲击 车之间的速差与列车工况首尾车间的最大速差相同时，两种工况 北京交通大学工程硕士专业学位论文 中的最大冲动力及缓冲器吸收的能量也大致相同。 和采用润滑剂的缓冲器一样，调车工况中直接冲击车之间的 速差与列车工况首尾车辆间的速差相同时，干摩擦缓冲器产生的 最大冲动力也大致相同。但不同工况下缓冲器吸收的能量大小不 相同。在列车工况下。单个缓冲器所吸收的能量将大大高于使用 润滑脂的缓冲器。即在同样的列车运行工况下，由于缓冲器摩擦 特性的不同而对冲动中能量变化的关系产生很大影响。 1 列车是一个由多个质量串联而成的非线性弹性系统，在同 样的列车长度。初始条件及运行工况下，缓冲器特性不同时，工 作过程中缓冲器吸收的能量也有所不同。缓冲器的刚度越小其 工作过程中吸收的能量越多，因此在容量相同的条件下，刚度较 小的缓冲器容易被压死。此外，一般来讲凸型( 缓冲器特性曲 线为凸型的简称凸型) 及凹型缓冲器吸收的能量比线性缓冲器 多，尤以凸型缓冲器为最多。 2 对于结构间隙为零的情况，无论是何操纵工况，其列车最 大冲动均较小，而且基本不受缓冲器特性的影响；对于结构问隙 不为零的情况，间隙越大，列车冲动也越大。但增大的幅度与缓 冲器特性密切相关，取落锤特性时，列车冲动增加较小，取小刚 度特性时列车冲动增加较大，而取大刚度特性时列车冲动增加最 大，从而说明即使千摩擦缓冲器，由于不同的特性。对列车冲动 的影响也不尽相同。 从缓冲器的动力学特征分析，重载缓冲器应具有的基本性能 是：大容量、低阻抗、高吸收率，但选取的刚度不宜过大，可适 当增大行程。从性能上讲，具有接近线性特性的缓冲器优于具有 凸型及凹型特性的缓冲器；使用润滑剂的缓冲器优于干摩擦缓冲 器 所以如何根据缓冲器实际的工作状态建立一套完善、简便 的对缓冲器做出整体评价的体系是非常必要的，更具有实际应用 价值，有利于指导开发新型缓冲器。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 4 试验设备 2 4 1 缓冲器落锤试验机 2 4 1 1 机器的组成及系统概述 1 2 吨落锤机成套设备主要用来对车辆缓冲器进行性能检 测及耐久试验。该设备主要由主机( 主机由液压提升机构、脱钩 机构等组成) 、液压站、控制柜、操作台及数据采集处理系统组 成 液压提升机构主要由立柱、横梁、提升油缸、锤体等组成。 提升油缸安置在立柱中腔，可推动横梁上下移动；脱钩机构安装 在横梁上它由脱钩油缸、吊钩等组成，起着抓挂、释放锤头的 作用落程控制机构主要由导轨座、滑板、丝杠、光杆、摆动马 达、快移马达、齿轮箱等组成，整个落程控制机构通过导轨座安 装在立柱一侧，导轨座上安裟有直线感应同步器的定尺，而滑尺 安装在滑板上，马达经丝杠、螺母带动滑板沿导轨座上下移动 通过定、游尺之间的相对位移可测出落程高度。并由安装在操纵 台上的数显表显示出来滑板上还装有接近开关接近开关的感 应块安装在光杆上，光杆的上端安在横梁上，光秆带着感应块随 横梁上升，当感应块上升到使接近开关发讯位置时，即发讯停机， 从而达到控制落程高度。 a 当半小时内累积容量达到2 0 3 k j 时。暂停全自动打击l o m i n 而后继续； b 当打击力大于3 6 m n 或缓冲器行程达到最大行程而压死时。 中断当前的打击。 2 4 1 2 设备的结构说明 设备的构成主要包括主机( 见图2 1 ) 、液压站、电气液压 操纵台等 a 电气控制与检测部分主要包括控制柜、传感器、放大器、 计算机、打印机、绘图仪等。 ( 1 ) 电器控制柜：主要包括p c 控制器和电气操纵台。 ( 2 ) 试验数据的采集和处理部分：主要包括压力传感器、位 l t 北京交通大学工程硕士专业学位论文 移传感器、采集制器、放大器、计算机、打印机和绘图仪等。主 要负责检测和采集试件所受的力，产生的位移和加速度，经过数 据自处理把测试结果打印出来。 b 主机主要由液压提升结构，液压脱钩机构和落程高度控 制机构等组成。 ( 1 ) 液压提升结构主要用来将锤头提升到需要的高度 ( 2 ) 脱钩机构主要用来吊抓和释放锤头。 ( 3 ) 落程高度控制机构主要用来控制和测景锤头的提升速 度，控制和测量落锤的打击高度。 落程高度的标定和测量是通过直线感应同步器的滑尺和定 尺的相对位置来测定，用f 2 型数显表示，滑尺相对定尺的上下 移动由滑板带动，( 同时行程开关和晶体管接近开关也被带动) 。 滑板和快移升、降和脉动升降分别由快移马达和摆动马达驱动， l f 通过齿轮传动由丝杆带动。滑板升、降的极限位置分别用两个 行程开关来控制。 横梁提升高度的控制( 即落锤打击高度的控制) 是利用装在 滑板上的晶体管接近开关与光杆上的感应块来实现，当感应块与 品体管接近开关相遇，处于发讯位置时，横梁即停止感应块的升 降是通过光杆由横梁带动。 ( 4 ) 缓冲器固定架用来固定被试验的缓冲器，预防锤击时试件 飞出。 ( 5 ) 组合地板：形成主机四周的地面。 c 液压站是主机的动力源，为主机提供液压动力。 2 4 1 3 设备说明 a 用途 本设备主要用来对车辆缓冲器的性能进行检查和测量。或对 车辆缓冲器进行研究性试验和疲劳试验，亦可其他产品进行其他 产品进行冲击试验和研究 b 基本技术参数 ( 1 ) 锤重1 2 2 5 t ( 2 ) 测试最大冲击量：1 6 0 k j 北京交通大学工程硕士专业学位论文 ( 3 ) 测试最大冲击力：5 m n ( 4 ) 测试最大位移值：1 5 0 咖 ( 5 ) 锤头最大升程：1 8 m ( 6 ) 锤头提升速度：1 0 l m m i n ( 7 ) 锤头冲击速度： 当最大容量为1 6 0 0 0 k j 时，冲击速度为5 3 m s 当最大容量为5 0 0 0 k j 时。冲击速度为2 6 4 m s ( 8 ) 提升锤头时。所需的提升力和油压 每个提升油缸须供的提升力：3 0 k n 每个提升油缸所需的油压：4 5 m p a ( 9 ) 张钩时所需的脱钩力和油压 每个脱钩油缸须供的脱钩力：9 5 k n 每个脱钩油缸所需的油压：3 2 m p a ( 1 0 ) 主机高度( 地上部分) ：4 7 2 0 m m ( 1 1 ) 主机两立柱的中心距：2 0 0 0 m m ( 1 2 ) 主机机台面尺寸( 二砧的平面尺寸) ：1 0 3 0 m m + 1 0 3 0 蛐 ( 1 3 ) 锤头支承在回转块上，工作台上方的静高度空间：1 l o o m m ( 1 4 ) 锤头降至最低位置，工作台上方的高度空间：9 0 0 m m ( 1 5 ) 晶体管接近开关本身的重复定位精度为：0 1 5 m m ( 1 6 ) 直线感应同步器的滑尺对定尺的位移测量精度：士 0 0 0 5 m m ( 1 7 ) f 2 型数显示表的数字量分辨率：o 0 l m m ： ( 1 8 ) 力传感器型号：c 6 a 5 m n ；额定载荷：5 0 0 t ；灵敏度l2 m v v ； 额定供桥电压：0 5 1 2 v ：正常工作温度：一1 0 7 0 ； ( 1 9 ) 位移传感器型号：w a 2 0 0 删一l ；额定位移：2 0 0 聃；灵敏 度：8 0 m v v ；额定供桥电压：2 5 5 v ；正常工作温度：一2 0 8 0 ： ( 2 0 ) 放大器型号：m g c p l u s ；组成a b 2 2 a 、m l l o b 、m l 5 0 b 、 p 0 3 、c p l 2 。 4 1 4 工作原理 落锤试验机是以液压站提供的液压油为动力，利用电气操纵 北京交通大学工程硕士专业学位论文 台各种操作按钮，通过p c 控制器来控制快移马达、摆动马达、 提升油缸、脱钩油缸的运行，进而来实现滑板的快移升、降和脉 冲升、降，横梁的升降，以及吊钩对锤头的抓挂和释放。以便调 控锤头的冲击高度和实现对锤头对试件的冲击。试件所受的冲击 力、产生和位移和加速度分别由压力传感器、位移传感器和加速 度传感器测量。测量结果经过放大器放大后，送入计算机处理， 在由打印机把测试结果打印出来。 2 4 1 5 注意事项： a 锤头落程高度测量和控制 锤头落程高度的测量是利用同步感应器的滑尺相对定尺的 位移来测量，测量的结果由数显表显示，滑尺上下移动是由滑板 带动，标定落程高度的测量零点是通过人工调整的，利用横梁下 降微调按钮操纵横梁下降，在锤头刚接触工件顶面时立即停机， 此时滑尺相对定尺的位置，即为落程高度测量的零点。将数显表 复零，并调整光杆上的感应块的位置。使之处于使控制锤头提升 高度的接近开关发讯位置处 b 试验达到设备允许的最大冲击力和最大位移的监控：在冲 击试验时当计算机采集到试件允许的最大冲击力( 或最大位移) 时即给p c 控制器发讯通过p c 控制器使监控指示灯显示，并 停机，蜂鸣器蜂鸣。 c 对最大累计打击容量的监控：在金自动多次循环打击过程 中，计算机统计到累计打击容量达到试件的有效值时，计算机即 给p c 控制器发讯，通过p c 控制器使监控指示灯显示，并停机。 d 基础为刚性基础，砧座和钢筋混凝土基础固结成一体，基 础总重应大予锤重的2 0 倍基础允许的最大冲击力应不小于 7 0 0 m n 。基础的最大振幅不大于2 m m ，晟大振动加速度不大于 2 5 9 。 e 砧座安装的精度要求：砧座与钢筋混凝土基础刚性结合在 一起，砧座上安装立柱的平面长度应不小于2 m 的平尺和水平仪 找平，各向的不水平度丰o 2 1 0 0 0 ，砧座在基础上的施工工艺应 符合施工图纸的要求。 北京交遁大学工程硬士专韭学位论文 f 龙门架在砧座上的安装：首先在砧座上安装立柱的平面打 蘑副研，使其各离的不水平度净o 0 5 l o o o ，荠著色捡卷其平嚣 度，接触点散布应均匀，接触面积术6 0 ，通过修配砧座的定位 孔，确保龙门絮在砧痉上舱正确位置，荠用锥销霹螺辁将龙门架 的两立柱紧固在砧座上立柱内孔轴线应与砧座上的立柱安装平 瑶垂直。其不垂直度净o 。0 5 1 0 0 0 。龙f 1 架两立柱内孔轴线的结 构中心的锻垂线对砧座中心的偏移：卜2 m m 两立柱内德的v 型导 轨安装平面应平行，其不平行度净0 0 6 1 0 0 0 。并与两立柱内孔 轴心连线翡不垂直度净o 。0 8 1 0 0 0 ，安装时允许在砧座上安装两立柱，然后现款装固定梁。 g 缓冲器固定架拔图潮定在生机的相应位鼍上。缓冲器固定 架的碚头最大行程1 5 0 咖。 图2 1 1 2 t 落锤试验机主机部分 l s - 一 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 4 2 全行程压缩试验 在缓冲器生产流水线中。为了缓冲器组装和检测组装质量， 要求用1 6 0 t 压力机( 立式压力机y t d 4 1 1 6 0 b 见图2 2 ) 进行行 程压缩试验设备简单，操作方便简单，易行，成本低。缺点是 阻抗力检测不准确，只是定性的比较。 2 2立式压力机y t d 4 1 1 6 0 b 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第3 章s t 型缓冲器特性研究 3 1 s t 型缓冲器 s t 型缓冲器是弹簧一摩擦式缓冲器它具有结构简单、运 用维修方便、制造成本低等特点它是北京二七车辆厂和内蒙古 第一重型机械制造厂在深入研究了前苏联的i u 一卜t m 型缓冲器 的基础上，于1 9 9 8 年联合开发设计的新型缓冲器目前它己装 车运用几十万套，成为我国货车缓冲器的主型产品( 见图3 1 ) 。 s t 型缓冲器由箱体、内圆弹簧、外圆弹簧、摩擦楔块、推 力锥、限位垫圈、螺栓、螺母组成( 见图3 2 ) 其工作原理： 推力锥受到从板座的冲击，推力锥沿摩擦楔块斜面向下运动，摩 擦楔块在推力锥作用下沿推力锥、箱体、限位垫圈发生相对位移， 限位垫圈压缩弹簧。s t 型缓冲器在冲击力减少或消失时，限位 垫圈、摩擦楔块、推力锥在内外圆弹簧的作用下，逐渐恢复。 箱体材料为c 级钢，经淬火处理，硬度达h b 2 0 7 2 5 5 。推 力锥、摩擦楔块、限位垫圈为锻压件，硬度符合表3 一l ；内圆弹 簧、外圆弹簧采用高碳合金钢经热处理后，再强化处理，硬度为 4 0 4 8 5 h r c 。 s t 型缓冲器存在工作不稳定、阻抗偏大、螺栓在运用中折 断等问题。这些问题的存在困扰着s t 型缓冲器的进一步推广。 目前s t 型缓冲器有七家生产单位：北京二七车辆厂、内蒙古第 一机械制造厂、齐齐哈尔车辆厂、株洲车辆厂、牡丹江机车车辆 配件厂、天津机车车辆配件厂和十八铁路工程局。其中有五家曾 经在产品抽查中发现产品不合格，被停产整顿过。我厂作为s t 型缓冲器开发的主导厂在2 0 0 3 年上半年因s t 型缓冲器存在阻抗 力偏大( 大于2 0 0 0 k n ) 被停产，给工厂带来很大经济损失。因 此如何解决好s t 型缓冲器存在的问题对于企业和铁路运输都有 重要意义 2 0 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 1s t 型缓冲器组成 图3 2s t 型缓冲器各组成零件 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表3 一l 摩擦副材料及硬度表 零部件名称材料热处理表面硬度 推力锥3 8 c r s i热处理3 8 8 4 7 7 h b 限位垫圈 摩擦楔块 摩擦楔块 3 0 热处理 5 6 6 2 h r c 3 2s t 型缓冲器挠力特性及容量分析 为了解决s t 型缓冲器存在的问题，我们先研究一下缓冲器 ( 见图3 3 ) 的挠力特性及容量的近似计算问题。 8 ) s t 型缓冲器受力简图b ) 摩擦楔块受力简图 图3 3s t 型缓冲器受力简图 a 、b 和y 一一楔块各棱边的倾斜角，是缓冲器的几何参数； p 。、p 。和p ，一一楔块三个摩擦面上的摩擦角，与其对应的 摩擦系数为ul 、i ll 和肛，： c 一一弹簧的组合刚度； x 一一在外力t c 作用下，缓冲器的压缩量； x 。一一缓冲器的初压缩量； e 一缓冲器的容量 n 缓冲器的吸收率 在外力t c 及弹簧反力c ( x + x 。) 的作用下，在摩擦楔块和缓冲 器的其它元件之问产生力的作用 x 和x 。比弹簧的压缩量x 和x 。总要小一些，这个差别是由 于缓冲器在压缩过程中楔块彼此之问更加靠近所致。以符号i 2 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表示二者的比值： r + 上 f = 一生( 3 1 ) r + r o 研究楔块受力的平衡条件( 如图3 3 ) 沿着楔块三个摩擦 面上作用有垂直力q 。、q 。和q ，以及水平力p 。、p 2 和p ，的方向沿 着缓冲器的轴线。对于三个楔块中的每一个假设压力均匀分布， 则p ：和p ，为： 只：孚只：盟掣 z ， 由图3 3 得： 只 q - = 南。