（车辆工程专业论文）铁道车辆液气缓冲器特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 铁路的运能与运量的提高对我国铁路运输业的发展乃至整个国民经济的 增长都有着十分重要的意义。而发展高速重载运输是提高铁路运能和运量的 主要手段。近年来，随着我国改革开放的不断深入，国民经济的快速发展， 铁路运能与运量的矛盾日益突出，因此，发展铁路高速、重载运输己刻不容 缓。 由于重载列车质量增大、编组长度增加、车辆轴重增大、运行中的牵引 力及制动力加大、制动波传递时间加长，而且列车运行线路的纵横断面也比 较复杂。因此，重载列车的受力情况较一般列车更为复杂。世界各国发展重 载运输的经验表明，重载列车牵引质量主要取决于机车车辆装备的技术条件， 车钩缓冲装置是其关键技术之一，缓冲器性能好坏壹接影响列车纵向动力学 性能。因此，为实现铁路高速重载运输，发展新型缓冲器具有十分重要的意 义。 本论文以新型液气缓冲器为主要研究对象，重点分析了液气缓冲器的结 构特点、工作原理及其动、静态特性。在此基础上，在姒t l a b s i 麓u l i n k 环 境中，建立列车纵向动力学仿真模型。运用该仿真模型，对牵引5 0 0 0 t 、6 0 0 0 t 、 1 0 0 0 0 t 和2 0 0 0 0 t 等四种编组模式的列车纵向动力学特性进行了仿真计算。 计算结果表明，在牵引质量为5 0 0 0 t 、6 0 0 0 t 和1 0 0 0 0 t 的列车时，该液气 缓冲器完全能够满足使用要求；牵引2 0 0 0 0 t 组合列车时，在采用机车无线重 联同步操纵系统条件下，如果主从控机车之间作用的延迟时间小于4 s ，该液 气缓冲器完全能满足使用要求；如果主从控机车之间作用的延迟时间大于 4 s ，2 万t 重载组合列车在紧急制动工况下的车钩力比较大，有可能造成断钩 的危险。 关键词：列车纵向动力学；液气缓冲器；特性；重载列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第ll 贾 a b s tr a c t i n c r e a s i n gt h er a i l w a yt r a n s p o r tc a p a c i t ya n dt r a f f i cv o l u m eh a sa ni m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y , a n de v e n o u rn a t i o n n a le c o n o m yg r o w t h d e v e l o p i n gt h eh i g hs p e e da n dh e a v yh a u l r a i l w a yi st h em a i nm e a n st or e a l i z ei t i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h ef u r t h e r p r o c e s so fr e f o r ma n do p e n i n gu pa n dt h er a p i dn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ， t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h et r a n s p o r tc a p a c i t ya n dt r a f f i ci s i n c r e a s i n g l y o u t s t a n d i n g ，t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gt h eh i g hs p e e da n dh e a v yh a u lt r a n s p o r ti s a n u r g e n tp r o b l e m b e c a u s eo ft h ei n c r e a s eo ft r a i nq u a l i t y , l e n g t ha n dt h ev e h i c l eg r o s sr a i ll o a d o na x l et h a tc a u s e dt h ei n c r e a s eo fh a u l i n gf o r c ea n db r a k ef o r c ei no p e r a t i o n ，t h e e x t e n s i o no fb r a k ew a v et r a n s m i tt i m e ，a n dt h ec r o s s i n gs e c t i o no ft h ew o r k i n g l i n eo ft r a i ni sa l s oc o m p l e x 。t h e r e f o r e ，t h es t r e s sc o n d i t i o no fh e a v y h a u lt r a i ni s m o r ec o m p l e x t h ee x p e r i e n c ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o n i nt h ew o r l dw i l ds h o w st h a tt h ep u l lq u a l i t yo fh e a v y - h a u lt r a i nd e p e n do nt h e t e c h n i c a lc o n d i t i o no fl o c o m o t i v ea n dv e h i c l ee q u i p m e n tm a i n l y , s ov e h i c l e b u f f e ri so n eo ft h ec r u c i a lt e c h n o l o g y t h ep e r f o r m a n c eo ft h e b u f f e rm a y d i r e c t l ya f 耗e lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o n g i t u d i n a ld y n a m i c s 。s o ，d e v e l o p i n gt h e n e wb u f f e rh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nr e a l i z a t i o no ft h eh i g hs p e e da n dh e a v y h a u lt r a n s p o r t a t i o n i nt h i sp a p e r , f u r t h e rr e s e a r c h e so nh y d r o p n e u m a t i cb u f f e rw a sd o n e b a s e d o nu n d e r s t a n d i n gt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s 、w o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eh y d r o p n e u m a t i cb u f f e r , t h e t r a i n l o n g i t u d i n a l d y n a m i c s s i m u l a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e di n t h ee n v i r o n m e n to f m a t l a b si m u l i n k 。u s i n gt h es i m u l a t i o nm o d e lt oc a l c u l a t et h et r a i n l o n g i t u d i n a ld y n a m i c so ff o u rd i f f e r e n tf o r m so ft r a i nf o r m a t i o n ，w h i c ht h e t r a c t i o nw e i g h tr i s e st o6 0 0 0 t ，10 0 0 0 t ，2 0 0 0 0 tf r o m5 0 0 0 t 。 t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r o p n e u m a t i cb u f f e rc a ns a t i s f yt h e u s er e q u i r e m e n t sw h e nt h et r a c t i o nw e i g h to ft r a i n si sf r o m5 0 0 0 t 、6 0 0 0 tt o l0 0 0 0 t ，w h e nt h et r a c t i o nw e i g h to ft r a i n si s2 0 0 0 0 t ，b yu s i n gt h et e c h n o l o g yo f t h ew i r e l e s sm u l t i 1 0 c o m o t i v e s y n c h r o n i co p e r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mf o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 l o c o m o t i v e ，i ft h es y n c h r o n i z i n gr e s p o n s et i m eb e t w e e nt h em a s t e rc o n t r o l l o c o m o t i v ea n ds l a v ec o n t r o ll o c o m o t i v ei sl e s st h a n4 s ，t h eh y d r o - p n e u m a t i c b u f f e rc a nm e e ta l s ot h eo p e r a t i n gr e q u i r e m e n t s ；e l s et h es y n c h r o n i z i n gr e s p o n s e t i m em o r et h a n4 s ，t h e2 0 0 0 0 th e a v yh a u lt r a i n sw i l lh a v et h ed a n g e ro f c o u p l e r f r a c t u r e k e y w o r d s ：t r a i n l o n g i t u d i n a ld y n a m i c s ；h y d r o p n e u m a t i cb u f f e r ； c h a r a c t e r i s t i c ；h e a v y - h a u lt r a i n 西南交通大学曲陶父遮大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属予 l 。保密曰，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：擒 日期：瑚，2 、 指导老师签名惹建每 日期：蝴 乙暨 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本入完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 采用m 解l a 转s i 豫珏，d 漱软件，对装有液气缓冲器的列车编组 建立纵向动力学模型，运用该模型分析了环境温度和油液粘度变化对 液气缓冲器动态特性和纵向动力学特性的影响。这点目前国内研究较 少。 学位论文作者签名：徐方 e lg q ：瑚l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 国内外铁路重载运输的发展概况 1 1 1 国外铁路重载运输的发展 世界铁路重载运输的起源可以追溯到上世纪5 0 年代，战后经济发达国家 通过多机牵引方式可以获得更大的牵引总功率，从而牵引更多的车辆，大幅 度增加列车重量，扩大运输能力，加快货物运输，减少运营成本，提高运输 效能。因此，以开行长大列车为主要手段的重载运输应运而生。2 0 世纪6 0 年代中期长大列车投入正式运营，此后重载运输技术迅速推广。1 9 7 8 年，第 一届国际重载大会在澳大利亚佩斯召开，1 9 8 5 年国际重载运输协会正式成 立，重载运输逐步成为了铁路货运运输领域的先进生产力的代表。 2 0 0 5 年国际重载运输年会上，对铁路重载运输作了最新定义 3 , 1 0 , 3 8 】。凡具 备以下三个条件之二者，可视为铁路重载运输： 1 、经常、定期或准备开行总重最少为8 0 0 0 t 的单元或组合列车； 2 、在长度至少为1 5 0 k m 的铁路区段上，年计费货运量最少达到4 0 0 0 万 t 及其以上； 3 、经常、定期或准备开行轴重2 7 t 及以上的列车。 目前，国内外铁路开行的重载列车组织形式主要有单元式、整列式和组 合式重载列车三种。 ( 1 ) 单元式重载列车。单元式重载列车是以固定的机车车辆( 大功率机 车+ 一定编成辆数的同一类型的专用货车) 组合成为一个运输单元，并以此作 为运营计费单位，在装卸车站间循环直达运行的货物列车。这种重载运输方 式运用范围广，经济效益显著。美国、加拿大等国均采用此方式，我国大秦 重载运煤专线上也有重载单元列车的开行。 ( 2 ) 整列式重载列车。整列式重载列车是采用普通列车的组织方法，由 挂于列车头部的大功率单机或多机牵引由不同形式和载重的货车车辆混合编 组，达到规定载重量标准的列车。在我国繁忙干线上开行的重载列车主要为 这种模式，其他国家应用较少。 ( 3 ) 组合式重载列车。组合式重载列车是由两列及以上同方向运行的普 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 通货物列车首尾相接、合并组成的列车，这种重载运输方式始于1 9 6 4 年前苏 联。我国大秦线运行的2 0 0 0 0 t 重载列车采用该形式。 纵观世界各国铁路重载运输，根据货源、货流的具体情况采取的的不同 组织模式分为三种，分别是以北美为代表的单元式重载列车( 包括美国、加 拿大、巴西、澳大利亚、南非等国) ；以前苏联为代表的组合式( 合并) 超重、 超长重载列车和整列式重载列车。与此同时，世界范围内重载运输技术也如 雨后春笋，生机勃勃。其技术水平集中体现在两方面：一是提高轴重。2 0 0 3 年国际重载专家技术会议上提到了当前国际重载铁路最大轴重已达3 5 7 t ，正 在积极研究3 9 t 轴重的可行性。目前美国、加拿大等国的重载铁路轴重普遍 达到3 2 5 t - - 3 5 7 t ；瑞典、巴西重载列车轴重已提高到3 0 t ，而俄罗斯正在将 重载货车轴重提高到2 7 t ，并正加紧研究3 5 t 轴重的轨道部件。二是提高列车 牵引质量。目前重载列车牵引质量普遍在2 万t 左右。美国、加拿大等重载 单元列车牵引质量普遍在1 5 0 0 0 t 向1 8 0 0 0 t 发展，南非、澳大利亚的重载单 元列车牵引质量已超过2 万t 。世界铁路重载运输的最新记录是澳大利亚于 2 0 0 1 年6 月创造的，列车由8 台a c 6 0 0 0 机车和6 8 2 辆漏斗车编组而成，该 试验牵引总重为9 9 7 3 2 t 、全长7 3 5 k m 。在1 9 9 6 年5 月，该公司曾开行由1 0 台牵引机车和5 4 0 辆满载货车编组而成的重载列车，列车总重7 2 1 9 1 t 、全长 5 8 9 2 m 、平均运行速度为5 7 8 k m h 、最高速度为7 5 k m h 。南非铁路也于1 9 8 9 年8 月开行了由1 6 台机车和6 0 0 辆装满铁矿石的编组而成货物列车，总重 7 0 8 0 0 t 、全长7 3 0 0 m 、运行平均速度为3 7 9 k m h ，运行里程8 6 1 k m 。 1 1 2 我国铁路重载运输发展概况 1 9 8 4 年经国务院批准，决定在北京局管辖的丰沙大( 丰台一沙城一大同) 和京秦电气化铁路试验开行重载列车，同世界各国相比，我国铁路重载运输 起步较晚。我国铁路发展重载运输主要通过两个途径：一是对既有干线铁路 进行配套改造，在既有铁路主要繁忙干线上开行5 0 0 0 t 级整列式重载列车； 二是新建能力大、标准高的重载运输专线，如大秦双线电气化重载运煤专线。 我国铁路重载运输经历了三个阶段： 第一阶段( 1 9 8 4 年1 9 9 0 年) 为改造旧线、开行组合式重载列车模式阶 段。1 9 8 4 年1 1 月在大同一沙城一丰台一秦皇岛间首次开行了由两列普通货 物列车合并的重载列车，随后又在沈山线、石德线开行了7 0 0 0 - - 7 6 0 0 t 的组 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 合列车。 第二阶段( 1 9 9 0 年1 9 9 2 年) 为新建大秦铁路，开行单元式重载列车模式 阶段。1 9 9 2 年我国建成了全长6 5 3 2 k m 的大秦铁路，它是我国第一条双线电 气化重载单元列车的运煤专线，单元列车的重量达到了1 0 0 0 0 t 。它是中国铁 路重载运输发展的重要标志。 第三阶段( 1 9 9 2 年以后) 为逐步改造既有繁忙干线，开行整列式重载列车 模式阶段。为在全国既有路网推行重载列车技术，铁道部有计划、分步骤地 在一些主要干线( 包括京广线、京沪线、京哈线等) 繁忙区段组织开行了5 0 0 0 t 级的整列式重载列车，这种扩能效果显著的重载运输方式，已成为中国发展 重载运输的主要方式。 目前京沪线、京哈线、京广线等全国铁路六大干线普遍开行5 0 0 0 t 的重 载列车，部分线路达到5 3 0 0 t - - 一6 5 0 0 t ，大秦线己普遍开行1 0 0 0 0 t 的重载列车， 并成功开行了2 0 0 0 0 t 重载列车。截止2 0 0 5 年底，全国5 0 0 0 t 及以上的重载 运输线路里程达到1 1 0 0 0 k m ，主要包括京哈线、哈大线、京沪线、大秦线、 大准线、京秦线、新月线、同蒲线、滨洲线、滨绥线等。全国铁路到发线有 效长度1 0 5 0 m ，线路约1 万k m ，占铁路总里程1 3 ；到发线8 5 0 m 线路里程 约3 5 万k m ，占铁路总里程4 7 。 重载运输的快速发展，也对重载运输装备提出了越来越高的要求。开发 适应于重载运输的大容量缓冲器也因此成为世界各国铁路研究者的当务之 急。 1 2 缓冲器的类型及国内外货车缓冲器的发展 1 2 1 缓冲器的类型 缓冲器是铁道车辆及其它机械设备、装置的重要部件之一。它是用来传 递作用力、缓和冲击力、吸收冲击动能、减少振动的一种机械装置。特别对 于铁道车辆，它是用来传递机车牵引力并且缓和、削减列车在运行中由于机 车牵引力的变化，或在启动、制动及调车时车辆相互碰撞而引起的冲击和振 动，从而减少对车辆和货物的破坏及提高列车运行的平稳性。 根据缓冲器的结构特征和工作原理不同，缓冲器一般有以下几种类型： 弹簧式缓冲器、橡胶缓冲器、气体缓冲器、弹性胶泥缓冲器、摩擦式缓冲器、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 液压缓冲器等。 1 弹簧缓冲器 弹簧缓冲器是最早被广泛使用的一种缓冲器。它是利用金属材料的弹性 变形，通过减小碰撞系统的刚度，从而达到减小冲击力的目的。加载时，弹 簧被压缩，并将大部分的动能转换弹性压缩势能，从而获得缓冲效果。卸载 时，随着压缩势能的释放，将会产生强烈的反作用力，反弹现象严重。由于 弹簧缓冲器的能量吸收率低，因此它只应用于缓冲容量要求不大的场合。 弹簧缓冲器使用的弹簧有很多形式，例如圆柱螺旋弹簧、圆锥螺旋弹簧、 异型簧等，也称作减振器、避振器。为了增强缓冲效果，提高能量吸收率， 一些弹簧缓冲器还被设计成带有摩擦副性质的特殊结构，自身既是弹性元件， 又是摩擦元件。例如，板簧、蝶簧和环簧。 由于弹簧缓冲器具有结构简单、使用可靠、维修方便、不受温度限制等 特点，广泛应用于各种机械装置。例如，某些机动车辆上使用的减振器、起 重设备上使用的限位装置等。上世纪9 0 年代以前，我国铁路货车上广泛使用 的2 号缓冲器就是采用环簧作为缓冲材料，也属于弹簧缓冲器。 2 橡胶缓冲器 橡胶缓冲器是利用具有弹性的高分子材料作为缓冲材料，它将大部分冲 击动能转换成弹性势能的同时，依靠高分子材料的内摩擦，把其余的动能转 化为热能。由于橡胶分子之间的内摩擦的作用，橡胶缓冲器的吸收率比弹簧 缓冲器要高一些。但是它弹性变形量小，吸收动能少，因此其缓冲能力仍然 很有限，只适用于冲击载荷较小、缓冲容量不很大的场合。而且橡胶易老化， 机械性能受温度影响大，因此，对缓冲行程和缓冲容量都有一定的范围要求。 橡胶缓冲器具有结构简单、制造容易、成本低、重量轻等特点，目前在很多 领域都有应用。例如目前某些铁路客车和城市轻轨列车使用的缓冲器都属于 橡胶缓冲器。 3 气体缓冲器 气体缓冲器是利用气体的可压缩性和流动性，通过体积的变化，减小冲 击力，或利用气体的d , - 孑l 阻尼效应，吸收冲击动能，转化为气体的势能和热 能。气体缓冲器在气动技术领域应用较多。 4 弹性胶泥缓冲器 弹性胶泥缓冲器是国际上8 0 年代推广的高新技术产品。弹性胶泥缓冲器 是利用弹性胶泥材料具有的粘弹性、流动性和可压缩性的特性，将其充满在 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 密封的缸体内实现缓冲功能的。弹性胶泥的独特性能使之成为研制缓冲器的 理想材料，利用他的流动性可以实现液压缓冲器的大容量、低阻抗功能。它 具有液体和固体两种属性的特征。其动粘度比普通液压油大几十至几百倍， 且可据需要改变配方，在没有复原弹簧作用的条件下，利用其高弹性的特点 可以实现缓冲器的复原回程；利用其压缩性实现缓冲器的压缩行程；利用其 良好的流动性可以实现缓冲器的大容量，低阻抗能力。这种材料的流动粘度 可以根据实际使用的需要来进行调整，因此在液压缓冲器中十分困难的密封 问题在这里变得极为简单。弹性胶泥缓冲器可在一6 0 + 1 5 0 的温度范围内 保持稳定的技术性能，具有体积小、重量轻、容量大、免维护、适用范围广、 对环境无污染等诸多优点。 弹性胶泥缓冲器是近3 0 年来欧洲新开发的一种新型缓冲器，在法国、德 国、波兰等国的高速列车、客车和货车上的应用获得成功，现已被纳入u i c 标准( u i c 5 2 6 一l ；u i c 5 2 6 3 ) 。 5 摩擦缓冲器 摩擦缓冲器主要是由机械摩擦副和弹性元件组成。特殊设计的机械摩擦 副可以在加载时产生很大的摩擦力，而在卸载时，摩擦力却很小。因此，摩 擦缓冲器在加载时阻抗力很大，通过机械摩擦，可将大部分动能转化为热能， 使得缓冲器具有很高的容量；卸载时阻抗力很小，依靠弹性元件就可以推动 机械摩擦副复位，这使得缓冲器同时又具有很高的吸收率。 6 液压缓冲器 液压缓冲器主要由活塞、液压介质、节流孔、单向阀、复位元件、缸体 等构成。其工作原理是：加载时，活塞推动液压油流过节流孔，利用流体的 阻尼效应，产生很大的阻力，并将动能转换为热能。卸载时，利用复位元件 使活塞复位，液压介质通过单向阀回流。复位元件可以采用弹簧或压缩气体。 采用压缩气体作为复位元件时，也叫液气缓冲器。 液压缓冲器所采用的液压介质要求能在较宽的温度范围内保证正常工 作，并有适当的粘性。液压缓冲器不仅能吸收巨大的冲击能量而且还可按要 求设计缓冲规律，且工作稳定、可靠。由于液压缓冲器可将大部分冲击动能 通过节流孔吸收转化为液压介质的热能并散发掉，缓冲效率和吸收率都比其 它缓冲器大为提高。液压缓冲器在受冲击时，阻抗力的大小决定于活塞运动 的速度、溢流孔的截面尺寸和所采用的液体的粘度，当冲击速度越大，缓冲 器的阻抗力也随之增大，容量也就越大。所以，其挠力特性曲线形状较为合 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 理，这是液压缓冲器的一大优点。目前，在高速化、自动化的生产线上，在 工程机械、交通运输工具以及轻工、纺织机械上，液压缓冲器被广泛地应用。 液压缓冲器一般多采用钢弹簧作为复原弹簧，而由于其经常出现往复性冲击， 钢弹簧的疲劳寿命问题极大地限制了其应用。液气缓冲器正是为克服这一缺 陷发展起来的。其采用压缩气体作为复位弹簧，不仅消除了钢弹簧的疲劳现 象，且实现了无磨耗工作可大大提高其使用寿命和减少维修量m 3 1 。 液气缓冲器选用惰性气体氮气作为复位弹簧。此种设计，利用了气体介 质的可压缩性做复位弹簧，由于气体弹簧的非线性，使得该缓冲器回弹平稳。 由于其单位体积存储能量的能力比机械弹簧大得多，故其结构尺寸较金属弹 簧小。改变气体的初始状态，可改变缓冲器的动态刚度，调节节流孔的大小 则可调节缓冲器的阻尼特性，因此缓冲器的动态特性可根据实际工作需要加 以调整。连续变化的节流孔断面，克服了小孔式液压缓冲器缓冲力不平稳， 波动明显的缺点。可以达到吸能性能优越，回弹时间短，缓冲力上升快，是 目前较为理想的缓冲设备之一。已广泛用于起重、纺织、交通、建筑及动力 机械等工程领域的抗振缓冲。 1 2 2 美国铁路货车缓冲器发展概况 美国是世界铁路重载运输最为发达国家之一，也是重载单元列车的发源 地 3 4 , 3 5 , 3 9 l 。经过多年的发展，美国铁路货车缓冲器形成了钢弹簧缓冲器、橡 胶缓冲器、弹性体缓冲器、液压缓冲器、钢弹簧分别与橡胶、弹性体、液压 组合式缓冲器等多种类型的缓冲器系列产品。缓冲器的弹簧也由圆钢弹簧、 橡胶弹簧向新的合成材料弹性体方向发展。目前在美国的货车缓冲器市场中， 摩擦式缓冲器占8 0 以上，液压缓冲器和其他形式缓冲器约占2 0 。美国货 车的主型缓冲器性能参数见表1 1 。 表1 1 美国货车主型缓冲器性能参数 容量( k j )阻抗( k n )行程( m m ) 厂家名称 额定最大额定最大额定最大 m a r k 5 05 35 42 2 2 4 8 2 5 m a r k 3 2 55 66 5 2 2 2 2 48 2 5 鼢6 t e c m a r k h 6 0l l0 62 2 2 48 2 5 m a r k r 50 05 8 7 42 2 2 48 2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 续表 t f 8 8 06 1 77 1 42 5l53 81 47 4 4 8 0 m i n n e r s l 7 66 4 87 3 。l2 2 7 03 8 0 07 7 。57 7 。5 c r o w n s e6 l6 4 42 2 2 42 3 9 08l81 a s f k e y s t o n e t w i n p a c k 6 2 68 6 。5 2 2 2 4 在1 9 世纪4 0 年代入们就开始在车钩与车辆结构之间使用牵引弹簧。牵 引弹簧被安装在两侧端梁上木质或铸铁固定块内。弹簧可以起到一定的缓和 作用，但不能吸收能量。当其受到冲撞或间隙拉伸时，暂时储存在压缩弹簧 内的能量在弹簧复原时返回系统。不吸收能量唯一好处是，如果牵引弹簧在 列车启动前受压，一旦机车开始移动，将有助于推动列车向前运行。尽管如 此，这些固定块组件及其安装位置在当时还没有任俺标准。1 8 7 9 年，美国的 车辆制造者协会m c b ( 车辆制造者协会美国铁路协会的前身) 通过了阻抗力 为5 9 t 的圆柱牵引弹簧标准。到了1 8 8 8 年，车辆制造者协会制定了钩舌式 自动车钩标准。1 8 9 3 年制定了阻抗力为1 0 t 、直径1 5 8 。8 m m 、长2 0 3 ，2 m m 、 行程5 4 m m 的牵引弹簧标准，并与自动车钩标准配合使用。当时在列车质量 轻、编组短、运行速度较低的情况下，这套标准还是较为适用的。到了1 9 9 0 年，美国铁路所有联运车辆全部实现了自动车钩连挂。 随着自动车钩和空气制动的出现，情况发生了变化。列车长度、质量、 运行速度和连挂速度都加大了，列车在运行过程中制动的频率也增加了。而 显几乎在圊一时期，车辆结构开始由木质向钢质转换。由于车重增加，车体 的平稳性降低。这些变革，一方面大大提高了铁路运营的安全性和工作效率， 但另一方面也对缓冲器提出了更高的要求。 早在1 8 8 8 年。美国人韦斯汀豪斯为了更好地改进制动系统，发明了由弹 簧和摩擦楔块组成的摩擦缓冲器，并获得了专利。与牵引弹簧不同的是，摩 擦式缓冲器能够通过楔块摩擦发热，耗散掉车辆楣互碰撞时释放的部分能量。 与普通缓冲弹簧相比，摩擦式缓冲器能够更好地保护车辆和所装运的货物。 2 0 世纪早期使用摩擦式缓冲器的车辆还很少。虽然车体的车钩附件和缓 冲器的标准化已取得了一些进步，但在压缩是通过固定块、钩尾还是缓冲器 本身的问题上仍存在不同意见。到19 1 0 年，人们已普遍认识到缓冲器的优点， 并研制出各种设计方案推向市场。 目前，摩擦式钢弹簧缓冲器用量最多，主要产品有m a r k5 0 型、m a r k3 2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 型、m a r k5 5 8 型缓冲器及c r o w ns e 型、s g 型缓冲器。其中m a r k 5 0 型全钢 摩擦弹簧式缓冲器是美国w a b t e c 公司开发的，并于1 9 6 3 年通过美国a a r 无条件认证，其容量为5 0 k j ，行程8 2 m m ，适用于总重8 0 1 0 0 t 的货车，允 许车辆安全连挂速度7 8 k m h 。m a r k3 2 5 型和c o r w ns e 型缓冲器符合a a r m 9 0 1 一e 标准，m a r k5 5 8 型和c r o w ns g 型缓冲器符合a a rm 9 0 1 一g 标准。 与m a r k 5 0 型相比，c r o w n s e 型缓冲器最大容量为6 4 4 k j ，比m a r k 5 0 型缓冲 器最大容量约高1 3 。 钢摩擦弹簧式缓冲器的特点是：性能可靠，适应范围较广，不足的是其 结构复杂、零件数量多、重量较大。以m a r k5 0 缓冲器和c r o w ns e 型缓冲 器所代表的钢弹簧系列缓冲器，目前在北美市场的占有率约5 0 左右，仍位 居首位。但是因其作用原理及安装结构空间所限，再进一步提高钢弹簧系列 缓冲器容量的幅度有限，其发展速度正逐渐趋缓，市场占有率也正逐渐呈现 下降趋势。 除了摩擦式缓冲器外，还有采用液体来吸收冲击能量的液压式缓冲器。 其代表产品是a s f k e y s t o n e 公司开发的l p d 型液压式系列缓冲器。由于装 有液压缓冲器的货车车钩缓冲装置与普通货车车钩缓冲装置在结构形式、作 用原理及安装方式上均存在很大差异，不能实现互换。同时因其液压阻尼系 统结构复杂、密封可靠性要求高、制造及检修工艺标准要求严、导致其价格 昂贵，是钢弹簧缓冲器的2 4 倍。 橡胶缓冲器是继钢弹簧缓冲器之后开发的一种大容量缓冲器，其代表产 品是m i n e r 公司的s l 7 6 型缓冲器。主要特点是橡胶自身能够吸收一部分冲 击能量，其容量比钢弹簧缓冲器约高2 0 3 5 ，且零部件数量少，重量较轻， 一般价格也较低。这种缓冲器的优点是吸收性能好，吸收率高达8 0 以上， 能适应于各种不同的冲击能量，缓冲器的变形随着冲击力的增大而渐趋缓慢， 阻抗力显著增大。另外，缓冲器的结构较简单，制造方便，检修容易。但是 因s l - 7 6 型缓冲器作用原理的限制，在安装及结构尺寸、行程不变的条件下 再进一步提高缓冲器容量的难度较大。 组合式缓冲器的主要代表产品是m a r kh 6 0 型钢弹簧与液压组合缓冲器、 m a r kr 5 0 0 型钢弹簧与橡胶组合缓冲器。因结构限制及设计的原因，m a r k r 5 0 0 型组合缓冲器容量增加较小，没有解决结构零件多的不足，且价格也较 高，所以没得到大量应用。m a r kh 6 0 型虽然在容量上满足了要求，但因其液 压阻尼系统结构复杂、密封可靠性要求高、制造及检修工艺标准要求严、导 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 致其价格比钢弹簧缓冲器大得多，因此也未得到大面积的推广使用。 1 2 3 前苏联及南非等国铁路货车缓冲器发展概况 前苏联1 9 7 9 年开始在对原有的运输条件及技术装备综合改进提高，如车 辆的轴重由2 1 t 提高到2 2 5 t 和2 3 5 t ，调车连挂速度提高到9 k m h ，缓冲器的 额定容量由5 5 k j 提高到1 1 0 k j ( 6 轴和8 轴重载货车缓冲器的额定容量为 1 6 0 k j ) 等等，最大限度地利用机车车辆的能力，并按普通列车编组方式编组 超长超重列车，开行了编组7 5 辆车、列车牵引总重量为6 0 0 0 t 重载列车 i , 3 1 , 3 2 , 3 7 。 随着经验的积累和技术的成熟，在专用线路上组织开行了6 0 0 0 一- - 8 0 0 0 t 超长超重列车，部分区段的列车重量突破了万吨，有的甚至提高到1 6 1 8 万吨。其货车缓冲器使用较多是1 t m 型缓冲器，容量5 5 k j ，它具有性能 稳定性差，行程小，阻抗力大等不足。因此，研制开发并投入使用了满足列 车牵引吨位增加及车辆载重提高需要的i i i 2 一t 型( 容量为1 0 0 k j ，行程为 11 0 m m ，最大阻力为2 5 m n ) 和f i m k 1 2 0 型( 容量达到1 2 0 k j ) 、t a 1 0 0 型等 楔块干摩擦式、液压式、液气式缓冲器。 1 9 9 1 年，俄罗斯开始研制弹性胶泥缓冲器，以适用于总重1 0 0 t 的货车， 设计最大行程1 2 0 m m ，最大动态阻抗力不大于2 5 m n ，额定冲击力为2 0 0 0 k n 时容量不小于1 6 0 k j ，调车允许最大速度为1 5 k m h 。1 9 9 4 年俄罗斯帮助波兰 k a m a x 公司试验研究7 3 z w 型弹性胶泥缓冲器，其作用行程9 0 m m ，容量 1 1 0 k j 。试验结果表明：7 3 z w 型弹性胶泥缓冲器的容量比俄罗斯货车成批使 用的弹簧摩擦式缓冲器高出1 到1 5 倍，此外，其还有比较高的可靠性。目 前波兰k a m a x 公司正致力于对行程达到1 2 0 m m 缓冲器新结构方案的研究。 法国j a r r e t 公司生产了质量在o 0 1 - - 6 0 0 0 k g 之间，行程范围在1 - - 2 0 0 0 m m 之间，容量从0 0 5 - 3 0 0 0 k j 以上的直线行程和可旋转式系列缓冲器产品。采 用弹性胶泥缓冲器，尽管容量完全可以满足需要，且在俄罗斯及欧洲国家也 得到了一定程度的应用，然而同液压缓冲器一样，其结构复杂、制造精度高、 价格昂贵，故北美铁路至今尚未批量应用弹性胶泥缓冲器。 目前，在南非重载货车上所采用的缓冲器主要是美国m i n e r 公司生产 的s l 7 6 型橡胶缓冲器，而加拿大q c m 公司和c p 公司则采用性能相当且可 互换的各种类型的缓冲器，如s l 7 6 型、t f 一8 8 0 型、m a r k 5 0 型和s e 型缓 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 冲器。 1 2 4 我国铁路货车缓冲器的发展概况 从上世纪6 0 年代至8 0 年代初，我国列车的牵引重量和运行速度一直发 展比较缓慢，运用的车辆基本上是轴重1 8 t ，载重5 0 t 左右的货车，调车编组 作业速度为3 k m h ，对应货车用缓冲器主要为2 号、3 号和m x 1 型缓冲器。 2 0 世纪8 0 年代初我国铁路为提高运输能力，确定了向提速、重载方向 发展的目标。借鉴国外经验，提出在不增加机车车辆轴重的情况下，货物列 车牵引最大重量由3 5 0 0 t 提高到4 0 0 0 t ，固定车底的煤炭、矿石等专列提高到 5 0 0 0 t ：货物列车行车速度最高时速由6 0 k m h 逐步提高到8 0 k m h ；快运列车 最高时速可提高到1 0 0 k m h ；同时积极推广应用轴重2 1 t 、载重6 0 t 的c 6 2 型 敝车和p 6 2 型棚车，提高车钩强度和缓冲器的容量，以适应提高列车牵引重 量的要求。 表1 2 我国几种主型缓冲器性能 能量吸收率 缓冲器型号 最大阻抗力( k n ) 行程( m m ) 额定容量( v a ) ( ) 2 号1 2 0 0 1 6 0 06 4 - - 一6 82 3 2 45 7 3 号 10 0 05 8 6 01 8 2 07 8 8 5 m x 1 型 17 0 06 5 7 33 59 0 g 1 型8 0 07 3l87 5 g 2 型 l6 3 0 2 0 0 0 7 34 2 7 5 m x 一2 型 18 0 07 3 7 6 4 5 8 5 m t - 2 型2 0 0 0 2 3 0 0 8 35 08 0 m t 3 型2 0 0 08 34 58 0 s t 型 2 0 0 0 6 7 - - 一7 2 3 28 0 为适应铁路货车提速、重载的发展需要，铁道部组织相关单位对前述几 种缓冲器进行了改进研究，研制开发了g 2 型、m x 2 型、g 3 型货车缓冲器。 同时从国外引进m a r k 5 0 型和s f 一81 型缓冲器进行各种试验研究，并在 m a r k 5 0 型缓冲器基础上研制开发m t - 2 型和m t - 3 型缓冲器，并且全面设计 制造推广应用2 l f 轴重，6 0 t 载重的货车，加快淘汰5 0 t 载重货车及3 号和 m x 一1 型缓冲器，积极调整货车品种和结构。截至1 9 9 8 年年底，我国铁路货 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 车保有量约为4 5 万辆，其中，使用m x 1 型、2 号和3 号缓冲器的车辆占9 4 以上。我国常用的几种货车缓冲器的主要性能如上表1 2 所示 i , 2 a 0 。 1 3 液气缓冲器的发展现状 液气缓冲器采用了一种新型的阻尼结构，并利用氮气无疲劳、体积模量 小的特点，可以达到吸能性能优越、回弹时间短和缓冲力上升快的目的，是 目前较为理想的缓冲设备之一，已作为减振缓冲系统广泛用于起重、纺织、 交通、建筑及其它动力机械等工程领域。 1 3 1 起重机上的应用 在上海宝山钢铁厂从联邦德国引进的起重机中，采用了o l e o 液气缓冲 器，它充分利用了液气缓冲器容量大的优点，其结构如图1 2 所示【4 9 1 。o l e o 液气缓冲器主要由油缸3 、柱塞2 和游动活塞4 等组成。a 腔和b 腔中充满 了液压油，c 腔中充满一定压强的惰性气体氮气。 游动活塞4 将液压油与氮气分隔开。当柱塞顶端的缓冲头1 碰到障碍物 时，液压油通过节流口从a 室流到b 室，由于b 室中的液压油体积不断增 卜缓冲头：2 一柱寒；3 一油缸；4 一游动活塞；5 一调节杆 图1 2o l e o 液气缓冲器原理图 加，游动活塞4 向缓冲头方向移动，将c 室中的氮气压缩，被压缩了的氮气 起着弹簧的作用。当缓冲头与障碍物脱离时，在氮气压力的作用下，游动活 塞对b 室的液压油施以一定的压力，液压油通过节流口又回到a 室，柱塞复 位。由于油液的节流作用，冲击物的动能绝大部分转变为油液的热能，并由 空气散发掉。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 1 3 2 纺织机械上的应用 无锡第二棉纺织厂和南京5 1 1 厂在自动换梭织机所使用的缓冲器是 y q 一1 型液气缓冲器，目前已在纺织机械上得到广泛应用。图1 3 所示为y q 1 型液气缓冲器的结构原理图【5 3 】。 y q l 型液气缓冲器的壳体是用轻合金精密铸造而成，内腔由油室和气 卜缓冲头；2 一活塞；3 一喉口；4 一溥膜；5 一加油u ；6 一充气 阀门：7 一壳体；8 一放油口 图1 3y q l 型液气缓冲器的结构原理图 室组成。二室之间用耐油弹性薄膜分隔，互不渗透。油室上部和下部有缩颈 喉口相通，下部油腔有5 2 斜度的锥形孔。活塞带有缓冲头的圆柱杆，采用 二道油封装置密封。缓冲器装在箱座两端下面，当梭子进入梭箱冲击到皮结 带动投梭棒向机外移动时，投梭棒被缓冲头顶住，梭子继续冲向梭箱底时， 投梭棒把活塞压入锥形油腔，油液被活塞挤在渐缩环形间隙中，通过缩颈喉 口向油室上方流动，推动薄膜压缩气室中的气体。当活塞进入最深处，梭子 的剩余动能应全部被吸收而让梭子停稳在梭箱中，等待下一次投梭。此时梭 子因制梭铁的压紧，制梭力不使活塞回弹。下一次投梭后，投梭棒离开缓冲 头，气室中的压力推动薄膜挤压油室，油液推动活塞回弹复位，以待下一次 缓冲。活塞一个工作循环中，缓冲时油液的阻尼流动必须把梭子的剩余动能 全部吸收。复位时气室的气压必须能使活塞及时回弹复位，以便对下一次投 过来的梭子再作缓冲。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 3 3 飞机上的应用 现代飞机起落架大部分采用油气式液气缓冲器，如双气腔式、单气腔式 等缓冲器。图1 4 中为一典型的飞机起落架用油气式缓冲器结构示意图 5 4 , 5 5 】。 油气式缓冲器通常由外筒、活塞杆、限阀孔、定压活门、密封装置组成，有 的还带有油针，内充气体( 空气或氮气) 和油液。当起落架受到撞击