一种列车转向架一系悬挂用复合材料板簧的制作方法

1.本发明涉及铁路车辆的悬架技术领域，具体涉及一种列车转向架一系悬挂用复合材料板簧。


背景技术：

2.当今世界正面临着严重的能源短缺危机和环境污染、温室气体排放等危机，人们对能源消耗问题日益关注。目前金属材料制造的传统结构列车在提高速度和载重的同时，振动、冲击、阻力、噪音问题的解决难度不断加大。并且在应对诸如高原、沙漠、高温、高寒及高海拔等复杂多变的服役环境时，现有材料显得越来越力不从心。同时，为了适应新一代轨道列车的发展趋势，轨道列车必须减轻一定的重量，并为新设备的安装腾出一定的空间。
3.从20世纪60年代起，轨道交通运输行业对轨道客车的安全性、舒适性、绿色节能性提出了新的要求，英国、日本、德国尝试将纤维复合材料应用于列车的结构与非结构件上，取得了一定的进展。由于纤维复合材料的高比强度与刚度、隔热、耐疲劳、阻燃、耐腐蚀、可设计性强等优点，在轨道交通领域具有很大的潜在市场和发展前景。虽然复合材料大量被应用在轨道车辆内部设施和装修材料等非承载结构零件中，但在承载结构件和大型结构件中的应用还不够深入和广泛。
4.转向架作为铁路车辆的主要承载构件，为承受车身荷载和载重提供足够的安全性和稳定性。传统的金属转向架一般非常厚重，这使得转向架在车辆总质量中占比很大，造成了维护成本高、曲线运行能力差、噪声大以及不够节能环保等一系列问题。轨道列车运行速度越高，对轨道的冲击力越大，因此迫切地希望实现列车轻量化尤其是列车转向架轻量化，从而可以减少列车行驶过程中的能耗以及对钢轨的损伤。目前高铁上采用的金属钢弹簧的自重很大，且其刚度曲线如图1所示，载荷与位移呈正比，无法满足高速轨道列车进一步轻量化的要求。而且考虑到列车转向架与轴箱之间的空间狭小，目前常见的复合材料板簧大多需要具有额外的空间来释放变形产生的位移，难以在列车转向架上直接应用。
5.因此，如果有一种复合材料板簧既可以减小所占用的空间，又可以满足所需强度以实现列车转向架的轻量化，对于轨道交通行业的绿色节能将具有重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明目的在于克服现有技术不足，提出一种列车转向架一系悬挂用复合材料板簧，该板簧解决复合材料板簧需要占用额外空间以释放变形位移的技术问题，在保持原有优点的同时，能够显著降低列车转向架的重量，同时能够减少板簧在转向架与轴箱之间所占用的垂向空间。
7.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种列车转向架一系悬挂用复合材料板簧，该板簧本体使用碳纤维复合材料，呈u形单片式层状结构，转向架构架下的轴箱位于板簧内侧，在板簧两端设置有安装定位孔，板簧的上端连接到转向架构架，另一端与列车轴箱的凹槽连接，所述板簧的宽度方向与轴箱内的轮轴轴向方向相同，而板簧厚度方向与
轮轴的轴向方向垂直，且板簧厚度在沿弧度方向中心处最大，随着接近板簧本体两端厚度逐渐递减，板簧的整体垂向刚度值恒定。
8.作为优选，所述层状结构是由碳纤维与环氧树脂复合的单向预浸料制成。
9.作为优选，所述层状结构是由各铺层叠加形成的，铺层沿板簧厚度方向对称铺设有多层，铺层角度分别为0
°
、45
°
、
‑
45
°
三种，各角度铺层比例分别为3:1:1。
10.作为优选，上述的板簧本体上下表面均有3层0
°
铺层。
11.所属铺层沿着弧度方向逐渐变化，各铺层沿厚度中心层对称，由中间向两端长度逐渐递增。
12.作为优选，所述板簧的两端与轴承和转向架分别通过孔定位和螺栓连接，在不影响使用效果的前提下，也可以采用本领域的常规连接方式。
13.为满足列车运行对振动参数的要求，板簧的整体垂向刚度值设定为1000n/mm，正负3％误差。
14.有益效果：
15.1、本发明利用纤维复合材料密度小的特点，极大地降低了转向架一系悬挂的重量。
16.2、本发明利用自体变形复合材料板簧的水平空间释放变形位移，不再需要额外占用垂向空间。
17.3、复合材料板簧的总体结构呈u型，厚度由两端向中间逐渐增加，采用变厚度截面，厚度由两端向中间逐渐增加，变化具有连续性，能够减小应力集中。
附图说明
18.图1为现有列车转向架结构图。
19.附图说明：1
‑
转向架构架；2
‑
轴箱；3
‑
一系悬挂(板簧或钢弹簧)；4
‑
轮轴；5
‑
车轮：6
‑
二系悬挂(空气弹簧)。
20.图2为现有技术中采用的金属弹簧钢的刚度曲线示意图。
21.图3为本发明的列车转向架用板簧的安装示意图。
22.附图说明：1
‑
转向架构架；2
‑
轴箱；7
‑
复合材料板簧。
23.图4为本发明的列车转向架用板簧的安装示意图。
24.附图说明：1
‑
转向架构架；2
‑
轴箱；7
‑
复合材料板簧。
25.图5为本发明的列车转向架用板簧的安装示意图。
26.图6为复合材料板簧铺层示意图。
具体实施方式
27.下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
28.如图1
‑
图6所示，本发明提出的一种列车转向架一系悬挂用复合材料板簧，该板簧不需要额外空间释放位移的复合材料板簧，其整体刚度值为1000n/mm，正负3％误差，总体结构呈u型，厚度由两端向中间逐渐增加，具有连续性。它由碳纤维预浸料，采用变厚度截面，厚度由两端向中间逐渐增加，变化具有连续性，能够减小应力集中。复合材料板簧与轴箱和转向架构架采用螺栓连接。
29.层状结构是由碳纤维与环氧树脂复合的单向预浸料制成的。
30.列车转向架用板簧的安装示意图中，板簧3呈u形单片式层状结构，转向架构架下的轴箱位于板簧5内侧，轴箱中心距离板簧3为400mm。在板簧3两端设置有安装孔，上端连接到转向架构架1，另一端与轴箱2底部凹槽连接。板簧的宽度方向与轴箱内的轮轴轴向方向相同，而板簧厚度方向与轮轴的轴向方向垂直，且板簧厚度在沿弧度方向中心处最大，随着接近板簧本体两端厚度逐渐递减。
31.图4板簧的安装示意图与图3基本相同，区别在于对称设置了两个板簧3，以提升悬挂系统承载能力，轴箱中心距离板簧3为300mm。
32.图5结构是在图3安装结构图上增加了方向和角度的指示，以便于理解板簧与箱轴、转向架构架等部件的连接关系。所述的板簧本体是由各铺层叠加形成的层状结构，铺层沿板簧厚度方向对称铺设有多层，铺层角度分别为0
°
、45
°
、
‑
45
°
三种，各角度铺层比例分别为3:1:1。所述的板簧本体上下表面至少均有3层0
°
铺层。
33.板簧为不需要额外垂向空间释放位移的复合材料板簧，因此可以有效减小板簧在转向架构架和轴箱之间所占用的空间，且能够极大地减轻转向架整体的重量，有利于减少能源消耗以及降低轮组磨损。随着所受载荷的提升，可以将本发明对称放置，进一步提升悬挂系统承载能力。
34.图6是板簧本体在厚度方向对称铺设的示意图，在沿弧度方向中心处具有最大厚度，朝板簧两端厚度逐渐递减。
35.需要说明的是，以上具体实施方式的描述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。