铁路货车用平面心盘与球面心盘的结构与性能对比

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1.前言

铁路货车常用的心盘结构有平面心盘和球面心盘，上下心盘配对使用。我国转8系列、转K2型、转K4型、转K5型、转K6型等转向架均采用平面下心盘连接方式。球面心盘在一些长大货车、特种货车用转向架及转K3型转向架上应用较多，采用该连接方式的车体与摇枕或构架间较容易实现摇头、点头与侧滚回转，因而对车体扭曲适应性较好，但相比平面心盘多了侧滚运动，需要选取适宜的弹性旁承参数及减振阻尼来有效抑制车体侧滚振动，图1为常接触式弹性旁承。

图1 常接触式弹性旁承

2. 结构对比

2.1 平面心盘

平面心盘主要由平面上心盘、心盘衬垫、平面下心盘和中心销等部分组成，见图2。

1.平面上心盘 2.心盘衬垫 3.平面下心盘 4.中心销

图2 平面心盘主要组成部分

平面心盘结构简单，加工制造容易，方便使用和更换，成本较低，在车辆启动、停止和转弯时，上下心盘之间的压强突然增加，润滑油难以进入结合面，使平面心盘及心盘垫磨损严重，甚至产生胶合现象。为提高使用寿命，选择心盘的衬垫材质和加强润滑尤为重要。实际工作中要经常检测，对已经磨损的平面心盘或心盘垫及时更换。

图3为平面下心盘安装在转向架摇枕上。

图3 平面下心盘安装在转向架摇枕上

2.2 球面心盘

球面心盘主要由球面上心盘、心盘衬垫、球面下心盘和中心销等部分组成，如图4所示。心盘衬垫多采用镶嵌自润滑材料。

1.球面上心盘 2.心盘衬垫 3.球面下心盘 4.安装螺栓 5.防松螺母 6.螺母

图4 球面心盘主要组成部分

球面心盘的接触面为球面，可以在任何方向发生偏移角度，因此，当球面上心盘发生少量的偏斜，球面上心盘与球面下心盘之间的受力都是均匀的，不会因局部受力大而产生变形，可改善心盘受力状况，减小心盘的磨损，延长心盘的使用寿命。

在实车上，球面上、下心盘如图5所示。

(a)球面上心盘 (b)球面下心盘

图5 球面上、下心盘在实车上

2.3 两者优缺点对比

与平面心盘相比，球面心盘接触面积大，载荷分布更均匀，不仅有利于减小心盘磨耗，而且传递车体与构架之间的纵、横向力能力更强。但是球面心盘对加工精度要求较高，若制造精度不够，将造成心盘或心盘衬垫严重磨损。由于受加工精度和生产成本限制（球面心盘加工费用是平面心盘加工费用的上10倍），加之目前国内自润滑材料的广泛应用大大减少了平面心盘的自身损耗，因此在国内多数货车大都还采用平面心盘结构。

3. 性能对比

这里所说的性能还是对整车动力学性能的影响。一般情况下，空车运行时，摩擦力矩主要由两侧的弹性旁承提供，心盘载重产生的摩擦力矩较小，但是重车运行时，心盘载重产生的摩擦力矩会大于弹性旁承提供摩擦力矩，这时候心盘的形式直接影响车辆的临界速度。这里介绍一下平面心盘、球面心盘摩擦等效力臂的求法（在利用Simpack建立含心盘摩擦的动力学模型时，需要用等效力臂来确定心盘支撑点，每个心盘分为两点支撑）。

3.1 平面心盘摩擦等效力臂的求法

设平面心盘的内、外半径分别为R₁、R₂,见图6。心盘总载荷为W，心盘单位面积受力（压强）为P，心盘处摩擦系数为ucp。现来通过求心盘回转阻力矩来反推等效力臂。