货车轨道转向架动力性能研究Word文档格式.docx
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重点分析了转向架的运用及动力学性能其动力学性能。
关键词:
铁路、货车、转向架、动力学
目录
摘要I
1转向架的结构原理及基本部件4
1.1转向架的作用及组成4
2常见货车转向架的结构特点7
2.1转K2型转向架结构特点7
2.2转K4型转向架具有摆动式转向架的主要特点:
7
3提速货车转向架运用性能分析9
3.1交叉支撑转向架运用性能分析9
3.1.1转K2型转向架运用性能分析9
3.1.2摇侧架问题9
3.1.3斜楔问题12
3.1.4弹簧折断问题14
3.1.5交叉支撑问题14
3.2转K4型摆式转向架运用性能分析16
3.2.1弹簧托板裂纹16
3.2.2转K4型转向架摇枕斜楔摩擦面磨耗板开焊及裂纹17
4动力学分析18
4.1轮轨相互作用18
4.1.1轮轨相互作用的意义18
4.1.2轮轨接触的非线性18
4.1.3轮轨相互作用的计算模型发展状况19
4.2轮轨的冲击振动20
4.2.1用落轴分析分析轨道的冲击振动20
4.3轨道系统的振动特性24
4.6车辆运行平稳性和安全性31
4.7转向架的蛇形运动33
4.7.1转向架的蛇形运动33
结论40
致谢42
参考文献43
引言
国内铁路货物列车转向架现状:
我国铁路建国前货车转向架主要采用美国、日本进口的30t拱板型转向架，另有少量30t、40t铸钢转向架，如转K1、转K2型。
建国后借鉴前苏联货车转向架自行设计制造了50t的转K3、转K4及60t的转K6、转K8，同时还先后研制了曲梁式转K9型等。
转SA转向架是在美国Barber型转向架的基础上结合我国实际情况研制的30t。
原齐齐哈尔车辆工厂和铁道部科学研究院等有关单位根据生产、运用、检修和科研方面所反映的意见，对转K8型转向架进行了改进设计。
改进后的转向架1966年通过铁道部鉴定，定名为转SA型，又名新转8133-361。
其为铸钢三大件形式，具有结构简单、检修方便、对线路适应性好，是我国上世纪主型货车转向架，目前已运用30多年。
转SA转向架设计构造速度是1OOkm/h，运用磨耗后，其实际运行速度空车在70km左右，重车在80km/h左右，上世纪末，为了适应我国国民经济建设迅速发展的需要，我国铁路自1997年起至今已进行了六次客运列车的大提速，主要铁路干线提速区段的最高运行速度己达140至160km/h，今后我国铁路旅客运输还将进一步全面提速。
由于我国铁路网基本上是客、货共线运输的铁路网，随客运速度的提高，要求货运速度相应提高，只有客、货车运行速度合理匹配，才能提高铁路运输的整体经济效益，更好地发挥铁路运输在我国国民经济发展中的作用，因此，从上世纪90年代中期，我国开展了转SA改造及开发各种新型货车转向架。
转SAG转向架是齐车集团采用从美国引进交叉支撑技术，在老转SA基础上，在两侧架之间加装弹性下交叉支撑装置、采用双作用常接触弹性旁承及两级刚度弹簧、加装心盘磨耗盘来进行改造41。
改造后转向架采用老侧架改造的为SAG，采用新侧架的为转SG。
转SAG、转SG运用后发现交叉杆盖板产生裂纹等缺陷，达不到提速要求，因此未全面展开。
目前我国对装用转SA转向架货车进行的提速改造，实际采用的是换装转K2转向架。
转Kl、K2转向架是齐车集团采用从美国引进交叉支撑技术，重新研制的转向架。
转Kl为中交叉支撑转向架，1998年12月，该型中交叉支撑转向架装于P65型行包快运货车，由于两交叉杆须穿过摇枕，其侧壁需开孔，检修不方便，因此只生产了50辆。
转K2转向架为下交叉支撑转向架，两交叉杆不须穿过摇枕，便于检修。
2004年开始，结合货车厂修对既有货车进行换装转K2型转向架120km/h的提速改造，当年完成3万辆。
2005年开始在各货车修理厂及全路各车辆段进行全面转K2转向架提速改造，到2008年底共“万辆货车装用转K2型转向架。
转K2型转向架以已成为我国的主要转向架。
转K4转向架是株洲车辆厂通过与美国公司合作133-36，在美国摆式转向架基础上进行改进研制的。
转K4转向架结上属于铸钢四大件式转向架，既在原摇枕、侧架三大件基础上增加一个横向弹簧托板，左右侧架成为可以左右摆动的吊杆，悬挂系统为二系二级刚度摇枕弹簧，该结构使其垂向、横向都具有两级刚度特性。
以上转向架运行速度都在120km,除21T转向架外，随着重载运输发展，我国先后研制了多种形式的轴重载货车转向架。
目前已定型的25t轴重转向架是齐车集团在转K2基础上研制的转K6转向架38，株洲厂在转K4基础上研制的转KS转向架147。
这两种转向架运行速度为120km/h，已开始在全国推广使用，将会是今后我国主型货车转向架。
除转K4外，株洲车辆厂还研制了运行速度120km转K3型构架式货车转向架。
转K3型转向架采用焊接整体构架、轴箱多级刚度的一系悬挂、双斜楔摩擦减振器、球面心盘、弹性常接触弹性旁承等技术。
该转向架最高线路实验速度达140km/h。
此外，为了满足大秦线开行2万吨运煤专列的运输需求，原眉山车辆厂根据2004年铁道部科技研究开发计划进行了25t轴重副构架转向架的研制。
铁路货物列车转向架发展趋势高速重载是铁路货车的总体发展趋势，我国铁路载重60t及以上的货车已达到货车总数的80%以上，在站线长度难以继续延长又维持21T轴重不变的条件下，继续增加列车重量的潜力己很小。
为进一步提高列车牵引重量，增加运输效益，应将轴重提高到25t及以上。
世界银行贷款中专门设立了软科学研究项目，对中国发展25t轴重进行了深化研究，结论是“中国既有干线线路结构及桥梁能够开行25t轴重重载列车”。
2006年开始，我国已停止生产21T轴重的通用货车，开始全面生产轴重25t的车辆，同时研制开发30t至35t轴重的低轮轨作用力货车转向架，以满足货运专线开行万吨列车的需要。
就发展我国的快速货车转向架而言，在设计结构和性能上已经有了突破，但还应进一步结合高速客车转向架的成熟技术，参考国外高速货车转向架的成功经验，进一步优化和完善液压减振技术、盘形制动技术、防滑技术等的设计方案，保证配套技术的可靠性。
同时应结合高速客车转向架的运用经验，优化构架、摇枕、轴箱悬挂装置、中央悬挂装置等的结构设计，提高部件的疲劳可靠性，使160km小高速货车转向架尽快形成生产能力，早日投入快速货运专线中使用。
国内外货车新转向架的开发主要为满足提速和重载的要求，在转向架选用上主要有以下几种形式:
（l）速度低于120km/h时，采用交叉支撑转向架。
（2）采用H型刚性构架，H型构架转向架具有良好的横向运动稳定性，适用于高速运行的需要，被欧洲许多国家的铁路选用。
（3）采用径向转向架，采用具有导向功能的径向转向架，可以解决抗蛇行稳定性和曲线通过性能的矛盾，减小轮轨冲角，可以大幅减少轮轨在曲线上的相互作用力和轮轨磨损。
径向转向架具有良好的横向运动稳定性和曲线通过性能，既适合于高速运行，也适合于小曲线半径曲线多的地区使用，是一种有广泛应用前景的货车转向架。
（4）采用摆式转向架，摆式转向架具有控制和改善垂向和横向振动的性能。
通过在两侧架间增设支撑弹簧的的弹簧托板，在侧架和承载鞍之间及在侧架和弹簧托板之间引进摇动台连接。
这种设计实际上是使侧架的横向摆动象客车摇枕吊杆一样，可以缓和来之线路的激扰，取得良好的运行平稳性，运行速度可达160km，并可减少轮轨、转向架零部件的磨耗。
在采取技术措施改进车辆的动力学性能方面，发展趋势主要有以下几点:
（1）增大弹簧静挠度和采用两级（三级）刚度弹簧;
（2）改进摩擦减振装置，采用耐磨材料制作的耐磨件，减少摩擦面干摩擦;
（3）采用常接触弹性旁承承载，增加车体与转向架之间的阻力矩可以提高抗蛇行稳定性;
（4）加装轴箱橡胶垫或采用轴箱弹簧悬挂装置;
采用轴箱一系悬挂、变刚度弹簧和合理的摩擦阻力可以提高车辆垂向品质，减少车辆对轨道的垂向作用力;
（5）降低转向架的质量，尤其是簧下质量可以降低车辆和轨道的垂向作用力;
（6）提高三大件转向架的抗菱刚度，例如采用侧架交叉支撑和轮对交叉拉杆型式;
（7）减小货车转向架的横向刚度，DE减小车辆与轨道的横向相互作用，提高车辆横向品质。
1转向架的结构原理及基本部件
1.1转向架的作用及组成
铁路运输事业发展的初期，世界各国均采用二轴车辆，将轮对直接安装在车体下面。
这种二轴车一般比较短小，为便于通过曲线，前后两轮对车轴中心线之间的距离一般不大于10米。
二轴车的总重受到容许轴载重的限制，其载重量一般不大于20吨。
随着铁路运输事业的发展，二轴车在载重、长度和容积的多方面都不能满足运输要求，于是曾出现与二轴车结构相仿的多轴车辆。
虽然多轴车辆能增加载重量，但为能顺利通过小半径曲线，前后两轴之间的距离忍受限制，不能太大，从而限制了车辆长度和容积的进一步增加。
另外，车辆通过小曲线半径是，中间轮对相对车体要有较大的横向游动量，使得车辆结构复杂，且中间轮对承担轮轨横向力的能力较差，因此多轴车没有被推广采用。
多轴车辆一般采用带转向架的结构形式。
把两个或几个轮对用专门的构架或侧架组成的一个小车，称为转向架。
车体支撑在前后两个转向架上。
为便于通过曲线，车体与转向架之间可以相对转动。
这样，相当于将一个车体坐落在两个二轴小车上，使车辆的载重量、长度和容积都可以增加，运行品质得以改善，以满足近代铁路运输发展的需要。
目前绝大多数车辆都采用转向架结构的形式。
转向架的基本作用和要求：
1、车辆上采用转向架是为了增加车辆的载重、长度与容积，提高列车运行速度，以满足的铁路运输发展的需要。
2、保证在正常运行条件下，车体都能可靠的坐落在转向架上，通过轴承装置使车轮沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动。
3、支承车体，承受并传递从车体至轮对之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力，并使轴重均匀分配。
4、保证车辆安全运行，能灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线。
5、转向架的结构要便于弹簧减震的安装，使之具有良好的减震特性，以缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆运行平稳性，安全性和可靠性。
6、充分利用轮轨之间的黏着，传递牵引力和制动力，放大制动缸所产生的制动力，使车辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车。
7、转向架是车辆的一个独立部件。
在转向架与车体之间尽可能减少连接部件，并要求结构简单，装拆方便，以便于转向架可单独制造和检修。
由于车辆的用途、运行条件、制造和检修能力及历史传统等因素的不同，使得转向架的类型繁多，结构各异。
但他们又都具有共同的特点，其基本作用和基本组成部分是相同的。
一般转向架的组成可以分为以下几个部分如图（1-1）所示
图1-1转8示意图
1、轮对轴箱装置
轮对沿着钢轨滚动，除传递车辆重量外，还传递轮轨之间的各种作用力，其中包括牵引力和制动力。
轴箱与轴承装置是联系构架和轮对的活动关节，使轮对的滚动转化为构架、车体沿钢轨的平动。
2、弹性悬挂装置
为减少线路不平顺和轮对运动对车体的各种动态影响（如垂向振动，横向振动等），转向架在轮对与构架之间或构架与车体之间，设有弹性悬挂装置。
前者称为轴箱悬挂装置，后者称为摇枕悬挂装置。
目前，大多数货车转向架只设有摇枕悬挂装置或轴箱悬挂装置，而客车转向架既设有摇枕悬挂装置，有设有轴箱悬挂装置。
弹性悬挂装置包括弹簧装置、减震装置和定位装置等。
3、构架或侧架
构架（侧架）是转向架的基础，它把转向架各零件、部件组成一个整体。
所以它不仅仅承受、传递各种作用力及载荷，而且它的结构、形状和尺寸都应满足各零、部件的结构、形状及组装的要求（如应满足制动装置、弹簧减震装置、轴箱定位装置等安装的要求0;
4、基础制动装置
为使运行中的车辆能在规定的距离范围内停车，必须安装制动装置，其作用是传递和放大制动缸的制动力，使闸瓦与轮对之间或闸瓦与制动盘之间产生的转向架的内摩擦力转化为轮轨之间的外摩擦力（即制动力），从而使车辆承受前进方向的阻力，产生制动效果。
5、转向架的支承车体的装置
转向架支承车体的方式不同，使得转向架与车体相连接部分的结构及形式也各有所异，但都应满足以下基本要求：
安全可靠地支承车体，承载并传递各作用力；
为使车辆顺利通过曲线，车体与转向架之间应能绕不变的旋转中心相对转动；
为使车辆稳定运行，车体与转向架之间应具有一定的回转阻力和阻力距。
转向架的承载方式可以分为心盘集中承载、心盘部分承载和非心盘承载三种。
2常见货车转向架的结构特点
2.1转K2型转向架结构特点
转K2型转向架是1998年齐车公司采用美国标准车辆转向架公司（SCT）的侧架交叉支撑技术开发研制而成的。
该转向架在两侧架之间安装了弹性下交叉支撑第二章铁路货车转向架的结构特点机构，交叉杆从摇枕下面穿过4个端点用轴向橡胶垫与侧架连接，交叉支撑机构提高了转向架的抗菱刚度和抗剪刚度，提高了转向架的运行平稳性和稳定性，改善了曲线通过性能;
侧架、摇枕采用B级钢材质铸造;
减振装置一种采用分离式斜楔、摇枕上焊装楔形插板，另一种采用整体式斜楔、摇枕上焊装平板形磨耗板;
基础制动装置为锻造中拉杆结构;
中央悬挂系统采用两级刚度弹簧;
上下心盘之间安装心盘磨耗盘;
采用双作用弹性旁承。
（l）结构上属于铸钢三大件式转向架，具有结构简单、车轮均载性好等优点。
（2）该转向架采用了类似于客车转向架的摇动台摆式机构，使转向架横向具有两级刚度特性，大大增加了车辆的横向柔性，提高了车辆的横向动力学性能，降低了轮轨间的磨耗，提高了车辆的运行品质。
（3）提高了车辆脱轨安全性。
由于摆动式转向架摇枕挡位置下移，使侧滚中心降低，对侧滚振动控制加强，有效地减小了爬轨和脱轨的可能性，尤其是对高重心的货车，大大提高了其脱轨安全性。
（4）该转向架具有高的耐久性和可靠性。
经美国和加拿大运用实践表明，该转向架运用寿命长，维修工作量小，可运营160万公里免检修。
转K4摆动式转向架保留了三大件转向架的许多优点，同时该转向架的设计巧妙地借鉴了客车摇动台的原理:
（l）在侧架结构中取消弹簧承台，而把摇动台的支撑承台设计成半圆柱，坐落于侧架半圆弧形的摇动台支撑座上，两侧架的摇动台用同一弹簧托板相联结，承载弹簧坐落于弹簧托板的两端，摇枕落在弹簧上，这种弹簧、托板与摆动台的联结，使两侧架可以相对于摇枕作同步的横向摆动，最大摆动角度可达到3度，大大减小了转向架的横向刚度。
（2）侧架导框处也不是转SA侧架的圆台结构，而是一腔形结构，用以安装导框摇动座，导框摇动座与承载鞍之间弧面接触。
导框摇动座两侧可用不同厚度的垫片塞紧，再将固定块焊固，使导框摇动座定位于侧架导框顶部腔顶部。
导框摇动座底面为圆弧形，承载鞍顶面也是圆弧形，两圆弧形成滚动副，使侧架象吊杆一样，具有摆动的功能，提高车辆的横向性能。
（3）摇枕下部铸出两块三角形挡，其与弹簧托板上的挡块配合，防止摇枕串出，起到安全挡的作用。
该挡块主要起2个方面的作用）限定了摇枕的最大横向位移，在中心位置时，上、下2个止挡块之间的间隙约为16至2）当2个挡块之间的间隙消除后，上、下挡块间会产生大的作用力，该力对轨面的作用力矩比原有摇枕挡对轨面的作用力矩大大降低，有利于车辆抗倾覆稳定性的提高。
（4）承载鞍的结构与转K4转向架承载鞍类似，鞍顶面为经硬化处理的弧面，与导框摇动座的组合成为摆动机构的上摆点，使侧架象吊杆一样，具有摆动的功能，提高车辆的横向性能。
鞍面尺寸与进口轴承相匹配，其余按AAR标准设计制造，材质为C级钢。
（5）弹性悬挂系统及减振装置:
每侧弹性悬挂系统及减振装置由两个斜锲组成、两组减振内圆弹簧、两组减振外圆弹簧、四组承载内圆弹簧、四组承载外圆弹簧组成，减振弹簧、承载弹簧为两级刚度，这样使空车、重车分别对应不同的空、重两级刚度，空车和重车都有优良的动力性能。
斜锲由材质为ADI的斜锲体及材质为高分子复合材料的磨擦板组成。
部分由美国进口斜锲，一其复合材料磨擦板与斜锲体粘接，国产斜锲采用磨擦板嵌入斜锲体的组合结构，卸换方便。
（6）下旁承组成采用常接触橡胶弹性旁承，下旁承组成由旁承体组成、调整垫板、纵向锁紧斜铁组成。
该弹性旁承与交叉支撑转向架弹性旁承有所不同，无旁承滚子.
3提速货车转向架运用性能分析
3.1交叉支撑转向架运用性能分析
3.1.1转K2型转向架运用性能分析
从1999年装用转KZ转向架的车辆投入运用到现在已有9年，运用结果表明:
转K2转向架的交叉杆等各关键部件状态良好，轮缘磨耗甚微;
本人曾对最初投入运用的经过了2次段修装用转K2转向架的P65行包快运棚车的数据进行了检测，结果表明，交叉杆状态良好，不需要分解检修，斜楔、磨耗板、承载鞍等磨耗件磨耗甚微，不需要加修;
车轮轮缘磨耗及踏面剥离明显减轻。
1、车轮磨耗较转SA转向架大幅减少在所调查的车轮中，转K2型转向架在经过1个段修期（运行约30万公里）后，其轮缘磨耗在1以下的占98.5%，其踏面磨耗在2以下的占85.5%;
而转SA转向架在经过一个段修期后，其轮缘磨耗在3mm以上的占85%，踏面磨耗在4mm以上的占87%。
这标志着转K2型转向架在直线运行时的蛇行振动和曲线运行时的轮对冲角都有了较大减小，是转向架振动件磨耗减少的重要原因。
由于车轮磨耗的大幅减少，其摩擦副钢轨的磨耗及机车阻力也会相应同步大幅下降，从而总体上为铁路车辆与工务维修带来很大的经济效益。
2、斜楔、立柱磨耗板等磨耗件使用寿命显著提高各种振动的减小使转K2型转向架斜楔主、副摩擦面在运行一个段修期（运行约30万km）后，其磨耗量均在lmm以下;
而转SA型转向架在运行1个段修期后，八字面磨耗板磨耗量达到2mm的占98%，立柱磨耗板磨耗占63%，磨耗占37%。
3、检修维护工作量大幅减少转K2在经过2个段修期后仍未进行分解，其各部状态良好。
同时，还减少了轮对、侧架的加修量，也减少了更换侧架立柱磨耗板、八字面磨耗板的工作量，方便了检修。
同时在转K2转向架的运用检修过程中发现以下问题须进一步完善。
3.1.2摇侧架问题
（l）摇枕、侧架内腔积水问题《铁路货车段修规程》规定，转向架进行厂、段修时需冲洗，并在翻转机上进行翻转检查。
由于设计原因，转向架冲洗后，摇枕及侧架内腔中残存了不少积水，在进行翻转检查时积水流出，造成场地湿滑，人员站立不稳，有时甚至使检修线上的电器短路，另外还会加速摇枕侧架的腐蚀，降低其强度，缩短其使用寿命。
摇枕、侧架内腔积水问题原因分析:
摇枕积水摇枕下水孔内面有一圈立筋突起，摇枕下部的2个下水孔内边尽管起始于底面，但立筋突起高出内腔底面约24，阻挡了积水的全部流出，使内腔积水深达24。
侧架的下水孔位于侧架的下弦斜面上，孔的下边高于下弦上平面，导致积水不能全部流出。
另外，为了增加侧架强度，侧架的下水孔处也有一圈立筋突起，这也阻挡了积水的自然流出。
（2）摇枕斜楔槽部位不易检查及相应部位磨耗板更换困难在运用检修中发现转KZ型转向架存在摇枕斜楔槽部位不易检查及相应部位磨耗板更换困难的问题，会严重影响货车车辆检修质量，危及行车安全。
应引起铁路相关部门及专家的高度重视。
摇枕斜楔槽部位无法按照货车段修检修工艺检查，构架经过冲洗，分解基础制动配件、减振弹簧、摇枕弹簧及斜楔后，上摇枕翻转机进行翻转检查。
目前使用的摇枕侧架翻转机原理大多是用一液压杆件插入摇枕与侧架的弹簧承台间，依靠液压杆件卡紧整套构架用电机带动翻转。
这样，除摇枕斜楔槽部位外其它部位均可进行全面的外观检查。
如果是转SA、转SAG、转SG型转向架，摇枕斜楔槽部位的检查可在上摇枕翻转机前或后进行检查，但转KZ型转向架摇枕设有内、外摇枕挡，遮住了观察者的视线，因而无法全部检查摇枕斜楔槽部位摇枕本体及摇枕斜楔槽磨耗板的质量情况。
摇枕斜楔槽磨耗板更换工序复杂、工作量大转向架摇枕斜楔槽磨耗板是易磨损件，以广北车辆段检修车辆统计表明:
摇枕斜楔槽磨耗板更换率达35%以上。
转SA型转向架的摇枕可用行车吊运分解出来，再加焊磨耗板。
转KZ型转向架摇枕由于设有内、外摇枕挡，摇枕斜楔槽处的最大横向尺寸达516mm，而相应的侧架阶梯形方孔上边长为44Omm，下边长为520mm。
这样，需拆除交叉杆后，摇枕才能从侧架阶梯形方孔下边脱出，才能对摇枕斜楔槽磨耗板进行翻转焊接。
交叉杆与构架的组装需在专用定位胎具上进行，重新刻打交叉杆组装标记牌，并需用专用交叉杆端头螺栓扭力扳手紧固。
如大批量检修，一方面极大的增加检修工作量，另一方面现有工装也满足不了实际需要。
由于上述两个原因无法形成流水线作业，转KZ型转向架的检修不能在构架检修流水线上全部完成，大部分工作需要用行车将构架吊离流水线。
为了对摇枕斜楔槽磨耗板进行检查、检测及焊修，必须全数拆卸交叉杆，分解构架并组装。
这样，完成一个构架的分解、组装需行车多次往复吊运，现场作业将变得凌乱无序，无法形成流水作业。
措施及改进建议:
经现场实际操作并结合转KZ型转向架摇枕、侧架的图样尺寸测算后认为:
如内侧摇枕档高度降低至与外侧摇枕档高度一致，则可通过设计一专用机具在侧架和交叉杆固定位置不变的情况下，将摇枕夹固旋转一适当角度，完全露出摇枕斜楔槽部分，从而方便检查、检测、检修。
这样就可极大的减少工作量。
（3）侧架立柱磨耗板裂纹问题
存在问题:
装用转K2型转向架的提速货车投入使用后，转向架侧架立柱磨耗板（简称磨耗板）发生裂纹或裂损的比例较多，其中以材质为TLO和ADI所占比例为多。
若磨耗板因裂纹或裂损而脱落，将破坏车辆减振性能，降低车辆运行平稳性，严重威胁行车安全。
因此，对这一问题进行认真分析并采取相应的措施加以改进显得十分必要。
磨耗板裂损的危害:
转K2型转向架减振装置的作用主要是提供垂向阻力，吸收部分振动能量，减缓垂向振动，改善车辆的动力学性能。
其作用原理是:
车体重量通过摇枕作用于弹簧上，使弹簧压缩;
由于摇枕和斜楔之间为的斜面，因此在车体作
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