軌道交通用空氣彈簧的結構與應用研究

陳燦輝,程海濤,劉建勛

(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

空氣彈簧是在柔性密閉容器中充入壓力空氣,利用空氣的可壓縮性實現彈性作用的一種彈性元件。與鋼彈簧相比,空氣彈簧具有承載能力大、自振頻率基本不變、變形能力強、配合使用電子控制裝置可保持車體高度恒定等優點,廣泛應用于中高速客車、地鐵及輕軌車輛上。

空氣彈簧作為軌道車輛二系懸掛的重要部件,在材料、設計、制造工藝與檢測等方面均擁有較為關鍵的技術。株洲時代新材料科技股份有限公司(簡稱時代新材)在空氣彈簧領域通過對多個國內外項目的開發及批量應用,在產品材料、設計、制造工藝與檢測等技術研究方面均積累了一定的經驗。通過總結空氣彈簧在這些項目上的研發經驗,介紹空氣彈簧在結構研究、應用與關鍵知識點研究等方面的技術,并對空氣彈簧方面未來仍需深入研究的內容進行了討論。

1 空氣彈簧結構類型與應用

由于軌道交通線路狀況、車輛的運行速度、車輛人口密度的不同,使得車輛的二系空氣彈簧懸掛需要具備不同的性能與空間尺寸,根據目前應用的空氣彈簧結構,主要有氣囊結構,輔助彈簧結構,氣囊與輔助彈簧組合結構。

1.1 氣囊結構類型與特點

氣囊根據密封方式、腰帶約束型式分為以下4種類型[1]。

(1)大曲囊式氣囊

大曲囊式氣囊的結構見圖1。

圖1 大曲囊式氣囊

大曲囊式氣囊最大的結構特點在于,氣囊上子口直徑大于氣囊的有效直徑,并采用機械密封式結構,通常下子口采用自密封式結構,氣囊的弧面較長,在相同的有效面積前提下,氣囊通常具有較大的內容積,因此具有垂向與水平剛度較低,位移能力較大的特點。

由于氣囊的上子口采用機械密封方式,上子口的密封設計較為關鍵,不當的配合量設計,極易導致氣囊上子口漏氣,甚至螺釘的破壞與上蓋板變形或開裂。此外,由于氣囊的上下子口直徑差異較大,產品的成型工藝較為特殊,需要采用專用的設備與工藝方式進行生產,因此氣囊與蓋板間的密封設計、氣囊的工藝技術是該類氣囊的技術關鍵。

(2)小曲囊式氣囊

小曲囊式氣囊的結構見圖2。

圖2 小曲囊式氣囊

小曲囊式氣囊的結構特點在于氣囊通常較小,且上下子口直徑接近,并通常采用自密封式結構。該類產品較易于裝配,并且在相同的外徑情況下,相對于大曲囊式氣囊具有較大的承載能力;此外,通過合理設計上蓋板的接觸型面可以獲得較好的剛度性能,增加小曲囊式氣囊的弧長可有效地提高空氣彈簧的水平大位移能力。

也有在特殊情況下,將上蓋板外緣做成一個圓筒結構,沿伸至接近氣囊底部,限制氣囊向外的變形,并可較好地保護空氣彈簧免受外部物質的損傷。該類結構見圖3。

小曲囊式氣囊由于上下子口直徑接近,產品易于制造,空氣彈簧的密封性能設計是該類氣囊的技術關鍵。

(3)腰帶式氣囊

腰帶式氣囊的結構見圖4。

圖3 約束式小曲囊式氣囊

圖4 腰帶式氣囊

腰帶式氣囊的結構特點在于氣囊腰部硫化有一金屬腰帶,通常由鋼絲纏繞而成,在空間尺寸限制嚴格的情況下,用于約束氣囊的向外變形,因此在相同的外徑尺寸條件下,腰帶式氣囊具有較強的承載能力。同時,受到腰帶的影響,氣囊的水平大位移能力弱于大曲囊式和小曲囊式氣囊。該類氣囊的上下子口直徑接近,為自密封式結構。

(4)雙曲囊式氣囊

雙曲囊式氣囊的結構見圖5。

雙曲囊式氣囊的結構特點在于氣囊上下為對稱結構,中部有一個鋼絲圈將氣囊分為2個小曲囊,上下子口通常為機械式密封結構;產品通常較高,因此具有良好的垂向伸縮性能,但在大水平位移情況下易發生失穩的現象,此類產品適用于垂向振動較大而水平位移較小的應用工況。

圖5 雙曲囊式氣囊

1.2 典型的輔助彈簧結構類型與特點

空氣彈簧的輔助彈簧根據結構特點可以分為4種典型的結構類型,以滿足車輛應用的需要。

(1)平板彈簧

平板式彈簧的結構見圖6。

平板式彈簧是由多層與水平方向平行的橡膠及增強層硫化而成,增強層通常為金屬,但在某些特殊應用下也采用增強纖維結構。當產品受垂向載荷時,橡膠處于壓縮狀態,受水平載荷時,橡膠處于剪切狀態,因此平板式彈簧具有垂向剛度較大而水平剛度較小的特點。配合小曲囊式氣囊使用,可實現較大的水平位移。然而,由于平板式彈簧的垂向剛度較大,當空氣彈簧在無氣運營時車輛存在脫軌的風險。

(2)錐形彈簧

錐形彈簧的結構見圖7。

錐形彈簧由多層與水平方向呈一定夾角的橡膠及增強層硫化而成,增強層通常為金屬。當彈簧受垂向載荷時,橡膠層同時處于剪切與壓縮狀態,為實現較好的垂向剛度,在此條件下,剪切應變高于壓縮應變,因此錐形彈簧的垂向剛度較低且呈現出剛度非線性的特點,即載荷較小時剛度低,載荷增大時剛度增大的特點。錐形彈簧的水平剛度通常較大,因此為空氣彈簧系統貢獻的水平位移小。

錐形彈簧的壓縮高控制、蠕變性能、粘結控制及動靜比性能是該類產品的技術關鍵。

(3)錐形彈簧與平板彈簧組合彈簧

錐形彈簧與平板彈簧組合的結構見圖8。

圖6 平板式彈簧

圖7 錐形彈簧

圖8 錐形與平板彈簧組合

錐形彈簧與平板彈簧組合可以結合二者的優點,即垂向剛度與水平剛度較低,既可以滿足空氣彈簧無氣運營時的安全性能,又可為氣囊分擔水平位移,二者組合可以方便地調整無氣狀態下的垂向剛度與水平剛度,滿足車輛無氣運營時所需的性能指標。但組合式彈簧需要較高的空間高度要求。

(4)半沙漏彈簧

半沙漏彈簧的結構見圖9。

半沙漏堆彈簧由類似于半沙漏型面的厚橡膠與水平放置的金屬骨架硫化而成,橡膠部分通常較厚,通過形面的特殊設計,產品無論在垂直方向還是水平方向均具有較好的柔性,該類彈簧兼有平板彈簧的水平位移能力較大與錐形彈簧的垂向剛度較小的特點而較受歡迎。為適應不同的空間尺寸要求,在半沙漏堆基礎上也發展出了多種變異的結構。

該類彈簧由于橡膠部分較厚,配方與制造工藝是該類彈簧的技術關鍵之一。

1.3 空氣彈簧系統的典型結構類型與應用

通過氣囊與輔助彈簧的組合,空氣彈簧系統的典型結構類型可分為以下5種。

(1)小曲囊氣囊與平板彈簧組合式

此類彈簧的結構見圖10。

圖9 半沙漏堆彈簧

圖10 小曲囊與平板組合式空氣彈簧

該類結構為典型的適用于日本轉向架的空氣彈簧,產品的垂向空間通常較為緊湊,大多數的產品高度在200 mm以內。在此類型上通過合理設計氣囊與平板彈簧,可以實現較大的水平位移,廣泛應用于有搖枕、無搖枕轉向架,如國內160 km/h的25T/25K列車,同時在CRH2250 km/h的動車組上采用了該種類型的空氣彈簧。

(2)大曲囊與錐形彈簧組合式

此類彈簧的結構見圖11。

此類空氣彈簧為典型的歐洲設計風格。由于大曲囊式氣囊沒有外部約束,該類結構往往需要較高的垂向與外徑空間尺寸,在垂向與水平方向均能提供較低的剛度,以滿足車輛運行的舒適度,即使空氣彈簧在無氣運營時,也具有較好的安全性能。在Alstom,Bombardier,Siemens轉向架上得到廣泛的應用。國內的廣州地鐵1號線、2號線、3號線及上海地鐵多條線路上運用了此結構,國內的高速車中CRH1-250也采用了該種結構形式。

(3)大曲囊氣囊與錐形彈簧、平板彈簧組合式

此類彈簧的結構見圖12。

由于輔助彈簧兼有錐形彈簧及平板彈簧的優點,需要有較高的工作空間,能滿足無氣狀態下的安全性能及充氣狀態下的過曲線能力,在高速車上得到廣泛的應用,如國內的高速車CRH1-380及CRH3-380均采用此類結構。

圖11 大曲囊與錐形彈簧組合式空氣彈簧

(4)腰帶式氣囊與平板彈簧組合式

此類彈簧的結構見圖13。

該類結構具有良好的承載能力,適合于載荷較高而水平空間較小的情況,通過恰當的平板彈簧的設計,空氣彈簧的水平位移能力可達到130 mm。在印度的幾種主型車,如EMU/DMU,MAINLINE上得到了廣泛的應用。

圖12 大曲囊與錐形彈簧、平板彈簧組合式空氣彈簧

圖13 腰帶式與平板彈簧組合空氣彈簧

(5)小曲囊與半沙漏彈簧組合式

此類彈簧的結構見圖14。

圖14 小曲囊與半沙漏堆組合式空氣彈簧

結構特點:該類彈簧具有良好的水平位移能力,無氣運行時安全性較高,所需的空間尺寸較小。在歐洲的某些轉向架上得到了廣泛的應用。

2 空氣彈簧的關鍵技術研究

2.1 氣囊材料技術研究

空氣彈簧橡膠氣囊的工作條件較為苛刻,要求氣囊膠料具有較好的拉伸強度,氣密性,耐屈撓性能,耐臭氧性能、耐高低溫性能、耐油與清洗劑性能、耐磨耗性能及與簾布骨架層間較好的粘合性能。通常采用氯丁膠作為空氣彈簧氣囊膠料的主體配方,以滿足空氣彈簧在上述性能指標上的要求。時代新材在空氣彈簧配方方面開展了多年的研究,在配方技術上能達到歐洲標準EN13597:2003的指標要求,關鍵指標的測量結果見表1所示。

氯丁橡膠的生產工藝控制是該材料批量化應用的制約因素,隨著時代新材在該領域的長期與深入研究,解決了氣囊工藝質量隨氯丁橡膠性能波動的問題,產品自2004年開始得到批量應用,2007年在青藏線SW-200發電車上得以運用,通過了較為惡劣的運營工況的檢驗。

表1 空氣彈簧氣囊膠料性能指標

2.2 空氣彈簧可靠性技術研究

在軌道交通領域中,空氣彈簧不僅承受垂向載荷(如靜態、準靜態與動態載荷),同時在過曲線時也會承受大的水平變形。例如,將軸距為2.5 m,中心距為16 m,當車輛通過半徑90 m的曲線時,空氣彈簧需承受的水平位移可達到110 mm。在空氣彈簧的水平位移中,氣囊分擔著主要的水平位移,該水平位移量的大小取決于輔助彈簧的結構類型。例如,當輔助彈簧采用錐形彈簧時,氣囊的水平位移將達到空氣彈簧系統水平位移的90%以上。大多數情況下空氣彈簧的失效均由于氣囊承擔大的水平位移而產生的失效。

為了有效地研究空氣彈簧的可靠性,時代新材與歐洲客戶開展了聯合研究項目。由于橡膠材料及骨架材料的特殊性,目前并沒有公開材料S-N曲線,采用傳統的金屬部件疲勞壽命預測的方法存在難度;本疲勞研究從產品的疲勞試驗入手對壽命進行研究[2]。通過對選定規格的氣囊按照不同的振幅與載荷進行了一系列扭擺疲勞試驗(見圖15),每種試驗工況下至少需要2個產品進行試驗,以考慮氣囊的試制誤差與試驗誤差的影響。此疲勞試驗按照EN13597中的氣密性檢驗為是否失效的標準,定期進行氣密性試驗。通過對一系列產品進行一系列載荷工況的試驗,獲得了產品在不同載荷與位移條件下的循環次數,即產品的疲勞曲線。與此同時,運用有限元分析技術對產品在試驗工況下的受力情況進行分析(見圖16),獲得等效疲勞壽命曲線。試驗結果表示,有限元分析計算獲得的循環次數與產品疲勞試驗結果吻合較好(見圖17),具有較好的指導意義。同時輔助彈簧也可采用類似的方法進行疲勞研究。

圖15 空氣彈簧扭擺疲勞試驗示意圖

圖16 空氣彈簧扭擺位移應力分析

圖17 空氣彈簧疲勞性能預測與試驗結果對比

3 結束語

對于空氣彈簧的典型結構類型與應用進行了總結,并簡要介紹了氣囊橡膠材料與疲勞性能研究方面的進展情況,隨著軌道交通技術的發展,對于空氣彈簧也提出了較高的要求,比如,在空間尺寸有限的情況下,要求空氣彈簧能提供較高的水平位移,在某些情況下達到±150 mm以上。因此空氣彈簧的應用與基礎研究工作需持續進行,仍需考慮的內容包括但不局限于以下方面:

(1)需要重視輔助彈簧的結構創新與工藝技術的研究。在空間尺寸限制嚴格的情況下,當氣囊的位移發揮至極限時,需要輔助彈簧能貢獻較大的水平位移,因此要求輔助彈簧不僅有較小的垂向剛度性能以滿足車輛在無氣運營時的可靠性,另一方面還需要有較強的水平位移能力及穩定性。

(2)空氣彈簧系統的可靠性研究技術仍需深入進行,例如,考慮外部環境因素對于橡膠材料的老化作用,如何獲得較可靠的運行載荷譜,如何將復雜的空氣彈簧運行載荷譜與空氣彈簧的疲勞試驗條件進行等效轉換等。

(3)如何合理地設計空氣彈簧系統,氣囊與輔助彈簧的疲勞性能較好地匹配,以實現較佳的空氣彈簧系統運營壽命。

[1]EN 13597-2003鐵道車輛用橡膠懸掛部件—空氣彈簧膠囊[S].

[2]P.Life endurance testing of rubber springs[J],Eckwerth,Phoenix Traffic Technology GmbH,2002.09.