無搖枕轉(zhuǎn)向架用空氣彈簧扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分析

程海濤,王 進(jìn),陳燦輝,劉建勛

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

空氣彈簧是無搖枕轉(zhuǎn)向架的重要組成部分,車輛通過曲線時(shí),車體轉(zhuǎn)向架之間有明顯的相對(duì)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),空氣彈簧承受扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)位移,包括大的徑向位移和扭轉(zhuǎn)角位移。扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是空氣彈簧疲勞破壞的主要工況,空氣彈簧在裝車運(yùn)用前,需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況,進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。不同國家和地區(qū)關(guān)于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)方法差別較小,但試驗(yàn)條件和判斷準(zhǔn)則差別較大,重點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)條件和判斷準(zhǔn)則進(jìn)行討論。

1 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)方法

扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)時(shí),模擬空氣彈簧在現(xiàn)車上的安裝情況把其放置于試驗(yàn)臺(tái)上,與上蓋接觸的試驗(yàn)臺(tái)面積應(yīng)不小于現(xiàn)車接觸面積,二者摩擦系數(shù)盡量模擬現(xiàn)車情況;固定上蓋或底板,使底板或上蓋能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng),上蓋相對(duì)底板的橫向偏移量可調(diào),以模擬車輛通過曲線時(shí)車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向偏移;能夠隨時(shí)向空氣彈簧充氣或充水以補(bǔ)充內(nèi)部壓力。

對(duì)空氣彈簧水平加載,使其繞固定軸線產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng),以模擬車輛在曲線軌道上運(yùn)行時(shí),空氣彈簧在車體與轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),試驗(yàn)原理見圖1。

2 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)條件

空氣彈簧標(biāo)準(zhǔn)中國 TB/T 2841—2005、歐洲 EN 13597—2003和日本JIS E 4206—1989都有關(guān)于上述試驗(yàn)方法的描述。

TB/T 2841標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的描述為:將空氣彈簧保持在標(biāo)準(zhǔn)高度,充入0.5 MPa的氣壓后,在轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為1 m的轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)下,以振幅±80 mm,頻率0.5～1 Hz,在水平方向進(jìn)行5×104次扭轉(zhuǎn)振動(dòng);然后將其壓力降為0.45MPa,繼續(xù)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)5×104次;再充至0.5 MPa的氣壓,并使空氣彈簧上端(或下端)沿徑向偏離中心50 mm,在轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為1 m的轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)下,以振幅±80 mm,頻率0.5～1 Hz,在水平方向進(jìn)行5×104次扭轉(zhuǎn)振動(dòng);再將其壓力降為0.45 MPa,繼續(xù)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)5×104次。

圖1 空氣彈簧扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)原理

EN 13597—2003標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的描述為:空氣彈簧在標(biāo)準(zhǔn)高度,以轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為L(zhǎng)b的轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)下,振幅為a,載荷為空載,在水平方向進(jìn)行至少5×104次扭轉(zhuǎn)振動(dòng);然后將其載荷降到空載的90%,繼續(xù)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)至少 5×104次;再充至載荷為空載,并使空氣彈簧上端(或下端)沿徑向偏離中心橫向最大位移,轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和振幅不變,在水平方向進(jìn)行至少5×104次扭轉(zhuǎn)振動(dòng);然后將其載荷降到空載的90%,繼續(xù)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)至少5×104次。

空氣彈簧往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅按照式(1)計(jì)算:

式中LB為車輛定距的一半,m;Lb為空氣彈簧中心到轉(zhuǎn)向架中心銷或牽引拉桿中心的距離,m為線路曲線半徑,根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求確定,如果技術(shù)規(guī)范沒有明確要求,取150 m。

JIS E 4206—1989標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的描述為:在0.5～1.5 Hz的任一頻率下,水平常用最大位移作2×105次的水平振動(dòng)。垂直和水平振動(dòng)可同時(shí)進(jìn)行。試驗(yàn)中,空氣彈簧的平均內(nèi)壓力不應(yīng)小于常用最高內(nèi)壓力。

可以看出不同標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件有較大差異,見表1。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)條件

上述試驗(yàn)條件中,疲勞試驗(yàn)振幅、扭轉(zhuǎn)半徑和試驗(yàn)次數(shù)是較為關(guān)鍵的參數(shù)。可以看出,TB/T 2841和JIS E 4206標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)振幅采用固定幅值,振幅分別為±80 mm和±70 mm,扭轉(zhuǎn)半徑分別為1.0 m和0.95 m,疲勞試驗(yàn)次數(shù)均為20萬次。而EN 13597則根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)不同而變化振幅和扭轉(zhuǎn)半徑,20萬次是其最少的疲勞試驗(yàn)次數(shù)。

3 試驗(yàn)振幅

扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)振幅對(duì)空氣彈簧的破壞性較大,主要模擬車輛通過曲線時(shí)車體與轉(zhuǎn)向架之間縱向相對(duì)位移,其與車輛定距、空氣彈簧橫向跨距、線路曲線半徑直接相關(guān),如式(1)所示。

對(duì)于不同的車輛,定距和橫向跨距不會(huì)完全相同,即使運(yùn)行線路完全相同,通過曲線時(shí)產(chǎn)生的車體與轉(zhuǎn)向架之間縱向相對(duì)位移也會(huì)有差異。表2為國內(nèi)鐵路干線主型車通過R150 m曲線時(shí),車體與轉(zhuǎn)向架之間縱向相對(duì)位移對(duì)比。可以看出,即使通過相同半徑的曲線,不同車型的位移有明顯的差值,最大與最小相差達(dá)到19 mm。

因此,TB/T 2841和JIS E 4206標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)振幅采用固定幅值是不合理的,這樣對(duì)于有的空氣彈簧試驗(yàn)條件可能過于苛刻,而對(duì)于另外的空氣彈簧,試驗(yàn)條件則可能較為寬松,達(dá)不到充分考驗(yàn)疲勞性能的目的。建議按照EN 13597—2003標(biāo)準(zhǔn),采取按照公式(1)的變振幅方式,不同的車輛選用不同的試驗(yàn)幅值,關(guān)于曲線半徑,建議按照我國鐵路干線9號(hào)道岔的R180 m。

4 扭轉(zhuǎn)半徑

扭轉(zhuǎn)半徑主要是模擬車輛通過曲線時(shí),空氣彈簧到轉(zhuǎn)向架中心的水平距離,一般為空氣彈簧橫向跨距的一半。由表2可以看出,不同的車型,其空氣彈簧橫向跨距不同。如果采用固定的扭轉(zhuǎn)半徑,則對(duì)于橫向跨距大的車型,疲勞試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)角度大,對(duì)于橫向跨距小的車型,疲勞試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)角度也小,也不能達(dá)到模擬實(shí)際運(yùn)行條件的目的。

建議按照EN 13597—2003標(biāo)準(zhǔn),采用空氣彈簧到轉(zhuǎn)向架中心的水平距離作為扭轉(zhuǎn)半徑。

表2 鐵路干線主型車通過小曲線半徑時(shí)車體轉(zhuǎn)向架之間縱向位移

5 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)次數(shù)

扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)主要模擬車輛通過曲線和道岔時(shí)的工作狀態(tài),疲勞試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)該依據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)經(jīng)過的曲線和道岔數(shù)量,這樣才能證明空氣彈簧基本能夠達(dá)到期望的壽命。

既有25型車按照TB/T 2841—2005中的20萬次進(jìn)行疲勞試驗(yàn),但約50%的空氣彈簧氣囊運(yùn)用過程中出現(xiàn)了裂紋,不能滿足技術(shù)要求。說明TB/T 2841—2005中的20萬次不足以考核空氣彈簧的耐疲勞性能,因此應(yīng)增加疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。

我國干線鐵路車輛年運(yùn)行里程為40萬～70萬km,空氣彈簧壽命要求為6～10年,使用期限內(nèi)運(yùn)行總里程為240萬～480萬km。

按照車輛每天運(yùn)行里程1 500 km,每年運(yùn)行300天,6年運(yùn)用時(shí)間計(jì)算。結(jié)合我國線路譜情況,曲線占總運(yùn)行里程的30%～40%,假設(shè)車輛每運(yùn)行100 km?？恳粋€(gè)車站,每個(gè)車站進(jìn)站和出站大約經(jīng)過6個(gè)道岔,僅考慮半徑在R800 m以內(nèi)的曲線和小于18#道岔,按照R800 m以內(nèi)的曲線個(gè)數(shù)占所有曲線的65%,小于18#的道岔占所有道岔的90%考慮,則車輛每天經(jīng)過R800 m以內(nèi)的曲線和小于18#道岔的總數(shù)約為576個(gè),6年使用期限內(nèi),空氣彈簧承受的總扭轉(zhuǎn)循環(huán)次數(shù)為104萬次。國內(nèi)鐵路干線用空氣彈簧扭轉(zhuǎn)次數(shù)載荷譜計(jì)算見表3。

表3中的空氣彈簧總靜態(tài)徑向位移按照定距18 m,橫向跨距2 m,曲線半徑R180 m,轉(zhuǎn)向架橫向位移35 mm計(jì)算。

表3 國內(nèi)鐵路干線用空氣彈簧扭轉(zhuǎn)次數(shù)載荷譜計(jì)算

如果按照表3中的循環(huán)次數(shù)和總徑向位移進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn),則試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng),且要變換不同的試驗(yàn)振幅,試驗(yàn)調(diào)整難度大,參照CRH系列動(dòng)車組和國外主機(jī)廠試驗(yàn)條件,建議對(duì)循環(huán)次數(shù)和位移進(jìn)行等效,循環(huán)次數(shù)取60萬次,振幅按照公式(1)計(jì)算。表4為國外主機(jī)廠對(duì)于無搖枕轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)條件要求及合格判斷準(zhǔn)則示例。

6 疲勞試驗(yàn)結(jié)束后的驗(yàn)證

疲勞試驗(yàn)結(jié)束后的產(chǎn)品,仍然要保持其功能特性。TB/T 2841—2005,JIS E 4206—1989標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)結(jié)束后的功能驗(yàn)證僅包括氣密性檢驗(yàn),EN 13597中沒有關(guān)于輔助彈簧疲勞試驗(yàn)結(jié)束后的功能驗(yàn)證。建議參照EN 13597—2003標(biāo)準(zhǔn)增加空氣彈簧疲勞試驗(yàn)后的最大外形測(cè)試、承載能力測(cè)試、剛度測(cè)試、爆破試驗(yàn)、氣囊耐環(huán)境能力和簾布層間粘合強(qiáng)度測(cè)試,增加輔助彈簧垂向疲勞后的剛度測(cè)試,只有上述結(jié)果均符合技術(shù)規(guī)范要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí),才能證明空氣彈簧扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)合格。

7 結(jié)論及建議

國內(nèi)空氣彈簧標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)吸取既有空氣彈簧標(biāo)準(zhǔn)中合理的內(nèi)容,結(jié)合中國軌道車輛運(yùn)行情況和運(yùn)行條件,重新制定。

由于國內(nèi)既有空氣彈簧標(biāo)準(zhǔn)已不適應(yīng)軌道車輛的運(yùn)行需要,很多測(cè)試項(xiàng)沒有驗(yàn)證依據(jù)和試驗(yàn)方法,建議盡快修訂既有空氣彈簧標(biāo)準(zhǔn),以滿足不同軌道車輛的運(yùn)營(yíng)需要。在修訂時(shí)把握標(biāo)準(zhǔn)的廣泛適用性和先進(jìn)性,采納既有國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的合理內(nèi)容,結(jié)合我國線路和車輛運(yùn)營(yíng)情況,滿足我國軌道車輛對(duì)二系懸掛系統(tǒng)的需要。

[1] TB/T2841—2005.鐵道車輛空氣彈簧[S].

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

[3] JIS E 4206—1989.鐵道車輛用彈簧裝置[S].