城市輕軌車用二系沙漏型橡膠彈簧研究

馮萬盛，孫海燕，柳祿泱

（中國南車集團 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

歐洲許多城市采用輕軌車作為城區公共交通工具，具有環保、便捷、乘坐舒適的特點。但是城市運行的軌道線路具有曲線多且半徑小、頻繁起動和制動的特點，同時為方便殘疾乘客的上下車，需要采用低地板設計，轉向架一般結構緊湊、質量小、二系彈簧垂向、橫向、縱向3向變形大，沙漏型橡膠彈簧（以下簡稱沙漏簧）符合3個方向變形要求，但存在穩定性差、制造難度大、三向剛度匹配難的問題。本文對存在的問題進行研究分析，以滿足低地板車輛對二系懸掛系統的要求。

1 輕軌車二系彈簧的型式、功能及彈簧結構特征

歐洲現有的輕軌車轉向架二系彈簧的型式主要包括：空氣彈簧、鋼彈簧和沙漏簧3種型式。

1.1 空氣彈簧

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二系懸掛部件，具有承載力強、高度穩定、變形能力大，垂向剛度隨載荷變化而線性變化的特點，但由于結構復雜、安裝空間大，給車體和轉向架設計帶來一些難度，尤其輕軌車輛和低地板車輛空間緊湊，采用空氣彈簧不僅設計困難，還要增加氣體管道、高度控制閥、差壓閥等部件，降低了系統可靠性。見圖1。

1.2 鋼彈簧

其整個二系懸掛由4個鋼彈簧系統組成，每個鋼彈簧系統包括1個外鋼彈簧、1個內鋼彈簧、鋼彈簧橡膠墊、橡膠垂向止擋，上下鋼彈簧支座，見圖2，該類型二系懸掛結構復雜、成本高、質量較大，達40kg以上、橫向位移小，最大位移僅為20mm，不適應車輛的實際運行。

圖1 二系空氣彈簧系統

1.3 沙漏型橡膠彈簧

為了改進空氣彈簧和鋼彈簧的上述缺點，部分輕軌車已經采用沙漏簧代替空氣彈簧和鋼彈簧結構，作為轉向架的二系懸掛系統，見圖3。

沙漏簧具有以下優點：

垂向變形大，最大變形可達90～110mm；

水平位移大，最大水平位移可達到40～100mm；

圖3 二系沙漏簧

質量輕，結構簡單。

在水平平面內，具有相當于轉盤的功能，允許轉向架相對于車體偏轉相當大的角度，使車輛順利通過小半徑曲線。

沙漏簧的這些優點，既適應了歐洲城市軌道車輛全方位提高走行品質的需要，又簡化了轉向架的結構，減輕了轉向架的自重。

2 沙漏簧的結構

2.1 沙漏簧的結構特點

根據沙漏簧的安裝位置及使用功能，既需要有較小的垂向和橫向剛度又能實現較大的垂向和橫向變形，設計的沙漏簧外形輪廓見圖4，采用上安裝板、下安裝板與沙漏式橡膠硫化體組裝而成的二系彈簧：其中橡膠硫化體由中間支撐金屬組件、上下金屬板和橡膠硫化粘結而成，橡膠硫化體形狀成中間直徑小，兩端直徑大的沙漏式結構，兩端成喇叭型，中間支撐金屬組件起到給彈簧加強的作用；上下安裝板起彈簧與車輛及轉向架的連接作用，同時還可起到垂向硬止擋功能，限制車輛的垂向極限位移。

圖4 沙漏簧的結構

2.2 沙漏簧的輕量化設計

城市輕軌車均要求降低車輛的質量，降低制造和運行成本，實現節能環保。沙漏簧的金屬部件可以采用鋼材或鋁材，采用鋼材的彈簧質量為22.5kg，采用鋁材的彈簧質量為15kg。根據彈簧的載荷情況，利用有限元的計算（見圖5），確定鋁材在承受極限載荷和疲勞載荷情況下，材料強度能夠滿足使用要求，計算的結果見表1。

圖5 沙漏簧的有限元強度分析

表1 鋁板屈服強度

2.3 沙漏簧的穩定性設計

在對彈簧的初始樣品進行試驗時，發現彈簧在變形到70mm后出現了不穩定的現象，表現在彈簧隨著變形的增加，載荷沒有呈現線性的增加，見圖6，通過有限元分析，發現在彈簧的橡膠內錐自由面發生橡膠褶皺現象（見圖7），從而使得彈簧出現垂向不穩定。分析自由面的褶皺，認為內錐孔的結構尺寸設計不合理，原始設計采用的兩段不同角度（分別是60°和20°）的直線組成，兩段直線相交處在彈簧受載時造成橡膠應力過大，當載荷繼續增大，應力超過臨界值后，橡膠出現褶皺，應力急劇釋放，彈簧出現不穩定。

圖6 垂向變形不穩定曲線

根據彈簧出現不穩定現象的原因分析，對內錐孔的結構尺寸進行了優化設計，采用了一段圓弧線與一段直線相切的結構設計，避免了兩端相交的應力集中現象（見圖8），對優化設計后的結構進行垂向及橫向有限元模擬分析（見圖9），橡膠受載后產生均勻變形，沒有出現褶皺現象。通過試驗得到的垂向剛度曲線，證明彈簧承受的載荷隨著變形的增加而增大（見圖10），該曲線特點能夠很好的滿足彈簧裝車后，車輛在不同乘客量時的性能需求。

圖7 橡膠褶皺圖

圖8 彈簧結構優化設計

圖9 優化結構垂向和橫向有限元分析

3 沙漏簧的主要性能

3.1 沙漏簧的垂向特性

沙漏簧的主要性能測試項目是垂向剛度，按載荷速度不同分為靜態剛度、動態剛度和沖擊剛度。對于沙漏簧的使用壽命，還有強度、耐疲勞性能、蠕變和低溫性能要求。

當載荷緩慢地加于沙漏簧上，其變形速度大約是≤50mm／min，載荷為車輛運行時的極限載荷，所測得的載荷與變形的關系稱之為靜剛度，以Ks表示，見圖10。

圖10 彈簧試驗垂向靜剛度曲線

沙漏簧在以空車載荷為平衡載荷FT，在以一定振幅和一定頻率交變載荷作用下，測得的振動剛度作為動剛度，以Kd表示，見圖11。

通過試驗，沙漏簧動剛度與靜剛度的關系如下：

在測試彈簧的動態參數時，應使組成的彈性系統盡可能地接近單自由度振動系統。也就是平衡載荷的質量中心、動態載荷的作用力線與彈簧的受載方向的剛度中心線盡可能一致，并且試驗場地、試驗機架牢固堅實。

圖11 彈簧動態垂向剛度曲線

3.2 沙漏簧的橫向特性

由于城市輕軌車運行線路彎道半徑小的特點，在車輛通過線路彎道時車輛將產生較大的橫向位移。當沙漏簧的橫向剛度較大時，車輛將產生較大的橫向載荷，從而增加輪緣與輪軌的磨耗；當沙漏簧的橫向剛度較小時，將降低車輛的橫向穩定性，因此為保證車輛良好的曲線性能，需要二系沙漏簧有很好的橫向特性。圖12為沙漏簧在垂向施加恒定空車載荷，橫向施加不同位移量得到的載荷—變形曲線。從曲線上看出，小變形曲線包絡于大變形曲線中間，因此橫向剛度的大小是隨橫向變形量的大小成反比。

圖12 沙漏簧橫向載荷—變形曲線

3.3 沙漏簧的使用壽命

由于城軌車載客量及線路的原因，對二系簧要求的垂向和橫向位移量均較大，為確保沙漏簧在使用壽命期內能承受大的垂向和橫向疲勞變形，需要對沙漏簧進行疲勞驗證，以確保沙漏簧的設計壽命達到8年或65萬km。在對沙漏簧的研究過程中，根據車型的載荷譜設計了沙漏簧垂向和橫向疲勞方案如表2。

表2 沙漏簧的垂向和橫向疲勞方案

通過對沙漏簧的垂向和橫向各100萬次的疲勞試驗驗證，沙漏簧外觀良好，未出現橡膠裂紋和橡膠與金屬剝離等缺陷，垂向剛度變化率為11.3%，橫向剛度變化率為15.2%，沙漏簧疲勞試驗后的狀態見圖13。

圖13 疲勞試驗后的沙漏簧

3.4 沙漏簧的主要技術參數（見表3）

表3 沙漏簧技術參數

4 沙漏簧的運用情況

圖10為安裝有沙漏簧的用于英國Blackpool城市FLEXITY2型輕軌車，沙漏簧從2009年開始安裝于該車型轉向架，目前約有500件彈簧在線運行，通過2年的運行，沙漏簧的蠕變量約為5mm，其他各項性能良好。

5 沙漏簧的應用前景

5.1 沙漏簧的技術應用

沙漏簧主要是用于代替城市輕軌車轉向架中的空氣彈簧和鋼彈簧的二系懸掛型式。與鋼彈簧的二系懸掛結構相比，沙漏簧的技術優勢有：

圖14 沙漏簧的運用情況

技術性能更優化，鋼彈簧垂向剛度曲線為線性直線，沙漏簧垂向剛度曲線可以實現非線性，即在承受垂向小載荷時，垂向剛度較小，提高乘坐的舒適度，降低車輛脫軌的風險；在承受極限載荷時彈簧剛度將會增大，可減小車輛在超載狀態下的車輛下沉量。如圖10所示，在最大垂向動態載荷50kN作用下，沙漏簧與鋼彈簧相比，減小車輛下沉量17mm。

結構更簡單，通過比較圖1、圖2和圖3空氣彈簧、鋼彈簧和沙漏簧3種不同型式的二系懸掛：空氣彈簧有復雜的產品結構和車輛的氣源及控制系統；鋼彈簧二系懸掛由6個部件組成，安裝復雜，沙漏簧二系懸掛由3個部件組成，安裝簡單。

沙漏簧質量更輕，采用橡膠與高強度鋁合金粘結而成的沙漏簧比單個二系鋼彈簧系統質量輕25kg，一個轉向架可減輕質量100kg，而更輕的質量對城市輕軌車可以減少電機的功率，車輛更環保，裝載更多的乘客，車輛運行的速度更高。

沙漏簧的可靠性更高，通過對沙漏簧的可靠性計算和試驗，其失效概率為0.002 2FPMK，具有非常高的使用可靠性。

5.2 沙漏簧的市場前景

FLEXITY2型輕軌車廣泛應用于歐洲20多個城市，共計約5 000個轉向架，而且基于沙漏簧的技術優勢，主機廠正計劃采用沙漏簧取代其他型式的二系懸掛，因此沙漏簧在歐洲具有廣闊的市場前景。

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［2］張定賢.一種用于二系懸掛的新橡膠彈簧——沙漏式旁承彈簧［J］.電力機車技術，1999，（1）：7－13.

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