金屬橡膠液壓復合彈簧在快速貨車轉向架上的應用*

李志強

（南車眉山車輛有限公司 產品開發部，四川眉山620032）

金屬橡膠液壓復合彈簧在快速貨車轉向架上的應用*

李志強

（南車眉山車輛有限公司 產品開發部，四川眉山620032）

根據快速貨車轉向架軸箱懸掛裝置的特點要求，介紹了金屬橡膠液壓復合彈簧的結構、工作原理和技術特征，簡述了國外鐵路轉向架的應用情況和國內快速貨車轉向架的應用情況，并分析了應用金屬橡膠液壓彈簧應注意的問題。

金屬橡膠液壓復合彈簧；快速貨車轉向架

為了使轉向架具有優良的蛇行運動穩定性和運行平穩性，必須選擇合理的轉向架懸掛參數。快速貨車轉向架一般采用兩系懸掛，一系（軸箱）懸掛參數直接影響車輛的蛇行運動穩定性和垂向平穩性。傳統一系懸掛采用的金屬螺旋彈簧和摩擦式減振器，由于其本身固有的缺點，已經不能滿足快速貨車轉向架動力學性能要求，因而被橡膠彈簧和液壓減振器所取代。金屬橡膠液壓復合彈簧（以下簡稱復合彈簧）集橡膠承載彈簧和液壓減振器功能于一體，其良好的性能不失為快速貨車轉向架軸箱懸掛裝置一種好的選擇。

1 快速貨車轉向架軸箱懸掛裝置特點

快速貨車轉向架在高速運行時要具有良好的動力學性能，一系懸掛和二系懸掛參數優化選取及一系、二系參數的合理分配必不可少，零部件結構力求簡潔，盡量減少零部件數量，實現零部件間少磨耗或者無磨耗。

金屬螺旋彈簧橫向、縱向剛度完全相同。若要獲得不同的橫向、縱向剛度，就需采用附加的特殊結構來約束橫向、縱向，這勢必增加轉向架結構難度。而橡膠元件很容易獲得垂向、橫向和縱向不同的剛度值，具有良好的非線性特點，因而更能夠滿足軸箱懸掛要求，尤其隨著車輛速度的增加，軸箱懸掛參數對車輛臨界蛇行失穩速度起著關鍵作用。因此，國內外客車、動車和地鐵轉向架已經廣泛采用橡膠彈簧取代金屬螺旋彈簧作為軸箱懸掛。快速貨車轉向架比傳統貨車轉向架運行速度快，橡膠彈簧更能適應快速貨車轉向架的運用環境，因而快速貨車轉向架軸箱懸掛系統應首選橡膠彈簧。

由于運行速度低，傳統貨車轉向架一般采用金屬結構摩擦減振器。摩擦減振器摩擦副之間易產生磨耗；其摩擦力與振動速度無關，當來自彈簧下的沖擊力小于摩擦力時會剛性地傳到彈簧上部分，引起車體高頻振動。而隨著速度的增加，這種振動嚴重影響車輛的運行品質，因此，摩擦式減振器已經在機車、客車、動車轉向架中被液壓減振器完全取代。液壓減振器利用阻尼液體黏滯阻力所作的負功來吸收振動能量，阻力與振動速度呈一定的函數關系，振動衰減量與振幅呈正比關系，減振性能能夠自動調節。快速貨車轉向架對減振性能要求更高，因此，快速貨車轉向架宜采用液壓減振器。

如圖1所示，復合彈簧是將錐形橡膠彈簧和液壓減振器集成在一起，作為軸箱懸掛裝置使用，具有承載、輪對導向和減振的功能。

2 復合彈簧結構和工作原理

2.1 主要結構

復合彈簧上部一般為圓柱形，底部呈錐形，主要由橡膠元件與鋼板硫化在一起的金屬錐型橡膠彈簧和阻尼液、節流孔及帶橡膠隔離膜的阻尼腔組成，上部和底部設有與構架和軸箱相連接的裝置，如圖2所示。

2.2 工作原理

（1）垂向承載

如圖3所示，當復合彈簧受到來自構架的垂向載荷Fz作用時，載荷通過與構架連接的法蘭盤傳到彈簧外側的金屬套上，錐形橡膠與金屬套硫化在一起，垂向載荷通過金屬套再傳輸到橡膠堆上，橡膠壓縮變形，垂向載荷再傳輸到底部中間的芯軸上，芯軸再將載荷通過螺桿結構傳輸到軸箱上。通過橡膠元件的壓縮變形，實現復合彈簧的垂向承載。

（2）輪對導向

當錐形橡膠彈簧受到垂向載荷壓縮變形時，其橫向和縱向也會產生一定的變形。由于橡膠元件特殊的三向異步性能，通過合理設計可獲得需要的不同縱向、橫向剛度值，對輪對起到附加定位的作用。橫向變形對輪對起到導向作用，使轉向架順利通過曲線。

（3）阻尼

如圖3所示，當復合彈簧受到垂向載荷Fz作用時，錐形橡膠彈簧壓縮變形，裝滿阻尼液體的底腔體積減小，受到擠壓的阻尼液體通過節流閥進入頂腔，使頂腔體積增大。阻尼液體在通過節流閥產生減振阻力，用以衰減來自車輪表面不規則和軌道不平順引起的垂向振動，來自輪軌的振動能量則轉化為阻尼液體的熱量而散逸。

2.3 主要技術特征

（1）三向剛度非線性異性特征

如圖4，橡膠變形受載荷影響，其垂向、橫向、縱向剛度隨著垂向載荷的變化而變化且各不相同，均呈非線性特征。這種性能能夠較好地滿足軸箱懸掛彈簧在垂向、橫向和縱向承受不同載荷的需要。通過調整錐形橡膠的傾斜角度以及對橡膠進行適當的挖補，可以獲得理想的垂向、橫向和縱向剛度。

（2）最佳減振效果在車輛諧振范圍內

如圖5所示為復合彈簧振動模型圖。M為車體質量；K為承載錐形橡膠彈簧剛度，m為減振系統提供阻尼和附加剛度Kc的阻尼液體質量，C為阻尼系數（可換算成阻尼動態損失角δ表示）。如忽略m不計，則金屬橡膠液壓復合彈簧的最大動態損失角δmax為：

從式（1）可以看出，復合彈簧的阻尼率主要與錐形橡膠彈簧自身剛度K和阻尼附加剛度Kc的比值相關，而節流閥形狀對不同振動頻率的減振效果不同，因此，通過計算選取合理的剛度比值和節流閥形狀參數，可以在車輛諧振范圍內獲得最大的阻尼率（圖6）。

（3）其他特征

復合彈簧將錐形橡膠彈簧和液壓減振器集成在一起后，節省了垂向液壓減振器。復合彈簧各零部件由于無相對運動因而無任何磨耗；上部和底部都與轉向架構架和軸箱進行剛性緊固，使一系懸掛簡單、可靠。因而在壽命周期內，復合彈簧免維護。

橡膠材料是一種高分子黏彈性材料，具有較高的內阻，加之阻尼系統的減振作用，復合彈簧尤其對高頻振動的隔振效果極佳，而且具有良好的降噪功能。

3 復合彈簧在國外鐵路轉向架的應用

由于復合彈簧自重小，結構緊湊，易于改型，因此，歐洲國家率先采用復合彈簧對老型的貨車轉向架進行改造，用復合彈簧替代傳統的金屬螺旋彈簧和摩擦式減振器。德國對Y25轉向架進行了改造，經對運行半年后的復合彈簧拆卸檢查，其剛度特性和阻尼特性均符合設計要求，僅因為橡膠老化造成剛度少量增加。韓國鐵路也采用復合彈簧對集裝箱平車用Y25轉向架進行了改造，如圖7，運用情況良好。法國SNCF也對Y27型轉向架進行了改造，運用情況較傳統鋼彈簧懸掛在改善運行品質上有較大提高，如圖8。

國外部分客車和地鐵轉向架也采用復合彈簧，如德國鐵路客車轉向架G?rlitz 5型轉向架采用復合彈簧后如圖9，車輛動力學性能得到改善，輪軌的磨耗大大減小。澳大利亞某地鐵轉向架也從1996年開始采用復合彈簧如圖10。

4 復合彈簧在國內快速貨車轉向架的應用

我國快速貨車轉向架的研制工作始于2000年，齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司（簡稱齊車軌道公司）、長江車輛有限公司（簡稱長江公司）和眉山車輛有限公司（簡稱眉山公司）都各自研制了160 km/h快速貨車轉向架。

齊車軌道公司早期研制的16.5 t軸重160 km/h快速貨車轉向架，其軸箱懸掛裝置如圖11采用了國產型號的復合彈簧，由于減振阻尼力不足，所以同時還設有垂向液壓減振器。后期齊車軌道公司研制的18 t軸重160 km/h轉向架采用了導柱式彈性套軸箱定位方式，軸箱彈簧采用金屬螺旋彈簧。

長江公司160 km/h快速貨車轉向架揉合Y25型（構架式）與Swing Mtion（擺動式）轉向架特點，用4個球鉸將搖枕與兩側架連接為關節構架后懸掛于軸箱上。其軸箱彈簧采用一種國產小直徑復合彈簧如圖12，頂部阻尼腔直接插入側架孔內，實現與側架的定位。

眉山公司160 km/h快速貨車轉向架為兩系懸掛構架式轉向架，軸箱懸掛系統如圖13，采用德國進口復合彈簧。由于其特殊的結構，實現了車輛在空、重車狀態下不同的阻尼率，改善了轉向架空、重車的垂向動力學性能。

上述各轉向架均進行了線路或環行線動力學性能試驗，試驗結果表明復合彈簧結構的一系懸掛系統均能滿足和適應160 km/h運行速度的要求。

5 應用復合彈簧的建議

復合彈簧將承載功能和阻尼功能集成在一起后，雖然結構上更簡潔，但同時也將承載和阻尼功能耦合在一起，使兩種功能強關聯在一起。因此，在設計復合彈簧時，必須對復合彈簧的承載功能和阻尼功能的參數分別進行合理的選取，并需對參數的相互影響加以研究。

（1）合理匹配三向剛度

復合彈簧的三向剛度雖然異步，但變化趨勢是一致的，其值都隨垂向載荷變化而變化。當空、重車較大的垂向剛度差別引起垂向剛度對垂向載荷較大的變化梯度時，橫向剛度和縱向剛度對垂向載荷也會產生較大的變化梯度。車輛運行時輪對增減載造成復合彈簧垂向載荷增減是難免的。當轉向架減載時，運動中的縱向剛度也會下降，如果梯度過大，下降值過大，縱向剛度就可能不足以將輪對軸箱正常定位，而導致轉向架性能下降，甚至出現蛇行失穩。因此設計三向剛度時應盡量使橫向及縱向剛度曲線變化梯度趨緩（減小曲線斜率）。

（2）合理選取轉向架振動模態參數轉向架振動固有頻率公式

式中f為振動固有頻率，Hz；M為簧上質量，kg。

轉向架結構確定后，各部分質量慣量也就恒定不變。由于剛度不斷變換，導致轉向架振動的固有頻率也不斷變化。當剛度較小時，很容易使轉向架的振動模態固有頻率與外界激擾或輪對蛇行失穩頻率接近，雖然復合彈簧阻尼率在轉向架振動固有頻率時會達到最大值，但此時依然易引起轉向架振動過大或與外部激擾共振而失穩。因此，轉向架的振動模態參數選取時應避開共振頻率段。

（3）選取合理的阻尼參數

復合彈簧阻尼系統參數設計時，要兼顧轉向架在空車和重車狀態下的減振效果。既不能發生空車狀態過阻尼，也不能發生重車狀態阻尼不足現象。

（4）考慮橡膠蠕變對性能的影響

錐形橡膠彈簧中的橡膠件具有蠕變特性，參數設計時，需考慮橡膠蠕變對轉向架性能的影響，盡量減小橡膠的蠕變值。橡膠的蠕變通常發生在使用初期，其蠕變值與時間對數呈線性比例。也就是說，復合彈簧使用前2天發生的蠕變等于第3天到壽命結束時發生的蠕變。

因此，軸箱懸掛裝置需設計有橡膠蠕變后對彈簧高度和載荷下撓度的補救措施。

6 結束語

復合彈簧從1996年研制成功，作為軸箱彈簧已經在客車、地鐵轉向架和國內快速貨車轉向架上得到廣泛應用，其特殊的結構、功能滿足鐵道車輛安全、可靠、環保的要求，同時結構緊湊、質量輕、節省液壓減振器，尤其能夠滿足貨車轉向架經濟性的要求。因此，隨著我國鐵路貨物運輸朝著“大宗貨物重載化，高附加值貨物快捷化”模式發展，金屬橡膠液壓復合彈簧在快速貨車轉向架上具有良好的運用前景。

［1］ CRE－ContiTech Railway Engineering.Hydrospring F 230303［R］.2004.

［2］ Volker GEDENK.Hydrosprings for application in railway vehicles as primary suspension［C］.16th INTERNATIONAL CONFERENCE＂CURRENT PROBLEMS IN ROLL VEHICLES－PRORAIL 2003＂.Octorber 8－10，2003，Zilina，Slovakia.

［3］ 李志強，李亨利，繆惠勇.新型軸箱橡膠彈簧的研制［J］.鐵道車輛，2011，49（4）：12－14.

［4］ 劉建勛，卜繼玲.軌道車輛轉向架橡膠彈性元件應用技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2012.

［5］ 楊國楨，王福天.機車車輛液壓減振器［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［6］ 王福天.車輛系統動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［7］ 嚴雋耄，傅茂海.車輛工程（第3版）［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

Application of Metal Rubber Hydraulic Composite Spring in Rapid-speed Wagon Bogie

LI Zhiqiang
（Product Development Department，CSR Meishan Co.，Ltd.，Meishan 620032 Sichuan，China）

According to the characteristics requirements of rapid-speed wagon bogie’s axle box suspension device，this paper introduces the structure，working principle and technical characteristics of metal rubber hydraulic composite spring，outlines its application in the railway bogie at home and abroad，and also analyzes the cautions for applying.

metal rubber hydraulic composite spring；rapid-speed wagon bogie；application；suggestion

U272.4＋2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.05

1008－7842（2014）06－0023－04

*四川省科技支撐計劃戰略性新興項目（2013GZX0142）

1—）男，教授級高級工程師（

2014－06－20）