PW-220K轉向架空氣彈簧通風口防護膠套結構優化

張茂兵

摘要：PW-220K型轉向架裝用的空氣彈簧通風口防護膠套發生彈起，通風口外漏的問題，存在一定安全隱患。通過對問題的分析與驗證，確定了導致防護膠套彈起的原因是空氣彈簧腔體容積突然變化導致內壓迅速變化，并對防護膠套產生較大的沖擊力，造成防護膠套發生彈起。文章對空氣彈簧防護膠套結構進行了優化，經試驗驗證確定最佳優化方案。

關鍵詞：轉向架;空氣彈簧;防護膠套;優化

0? 引言

當前軌道車輛轉向架二系懸掛裝置普遍裝用了空氣彈簧。某軌道客車企業研發的PW-220K型轉向架[1-2]二系懸掛裝置也采用了大撓度空氣彈簧，該型空氣彈簧設計結構見圖1所示，其在上蓋板上設置了唯一的通風口，車輛落成后與車輛供風系統相連，除通風口外，膠囊與上蓋板及底座之間裝配后包圍形成一個密閉的腔體，該腔體內部要求不得有雜物進入，避免雜物進入車輛供風系統影響行車安全[3-4]。同時，由于空氣彈簧裝配完成后，腔體內部狀態確認極為困難，因此如何確保空氣彈簧通風口一直處于封閉防護狀態，一直是空氣彈簧裝用企業與制造企業非常重視的問題，空氣彈簧通風口異常外漏的原因受到格外關注。

本文基于PW-220K轉向架空氣彈簧的結構特點與實際生產中通風口多次發生的異常外漏問題，對防護膠套結構提出優化方案，并分別進行了試驗驗證。

1? 空氣彈簧通風口外漏故障及原因分析

近些年，廠修客車PW-220K型轉向架組裝交驗后，發生空氣彈簧防護膠套自然彈起的情況，空氣彈簧進氣口失去防護，如果有異物進入而未發現，后續車輛運用中，異物如果進入空氣系統將對行車安全造成影響。另外，經對現場生產的跟蹤發現，當空氣彈簧膠囊受到壓縮等情況時，防護膠套也會發生飛起的情況。

1.1 理論分析

基于空氣彈簧的結構特點分析，將通風口封閉后空氣彈簧內部形成密閉腔體的狀態下，當空氣彈簧受到的拉壓或膠囊被擠壓時，腔體內部體積會發生變化，導致腔體內氣體受到壓縮或膨脹。根據波義爾定律，對一個密閉的空氣彈簧一般滿足壓力與體積乘積為定值。

目前，空氣彈簧通風口由防護膠套加上捆綁扎帶密封（見圖2），空氣彈簧與外界無法充分及時的進行氣體交換。當空氣彈簧內部容積突然變化時將導致內部壓力產生變化，同時會對防護膠套內部密封面產生沖擊力。

式中：F為沖擊力，S為防護膠套內部受到空氣彈簧腔體內氣體沖擊面積。

空氣彈簧通風口防護膠套在安裝時，通常采用一根扎帶捆扎固定，在空氣彈簧通風口與防護膠套間形成一定的結合力（忽略防護膠套自重）。基于以上分析，當作用于橡膠防護套的沖擊力遠遠大于防護膠套與通風口間的結合力時，則容易造成防護膠套發生飛起，并造成空氣彈簧通風口外漏。

1.2 試驗驗證

將圖2所示的空氣彈簧在平臺上靜置擺放，每次試驗前確認通風口已采用防護膠套安裝防護到位，并采用扎帶捆扎牢固。待準備完畢后，按照表1所示的試驗方案進行試驗。

通過模擬試驗，可見輕微緩慢的擠壓膠囊，空氣彈簧和外界可以通過橡膠防護套與通風口間間隙進行氣體交換，當空氣彈簧通風口與防護膠套間形成的結合力大于橡膠防護套的沖擊力，則橡膠防護套不會彈起，這也進一步驗證了空氣彈簧在運輸過程中，膠囊的輕微晃動并不會造成橡膠防護套彈起。當空氣彈簧膠囊瞬間受到較大的擠壓，腔體迅速受壓縮時腔體內容積隨之迅速變小，腔體內氣體通過通風口對防護膠套膠套產生較大的沖擊力，使得防護膠套發生飛起的情況。

基于空氣彈簧的結構特點及對其內部腔體防護需要，優化改進空氣彈簧通風口防護膠套的設計結構，確保空氣彈簧內部壓力變化不會導致防護膠套彈起是解決問題的方向。

2? 空氣彈簧通風口防護膠套改進方案

2.1 方案1

在空氣彈簧防護膠套上增加捆綁扎帶，增大防護膠套與進風口間的結合力。此方案按照上述表1試驗2進行驗證，當防護膠套不發生彈起的現象時，至少需要2根扎帶捆扎到位，試驗過程中防護膠套頂部存在較大的鼓起與凹入，并沿著通風口存在一定的向上滑動，多次試驗時仍存在通風口外漏的情況。因此增加扎帶捆扎的方案，無法解決極端條件下防護膠套的彈起，同時也不利于防護膠套的拆裝。

2.2 方案2

設計了一種嵌套式帶帽檐結構的防護膠套，設計結構見圖4，其在原防護膠套設計結構的基礎上做了一定的修改，其中在其頂部開有圓孔通風，并在頂部延伸出帶有圓孔通風與雨檐遮擋防護的部分。該結構防護膠套能夠實現對空氣彈簧腔體的防護作用，同時空氣彈簧腔體成為非封閉的腔體，空氣彈簧體積變化時，腔體與外部可以通過防護膠套進行氣體的交換，可以降低甚至不產生對防護膠套沖擊，安裝時仍采用扎帶捆扎，增加防護膠套與通風口的結合力，解決防護膠套彈起的問題。

但在制作嵌套式帶帽檐結構防護膠套發現，該防護膠套結構復雜，模具開發與防護膠套制作成本高，因此該方案在批量推廣上存在一定的困難。

2.3 方案3

在防護膠套四周與頂部設計寬度適中的長條狀凸起，產品結構見圖5。該結構防護膠套能夠實現對空氣彈簧腔體的防護，同時空氣彈簧腔體成為非封閉的腔體，空氣彈簧體積變化時，可以通過防護膠套與空氣彈簧通風口間的間隙，與外界進行氣體的交換，同樣實現降低甚至不產生對防護膠套沖擊，防護膠套周向伸縮變形增加與通風口間結合力，經試驗驗證可以解決防護膠套彈起的問題。同時，該方案的防護膠套結構簡單，僅在原結構防護膠套內部增加長凸起部分，制作成本低，因此該方案可以進行批量推廣應用。

3? 結束語

本文對PW-220K型轉向架空氣彈簧防護膠套彈起的問題進行了理論分析與試驗驗證，確定導致防護膠套彈起的原因，同時針對性設計了優化方案，經試驗驗證，方案3在防護膠套四周與頂部設計寬度適中的長條狀凸起結構為最優方案，可以批量推廣應用。當前絕大部分的軌道車輛二系懸掛均采用了空氣彈簧的成熟結構，但在應用防護層面，不斷優化空氣彈簧防護措施，確保空氣彈簧裝用前內部無異物進入，確保車輛空氣系統功能良好，提高車輛運行安全，本文具有較高參考價值。

參考文獻：

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