上海軌道交通9號線列車空氣彈簧國產化試驗探索

摘要：根據9 號線車輛原型進口空氣彈簧的技術規范，研制了國產Φ500空氣彈簧。通過對空氣彈簧系統、輔助彈簧進行的各項試驗，證明各類性能指標均能滿足技術要求。Φ500空氣彈簧在裝車考核中，實際運營正常，Sperling指標均為優，UIC513舒適度指標均為良好。返廠檢測結果顯示，各項指標變化率均在合理范圍內。表明該型國產彈簧已達到替代原型空氣彈簧的要求，同時可作為其它車型空氣彈簧國產化探索的經驗借鑒。

關鍵詞：空氣彈簧;國產化;性能測試

空氣彈簧系統因為高度可控、隔振性能優越、變形能力強、阻尼可調、隔音降噪等諸多優點，可有效應對地鐵車輛載荷變化大、變形要求高、穩定性和舒適性高的需求，成為了地鐵車輛轉向架二系懸掛的首選[1，2]。早期國內大部分空氣彈簧市場為外國供應商占據，隨著城市軌道交通的發展，采用進口空氣彈簧的弊端開始顯現：采購價格高、供貨周期長、售后服務不完善，造成運維成本高、列車扣修時間長、檢修效率低等問題[3]。

近年來由于運維經驗的積累、計算機輔助設計技術、主動控制系統的升級以及新材料、新結構的開發，國產空氣彈簧產品日臻成熟，各家地鐵公司紛紛加大了國產化的替代力度[4～8]。目前上海地鐵全網車輛保有量已近6000輛，進口空氣彈簧占比較高。因此加強空氣彈簧國產化，對降低成本，提升檢修效率具有重要意義。上海地鐵9 號線一期列車原型空氣彈簧均為德國進口，本文主要介紹國產替代彈簧的結構設計、型式試驗、裝車試驗等，通過各項性能指標的對比，探索國產化可行性，也為其他車型進口空氣彈簧的替代提供借鑒經驗。

1???? 空氣彈簧結構

國產Φ500空氣彈簧屬于螺釘緊固密封式空氣彈簧系列，主要由氣囊、輔助彈簧、壓板、磨耗板、上蓋板等組成。如圖1 所示，氣囊和輔助彈簧串聯工作，用于保持恒定的車體高度。在規定的負載條件下，通過這兩個部件的緩沖，可提高旅客的乘坐舒適度。正常情況（充氣狀態）下，輔助彈簧有助于氣囊適應車體和轉向架之間的旋轉。緊急情況下，輔助彈簧承擔車體重量。

為保證與原型彈簧的互換性，Φ500空氣彈簧的橡膠材料、金屬件和外形結構、接口尺寸均與原產品保持一致。借助有限元輔助分析計算，證明各項性能參數均與原型產品保持高度相近，并符合技術規范要求。

2???? Φ500空氣彈簧的主要試驗

為了驗證Φ500空氣彈簧各項實際性能指標，分別對空氣彈簧系統和輔助彈簧開展型式試驗，并將結果數據與原型產品進行比對。其中耐壓試驗、系統疲勞試驗、蠕變試驗分別在水爆壓力試驗機、扭擺試驗機和蠕變試驗機上進行;輔助彈簧垂向靜、動剛度試驗分別在電子拉伸試驗機和動剛度試驗機上進行;其他試驗在空氣彈簧二維試驗機上完成。

2.1? 空氣彈簧系統試驗

（1）氣密性試驗

在設計高度（248mm）下，將一組空氣彈簧充內壓至7bar±0.2bar，關閉氣源，靜止保持5 分鐘后記錄氣壓降;另一組則在關閉氣源后，以1Hz頻率，沿水平方向以±20mm振幅循環5 分鐘，測量水平循環后的氣壓降。

（2）內壓與載荷試驗

將空氣彈簧在設計高度下充內壓，當空氣彈簧垂向載荷為：57.5KN（AW0-空載）、103.1KN（AW2-滿載）、121.1KN（AW3-超載），將空氣內壓值列于表2，均滿足技術規范。

（3）???? 垂向剛度試驗

在設計高度下，分別充氣加載至121.1KN、103.1KN、57.5KN，以0.075Hz的頻率，沿垂向施加±10mm振幅。通過載荷位移曲線，計算得出剛度值。試驗結果符合技術規范。

（4）???? 橫向剛度試驗

在設計高度下，垂向加載至121.1KN、103.1KN、57.5KN，以低于0.01Hz的頻率，沿橫向施加±10mm振幅，循環4 次，取最后一次計算剛度值。改變振幅為±100mm重復上述試驗。測量數據均滿足技術要求。

（5）???? 剪切力矩試驗

剪切末端力矩是當空氣彈簧發生剪切時，在空氣彈簧系統頂部與底部產生的力矩。頂部與底部產生的力矩不一定相等。設計末端力矩試驗是為了顯示彈簧剪切至77mm的位移時頂部與底部力矩的比率。

對試驗傳感器進行力矩試驗標定后，在設計高度下分別在模擬AW0、AW2、AW3工況載荷，以小于5mm/s的速度，20mm為步長加載至100mm，每 20mm記錄一次水平載荷與垂向載荷。通過計算得到三種載荷的剪切力矩比率在0.650～0.85范圍內，符合技術要求0.7±0.2。

（6）耐壓試驗

將新空氣彈簧系統在設計高度下充不低于20bar水壓，在此狀態下保持5 分鐘。將疲勞試驗后的空氣彈簧系統充入16bar水壓，保持5 分鐘如圖2。

結果顯示新樣品充21.5bar水壓后，無破壞，滿足疲勞前水壓大于20bar的要求;完成疲勞試驗的樣品充16bar水壓后，無破壞，滿足疲勞后水壓大于16bar的要求。

（7）???? 扭轉疲勞試驗

在充氣設計高度下，以載荷98.3KN，水平偏置25mm，振幅±42mm，頻率0.7～1Hz，進行600000周次的疲勞試驗。試驗結束后，重復重復剛度試驗，并測量內壓直徑和動態蠕變量。

圖3 為被測樣品，疲勞試驗后無裂紋，輕微磨損，滿足技術要求。表5 所示剛度變化率、內徑和直徑變化量、動態蠕變量等疲勞前后的性能變化均滿足技術要求。

2.2? 輔助彈簧試驗（1）垂向剛度試驗

輔助彈簧以60mm/min的加載速度，垂向從0 加載至163.8KN，再卸載至0KN。記錄滯回曲線，取滯回曲線中的上升曲線，列垂向靜剛度數據于表6。

垂向從0KN加載到57.5KN。以1Hz頻率沿垂向方向施加±5mm振幅，循環4 次，取最后一次計算動剛度值。垂向加載103.1KN和121.1KN，重復試驗。表7 為垂向動靜剛度比數據，結果證明符合技術要求。

（2）?? 橫向剛度試驗

垂向從0KN加載到57.5KN。以0.01Hz頻率沿橫向方向施加0～5mm振幅，循環3 次，取最后一次計算剛度值。記錄載荷位移曲線，同時計算得出剛度值。垂向加載103.1KN，重復試驗;垂向加載121.1KN，重復試驗。結果顯示三種載荷下的橫向剛度分別為6.70N/mm、13.5N/mm和16.0N/mm，均符合要求。

（3）?? 輔助彈簧蠕變試驗

將樣品安裝在蠕變試驗機上，試驗溫度23℃，垂向施加靜態載荷98.3KN，記錄240小時內的蠕變數據，并繪制蠕變預測曲線于圖4。試驗完成后，重復輔助彈簧剛度試驗。

根據曲線可得裝車48h后至10年的蠕變量為1.6mm，滿足技術規范≤3mm。此外蠕變試驗前后，在三種工況下的剛度變化率分別為0.98%、0.68%和-3.49%，滿足需求。

（4）?? 輔助彈簧垂向疲勞試驗

以121.1KN載荷，以1Hz頻率，變載±18KN，循環600000周次;變載±37KN，循環300000周次。疲勞試驗完成后，重復剛度試驗和高度測量。

結果表明輔助彈簧經過900000次疲勞試驗后，狀態良好，沒有撕裂，裂紋，橡膠沒有從金屬脫落。剛度變化率和高度變化均在技術要求范圍內。

（5）?? 輔助彈簧垂向碰撞試驗

以121.1KN載荷，1Hz頻率，動載±18KN，循環600000周次;進行碰撞試驗。輔助彈簧經過600000次碰撞破壞試驗后，狀態良好，沒有撕裂，裂紋，橡膠沒有從金屬脫落。壓板和輔助彈簧的緊固螺釘沒有松動現象。

（6）?? 橡膠堆老化試驗

橡膠堆在溫度為23±2℃下保持至少24小時，然后根據ISO188規定在70℃條件下老化14天。老化之后，橡膠堆置于環境溫度下24小時后，進行垂向剛度試驗。在57.5KN、103.1KN和121.1KN載荷作用下，老化前后剛度變化率分別為2.3%、1.8%、1.9%，均不超過技術要求的20%。

（7）?? 垂向破壞性試驗

將樣品安裝在二維試驗機上，垂向加載（壓縮）在錐形簧芯軸上直到樣品破壞，記錄載荷變形曲線。結果證明金屬與橡膠粘合強度是合格的。

3???? 裝車考驗

在裝車第一周、6個月后及試驗結束前一周，均任選一天按GB5599～85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》和UIC513《鐵路車輛內旅客振動舒適性評價準則》進行列車動力學試驗。在裝車運營期間定時進行氣密性、限界干涉、表面狀態、工作狀態、無氣高度等進行檢查。試驗期滿將裝車彈簧返廠檢測，對比各項指標變化率。

（1）?? 動力學試驗

在AW0（空車）工況下，選取同列車相鄰車輛分別安裝國產化空氣彈簧和進口原型彈簧，被測車輛的一、二系彈簧、減震器狀態均正常，踏面磨耗量狀態相當。對上海地鐵9 號線車輛進行平穩性線路測試。測試結果表明：在實際運行圖速度范圍內，兩輛車的Sperling平穩性均為優級，UIC513舒適度指標均為良好。

（2）?? 返廠檢測試驗

裝車運營1 年，國產化彈簧無裂紋、磨損，膠囊簾線層無露出及輔助彈簧無脫膠、傾斜，橡膠無裂紋、鼓包等外觀問題，各項維護關鍵數據正常。返廠檢測的結果顯示：運行前后國產空氣彈簧氣密性狀態良好，外徑滿足技術要求≤350mm的指標;載荷內壓變化率、垂向剛度變化率、橫向剛度變化率分別在2%、2%、5%以內;輔助彈簧蠕變量在1mm左右，剛度變化率在5%以內，均滿足技術要求。該空氣彈簧通過了運營考驗。

4???? 結論

（1）?? 上海地鐵9 號線車輛國產空氣彈簧系統和輔助彈簧的各項型式試驗數據與原型產品相近，均能滿足技術要求。動力學試驗評定Sperling平穩性為優級，UIC513舒適度指標均為良好。

（2）?? 國產空氣彈簧通過實際運營考核，達到預期設計目標，可進行擴大化或推廣應用。

參考文獻：

[1]?? 李威，張陸軍，王剛.北京機場線車輛國產化空氣彈簧的研發與應用[J].現代城市軌道交通，2017（02）：1～4+8.

[2]?? 萬宇.直線電機車輛空氣彈簧國產化研究[J].軌道交通裝備與技術，2016（01）：28～31.

[3]?? 宋紅光，姚小強，孔軍，于磊，李雪冰.城市軌道交通車輛用空氣彈簧的國產化與發展趨勢[J].城市軌道交通研究，2012，15（09）：130～133.

[4]?? 景小鋒，陳紹基，張亮.廣州地鐵3 號線列車空氣彈簧載荷內壓偏低問題分析與改進[J].機車電傳動，2019（05）：121～124.

[5]?? 劉萬強，李雪冰，董磊，王國棟，張曉鵬.廣州地鐵用空氣彈簧的研制[J].鐵道車輛，2018，56（10）：28～31+5.

[6]?? 張廣世.上海地鐵轉向架空氣彈簧試驗研究[J].鐵道車輛，2000（S1）：81～83+1.

[7]?? 畢東云，林彬，榮強.1號線空氣彈簧國產化可行性分析[J].科技風，2015（24）：112.

[8]?? 杜連超.地鐵車輛空氣彈簧性能檢測裝置的設計及驗證[J].山東工業技術，2016（03）：232.

作者簡介：

顧培忠（1973-）漢，上海，本科，工程師，研究方向：軌道交通.

摘要：根據9 號線車輛原型進口空氣彈簧的技術規范，研制了國產Φ500空氣彈簧。通過對空氣彈簧系統、輔助彈簧進行的各項試驗，證明各類性能指標均能滿足技術要求。Φ500空氣彈簧在裝車考核中，實際運營正常，Sperling指標均為優，UIC513舒適度指標均為良好。返廠檢測結果顯示，各項指標變化率均在合理范圍內。表明該型國產彈簧已達到替代原型空氣彈簧的要求，同時可作為其它車型空氣彈簧國產化探索的經驗借鑒。

關鍵詞：空氣彈簧;國產化;性能測試

空氣彈簧系統因為高度可控、隔振性能優越、變形能力強、阻尼可調、隔音降噪等諸多優點，可有效應對地鐵車輛載荷變化大、變形要求高、穩定性和舒適性高的需求，成為了地鐵車輛轉向架二系懸掛的首選[1，2]。早期國內大部分空氣彈簧市場為外國供應商占據，隨著城市軌道交通的發展，采用進口空氣彈簧的弊端開始顯現：采購價格高、供貨周期長、售后服務不完善，造成運維成本高、列車扣修時間長、檢修效率低等問題[3]。

近年來由于運維經驗的積累、計算機輔助設計技術、主動控制系統的升級以及新材料、新結構的開發，國產空氣彈簧產品日臻成熟，各家地鐵公司紛紛加大了國產化的替代力度[4～8]。目前上海地鐵全網車輛保有量已近6000輛，進口空氣彈簧占比較高。因此加強空氣彈簧國產化，對降低成本，提升檢修效率具有重要意義。上海地鐵9 號線一期列車原型空氣彈簧均為德國進口，本文主要介紹國產替代彈簧的結構設計、型式試驗、裝車試驗等，通過各項性能指標的對比，探索國產化可行性，也為其他車型進口空氣彈簧的替代提供借鑒經驗。

1???? 空氣彈簧結構

國產Φ500空氣彈簧屬于螺釘緊固密封式空氣彈簧系列，主要由氣囊、輔助彈簧、壓板、磨耗板、上蓋板等組成。如圖1 所示，氣囊和輔助彈簧串聯工作，用于保持恒定的車體高度。在規定的負載條件下，通過這兩個部件的緩沖，可提高旅客的乘坐舒適度。正常情況（充氣狀態）下，輔助彈簧有助于氣囊適應車體和轉向架之間的旋轉。緊急情況下，輔助彈簧承擔車體重量。

為保證與原型彈簧的互換性，Φ500空氣彈簧的橡膠材料、金屬件和外形結構、接口尺寸均與原產品保持一致。借助有限元輔助分析計算，證明各項性能參數均與原型產品保持高度相近，并符合技術規范要求。

2???? Φ500空氣彈簧的主要試驗

為了驗證Φ500空氣彈簧各項實際性能指標，分別對空氣彈簧系統和輔助彈簧開展型式試驗，并將結果數據與原型產品進行比對。其中耐壓試驗、系統疲勞試驗、蠕變試驗分別在水爆壓力試驗機、扭擺試驗機和蠕變試驗機上進行;輔助彈簧垂向靜、動剛度試驗分別在電子拉伸試驗機和動剛度試驗機上進行;其他試驗在空氣彈簧二維試驗機上完成。

2.1? 空氣彈簧系統試驗

（1）氣密性試驗

在設計高度（248mm）下，將一組空氣彈簧充內壓至7bar±0.2bar，關閉氣源，靜止保持5 分鐘后記錄氣壓降;另一組則在關閉氣源后，以1Hz頻率，沿水平方向以±20mm振幅循環5 分鐘，測量水平循環后的氣壓降。

（2）內壓與載荷試驗

將空氣彈簧在設計高度下充內壓，當空氣彈簧垂向載荷為：57.5KN（AW0-空載）、103.1KN（AW2-滿載）、121.1KN（AW3-超載），將空氣內壓值列于表2，均滿足技術規范。

（3）???? 垂向剛度試驗

在設計高度下，分別充氣加載至121.1KN、103.1KN、57.5KN，以0.075Hz的頻率，沿垂向施加±10mm振幅。通過載荷位移曲線，計算得出剛度值。試驗結果符合技術規范。

（4）???? 橫向剛度試驗

在設計高度下，垂向加載至121.1KN、103.1KN、57.5KN，以低于0.01Hz的頻率，沿橫向施加±10mm振幅，循環4 次，取最后一次計算剛度值。改變振幅為±100mm重復上述試驗。測量數據均滿足技術要求。

（5）???? 剪切力矩試驗

剪切末端力矩是當空氣彈簧發生剪切時，在空氣彈簧系統頂部與底部產生的力矩。頂部與底部產生的力矩不一定相等。設計末端力矩試驗是為了顯示彈簧剪切至77mm的位移時頂部與底部力矩的比率。

對試驗傳感器進行力矩試驗標定后，在設計高度下分別在模擬AW0、AW2、AW3工況載荷，以小于5mm/s的速度，20mm為步長加載至100mm，每 20mm記錄一次水平載荷與垂向載荷。通過計算得到三種載荷的剪切力矩比率在0.650～0.85范圍內，符合技術要求0.7±0.2。

（6）耐壓試驗

將新空氣彈簧系統在設計高度下充不低于20bar水壓，在此狀態下保持5 分鐘。將疲勞試驗后的空氣彈簧系統充入16bar水壓，保持5 分鐘如圖2。

結果顯示新樣品充21.5bar水壓后，無破壞，滿足疲勞前水壓大于20bar的要求;完成疲勞試驗的樣品充16bar水壓后，無破壞，滿足疲勞后水壓大于16bar的要求。

（7）???? 扭轉疲勞試驗

在充氣設計高度下，以載荷98.3KN，水平偏置25mm，振幅±42mm，頻率0.7～1Hz，進行600000周次的疲勞試驗。試驗結束后，重復重復剛度試驗，并測量內壓直徑和動態蠕變量。

圖3 為被測樣品，疲勞試驗后無裂紋，輕微磨損，滿足技術要求。表5 所示剛度變化率、內徑和直徑變化量、動態蠕變量等疲勞前后的性能變化均滿足技術要求。

2.2? 輔助彈簧試驗（1）垂向剛度試驗

輔助彈簧以60mm/min的加載速度，垂向從0 加載至163.8KN，再卸載至0KN。記錄滯回曲線，取滯回曲線中的上升曲線，列垂向靜剛度數據于表6。

垂向從0KN加載到57.5KN。以1Hz頻率沿垂向方向施加±5mm振幅，循環4 次，取最后一次計算動剛度值。垂向加載103.1KN和121.1KN，重復試驗。表7 為垂向動靜剛度比數據，結果證明符合技術要求。

（2）?? 橫向剛度試驗

垂向從0KN加載到57.5KN。以0.01Hz頻率沿橫向方向施加0～5mm振幅，循環3 次，取最后一次計算剛度值。記錄載荷位移曲線，同時計算得出剛度值。垂向加載103.1KN，重復試驗;垂向加載121.1KN，重復試驗。結果顯示三種載荷下的橫向剛度分別為6.70N/mm、13.5N/mm和16.0N/mm，均符合要求。

（3）?? 輔助彈簧蠕變試驗

將樣品安裝在蠕變試驗機上，試驗溫度23℃，垂向施加靜態載荷98.3KN，記錄240小時內的蠕變數據，并繪制蠕變預測曲線于圖4。試驗完成后，重復輔助彈簧剛度試驗。

根據曲線可得裝車48h后至10年的蠕變量為1.6mm，滿足技術規范≤3mm。此外蠕變試驗前后，在三種工況下的剛度變化率分別為0.98%、0.68%和-3.49%，滿足需求。

（4）?? 輔助彈簧垂向疲勞試驗

以121.1KN載荷，以1Hz頻率，變載±18KN，循環600000周次;變載±37KN，循環300000周次。疲勞試驗完成后，重復剛度試驗和高度測量。

結果表明輔助彈簧經過900000次疲勞試驗后，狀態良好，沒有撕裂，裂紋，橡膠沒有從金屬脫落。剛度變化率和高度變化均在技術要求范圍內。

（5）?? 輔助彈簧垂向碰撞試驗

以121.1KN載荷，1Hz頻率，動載±18KN，循環600000周次;進行碰撞試驗。輔助彈簧經過600000次碰撞破壞試驗后，狀態良好，沒有撕裂，裂紋，橡膠沒有從金屬脫落。壓板和輔助彈簧的緊固螺釘沒有松動現象。

（6）?? 橡膠堆老化試驗

橡膠堆在溫度為23±2℃下保持至少24小時，然后根據ISO188規定在70℃條件下老化14天。老化之后，橡膠堆置于環境溫度下24小時后，進行垂向剛度試驗。在57.5KN、103.1KN和121.1KN載荷作用下，老化前后剛度變化率分別為2.3%、1.8%、1.9%，均不超過技術要求的20%。

（7）?? 垂向破壞性試驗

將樣品安裝在二維試驗機上，垂向加載（壓縮）在錐形簧芯軸上直到樣品破壞，記錄載荷變形曲線。結果證明金屬與橡膠粘合強度是合格的。

3???? 裝車考驗

在裝車第一周、6個月后及試驗結束前一周，均任選一天按GB5599～85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》和UIC513《鐵路車輛內旅客振動舒適性評價準則》進行列車動力學試驗。在裝車運營期間定時進行氣密性、限界干涉、表面狀態、工作狀態、無氣高度等進行檢查。試驗期滿將裝車彈簧返廠檢測，對比各項指標變化率。

（1）?? 動力學試驗

在AW0（空車）工況下，選取同列車相鄰車輛分別安裝國產化空氣彈簧和進口原型彈簧，被測車輛的一、二系彈簧、減震器狀態均正常，踏面磨耗量狀態相當。對上海地鐵9 號線車輛進行平穩性線路測試。測試結果表明：在實際運行圖速度范圍內，兩輛車的Sperling平穩性均為優級，UIC513舒適度指標均為良好。

（2）?? 返廠檢測試驗

裝車運營1 年，國產化彈簧無裂紋、磨損，膠囊簾線層無露出及輔助彈簧無脫膠、傾斜，橡膠無裂紋、鼓包等外觀問題，各項維護關鍵數據正常。返廠檢測的結果顯示：運行前后國產空氣彈簧氣密性狀態良好，外徑滿足技術要求≤350mm的指標;載荷內壓變化率、垂向剛度變化率、橫向剛度變化率分別在2%、2%、5%以內;輔助彈簧蠕變量在1mm左右，剛度變化率在5%以內，均滿足技術要求。該空氣彈簧通過了運營考驗。

4???? 結論

（1）?? 上海地鐵9 號線車輛國產空氣彈簧系統和輔助彈簧的各項型式試驗數據與原型產品相近，均能滿足技術要求。動力學試驗評定Sperling平穩性為優級，UIC513舒適度指標均為良好。

（2）?? 國產空氣彈簧通過實際運營考核，達到預期設計目標，可進行擴大化或推廣應用。

參考文獻：

[1]?? 李威，張陸軍，王剛.北京機場線車輛國產化空氣彈簧的研發與應用[J].現代城市軌道交通，2017（02）：1～4+8.

[2]?? 萬宇.直線電機車輛空氣彈簧國產化研究[J].軌道交通裝備與技術，2016（01）：28～31.

[3]?? 宋紅光，姚小強，孔軍，于磊，李雪冰.城市軌道交通車輛用空氣彈簧的國產化與發展趨勢[J].城市軌道交通研究，2012，15（09）：130～133.

[4]?? 景小鋒，陳紹基，張亮.廣州地鐵3 號線列車空氣彈簧載荷內壓偏低問題分析與改進[J].機車電傳動，2019（05）：121～124.

[5]?? 劉萬強，李雪冰，董磊，王國棟，張曉鵬.廣州地鐵用空氣彈簧的研制[J].鐵道車輛，2018，56（10）：28～31+5.

[6]?? 張廣世.上海地鐵轉向架空氣彈簧試驗研究[J].鐵道車輛，2000（S1）：81～83+1.

[7]?? 畢東云，林彬，榮強.1號線空氣彈簧國產化可行性分析[J].科技風，2015（24）：112.

[8]?? 杜連超.地鐵車輛空氣彈簧性能檢測裝置的設計及驗證[J].山東工業技術，2016（03）：232.

作者簡介：

顧培忠（1973-）漢，上海，本科，工程師，研究方向：軌道交通.