鐵道車輛腰帶式空氣彈簧氣囊子口質量缺陷分析及解決措施

來慶存，劉加健，丁 浩，宋翔宇

（青島博銳智遠減振科技有限公司，山東 青島 266031）

隨著軌道交通的快速發展以及各行業減振平臺的深入研究，空氣彈簧的保有量逐年增加[1-5]。鐵道車輛用空氣彈簧氣囊一般分為大曲囊式、小曲囊式和腰帶式，有少量為多曲囊式及其他新型式。其中腰帶式氣囊可以有效地控制氣囊膨脹以及其他特性的參數變化，能夠以較小的外形尺寸條件承受較大的載荷，避免與車體和轉向架干涉，同時氣囊上的腰帶結構也可以有效地制約氣囊在充氣狀態的外徑膨脹，減小表面橡膠的拉伸應力[6-7]。腰帶式空氣彈簧具有承載力大、安全倍數高、安裝空間小等優點，在地鐵和大鐵路上得到了廣泛應用[8]。

腰帶式氣囊結構的主要特征是氣囊最大外徑處有一鋼絲圈腰帶，氣囊子口直徑與最大外徑相差較小，且大部分氣囊上下子口直徑相同或相近，上下子口垂直間距較小[8-10]，其特殊結構給生產帶來一定困難，產品主要缺陷問題有腰帶處缺陷、囊體氣泡、子口厚度和內側平臺控制超差等[11-13]，其中子口部位質量缺陷占比高達5%。氣囊子口部位缺陷是空氣彈簧漏風的一個重要影響因素[14-16]。

1 腰帶式空氣彈簧及氣囊結構

腰帶式空氣彈簧由上蓋、氣囊、橡膠堆、支撐座、扣環（可無）等組成，如圖1所示。其中氣囊（結構見圖2）與上蓋和支撐座配合組裝，氣囊子口是氣囊與上蓋、支撐座等其他部件的配合部位，該部位缺陷會嚴重影響空氣彈簧的密封性能，出現空氣彈簧漏風現象[14-16]。氣囊子口厚度關系到氣囊與上蓋和支撐座的配合緊密度以及是否能夠有效防止氣囊子口脫出。但氣囊子口厚度過大，在空氣彈簧組裝過程中會導致氣囊子口不能完全進入倒扣凸臺下或導致內側扣環安裝不到位；氣囊子口厚度過小，會導致氣囊與上蓋或支撐座間產生上下移動，從而發生漏風現象。

在氣囊生產過程中，氣囊子口主要缺陷有子口重皮或裂口、子口缺膠、子口厚度控制不均、子口內側平臺凹凸不平等，在此針對子口厚度控制不均、子口內側平臺凹凸不平等質量問題[12-13]進行分析，并提出解決措施或優化方案。

2 腰帶式氣囊子口質量問題分析

腰帶式氣囊硫化工藝主要分為無隔膜硫化和隔膜硫化兩種。根據硫化工藝的不同，目前氣囊子口厚度及內側平臺控制方式主要分為兩種。

（1）對于無隔膜硫化工藝，氣囊子口形狀主要由壓力介質與模具擠壓硫化定型完成，這是因為無隔膜硫化時子口內側平臺處僅靠壓力介質控制不能形成剛性密閉空間。子口尺寸與囊坯半成品材料密切相關，對半成品的制造要求高。囊坯制造的差異，導致氣囊子口厚度難以控制，出現子口厚度或內側平臺凹凸不平等不合格現象。

（2）對于隔膜硫化工藝，又分為無壓環和有壓環控制兩種情況。對無壓環控制硫化工藝，氣囊子口形狀主要由隔膜與模具擠壓形成密閉空間控制（如圖3所示），子口內側平臺相對可控，但隔膜本身為橡膠材料，彈性好且本身存在花紋及排氣線，導致子口內側平臺處凹凸不平，子口厚度控制困難。對于有壓環控制硫化工藝，氣囊子口形狀主要由壓環與模具形成的密閉空間控制（如圖4所示），相比無壓環工藝，該工藝子口內側平臺控制得到優化，但壓環在水平方向和垂直方向上相對自由，硫化裝模不正，隔膜充氣過快，均會導致壓環偏歪，使得子口圓周不同部位厚度存在差異，導致氣囊不合格；壓環的水平偏移同樣會導致氣囊內側平臺距離子口外沿尺寸不均，影響空氣彈簧內側扣環的安裝。

3 解決措施

3.1 氣囊曲線設計

目前腰帶式氣囊的上下子口直徑基本相同，且上下子口垂直間距小，最小可達25 mm，此種曲線氣囊的模具及中心機構設計過程中可操作的空間很小，不得不采取無壓環或有壓環隔膜硫化工藝，導致氣囊子口合格率降低。

新設計腰帶式氣囊的理想方案是在滿足氣囊有效弧長和安裝尺寸的情況下，上下子口間垂直間距盡可能大，為模具設計留出足夠的空間；另外，上下子口直徑差異設計也有助于氣囊模具和工藝設計，以極大地提高產品的合格率。

3.2 硫化模具及中心機構設計

硫化模具及中心機構設計時，考慮到氣囊子口尺寸的要求，需要在子口部位設計一個剛性密閉空間，用以滿足子口形狀的形成，有效改善子口厚度超限、子口內側平臺凹凸不平現象。目前采用的優化設計方案有以下幾種形式。

由表5可以看出，施用腐殖酸螯合肥的蘋果產量有顯著提高。處理1折合產量達到47 700 kg/hm2，與處理3相比，增產6 180 kg/hm2，增產率14.88%；處理2折合產量達到42 990 kg/hm2，與處理3相比，增產1 470，增產率3.54%。

（1）對于腰帶式氣囊上下子口直徑存在差異且垂直間距較大的情況，參考大曲囊式氣囊模具對子口控制的方式。大曲囊式氣囊子口部位的模具設計如圖5所示。

大曲囊式氣囊的小子口由上模、上鋼圈和硫化隔膜壓制成型，氣囊子口厚度由上模與上鋼圈之間的空間大小來控制。而上模與上鋼圈均為金屬件且為回轉體，運動自由度只有上下兩方向，依靠合模壓力貼合后，能夠提供大小穩定的半封閉空間，保證子口尺寸在可控范圍內；另外，上模與上鋼圈緊密貼合后不會出現偏歪現象，故氣囊子口尺寸能夠穩定地滿足設計要求。

對于腰帶式氣囊上下子口直徑存在差異且垂直間距較大的情況，其模具設計可舍棄傳統依靠壓環和上模控制子口厚度的方法，采用類似大曲囊式氣囊模具的設計方式，用上鋼圈替代壓環，能夠有效改善氣囊子口參數的可控性，極大地提高了氣囊的合格率。腰帶式氣囊模具的優化設計如圖6所示。

腰帶式氣囊模具將大曲囊式氣囊模具的壓環和上鋼圈改為帶有平臺的上鋼圈，設計時需考慮上鋼圈最大外直徑小于氣囊下子口直徑，確保裝坯、卸囊順利，且需要保證氣囊上下子口之間有足夠的空間以設計隔膜和硫化介質循環通道。經試制驗證，該設計合理，已用于正常生產，氣囊子口部位合格率由原有的70%提升到95%以上。

（2）對于腰帶式氣囊上下子口直徑相同且子口垂直間距較大的情況，也參考大曲囊式氣囊模具對子口控制的方式，優化了模具上壓環設計，即采用凸臺的方式固定壓環，如圖7所示。整個模具在氣囊子口部位形成一個剛性密閉空間，其效果是：隔膜的伸張擠壓不會直接影響氣囊子口厚度，也不會造成壓環偏歪，可在確保氣囊裝模和卸模不受影響的前提下，有效保證子口尺寸，更好地控制子口形狀。此種設計方案已用于批量生產，基本解決了氣囊上子口尺寸不合格問題，取得了良好工藝效果和經濟效益。

3.3 隔膜及壓環尺寸設計

隔膜曲線設計對氣囊子口厚度等尺寸影響不大，但是隔膜夾緣尺寸對模具設計存在影響，考慮到腰帶式氣囊模具及中心機構的設計空間問題，隔膜夾緣在滿足強度和生產要求的前提下，上下夾緣錯開，下側夾緣內徑比氣囊子口直徑小45 mm以上，以保證囊坯裝模順暢，壓環安裝到位（壓環內徑與下部卡盤尺寸有關，一般比下卡盤外徑大40 mm，壓環外徑與子口直徑相關）；上側夾緣內徑小于下側夾緣內徑20 mm為最佳，以方便壓環改造、壓環安裝、囊坯裝模等。

3.4 半成品材料分布設計

腰帶式氣囊子口質量與囊坯在子口處的材料分布存在直接關系。

一般來說，氣囊子口的鋼絲圈、簾線、膠料疊加高度尺寸一般為子口厚度的110%～120%，鋼絲圈、簾布、橡膠均為不可壓縮材料，其10%～20%的壓縮量完全可以保證子口部位壓實緊密，又不至于產生過多廢料、膠邊。如果子口處材料過多，會導致該處多余材料無法溢出，出現子口厚度超差、鋼絲圈變形、子口漏簾線等問題；材料過少，子口會出現融縫、缺膠甚至欠硫現象。在氣囊硫化工藝設計時，需要考慮該處材料分布，選擇適宜高度的鋼絲圈和合適的修坯方式，保證產品的合格率。

4 結論

基于鐵道車輛用腰帶式空氣彈簧氣囊的結構特點[8-9]，分析了腰帶式氣囊子口質量缺陷，尤其是子口厚度超限、子口壓環偏歪等問題產生的原因，并從氣囊曲線設計、模具設計、隔膜設計、半成品材料分布設計等方面提出解決措施。

（1）氣囊曲線設計時，盡量增大上下子口垂直間距，保證模具設計的操作空間；上下子口直徑差異設計，也有助于模具設計和工藝設計，能夠極大地提高產品的合格率。

（2）氣囊模具設計時，子口部位采用剛性密閉空間且具備排膠設計，在氣囊裝模和卸模不受影響的前提下，保證子口尺寸，更好地控制子口形狀。

（3）隔膜夾緣在滿足強度和產品要求的前提下，下側夾緣內徑小于氣囊子口直徑45 mm以上，為模具及中心機構設計提供空間。

（4）半成品材料設置10%～20%的壓縮量，在滿足氣囊子口設計空間的前提下，選擇合適尺寸的鋼絲圈和適當的修坯方式，保證產品的合格率。

通過上述一系列改進措施的實施，目前我公司腰帶式氣囊子口厚度不均勻、子口內側平臺凸凹不平等質量缺陷降低至0.58%以下。腰帶式空氣彈簧氣囊子口質量的有效控制，在實際使用中避免了此類氣囊子口部位可能產生的漏風隱患，極大地提高了腰帶式空氣彈簧的使用安全性。