裝有雙曲囊式空氣彈簧的地鐵車輛轉向架橫向止擋偏移問題研究

張文康，薛世海，劉志遠，陰曉銘，高純友

（中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道工程研究中心，吉林長春 130062）

1 引言

雙曲囊式空氣彈簧是由夾有橡膠簾線的橡膠膜制成的一種上下帶有蓋板，中部設有金屬腰帶/環箍的空氣彈簧，如圖1所示，其蓋板位置設有導柱及氣孔（導柱與氣孔位置可根據結構安裝于上、下蓋板不同位置）。國內地鐵車輛雙曲囊式空氣彈簧使用極少，配合旁承承載使用可提高空氣彈簧上承載面，進而提高車輛的側滾中心，改善轉向架的橫向振動性能。但雙曲囊式空氣彈簧的垂向剛度較高，需設置附加空氣室來使用，并可通過控制彈簧的制造參數調節其垂向及橫向剛度公差，以滿足使用需求。

圖1 雙曲囊式空氣彈簧結構示意圖

雙曲囊式空氣彈簧工作控制原理與其他類型空氣彈簧相同，均由風源、空氣彈簧、高度控制閥、調整桿裝置、輔助氣室、壓差閥等組成，不同車輛安裝使用時因其設計理念與要求不同，還存在空氣彈簧布置數量和載荷控制型式的區別。對于不同控制型式及空氣彈簧的工作原理已有諸多論述，本文僅就裝有雙曲囊式空氣彈簧的某地鐵車輛轉向架在落車稱重及尺寸調整過程中發現的橫向止擋偏移問題進行分析、驗證和解決。

2 橫向止擋偏移問題

在車輛完成落車稱重高度調整過程中發現隨著車輛空氣彈簧不斷充風及排風后，車輛橫向止擋向車輛載荷大的一側貼靠，如圖2所示，橫向止擋間隙不能穩定控制在所限定的公差值33??mm內。不同工況下的車輛橫向止擋間隙值測試數據如表1所示。

表1 空氣彈簧充氣前后橫向止擋間隙值對比 mm

圖2 車輛橫向止擋間隙

由測試結果可知：車輛在空氣彈簧充風及排風后出現側偏，更換新的轉向架至原位置后車輛恢復正常狀態，再次對空氣彈簧進行充風及排風后出現車輛扭曲，車輛偏移狀態如圖3所示。為確認該問題產生的原因，對車輛可能存在影響的部位進行相關測試和驗證分析。

圖3 車輛偏移狀態

3 原因分析

3.1 車輛上體（帶搖枕重量）偏重超差

車體上部載荷偏重超差或旁承上部位置結構變形量較大均會造成雙曲囊式空氣彈簧上部載荷承載不均，導致車輛出現偏移。根據車輛空氣彈簧充氣后各位置載荷對比（表2），對車體進行加墊調整后，車輛偏移狀態有所改善，但橫向止擋尺寸仍然隨著空氣彈簧充風和排風不斷超差。

表2 車輛空氣彈簧充氣后各位置載荷對比 kN

將出現偏移問題的轉向架安裝于其他車輛同一位置，新的車輛仍存在橫向止擋偏移問題，證明該問題非車體重量偏差導致，應為轉向架自身原因造成橫向止擋偏移。

3.2 轉向架構架、搖枕尺寸、牽引拉桿尺寸公差

轉向架構架上空氣彈簧安裝面、搖枕安裝面、牽引拉桿安裝座間隙超差均會對空氣彈簧承載是否均勻造成影響，進而出現橫向尺寸超差問題。該轉向架構架及搖枕加工尺寸均滿足要求，將轉向架重新進行靜壓，核查牽引拉桿安裝狀態對橫向止擋尺寸產生的影響，結果顯示安裝牽引拉桿狀態下橫向止擋尺寸差值更小，說明牽引拉桿對橫向止擋的偏移起抑制和改善作用。

對轉向架重新進行靜壓加墊調整，在靜壓狀態下通過旁承高度調整墊片實現轉向架高度及重量均衡。靜壓時兩側空氣彈簧為均衡壓力，橫向止擋尺寸穩定且符合要求，但落車后橫向止擋尺寸仍然隨著空氣彈簧充排氣不斷超差。因此，排除了構架、搖枕、牽引拉桿尺寸對橫向止擋偏移的影響。

3.3 雙曲囊式空氣彈簧橫向剛度不穩定

雙曲囊式空氣彈簧由于其高度較普通空氣彈簧更高，容易出現橫向各角度剛度不穩定的情況，且空氣彈簧剛度較低，裝車時偏移力不能抵消，從而導致車體往一側偏移或扭曲。

為測試雙曲囊式空氣彈簧在各角度的橫向剛度分布情況，選取如圖4a所示的2套空氣彈簧樣本，逐次安裝在如圖4b所示的帶有供風系統的壓力機中心位置，保持壓力機高度，并將試驗臺橫向力清零、空氣彈簧分別充氣至工作載荷 63.37??kN、90.4??kN、97.88??kN、115.65??kN?，依次在如圖4c所示的8個角度進行旋轉，穩定后分別記錄此時狀態下空氣彈簧的橫向力。2套空氣彈簧不同方向的橫向剛度檢測結果如圖5、圖6所示。

圖4 空氣彈簧橫向力測試

圖5 空氣彈簧各相位角橫向剛度測試結果（樣本1）

圖6 空氣彈簧各相位角橫向剛度測試結果（樣本2）

從試驗結果可以看出，2套空氣彈簧各角度的橫向剛度實測值在80～116??kN/mm且波動較大，由此可知空氣彈簧橫向剛度不穩定。若車輛在安裝雙曲囊式空氣彈簧時不考慮其各相位角橫向剛度，則在不同載荷工況下車輛容易出現橫向位移不一致的情況，造成橫向止擋偏移。

4 改進方案

4.1 楔形墊調整法

由于轉向架結構接口原因，部分雙曲囊式空氣彈簧無法在車輛安裝時轉動角度調整其最小剛度朝向，車輛橫向止擋尺寸偏移將成為必然結果，為解決該問題，考慮采用加楔形調整墊的方法，控制空氣彈簧兩側高度差，強迫空氣彈簧向車體中央對稱偏移。

為將空氣彈簧自身的橫向剛度各向不穩定問題通過施加額外橫向載荷抵消，單獨在空氣彈簧下加1??mm×7??mm，1??mm×12??mm 的調整墊，取不同角度進行壓力機下的橫向力測試，如圖7所示，空氣彈簧沿逆時針旋轉過程中調整墊片的位置保持不變，試驗結果如表3所示。

表3 雙曲囊式空氣彈簧施加調整墊片橫向力測試 kN

圖7 空氣彈簧加墊橫向力測試

從試驗結果看加墊后橫向力出現了一致的方向性，橫向力均朝向加墊相反的方向，且調整墊越厚橫向力越大。但由于空氣彈簧安裝時需要兼顧上下導柱安裝尺寸，因此調整墊厚度不宜過大（使用1??mm×12??mm調整墊片安裝困難）。使用1??mm×7??mm調整墊片后，由于加墊斜度較小，提供的橫向力不足，該轉向架裝車調整后橫向止擋間隙尺寸仍然無法穩定。

4.2 蓋板結構優化法

如圖8所示，現有空氣彈簧上蓋板與氣囊為卷邊結構，安裝完成后上蓋板不能轉動。若將空氣彈簧上蓋板更改為扣環扣壓方式，通過螺釘將上蓋板與氣囊緊固，可調整空氣彈簧的最大橫向力方位后再最終緊固。蓋板結構優化后不僅便于拆裝和調整氣囊最小剛度方向，且在裝配完成后仍可拆卸。

圖8 空氣彈簧蓋板與氣囊固定方式

如圖9所示，為達到將橫向偏移力接近的2個空氣彈簧安裝在同一個轉向架上，使其橫向力相互抵消，需要在空氣彈簧氣囊上蓋板完成安裝后對空氣彈簧進行各相位角的橫向力測試，計算出最大橫向力（Fmax）方位并進行標記，在安裝時通過轉動蓋板將最大橫向力方位都調整至轉向架中心，然后根據計算的最大橫向力將橫向力接近的空氣彈簧進行配組裝車。

圖9 空氣彈簧橫向力對稱分布方式

雙曲囊式空氣彈簧按照上述方案改進后裝車發現車輛橫向止擋尺寸均滿足33???mm 的公差要求，通過改進方案有效解決了車輛橫向剛度異向現象造成的車輛橫向止擋偏移問題。

5 結語及建議

通過對空氣彈簧進行性能試驗及結構分析可知，雙曲囊式空氣彈簧各個方位橫向剛度存在異向不一致，變化較大，如果裝車后同一轉向架上2個空氣彈簧最大橫向力方向相同且朝向一側，橫向力相互疊加可能導致車輛出現橫向偏移的情況。若橫向剛度偏差達到一定程度，無法通過調整空氣彈簧安裝角度（兩側高度差）來解決剛度偏差造成的位移影響。因此，對于雙曲囊式空氣彈簧，建議設計時將空氣彈簧導氣孔與定位導柱同時設置為空氣彈簧中心軸，方便車輛組裝時空氣彈簧可以旋轉調整，通過安裝手段控制雙曲囊式空氣彈簧最小剛度方向，避免出現由于空氣彈簧橫向剛度不穩定引起的車輛偏移和扭轉問題。