陳燦輝,程海濤,劉建勛

(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

空氣彈簧是在柔性密閉容器中充入壓力空氣,利用空氣的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈性作用的一種彈性元件。與鋼彈簧相比,空氣彈簧具有承載能力大、自振頻率基本不變、變形能力強(qiáng)、配合使用電子控制裝置可保持車體高度恒定等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于中高速客車、地鐵及輕軌車輛上。

空氣彈簧作為軌道車輛二系懸掛的重要部件,在材料、設(shè)計、制造工藝與檢測等方面均擁有較為關(guān)鍵的技術(shù)。株洲時代新材料科技股份有限公司(簡稱時代新材)在空氣彈簧領(lǐng)域通過對多個國內(nèi)外項(xiàng)目的開發(fā)及批量應(yīng)用,在產(chǎn)品材料、設(shè)計、制造工藝與檢測等技術(shù)研究方面均積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。通過總結(jié)空氣彈簧在這些項(xiàng)目上的研發(fā)經(jīng)驗(yàn),介紹空氣彈簧在結(jié)構(gòu)研究、應(yīng)用與關(guān)鍵知識點(diǎn)研究等方面的技術(shù),并對空氣彈簧方面未來仍需深入研究的內(nèi)容進(jìn)行了討論。

1 空氣彈簧結(jié)構(gòu)類型與應(yīng)用

由于軌道交通線路狀況、車輛的運(yùn)行速度、車輛人口密度的不同,使得車輛的二系空氣彈簧懸掛需要具備不同的性能與空間尺寸,根據(jù)目前應(yīng)用的空氣彈簧結(jié)構(gòu),主要有氣囊結(jié)構(gòu),輔助彈簧結(jié)構(gòu),氣囊與輔助彈簧組合結(jié)構(gòu)。

1.1 氣囊結(jié)構(gòu)類型與特點(diǎn)

氣囊根據(jù)密封方式、腰帶約束型式分為以下4種類型[1]。

(1)大曲囊式氣囊

大曲囊式氣囊的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 大曲囊式氣囊

大曲囊式氣囊最大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于,氣囊上子口直徑大于氣囊的有效直徑,并采用機(jī)械密封式結(jié)構(gòu),通常下子口采用自密封式結(jié)構(gòu),氣囊的弧面較長,在相同的有效面積前提下,氣囊通常具有較大的內(nèi)容積,因此具有垂向與水平剛度較低,位移能力較大的特點(diǎn)。

由于氣囊的上子口采用機(jī)械密封方式,上子口的密封設(shè)計較為關(guān)鍵,不當(dāng)?shù)呐浜狭吭O(shè)計,極易導(dǎo)致氣囊上子口漏氣,甚至螺釘?shù)钠茐呐c上蓋板變形或開裂。此外,由于氣囊的上下子口直徑差異較大,產(chǎn)品的成型工藝較為特殊,需要采用專用的設(shè)備與工藝方式進(jìn)行生產(chǎn),因此氣囊與蓋板間的密封設(shè)計、氣囊的工藝技術(shù)是該類氣囊的技術(shù)關(guān)鍵。

(2)小曲囊式氣囊

小曲囊式氣囊的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 小曲囊式氣囊

小曲囊式氣囊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于氣囊通常較小,且上下子口直徑接近,并通常采用自密封式結(jié)構(gòu)。該類產(chǎn)品較易于裝配,并且在相同的外徑情況下,相對于大曲囊式氣囊具有較大的承載能力;此外,通過合理設(shè)計上蓋板的接觸型面可以獲得較好的剛度性能,增加小曲囊式氣囊的弧長可有效地提高空氣彈簧的水平大位移能力。

也有在特殊情況下,將上蓋板外緣做成一個圓筒結(jié)構(gòu),沿伸至接近氣囊底部,限制氣囊向外的變形,并可較好地保護(hù)空氣彈簧免受外部物質(zhì)的損傷。該類結(jié)構(gòu)見圖3。

小曲囊式氣囊由于上下子口直徑接近,產(chǎn)品易于制造,空氣彈簧的密封性能設(shè)計是該類氣囊的技術(shù)關(guān)鍵。

(3)腰帶式氣囊

腰帶式氣囊的結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 約束式小曲囊式氣囊

圖4 腰帶式氣囊

腰帶式氣囊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于氣囊腰部硫化有一金屬腰帶,通常由鋼絲纏繞而成,在空間尺寸限制嚴(yán)格的情況下,用于約束氣囊的向外變形,因此在相同的外徑尺寸條件下,腰帶式氣囊具有較強(qiáng)的承載能力。同時,受到腰帶的影響,氣囊的水平大位移能力弱于大曲囊式和小曲囊式氣囊。該類氣囊的上下子口直徑接近,為自密封式結(jié)構(gòu)。

(4)雙曲囊式氣囊

雙曲囊式氣囊的結(jié)構(gòu)見圖5。

雙曲囊式氣囊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于氣囊上下為對稱結(jié)構(gòu),中部有一個鋼絲圈將氣囊分為2個小曲囊,上下子口通常為機(jī)械式密封結(jié)構(gòu);產(chǎn)品通常較高,因此具有良好的垂向伸縮性能,但在大水平位移情況下易發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象,此類產(chǎn)品適用于垂向振動較大而水平位移較小的應(yīng)用工況。

圖5 雙曲囊式氣囊

1.2 典型的輔助彈簧結(jié)構(gòu)類型與特點(diǎn)

空氣彈簧的輔助彈簧根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為4種典型的結(jié)構(gòu)類型,以滿足車輛應(yīng)用的需要。

(1)平板彈簧

平板式彈簧的結(jié)構(gòu)見圖6。

平板式彈簧是由多層與水平方向平行的橡膠及增強(qiáng)層硫化而成,增強(qiáng)層通常為金屬,但在某些特殊應(yīng)用下也采用增強(qiáng)纖維結(jié)構(gòu)。當(dāng)產(chǎn)品受垂向載荷時,橡膠處于壓縮狀態(tài),受水平載荷時,橡膠處于剪切狀態(tài),因此平板式彈簧具有垂向剛度較大而水平剛度較小的特點(diǎn)。配合小曲囊式氣囊使用,可實(shí)現(xiàn)較大的水平位移。然而,由于平板式彈簧的垂向剛度較大,當(dāng)空氣彈簧在無氣運(yùn)營時車輛存在脫軌的風(fēng)險。

(2)錐形彈簧

錐形彈簧的結(jié)構(gòu)見圖7。

錐形彈簧由多層與水平方向呈一定夾角的橡膠及增強(qiáng)層硫化而成,增強(qiáng)層通常為金屬。當(dāng)彈簧受垂向載荷時,橡膠層同時處于剪切與壓縮狀態(tài),為實(shí)現(xiàn)較好的垂向剛度,在此條件下,剪切應(yīng)變高于壓縮應(yīng)變,因此錐形彈簧的垂向剛度較低且呈現(xiàn)出剛度非線性的特點(diǎn),即載荷較小時剛度低,載荷增大時剛度增大的特點(diǎn)。錐形彈簧的水平剛度通常較大,因此為空氣彈簧系統(tǒng)貢獻(xiàn)的水平位移小。

錐形彈簧的壓縮高控制、蠕變性能、粘結(jié)控制及動靜比性能是該類產(chǎn)品的技術(shù)關(guān)鍵。

(3)錐形彈簧與平板彈簧組合彈簧

錐形彈簧與平板彈簧組合的結(jié)構(gòu)見圖8。

圖6 平板式彈簧

圖7 錐形彈簧

圖8 錐形與平板彈簧組合

錐形彈簧與平板彈簧組合可以結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn),即垂向剛度與水平剛度較低,既可以滿足空氣彈簧無氣運(yùn)營時的安全性能,又可為氣囊分擔(dān)水平位移,二者組合可以方便地調(diào)整無氣狀態(tài)下的垂向剛度與水平剛度,滿足車輛無氣運(yùn)營時所需的性能指標(biāo)。但組合式彈簧需要較高的空間高度要求。

(4)半沙漏彈簧

半沙漏彈簧的結(jié)構(gòu)見圖9。

半沙漏堆彈簧由類似于半沙漏型面的厚橡膠與水平放置的金屬骨架硫化而成,橡膠部分通常較厚,通過形面的特殊設(shè)計,產(chǎn)品無論在垂直方向還是水平方向均具有較好的柔性,該類彈簧兼有平板彈簧的水平位移能力較大與錐形彈簧的垂向剛度較小的特點(diǎn)而較受歡迎。為適應(yīng)不同的空間尺寸要求,在半沙漏堆基礎(chǔ)上也發(fā)展出了多種變異的結(jié)構(gòu)。

該類彈簧由于橡膠部分較厚,配方與制造工藝是該類彈簧的技術(shù)關(guān)鍵之一。

1.3 空氣彈簧系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)類型與應(yīng)用

通過氣囊與輔助彈簧的組合,空氣彈簧系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)類型可分為以下5種。

(1)小曲囊氣囊與平板彈簧組合式

此類彈簧的結(jié)構(gòu)見圖10。

圖9 半沙漏堆彈簧

圖10 小曲囊與平板組合式空氣彈簧

該類結(jié)構(gòu)為典型的適用于日本轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧,產(chǎn)品的垂向空間通常較為緊湊,大多數(shù)的產(chǎn)品高度在200 mm以內(nèi)。在此類型上通過合理設(shè)計氣囊與平板彈簧,可以實(shí)現(xiàn)較大的水平位移,廣泛應(yīng)用于有搖枕、無搖枕轉(zhuǎn)向架,如國內(nèi)160 km/h的25T/25K列車,同時在CRH2250 km/h的動車組上采用了該種類型的空氣彈簧。

(2)大曲囊與錐形彈簧組合式

此類彈簧的結(jié)構(gòu)見圖11。

此類空氣彈簧為典型的歐洲設(shè)計風(fēng)格。由于大曲囊式氣囊沒有外部約束,該類結(jié)構(gòu)往往需要較高的垂向與外徑空間尺寸,在垂向與水平方向均能提供較低的剛度,以滿足車輛運(yùn)行的舒適度,即使空氣彈簧在無氣運(yùn)營時,也具有較好的安全性能。在Alstom,Bombardier,Siemens轉(zhuǎn)向架上得到廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)的廣州地鐵1號線、2號線、3號線及上海地鐵多條線路上運(yùn)用了此結(jié)構(gòu),國內(nèi)的高速車中CRH1-250也采用了該種結(jié)構(gòu)形式。

(3)大曲囊氣囊與錐形彈簧、平板彈簧組合式

此類彈簧的結(jié)構(gòu)見圖12。

由于輔助彈簧兼有錐形彈簧及平板彈簧的優(yōu)點(diǎn),需要有較高的工作空間,能滿足無氣狀態(tài)下的安全性能及充氣狀態(tài)下的過曲線能力,在高速車上得到廣泛的應(yīng)用,如國內(nèi)的高速車CRH1-380及CRH3-380均采用此類結(jié)構(gòu)。

圖11 大曲囊與錐形彈簧組合式空氣彈簧

(4)腰帶式氣囊與平板彈簧組合式

此類彈簧的結(jié)構(gòu)見圖13。

該類結(jié)構(gòu)具有良好的承載能力,適合于載荷較高而水平空間較小的情況,通過恰當(dāng)?shù)钠桨鍙椈傻脑O(shè)計,空氣彈簧的水平位移能力可達(dá)到130 mm。在印度的幾種主型車,如EMU/DMU,MAINLINE上得到了廣泛的應(yīng)用。

圖12 大曲囊與錐形彈簧、平板彈簧組合式空氣彈簧

圖13 腰帶式與平板彈簧組合空氣彈簧

(5)小曲囊與半沙漏彈簧組合式

此類彈簧的結(jié)構(gòu)見圖14。

圖14 小曲囊與半沙漏堆組合式空氣彈簧

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):該類彈簧具有良好的水平位移能力,無氣運(yùn)行時安全性較高,所需的空間尺寸較小。在歐洲的某些轉(zhuǎn)向架上得到了廣泛的應(yīng)用。

2 空氣彈簧的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 氣囊材料技術(shù)研究

空氣彈簧橡膠氣囊的工作條件較為苛刻,要求氣囊膠料具有較好的拉伸強(qiáng)度,氣密性,耐屈撓性能,耐臭氧性能、耐高低溫性能、耐油與清洗劑性能、耐磨耗性能及與簾布骨架層間較好的粘合性能。通常采用氯丁膠作為空氣彈簧氣囊膠料的主體配方,以滿足空氣彈簧在上述性能指標(biāo)上的要求。時代新材在空氣彈簧配方方面開展了多年的研究,在配方技術(shù)上能達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13597:2003的指標(biāo)要求,關(guān)鍵指標(biāo)的測量結(jié)果見表1所示。

氯丁橡膠的生產(chǎn)工藝控制是該材料批量化應(yīng)用的制約因素,隨著時代新材在該領(lǐng)域的長期與深入研究,解決了氣囊工藝質(zhì)量隨氯丁橡膠性能波動的問題,產(chǎn)品自2004年開始得到批量應(yīng)用,2007年在青藏線SW-200發(fā)電車上得以運(yùn)用,通過了較為惡劣的運(yùn)營工況的檢驗(yàn)。

表1 空氣彈簧氣囊膠料性能指標(biāo)

2.2 空氣彈簧可靠性技術(shù)研究

在軌道交通領(lǐng)域中,空氣彈簧不僅承受垂向載荷(如靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)載荷),同時在過曲線時也會承受大的水平變形。例如,將軸距為2.5 m,中心距為16 m,當(dāng)車輛通過半徑90 m的曲線時,空氣彈簧需承受的水平位移可達(dá)到110 mm。在空氣彈簧的水平位移中,氣囊分擔(dān)著主要的水平位移,該水平位移量的大小取決于輔助彈簧的結(jié)構(gòu)類型。例如,當(dāng)輔助彈簧采用錐形彈簧時,氣囊的水平位移將達(dá)到空氣彈簧系統(tǒng)水平位移的90%以上。大多數(shù)情況下空氣彈簧的失效均由于氣囊承擔(dān)大的水平位移而產(chǎn)生的失效。

為了有效地研究空氣彈簧的可靠性,時代新材與歐洲客戶開展了聯(lián)合研究項(xiàng)目。由于橡膠材料及骨架材料的特殊性,目前并沒有公開材料S-N曲線,采用傳統(tǒng)的金屬部件疲勞壽命預(yù)測的方法存在難度;本疲勞研究從產(chǎn)品的疲勞試驗(yàn)入手對壽命進(jìn)行研究[2]。通過對選定規(guī)格的氣囊按照不同的振幅與載荷進(jìn)行了一系列扭擺疲勞試驗(yàn)(見圖15),每種試驗(yàn)工況下至少需要2個產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn),以考慮氣囊的試制誤差與試驗(yàn)誤差的影響。此疲勞試驗(yàn)按照EN13597中的氣密性檢驗(yàn)為是否失效的標(biāo)準(zhǔn),定期進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。通過對一系列產(chǎn)品進(jìn)行一系列載荷工況的試驗(yàn),獲得了產(chǎn)品在不同載荷與位移條件下的循環(huán)次數(shù),即產(chǎn)品的疲勞曲線。與此同時,運(yùn)用有限元分析技術(shù)對產(chǎn)品在試驗(yàn)工況下的受力情況進(jìn)行分析(見圖16),獲得等效疲勞壽命曲線。試驗(yàn)結(jié)果表示,有限元分析計算獲得的循環(huán)次數(shù)與產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好(見圖17),具有較好的指導(dǎo)意義。同時輔助彈簧也可采用類似的方法進(jìn)行疲勞研究。

圖15 空氣彈簧扭擺疲勞試驗(yàn)示意圖

圖16 空氣彈簧扭擺位移應(yīng)力分析

圖17 空氣彈簧疲勞性能預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果對比

3 結(jié)束語

對于空氣彈簧的典型結(jié)構(gòu)類型與應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié),并簡要介紹了氣囊橡膠材料與疲勞性能研究方面的進(jìn)展情況,隨著軌道交通技術(shù)的發(fā)展,對于空氣彈簧也提出了較高的要求,比如,在空間尺寸有限的情況下,要求空氣彈簧能提供較高的水平位移,在某些情況下達(dá)到±150 mm以上。因此空氣彈簧的應(yīng)用與基礎(chǔ)研究工作需持續(xù)進(jìn)行,仍需考慮的內(nèi)容包括但不局限于以下方面:

(1)需要重視輔助彈簧的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與工藝技術(shù)的研究。在空間尺寸限制嚴(yán)格的情況下,當(dāng)氣囊的位移發(fā)揮至極限時,需要輔助彈簧能貢獻(xiàn)較大的水平位移,因此要求輔助彈簧不僅有較小的垂向剛度性能以滿足車輛在無氣運(yùn)營時的可靠性,另一方面還需要有較強(qiáng)的水平位移能力及穩(wěn)定性。

(2)空氣彈簧系統(tǒng)的可靠性研究技術(shù)仍需深入進(jìn)行,例如,考慮外部環(huán)境因素對于橡膠材料的老化作用,如何獲得較可靠的運(yùn)行載荷譜,如何將復(fù)雜的空氣彈簧運(yùn)行載荷譜與空氣彈簧的疲勞試驗(yàn)條件進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換等。

(3)如何合理地設(shè)計空氣彈簧系統(tǒng),氣囊與輔助彈簧的疲勞性能較好地匹配,以實(shí)現(xiàn)較佳的空氣彈簧系統(tǒng)運(yùn)營壽命。

[1]EN 13597-2003鐵道車輛用橡膠懸掛部件—空氣彈簧膠囊[S].

[2]P.Life endurance testing of rubber springs[J],Eckwerth,Phoenix Traffic Technology GmbH,2002.09.