劉建勛

(中國南車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,株洲,412007∥高級工程師)

機(jī)車車輛一系懸掛橡膠彈性元件綜述

劉建勛

(中國南車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,株洲,412007∥高級工程師)

V形彈簧、錐形彈簧和一系定位節(jié)點(diǎn)這三種橡膠彈性元件是軌道交通機(jī)車車輛一系懸掛裝置的重要組成部分。以轉(zhuǎn)向架和整車需要為出發(fā)點(diǎn),介紹了上述三種懸掛裝置的特點(diǎn)、應(yīng)用情況,并對其技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

轉(zhuǎn)向架;懸掛裝置;橡膠彈性元件;V形彈簧;錐形彈簧;一系定位節(jié)點(diǎn)

Author's addressZhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd.,412007,Zhuzhou,China

橡膠彈性元件已在軌道交通機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架的一系懸掛、二系懸掛、牽引裝置、電機(jī)懸掛等系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以橡膠彈性元件在國內(nèi)外城市軌道交通、鐵路機(jī)車車輛和高速鐵路動車組列車上的應(yīng)用為例,介紹了V形簧、錐形簧和一系定位節(jié)點(diǎn)三種典型的橡膠彈性元件的特點(diǎn),以及國內(nèi)在此技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

1 V形彈簧

V形彈簧是一種典型的一系懸掛彈性元件,其開始在一系懸掛中的應(yīng)用起源于20世紀(jì)70年代,80年代后廣泛應(yīng)用于地鐵、有軌電車,并逐步應(yīng)用于部分鐵路干線車輛和少數(shù)機(jī)車。圖1為V形彈簧的安裝照片示例。圖2為兩種典型V形彈簧。

圖1 V形彈簧的安裝照片示例

圖2 兩種典型V形彈簧

1.1 V形彈簧的優(yōu)點(diǎn)

1)使用歷史較長,產(chǎn)品成熟,可靠性得到過充分驗(yàn)證,產(chǎn)品的使用壽命能夠達(dá)到8年。

2)質(zhì)量輕,一般不超過20 kg;轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)緊湊、簡單,有時(shí)還可以省略減振器的使用,從而有效簡化轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)。

3)具有較低的垂向剛度,在提高乘坐舒適性的同時(shí),亦可提供軸箱所需的足夠的橫、縱向定位剛度,而不需要增加額外的彈性元件。

1.2 V形彈簧的缺點(diǎn)

1)由于存在V形安裝角,V形彈簧的安裝難度大,軸箱高度調(diào)整不方便,同時(shí)對安裝座的剛性要求也較高。

2)由于橡膠的蠕變和永久變形,使得產(chǎn)品在維修維護(hù)時(shí)不方便,并影響產(chǎn)品的使用壽命。

3)如果橡膠材料技術(shù)不過關(guān),產(chǎn)品易出現(xiàn)圖3所示的垂向反S特性曲線,從而增大車輛脫軌系數(shù)。

圖3 垂向反S曲線示例

1.3 V形彈簧的運(yùn)用實(shí)例及技術(shù)關(guān)鍵

控制蠕變及避免垂向反S曲線是V形彈簧研制中的關(guān)鍵點(diǎn),也是難點(diǎn)。隨著橡膠材料的技術(shù)進(jìn)步,國內(nèi)廠家在這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的研究方面取得了較大進(jìn)步,并通過與國外主機(jī)廠合作,使得V形彈簧產(chǎn)品得到批量應(yīng)用。

表1是株州時(shí)代新材料科技股份有限公司(以下簡稱“時(shí)代新材”)生產(chǎn)的V形彈簧批量應(yīng)用情況。其中,香港地鐵使用2年后的蠕變量僅為2～4 mm,并且避免了垂向反 S曲線問題。用戶按照GM/RT 2141—2000《鐵道機(jī)車車輛抗爬軌和傾覆能力標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了脫軌試驗(yàn),結(jié)果表明:輪對脫軌系數(shù)僅為0.7,遠(yuǎn)小于1.2的限度值,有較大余量。

表1 時(shí)代新材生產(chǎn)的V形彈簧應(yīng)用情況

2 錐形彈簧

與V形彈簧相似,錐形彈簧也是一種常用的一系懸掛橡膠彈性元件。錐形彈簧具有三向定位的功能,剛度滿足構(gòu)架輪對間定位及載荷傳遞的需要,同時(shí)又具有阻尼效果,結(jié)構(gòu)簡單,提高了轉(zhuǎn)向架的運(yùn)用可靠性。在城市軌道交通車輛中V型彈簧得到了越來越廣泛的應(yīng)用,并有逐漸取代V形彈簧的趨勢。圖4是一種典型的錐形彈簧安裝照片。圖5是一種典型的錐形彈簧的實(shí)物照片及結(jié)構(gòu)圖示例。

2.1 錐形彈簧的優(yōu)點(diǎn)

1)相比V形彈簧,錐形彈簧的裝配更簡單,產(chǎn)品壓縮高,更穩(wěn)定;裝車后通過垂向加減墊片調(diào)整高度,因而高度調(diào)整更容易。

圖4 錐形彈簧的安裝照片示例

圖5 錐形彈簧的實(shí)物照片及結(jié)構(gòu)簡圖示例

2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊,使轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量減輕。

3)產(chǎn)品主要通過橡膠的剪切變形來實(shí)現(xiàn)垂向的大變形,因而容易實(shí)現(xiàn)低載荷下的線性低剛度。

2.2 錐形彈簧的缺點(diǎn)

1)蠕變量較大。如果不同產(chǎn)品之間的蠕變量不均勻,轉(zhuǎn)向架會出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。

2)難以準(zhǔn)確掌握全面性能。比如在進(jìn)行橫向和縱向特性試驗(yàn)時(shí),如何找出加載時(shí)模擬軸箱的轉(zhuǎn)動中心,并與動力學(xué)計(jì)算要求相吻合,這是錐形彈簧技術(shù)上的另一個(gè)難點(diǎn)。

3)設(shè)計(jì)和制造過程中如不能掌握其關(guān)鍵點(diǎn),錐形彈簧同樣會出現(xiàn)反S曲線特性,增大車輛通過曲線時(shí)的脫軌系數(shù)。

2.3 錐形彈簧的發(fā)展趨勢

1)結(jié)構(gòu)越來越緊湊。隨著車輛向高速度、輕量化方向的發(fā)展,以及內(nèi)置式錐形彈簧應(yīng)用的增多,對外形尺寸較小、質(zhì)量較輕的錐形彈簧的需求越來越多。目前很多的錐形彈簧外徑尺寸已經(jīng)降到了φ 200 mm 以下,最小的可以達(dá)到 φ 150 mm,而質(zhì)量也普遍降到了10 kg左右。表2為幾種緊湊型錐型彈簧應(yīng)用實(shí)例及尺寸參數(shù)。

表2 幾種小軸箱彈簧數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2)承載能力越來越強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)輕量化并提高應(yīng)用的可靠性,部分轉(zhuǎn)向架開始采用每個(gè)軸箱一個(gè)錐形彈簧的結(jié)構(gòu),取代兩個(gè)軸箱簧的結(jié)構(gòu),以簡化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)并降低自重。由于軸箱簧數(shù)量減少,對軸箱簧的承載能力和剛度提出了更高的要求。

3)采用異戊橡膠。異戊橡膠具有蠕變量小、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),保證了使用壽命周期內(nèi)剛度變化在±20%以內(nèi),提高了轉(zhuǎn)向架和整車運(yùn)行穩(wěn)定性,避免了用戶頻繁調(diào)整加墊的工作量。

圖6為國外用戶對時(shí)代新材和某國際知名廠家產(chǎn)品的蠕變對比試驗(yàn)結(jié)果。從圖6中可以看出:采用異戊橡膠的產(chǎn)品在蠕變方面具有較明顯的優(yōu)勢。

圖6 時(shí)代新材與歐洲某廠商錐形彈簧的蠕變對比試驗(yàn)

2.4 國產(chǎn)錐形彈簧的應(yīng)用情況

雖然錐形彈簧在國外取得了廣泛運(yùn)用,但國內(nèi)對該技術(shù)的研究開始得較晚。隨著對異戊橡膠材料特性和錐形彈簧制造工藝的掌握,2000年才開始對錐形彈簧進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究、裝車運(yùn)用考驗(yàn)等工作。經(jīng)過近10年的發(fā)展,國產(chǎn)錐形彈簧取得了明顯的進(jìn)步,并開始大批量在國內(nèi)外城市軌道交通車輛上應(yīng)用。表3為2004年以來中國產(chǎn)錐形彈簧的部分應(yīng)用情況。自裝車以來,產(chǎn)品使用狀況良好,尤其是在蠕變性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于客戶預(yù)期。

表3 中國產(chǎn)錐形彈簧應(yīng)用情況

3 一系定位節(jié)點(diǎn)

一系定位節(jié)點(diǎn)由于結(jié)構(gòu)緊湊,牽引定位功能優(yōu)越而得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1 產(chǎn)品應(yīng)用場合、形式及技術(shù)特點(diǎn)

一系定位節(jié)點(diǎn)能夠很好地提供軸箱定位所需要的縱向、橫向剛度。采用一系定位節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)向架垂向一般采用鋼簧來承載。相比V形簧和錐形簧,這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)懸掛和定位的解耦,從而實(shí)現(xiàn)一系參數(shù)的最優(yōu)化控制。

3.2 定位轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)

鐵路干線車輛多采用鋼簧加橡膠球關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)臂定位結(jié)構(gòu)形式。其中鋼簧承擔(dān)垂向載荷,而橡膠球關(guān)節(jié)主要提供縱向和橫向定位剛度,具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。圖7為兩種典型的定位轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)。

圖7 兩種典型的定位轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)

3.3 軸箱拉桿加鋼簧結(jié)構(gòu)

在機(jī)車轉(zhuǎn)向架中,兩個(gè)鋼簧加單拉桿或兩個(gè)鋼簧加雙拉桿的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用更廣泛。這種結(jié)構(gòu)也是由鋼簧承擔(dān)垂向載荷,橡膠球關(guān)節(jié)與鋼簧共同提供軸箱所需的橫向定位剛度。而對于縱向剛度,相比橡膠關(guān)節(jié),鋼簧的剛度非常小,因此主要由橡膠關(guān)節(jié)承擔(dān)。圖8為三種典型的軸箱拉桿的鋼簧結(jié)構(gòu)。

圖8 三種典型的軸箱拉桿加鋼簧結(jié)構(gòu)

3.4 轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)技術(shù)關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)

1)橡膠球關(guān)節(jié)的各向匹配的剛度特性。橡膠關(guān)節(jié)的各項(xiàng)剛度匹配直接關(guān)系到軸箱的橫、縱向定位剛度。比如國產(chǎn)的SS7E型電力機(jī)車,其每軸箱的縱向剛度為20 kN/mm,而橡膠關(guān)節(jié)需提供3.3 kN/mm的橫向剛度[1],由此可以推算出橡膠關(guān)節(jié)需要的徑向和軸向剛度比為 20∶3.3≈6∶1,而7∶1的徑軸剛度比已經(jīng)是普通橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的極限[2],因此這需要一些特殊的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

2)適應(yīng)惡劣的疲勞可靠性條件。如圖7(b)及圖9所示,鋼簧側(cè)置是指鋼簧安裝于軸箱垂直中心線的一側(cè),如龐巴迪的T ERN-N2轉(zhuǎn)向架以及國內(nèi)的CW-2轉(zhuǎn)向架都是典型的例子。

圖9 鋼簧側(cè)置示意圖

由于橡膠關(guān)節(jié)與鋼簧分別位于軸箱的兩側(cè),為了保持繞軸箱中心線的力矩平衡,橡膠關(guān)節(jié)在承受牽引載荷的同時(shí),也必須承擔(dān)一定的垂向載荷;而在鋼簧頂置式結(jié)構(gòu)中,橡膠球關(guān)節(jié)則不需要承擔(dān)這個(gè)垂向載荷,只需承擔(dān)縱向牽引或制動載荷,因而相比鋼簧頂置,鋼簧側(cè)置結(jié)構(gòu)中的橡膠關(guān)節(jié)的工況更加惡劣。

空重車之間轉(zhuǎn)換時(shí),轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱在垂向的相對位移會造成橡膠球關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)變形;過曲線時(shí),轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱的扭轉(zhuǎn)及橫向位移,導(dǎo)致橡膠球關(guān)節(jié)發(fā)生偏轉(zhuǎn)變形。這些都使得橡膠球關(guān)節(jié)的使用工況更加惡劣,因而也會增加橡膠關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)難度。

3.5 國內(nèi)進(jìn)展情況

通過多年與歐美客戶的合作,國內(nèi)生產(chǎn)廠家在學(xué)習(xí)歐美先進(jìn)設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上,具體做了如下的一些工作:一是努力提高橡膠材料技術(shù),尤其是在影響產(chǎn)品疲勞性能主要的幾項(xiàng)橡膠材料性能方面,取得了很大的進(jìn)展;二是在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面也做了大量的工作,發(fā)展出了許多如圖10所示的新結(jié)構(gòu)。這些新結(jié)構(gòu)在保證產(chǎn)品優(yōu)良疲勞性能的同時(shí),成功解決了小徑軸剛度比的問題。

圖10 三種小徑軸剛度比橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖

表4為一系定位節(jié)點(diǎn)批量裝車運(yùn)用情況。

表4 國內(nèi)某廠研發(fā)的典型的一系懸掛橡膠關(guān)節(jié)應(yīng)用匯總

4 結(jié)語

長期以來,國內(nèi)軌道交通彈性元件技術(shù)與歐美先進(jìn)國家相比,無論是在設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),還是與轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合和產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證方面,都存在一定的差距。但經(jīng)過近十幾年來的學(xué)習(xí)和再創(chuàng)新,國產(chǎn)彈性元件與歐美先進(jìn)技術(shù)的差距在迅速縮小,甚至在一些局部領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的優(yōu)勢。隨著國產(chǎn)彈性元件的大批量應(yīng)用,尤其是在歐美市場應(yīng)用,將非常有助于提高國內(nèi)廠商對彈性元件在軌道交通機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架上應(yīng)用的理解,同時(shí)也有助于國內(nèi)廠商跟蹤國際先進(jìn)的橡膠彈性元件的設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)水平。

目前國產(chǎn)橡膠彈性元件已經(jīng)基本能夠滿足先進(jìn)國家對軌道交通彈性元件的技術(shù)要求。中國有望在不久的將來成為全世界軌道交通彈性元件的重要研發(fā)和生產(chǎn)基地。

[1]米立柱,封全保.SS7E型電力機(jī)車平穩(wěn)性問題的原因分析及改善[J].鐵道機(jī)車車輛,2007,27(增刊1):21.

[2]張春良,袁貴根,張亞新,等.軸向組合式小徑向/軸向剛度比橡膠球鉸結(jié)構(gòu)介紹[J].鐵道車輛,2010,48(3):28.

On Primary Suspension Components for Locomotive and Rolling Stock

Liu Jianxun

Chevron spring,conical spring and swing arm bush are key components of the primary suspension system for locomotive&rolling stock.This article introduces the characteristics,application and technical key items for these 3 types of suspension system in accordance with the needs of bogie and vehicle.

bogie;supension device;rubber elastic component;chevron spring;conical spring;swing arm bush

U 260.331+7

2010-09-09)