程海濤,王 進,陳燦輝,劉建勛

(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

空氣彈簧是無搖枕轉(zhuǎn)向架的重要組成部分,車輛通過曲線時,車體轉(zhuǎn)向架之間有明顯的相對扭轉(zhuǎn)運動,空氣彈簧承受扭轉(zhuǎn)運動位移,包括大的徑向位移和扭轉(zhuǎn)角位移。扭轉(zhuǎn)運動是空氣彈簧疲勞破壞的主要工況,空氣彈簧在裝車運用前,需要根據(jù)實際運營情況,進行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗驗證。不同國家和地區(qū)關(guān)于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的試驗方法差別較小,但試驗條件和判斷準則差別較大,重點對試驗條件和判斷準則進行討論。

1 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗方法

扭轉(zhuǎn)疲勞試驗時,模擬空氣彈簧在現(xiàn)車上的安裝情況把其放置于試驗臺上,與上蓋接觸的試驗臺面積應不小于現(xiàn)車接觸面積,二者摩擦系數(shù)盡量模擬現(xiàn)車情況;固定上蓋或底板,使底板或上蓋能夠相對運動,上蓋相對底板的橫向偏移量可調(diào),以模擬車輛通過曲線時車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向偏移;能夠隨時向空氣彈簧充氣或充水以補充內(nèi)部壓力。

對空氣彈簧水平加載,使其繞固定軸線產(chǎn)生循環(huán)往復運動,以模擬車輛在曲線軌道上運行時,空氣彈簧在車體與轉(zhuǎn)向架之間的相對運動,試驗原理見圖1。

2 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗條件

空氣彈簧標準中國 TB/T 2841—2005、歐洲 EN 13597—2003和日本JIS E 4206—1989都有關(guān)于上述試驗方法的描述。

TB/T 2841標準中關(guān)于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的描述為:將空氣彈簧保持在標準高度,充入0.5 MPa的氣壓后,在轉(zhuǎn)動半徑為1 m的轉(zhuǎn)臂帶動下,以振幅±80 mm,頻率0.5～1 Hz,在水平方向進行5×104次扭轉(zhuǎn)振動;然后將其壓力降為0.45MPa,繼續(xù)扭轉(zhuǎn)振動5×104次;再充至0.5 MPa的氣壓,并使空氣彈簧上端(或下端)沿徑向偏離中心50 mm,在轉(zhuǎn)動半徑為1 m的轉(zhuǎn)臂帶動下,以振幅±80 mm,頻率0.5～1 Hz,在水平方向進行5×104次扭轉(zhuǎn)振動;再將其壓力降為0.45 MPa,繼續(xù)扭轉(zhuǎn)振動5×104次。

圖1 空氣彈簧扭轉(zhuǎn)疲勞試驗原理

EN 13597—2003標準中關(guān)于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的描述為:空氣彈簧在標準高度,以轉(zhuǎn)動半徑為Lb的轉(zhuǎn)臂帶動下,振幅為a,載荷為空載,在水平方向進行至少5×104次扭轉(zhuǎn)振動;然后將其載荷降到空載的90%,繼續(xù)扭轉(zhuǎn)振動至少 5×104次;再充至載荷為空載,并使空氣彈簧上端(或下端)沿徑向偏離中心橫向最大位移,轉(zhuǎn)動半徑和振幅不變,在水平方向進行至少5×104次扭轉(zhuǎn)振動;然后將其載荷降到空載的90%,繼續(xù)扭轉(zhuǎn)振動至少5×104次。

空氣彈簧往復運動的振幅按照式(1)計算:

式中LB為車輛定距的一半,m;Lb為空氣彈簧中心到轉(zhuǎn)向架中心銷或牽引拉桿中心的距離,m為線路曲線半徑,根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求確定,如果技術(shù)規(guī)范沒有明確要求,取150 m。

JIS E 4206—1989標準關(guān)于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的描述為:在0.5～1.5 Hz的任一頻率下,水平常用最大位移作2×105次的水平振動。垂直和水平振動可同時進行。試驗中,空氣彈簧的平均內(nèi)壓力不應小于常用最高內(nèi)壓力。

可以看出不同標準的試驗條件有較大差異,見表1。

表1 不同標準扭轉(zhuǎn)疲勞試驗條件

上述試驗條件中,疲勞試驗振幅、扭轉(zhuǎn)半徑和試驗次數(shù)是較為關(guān)鍵的參數(shù)?？梢钥闯?TB/T 2841和JIS E 4206標準的試驗振幅采用固定幅值,振幅分別為±80 mm和±70 mm,扭轉(zhuǎn)半徑分別為1.0 m和0.95 m,疲勞試驗次數(shù)均為20萬次。而EN 13597則根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)不同而變化振幅和扭轉(zhuǎn)半徑,20萬次是其最少的疲勞試驗次數(shù)。

3 試驗振幅

扭轉(zhuǎn)疲勞試驗振幅對空氣彈簧的破壞性較大,主要模擬車輛通過曲線時車體與轉(zhuǎn)向架之間縱向相對位移,其與車輛定距、空氣彈簧橫向跨距、線路曲線半徑直接相關(guān),如式(1)所示。

對于不同的車輛,定距和橫向跨距不會完全相同,即使運行線路完全相同,通過曲線時產(chǎn)生的車體與轉(zhuǎn)向架之間縱向相對位移也會有差異。表2為國內(nèi)鐵路干線主型車通過R150 m曲線時,車體與轉(zhuǎn)向架之間縱向相對位移對比?？梢钥闯?即使通過相同半徑的曲線,不同車型的位移有明顯的差值,最大與最小相差達到19 mm。

因此,TB/T 2841和JIS E 4206標準的試驗振幅采用固定幅值是不合理的,這樣對于有的空氣彈簧試驗條件可能過于苛刻,而對于另外的空氣彈簧,試驗條件則可能較為寬松,達不到充分考驗疲勞性能的目的。建議按照EN 13597—2003標準,采取按照公式(1)的變振幅方式,不同的車輛選用不同的試驗幅值,關(guān)于曲線半徑,建議按照我國鐵路干線9號道岔的R180 m。

4 扭轉(zhuǎn)半徑

扭轉(zhuǎn)半徑主要是模擬車輛通過曲線時,空氣彈簧到轉(zhuǎn)向架中心的水平距離,一般為空氣彈簧橫向跨距的一半。由表2可以看出,不同的車型,其空氣彈簧橫向跨距不同。如果采用固定的扭轉(zhuǎn)半徑,則對于橫向跨距大的車型,疲勞試驗扭轉(zhuǎn)角度大,對于橫向跨距小的車型,疲勞試驗扭轉(zhuǎn)角度也小,也不能達到模擬實際運行條件的目的。

建議按照EN 13597—2003標準,采用空氣彈簧到轉(zhuǎn)向架中心的水平距離作為扭轉(zhuǎn)半徑。

表2 鐵路干線主型車通過小曲線半徑時車體轉(zhuǎn)向架之間縱向位移

5 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗次數(shù)

扭轉(zhuǎn)疲勞試驗主要模擬車輛通過曲線和道岔時的工作狀態(tài),疲勞試驗次數(shù)應該依據(jù)車輛實際運行時經(jīng)過的曲線和道岔數(shù)量,這樣才能證明空氣彈簧基本能夠達到期望的壽命。

既有25型車按照TB/T 2841—2005中的20萬次進行疲勞試驗,但約50%的空氣彈簧氣囊運用過程中出現(xiàn)了裂紋,不能滿足技術(shù)要求。說明TB/T 2841—2005中的20萬次不足以考核空氣彈簧的耐疲勞性能,因此應增加疲勞試驗循環(huán)次數(shù)。

我國干線鐵路車輛年運行里程為40萬～70萬km,空氣彈簧壽命要求為6～10年,使用期限內(nèi)運行總里程為240萬～480萬km。

按照車輛每天運行里程1 500 km,每年運行300天,6年運用時間計算。結(jié)合我國線路譜情況,曲線占總運行里程的30%～40%,假設車輛每運行100 km停靠一個車站,每個車站進站和出站大約經(jīng)過6個道岔,僅考慮半徑在R800 m以內(nèi)的曲線和小于18#道岔,按照R800 m以內(nèi)的曲線個數(shù)占所有曲線的65%,小于18#的道岔占所有道岔的90%考慮,則車輛每天經(jīng)過R800 m以內(nèi)的曲線和小于18#道岔的總數(shù)約為576個,6年使用期限內(nèi),空氣彈簧承受的總扭轉(zhuǎn)循環(huán)次數(shù)為104萬次。國內(nèi)鐵路干線用空氣彈簧扭轉(zhuǎn)次數(shù)載荷譜計算見表3。

表3中的空氣彈簧總靜態(tài)徑向位移按照定距18 m,橫向跨距2 m,曲線半徑R180 m,轉(zhuǎn)向架橫向位移35 mm計算。

表3 國內(nèi)鐵路干線用空氣彈簧扭轉(zhuǎn)次數(shù)載荷譜計算

如果按照表3中的循環(huán)次數(shù)和總徑向位移進行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗,則試驗時間較長,且要變換不同的試驗振幅,試驗調(diào)整難度大,參照CRH系列動車組和國外主機廠試驗條件,建議對循環(huán)次數(shù)和位移進行等效,循環(huán)次數(shù)取60萬次,振幅按照公式(1)計算。表4為國外主機廠對于無搖枕轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)疲勞試驗條件要求及合格判斷準則示例。

6 疲勞試驗結(jié)束后的驗證

疲勞試驗結(jié)束后的產(chǎn)品,仍然要保持其功能特性。TB/T 2841—2005,JIS E 4206—1989標準疲勞試驗結(jié)束后的功能驗證僅包括氣密性檢驗,EN 13597中沒有關(guān)于輔助彈簧疲勞試驗結(jié)束后的功能驗證。建議參照EN 13597—2003標準增加空氣彈簧疲勞試驗后的最大外形測試、承載能力測試、剛度測試、爆破試驗、氣囊耐環(huán)境能力和簾布層間粘合強度測試,增加輔助彈簧垂向疲勞后的剛度測試,只有上述結(jié)果均符合技術(shù)規(guī)范要求和相關(guān)標準要求時,才能證明空氣彈簧扭轉(zhuǎn)疲勞試驗合格。

7 結(jié)論及建議

國內(nèi)空氣彈簧標準應當吸取既有空氣彈簧標準中合理的內(nèi)容,結(jié)合中國軌道車輛運行情況和運行條件,重新制定。

由于國內(nèi)既有空氣彈簧標準已不適應軌道車輛的運行需要,很多測試項沒有驗證依據(jù)和試驗方法,建議盡快修訂既有空氣彈簧標準,以滿足不同軌道車輛的運營需要。在修訂時把握標準的廣泛適用性和先進性,采納既有國內(nèi)外標準的合理內(nèi)容,結(jié)合我國線路和車輛運營情況,滿足我國軌道車輛對二系懸掛系統(tǒng)的需要。

[1] TB/T2841—2005.鐵道車輛空氣彈簧[S].

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

[3] JIS E 4206—1989.鐵道車輛用彈簧裝置[S].