張國(guó)富王 頡方 宇李寶明王建兵郭慧明

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620，上海；2.呼和浩特鐵路局安監(jiān)室，010050，呼和浩特；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司維護(hù)保障中心，201100，上?！蔚谝蛔髡?，碩士）

地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測(cè)臺(tái)的研制*

張國(guó)富1王 頡2方 宇1李寶明1王建兵3郭慧明3

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620，上海；2.呼和浩特鐵路局安監(jiān)室，010050，呼和浩特；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司維護(hù)保障中心，201100，上?！蔚谝蛔髡?，碩士）

設(shè)計(jì)研制了地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測(cè)臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行了氣密性試驗(yàn)和垂向靜剛度試驗(yàn)。該檢測(cè)臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)臺(tái)可滿足空氣彈簧日常檢修過程中的性能測(cè)試需要，為地鐵車輛檢修部門在車輛日常保養(yǎng)和維修過程中判斷空氣彈簧系統(tǒng)的性能狀態(tài)提供了有效的檢測(cè)手段。

地鐵車輛；空氣彈簧；檢測(cè)臺(tái)；列車檢修

First-author'saddressCollege of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering Science，201620，Shanghai，China

目前，國(guó)內(nèi)地鐵車輛常用的空氣彈簧型式多樣，且性能差別較大，因此給地鐵車輛檢修部門的日常檢修工作帶來諸多不便。當(dāng)前，地鐵車輛維修中普遍缺乏科學(xué)、有效的性能檢測(cè)手段，只能通過目測(cè)、手摸和涂抹肥皂水等方法對(duì)空氣彈簧進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢測(cè)，無法從根本上判斷空氣彈簧是否滿足繼續(xù)使用的要求［1-2］。因此，出于列車運(yùn)行安全考慮，空氣彈簧未到理論使用壽命就強(qiáng)制報(bào)廢的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

本研究設(shè)計(jì)并研制了一種新型地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測(cè)臺(tái)，可以滿足地鐵車輛多種型號(hào)空氣彈簧的性能檢測(cè)需要。試驗(yàn)結(jié)果證明，該新型檢測(cè)臺(tái)的使用可以有效提高地鐵車輛空氣彈簧系統(tǒng)的檢修效率和檢修質(zhì)量，大幅降低檢修成本。

1 檢測(cè)臺(tái)功能及組成

1.1 檢測(cè)臺(tái)功能

根據(jù)車輛空氣彈簧檢修現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，結(jié)合TB/T 2841—2010《鐵道車輛空氣彈簧》、EN 13597—2003《鐵路應(yīng)用橡膠懸掛元件、空氣懸掛彈簧橡膠模板》和EN 13913—2003《鐵路方面使用的合成橡膠基彈性元件合成橡膠基機(jī)械部件》等國(guó)內(nèi)外鐵路標(biāo)準(zhǔn)文件［3-5］，設(shè)計(jì)的地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測(cè)臺(tái)具備以下4項(xiàng)功能：①模擬列車空氣彈簧實(shí)際載荷工況，實(shí)現(xiàn)多種形式空氣彈簧的裝夾和加載功能；②空氣彈簧系統(tǒng)氣密性檢測(cè)功能；③空氣彈簧系統(tǒng)垂向靜剛度試驗(yàn)功能；④空氣彈簧系統(tǒng)高度測(cè)量功能。

1.2 檢測(cè)臺(tái)組成

檢測(cè)臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)3大部分組成，實(shí)物外形見圖1。

1.2.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)空氣彈簧的垂向靜載荷施加，其載荷值根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行工況（AW0（空載）、AW1（滿座）、AW2（額定荷載）、AW3（超載））下空氣彈簧實(shí)際承受的載荷計(jì)算得到。檢測(cè)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分采用從整體到部分，從下到上逐層疊加的設(shè)計(jì)方法，主要包括六立柱式機(jī)械構(gòu)架、同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓力加載機(jī)構(gòu)、通用型空氣彈簧充氣夾具等部件。根據(jù)車輛維修車間的特殊環(huán)境狀況，該檢測(cè)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體外形尺寸設(shè)計(jì)為1.6 m×1.3 m ×2.2 m，質(zhì)量約為2 t。

圖1 地鐵車輛空氣彈簧通用性檢測(cè)

目前，國(guó)內(nèi)地鐵車輛較為常見的空氣彈簧主要有φ500型、SYS 500B型、684 N4.100 P17（R/L）型和7140 N10 P11（R/L）型等［6-7］。由于不同型號(hào)空氣彈簧的外觀尺寸、安裝方式和充氣方式均不相同，因此該檢測(cè)臺(tái)特別設(shè)計(jì)了一種適用于多種型號(hào)空氣彈簧夾裝、充氣和性能測(cè)試的通用型夾具。該通用型多功能夾具是本檢測(cè)臺(tái)與同類檢測(cè)設(shè)備相比最大的技術(shù)創(chuàng)新之一。

此外，考慮到未來地鐵車輛的空氣彈簧型號(hào)還可能增加、空氣彈簧的性能檢測(cè)指標(biāo)可能增多等因素，本檢測(cè)臺(tái)在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)預(yù)留出相應(yīng)的設(shè)計(jì)接口以方便檢測(cè)臺(tái)的后續(xù)功能開發(fā)。

1.2.2 氣路系統(tǒng)

檢測(cè)臺(tái)氣路系統(tǒng)主要用以實(shí)現(xiàn)空氣彈簧系統(tǒng)的附加空氣室功能，采用了集成化、緊湊型的設(shè)計(jì)思想，主要由承載機(jī)架、附加氣室、電磁閥組合模塊3大部分組成（如圖2所示）。其中，根據(jù)對(duì)目前常用空氣彈簧附加空氣室容積的調(diào)研結(jié)果，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了容積分別為25 L、50 L、75 L 3種型號(hào)的附加氣室。在性能試驗(yàn)過程中，通過對(duì)這3種附加空氣室進(jìn)行不同容積組合，可以基本滿足國(guó)內(nèi)地鐵車輛所有常用型號(hào)空氣彈簧的測(cè)試要求。

1.2.3 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)主要功能是根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容控制伺服電機(jī)工作，控制氣路系統(tǒng)的充排氣，采集傳感器信號(hào)，顯示處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧系統(tǒng)高度、氣密性和垂向靜剛度等性能的檢測(cè)。

圖2 附加空氣室系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

1.2.3.1 硬件系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)的硬件部分主要包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、交流伺服電機(jī)、傳感器、運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集卡等。系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)據(jù)采集卡為主體，通過外圍接口和電纜，連接運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和各種傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到精確控制和測(cè)量的目的。這種控制形式，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量與控制，操作簡(jiǎn)便，方便參數(shù)調(diào)整，大大提高了空氣彈簧的檢測(cè)效率。測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)開發(fā)基于圖形化編程語(yǔ)言Lab VIEW，采用模塊化的編程方式來對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立編制。

根據(jù)檢測(cè)臺(tái)所需實(shí)現(xiàn)的控制功能，軟件可以劃分為以下5大功能模塊：①系統(tǒng)初始化模塊；②力加載和充、排氣控制模塊；③試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集模塊；④數(shù)據(jù)處理模塊；⑤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢模塊。

2 檢測(cè)臺(tái)使用性能驗(yàn)證

利用該檢測(cè)臺(tái)對(duì)SYS 500B型空氣彈簧進(jìn)行氣密性和剛度試驗(yàn)，并以此對(duì)檢測(cè)臺(tái)的使用性能和精度進(jìn)行驗(yàn)證。檢測(cè)臺(tái)試驗(yàn)方法嚴(yán)格遵照第1節(jié)提出的鐵路國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行制訂。

2.1 空氣彈簧充氣狀態(tài)下的氣密性試驗(yàn)

2.1.1 基本試驗(yàn)條件

空氣彈簧充氣狀態(tài)下氣密性試驗(yàn)的基本條件見表1。

表1 氣密性試驗(yàn)基本條件

2.1.2 試驗(yàn)方法

（1）將空氣彈簧整體高度保持在標(biāo)準(zhǔn)高度H0（270 mm），充入壓力空氣，使其膠囊內(nèi)氣壓達(dá)到1.3 PM（790 kPa）（PM為給空氣彈簧系統(tǒng)施加最大垂向靜壓力時(shí)的內(nèi)壓力，即工況AW3時(shí)的內(nèi)壓力）保壓30 s。

（2）釋放膠囊中的部分氣體，使氣壓降低至0.9 PM（550 kPa），保壓10 min，測(cè)量該保壓過程最后5 min的膠囊內(nèi)的氣壓下降數(shù)值。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

SYS 500B型空氣彈簧氣密性試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 SYS 500B型空氣彈簧氣密性試驗(yàn)結(jié)果

由測(cè)算得，最后5 min的氣壓下降值為10.507 kPa，小于15 kPa，所以該空氣彈簧的氣密性指標(biāo)合格。

2.2 空氣彈簧充氣狀態(tài)下的垂向靜剛度試驗(yàn)

2.2.1 基本試驗(yàn)條件

空氣彈簧充氣狀態(tài)下垂向靜剛度試驗(yàn)的基本試驗(yàn)條件見表2。試驗(yàn)所施加的垂向載荷根據(jù)空氣彈簧在列車運(yùn)行中的實(shí)際情況確定?？諝鈴椈纱瓜蜢o剛度值的判定標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表2 垂向靜剛度試驗(yàn)基本條件

表3 SYS500B型空氣彈簧在不同載荷工況下的垂向靜剛度值標(biāo)準(zhǔn) N/mm-1

2.2.2 試驗(yàn)方法

（1）將空氣彈簧整體高度保持在H0（270 mm），充入壓力空氣，使空氣彈簧的載荷達(dá)到AW3載荷工況（120 k N），在該載荷狀態(tài)下以最大位移± 10 mm循環(huán)預(yù)壓縮5次；

（2）第5次壓縮循環(huán)后，在AW3載荷工況（120 k N）載荷下保壓15 min；

（3）再次將空氣彈簧系統(tǒng)調(diào)整并保持在標(biāo)準(zhǔn)高度H0（270 mm）；

（4）分別在AW3載荷工況（120 kN）、AW2載荷工況（90 k N）、AW1載荷工況（60 k N）和AW0載荷工況（45 k N）下對(duì)各個(gè)載荷點(diǎn)進(jìn)行壓縮和拉伸試驗(yàn)，每個(gè)工況在測(cè)試前需壓縮預(yù)循環(huán)3次；

（5）記錄各個(gè)工況下的載荷位移數(shù)據(jù)，并繪制載荷位移（F-d）曲線，計(jì)算各工況下的垂向靜剛度值；

（6）載荷加載應(yīng)以降序進(jìn)行，不同振幅以升序進(jìn)行測(cè)試，兩相鄰載荷的測(cè)試間隔為2～3 min。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

SYS 500B型空氣彈簧垂向靜剛度試驗(yàn)結(jié)果，如表4、圖5所示。

表4 SYS500B型空氣彈簧系統(tǒng)在不同載荷工況下的垂向靜剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 SYS 500B型空氣彈簧垂向靜剛度

將表4中的垂向靜剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與表3中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比結(jié)果表明，被試件在120 k N、90 k N、60 k N、45 kN 4種載荷下的垂向靜剛度值均符合規(guī)定，所以該空氣彈簧的垂向靜剛度指標(biāo)合格。

2.3 測(cè)試結(jié)論

整個(gè)測(cè)試過程中，空氣彈簧性能測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行正常，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；測(cè)試數(shù)據(jù)與該型空氣彈簧出廠型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，所有數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，可以證明該地鐵車輛空氣彈簧性能通用檢測(cè)臺(tái)性能穩(wěn)定、可靠，可以滿足地鐵空氣彈簧性能檢測(cè)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測(cè)臺(tái)，通過設(shè)計(jì)一種特殊的通用型夾具和氣路系統(tǒng)，可以滿足國(guó)內(nèi)地鐵車輛多種常用型號(hào)空氣彈簧的可靠夾裝和多項(xiàng)性能參數(shù)的檢測(cè)需求。使用性能測(cè)試表明，該通用型檢測(cè)臺(tái)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)精確，整體性能良好。

與傳統(tǒng)的地鐵車輛維修行業(yè)所運(yùn)用的空氣彈簧檢修手段相比，本空氣彈簧通用性能檢測(cè)臺(tái)的使用為地鐵車輛空氣彈簧提供了科學(xué)有效的性能檢測(cè)方法。目前，該檢測(cè)臺(tái)已在車輛維修企業(yè)正式得以應(yīng)用，如能進(jìn)一步得以推廣應(yīng)用，將為車輛維修企業(yè)日常維護(hù)、保養(yǎng)工作效率的提高，以及維修成本的降低做出更大貢獻(xiàn)。

［1］ 趙云生，宋志強(qiáng)，王黎明.空氣彈簧檢修試驗(yàn)臺(tái)［J］.鐵道車輛，2000，34（4）：31.

［2］ 張寒星，劉希鵬，陽(yáng)艷，等.接地裝置彈簧壓力試驗(yàn)臺(tái)［J］.鐵道車輛，2008，46（10）：34.

［3］ TB/T 2841—2010鐵道車輛空氣彈簧［S］.

［4］ EN 13597—2003鐵路應(yīng)用橡膠懸掛元件空氣懸掛彈簧橡膠模板［S］.

［5］ EN 13913—2003鐵路方面使用的合成橡膠基彈性元件合成橡膠基機(jī)械部件［S］.

［6］ 郭榮生.SYS系列空氣彈簧的開發(fā)和應(yīng)用［J］.鐵道車輛，1999，11（37）：1.

［7］ 張廣世.地鐵轉(zhuǎn)向架空氣彈簧試驗(yàn)研究［J］.鐵道車輛，2000，12（38）：81.

［8］ 朱曉娟，王建兵，郭慧明，等.地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測(cè)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.城市軌道交通研究，2012（1）：37.

Manufacture of Universal Air Spring Performance Test Bench for Metro Vehicle

Zhang Guofu，Wang Jie，F(xiàn)ang Yu，Li Baoming，Wang Jianbing，Guo Huiming

Auniversal performance test bench for metro vehicle air spring has been designed，manufactured，and passed both the gas leakage test and the vertical static stiffness test.The test bench mainly consists of mechanical system，pneumatic system，measurement and control system.The experimental results show that the test bench has completely met the needs of air spring performance test in the process of daily maintenance，in addition，it has also provided an effective detection means for metro vehicle department to judge the performance of air spring system in the daily maintenance process.

metro vehicle；air spring；test bench；train's overhaul

U 270.7：U 270.331+.4

2013-08-14）

*上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目（12YZ150）