葉 特，尹金云，段國(guó)奇，程海濤，陳燦輝

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

一種雙層沙漏結(jié)構(gòu)輔助彈簧的空氣彈簧

葉 特，尹金云，段國(guó)奇，程海濤，陳燦輝

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

對(duì)一種雙層沙漏結(jié)構(gòu)輔助彈簧的空氣彈簧進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限元理論計(jì)算、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品試驗(yàn)證明，雙層沙漏輔助彈簧的空氣彈簧在充氣狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)較強(qiáng)的變形能力和較低的垂、橫向特性;在泄氣狀態(tài)時(shí)，雙層沙漏彈簧也能提供較低的垂向剛度，提高了無(wú)氣運(yùn)營(yíng)時(shí)軌道車(chē)輛的運(yùn)行安全性。

空氣彈簧;輔助彈簧;雙層沙漏

目前大部分軌道客車(chē)轉(zhuǎn)向架已取消搖枕結(jié)構(gòu)，空氣彈簧作為軌道客車(chē)的二系懸掛的主要部件，承擔(dān)了車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的載荷傳遞、相對(duì)位移、減振、高度調(diào)節(jié)等功能，受地形條件限制，尤其在城市軌道交通中，小曲線半徑的線路如(R50～R80 m)難以避免，在小半徑曲線上，對(duì)空氣彈簧水平方向的位移能力要求明顯增加，考慮到軌距加寬和輪緣磨耗，往往突破以往120 mm的上限值，而達(dá)到150 mm;當(dāng)軌道客車(chē)通過(guò)小曲線和道岔時(shí)，輪重增減載明顯，如果此時(shí)空氣彈簧無(wú)氣，則二系懸掛的垂向剛度明顯增大，輪重增減載進(jìn)一步增加，對(duì)安全通過(guò)曲線有影響。

空氣彈簧的主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型有小曲囊氣囊+層疊輔助彈簧、大曲囊氣囊+錐形輔助彈簧、腰帶氣囊+錐形/層疊輔助彈簧，這3種結(jié)構(gòu)形式空氣彈簧各有優(yōu)缺點(diǎn):小曲囊氣囊+層疊輔助彈簧結(jié)構(gòu)安裝空間小，有利于轉(zhuǎn)向架空間布局，水平位移能力為90～120 mm，但在同等附加氣室容積下，其充氣垂向剛度較大，舒適度較差，而且輔助彈簧垂向剛度較大，無(wú)氣通過(guò)小曲線輪重減載率大，有脫軌的風(fēng)險(xiǎn);大曲囊+錐形輔助彈簧結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)100～130 mm的水平位移，充氣垂向、橫向剛度較小，舒適度良好，但其所需要的安裝空間較大，給轉(zhuǎn)向架其他部件布局帶來(lái)一定困難;腰帶氣囊+錐形/層狀輔助彈簧所需要的安裝空間較小，但充氣垂向剛度較大，舒適度較差，只能實(shí)現(xiàn)40～100 mm的水平位移，水平位移能力較弱。

大曲囊氣囊+雙層沙漏輔助彈簧的空氣彈簧，能在有限的安裝空間內(nèi)能實(shí)現(xiàn)150 mm水平位移要求，正常工作時(shí)垂向、橫向剛度小，無(wú)氣時(shí)垂向剛度小，提高了無(wú)氣運(yùn)營(yíng)的安全性。

1 空氣彈簧結(jié)構(gòu)

空氣彈簧主體結(jié)構(gòu)采用大曲囊氣囊+雙層沙漏輔助彈簧結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 大曲囊氣囊+沙漏輔助彈簧空氣彈簧結(jié)構(gòu)

(1)采用大曲囊結(jié)構(gòu)，保證空氣彈簧有較低的垂向剛度和橫向剛度，且具有較大的變位能力，承擔(dān)110 mm的水平位移;

(2)采用雙層沙漏結(jié)構(gòu)輔助彈簧，沙漏輔助彈簧中部采用一層金屬隔板結(jié)構(gòu)，有利保證水平位移時(shí)的穩(wěn)定性，承擔(dān)40～50 mm的水平位移，同時(shí)泄氣工況下提供較小的垂向剛度;

(3)磨耗板采用高分子材料，具有較高的耐磨性、可靠性及較低的摩擦系數(shù)，能夠滿(mǎn)足空氣彈簧在無(wú)氣狀態(tài)下的變位要求。

(4)上蓋板、氣囊、扣環(huán)采取螺栓擰緊方式，通過(guò)上蓋板、扣環(huán)、氣囊上子口之間良好的配合關(guān)系和橡膠合理的回彈性能，有效的保證了產(chǎn)品的密封性能，同時(shí)避免了緊固螺釘運(yùn)用中的松動(dòng)、斷裂等現(xiàn)象。

2 理論計(jì)算

空氣彈簧氣囊和輔助彈簧作為空氣彈簧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的主要部件，下面重點(diǎn)對(duì)這2個(gè)部件進(jìn)行了理論計(jì)算。

橡膠是一種典型的體積幾乎不可變、各向同性超彈性材料。在ABAQUS軟件中，橡膠的本構(gòu)模型選取取決于選取函數(shù)的擬合效果和本構(gòu)模型的穩(wěn)定性，同時(shí)還需要保證在此本構(gòu)模型下單元具有良好的收斂性。

輔助簧由橡膠和金屬件硫化成一體，根據(jù)其受力特征，金屬件處在線彈性范圍，而橡膠采用適合大變型的Ogden本構(gòu)模型。

氣囊中硫化有簾子布，承受面內(nèi)張力，為典型的膜結(jié)構(gòu)，采用薄殼模擬氣囊，能獲得更高的精度。簾線在整個(gè)變形中處于線彈性范圍，橡膠采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型。按照相關(guān)的工藝參數(shù)，將簾子布植入橡膠中。

2.1 雙層沙漏輔助彈簧有限元計(jì)算

根據(jù)雙層沙漏輔助彈簧的幾何結(jié)構(gòu)分別建立雙層沙漏彈簧的二維軸對(duì)稱(chēng)模型(見(jiàn)圖2)，用于分析垂向變形和性能，建立雙層沙漏彈簧的三維模型(見(jiàn)圖3)，用于分析水平位移和性能。

圖2 雙層沙漏彈簧垂向分析模型

圖3 雙層沙漏彈簧橫向分析模型

分別施加不同的垂向載荷及水平位移，分析在不同載荷和變形工況下的剛度性能和應(yīng)力情況，結(jié)果表明產(chǎn)品在各個(gè)載荷和水平位移工況下金屬部件應(yīng)力滿(mǎn)足材料屈服強(qiáng)度要求，橡膠應(yīng)力分布比較均勻，不存在應(yīng)力集中情況。圖4為產(chǎn)品在最大垂向載荷126 kN下產(chǎn)品的變形圖、隔板應(yīng)力云圖和橡膠的應(yīng)力云圖，產(chǎn)品各部件均具有2.0以上的安全系數(shù)。

圖5為在最大垂向載荷126 kN，水平位移50 mm下的變形圖、隔板應(yīng)力云圖和橡膠的應(yīng)力云圖，各部件均具有1.8以上的安全系數(shù)。

圖4 垂向載荷126 kN下產(chǎn)品應(yīng)力云圖

圖5 垂向載荷126 kN水平位移50 mm下產(chǎn)品應(yīng)力云圖

同時(shí)對(duì)雙層沙漏輔助彈簧的垂向、橫向特性進(jìn)行了分析，其中垂向剛度取計(jì)算曲線上±10 kN的點(diǎn)計(jì)算切線剛度值，橫向剛度按±10 mm的振幅計(jì)算得出。結(jié)果分別見(jiàn)圖6和表1。

圖6 雙層沙漏輔助彈簧垂向載荷－位移曲線

表1 雙層沙漏輔助彈簧的理論分析結(jié)果

2.2 大曲囊氣囊理論分析

根據(jù)大曲囊氣囊的幾何模型建立氣囊有限元分析模型見(jiàn)圖7，主要分析氣囊的充氣性能及水平位移能力。

氣囊的充氣及水平位移分析結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9，氣囊的充氣垂向、橫向特性分析結(jié)果見(jiàn)表2，其垂向、橫向剛度均按±10 mm振幅進(jìn)行計(jì)算得出。

圖7 氣囊有限元分析模型

圖8 垂向載荷126 kN下氣囊充氣變形圖

圖9 垂向載荷126 kN水平位移110 mm下氣囊充氣變形圖

表2 大曲囊氣囊的理論分析結(jié)果

2.3 系統(tǒng)性能理論計(jì)算

由于空氣彈簧系統(tǒng)中氣囊和輔助彈簧為串聯(lián)關(guān)系，根據(jù)以上計(jì)算所得氣囊和雙層沙漏輔助彈簧的剛度結(jié)果，利用串聯(lián)剛度計(jì)算公式K=1/(1/K1+1/K2)，其中K代表系統(tǒng)剛度，K1代表雙層沙漏輔助彈簧剛度，K2代表氣囊剛度，計(jì)算得出系統(tǒng)各載荷下振幅為±10 mm的剛度結(jié)果如下表3。

表3 空氣彈簧系統(tǒng)的理論計(jì)算結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論計(jì)算，開(kāi)發(fā)出了大曲囊氣囊+雙層沙漏彈簧結(jié)構(gòu)的空氣彈簧樣件，分別依據(jù)EN 13597和TB/T 2841標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了充氣垂向剛度、橫向剛度、水平位移、耐久疲勞試驗(yàn)等，依據(jù)EN 13913標(biāo)準(zhǔn)對(duì)雙層沙漏彈簧進(jìn)行了垂向、橫向剛度試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等驗(yàn)證，各試驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 空氣彈簧垂向、橫向剛度試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)高度下，輔加氣室為50 dm3，以±10 mm的振幅分別測(cè)試空氣彈簧在126，113，65 kN下的垂向、橫向剛度，結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯霎a(chǎn)品在各載荷下的垂向、橫向特性均比較良好，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果偏差在±5%以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性，能夠給車(chē)體提供較好的乘坐舒適度。

表4 空氣彈簧剛度性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 空氣彈簧的水平位移能力試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)高度下，分別測(cè)試空氣彈簧在126，65 kN垂向載荷下，水平位移±150 mm，結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11。從大位移曲線可以看出曲線光滑、最大位移處沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)剛度，橫向大位移穩(wěn)定性良好;從照片可以看出外觀良好，未出現(xiàn)褶皺、泄漏等異?，F(xiàn)象，雙層沙漏彈簧表現(xiàn)穩(wěn)定。

3.3 空氣彈簧耐久疲勞試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)高度下，126 kN的垂向載荷下進(jìn)行了橫向偏置30 mm，振幅±76 mm的扭擺疲勞試驗(yàn)90萬(wàn)次，然后在65 kN的垂向載荷下進(jìn)行了橫向振幅為150 mm的大位移疲勞試驗(yàn)5萬(wàn)次。疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，各項(xiàng)指標(biāo)變化率均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，外觀良好，氣囊表面未出現(xiàn)裂紋、鼓包等異常缺陷，輔助彈簧橡膠粘合部位良好，未出現(xiàn)開(kāi)膠、隔板變形、斷裂等異常問(wèn)題，通過(guò)以上試驗(yàn)表明大曲囊氣囊+雙層沙漏彈簧結(jié)構(gòu)具有足夠的耐久疲勞性能。

圖10 垂向載荷126 kN水平位移150 mm下的橫向大位移曲線

圖11 垂向載荷126 kN水平位移150 mm下的橫向大位移照片

3.4 沙漏彈簧的垂向剛度試驗(yàn)

分別測(cè)試了雙層沙漏輔助彈簧在126，113，65 kN下的垂橫向剛度，其中垂向剛度取試驗(yàn)曲線上±10 kN的點(diǎn)計(jì)算切線剛度值，橫向剛度按±10 mm的振幅試驗(yàn)得出，其結(jié)果見(jiàn)表5。可以看出雙層沙漏輔助彈簧具有較低的垂向、橫向剛度，它同時(shí)具備了錐形輔助彈簧和層狀輔助彈簧的良好特性，既能保證產(chǎn)品具備較低的垂向剛度特性，同時(shí)也能具備較大的水平位移能力。另外，根據(jù)表5的偏差值可以看出試驗(yàn)結(jié)果與分析計(jì)算結(jié)果偏差在±5%以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了理論計(jì)算分析的正確性。

表5 雙層沙漏輔助彈簧的剛度性能試驗(yàn)結(jié)果

3.5 雙層沙漏輔助彈簧的疲勞試驗(yàn)

對(duì)雙層沙漏輔助彈簧分別進(jìn)行了垂向載荷126 kN下，振幅±30 kN的垂向疲勞試驗(yàn)200萬(wàn)次，同時(shí)配合系統(tǒng)進(jìn)行了如3.3中所述的90萬(wàn)次扭擺疲勞試驗(yàn)和5萬(wàn)次橫向大位移疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)后輔助彈簧橡膠粘合部位良好，未出現(xiàn)開(kāi)膠、隔板變形、斷裂等異常問(wèn)題，雙層沙漏輔助彈簧具有足夠的可靠性。

4 產(chǎn)品應(yīng)用

澳大利亞、土耳其、伊朗、阿根廷、馬來(lái)西亞等地域的線路條件對(duì)空氣彈簧的要求均達(dá)到了130～150 mm的變形要求，通過(guò)大曲囊氣囊+雙層沙漏彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證，充分證明該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品完全能保證這些地域的使用要求。

［1］ BS EN 13597－2003 Rubber diaphragms for pneumatic suspension springs［S］.

［2］ BS EN 13913－2003 Rubber suspension components-Elastomer-based mechanical parts［S］.

［3］ TB/T 2841－2010 鐵道車(chē)輛空氣彈簧［S］.

［4］ 王永冠，李 心，黃友劍.橡膠計(jì)算中本構(gòu)模型的選擇［D］.2007.

A Double Layer Hourglass Structure Auxiliary Spring Air Spring

YE Te，YIN Jinyun，DUN Guoqi，CHENG Haitao，CHEN Canhui
(Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou 412007 Hunan，China)

In this paper，a kind of double layer structure of the hourglass auxiliary spring air spring is studied.According to the study of the theory of finite element calculation of products，product manufacture，product test，it＇s proved that the double layer hourglass auxiliary spring air spring under the inflated condition can achieve strong ability of deformation and low vertical and horizontal characteristics;under deflated condition，double layer hourglass auxiliary spring can also provide lower vertical stiffness，and improve the operating safety of railway vehicles under deflated condition.

air spring;auxiliary spring;double layer hourglass

U260.331+.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.18

1008－7842(2015)02－0076－04

)男，工程師(

2014－10－10)