陳文海 葉 特

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司 湖南 株洲 412007)

0 引言

2012年，株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司(以下簡稱TMT公司)根據(jù)歐洲某主機(jī)廠的技術(shù)規(guī)范，開發(fā)了運(yùn)用于意大利鐵路市場(chǎng)的某平臺(tái)轉(zhuǎn)向架空氣彈簧項(xiàng)目，該平臺(tái)轉(zhuǎn)向架運(yùn)行速度為160 km/h,最高速度為200 km/h，1列車5節(jié)編組。TMT公司根據(jù)客戶提供的空氣彈簧主要技術(shù)要求，分析后選擇合適的氣囊和輔助彈簧結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用有限元分析技術(shù)和虛擬制造技術(shù)，產(chǎn)品通過型式試驗(yàn)驗(yàn)證，一次性開發(fā)成功。

1 產(chǎn)品主要技術(shù)要求

1.1 空間尺寸與位移要求

充氣系統(tǒng)最大外徑：?560 mm；

產(chǎn)品充氣標(biāo)準(zhǔn)高度：(290±2)mm；

最大水平位移：±120 mm；

最大垂向位移：拉伸，50 mm；壓縮，55 mm。

1.2 產(chǎn)品的性能要求

產(chǎn)品的載荷和對(duì)應(yīng)剛度要求如表1所示。

表1 空氣彈簧載荷和剛度要求

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成

該空氣彈簧分左右兩種結(jié)構(gòu)，主要差異在于上蓋板是對(duì)稱的異形結(jié)構(gòu)。根據(jù)客戶提供的接口尺寸以及性能要求，開發(fā)的 420A型空氣彈簧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 420A型空氣彈簧

該空氣彈簧主要部件分為上蓋板、扣環(huán)、氣囊、磨耗板、支撐板、錐形彈簧、層疊彈簧。其中氣囊采用大曲囊式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)較小的垂向剛度和橫向剛度，并提供主要水平變形；輔助彈簧采用錐形彈簧和層疊彈簧組合的結(jié)構(gòu)，有效降低了空氣彈簧無氣狀態(tài)下的垂向剛度，而且也可以為空氣彈簧系統(tǒng)提供部分水平變形的能力；磨耗板采用的是摩擦因數(shù)低于0.1的高分子復(fù)合材料聚四氟乙烯(PTFE)，保證了無氣狀態(tài)下，系統(tǒng)水平位移時(shí)具有較小的橫向力，減少對(duì)軌道的沖擊。

3 有限元計(jì)算

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分利用有限元分析軟件，進(jìn)行空氣彈簧設(shè)計(jì)方案的計(jì)算[1]，設(shè)計(jì)出滿足客戶要求的氣囊和輔助彈簧結(jié)構(gòu)。采用的有限元分析軟件為ABAQUS。

3.1 輔助彈簧有限元分析

進(jìn)行有限元分析計(jì)算前，針對(duì)計(jì)算的任務(wù)分別建立有限元模型，采用軸對(duì)稱模型計(jì)算輔助彈簧垂向剛度，采用1/2實(shí)體模型計(jì)算輔助彈簧的橫向剛度。輔助彈簧最大動(dòng)載下變形及應(yīng)力如圖2所示。

圖2 輔助彈簧最大動(dòng)載下變形與應(yīng)力云圖

輔助彈簧的剛度計(jì)算結(jié)果如表2所示，計(jì)算的載荷位移曲線如圖3所示。輔助彈簧的性能滿足要求。

表2 輔助彈簧有限元計(jì)算結(jié)果

圖3 輔助彈簧垂向變形計(jì)算曲線

圖4 氣囊滿載下橫向位移120 mm

3.2 氣囊有限元分析

對(duì)空氣彈簧氣囊進(jìn)行分析時(shí)，主要研究空氣彈簧氣囊的載荷內(nèi)壓、垂向和橫向剛度，充氣外徑等特性。由于空氣彈簧氣囊模型是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此對(duì)氣囊沿軸向剖開取一半建立1/2有限元模型。模型包含了氣囊橡膠部分、簾線部分、流體部分、上蓋板剛體部分和附加氣室。滿載狀態(tài)下氣囊水平位移120 mm后的空間尺寸與應(yīng)力如圖4所示。氣囊的有限元分析計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 氣囊有限元計(jì)算結(jié)果

空氣彈簧氣囊的承載力和外徑滿足技術(shù)要求，但空氣彈簧系統(tǒng)的垂向剛度和橫向剛度需要組合氣囊和輔助彈簧的計(jì)算結(jié)果。

3.3 系統(tǒng)的剛度計(jì)算

空氣彈簧系統(tǒng)在充氣情況下，垂向剛度和橫向剛度性能如表4所示。

表4 空氣彈簧性能預(yù)測(cè)

從表4的有限元分析計(jì)算結(jié)果可以看出，TMT 420A型空氣彈簧的設(shè)計(jì)方案可以滿足技術(shù)要求。

此外，對(duì)空氣彈簧其他部件(如上蓋板、支撐板和底板)也進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞壽命分析，在保證安全系數(shù)的情況下，減少產(chǎn)品的重量，最后將性能分析結(jié)果和部件強(qiáng)度壽命分析結(jié)果形成空氣彈簧有限元分析報(bào)告。

4 型式試驗(yàn)

通過前期的分析和計(jì)算，確定了空氣彈簧各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在經(jīng)過設(shè)計(jì)方案評(píng)審后，完成了空氣彈簧的試制。

根據(jù)EN 13913∶2003以及EN 13597∶2003標(biāo)準(zhǔn)和客戶的技術(shù)規(guī)范要求，對(duì)TMT 420A型空氣彈簧進(jìn)行了全套型式試驗(yàn)。主要包括：載荷內(nèi)壓試驗(yàn)、系統(tǒng)充氣狀態(tài)下垂向及橫向剛度試驗(yàn)、橫向大位移以及尺寸測(cè)量試驗(yàn)、輔助彈簧垂向剛度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等，并對(duì)疲勞后的產(chǎn)品進(jìn)行了水爆試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)均滿足技術(shù)要求[2-4]。

4.1 系統(tǒng)的載荷內(nèi)壓與充氣剛度試驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)高度下，測(cè)量空氣彈簧載荷下的內(nèi)壓和外徑，并按照型式試驗(yàn)大綱的步驟，完成空氣彈簧系統(tǒng)在充氣情況的垂向和橫向靜態(tài)剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)范的要求，并與計(jì)算結(jié)果保持一致，差異在合理的范圍之內(nèi)。表5所示為系統(tǒng)的載荷內(nèi)壓與充氣靜態(tài)剛度試驗(yàn)結(jié)果。

表5 系統(tǒng)的性能試驗(yàn)結(jié)果

4.2 系統(tǒng)的橫向大位移試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)高度下，對(duì)空氣彈簧施加橫向大位移±120 mm，在空載和滿載狀態(tài)下，均未出現(xiàn)漏氣、氣囊打褶以及系統(tǒng)內(nèi)外部干涉等異常情況。滿載下的系統(tǒng)水平位移120 mm的照片如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)滿載下橫向位移120 mm

4.3 輔助彈簧垂向剛度試驗(yàn)

對(duì)輔助彈簧施加垂向載荷0～100 kN，速度為2 mm/s，循環(huán)3次，記錄第3個(gè)循環(huán)的載荷位移曲線并計(jì)算在加載曲線上垂向載荷44 kN下和70 kN下的垂向剛度。

剛度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，從載荷位移曲線(見圖6)可以看出，輔助彈簧垂向剛度滿足技術(shù)要求。

表6 輔助彈簧垂向靜態(tài)剛度結(jié)果

圖6 輔助彈簧垂向載荷位移曲線

4.4 系統(tǒng)疲勞和耐壓試驗(yàn)

對(duì)充氣系統(tǒng)在滿載70 kN下，完成了總共60萬次的疲勞試驗(yàn)。 氣囊沒有出現(xiàn)裂紋、 鼓包等異?，F(xiàn)

象，輔助彈簧未出現(xiàn)破壞、開裂和脫膠等異?，F(xiàn)象，產(chǎn)品通過疲勞試驗(yàn)。

產(chǎn)品的水爆強(qiáng)度要求為2.0 MPa，選擇通過疲勞試驗(yàn)后的氣囊，進(jìn)行水爆試驗(yàn)，氣囊在2.5 MPa內(nèi)壓時(shí)仍未破壞，氣囊強(qiáng)度滿足要求。水爆試驗(yàn)曲線如圖7所示。

圖7 氣囊水爆試驗(yàn)曲線

5 結(jié)束語

TMT公司開發(fā)的420A型空氣彈簧已經(jīng)通過了裝車考核，并投入運(yùn)行。在批量運(yùn)用階段，運(yùn)行狀態(tài)良好。隨著列車大修的臨近，后續(xù)將持續(xù)跟蹤產(chǎn)品的運(yùn)行表現(xiàn)。