陳 煒

(上海局集團公司常州機車車輛監(jiān)造項目部 江蘇 常州 213000)

1 問題的提出

空氣彈簧作為高速動車組轉向架的關鍵部件，其設計結構的安全性和可靠性對于提高動車運行的平穩(wěn)性，保證旅客安全、舒適起著重要作用。前段時期，根據(jù)部分動車組運用部門反饋，裝于CRH2型動車組轉向架的部分空氣彈簧在運營里程達到300萬km～360萬km時出現(xiàn)氣囊流線型縱向裂紋，裂紋長度為60 mm～110 mm，超出空氣彈簧《檢修供貨技術條件》規(guī)定的檢修限度(長度不大于50 mm)要求，深度均未超出1.5 mm的檢修限度(深度不大于1.5 mm)要求。對出現(xiàn)氣囊裂紋超限的空氣彈簧進行外觀檢查，裂紋位置均位于氣囊制造商商標記號的180°方向(見圖1)，裂紋方向呈縱向流線型(見圖2)。根據(jù)氣囊制造過程中的工藝結構特點，此處為氣囊外層橡膠的搭接處。

圖1 氣囊外層橡膠搭接處裂紋

圖2 氣囊外層橡膠縱向裂紋

2 工藝調(diào)查與結構分析

針對上述裂紋，空氣彈簧氣囊制造商按照工藝制造流程分別對氣囊的原材料采購、稱重混煉、橡膠壓延、裁剪(內(nèi)、外層橡膠，簾布層)、成形、硫化過程、精加工等工序從材料批次、數(shù)量、尺寸控制、溫度控制、壓力控制、物理性能檢測、交疊寬度及外觀等方面進行了FTA調(diào)查。其中對涉及到的工序作業(yè)記錄、作業(yè)員的作業(yè)能力都進行了檢查，沒有發(fā)現(xiàn)有造成影響氣囊質(zhì)量的潛在風險。裝于CRH2型動車組的該型號空氣彈簧是單曲囊式空氣彈簧，如圖3所示。

該型空氣彈簧主要部件包括：上蓋板、膠囊、支座、橡膠堆、與轉向架構架相接的底座。其中，膠囊的上子口通過壓嵌工裝嵌于上蓋板帶有錐度的外筒徑面上，膠囊的下子口安裝于支座帶有錐度的頸部，支座通過螺栓緊固在橡膠堆上，形成相對封閉的氣室(氣囊內(nèi)腔)并利用空氣的可壓縮性來緩和振動和沖擊的部件。通過空氣彈簧載荷量對氣囊內(nèi)部(封閉氣室)的有效空間調(diào)節(jié)空氣量，可以調(diào)節(jié)空氣彈簧的高度并保證空氣彈簧的剛性承載力及阻尼功能特性，從而起到整個空氣彈簧系統(tǒng)的隔振效果。由于氣囊作為空氣彈簧的核心部件對空氣彈簧的特性起到至關重要的作用，因此必須對空氣彈簧運用維護中出現(xiàn)的上述氣囊裂紋問題進行準確的性質(zhì)判定。

圖3 空氣彈簧結構圖

空氣彈簧氣囊結構組成如圖4所示，主要由內(nèi)層橡膠、簾線層、外層橡膠和成型鋼絲圈硫化而成?？諝鈴椈伤茌d荷主要由簾線層承受，因此簾線層的性能對空氣彈簧的強度、剛度和耐久性等起主要作用。氣囊的制造成形采用的是氣囊外層橡膠搭接結構工藝，內(nèi)層橡膠、簾線層(二層)和外層橡膠共四層材料膠交匯重疊處會存在一定長度的搭接。外層橡膠覆蓋于簾線層外側，在與新造氣囊橡膠浮刻標識圓周方向180°處進行重疊搭接，搭接處的外層橡膠粘接后使用滾輪工裝壓實，如圖5所示。

1—鋼絲圈；2—簾線層；3—外層橡膠；4—內(nèi)層橡膠。圖4 氣囊結構組成

外層橡膠硫化完成后，由于搭接處存在2層橡膠，此處會略厚于外層橡膠本體(見圖6)。當空氣彈簧組裝完成并處于充氣狀態(tài)時，由于氣壓作用會使簾線層恢復平整狀態(tài)，致使外層橡膠在搭接處略微突起，如圖7所示。

圖5 外層橡膠搭接

圖6 外層橡膠硫化

圖7 外層橡膠搭接處充氣后狀態(tài)

3 空氣彈簧氣囊裂紋原因分析

根據(jù)空氣彈簧氣囊外層橡膠搭接結構及工藝說明，并結合出現(xiàn)問題的空氣彈簧運營里程均為300萬km～360萬km的特點，分析了氣囊產(chǎn)生裂紋的原因。

(1)當空氣彈簧組裝完成后，氣囊直線段彎曲形成組裝后的外形，根據(jù)應力分布云圖可知此氣囊彎曲段為主要受力區(qū)域(見圖8)。其中線圈圈出部位為氣囊彎曲度最大部位，在氣囊處于充氣狀態(tài)時該部位為受力最大部位，也是裂紋易發(fā)生部位。通過對氣囊的應力分析(FEM分析)結果顯示，氣囊下側的彎曲部受力較大的部位與實際的裂紋發(fā)生部位保持一致。

圖8 氣囊裂紋處應力分布云圖

(2)空氣彈簧氣囊外層橡膠在重疊搭接時，由于采用輥壓工藝導致此處外層橡膠即使緊密貼合也不能如整體橡膠那樣融合為一體。在氣囊充氣定型時，部分搭接處外層橡膠被拉開，導致硫化時此處外層橡膠融合不良，隨著運行里程、年限增加，氣囊彎曲段搭接處融合不良的外層橡膠在應力作用下被逐步拉開，導致出現(xiàn)裂紋。

(3)通過對一組裂紋氣囊進行割斷檢查：從裂紋和其他幾個部位將氣囊切斷，觀察切斷部位橫截面(共10處)，如圖9所示，除該裂紋部位之外，其他各部均未發(fā)現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。該裂紋呈傾斜狀向內(nèi)延伸，與外層橡膠的橡膠重疊部在位置上匹配。氣囊表面發(fā)現(xiàn)了臭氧裂化現(xiàn)象。在所發(fā)現(xiàn)有裂紋的空氣彈簧中，大多是在安裝空氣彈簧時有安裝錯位現(xiàn)象，氣囊外層橡膠重疊部被安裝在了轉向架的前后方向，導致該部位相對而言更容易受到臭氧、光照等環(huán)境原因加速其劣化。

圖9 割斷位置圖

綜上所述，在氣囊表層橡膠拉伸變形較大部位的裂紋逐漸擴大，同時受外界環(huán)境(臭氧、日照)影響從而形成一條較長的裂紋。

4 裂紋空氣彈簧的試驗驗證

為了進一步驗證這種流線狀裂紋是否會對空氣彈簧運用特性及安全可靠性造成影響，制造商對現(xiàn)車空氣彈簧進行了補充試驗。抽取氣囊外層橡膠出現(xiàn)裂紋(裂紋長度均為110 mm，運營里程345萬km)的CRH2E型動車組2套空氣彈簧(編號為081515、081160)，并分別將其氣囊裂紋處割斷至露出簾布層后進行熱老化試驗、疲勞試驗、疲勞試驗后的特性試驗以及氣囊膠囊試驗。

(1)對空氣彈簧進行熱老化處理(80deg.C×33hrs/模擬相當于55萬km的老化)。

(2)對2組空氣彈簧分別進行垂向疲勞試驗和橫向疲勞試驗，反復次數(shù)相當于55萬km，具體項點如表1所示。疲勞試驗中的氣囊裂紋狀態(tài)如圖10所示，裂紋沒有延伸。

表1 疲勞試驗項目

圖10 裂紋狀態(tài)

(3)對2組經(jīng)疲勞試驗后的空氣彈簧再分別進行氣密性試驗、耐壓試驗、容許的位移試驗、垂向靜態(tài)剛度試驗、橫向動態(tài)剛度試驗以及特殊耐壓(破壞)試驗，判定是否滿足其特性要求[1](見表2)。疲勞后的空氣彈簧特性試驗，氣囊裂紋狀態(tài)如圖11所示，裂紋沒有延伸。

(4)為了進一步驗證裂紋氣囊在老化和疲勞試驗后物理特性和強度是否變差，從進行過破壞試驗的氣囊上取樣，數(shù)量3個，按照國家標準的要求對氣囊膠料耐油性能、耐磨耗性能及氣囊簾布層間黏結強度分別進行試驗[2](見表3)。

表2 疲勞后空氣彈簧特性試驗項目

圖11 氣囊裂紋狀態(tài)

表3 氣囊膠囊試驗項目

以上各項檢測和試驗結果均為合格。在實施了相當于運行 400 萬km的熱老化以及疲勞試驗后沒有發(fā)生任何異常，因此認為該流線型裂紋對空氣彈簧的特性與安全可靠性不構成影響。另外，空氣彈簧氣囊的壽命期為360萬km，檢修規(guī)程規(guī)定到期限必須更換，因此在運用300萬km出現(xiàn)的氣囊裂紋在其壽命期內(nèi)能完全保證其安全可靠。

5 應對措施

基于以上工藝分析及試驗驗證，制定了如下應對措施：(1)對動車組轉向架空氣彈簧檢修技術條件的運規(guī)限度進行優(yōu)化，針對氣囊產(chǎn)生裂紋的部位對裂紋方向、長度及深度進行界定；(2)空氣彈簧制造商應在產(chǎn)品上標識安裝方位，空氣彈簧用戶按照標識進行安裝，建議將空氣彈簧氣囊搭接部位安裝在轉向架內(nèi)側，避免受臭氧、日照影響，減少外界環(huán)境對氣囊搭接部位的損傷。上述措施在保證空氣彈簧安全性、可靠性的前提下優(yōu)化了動車組空氣彈簧運用維修限度，實際應用中效果良好。