張廣泉 劉萬強(qiáng) 仉素君 張華 宋紅光

摘 要：本文論述了四方所與各主機(jī)廠合作開發(fā)的腰帶式空氣彈簧，總結(jié)了其結(jié)構(gòu)特性和性能參數(shù)。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，腰帶式氣囊空氣彈簧除了高承載力限界小的特點(diǎn)，也可達(dá)到與傳統(tǒng)氣囊相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

關(guān)鍵詞：腰帶;氣囊;空氣彈簧

1.前言

空氣彈簧在軌道車輛上的運(yùn)用越來越廣泛，中車青島四方車輛研究所有限公司（簡稱四方所）自60年代起，就致力于空氣彈簧的研究，郭榮生[1]論述了四方所2000年前開發(fā)的自由膜式空氣彈簧，氣囊的結(jié)構(gòu)均為自由膜式。孔軍[2]總結(jié)了90年代四方所空氣彈簧的應(yīng)用情況，并探討了空氣彈簧發(fā)展過程中需注意的問題。近年來，隨著車輛整體結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計(jì)趨勢，對空氣彈簧的限界要求也越來越嚴(yán)格，腰帶式氣囊因?yàn)槠涓叱休d能力以及限界小的優(yōu)勢逐漸被車輛制造商采用。本文針對四方所近年來開發(fā)的腰帶式氣囊空氣彈簧結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行論述，并列出了各種空氣彈簧的性能參數(shù)，通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，可以通過合理設(shè)計(jì)腰帶式氣囊空氣彈簧，使其達(dá)到優(yōu)異的產(chǎn)品性能。

自2008年以來，四方所分別為印度鐵路、廣州地鐵、電子工程設(shè)計(jì)院、昆士蘭新一代鐵路、西班牙泰爾戈公司等設(shè)計(jì)了腰帶式氣囊空氣彈簧，可以滿足不同使用環(huán)境的要求。

2.腰帶式氣囊空氣彈簧的特點(diǎn)

2008年，四方所為印度鐵路設(shè)計(jì)了SYS640X空氣彈簧[3]，其主要特點(diǎn)是：（1）空氣彈簧重載下承載能力達(dá)到180kN，以滿足印度鐵路出現(xiàn)的超載現(xiàn)象;（2）為了滿足工作高度較低的要求，設(shè)計(jì)了平板輔助彈簧，其可以提供較大的橫向變形。（3）為了滿足印度鐵道部關(guān)于金屬件防腐特性的需求，金屬件采用鑄造工藝，通過控制不同元素的含量滿足防腐要求。（4）在氣囊的開發(fā)過程中，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝，顯著提高了氣囊的耐磨性能，同時解決了腰帶的裂紋問題。

2010年，四方所參與廣州地鐵四五六號線空氣彈簧國產(chǎn)化項(xiàng)目，其主要特點(diǎn)是：（1）空氣彈簧橫向變位能力40mm，為此設(shè)計(jì)了氣囊弧長較短的腰帶式氣囊;（2）根據(jù)無氣狀態(tài)下垂向剛度的要求，設(shè)計(jì)了錐形輔助彈簧;（3）為盡量降低產(chǎn)品重量，產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，上蓋橡膠堆等金屬件使用了鋁合金材質(zhì)代替鋼材;（4）相比于原型產(chǎn)品，SYS450X空簧在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了簡化，取消了平板輔助彈簧結(jié)構(gòu)，這不僅降低了成本，也方便了產(chǎn)品檢修[4]。產(chǎn)品通過了動力學(xué)試驗(yàn)和多年運(yùn)用考驗(yàn)驗(yàn)證，鑒于其優(yōu)異性能，現(xiàn)已成為四方所主型產(chǎn)品。

2011年，四方所為電子工程設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)了用于微振試驗(yàn)臺的SYS800X空氣彈簧，其主要特點(diǎn)是氣囊和輔助彈簧的尺寸較大，因?yàn)闅饽矣行е睆竭_(dá)到800mm，成型和硫化工藝是生產(chǎn)過程中的難點(diǎn);同時，輔助彈簧采用平板輔助彈簧，輔助彈簧的硫化高度達(dá)到280mm。另外，由于氣囊尺寸大，導(dǎo)致氣囊的橫向剛度很大，上蓋的邊緣并未設(shè)計(jì)包角，這樣可以適當(dāng)減小橫向剛度。

2014年，四方所與阿爾斯通合作開發(fā)了PP平臺SYS400X空氣彈簧，其主要特點(diǎn)是：（1）有效直徑小，橫向大位移要求高達(dá)120mm，需要?dú)饽液洼o助彈簧同時具有很強(qiáng)的變位能力;（2）根據(jù)最大外徑和有效承載能力的要求，四方所設(shè)計(jì)了腰帶式氣囊串聯(lián)平板輔助彈簧的結(jié)構(gòu)型式。氣囊上下子口間距離（Hn）超過110mm，這樣可以保證氣囊有更強(qiáng)的橫向變位能力。（3）氣囊上子口通過設(shè)計(jì)一種緊密式扣環(huán)，使得子口與扣環(huán)間貼合的更好，解決了疲勞試驗(yàn)中出現(xiàn)的配合松動問題。（4）該空氣彈簧的空氣間隙（E）值設(shè)計(jì)為70mm，而且沒有設(shè)計(jì)摩擦塊，這是因?yàn)楫?dāng)車輛下沉到一定程度，將由旁承與車體提前接觸并摩擦。

2014年，龐巴迪公司與四方所合作開發(fā)用于昆士蘭新一代鐵路SYS530X空氣彈簧，產(chǎn)品采用腰帶式氣囊與半沙漏輔助彈簧串聯(lián)的型式。其主要特點(diǎn)是：（1）設(shè)計(jì)了半沙漏超級非線性輔助彈簧，該輔助彈簧既可以滿足空載下剛度特性要求，又可以滿足空載、重載下變形小的要求。（2）空氣彈簧系統(tǒng)的E、B值設(shè)計(jì)十分新穎，通常B值在輔助彈簧芯軸與支承座間，而該空氣彈簧的B值設(shè)計(jì)在芯軸與車體間，該結(jié)構(gòu)可以保證車輛在使用中（增加高度調(diào)整墊后）E+B=恒定值。

2016年，西班牙泰爾戈公司委托四方所開發(fā)用于哈薩克斯坦的耐低溫空氣彈簧，包括SYS480X和SYS600X兩種型號，其主要特點(diǎn)是：（1）設(shè)計(jì)了垂向剛度和水平剛度都較小的輔助彈簧，由于輔助彈簧的橫向變位能力較強(qiáng)，使得在低溫試驗(yàn)條件以及疲勞運(yùn)用后，氣囊和上蓋之間仍能保證良好的密封性能。（2）輔助彈簧膠料采用-50℃的配方設(shè)計(jì)，可以滿足使用環(huán)境的要求。

相比于傳統(tǒng)氣囊，腰帶式氣囊具有與生俱來的缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)工藝上增加了硫化腰帶的工序，也增加了材料和工序成本。腰帶式在性能上可以達(dá)到與傳統(tǒng)氣囊相當(dāng)?shù)男阅?，主要途徑有以下幾種：

（1）通過合理設(shè)計(jì)簾線角度和材料分布，以及合理設(shè)計(jì)上蓋外部與氣囊的接觸尺寸，空氣彈簧可以實(shí)現(xiàn)較小的橫向剛度，例如，SYS400X空氣彈簧可以達(dá)到很小的橫向剛度特性;

（2）通過配合沙漏輔助彈簧或者平板輔助彈簧，可以適當(dāng)彌補(bǔ)腰帶式氣囊因腰帶使氣囊有效弧長減小的劣勢，最終使空氣彈簧的橫向變位能力顯著增加，SYS530X和SYS400X空氣彈簧的橫向變位可達(dá)120mm;

（3）由于腰帶式氣囊腰帶對氣囊的約束作用，在充氣狀態(tài)下，可顯著減小簾線的受力狀態(tài)。以兩種有效直徑530mm的兩種空氣彈簧為例，SYS530X氣囊簾線應(yīng)力達(dá)到40-50MPa，而SYS530Y氣囊（傳統(tǒng)氣囊）簾線應(yīng)力達(dá)到了140-160MPa，由此可見，腰帶式氣囊可顯著降低簾線的應(yīng)力，在橫向大位移條件下，這種差別更加明顯。

3.結(jié)論

四方所SYS系列腰帶式空氣彈簧的發(fā)展，豐富了空氣彈簧類型，使空氣彈簧的設(shè)計(jì)開發(fā)水平有了進(jìn)一步的提升。同時，空氣彈簧科研工作者對腰帶式氣囊的性能參數(shù)掌握也越來越豐富，腰帶式氣囊的眾多優(yōu)異性能已經(jīng)超出了人們的預(yù)期。筆者認(rèn)為，在軌道車輛對空氣彈簧限界趨于嚴(yán)格，以及主機(jī)廠對空氣彈簧承載力要求提高的前景下，隨著氣囊制造商工藝水平的不斷提高，腰帶式氣囊將具備更加廣闊的市場。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]孔軍.空氣彈簧在我國軌道車輛中的應(yīng)用與發(fā)展[J].鐵道車輛，2002，40（3）.

[3]杜尚等.空氣彈簧橫向大位移子口處密封性研究[J].鐵道車輛，2010，48（3）.

[4]劉萬強(qiáng)等.廣州地鐵用空氣彈簧的研制[J].鐵道車輛，2018，56（10）.

[5]腰帶式空氣彈簧載荷內(nèi)壓影響因素的研究[J].葉特，龍垚坤，陳清化，黃橙，程海濤. 鐵道機(jī)車車輛.2017（04）

[6]空氣彈簧有限元仿真方法的研究[J].何園，危銀濤. 橡膠工業(yè).2017（03）