郭鵬飛 吳春先 于曉東 宋翔宇 李富強 宮垂玉

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266111；2.青島博銳智遠減振科技有限公司 山東 青島 266114)

0 背景

國內(nèi)城軌車輛B型車所用空氣彈簧[1]，常用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種是大曲囊氣囊和錐形橡膠堆組合的結(jié)構(gòu)，另一種是小曲囊氣囊和平板橡膠堆組合的結(jié)構(gòu)。前者具有較小的垂向剛度，乘坐舒適性較好。但是由于錐形橡膠堆的水平剛度非常大，為整簧提供水平位移能力有限，所以需要氣囊具有較強的水平位移能力，這往往使得氣囊外形尺寸較大，所以對車體空間尺寸要求高。后者橡膠堆水平剛度小，水平位移能力強，且空簧外形尺寸較小，但是整簧垂向剛度較大，其乘坐舒適性稍差?；诖?，設(shè)計了一款用于城軌車輛B型車的空氣彈簧，由小曲囊氣囊和沙漏橡膠堆組成，既具有較小的垂向剛度，提供較好的乘坐舒適性，又能夠提供較大的水平位移能力，且空氣彈簧外形尺寸小，對車體空間尺寸要求低。

1 主要技術(shù)要求

(1)空車載荷為60 kN；車輛最大載荷為103 kN；(2)空氣彈簧的工作高度要求為210 mm；(3)空氣彈簧的水平變位能力要求為±110 mm；(4)空氣彈簧的最大外徑要求為?680 mm；(5)空氣彈簧的性能如表1所示(附加氣室60 L；試驗振幅±10 mm；試驗速度5 mm/s)；(6)橡膠堆在60 kN載荷下，其垂向靜剛度要求為2500×(1±10%) N/mm。

表1 空氣彈簧性能要求

2 SYS540G型空氣彈簧的結(jié)構(gòu)

SYS540G型空氣彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用小曲囊氣囊和沙漏橡膠堆組合的結(jié)構(gòu)形式，主要部件由上蓋、氣囊、橡膠堆、扣環(huán)、摩擦塊和吊裝板等組成(見圖1)。具有如下特點：

(1)選用小曲囊氣囊，使其能夠在保證空氣彈簧承載能力的前提下，限制空氣彈簧最大外形尺寸不超過技術(shù)要求值。

(2)選用沙漏橡膠堆，相較于平板堆和錐形堆，其水平剛度和垂向剛度都較小，既能夠提高乘坐舒適性，又能夠為氣囊分擔較大的水平位移。

(3)氣囊上子口采用扣環(huán)緊固的方式，下子口采用過盈配合的方式，能夠提高空氣彈簧的氣密性。

(4)摩擦塊采用PTFE材料，具有較低的摩擦因數(shù)和較高的耐磨性、可靠性。

1—上蓋；2—氣囊；3—橡膠堆；4—扣環(huán)； 5—摩擦塊；6—吊裝板。圖1 SYS540G型空氣彈簧結(jié)構(gòu)

3 有限元仿真計算

利用仿真軟件Abaqus對空氣彈簧的載荷內(nèi)壓特性、垂向靜態(tài)剛度、水平靜態(tài)剛度以及橡膠堆的垂向剛度進行仿真計算。本項目采用二維軸對稱法建立空氣彈簧的仿真計算模型，其中橡膠部分的單元類型為CAX4H單元，鋼絲圈和簾線層采用SFMAXl單元。

3.1 空氣彈簧有限元仿真計算

SYS540G型空氣彈簧的仿真計算模型如圖2所示，考慮到該項目車體上有60 L的附加氣室，會對空氣彈簧的垂向靜剛度性能產(chǎn)生影響，所以在仿真計算空氣彈簧的垂向靜剛度時，需在仿真計算模型中增加附加氣室的容積。

圖2 SYS540G型空氣彈簧有限元計算模型

空氣彈簧的垂向靜剛度性能和載荷內(nèi)壓數(shù)據(jù)如表2所示，其仿真計算值能夠滿足技術(shù)要求。

表2 空氣彈簧性能的仿真計算結(jié)果

由于二維軸對稱模型無法計算空氣彈簧水平剛度，所以建立三維仿真計算模型，用于計算空氣彈簧水平靜剛度，計算模型如圖3所示。空氣彈簧的水平靜剛度性能如表2所示，根據(jù)仿真計算值，該產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠滿足技術(shù)要求。

圖3 SYS540G型空氣彈簧水平靜剛度有限元計算模型

3.2 橡膠堆有限元仿真計算

單獨對橡膠堆進行建模，用于仿真計算橡膠堆的垂向剛度，橡膠堆模型如圖4所示。

圖4 SYS540G橡膠堆計算模型(受力變形前后)

SYS540G橡膠堆的載荷位移曲線如圖5所示，其在垂向載荷60 kN下的橡膠堆垂向剛度為2 400 N/mm，根據(jù)仿真計算結(jié)果，該橡膠堆結(jié)構(gòu)能夠滿足技術(shù)要求。

圖5 SYS540G橡膠堆的載荷位移仿真曲線

3.3 空氣彈簧水平大位移有限元仿真

對空氣彈簧的水平大位移進行三維仿真建模，用于評估空氣彈簧在水平大位移110 mm時，空氣彈簧的外形狀態(tài)以及空氣彈簧最大外形尺寸。

如圖6所示，空氣彈簧在水平位移110 mm時，其外形狀態(tài)良好，無氣囊打褶等異常情況。經(jīng)測量，空氣彈簧的最大外徑尺寸為668 mm，小于要求值680 mm，滿足技術(shù)要求。

圖6 空氣彈簧在水平位移110 mm后的仿真計算模型

4 型式試驗

為了評估空氣彈簧的仿真計算結(jié)果可靠性，依據(jù)技術(shù)規(guī)范和《鐵路車輛空氣彈簧》(TB/T 2841)對SYS540G型空氣彈簧進行型式試驗。

4.1 空氣彈簧性能試驗

依據(jù)型式試驗大綱，對SYS540G型空氣彈簧進行試驗驗證，其中載荷-內(nèi)壓試驗值如表3所示，試驗值與仿真值和要求值的關(guān)系如圖7所示。垂向靜剛度試驗和水平靜剛度值如表4所示，試驗值與仿真值和要求值的關(guān)系如圖8所示。根據(jù)試驗結(jié)果，SYS540G型空氣彈簧的性能都能夠滿足技術(shù)要求。其中，載荷內(nèi)壓和垂向靜剛度等試驗值與仿真計算值偏差小于4%；水平剛度試驗值與仿真計算值偏差超過8%，這是因為氣囊經(jīng)高溫高壓硫化后，其簾線角度和簾布層之間距離與仿真計算的模型有所差距，進而造成了仿真計算值與試驗值有所偏差，后期可通過優(yōu)化仿真計算模型，來提高空氣彈簧水平靜剛度仿真計算的準確性。

表3 SYS540G型空氣彈簧的載荷內(nèi)壓(試驗值)

圖7 空氣彈簧載荷內(nèi)壓特性曲線

表4 SYS540G型空氣彈簧的剛度特性(試驗值)

圖8 空氣彈簧垂向和水平剛度特性曲線

4.2 橡膠堆性能試驗

根據(jù)型式試驗大綱，對橡膠堆性能進行試驗驗證，橡膠堆垂向靜態(tài)剛度在60 kN載荷下為2 460 N/mm，能夠滿足技術(shù)要求，試驗曲線如圖9所示。

圖9 SYS540G橡膠堆載荷位移曲線

4.3 空氣彈簧疲勞試驗

根據(jù)型式試驗大綱，對SYS540G型空氣彈簧進行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，試驗工況如表5所示。疲勞試驗后，對空氣彈簧的外表面狀態(tài)進行觀察，氣囊內(nèi)外表面均未出現(xiàn)撕裂、鼓包、簾線外露等缺陷，橡膠堆無異常，金屬件無變形等情況。

表5 SYS540G型空氣彈簧扭轉(zhuǎn)疲勞工況

試驗結(jié)束后，對空氣彈簧進行爆破試驗，其爆破壓力可達2.8 MPa，滿足技術(shù)要求。

5 結(jié)論

目前SYS540G型空氣彈簧順利通過了扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，且根據(jù)客戶實際運用情況，其運用狀態(tài)良好。針對空氣彈簧水平剛度的仿真計算與試驗值偏差稍大的情況，后期可通過優(yōu)化模型，提高仿真計算結(jié)果的準確性。