于曉東，姜凌，徐雯學(xué)，來慶存

(青島博銳智遠減振科技有限公司， 山東 青島 266700)

1 空氣彈簧的結(jié)構(gòu)及功能

空氣彈簧是現(xiàn)代軌道車輛二系懸掛的重要減振功能部件，其中大曲囊型式的空氣彈簧主要由上蓋組成、扣環(huán)、氣囊、橡膠堆、支承座、摩擦塊、底座以及其他部件組成，如圖1 所示。工作時由車輛供風(fēng)設(shè)備向空氣彈簧內(nèi)部充氣，使上蓋組成抬升至指定高度，由于氣囊是橡膠柔性部件，充氣后空氣彈簧可以隔絕車輛轉(zhuǎn)向架和車體間的振動[1]。

圖1 空氣彈簧結(jié)構(gòu)組成

橡膠堆是空氣彈簧的重要組成部分，如圖2 所示，其主要由外套、橡膠層、隔板和芯軸組成，其中膠層為橡膠材質(zhì)，其他部件為金屬材質(zhì)，膠層與金屬部件的接觸面通過硫化黏接的方式固定，利用金屬部件約束橡膠形變來實現(xiàn)特定的剛度性能。當(dāng)空氣彈簧的供風(fēng)系統(tǒng)或者空氣彈簧本身失效導(dǎo)致內(nèi)部氣體耗盡時，橡膠堆將單獨承載以提供車輛安全平穩(wěn)運營所需的垂向剛度。

圖2 橡膠堆結(jié)構(gòu)組成

2 橡膠堆的塌陷失效原因及影響

空氣彈簧在設(shè)計時，橡膠堆與支承座間的垂向間隙（即圖3 種所示B 尺寸）是一項重要指標，它決定了橡膠堆在垂直方向上的最大壓縮量，當(dāng)空氣彈簧的供風(fēng)系統(tǒng)或者空氣彈簧本身失效導(dǎo)致內(nèi)部氣體耗盡時，橡膠堆需要單獨承載以提供車輛安全運營所需的垂向剛度，而實現(xiàn)這一功能的前提是橡膠堆承受最大許用載荷時垂向間隙必須大于零，否則金屬部件之間將直接硬接觸，從而導(dǎo)致橡膠堆的減振功能失效[2]。

圖3 橡膠堆的正常狀態(tài)與失效狀態(tài)

由于橡膠堆的結(jié)構(gòu)特性，膠層與金屬部件的接觸面通過黏接固定，存在一定的黏接失效風(fēng)險，失效時黏接面附近膠層與金屬部件產(chǎn)生相對滑移，膠層在金屬部件間擠出形成膠層塌陷故障，此時橡膠堆將可能在最大許用載荷范圍內(nèi)產(chǎn)生金屬部件的提前硬接觸，從而失去減振功能。

當(dāng)橡膠堆塌陷故障發(fā)生時，通常需要抬車才能更換故障件，如此時車輛正處在運行線路中，不但不具備抬車條件，還會嚴重影響車輛和線路的正常運行，造成客戶較大的運營損失。針對上述現(xiàn)狀，本文提出一種橡膠堆的優(yōu)化設(shè)計理念，通過合理改進橡膠堆的零部件結(jié)構(gòu)，使出現(xiàn)塌陷故障的橡膠堆在一定程度上避免失效，從而使車輛短期內(nèi)能夠維持正常運行，待具備抬車維修條件時再進行故障件的更換，達到降低車輛運行安全風(fēng)險和客戶運營損失的目的。根據(jù)實際運用經(jīng)驗，空氣彈簧在正常工作時，橡膠堆內(nèi)膠層形變最大，最易發(fā)生失效，通過優(yōu)化設(shè)計如能避免或削弱內(nèi)膠層失效，則可以達到降低橡膠堆塌陷故障影響的目的[3]。

3 橡膠堆的優(yōu)化設(shè)計方案

3.1 基于FEA 計算分析

為便于研究，本文模擬橡膠堆芯軸與內(nèi)膠層黏接不良建立模擬故障FEA 模型進行計算分析，模擬模型的芯軸與膠層完全不黏接，這是一種極端惡劣的故障工況。被模擬的橡膠堆產(chǎn)品需要在最大垂向載荷170 kN 時仍具備減振能力。

圖4 為正常和故障橡膠堆的FEA 計算模型，圖7為不同狀態(tài)下橡膠堆的位移和應(yīng)力計算曲線。計算結(jié)果表明，對比正常橡膠堆，模擬故障橡膠堆在同載荷下形變更大，在垂向載荷140 kN 左右時曲線出現(xiàn)階躍，此時故障橡膠堆芯軸與支承座出現(xiàn)硬接觸，橡膠堆失效，不再具備減振功能，而正常橡膠堆在垂向載荷170 kN 范圍內(nèi)未發(fā)生失效。

圖4 正常橡膠堆FEA 模型

針對模擬故障橡膠堆FEA 模型，調(diào)整其底部結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，通過調(diào)整優(yōu)化部位高度H，使橡膠堆發(fā)生故障時擠出的內(nèi)膠層與底部結(jié)構(gòu)接觸擠壓產(chǎn)生支承作用，從而達到削減橡膠堆失效的目的。

圖5 一種優(yōu)化方案圖示

針對上述方案建立圖6 所示FEA 模型，并計算得到圖7 所示不同狀態(tài)下橡膠堆的位移和應(yīng)力計算曲線，由曲線可知，最大垂向載荷170 kN 以內(nèi)曲線全程未產(chǎn)生階躍，即橡膠堆未失效，能夠正常提供減振性能。同載荷下橡膠堆形變量介于正常橡膠堆和模擬故障橡膠堆之間，這說明優(yōu)化方案下橡膠堆的承載得到了明顯改善。

圖6 優(yōu)化橡膠堆FEA 模型

圖7 不同狀態(tài)下橡膠堆位移和應(yīng)力計算曲線

圖8 各橡膠堆的位移和應(yīng)力試驗曲線

3.2 改進方案試驗驗證

為驗證上述計算方案的可行性，對上述正常橡膠堆及模擬故障橡膠堆優(yōu)化前后進行了試驗驗證（如圖9）。

圖9 橡膠堆試驗現(xiàn)場

圖8 為模擬故障橡膠堆、正常橡膠堆以及優(yōu)化方案橡膠堆的位移和應(yīng)力實測曲線，對比正常橡膠堆，模擬故障橡膠堆在垂向載荷141 kN 時曲線出現(xiàn)階躍，表明此時橡膠堆出現(xiàn)了金屬部件的硬接觸而失效。模擬故障橡膠堆在相同載荷下產(chǎn)生的位移更大，在有效的彈性區(qū)間內(nèi)承載能力下降。優(yōu)化結(jié)構(gòu)在同樣達到最大載荷時曲線未產(chǎn)生階躍，仍能維持與正常橡膠堆接近的承載力和減振性能。試驗結(jié)果表明這種優(yōu)化設(shè)計能夠有效緩解橡膠堆塌陷故障導(dǎo)致其功能失效的影響，方案切實有效[4]。

實際對橡膠堆底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，針對不同產(chǎn)品的位移應(yīng)變特性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)不盡相同，同時應(yīng)結(jié)合實際安裝空間考慮，設(shè)置橡膠堆底部不同的形狀及高度，圖10 所示是常用的幾種優(yōu)化案例。

圖10 常用優(yōu)化案例

4 其他改進方向

4.1 隔板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上述改進方案通過結(jié)構(gòu)上阻擋故障橡膠堆膠層和金屬件的相對滑移從而緩解故障橡膠堆的失效。作為其延伸，還可通過延長底部隔板或者兩種方式相結(jié)合達到類似效果（如圖11）。

圖11 延伸隔板優(yōu)化示例

圖12 為延長底部隔板優(yōu)化方案的FEA 模型，圖13 為該方案的位移應(yīng)力計算曲線與前文中正常橡膠堆和模擬故障橡膠堆的FEA 計算曲線對比，可以看出優(yōu)化改進后橡膠堆的位移應(yīng)力特性得到了明顯改善，曲線在160 kN 左右時存在輕微拐點，此時隔板已觸達底部，之后橡膠堆的最內(nèi)層橡膠不再起作用，其故障模式不再擴展，外側(cè)兩層橡膠堆繼續(xù)提供減振作用，從而阻止了橡膠堆的失效[5]。

圖12 延長隔板橡膠堆的FEA 計算模型

圖13 各橡膠堆的位移和應(yīng)力計算曲線

4.2 膠層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

除了阻擋橡膠堆膠層和金屬件的相對滑移外，還可通過改變膠層包覆的方式來從結(jié)構(gòu)上限制其故障狀態(tài)下膠層與金屬部件間的相對滑移。如圖14 所示，內(nèi)膠層采用完全包覆芯軸頂部的方式布置，工作時芯軸側(cè)面與膠層黏接部位的受力狀態(tài)能夠得到改善，從而減小其黏接故障的風(fēng)險。當(dāng)出現(xiàn)黏接故障時，完全包覆式膠層也能一定程度上阻止橡膠堆塌陷，從而起到緩解其失效的目的。

圖14 內(nèi)膠層包覆芯軸優(yōu)化示例

圖15 為內(nèi)膠層包覆芯軸優(yōu)化方案的FEA 模型，圖16 為該方案的位移應(yīng)力計算曲線與前文中正常橡膠堆和模擬故障橡膠堆的計算曲線對比，可以看出采用內(nèi)膠層包覆芯軸方案后，橡膠堆的位移應(yīng)力曲線介于正常堆與模擬故障橡膠堆之間且曲線未出現(xiàn)階躍，這說明橡膠堆整個壓縮過程未失效，優(yōu)化措施起到了預(yù)期作用。

圖15 內(nèi)膠層包覆芯軸橡膠堆的FEA 計算模型

圖16 各橡膠堆的位移和應(yīng)力計算曲線

5 總結(jié)和展望

本文提出的橡膠堆優(yōu)化設(shè)計理念，可以切實減小橡膠堆塌陷故障對產(chǎn)品本身、車輛運行和客戶體驗帶來的不良影響，為產(chǎn)品檢修和更換提供了更高的靈活性。參考產(chǎn)品的實際運用環(huán)境，靈活采取不同的優(yōu)化方案或?qū)⒏鞣N方案進行有機結(jié)合，能夠保證橡膠堆在發(fā)生塌陷故障時仍能保證具備一定的應(yīng)急緩沖作用。

另外，本文所述的幾種優(yōu)化方式仍具備擴展延伸的條件，可以為橡膠堆設(shè)計提供更多樣化的選擇。需要指出，上述優(yōu)化設(shè)計的理念僅作為對非預(yù)期故障的緩解方案，并不意味著可以降低對橡膠堆本身品質(zhì)的要求，通過對產(chǎn)品持續(xù)改進，對質(zhì)量管控持續(xù)提升，盡可能降低產(chǎn)品故障風(fēng)險應(yīng)當(dāng)是從業(yè)人員最永恒的追求。