摘要：根據(jù)9 號(hào)線車輛原型進(jìn)口空氣彈簧的技術(shù)規(guī)范，研制了國產(chǎn)Φ500空氣彈簧。通過對(duì)空氣彈簧系統(tǒng)、輔助彈簧進(jìn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)，證明各類性能指標(biāo)均能滿足技術(shù)要求。Φ500空氣彈簧在裝車考核中，實(shí)際運(yùn)營正常，Sperling指標(biāo)均為優(yōu)，UIC513舒適度指標(biāo)均為良好。返廠檢測結(jié)果顯示，各項(xiàng)指標(biāo)變化率均在合理范圍內(nèi)。表明該型國產(chǎn)彈簧已達(dá)到替代原型空氣彈簧的要求，同時(shí)可作為其它車型空氣彈簧國產(chǎn)化探索的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：空氣彈簧;國產(chǎn)化;性能測試

空氣彈簧系統(tǒng)因?yàn)楦叨瓤煽亍⒏粽裥阅軆?yōu)越、變形能力強(qiáng)、阻尼可調(diào)、隔音降噪等諸多優(yōu)點(diǎn)，可有效應(yīng)對(duì)地鐵車輛載荷變化大、變形要求高、穩(wěn)定性和舒適性高的需求，成為了地鐵車輛轉(zhuǎn)向架二系懸掛的首選[1，2]。早期國內(nèi)大部分空氣彈簧市場為外國供應(yīng)商占據(jù)，隨著城市軌道交通的發(fā)展，采用進(jìn)口空氣彈簧的弊端開始顯現(xiàn)：采購價(jià)格高、供貨周期長、售后服務(wù)不完善，造成運(yùn)維成本高、列車扣修時(shí)間長、檢修效率低等問題[3]。

近年來由于運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的積累、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、主動(dòng)控制系統(tǒng)的升級(jí)以及新材料、新結(jié)構(gòu)的開發(fā)，國產(chǎn)空氣彈簧產(chǎn)品日臻成熟，各家地鐵公司紛紛加大了國產(chǎn)化的替代力度[4～8]。目前上海地鐵全網(wǎng)車輛保有量已近6000輛，進(jìn)口空氣彈簧占比較高。因此加強(qiáng)空氣彈簧國產(chǎn)化，對(duì)降低成本，提升檢修效率具有重要意義。上海地鐵9 號(hào)線一期列車原型空氣彈簧均為德國進(jìn)口，本文主要介紹國產(chǎn)替代彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、型式試驗(yàn)、裝車試驗(yàn)等，通過各項(xiàng)性能指標(biāo)的對(duì)比，探索國產(chǎn)化可行性，也為其他車型進(jìn)口空氣彈簧的替代提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1???? 空氣彈簧結(jié)構(gòu)

國產(chǎn)Φ500空氣彈簧屬于螺釘緊固密封式空氣彈簧系列，主要由氣囊、輔助彈簧、壓板、磨耗板、上蓋板等組成。如圖1 所示，氣囊和輔助彈簧串聯(lián)工作，用于保持恒定的車體高度。在規(guī)定的負(fù)載條件下，通過這兩個(gè)部件的緩沖，可提高旅客的乘坐舒適度。正常情況（充氣狀態(tài)）下，輔助彈簧有助于氣囊適應(yīng)車體和轉(zhuǎn)向架之間的旋轉(zhuǎn)。緊急情況下，輔助彈簧承擔(dān)車體重量。

為保證與原型彈簧的互換性，Φ500空氣彈簧的橡膠材料、金屬件和外形結(jié)構(gòu)、接口尺寸均與原產(chǎn)品保持一致。借助有限元輔助分析計(jì)算，證明各項(xiàng)性能參數(shù)均與原型產(chǎn)品保持高度相近，并符合技術(shù)規(guī)范要求。

2???? Φ500空氣彈簧的主要試驗(yàn)

為了驗(yàn)證Φ500空氣彈簧各項(xiàng)實(shí)際性能指標(biāo)，分別對(duì)空氣彈簧系統(tǒng)和輔助彈簧開展型式試驗(yàn)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)與原型產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)。其中耐壓試驗(yàn)、系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)分別在水爆壓力試驗(yàn)機(jī)、扭擺試驗(yàn)機(jī)和蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行;輔助彈簧垂向靜、動(dòng)剛度試驗(yàn)分別在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)和動(dòng)剛度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行;其他試驗(yàn)在空氣彈簧二維試驗(yàn)機(jī)上完成。

2.1? 空氣彈簧系統(tǒng)試驗(yàn)

（1）氣密性試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)高度（248mm）下，將一組空氣彈簧充內(nèi)壓至7bar±0.2bar，關(guān)閉氣源，靜止保持5 分鐘后記錄氣壓降;另一組則在關(guān)閉氣源后，以1Hz頻率，沿水平方向以±20mm振幅循環(huán)5 分鐘，測量水平循環(huán)后的氣壓降。

（2）內(nèi)壓與載荷試驗(yàn)

將空氣彈簧在設(shè)計(jì)高度下充內(nèi)壓，當(dāng)空氣彈簧垂向載荷為：57.5KN（AW0-空載）、103.1KN（AW2-滿載）、121.1KN（AW3-超載），將空氣內(nèi)壓值列于表2，均滿足技術(shù)規(guī)范。

（3）???? 垂向剛度試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)高度下，分別充氣加載至121.1KN、103.1KN、57.5KN，以0.075Hz的頻率，沿垂向施加±10mm振幅。通過載荷位移曲線，計(jì)算得出剛度值。試驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)規(guī)范。

（4）???? 橫向剛度試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)高度下，垂向加載至121.1KN、103.1KN、57.5KN，以低于0.01Hz的頻率，沿橫向施加±10mm振幅，循環(huán)4 次，取最后一次計(jì)算剛度值。改變振幅為±100mm重復(fù)上述試驗(yàn)。測量數(shù)據(jù)均滿足技術(shù)要求。

（5）???? 剪切力矩試驗(yàn)

剪切末端力矩是當(dāng)空氣彈簧發(fā)生剪切時(shí)，在空氣彈簧系統(tǒng)頂部與底部產(chǎn)生的力矩。頂部與底部產(chǎn)生的力矩不一定相等。設(shè)計(jì)末端力矩試驗(yàn)是為了顯示彈簧剪切至77mm的位移時(shí)頂部與底部力矩的比率。

對(duì)試驗(yàn)傳感器進(jìn)行力矩試驗(yàn)標(biāo)定后，在設(shè)計(jì)高度下分別在模擬AW0、AW2、AW3工況載荷，以小于5mm/s的速度，20mm為步長加載至100mm，每 20mm記錄一次水平載荷與垂向載荷。通過計(jì)算得到三種載荷的剪切力矩比率在0.650～0.85范圍內(nèi)，符合技術(shù)要求0.7±0.2。

（6）耐壓試驗(yàn)

將新空氣彈簧系統(tǒng)在設(shè)計(jì)高度下充不低于20bar水壓，在此狀態(tài)下保持5 分鐘。將疲勞試驗(yàn)后的空氣彈簧系統(tǒng)充入16bar水壓，保持5 分鐘如圖2。

結(jié)果顯示新樣品充21.5bar水壓后，無破壞，滿足疲勞前水壓大于20bar的要求;完成疲勞試驗(yàn)的樣品充16bar水壓后，無破壞，滿足疲勞后水壓大于16bar的要求。

（7）???? 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)

在充氣設(shè)計(jì)高度下，以載荷98.3KN，水平偏置25mm，振幅±42mm，頻率0.7～1Hz，進(jìn)行600000周次的疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，重復(fù)重復(fù)剛度試驗(yàn)，并測量內(nèi)壓直徑和動(dòng)態(tài)蠕變量。

圖3 為被測樣品，疲勞試驗(yàn)后無裂紋，輕微磨損，滿足技術(shù)要求。表5 所示剛度變化率、內(nèi)徑和直徑變化量、動(dòng)態(tài)蠕變量等疲勞前后的性能變化均滿足技術(shù)要求。

2.2? 輔助彈簧試驗(yàn)（1）垂向剛度試驗(yàn)

輔助彈簧以60mm/min的加載速度，垂向從0 加載至163.8KN，再卸載至0KN。記錄滯回曲線，取滯回曲線中的上升曲線，列垂向靜剛度數(shù)據(jù)于表6。

垂向從0KN加載到57.5KN。以1Hz頻率沿垂向方向施加±5mm振幅，循環(huán)4 次，取最后一次計(jì)算動(dòng)剛度值。垂向加載103.1KN和121.1KN，重復(fù)試驗(yàn)。表7 為垂向動(dòng)靜剛度比數(shù)據(jù)，結(jié)果證明符合技術(shù)要求。

（2）?? 橫向剛度試驗(yàn)

垂向從0KN加載到57.5KN。以0.01Hz頻率沿橫向方向施加0～5mm振幅，循環(huán)3 次，取最后一次計(jì)算剛度值。記錄載荷位移曲線，同時(shí)計(jì)算得出剛度值。垂向加載103.1KN，重復(fù)試驗(yàn);垂向加載121.1KN，重復(fù)試驗(yàn)。結(jié)果顯示三種載荷下的橫向剛度分別為6.70N/mm、13.5N/mm和16.0N/mm，均符合要求。

（3）?? 輔助彈簧蠕變?cè)囼?yàn)

將樣品安裝在蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上，試驗(yàn)溫度23℃，垂向施加靜態(tài)載荷98.3KN，記錄240小時(shí)內(nèi)的蠕變數(shù)據(jù)，并繪制蠕變預(yù)測曲線于圖4。試驗(yàn)完成后，重復(fù)輔助彈簧剛度試驗(yàn)。

根據(jù)曲線可得裝車48h后至10年的蠕變量為1.6mm，滿足技術(shù)規(guī)范≤3mm。此外蠕變?cè)囼?yàn)前后，在三種工況下的剛度變化率分別為0.98%、0.68%和-3.49%，滿足需求。

（4）?? 輔助彈簧垂向疲勞試驗(yàn)

以121.1KN載荷，以1Hz頻率，變載±18KN，循環(huán)600000周次;變載±37KN，循環(huán)300000周次。疲勞試驗(yàn)完成后，重復(fù)剛度試驗(yàn)和高度測量。

結(jié)果表明輔助彈簧經(jīng)過900000次疲勞試驗(yàn)后，狀態(tài)良好，沒有撕裂，裂紋，橡膠沒有從金屬脫落。剛度變化率和高度變化均在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

（5）?? 輔助彈簧垂向碰撞試驗(yàn)

以121.1KN載荷，1Hz頻率，動(dòng)載±18KN，循環(huán)600000周次;進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。輔助彈簧經(jīng)過600000次碰撞破壞試驗(yàn)后，狀態(tài)良好，沒有撕裂，裂紋，橡膠沒有從金屬脫落。壓板和輔助彈簧的緊固螺釘沒有松動(dòng)現(xiàn)象。

（6）?? 橡膠堆老化試驗(yàn)

橡膠堆在溫度為23±2℃下保持至少24小時(shí)，然后根據(jù)ISO188規(guī)定在70℃條件下老化14天。老化之后，橡膠堆置于環(huán)境溫度下24小時(shí)后，進(jìn)行垂向剛度試驗(yàn)。在57.5KN、103.1KN和121.1KN載荷作用下，老化前后剛度變化率分別為2.3%、1.8%、1.9%，均不超過技術(shù)要求的20%。

（7）?? 垂向破壞性試驗(yàn)

將樣品安裝在二維試驗(yàn)機(jī)上，垂向加載（壓縮）在錐形簧芯軸上直到樣品破壞，記錄載荷變形曲線。結(jié)果證明金屬與橡膠粘合強(qiáng)度是合格的。

3???? 裝車考驗(yàn)

在裝車第一周、6個(gè)月后及試驗(yàn)結(jié)束前一周，均任選一天按GB5599～85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》和UIC513《鐵路車輛內(nèi)旅客振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》進(jìn)行列車動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。在裝車運(yùn)營期間定時(shí)進(jìn)行氣密性、限界干涉、表面狀態(tài)、工作狀態(tài)、無氣高度等進(jìn)行檢查。試驗(yàn)期滿將裝車彈簧返廠檢測，對(duì)比各項(xiàng)指標(biāo)變化率。

（1）?? 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

在AW0（空車）工況下，選取同列車相鄰車輛分別安裝國產(chǎn)化空氣彈簧和進(jìn)口原型彈簧，被測車輛的一、二系彈簧、減震器狀態(tài)均正常，踏面磨耗量狀態(tài)相當(dāng)。對(duì)上海地鐵9 號(hào)線車輛進(jìn)行平穩(wěn)性線路測試。測試結(jié)果表明：在實(shí)際運(yùn)行圖速度范圍內(nèi)，兩輛車的Sperling平穩(wěn)性均為優(yōu)級(jí)，UIC513舒適度指標(biāo)均為良好。

（2）?? 返廠檢測試驗(yàn)

裝車運(yùn)營1 年，國產(chǎn)化彈簧無裂紋、磨損，膠囊簾線層無露出及輔助彈簧無脫膠、傾斜，橡膠無裂紋、鼓包等外觀問題，各項(xiàng)維護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)正常。返廠檢測的結(jié)果顯示：運(yùn)行前后國產(chǎn)空氣彈簧氣密性狀態(tài)良好，外徑滿足技術(shù)要求≤350mm的指標(biāo);載荷內(nèi)壓變化率、垂向剛度變化率、橫向剛度變化率分別在2%、2%、5%以內(nèi);輔助彈簧蠕變量在1mm左右，剛度變化率在5%以內(nèi)，均滿足技術(shù)要求。該空氣彈簧通過了運(yùn)營考驗(yàn)。

4???? 結(jié)論

（1）?? 上海地鐵9 號(hào)線車輛國產(chǎn)空氣彈簧系統(tǒng)和輔助彈簧的各項(xiàng)型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)與原型產(chǎn)品相近，均能滿足技術(shù)要求。動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)評(píng)定Sperling平穩(wěn)性為優(yōu)級(jí)，UIC513舒適度指標(biāo)均為良好。

（2）?? 國產(chǎn)空氣彈簧通過實(shí)際運(yùn)營考核，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可進(jìn)行擴(kuò)大化或推廣應(yīng)用。

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作者簡介：

顧培忠（1973-）漢，上海，本科，工程師，研究方向：軌道交通.