金屬橡膠液壓復(fù)合彈簧在快速貨車轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用*

李志強

（南車眉山車輛有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部，四川眉山620032）

金屬橡膠液壓復(fù)合彈簧在快速貨車轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用*

李志強

（南車眉山車輛有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部，四川眉山620032）

根據(jù)快速貨車轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛裝置的特點要求，介紹了金屬橡膠液壓復(fù)合彈簧的結(jié)構(gòu)、工作原理和技術(shù)特征，簡述了國外鐵路轉(zhuǎn)向架的應(yīng)用情況和國內(nèi)快速貨車轉(zhuǎn)向架的應(yīng)用情況，并分析了應(yīng)用金屬橡膠液壓彈簧應(yīng)注意的問題。

金屬橡膠液壓復(fù)合彈簧；快速貨車轉(zhuǎn)向架

為了使轉(zhuǎn)向架具有優(yōu)良的蛇行運動穩(wěn)定性和運行平穩(wěn)性，必須選擇合理的轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)?？焖儇涇囖D(zhuǎn)向架一般采用兩系懸掛，一系（軸箱）懸掛參數(shù)直接影響車輛的蛇行運動穩(wěn)定性和垂向平穩(wěn)性。傳統(tǒng)一系懸掛采用的金屬螺旋彈簧和摩擦式減振器，由于其本身固有的缺點，已經(jīng)不能滿足快速貨車轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能要求，因而被橡膠彈簧和液壓減振器所取代。金屬橡膠液壓復(fù)合彈簧（以下簡稱復(fù)合彈簧）集橡膠承載彈簧和液壓減振器功能于一體，其良好的性能不失為快速貨車轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛裝置一種好的選擇。

1 快速貨車轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛裝置特點

快速貨車轉(zhuǎn)向架在高速運行時要具有良好的動力學(xué)性能，一系懸掛和二系懸掛參數(shù)優(yōu)化選取及一系、二系參數(shù)的合理分配必不可少，零部件結(jié)構(gòu)力求簡潔，盡量減少零部件數(shù)量，實現(xiàn)零部件間少磨耗或者無磨耗。

金屬螺旋彈簧橫向、縱向剛度完全相同。若要獲得不同的橫向、縱向剛度，就需采用附加的特殊結(jié)構(gòu)來約束橫向、縱向，這勢必增加轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)難度。而橡膠元件很容易獲得垂向、橫向和縱向不同的剛度值，具有良好的非線性特點，因而更能夠滿足軸箱懸掛要求，尤其隨著車輛速度的增加，軸箱懸掛參數(shù)對車輛臨界蛇行失穩(wěn)速度起著關(guān)鍵作用。因此，國內(nèi)外客車、動車和地鐵轉(zhuǎn)向架已經(jīng)廣泛采用橡膠彈簧取代金屬螺旋彈簧作為軸箱懸掛?？焖儇涇囖D(zhuǎn)向架比傳統(tǒng)貨車轉(zhuǎn)向架運行速度快，橡膠彈簧更能適應(yīng)快速貨車轉(zhuǎn)向架的運用環(huán)境，因而快速貨車轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛系統(tǒng)應(yīng)首選橡膠彈簧。

由于運行速度低，傳統(tǒng)貨車轉(zhuǎn)向架一般采用金屬結(jié)構(gòu)摩擦減振器。摩擦減振器摩擦副之間易產(chǎn)生磨耗；其摩擦力與振動速度無關(guān)，當(dāng)來自彈簧下的沖擊力小于摩擦力時會剛性地傳到彈簧上部分，引起車體高頻振動。而隨著速度的增加，這種振動嚴(yán)重影響車輛的運行品質(zhì)，因此，摩擦式減振器已經(jīng)在機車、客車、動車轉(zhuǎn)向架中被液壓減振器完全取代。液壓減振器利用阻尼液體黏滯阻力所作的負(fù)功來吸收振動能量，阻力與振動速度呈一定的函數(shù)關(guān)系，振動衰減量與振幅呈正比關(guān)系，減振性能能夠自動調(diào)節(jié)。快速貨車轉(zhuǎn)向架對減振性能要求更高，因此，快速貨車轉(zhuǎn)向架宜采用液壓減振器。

如圖1所示，復(fù)合彈簧是將錐形橡膠彈簧和液壓減振器集成在一起，作為軸箱懸掛裝置使用，具有承載、輪對導(dǎo)向和減振的功能。

2 復(fù)合彈簧結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 主要結(jié)構(gòu)

復(fù)合彈簧上部一般為圓柱形，底部呈錐形，主要由橡膠元件與鋼板硫化在一起的金屬錐型橡膠彈簧和阻尼液、節(jié)流孔及帶橡膠隔離膜的阻尼腔組成，上部和底部設(shè)有與構(gòu)架和軸箱相連接的裝置，如圖2所示。

2.2 工作原理

（1）垂向承載

如圖3所示，當(dāng)復(fù)合彈簧受到來自構(gòu)架的垂向載荷Fz作用時，載荷通過與構(gòu)架連接的法蘭盤傳到彈簧外側(cè)的金屬套上，錐形橡膠與金屬套硫化在一起，垂向載荷通過金屬套再傳輸?shù)较鹉z堆上，橡膠壓縮變形，垂向載荷再傳輸?shù)降撞恐虚g的芯軸上，芯軸再將載荷通過螺桿結(jié)構(gòu)傳輸?shù)捷S箱上。通過橡膠元件的壓縮變形，實現(xiàn)復(fù)合彈簧的垂向承載。

（2）輪對導(dǎo)向

當(dāng)錐形橡膠彈簧受到垂向載荷壓縮變形時，其橫向和縱向也會產(chǎn)生一定的變形。由于橡膠元件特殊的三向異步性能，通過合理設(shè)計可獲得需要的不同縱向、橫向剛度值，對輪對起到附加定位的作用。橫向變形對輪對起到導(dǎo)向作用，使轉(zhuǎn)向架順利通過曲線。

（3）阻尼

如圖3所示，當(dāng)復(fù)合彈簧受到垂向載荷Fz作用時，錐形橡膠彈簧壓縮變形，裝滿阻尼液體的底腔體積減小，受到擠壓的阻尼液體通過節(jié)流閥進(jìn)入頂腔，使頂腔體積增大。阻尼液體在通過節(jié)流閥產(chǎn)生減振阻力，用以衰減來自車輪表面不規(guī)則和軌道不平順引起的垂向振動，來自輪軌的振動能量則轉(zhuǎn)化為阻尼液體的熱量而散逸。

2.3 主要技術(shù)特征

（1）三向剛度非線性異性特征

如圖4，橡膠變形受載荷影響，其垂向、橫向、縱向剛度隨著垂向載荷的變化而變化且各不相同，均呈非線性特征。這種性能能夠較好地滿足軸箱懸掛彈簧在垂向、橫向和縱向承受不同載荷的需要。通過調(diào)整錐形橡膠的傾斜角度以及對橡膠進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐谘a，可以獲得理想的垂向、橫向和縱向剛度。

（2）最佳減振效果在車輛諧振范圍內(nèi)

如圖5所示為復(fù)合彈簧振動模型圖。M為車體質(zhì)量；K為承載錐形橡膠彈簧剛度，m為減振系統(tǒng)提供阻尼和附加剛度Kc的阻尼液體質(zhì)量，C為阻尼系數(shù)（可換算成阻尼動態(tài)損失角δ表示）。如忽略m不計，則金屬橡膠液壓復(fù)合彈簧的最大動態(tài)損失角δmax為：

從式（1）可以看出，復(fù)合彈簧的阻尼率主要與錐形橡膠彈簧自身剛度K和阻尼附加剛度Kc的比值相關(guān)，而節(jié)流閥形狀對不同振動頻率的減振效果不同，因此，通過計算選取合理的剛度比值和節(jié)流閥形狀參數(shù)，可以在車輛諧振范圍內(nèi)獲得最大的阻尼率（圖6）。

（3）其他特征

復(fù)合彈簧將錐形橡膠彈簧和液壓減振器集成在一起后，節(jié)省了垂向液壓減振器。復(fù)合彈簧各零部件由于無相對運動因而無任何磨耗；上部和底部都與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和軸箱進(jìn)行剛性緊固，使一系懸掛簡單、可靠。因而在壽命周期內(nèi)，復(fù)合彈簧免維護。

橡膠材料是一種高分子黏彈性材料，具有較高的內(nèi)阻，加之阻尼系統(tǒng)的減振作用，復(fù)合彈簧尤其對高頻振動的隔振效果極佳，而且具有良好的降噪功能。

3 復(fù)合彈簧在國外鐵路轉(zhuǎn)向架的應(yīng)用

由于復(fù)合彈簧自重小，結(jié)構(gòu)緊湊，易于改型，因此，歐洲國家率先采用復(fù)合彈簧對老型的貨車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行改造，用復(fù)合彈簧替代傳統(tǒng)的金屬螺旋彈簧和摩擦式減振器。德國對Y25轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了改造，經(jīng)對運行半年后的復(fù)合彈簧拆卸檢查，其剛度特性和阻尼特性均符合設(shè)計要求，僅因為橡膠老化造成剛度少量增加。韓國鐵路也采用復(fù)合彈簧對集裝箱平車用Y25轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了改造，如圖7，運用情況良好。法國SNCF也對Y27型轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了改造，運用情況較傳統(tǒng)鋼彈簧懸掛在改善運行品質(zhì)上有較大提高，如圖8。

國外部分客車和地鐵轉(zhuǎn)向架也采用復(fù)合彈簧，如德國鐵路客車轉(zhuǎn)向架G?rlitz 5型轉(zhuǎn)向架采用復(fù)合彈簧后如圖9，車輛動力學(xué)性能得到改善，輪軌的磨耗大大減小。澳大利亞某地鐵轉(zhuǎn)向架也從1996年開始采用復(fù)合彈簧如圖10。

4 復(fù)合彈簧在國內(nèi)快速貨車轉(zhuǎn)向架的應(yīng)用

我國快速貨車轉(zhuǎn)向架的研制工作始于2000年，齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司（簡稱齊車軌道公司）、長江車輛有限公司（簡稱長江公司）和眉山車輛有限公司（簡稱眉山公司）都各自研制了160 km/h快速貨車轉(zhuǎn)向架。

齊車軌道公司早期研制的16.5 t軸重160 km/h快速貨車轉(zhuǎn)向架，其軸箱懸掛裝置如圖11采用了國產(chǎn)型號的復(fù)合彈簧，由于減振阻尼力不足，所以同時還設(shè)有垂向液壓減振器。后期齊車軌道公司研制的18 t軸重160 km/h轉(zhuǎn)向架采用了導(dǎo)柱式彈性套軸箱定位方式，軸箱彈簧采用金屬螺旋彈簧。

長江公司160 km/h快速貨車轉(zhuǎn)向架揉合Y25型（構(gòu)架式）與Swing Mtion（擺動式）轉(zhuǎn)向架特點，用4個球鉸將搖枕與兩側(cè)架連接為關(guān)節(jié)構(gòu)架后懸掛于軸箱上。其軸箱彈簧采用一種國產(chǎn)小直徑復(fù)合彈簧如圖12，頂部阻尼腔直接插入側(cè)架孔內(nèi)，實現(xiàn)與側(cè)架的定位。

眉山公司160 km/h快速貨車轉(zhuǎn)向架為兩系懸掛構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，軸箱懸掛系統(tǒng)如圖13，采用德國進(jìn)口復(fù)合彈簧。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了車輛在空、重車狀態(tài)下不同的阻尼率，改善了轉(zhuǎn)向架空、重車的垂向動力學(xué)性能。

上述各轉(zhuǎn)向架均進(jìn)行了線路或環(huán)行線動力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果表明復(fù)合彈簧結(jié)構(gòu)的一系懸掛系統(tǒng)均能滿足和適應(yīng)160 km/h運行速度的要求。

5 應(yīng)用復(fù)合彈簧的建議

復(fù)合彈簧將承載功能和阻尼功能集成在一起后，雖然結(jié)構(gòu)上更簡潔，但同時也將承載和阻尼功能耦合在一起，使兩種功能強關(guān)聯(lián)在一起。因此，在設(shè)計復(fù)合彈簧時，必須對復(fù)合彈簧的承載功能和阻尼功能的參數(shù)分別進(jìn)行合理的選取，并需對參數(shù)的相互影響加以研究。

（1）合理匹配三向剛度

復(fù)合彈簧的三向剛度雖然異步，但變化趨勢是一致的，其值都隨垂向載荷變化而變化。當(dāng)空、重車較大的垂向剛度差別引起垂向剛度對垂向載荷較大的變化梯度時，橫向剛度和縱向剛度對垂向載荷也會產(chǎn)生較大的變化梯度。車輛運行時輪對增減載造成復(fù)合彈簧垂向載荷增減是難免的。當(dāng)轉(zhuǎn)向架減載時，運動中的縱向剛度也會下降，如果梯度過大，下降值過大，縱向剛度就可能不足以將輪對軸箱正常定位，而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架性能下降，甚至出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)。因此設(shè)計三向剛度時應(yīng)盡量使橫向及縱向剛度曲線變化梯度趨緩（減小曲線斜率）。

（2）合理選取轉(zhuǎn)向架振動模態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)向架振動固有頻率公式

式中f為振動固有頻率，Hz；M為簧上質(zhì)量，kg。

轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)確定后，各部分質(zhì)量慣量也就恒定不變。由于剛度不斷變換，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架振動的固有頻率也不斷變化。當(dāng)剛度較小時，很容易使轉(zhuǎn)向架的振動模態(tài)固有頻率與外界激擾或輪對蛇行失穩(wěn)頻率接近，雖然復(fù)合彈簧阻尼率在轉(zhuǎn)向架振動固有頻率時會達(dá)到最大值，但此時依然易引起轉(zhuǎn)向架振動過大或與外部激擾共振而失穩(wěn)。因此，轉(zhuǎn)向架的振動模態(tài)參數(shù)選取時應(yīng)避開共振頻率段。

（3）選取合理的阻尼參數(shù)

復(fù)合彈簧阻尼系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計時，要兼顧轉(zhuǎn)向架在空車和重車狀態(tài)下的減振效果。既不能發(fā)生空車狀態(tài)過阻尼，也不能發(fā)生重車狀態(tài)阻尼不足現(xiàn)象。

（4）考慮橡膠蠕變對性能的影響

錐形橡膠彈簧中的橡膠件具有蠕變特性，參數(shù)設(shè)計時，需考慮橡膠蠕變對轉(zhuǎn)向架性能的影響，盡量減小橡膠的蠕變值。橡膠的蠕變通常發(fā)生在使用初期，其蠕變值與時間對數(shù)呈線性比例。也就是說，復(fù)合彈簧使用前2天發(fā)生的蠕變等于第3天到壽命結(jié)束時發(fā)生的蠕變。

因此，軸箱懸掛裝置需設(shè)計有橡膠蠕變后對彈簧高度和載荷下?lián)隙鹊难a救措施。

6 結(jié)束語

復(fù)合彈簧從1996年研制成功，作為軸箱彈簧已經(jīng)在客車、地鐵轉(zhuǎn)向架和國內(nèi)快速貨車轉(zhuǎn)向架上得到廣泛應(yīng)用，其特殊的結(jié)構(gòu)、功能滿足鐵道車輛安全、可靠、環(huán)保的要求，同時結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、節(jié)省液壓減振器，尤其能夠滿足貨車轉(zhuǎn)向架經(jīng)濟性的要求。因此，隨著我國鐵路貨物運輸朝著“大宗貨物重載化，高附加值貨物快捷化”模式發(fā)展，金屬橡膠液壓復(fù)合彈簧在快速貨車轉(zhuǎn)向架上具有良好的運用前景。

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Application of Metal Rubber Hydraulic Composite Spring in Rapid-speed Wagon Bogie

LI Zhiqiang
（Product Development Department，CSR Meishan Co.，Ltd.，Meishan 620032 Sichuan，China）

According to the characteristics requirements of rapid-speed wagon bogie’s axle box suspension device，this paper introduces the structure，working principle and technical characteristics of metal rubber hydraulic composite spring，outlines its application in the railway bogie at home and abroad，and also analyzes the cautions for applying.

metal rubber hydraulic composite spring；rapid-speed wagon bogie；application；suggestion

U272.4＋2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.05

1008－7842（2014）06－0023－04

*四川省科技支撐計劃戰(zhàn)略性新興項目（2013GZX0142）

1—）男，教授級高級工程師（

2014－06－20）