城市輕軌車用二系沙漏型橡膠彈簧研究

馮萬盛，孫海燕，柳祿泱

（中國(guó)南車集團(tuán) 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

歐洲許多城市采用輕軌車作為城區(qū)公共交通工具，具有環(huán)保、便捷、乘坐舒適的特點(diǎn)。但是城市運(yùn)行的軌道線路具有曲線多且半徑小、頻繁起動(dòng)和制動(dòng)的特點(diǎn)，同時(shí)為方便殘疾乘客的上下車，需要采用低地板設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向架一般結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、二系彈簧垂向、橫向、縱向3向變形大，沙漏型橡膠彈簧（以下簡(jiǎn)稱沙漏簧）符合3個(gè)方向變形要求，但存在穩(wěn)定性差、制造難度大、三向剛度匹配難的問題。本文對(duì)存在的問題進(jìn)行研究分析，以滿足低地板車輛對(duì)二系懸掛系統(tǒng)的要求。

1 輕軌車二系彈簧的型式、功能及彈簧結(jié)構(gòu)特征

歐洲現(xiàn)有的輕軌車轉(zhuǎn)向架二系彈簧的型式主要包括：空氣彈簧、鋼彈簧和沙漏簧3種型式。

1.1 空氣彈簧

空氣彈簧是在柔性密閉容器中充入壓力空氣，利用空氣的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈性作用的二系懸掛部件，具有承載力強(qiáng)、高度穩(wěn)定、變形能力大，垂向剛度隨載荷變化而線性變化的特點(diǎn)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝空間大，給車體和轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)帶來一些難度，尤其輕軌車輛和低地板車輛空間緊湊，采用空氣彈簧不僅設(shè)計(jì)困難，還要增加氣體管道、高度控制閥、差壓閥等部件，降低了系統(tǒng)可靠性。見圖1。

1.2 鋼彈簧

其整個(gè)二系懸掛由4個(gè)鋼彈簧系統(tǒng)組成，每個(gè)鋼彈簧系統(tǒng)包括1個(gè)外鋼彈簧、1個(gè)內(nèi)鋼彈簧、鋼彈簧橡膠墊、橡膠垂向止擋，上下鋼彈簧支座，見圖2，該類型二系懸掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、質(zhì)量較大，達(dá)40kg以上、橫向位移小，最大位移僅為20mm，不適應(yīng)車輛的實(shí)際運(yùn)行。

圖1 二系空氣彈簧系統(tǒng)

1.3 沙漏型橡膠彈簧

為了改進(jìn)空氣彈簧和鋼彈簧的上述缺點(diǎn)，部分輕軌車已經(jīng)采用沙漏簧代替空氣彈簧和鋼彈簧結(jié)構(gòu)，作為轉(zhuǎn)向架的二系懸掛系統(tǒng)，見圖3。

沙漏簧具有以下優(yōu)點(diǎn)：

垂向變形大，最大變形可達(dá)90～110mm；

水平位移大，最大水平位移可達(dá)到40～100mm；

圖3 二系沙漏簧

質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

在水平平面內(nèi)，具有相當(dāng)于轉(zhuǎn)盤的功能，允許轉(zhuǎn)向架相對(duì)于車體偏轉(zhuǎn)相當(dāng)大的角度，使車輛順利通過小半徑曲線。

沙漏簧的這些優(yōu)點(diǎn)，既適應(yīng)了歐洲城市軌道車輛全方位提高走行品質(zhì)的需要，又簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，減輕了轉(zhuǎn)向架的自重。

2 沙漏簧的結(jié)構(gòu)

2.1 沙漏簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)沙漏簧的安裝位置及使用功能，既需要有較小的垂向和橫向剛度又能實(shí)現(xiàn)較大的垂向和橫向變形，設(shè)計(jì)的沙漏簧外形輪廓見圖4，采用上安裝板、下安裝板與沙漏式橡膠硫化體組裝而成的二系彈簧：其中橡膠硫化體由中間支撐金屬組件、上下金屬板和橡膠硫化粘結(jié)而成，橡膠硫化體形狀成中間直徑小，兩端直徑大的沙漏式結(jié)構(gòu)，兩端成喇叭型，中間支撐金屬組件起到給彈簧加強(qiáng)的作用；上下安裝板起彈簧與車輛及轉(zhuǎn)向架的連接作用，同時(shí)還可起到垂向硬止擋功能，限制車輛的垂向極限位移。

圖4 沙漏簧的結(jié)構(gòu)

2.2 沙漏簧的輕量化設(shè)計(jì)

城市輕軌車均要求降低車輛的質(zhì)量，降低制造和運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。沙漏簧的金屬部件可以采用鋼材或鋁材，采用鋼材的彈簧質(zhì)量為22.5kg，采用鋁材的彈簧質(zhì)量為15kg。根據(jù)彈簧的載荷情況，利用有限元的計(jì)算（見圖5），確定鋁材在承受極限載荷和疲勞載荷情況下，材料強(qiáng)度能夠滿足使用要求，計(jì)算的結(jié)果見表1。

圖5 沙漏簧的有限元強(qiáng)度分析

表1 鋁板屈服強(qiáng)度

2.3 沙漏簧的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在對(duì)彈簧的初始樣品進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)彈簧在變形到70mm后出現(xiàn)了不穩(wěn)定的現(xiàn)象，表現(xiàn)在彈簧隨著變形的增加，載荷沒有呈現(xiàn)線性的增加，見圖6，通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)在彈簧的橡膠內(nèi)錐自由面發(fā)生橡膠褶皺現(xiàn)象（見圖7），從而使得彈簧出現(xiàn)垂向不穩(wěn)定。分析自由面的褶皺，認(rèn)為內(nèi)錐孔的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)不合理，原始設(shè)計(jì)采用的兩段不同角度（分別是60°和20°）的直線組成，兩段直線相交處在彈簧受載時(shí)造成橡膠應(yīng)力過大，當(dāng)載荷繼續(xù)增大，應(yīng)力超過臨界值后，橡膠出現(xiàn)褶皺，應(yīng)力急劇釋放，彈簧出現(xiàn)不穩(wěn)定。

圖6 垂向變形不穩(wěn)定曲線

根據(jù)彈簧出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因分析，對(duì)內(nèi)錐孔的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了一段圓弧線與一段直線相切的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免了兩端相交的應(yīng)力集中現(xiàn)象（見圖8），對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂向及橫向有限元模擬分析（見圖9），橡膠受載后產(chǎn)生均勻變形，沒有出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。通過試驗(yàn)得到的垂向剛度曲線，證明彈簧承受的載荷隨著變形的增加而增大（見圖10），該曲線特點(diǎn)能夠很好的滿足彈簧裝車后，車輛在不同乘客量時(shí)的性能需求。

圖7 橡膠褶皺圖

圖8 彈簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)垂向和橫向有限元分析

3 沙漏簧的主要性能

3.1 沙漏簧的垂向特性

沙漏簧的主要性能測(cè)試項(xiàng)目是垂向剛度，按載荷速度不同分為靜態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)剛度和沖擊剛度。對(duì)于沙漏簧的使用壽命，還有強(qiáng)度、耐疲勞性能、蠕變和低溫性能要求。

當(dāng)載荷緩慢地加于沙漏簧上，其變形速度大約是≤50mm／min，載荷為車輛運(yùn)行時(shí)的極限載荷，所測(cè)得的載荷與變形的關(guān)系稱之為靜剛度，以Ks表示，見圖10。

圖10 彈簧試驗(yàn)垂向靜剛度曲線

沙漏簧在以空車載荷為平衡載荷FT，在以一定振幅和一定頻率交變載荷作用下，測(cè)得的振動(dòng)剛度作為動(dòng)剛度，以Kd表示，見圖11。

通過試驗(yàn)，沙漏簧動(dòng)剛度與靜剛度的關(guān)系如下：

在測(cè)試彈簧的動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)，應(yīng)使組成的彈性系統(tǒng)盡可能地接近單自由度振動(dòng)系統(tǒng)。也就是平衡載荷的質(zhì)量中心、動(dòng)態(tài)載荷的作用力線與彈簧的受載方向的剛度中心線盡可能一致，并且試驗(yàn)場(chǎng)地、試驗(yàn)機(jī)架牢固堅(jiān)實(shí)。

圖11 彈簧動(dòng)態(tài)垂向剛度曲線

3.2 沙漏簧的橫向特性

由于城市輕軌車運(yùn)行線路彎道半徑小的特點(diǎn)，在車輛通過線路彎道時(shí)車輛將產(chǎn)生較大的橫向位移。當(dāng)沙漏簧的橫向剛度較大時(shí)，車輛將產(chǎn)生較大的橫向載荷，從而增加輪緣與輪軌的磨耗；當(dāng)沙漏簧的橫向剛度較小時(shí)，將降低車輛的橫向穩(wěn)定性，因此為保證車輛良好的曲線性能，需要二系沙漏簧有很好的橫向特性。圖12為沙漏簧在垂向施加恒定空車載荷，橫向施加不同位移量得到的載荷—變形曲線。從曲線上看出，小變形曲線包絡(luò)于大變形曲線中間，因此橫向剛度的大小是隨橫向變形量的大小成反比。

圖12 沙漏簧橫向載荷—變形曲線

3.3 沙漏簧的使用壽命

由于城軌車載客量及線路的原因，對(duì)二系簧要求的垂向和橫向位移量均較大，為確保沙漏簧在使用壽命期內(nèi)能承受大的垂向和橫向疲勞變形，需要對(duì)沙漏簧進(jìn)行疲勞驗(yàn)證，以確保沙漏簧的設(shè)計(jì)壽命達(dá)到8年或65萬km。在對(duì)沙漏簧的研究過程中，根據(jù)車型的載荷譜設(shè)計(jì)了沙漏簧垂向和橫向疲勞方案如表2。

表2 沙漏簧的垂向和橫向疲勞方案

通過對(duì)沙漏簧的垂向和橫向各100萬次的疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，沙漏簧外觀良好，未出現(xiàn)橡膠裂紋和橡膠與金屬剝離等缺陷，垂向剛度變化率為11.3%，橫向剛度變化率為15.2%，沙漏簧疲勞試驗(yàn)后的狀態(tài)見圖13。

圖13 疲勞試驗(yàn)后的沙漏簧

3.4 沙漏簧的主要技術(shù)參數(shù)（見表3）

表3 沙漏簧技術(shù)參數(shù)

4 沙漏簧的運(yùn)用情況

圖10為安裝有沙漏簧的用于英國(guó)Blackpool城市FLEXITY2型輕軌車，沙漏簧從2009年開始安裝于該車型轉(zhuǎn)向架，目前約有500件彈簧在線運(yùn)行，通過2年的運(yùn)行，沙漏簧的蠕變量約為5mm，其他各項(xiàng)性能良好。

5 沙漏簧的應(yīng)用前景

5.1 沙漏簧的技術(shù)應(yīng)用

沙漏簧主要是用于代替城市輕軌車轉(zhuǎn)向架中的空氣彈簧和鋼彈簧的二系懸掛型式。與鋼彈簧的二系懸掛結(jié)構(gòu)相比，沙漏簧的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有：

圖14 沙漏簧的運(yùn)用情況

技術(shù)性能更優(yōu)化，鋼彈簧垂向剛度曲線為線性直線，沙漏簧垂向剛度曲線可以實(shí)現(xiàn)非線性，即在承受垂向小載荷時(shí)，垂向剛度較小，提高乘坐的舒適度，降低車輛脫軌的風(fēng)險(xiǎn)；在承受極限載荷時(shí)彈簧剛度將會(huì)增大，可減小車輛在超載狀態(tài)下的車輛下沉量。如圖10所示，在最大垂向動(dòng)態(tài)載荷50kN作用下，沙漏簧與鋼彈簧相比，減小車輛下沉量17mm。

結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，通過比較圖1、圖2和圖3空氣彈簧、鋼彈簧和沙漏簧3種不同型式的二系懸掛：空氣彈簧有復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和車輛的氣源及控制系統(tǒng)；鋼彈簧二系懸掛由6個(gè)部件組成，安裝復(fù)雜，沙漏簧二系懸掛由3個(gè)部件組成，安裝簡(jiǎn)單。

沙漏簧質(zhì)量更輕，采用橡膠與高強(qiáng)度鋁合金粘結(jié)而成的沙漏簧比單個(gè)二系鋼彈簧系統(tǒng)質(zhì)量輕25kg，一個(gè)轉(zhuǎn)向架可減輕質(zhì)量100kg，而更輕的質(zhì)量對(duì)城市輕軌車可以減少電機(jī)的功率，車輛更環(huán)保，裝載更多的乘客，車輛運(yùn)行的速度更高。

沙漏簧的可靠性更高，通過對(duì)沙漏簧的可靠性計(jì)算和試驗(yàn)，其失效概率為0.002 2FPMK，具有非常高的使用可靠性。

5.2 沙漏簧的市場(chǎng)前景

FLEXITY2型輕軌車廣泛應(yīng)用于歐洲20多個(gè)城市，共計(jì)約5 000個(gè)轉(zhuǎn)向架，而且基于沙漏簧的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主機(jī)廠正計(jì)劃采用沙漏簧取代其他型式的二系懸掛，因此沙漏簧在歐洲具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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