上海軌道交通9號線列車空氣彈簧國產(chǎn)化試驗探索

摘要：根據(jù)9 號線車輛原型進口空氣彈簧的技術規(guī)范，研制了國產(chǎn)Φ500空氣彈簧。通過對空氣彈簧系統(tǒng)、輔助彈簧進行的各項試驗，證明各類性能指標均能滿足技術要求。Φ500空氣彈簧在裝車考核中，實際運營正常，Sperling指標均為優(yōu)，UIC513舒適度指標均為良好。返廠檢測結果顯示，各項指標變化率均在合理范圍內。表明該型國產(chǎn)彈簧已達到替代原型空氣彈簧的要求，同時可作為其它車型空氣彈簧國產(chǎn)化探索的經(jīng)驗借鑒。

關鍵詞：空氣彈簧;國產(chǎn)化;性能測試

空氣彈簧系統(tǒng)因為高度可控、隔振性能優(yōu)越、變形能力強、阻尼可調、隔音降噪等諸多優(yōu)點，可有效應對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，成為了地鐵車輛轉向架二系懸掛的首選[1，2]。早期國內大部分空氣彈簧市場為外國供應商占據(jù)，隨著城市軌道交通的發(fā)展，采用進口空氣彈簧的弊端開始顯現(xiàn)：采購價格高、供貨周期長、售后服務不完善，造成運維成本高、列車扣修時間長、檢修效率低等問題[3]。

近年來由于運維經(jīng)驗的積累、計算機輔助設計技術、主動控制系統(tǒng)的升級以及新材料、新結構的開發(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，進口空氣彈簧占比較高。因此加強空氣彈簧國產(chǎn)化，對降低成本，提升檢修效率具有重要意義。上海地鐵9 號線一期列車原型空氣彈簧均為德國進口，本文主要介紹國產(chǎn)替代彈簧的結構設計、型式試驗、裝車試驗等，通過各項性能指標的對比，探索國產(chǎn)化可行性，也為其他車型進口空氣彈簧的替代提供借鑒經(jīng)驗。

1???? 空氣彈簧結構

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)定的負載條件下，通過這兩個部件的緩沖，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車體和轉向架之間的旋轉。緊急情況下，輔助彈簧承擔車體重量。

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

2???? Φ500空氣彈簧的主要試驗

為了驗證Φ500空氣彈簧各項實際性能指標，分別對空氣彈簧系統(tǒng)和輔助彈簧開展型式試驗，并將結果數(shù)據(jù)與原型產(chǎn)品進行比對。其中耐壓試驗、系統(tǒng)疲勞試驗、蠕變試驗分別在水爆壓力試驗機、扭擺試驗機和蠕變試驗機上進行;輔助彈簧垂向靜、動剛度試驗分別在電子拉伸試驗機和動剛度試驗機上進行;其他試驗在空氣彈簧二維試驗機上完成。

2.1? 空氣彈簧系統(tǒng)試驗

（1）氣密性試驗

在設計高度（248mm）下，將一組空氣彈簧充內壓至7bar±0.2bar，關閉氣源，靜止保持5 分鐘后記錄氣壓降;另一組則在關閉氣源后，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）內壓與載荷試驗

將空氣彈簧在設計高度下充內壓，當空氣彈簧垂向載荷為：57.5KN（AW0-空載）、103.1KN（AW2-滿載）、121.1KN（AW3-超載），將空氣內壓值列于表2，均滿足技術規(guī)范。

（3）???? 垂向剛度試驗

在設計高度下，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，計算得出剛度值。試驗結果符合技術規(guī)范。

（4）???? 橫向剛度試驗

在設計高度下，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，取最后一次計算剛度值。改變振幅為±100mm重復上述試驗。測量數(shù)據(jù)均滿足技術要求。

（5）???? 剪切力矩試驗

剪切末端力矩是當空氣彈簧發(fā)生剪切時，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。設計末端力矩試驗是為了顯示彈簧剪切至77mm的位移時頂部與底部力矩的比率。

對試驗傳感器進行力矩試驗標定后，在設計高度下分別在模擬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。通過計算得到三種載荷的剪切力矩比率在0.650～0.85范圍內，符合技術要求0.7±0.2。

（6）耐壓試驗

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

結果顯示新樣品充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）???? 扭轉疲勞試驗

在充氣設計高度下，以載荷98.3KN，水平偏置25mm，振幅±42mm，頻率0.7～1Hz，進行600000周次的疲勞試驗。試驗結束后，重復重復剛度試驗，并測量內壓直徑和動態(tài)蠕變量。

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

2.2? 輔助彈簧試驗（1）垂向剛度試驗

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，取最后一次計算動剛度值。垂向加載103.1KN和121.1KN，重復試驗。表7 為垂向動靜剛度比數(shù)據(jù)，結果證明符合技術要求。

（2）?? 橫向剛度試驗

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，取最后一次計算剛度值。記錄載荷位移曲線，同時計算得出剛度值。垂向加載103.1KN，重復試驗;垂向加載121.1KN，重復試驗。結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）?? 輔助彈簧蠕變試驗

將樣品安裝在蠕變試驗機上，試驗溫度23℃，垂向施加靜態(tài)載荷98.3KN，記錄240小時內的蠕變數(shù)據(jù)，并繪制蠕變預測曲線于圖4。試驗完成后，重復輔助彈簧剛度試驗。

根據(jù)曲線可得裝車48h后至10年的蠕變量為1.6mm，滿足技術規(guī)范≤3mm。此外蠕變試驗前后，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

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。疲勞試驗完成后，重復剛度試驗和高度測量。

結果表明輔助彈簧經(jīng)過900000次疲勞試驗后，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要求范圍內。

（5）?? 輔助彈簧垂向碰撞試驗

以121.1KN載荷，1Hz頻率，動載±18KN，循環(huán)600000周次;進行碰撞試驗。輔助彈簧經(jīng)過600000次碰撞破壞試驗后，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現(xiàn)象。

（6）?? 橡膠堆老化試驗

橡膠堆在溫度為23±2℃下保持至少24小時，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小時后，進行垂向剛度試驗。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%，均不超過技術要求的20%。

（7）?? 垂向破壞性試驗

將樣品安裝在二維試驗機上，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。結果證明金屬與橡膠粘合強度是合格的。

3???? 裝車考驗

在裝車第一周、6個月后及試驗結束前一周，均任選一天按GB5599～85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》和UIC513《鐵路車輛內旅客振動舒適性評價準則》進行列車動力學試驗。在裝車運營期間定時進行氣密性、限界干涉、表面狀態(tài)、工作狀態(tài)、無氣高度等進行檢查。試驗期滿將裝車彈簧返廠檢測，對比各項指標變化率。

（1）?? 動力學試驗

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。對上海地鐵9 號線車輛進行平穩(wěn)性線路測試。測試結果表明：在實際運行圖速度范圍內，兩輛車的Sperling平穩(wěn)性均為優(yōu)級，UIC513舒適度指標均為良好。

（2）?? 返廠檢測試驗

裝車運營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，各項維護關鍵數(shù)據(jù)正常。返廠檢測的結果顯示：運行前后國產(chǎn)空氣彈簧氣密性狀態(tài)良好，外徑滿足技術要求≤350mm的指標;載荷內壓變化率、垂向剛度變化率、橫向剛度變化率分別在2%、2%、5%以內;輔助彈簧蠕變量在1mm左右，剛度變化率在5%以內，均滿足技術要求。該空氣彈簧通過了運營考驗。

4???? 結論

（1）?? 上海地鐵9 號線車輛國產(chǎn)空氣彈簧系統(tǒng)和輔助彈簧的各項型式試驗數(shù)據(jù)與原型產(chǎn)品相近，均能滿足技術要求。動力學試驗評定Sperling平穩(wěn)性為優(yōu)級，UIC513舒適度指標均為良好。

（2）?? 國產(chǎn)空氣彈簧通過實際運營考核，達到預期設計目標，可進行擴大化或推廣應用。

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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.