磁浮車輛用層狀彈簧結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

摘要：針對(duì)磁浮車輛用層狀彈簧現(xiàn)有結(jié)構(gòu)垂向剛度調(diào)整受限的問(wèn)題，提出了一種通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)孔的方式調(diào)整層狀彈簧垂向剛度值的方法，并對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。同時(shí)通過(guò)有限元仿真分析方法研究了調(diào)節(jié)孔的內(nèi)徑、數(shù)量以及間距對(duì)于層狀彈簧產(chǎn)品垂向剛度的影響規(guī)律，為磁浮車輛用層狀彈簧產(chǎn)品及其類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供參考借鑒。

Abstract： Aiming at the problem that the vertical stiffness adjustment of the existing layered springs for maglev vehicles is limited， a method for adjusting the vertical stiffness of the layered springs by designing adjustment holes is proposed， and the innovatively designed structure is introduced. At the same time， through the finite element simulation analysis method， the influence of the inner diameter， number and spacing of the adjusting holes on the vertical stiffness of the layered spring product is studied， which provides a reference for the design and manufacture of the layered spring product for maglev vehicles and similar products.

關(guān)鍵詞：層狀彈簧;調(diào)節(jié)孔;磁浮車輛;垂向剛度

Key words： layered spring;adjustment hole;maglev vehicle;vertical stiffness

中圖分類號(hào)：U260? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0012-03

0? 引言

近年來(lái)磁懸浮車輛的大力發(fā)展，不同速度等級(jí)的磁懸浮車輛先后投入市場(chǎng)進(jìn)行載客運(yùn)營(yíng)。中國(guó)磁懸浮市場(chǎng)處于高速發(fā)展階段，各主機(jī)廠對(duì)磁浮新車型各系懸掛部件的開(kāi)發(fā)進(jìn)度、開(kāi)發(fā)成本、產(chǎn)品質(zhì)量以及安全風(fēng)險(xiǎn)提出了更高的要求。磁懸浮車輛懸浮架中的空間相較其他軌道交通車輛要小很多，且對(duì)空氣彈簧橫向位移的要求較小。所以多選用較小的腰帶式氣囊加層狀輔助彈簧結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。由于高度空間和圓周空間限制，目前層狀彈簧是磁浮車輛用輔助彈簧中使用較廣泛的一種。磁浮車輛的運(yùn)營(yíng)方式要求在懸掛系統(tǒng)垂向方向有較小的垂向剛度，縱向方向允許有較大的位移，而對(duì)橫向位移能力要求較小，磁浮車輛無(wú)氣運(yùn)營(yíng)時(shí)垂向剛度主要靠層狀輔助彈簧來(lái)承擔(dān)。

關(guān)于磁浮車輛減振部件及輔助彈簧產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過(guò)大量研究。如2002年，尹力明[1]等人研究介紹了模式空氣彈簧在八達(dá)嶺示范線中低速磁浮車上的應(yīng)用情況。2007年，盧建[3]等人研究提出了一種新型磁懸浮列車空氣彈簧懸掛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。2012年，石軍[3]等人研究了新型中低速磁浮列車空氣彈簧的設(shè)計(jì)、仿真分析及試驗(yàn)情況。2018年，葉特[4]研究介紹了空氣彈簧輔助彈簧的結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計(jì)。2020年，陳清化[5]等人研究了磁浮車輛用腰帶式氣囊的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響。同年，陳清化[6]等人研究了軌道交通車輛錐形輔助彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于產(chǎn)品性能的影響規(guī)律。同年，Tadanobu IIDA[7]等人研究建立了鐵道車輛無(wú)氣空氣彈簧仿真模型，并進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。2021年，陳志賢[8]等人研究了高速磁浮車輛空氣彈簧輔助彈簧剛度及軌道不平順?lè)祵?duì)高速磁懸浮車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。

而當(dāng)前磁浮車輛在高度空間限制的情況下，現(xiàn)有的層狀彈簧垂向剛度值難以進(jìn)行優(yōu)化降低。為實(shí)現(xiàn)在限定的高度和圓周空間范圍內(nèi)降低層狀彈簧的垂向剛度值，提出一種新的層狀彈簧創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1? 層狀彈簧介紹

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

磁浮車輛用層狀彈簧通常設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示由頂板、底板、隔板和橡膠硫化而成。頂板和底板用于定位和連接。通常為保證層狀彈簧頂板和底板不會(huì)被車輛載荷壓壞以及方便與車輛其它結(jié)構(gòu)連接，通常頂板的設(shè)計(jì)厚度一般不低于20mm，底板的設(shè)計(jì)厚度均需不低于10mm，特殊情況除外。隔板將橡膠分隔成多層，通常根據(jù)層狀彈簧總高度確定橡膠膠層數(shù)量，考慮散熱和穩(wěn)定性需求，通常單層橡膠設(shè)計(jì)厚度不超過(guò)60mm，一般設(shè)計(jì)層數(shù)不超過(guò)5層，特殊要求除外。

1.2 技術(shù)要求

為便于層狀彈簧產(chǎn)品安裝要求，需要滿足產(chǎn)品總高度尺寸要求和極限載荷下的高度要求。圓周方向上為了避免與其他部件產(chǎn)生干涉，需要考慮極限位移下圓周空間尺寸要求，此處通?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)頂板和底板的圓周尺寸來(lái)保證。而層狀彈簧與其它部件的接口尺寸通常主要通過(guò)頂板和底板尺寸保證。為滿足車輛無(wú)氣安全運(yùn)行要求，層狀彈簧主要需要考慮單獨(dú)支撐車體運(yùn)營(yíng)時(shí)垂向方向需要考慮垂向剛度值滿足要求，橫向及圓周方向需要考慮可提供的橫向力需要滿足要求。另外磁浮車輛的發(fā)展對(duì)于產(chǎn)品減重也有相應(yīng)的要求。

1.3 性能及問(wèn)題介紹

層狀彈簧在車輛過(guò)彎道時(shí)提供的橫向力主要靠與其頂板連接的磨耗板的性能提供。而無(wú)氣運(yùn)營(yíng)時(shí)的平穩(wěn)性主要由層狀彈簧垂向靜態(tài)剛度影響。磁浮車輛中可供層狀彈簧安裝及運(yùn)用的尺寸空間有限。而層狀彈簧的垂向剛度通常與橡膠層外徑、橡膠層厚度、橡膠層內(nèi)徑以及橡膠層層數(shù)有較大的關(guān)聯(lián)。因磁浮車輛中可用于層狀彈簧的高度非常小，而頂板和底板有最低厚度要求和外徑尺寸限制，則用于橡膠的厚度及隔板的層數(shù)的調(diào)整空間非常少，同時(shí)為了滿足產(chǎn)品的出模和運(yùn)行變形要求，橡膠層的內(nèi)徑可調(diào)空間有限。層狀彈簧的性能主要靠橡膠3的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于磁浮車輛來(lái)說(shuō)，允許層狀彈簧的高度空間有限，而隔板由于金屬材料屬性，由于散熱需要，隔板的厚度一般不小于4mm。在高度空間受限情況下，層狀彈簧膠層厚度直接影響產(chǎn)品的垂向剛度。在高度方向設(shè)計(jì)膠層時(shí)，考慮到橡膠產(chǎn)品的疲勞特性，通常選擇等膠層厚度的設(shè)計(jì)。因此在高度空間確定的情況下，層狀彈簧膠層厚度和層數(shù)基本可以確定。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形斷面層狀彈簧結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的垂向剛度經(jīng)驗(yàn)公式如下所示：

其中k1為垂向剛度，Ac為橡膠的承載面積，Af為橡膠的自由面積，μ為垂向形狀系數(shù)，n為橡膠層數(shù)，h為橡膠每層厚度，S為面積比，E為彈性模量。

一般情況下通過(guò)調(diào)整層狀彈簧的內(nèi)徑和外徑大小來(lái)調(diào)節(jié)層狀彈簧的承載面積和橡膠所剩自由面積，調(diào)整其垂向形狀系數(shù)，從而改變產(chǎn)品的垂向剛度。在空間高度和圓周空間受限的情況下，可通過(guò)擴(kuò)大內(nèi)孔的方式調(diào)整剛度。但考慮層狀彈簧穩(wěn)定性及疲勞特性要求，通常膠層徑向厚度不應(yīng)小于圓周直徑的45%，剛度調(diào)整范圍存在一定的局限性，無(wú)法繼續(xù)降低剛度。

2? 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 新結(jié)構(gòu)介紹

為進(jìn)一步調(diào)節(jié)性能，在磁浮車輛用層狀彈簧原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)孔用于垂向剛度的調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示由頂板、底板、隔板和橡膠硫化而成，然后從頂板往下開(kāi)設(shè)調(diào)節(jié)孔至底板上表面。為保證產(chǎn)品的平衡特性，調(diào)節(jié)孔的數(shù)量建議為偶數(shù)，形狀為近似圓柱形，布置方式為均布對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

2.2 垂向剛度性能影響規(guī)律研究

通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)孔來(lái)調(diào)節(jié)層狀彈簧的垂向剛度的變化，其中調(diào)節(jié)孔孔徑大小、調(diào)節(jié)孔的數(shù)量以及調(diào)節(jié)孔的間距對(duì)產(chǎn)品的垂向剛度性能都可能產(chǎn)生影響。因開(kāi)設(shè)調(diào)節(jié)孔的方式改變了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，上述垂向剛度經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法適用，則可以借助有限元仿真分析的方式進(jìn)行性能變化趨勢(shì)的分析。

如圖3所示層狀彈簧在橡膠內(nèi)孔無(wú)法繼續(xù)增大的情況下，在圓周方向設(shè)計(jì)了兩個(gè)和四個(gè)調(diào)節(jié)圓孔結(jié)構(gòu)通過(guò)Abaqus6.14-1軟件進(jìn)行仿真分析。

首先對(duì)原結(jié)果和開(kāi)調(diào)節(jié)孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，保持結(jié)構(gòu)和橡膠參數(shù)不變，兩孔和四孔模型的孔徑和孔間距都相等，仿真計(jì)算的曲線如圖4所示。通過(guò)仿真分析得到層狀彈簧垂向剛度在未開(kāi)孔產(chǎn)品基礎(chǔ)上可降低至少10%以上。且開(kāi)孔的數(shù)量對(duì)垂向剛度值的影響較大。在調(diào)節(jié)孔內(nèi)徑和間距一定的情況下，調(diào)節(jié)孔的數(shù)量越多，產(chǎn)品的垂向剛度值越小。但因產(chǎn)品穩(wěn)定性和疲勞壽命的需要，不能無(wú)限制對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)調(diào)節(jié)孔。

在調(diào)節(jié)孔的尺寸和數(shù)量一定的情況下，改變調(diào)節(jié)孔間距的大小。仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從仿真案例分析結(jié)果可看出調(diào)整孔的間距尺寸在一定的范圍內(nèi)變化對(duì)調(diào)節(jié)垂向剛度無(wú)影響。

在調(diào)節(jié)孔的數(shù)量和中心間距一定的情況下，改變調(diào)節(jié)孔內(nèi)徑的大小。仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從仿真案例分析結(jié)果可看出調(diào)整孔內(nèi)徑尺寸越大對(duì)應(yīng)的垂向剛度值越小。

如圖6分析可知調(diào)節(jié)孔對(duì)于層狀彈簧垂向剛度值有一定的影響，調(diào)節(jié)孔的最大深度可為貫穿頂板、橡膠層和隔板，允許進(jìn)入底板，考慮到空氣彈簧充氣時(shí)的工作狀態(tài)要求調(diào)節(jié)孔不可貫穿底板?？紤]產(chǎn)品的使用疲勞特性，所有的調(diào)節(jié)孔孔深需要保持一致。

3? 結(jié)論

本文介紹了磁浮車輛用層狀彈簧的常用結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)特征，提出了一種通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)孔的方式調(diào)整層狀彈簧垂向剛度值的方法，并通過(guò)有限元仿真分析探索了調(diào)節(jié)孔的內(nèi)徑、數(shù)量以及間距對(duì)于層狀彈簧產(chǎn)品垂向剛度的影響規(guī)律。調(diào)節(jié)孔的孔間距對(duì)于垂向剛度的影響較小;調(diào)節(jié)孔的孔徑和數(shù)量對(duì)垂向剛度的影響較大，其中孔徑越大，產(chǎn)品的垂向剛度越小;相同孔徑的調(diào)節(jié)孔數(shù)量越大，產(chǎn)品的垂向剛度值越小?？蔀榇鸥≤囕v用層狀彈簧的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造提供參考借鑒。

上述分析過(guò)程未考慮不同橡膠材料對(duì)于結(jié)構(gòu)和性能的影響，同時(shí)未考慮對(duì)產(chǎn)品疲勞壽命等方面的影響，后續(xù)待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹力明，趙志芬.空氣彈簧在磁懸浮列車上的應(yīng)用研究[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2002（5）：28-30.

[2]盧建，趙志芬.一種新型磁懸浮列車空氣彈簧懸掛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2007，36（11）：59-61，105.

[3]石軍，劉少義，許恒波，等.中低速磁浮列車用新型空氣彈簧的研制[J].鐵道車輛，2012，50（7）：18-21.

[4]葉特.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組用空氣彈簧的研制[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.

[5]陳清化，周軍，王玉輝，等.磁浮車輛用腰帶式氣囊的結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究[J].鐵道機(jī)車車輛，2020，40（3）：77-80.

[6]陳清化，程海濤，戚壯，等.城市軌道交通車輛錐形彈簧豎向靜態(tài)剛度計(jì)算模型設(shè)計(jì)研究[J].城市軌道交通研究，2020（12）：41-45，61.

[7]Tadanobu IIDA，等.空氣彈簧在無(wú)氣狀態(tài)下鐵道車輛仿真模型的建立[J].國(guó)外鐵道車輛，2020，57（5）：29-34.

[8]陳志賢，徐浩，李忠繼，等.高速磁浮列車二系懸掛參數(shù)及軌道不平順?lè)笛芯縖J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2021，65（7）：1-8.