軌道車輛固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用與展望*

丁行武，卜繼玲，程海濤，楊 欣

（1 株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南 株洲 412007；2 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東 青島 266111）

近年來，我國高速鐵路和城市軌道交通發(fā)展迅猛［1-3］，運(yùn)營里程數(shù)逐年增加，對軌道車輛運(yùn)行的速度和舒適性提出了更高的要求［4-5］。然而，軌道車輛運(yùn)行速度的提高對決定車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的臨界速度指標(biāo)和良好的曲線通過性能的要求愈發(fā)嚴(yán)苛。當(dāng)軌道車輛臨界速度裕度不足或者曲線通過性能不足時，均會加速輪軌磨耗，并產(chǎn)生振動噪聲問題，嚴(yán)重時出現(xiàn)脫軌傾覆等事故，影響車輛的運(yùn)營安全［6-8］。軌道車輛在直線線路上需要有較高的蛇行運(yùn)行穩(wěn)定性，而我國鐵路既有線路中曲線線路占1/3，其中包含大量的小半徑曲線［9］。軌道車輛為了適應(yīng)既有線，又必須具有較好的曲線通過性能。

一系懸掛是軌道車輛的核心部件，合理選取參數(shù)能夠有效緩和線路對車輛造成的巨大沖擊，并提高車輛穩(wěn)定性和曲線通過動力學(xué)性能［9-10］。一系懸掛系統(tǒng)中的軸箱定位裝置起到傳遞并緩和車輪與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的載荷作用，影響臨界速度、曲線通過能力和乘坐舒適性［11］。研究表明：一系軸箱定位縱向剛度是影響軌道車輛動力學(xué)性能的 重 要 特 征 參 數(shù)［5，9，12-13］。增 加 一 系 縱 向 剛 度 可以提高蛇行失穩(wěn)臨界速度；減小一系縱向剛度可以提高軌道車輛曲線通過性能，二者對一系縱向剛度的選取存在沖突。為了解決這種矛盾，在轉(zhuǎn)向架傳統(tǒng)橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)縱向剛度的設(shè)計中，設(shè)計人員只能采取折中的方式來確定縱向剛度以保證車輛轉(zhuǎn)向架的直線、曲線及牽引性能。

然而，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必定會催促著軌道交通朝著技術(shù)先進(jìn)性和應(yīng)用適應(yīng)性方向發(fā)展。橡膠減振作為第一代減振技術(shù)由于本身固有的缺點(diǎn)已經(jīng)越來越不能滿足軌道車輛轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能的要求，也就存在了技術(shù)升級的必要性和合理性。固液復(fù)合減振技術(shù)集橡膠承載彈簧和液壓減振器功能于一體，不僅能夠提供彈性支撐作用，而且能夠因?yàn)橐簤簷C(jī)構(gòu)的頻變特性而調(diào)節(jié)這種彈性支撐作用，從而實(shí)現(xiàn)可控的縱向定位剛度，其良好的環(huán)境適應(yīng)性不失為軌道車輛，尤其是下一代列車轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛裝置一種好的選擇［14-17］。

研究方面，文獻(xiàn)［16］提到了一種固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了該節(jié)點(diǎn)的低頻低剛度和高頻高剛度的變剛度特性。文獻(xiàn)［18］使用了一種液壓阻尼式橡膠襯套來代替普通徑向轉(zhuǎn)向架軸箱定位節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)剛度的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)［19］指出了液壓襯套在改善軌道車輛曲線通過性能上的積極作用。除此之外，固液復(fù)合減振技術(shù)在軌道車輛轉(zhuǎn)向架軸箱定位系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用鮮有報道。

1 轉(zhuǎn)向架軸箱定位節(jié)點(diǎn)

一系軸箱定位節(jié)點(diǎn)是將軸箱轉(zhuǎn)臂與構(gòu)架連接的彈性關(guān)節(jié)，如圖1 所示，提供軸箱縱向定位剛度，傳遞縱向牽引載荷，保證轉(zhuǎn)向架的高速運(yùn)行穩(wěn)定性。圖1 中x代表車輛行駛方向，即縱向。

圖1 轉(zhuǎn)向架軸箱定位節(jié)點(diǎn)安裝示意

根據(jù)動力學(xué)性能要求，在直線高速（高頻小幅振動）行駛時要求軸箱定位節(jié)點(diǎn)能夠提供較大的縱向剛度以保證運(yùn)行穩(wěn)定性，在過彎道（低頻）時，提供較小的剛度性能保證過曲線性能，以減小輪緣磨耗，同時提高部件壽命。軸箱節(jié)點(diǎn)縱向剛度技術(shù)要求，如圖2 所示。

圖2 軸箱定位節(jié)點(diǎn)縱向剛度技術(shù)要求

2 第一代橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)

目前，廣泛采用的轉(zhuǎn)向架軸箱定位節(jié)點(diǎn)為橡膠式，具體結(jié)構(gòu)存在多種通用類型以適配不同的轉(zhuǎn)向架類型，如圖3 所示，但均為金屬橡膠復(fù)合型式。通常，橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)包括芯軸、橡膠體和外套3 個組件，金屬和橡膠2 種材料類型。

圖3 橡膠軸箱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)型式

可以根據(jù)技術(shù)條件設(shè)計金屬和橡膠的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整橡膠配方和成型工藝來控制彈性參數(shù)，以滿足各向剛度和強(qiáng)度的要求。橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)典型的力—位移曲線和剛度曲線如圖4 所示。由于橡膠材料的阻尼性能較弱，縱向剛度的力—位移曲線呈現(xiàn)扁平狀?？v向剛度隨著頻率的變化會逐漸升高，但總體變化趨于緩和。一般情況下，橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)動靜剛度比為1.1～1.6。

圖4 橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)縱向剛度特征

3 第二代固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)特征

第二代固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征如圖5 所示。固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)在橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)原有橡膠體上進(jìn)行挖空以形成液壓腔，同時在芯軸或者外套上開通阻尼流道以連通2 個液壓腔，從而形成了封閉式的液壓機(jī)構(gòu)。液壓腔一般沿縱向?qū)ΨQ布置，可以根據(jù)需要將前后2 個液壓腔設(shè)計成完全一致或不一致。阻尼流道通常沿周向布置，可以根據(jù)剛度需要將其設(shè)計成螺旋型或者直線型。

圖5 第二代固液復(fù)合軸箱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意

阻尼流道的截面形狀在考慮成型工藝的基礎(chǔ)上可以根據(jù)需要設(shè)計成圓形、方形或者三角形等，如圖6 所示。不同橫截面形狀會對液體在流道中流動的阻力系數(shù)造成影響，而阻力系數(shù)將會影響固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)縱向動態(tài)剛度閥值頻率，是設(shè)計時需要考慮的關(guān)鍵要素之一。閥值頻率表示縱向動態(tài)剛度由低剛度轉(zhuǎn)變?yōu)楦邉偠鹊拈_始頻率。

圖6 阻尼流道橫截面形狀類型

通過灌注設(shè)備將液體填滿由液壓腔和阻尼流道組成的液壓機(jī)構(gòu)。液體的選用需要考慮環(huán)境溫度對密度和黏度的影響，可根據(jù)技術(shù)條件需要選用乙二醇混合溶液或者硅油等。不同配比的乙二醇混合溶液黏度會存在差別。同樣，不同黏度下節(jié)點(diǎn)縱向動態(tài)剛度的閥值頻率差異較大，也是設(shè)計時需著重考慮的因素。

3.2 縱向定位剛度可變機(jī)理

固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)屬于徑向型減振彈性元件，與外套和芯軸硫化在一起的橡膠體起減振、緩沖及支撐作用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)承受縱向激勵時，液體在阻尼流道內(nèi)往復(fù)流動。當(dāng)液體流經(jīng)阻尼流道時，慣性液柱的運(yùn)動會產(chǎn)生較大的沿程能量損失（摩擦阻尼）；在阻尼流道出、入口處為克服液柱慣性會產(chǎn)生局部能量損失（質(zhì)量阻尼）。同時，對于螺旋型流道必定會存在很多彎管、圓角，這些結(jié)構(gòu)特征會造成流動液體發(fā)生撞擊、脫離和渦流等現(xiàn)象，進(jìn)一步增大了局部能量損失。因此，相較于傳統(tǒng)橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)，固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生更大的阻尼效應(yīng)，能夠使振動能量盡快耗散，從而達(dá)到衰減振動的目的。開發(fā)固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)時可充分優(yōu)化阻尼流道長度、橫截面積和環(huán)繞方式來最大限度地發(fā)揮液體流經(jīng)阻尼流道所產(chǎn)生的局部壓力損失和沿程壓力損失效果，從而使液壓機(jī)構(gòu)阻尼耗能效果達(dá)到最優(yōu)。

固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)液壓機(jī)構(gòu)如圖7 所示，p1、p2分別表示液壓機(jī)構(gòu)上、下2 個液壓腔壓力，A表示液壓腔等效活塞面積，F(xiàn)表示芯軸動態(tài)反力。

圖7 液壓機(jī)構(gòu)理論模型[16]

當(dāng)軸箱定位轉(zhuǎn)臂承受縱向激勵帶動節(jié)點(diǎn)外套前后移動時，由于芯軸與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架剛性連接，外套與芯軸之間發(fā)生相對運(yùn)動，擠壓或者拉伸液壓腔從而形成1 個高壓腔、1 個低壓腔，從而在2 個液壓腔之間形成壓力差ΔP(t)。根據(jù)動量守恒方程可推導(dǎo)出式（1）：

式中：ρ為液體的密度；ξ為液壓機(jī)構(gòu)局部損失系數(shù)；x˙為阻尼流道內(nèi)液體的平均速度；ν為液體的運(yùn)動黏度；l為阻尼流道的長度；Ai為阻尼流道橫截面積。

此壓力差根據(jù)激勵頻率實(shí)時變化，并提供阻礙節(jié)點(diǎn)外套縱向移動的動態(tài)反力。低頻激勵時，液體在2 個液壓腔之間自由流通，壓力差較小，節(jié)點(diǎn)主要由橡膠體本體來提供縱向剛度；高頻激勵時，液體流動需要響應(yīng)時間，造成壓力差瞬間升高，此時節(jié)點(diǎn)縱向剛度K′(t)由橡膠體縱向靜態(tài)剛度Kr和液壓機(jī)構(gòu)提供的附加縱向動態(tài)剛度K（t）兩部分組成，為式（2）：

固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)縱向動態(tài)特性的評價指標(biāo)為縱向動態(tài)剛度、損耗角以及對應(yīng)峰值頻率。該節(jié)點(diǎn)典型動態(tài)剛度和損耗角曲線如圖8 所示。

圖8 固液復(fù)合軸箱節(jié)點(diǎn)縱向動態(tài)剛度和損耗角曲線

顯然，相比常溫下橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)損耗角一般處于0～6°［20］，低頻范圍內(nèi)固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)的損耗角提高了3～7 倍。這是因?yàn)榈皖l激勵時，固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)除了橡膠體本身的阻尼效果外，還因液壓機(jī)構(gòu)內(nèi)部慣性液柱充分流動，造成沿程阻尼和局部阻尼較大。而在高頻激勵時，慣性液柱運(yùn)動幅度減小甚至“鎖止”，此時固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)的損耗角接近等于節(jié)點(diǎn)橡膠體本身的損耗角。與圖4 對比可以發(fā)現(xiàn)，固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)的縱向動態(tài)剛度具有明顯的非線性頻變特性，先隨著激勵頻率的增加快速提高，當(dāng)頻率增加到一定程度時，縱向剛度基本維持在一個穩(wěn)定水平。該曲線表明固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)具有低頻低剛度和高頻高剛度的變剛度特性，有利于促進(jìn)軌道車輛直線蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性和曲線通過性能之間矛盾的解決。

4 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國外具備固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)研發(fā)能力并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的公司有德國Trelleborg 公司和日本Sumitomo RIKO 公司。德國Freudenberg Schwab（2016 年被德國Trelleborg 公司收購）公司與德國SIEMENS 公司合作開發(fā)的液壓轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)（Hydro-Bush），成功應(yīng)用于英國地區(qū)Desiro UK 系列 車 輛 的Class 450 和Class 444 車 型 上［21］，如 圖9所示。實(shí)際運(yùn)行情況體現(xiàn)了固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)較傳統(tǒng)橡膠節(jié)點(diǎn)在改善鋼軌RCF 傷損上的優(yōu)勢，并最終促進(jìn)鐵路運(yùn)營公司維護(hù)成本的降低。

圖9 英國Desiro UK 車輛采用固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)[21]

國內(nèi)學(xué)者基于德國Trelleborg 公司研發(fā)的固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)采用Poynting-Thomson 方程進(jìn)行了車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能研究，結(jié)果表明采用固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)的軌道車輛不僅具有足夠的蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性，且曲線通過性能也得到了明顯改善［22］。

相對來說，國內(nèi)有關(guān)軌道車輛用固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程相對緩慢。2017 年，長春軌道客車股份有限公司展開合作項目，首次實(shí)現(xiàn)研發(fā)固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)樣機(jī)，并在下一代地鐵轉(zhuǎn)向架上進(jìn)行裝車試用，如圖10 所示。

圖1 0 下一代地鐵車輛采用固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)

5 發(fā)展方向

5.1 多向變剛度

隨著軌道車輛運(yùn)行技術(shù)要求的提高，轉(zhuǎn)向架彈性減振元件的機(jī)械性能要求也將面臨逐步升級。固液復(fù)合減振部件隨著技術(shù)的不斷升級，將會迎來在多個方向具備可變剛度性能的技術(shù)階段。通過在2 個或者3 個方向?qū)崿F(xiàn)對稱布置或者單邊布置液壓腔和連接液壓腔的阻尼流道，實(shí)現(xiàn)在縱向、軸向和垂向中2 個或者3 個方向提供剛度可變和阻尼可調(diào)的功能特性，從而進(jìn)一步提高軌道車輛轉(zhuǎn)向架的自適應(yīng)能力，有利于實(shí)現(xiàn)在更高運(yùn)行速度范圍內(nèi)以及更寬曲率半徑線路內(nèi)軌道車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的提高和輪緣輪軌磨耗的降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鐵路系統(tǒng)運(yùn)營成本的降低。某項目對固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)提出的雙向變剛度技術(shù)要求見表1，一定程度上反映了未來技術(shù)需求發(fā)展方向。

表1 固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)多向變剛度技術(shù)要求

5.2 壓力實(shí)時監(jiān)測

在研發(fā)階段，采用流體計算技術(shù)和試驗(yàn)方法捕捉固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)液壓機(jī)構(gòu)內(nèi)正常壓力波動曲線，通過在液壓腔內(nèi)壁或者阻尼流道側(cè)壁內(nèi)嵌壓力傳感器，利用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)對部件在車輛運(yùn)行過程中液體壓力波動的實(shí)時監(jiān)測和可視化，動態(tài)掌握部件的服役行為，為精準(zhǔn)評估部件的使用可靠性、準(zhǔn)確掌握部件的失效形式和有效提升部件及轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行效率創(chuàng)造技術(shù)基礎(chǔ)。

5.3 主動式變剛度

第二代固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)從減振機(jī)理上分析仍屬于被動式。未來可依托磁流變液、磁流變彈性體等磁流變技術(shù)和電渦流技術(shù)，促進(jìn)固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)的功能升級，實(shí)現(xiàn)對軌道車輛轉(zhuǎn)向架一系定位節(jié)點(diǎn)剛度性能和阻尼性能的實(shí)時主動控制，進(jìn)一步提高該類部件的減振降噪水平，強(qiáng)化軌道車輛轉(zhuǎn)向架在跨速運(yùn)行和跨線運(yùn)行時的自適應(yīng)能力。

6 結(jié) 論

通過在傳統(tǒng)橡膠軸箱定位節(jié)點(diǎn)內(nèi)部嵌入設(shè)計液壓機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)縱向變剛度性能能夠有效緩解軌道車輛蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性和曲線通過性能之間的矛盾。可以預(yù)見，這種固液復(fù)合減振技術(shù)未來在軌道車輛上的推廣與應(yīng)用是趨勢所在。因國內(nèi)軌道車輛固液復(fù)合軸箱節(jié)點(diǎn)技術(shù)研究和應(yīng)用起步較晚，需要主機(jī)廠和零部件企業(yè)加強(qiáng)合作，結(jié)合國內(nèi)外軌道交通市場動態(tài)需求，不斷積累運(yùn)行數(shù)據(jù)和豐富應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，從而早日實(shí)現(xiàn)固液復(fù)合軸箱定位節(jié)點(diǎn)的工程化。