鐵道車(chē)輛腰帶式空氣彈簧氣囊子口質(zhì)量缺陷分析及解決措施

來(lái)慶存，劉加健，丁 浩，宋翔宇

（青島博銳智遠(yuǎn)減振科技有限公司，山東 青島 266031）

隨著軌道交通的快速發(fā)展以及各行業(yè)減振平臺(tái)的深入研究，空氣彈簧的保有量逐年增加[1-5]。鐵道車(chē)輛用空氣彈簧氣囊一般分為大曲囊式、小曲囊式和腰帶式，有少量為多曲囊式及其他新型式。其中腰帶式氣囊可以有效地控制氣囊膨脹以及其他特性的參數(shù)變化，能夠以較小的外形尺寸條件承受較大的載荷，避免與車(chē)體和轉(zhuǎn)向架干涉，同時(shí)氣囊上的腰帶結(jié)構(gòu)也可以有效地制約氣囊在充氣狀態(tài)的外徑膨脹，減小表面橡膠的拉伸應(yīng)力[6-7]。腰帶式空氣彈簧具有承載力大、安全倍數(shù)高、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵和大鐵路上得到了廣泛應(yīng)用[8]。

腰帶式氣囊結(jié)構(gòu)的主要特征是氣囊最大外徑處有一鋼絲圈腰帶，氣囊子口直徑與最大外徑相差較小，且大部分氣囊上下子口直徑相同或相近，上下子口垂直間距較小[8-10]，其特殊結(jié)構(gòu)給生產(chǎn)帶來(lái)一定困難，產(chǎn)品主要缺陷問(wèn)題有腰帶處缺陷、囊體氣泡、子口厚度和內(nèi)側(cè)平臺(tái)控制超差等[11-13]，其中子口部位質(zhì)量缺陷占比高達(dá)5%。氣囊子口部位缺陷是空氣彈簧漏風(fēng)的一個(gè)重要影響因素[14-16]。

1 腰帶式空氣彈簧及氣囊結(jié)構(gòu)

腰帶式空氣彈簧由上蓋、氣囊、橡膠堆、支撐座、扣環(huán)（可無(wú)）等組成，如圖1所示。其中氣囊（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2）與上蓋和支撐座配合組裝，氣囊子口是氣囊與上蓋、支撐座等其他部件的配合部位，該部位缺陷會(huì)嚴(yán)重影響空氣彈簧的密封性能，出現(xiàn)空氣彈簧漏風(fēng)現(xiàn)象[14-16]。氣囊子口厚度關(guān)系到氣囊與上蓋和支撐座的配合緊密度以及是否能夠有效防止氣囊子口脫出。但氣囊子口厚度過(guò)大，在空氣彈簧組裝過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致氣囊子口不能完全進(jìn)入倒扣凸臺(tái)下或?qū)е聝?nèi)側(cè)扣環(huán)安裝不到位；氣囊子口厚度過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致氣囊與上蓋或支撐座間產(chǎn)生上下移動(dòng)，從而發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象。

在氣囊生產(chǎn)過(guò)程中，氣囊子口主要缺陷有子口重皮或裂口、子口缺膠、子口厚度控制不均、子口內(nèi)側(cè)平臺(tái)凹凸不平等，在此針對(duì)子口厚度控制不均、子口內(nèi)側(cè)平臺(tái)凹凸不平等質(zhì)量問(wèn)題[12-13]進(jìn)行分析，并提出解決措施或優(yōu)化方案。

2 腰帶式氣囊子口質(zhì)量問(wèn)題分析

腰帶式氣囊硫化工藝主要分為無(wú)隔膜硫化和隔膜硫化兩種。根據(jù)硫化工藝的不同，目前氣囊子口厚度及內(nèi)側(cè)平臺(tái)控制方式主要分為兩種。

（1）對(duì)于無(wú)隔膜硫化工藝，氣囊子口形狀主要由壓力介質(zhì)與模具擠壓硫化定型完成，這是因?yàn)闊o(wú)隔膜硫化時(shí)子口內(nèi)側(cè)平臺(tái)處僅靠壓力介質(zhì)控制不能形成剛性密閉空間。子口尺寸與囊坯半成品材料密切相關(guān)，對(duì)半成品的制造要求高。囊坯制造的差異，導(dǎo)致氣囊子口厚度難以控制，出現(xiàn)子口厚度或內(nèi)側(cè)平臺(tái)凹凸不平等不合格現(xiàn)象。

（2）對(duì)于隔膜硫化工藝，又分為無(wú)壓環(huán)和有壓環(huán)控制兩種情況。對(duì)無(wú)壓環(huán)控制硫化工藝，氣囊子口形狀主要由隔膜與模具擠壓形成密閉空間控制（如圖3所示），子口內(nèi)側(cè)平臺(tái)相對(duì)可控，但隔膜本身為橡膠材料，彈性好且本身存在花紋及排氣線，導(dǎo)致子口內(nèi)側(cè)平臺(tái)處凹凸不平，子口厚度控制困難。對(duì)于有壓環(huán)控制硫化工藝，氣囊子口形狀主要由壓環(huán)與模具形成的密閉空間控制（如圖4所示），相比無(wú)壓環(huán)工藝，該工藝子口內(nèi)側(cè)平臺(tái)控制得到優(yōu)化，但壓環(huán)在水平方向和垂直方向上相對(duì)自由，硫化裝模不正，隔膜充氣過(guò)快，均會(huì)導(dǎo)致壓環(huán)偏歪，使得子口圓周不同部位厚度存在差異，導(dǎo)致氣囊不合格；壓環(huán)的水平偏移同樣會(huì)導(dǎo)致氣囊內(nèi)側(cè)平臺(tái)距離子口外沿尺寸不均，影響空氣彈簧內(nèi)側(cè)扣環(huán)的安裝。

3 解決措施

3.1 氣囊曲線設(shè)計(jì)

目前腰帶式氣囊的上下子口直徑基本相同，且上下子口垂直間距小，最小可達(dá)25 mm，此種曲線氣囊的模具及中心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中可操作的空間很小，不得不采取無(wú)壓環(huán)或有壓環(huán)隔膜硫化工藝，導(dǎo)致氣囊子口合格率降低。

新設(shè)計(jì)腰帶式氣囊的理想方案是在滿足氣囊有效弧長(zhǎng)和安裝尺寸的情況下，上下子口間垂直間距盡可能大，為模具設(shè)計(jì)留出足夠的空間；另外，上下子口直徑差異設(shè)計(jì)也有助于氣囊模具和工藝設(shè)計(jì)，以極大地提高產(chǎn)品的合格率。

3.2 硫化模具及中心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

硫化模具及中心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到氣囊子口尺寸的要求，需要在子口部位設(shè)計(jì)一個(gè)剛性密閉空間，用以滿足子口形狀的形成，有效改善子口厚度超限、子口內(nèi)側(cè)平臺(tái)凹凸不平現(xiàn)象。目前采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有以下幾種形式。

由表5可以看出，施用腐殖酸螯合肥的蘋(píng)果產(chǎn)量有顯著提高。處理1折合產(chǎn)量達(dá)到47 700 kg/hm2，與處理3相比，增產(chǎn)6 180 kg/hm2，增產(chǎn)率14.88%；處理2折合產(chǎn)量達(dá)到42 990 kg/hm2，與處理3相比，增產(chǎn)1 470，增產(chǎn)率3.54%。

（1）對(duì)于腰帶式氣囊上下子口直徑存在差異且垂直間距較大的情況，參考大曲囊式氣囊模具對(duì)子口控制的方式。大曲囊式氣囊子口部位的模具設(shè)計(jì)如圖5所示。

大曲囊式氣囊的小子口由上模、上鋼圈和硫化隔膜壓制成型，氣囊子口厚度由上模與上鋼圈之間的空間大小來(lái)控制。而上模與上鋼圈均為金屬件且為回轉(zhuǎn)體，運(yùn)動(dòng)自由度只有上下兩方向，依靠合模壓力貼合后，能夠提供大小穩(wěn)定的半封閉空間，保證子口尺寸在可控范圍內(nèi)；另外，上模與上鋼圈緊密貼合后不會(huì)出現(xiàn)偏歪現(xiàn)象，故氣囊子口尺寸能夠穩(wěn)定地滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于腰帶式氣囊上下子口直徑存在差異且垂直間距較大的情況，其模具設(shè)計(jì)可舍棄傳統(tǒng)依靠壓環(huán)和上?？刂谱涌诤穸鹊姆椒ǎ捎妙?lèi)似大曲囊式氣囊模具的設(shè)計(jì)方式，用上鋼圈替代壓環(huán)，能夠有效改善氣囊子口參數(shù)的可控性，極大地提高了氣囊的合格率。腰帶式氣囊模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖6所示。

腰帶式氣囊模具將大曲囊式氣囊模具的壓環(huán)和上鋼圈改為帶有平臺(tái)的上鋼圈，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮上鋼圈最大外直徑小于氣囊下子口直徑，確保裝坯、卸囊順利，且需要保證氣囊上下子口之間有足夠的空間以設(shè)計(jì)隔膜和硫化介質(zhì)循環(huán)通道。經(jīng)試制驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)合理，已用于正常生產(chǎn)，氣囊子口部位合格率由原有的70%提升到95%以上。

（2）對(duì)于腰帶式氣囊上下子口直徑相同且子口垂直間距較大的情況，也參考大曲囊式氣囊模具對(duì)子口控制的方式，優(yōu)化了模具上壓環(huán)設(shè)計(jì)，即采用凸臺(tái)的方式固定壓環(huán)，如圖7所示。整個(gè)模具在氣囊子口部位形成一個(gè)剛性密閉空間，其效果是：隔膜的伸張擠壓不會(huì)直接影響氣囊子口厚度，也不會(huì)造成壓環(huán)偏歪，可在確保氣囊裝模和卸模不受影響的前提下，有效保證子口尺寸，更好地控制子口形狀。此種設(shè)計(jì)方案已用于批量生產(chǎn)，基本解決了氣囊上子口尺寸不合格問(wèn)題，取得了良好工藝效果和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 隔膜及壓環(huán)尺寸設(shè)計(jì)

隔膜曲線設(shè)計(jì)對(duì)氣囊子口厚度等尺寸影響不大，但是隔膜夾緣尺寸對(duì)模具設(shè)計(jì)存在影響，考慮到腰帶式氣囊模具及中心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間問(wèn)題，隔膜夾緣在滿足強(qiáng)度和生產(chǎn)要求的前提下，上下夾緣錯(cuò)開(kāi)，下側(cè)夾緣內(nèi)徑比氣囊子口直徑小45 mm以上，以保證囊坯裝模順暢，壓環(huán)安裝到位（壓環(huán)內(nèi)徑與下部卡盤(pán)尺寸有關(guān)，一般比下卡盤(pán)外徑大40 mm，壓環(huán)外徑與子口直徑相關(guān)）；上側(cè)夾緣內(nèi)徑小于下側(cè)夾緣內(nèi)徑20 mm為最佳，以方便壓環(huán)改造、壓環(huán)安裝、囊坯裝模等。

3.4 半成品材料分布設(shè)計(jì)

腰帶式氣囊子口質(zhì)量與囊坯在子口處的材料分布存在直接關(guān)系。

一般來(lái)說(shuō)，氣囊子口的鋼絲圈、簾線、膠料疊加高度尺寸一般為子口厚度的110%～120%，鋼絲圈、簾布、橡膠均為不可壓縮材料，其10%～20%的壓縮量完全可以保證子口部位壓實(shí)緊密，又不至于產(chǎn)生過(guò)多廢料、膠邊。如果子口處材料過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致該處多余材料無(wú)法溢出，出現(xiàn)子口厚度超差、鋼絲圈變形、子口漏簾線等問(wèn)題；材料過(guò)少，子口會(huì)出現(xiàn)融縫、缺膠甚至欠硫現(xiàn)象。在氣囊硫化工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮該處材料分布，選擇適宜高度的鋼絲圈和合適的修坯方式，保證產(chǎn)品的合格率。

4 結(jié)論

基于鐵道車(chē)輛用腰帶式空氣彈簧氣囊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[8-9]，分析了腰帶式氣囊子口質(zhì)量缺陷，尤其是子口厚度超限、子口壓環(huán)偏歪等問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并從氣囊曲線設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、隔膜設(shè)計(jì)、半成品材料分布設(shè)計(jì)等方面提出解決措施。

（1）氣囊曲線設(shè)計(jì)時(shí)，盡量增大上下子口垂直間距，保證模具設(shè)計(jì)的操作空間；上下子口直徑差異設(shè)計(jì)，也有助于模具設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，能夠極大地提高產(chǎn)品的合格率。

（2）氣囊模具設(shè)計(jì)時(shí)，子口部位采用剛性密閉空間且具備排膠設(shè)計(jì)，在氣囊裝模和卸模不受影響的前提下，保證子口尺寸，更好地控制子口形狀。

（3）隔膜夾緣在滿足強(qiáng)度和產(chǎn)品要求的前提下，下側(cè)夾緣內(nèi)徑小于氣囊子口直徑45 mm以上，為模具及中心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供空間。

（4）半成品材料設(shè)置10%～20%的壓縮量，在滿足氣囊子口設(shè)計(jì)空間的前提下，選擇合適尺寸的鋼絲圈和適當(dāng)?shù)男夼鞣绞?，保證產(chǎn)品的合格率。

通過(guò)上述一系列改進(jìn)措施的實(shí)施，目前我公司腰帶式氣囊子口厚度不均勻、子口內(nèi)側(cè)平臺(tái)凸凹不平等質(zhì)量缺陷降低至0.58%以下。腰帶式空氣彈簧氣囊子口質(zhì)量的有效控制，在實(shí)際使用中避免了此類(lèi)氣囊子口部位可能產(chǎn)生的漏風(fēng)隱患，極大地提高了腰帶式空氣彈簧的使用安全性。