基于永磁直驅(qū)城軌車輛的空氣彈簧設(shè)計(jì)

梁小強(qiáng)，胡定祥，楊澤迎，張 麗，何斌斌，于 磊

(1.中唐空鐵科技有限公司，四川 成都 610041；2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031； 3.江蘇中車數(shù)字科技有限公司，江蘇 南京 210031；4.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

永磁直驅(qū)城軌車輛為最高運(yùn)營速度80 km/h、軸重14 t的B型車城軌車輛[1]。為滿足車輛使用性能技術(shù)要求[2]，其轉(zhuǎn)向架采用無搖枕結(jié)構(gòu)形式以適應(yīng)小曲線的通過，故轉(zhuǎn)向架二系懸掛系統(tǒng)采用大曲囊形式的空氣彈簧，以滿足車輛的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、曲線通過安全性和運(yùn)行平穩(wěn)性。

1 空氣彈簧結(jié)構(gòu)

空氣彈簧是轉(zhuǎn)向架二系懸掛系統(tǒng)中最重要的一個(gè)部件，安裝在車體和構(gòu)架之間，傳遞著垂向力和橫向力，平衡轉(zhuǎn)向架和車體之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。具有小橫向剛度、大徑向位移的空氣彈簧能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)客車轉(zhuǎn)向架的搖動(dòng)臺(tái)和搖枕，有效簡化二系懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架無搖動(dòng)臺(tái)和無搖枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)避免中央懸掛裝置的磨耗[3]。

空氣彈簧結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上蓋組成、扣環(huán)、膠囊、支撐座、摩擦塊、橡膠堆等組成。

1.橡膠堆；2.膠囊；3.扣環(huán)；4.上蓋組成；5.支撐座；6.摩擦塊；7.定位銷；8.安裝座。圖1 空氣彈簧結(jié)構(gòu)圖

2 空氣彈簧組成特點(diǎn)

空氣彈簧組成特點(diǎn)[4]如下：

(1) 剛度小，當(dāng)量撓度大?？諝鈴椈赡艽蠓鹊卦黾赢?dāng)量撓度，使彈簧懸掛裝置設(shè)計(jì)得很柔軟，如此可降低車輛的自振頻率。

(2) 具有非線性特性?？諝鈴椈删哂蟹蔷€性特性，根據(jù)車輛振動(dòng)性能的需要設(shè)計(jì)成具有比較理想的彈性特性曲線。在平衡位置低頻振動(dòng)幅度較小時(shí)，即正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)剛度較低；若位移過大，壓縮空氣或充氣使剛度顯著增加，可限制車體的振幅。

(3) 剛度隨載荷變化?？諝鈴椈蓜偠入S載荷內(nèi)壓變化而變化，從而可保持空重車狀態(tài)下車體自振頻率幾乎相等，使空重車不同狀態(tài)的運(yùn)行平穩(wěn)性基本相同。

(4) 高度可調(diào)節(jié)。空氣彈簧和高度閥裝置并用，可使車體在不同靜載荷下保持地板面距軌面的高度基本不變。

(5) 可充分利用其徑向彈性?？諝鈴椈煽赏瑫r(shí)承受三向載荷，具有較大的水平變位能力；利用空氣彈簧的橫向彈性特性，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)向架的搖動(dòng)臺(tái)裝置，從而簡化結(jié)構(gòu)，減輕自重。

(6) 能產(chǎn)生阻尼作用。若在空氣彈簧本體和附加空氣室之間設(shè)有適宜的節(jié)流孔，可以產(chǎn)生適宜的阻尼，以代替垂向液壓減振器。

(7) 具有吸振和隔聲功能。空氣彈簧具有良好的吸收高頻振動(dòng)和隔聲功能。

3 空氣彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)

空氣彈簧主要技術(shù)參數(shù)有空氣彈簧水平變形能力(扭轉(zhuǎn)角度和最大水平位移)、載荷內(nèi)壓、剛度(橫向剛度和垂向剛度)。

3.1 空氣彈簧水平變形能力

3.1.1 扭轉(zhuǎn)角度

車輛通過小曲線時(shí)，轉(zhuǎn)向架會(huì)相對(duì)車體旋轉(zhuǎn)和橫移，車體與轉(zhuǎn)向架的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角即為空氣彈簧應(yīng)能適應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度?？諝鈴椈膳まD(zhuǎn)角度計(jì)算時(shí)主要考慮2種情況：其一為轉(zhuǎn)向架在最小曲線半徑上的徑向位置并處于軌道中心線上，其二為前轉(zhuǎn)向架或后轉(zhuǎn)向架繞著角度增大方向發(fā)生前后輪對(duì)輪緣異向貼靠鋼軌位置[5]。

3.1.1.1轉(zhuǎn)向架處于軌道曲線徑向位置的扭轉(zhuǎn)角計(jì)算

假設(shè)前后轉(zhuǎn)向架均處于軌道曲線的徑向位置，并處于軌道中心線上，如圖2所示，此時(shí)轉(zhuǎn)向架相對(duì)車體的扭轉(zhuǎn)角為α。則扭轉(zhuǎn)角α為：

圖2 轉(zhuǎn)向架處于軌道曲線徑向位置的扭轉(zhuǎn)角

α=arcsin(L/R)

(1)

式中：L——車輛定距；

R——線路半徑。

3.1.1.2輪軌間隙引起的扭轉(zhuǎn)角計(jì)算

假設(shè)轉(zhuǎn)向架處于前后輪對(duì)輪緣異向貼靠鋼軌位置，如圖3所示，此時(shí)轉(zhuǎn)向架相對(duì)車體的扭轉(zhuǎn)角為β。

圖3 輪軌間隙引起的扭轉(zhuǎn)角

此時(shí)，扭轉(zhuǎn)角β為：

β=arcsin(d/2a)

(2)

輪軌間隙d為：

d=G+g+Ω1+Ω2+2ω-C-2τ

(3)

式中：2a——軸距；

G——名義軌距；

g——曲線軌距加寬；

Ω1——軌距公差的正值，不含軌距加寬；

Ω2——輪對(duì)內(nèi)側(cè)距公差負(fù)值的絕對(duì)值；

ω——輪緣最大磨耗量；

C——名義輪對(duì)內(nèi)側(cè)距；

τ——輪緣厚度。

3.1.1.3空氣彈簧扭轉(zhuǎn)角計(jì)算

由前文可得，空氣彈簧扭轉(zhuǎn)角φ為：

φ=α+β

(4)

永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架相對(duì)車體的扭轉(zhuǎn)角計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架相對(duì)車體的扭轉(zhuǎn)角計(jì)算參數(shù)

(1) 段內(nèi)扭轉(zhuǎn)角φ1計(jì)算如下：

d=G+g+Ω1+Ω2+2ω-C-2τ=64 (mm)

φ1=α+β=0.091 rad≈5.21°

(2) 正線扭轉(zhuǎn)角φ2計(jì)算如下：

d=G+g+Ω1+Ω2+2ω-C-2τ=59 (mm)

φ2=α+β=0.056 3 rad≈3.23°

因此，空氣彈簧扭轉(zhuǎn)角φ在惡劣工況下約為5.21°。

3.1.2 空氣彈簧水平位移

空氣彈簧在極端工況(段內(nèi)小曲線運(yùn)行)下除需適應(yīng)扭轉(zhuǎn)角外，還應(yīng)當(dāng)具有一定的橫向水平變形能力?？諝鈴椈伤轿灰飘a(chǎn)生條件主要有轉(zhuǎn)向架相對(duì)車體扭轉(zhuǎn)角φ、橫向擋壓并、車體相對(duì)轉(zhuǎn)向架最大縱向位移，如圖4所示。

S.空氣彈簧水平位移；Y1.空氣彈簧橫向跨距之半；X1.相對(duì)轉(zhuǎn)向架車體最大縱向位移(一般取縱向擋間隙)；d1.橫向檔間隙和壓縮量。圖4 空氣彈簧水平位移與扭轉(zhuǎn)角、橫向位移、縱向位移的關(guān)系

永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架空氣彈簧水平位移計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架空氣彈簧水平位移計(jì)算參數(shù)(極限位置)

空氣彈簧水平位移S計(jì)算如下：

≈104.6 mm

因此，空氣彈簧在極端工況下的最大水平位移為104.6 mm。

3.2 空氣彈簧載荷內(nèi)壓

為滿足車輛的最大承載及設(shè)計(jì)冗余，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架用空氣彈簧最大承載載荷為120 kN?？諝鈴椈蓛?nèi)壓需求應(yīng)與車輛總體技術(shù)條件相匹配，車輛制動(dòng)系統(tǒng)列車總風(fēng)管供風(fēng)壓力一般為750～900 kPa，結(jié)合空氣彈簧廠商確定滿足車輛需求的載荷內(nèi)壓，以及TB/T 2841—2010《鐵道車輛空氣彈簧》的壓力載荷特性取值要求和最大水平位移下的壓力需求，永磁直驅(qū)用空氣彈簧最大載荷工況下的內(nèi)壓需求不超過650 kPa(運(yùn)用氣壓值)，滿足車輛總體供風(fēng)條件，壓力載荷特性見表3。

表3 壓力載荷特性

3.3 空氣彈簧剛度

通過對(duì)車輛系統(tǒng)進(jìn)行蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、曲線通過性能和運(yùn)行平穩(wěn)性動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析，分別計(jì)算動(dòng)拖車空載工況下空氣彈簧橫向剛度對(duì)平穩(wěn)性的影響[6-8]，結(jié)果如圖5、表4所示。

從圖5和表4可以看出，垂向剛度基本不變的情況下，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著橫向剛度的增加而增大，在0.2 MN/m范圍內(nèi)均小于2.5。為保證車輛運(yùn)行平穩(wěn)性及設(shè)計(jì)冗余性，動(dòng)拖車空氣彈簧空載工況(AW0)下橫向剛度選取0.16 MN/m較為適宜，可保證平穩(wěn)性指標(biāo)仍有約40%的冗余。

表4 空氣彈簧橫向剛度對(duì)平穩(wěn)性的影響(80 km/h)

圖5 空氣彈簧橫向剛度對(duì)平穩(wěn)性的影響(80 km/h)

空氣彈簧垂向剛度對(duì)平穩(wěn)性的影響如圖6、表5所示。從圖6和表5可以看出，橫向剛度基本不變的情況下，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著垂向剛度的增加而增大，在0.6 MN/m范圍內(nèi)均小于2.5。為保證車輛運(yùn)行平穩(wěn)性及設(shè)計(jì)冗余性，動(dòng)拖車空氣彈簧空載工況(AW0)下垂向剛度選取0.6 MN/m較為適宜，可保證平穩(wěn)性指標(biāo)仍有約60%的冗余。

表5 空氣彈簧垂向剛度對(duì)平穩(wěn)性的影響(80 km/h)

圖6 空氣彈簧垂向剛度對(duì)平穩(wěn)性的影響(80 km/h)

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，平穩(wěn)性指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5599—2019中1級(jí)“優(yōu)”，由此表明，設(shè)計(jì)滿足車輛橫向和垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)產(chǎn)品型式試驗(yàn)報(bào)告及首件現(xiàn)場抽查審核鑒定，對(duì)空氣彈簧剛度(橫向剛度和垂向剛度)、最大水平位移下的外觀、載荷內(nèi)壓等進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 空氣彈簧剛度

4.1.1 垂向剛度

動(dòng)拖車空載工況(AW0)下垂向剛度試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)見表6。由表6可知，在動(dòng)拖車空載工況(AW0)下，空氣彈簧的垂向剛度實(shí)測(cè)值為478 N/mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 空氣彈簧垂向剛度 N/mm

4.1.2 橫向剛度

動(dòng)拖車空載工況(AW0)下橫向剛度試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)見表7。

由表7可以看出，在動(dòng)拖車空載工況(AW0)下，空氣彈簧的橫向剛度實(shí)測(cè)值為150 N/mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 空氣彈簧橫向剛度 N/mm

4.2 最大水平位移下的外觀

根據(jù)TB/T 2841—2010標(biāo)準(zhǔn)中的最大水平位移要求及前文空氣彈簧水平位移計(jì)算，在不大于0.7AW0載荷工況下對(duì)空氣彈簧施加±125 mm水平位移進(jìn)行最大水平位移試驗(yàn)[9-10]。試驗(yàn)后，空氣彈簧外觀無異常，氣囊表面無打褶、脫層及龜裂等現(xiàn)象。

4.3 載荷內(nèi)壓

在最大載荷工況(120 kN)下，空氣彈簧的內(nèi)壓小于650 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 車輛性能驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品橫向剛度150 N/mm、垂向剛度478 N/mm進(jìn)行平穩(wěn)性計(jì)算驗(yàn)證，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)為2.35，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)為2.65，滿足設(shè)計(jì)要求。

永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架設(shè)置有抗側(cè)滾扭桿裝置，空氣彈簧剛度對(duì)車輛限界影響較小，由于篇幅有限，本文不作具體說明。

5 結(jié)論

本文基于永磁直驅(qū)車輛服役條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過幾何分析提出了空氣彈簧變形量計(jì)算校核方法，通過仿真計(jì)算提出了空氣彈簧懸掛剛度的參數(shù)范圍，從而構(gòu)建了空氣彈簧設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過對(duì)車輛系統(tǒng)進(jìn)行蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、曲線通過性能和運(yùn)行平穩(wěn)性動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析，以及對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行型式試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用本文構(gòu)建的設(shè)計(jì)方法所研發(fā)生產(chǎn)的空氣彈簧，可以滿足永磁直驅(qū)城軌車輛的需求。