裝有雙曲囊式空氣彈簧的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架橫向止擋偏移問(wèn)題研究

張文康，薛世海，劉志遠(yuǎn)，陰曉銘，高純友

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)家軌道工程研究中心，吉林長(zhǎng)春 130062）

1 引言

雙曲囊式空氣彈簧是由夾有橡膠簾線的橡膠膜制成的一種上下帶有蓋板，中部設(shè)有金屬腰帶/環(huán)箍的空氣彈簧，如圖1所示，其蓋板位置設(shè)有導(dǎo)柱及氣孔（導(dǎo)柱與氣孔位置可根據(jù)結(jié)構(gòu)安裝于上、下蓋板不同位置）。國(guó)內(nèi)地鐵車輛雙曲囊式空氣彈簧使用極少，配合旁承承載使用可提高空氣彈簧上承載面，進(jìn)而提高車輛的側(cè)滾中心，改善轉(zhuǎn)向架的橫向振動(dòng)性能。但雙曲囊式空氣彈簧的垂向剛度較高，需設(shè)置附加空氣室來(lái)使用，并可通過(guò)控制彈簧的制造參數(shù)調(diào)節(jié)其垂向及橫向剛度公差，以滿足使用需求。

圖1 雙曲囊式空氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

雙曲囊式空氣彈簧工作控制原理與其他類型空氣彈簧相同，均由風(fēng)源、空氣彈簧、高度控制閥、調(diào)整桿裝置、輔助氣室、壓差閥等組成，不同車輛安裝使用時(shí)因其設(shè)計(jì)理念與要求不同，還存在空氣彈簧布置數(shù)量和載荷控制型式的區(qū)別。對(duì)于不同控制型式及空氣彈簧的工作原理已有諸多論述，本文僅就裝有雙曲囊式空氣彈簧的某地鐵車輛轉(zhuǎn)向架在落車稱重及尺寸調(diào)整過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的橫向止擋偏移問(wèn)題進(jìn)行分析、驗(yàn)證和解決。

2 橫向止擋偏移問(wèn)題

在車輛完成落車稱重高度調(diào)整過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著車輛空氣彈簧不斷充風(fēng)及排風(fēng)后，車輛橫向止擋向車輛載荷大的一側(cè)貼靠，如圖2所示，橫向止擋間隙不能穩(wěn)定控制在所限定的公差值33??mm內(nèi)。不同工況下的車輛橫向止擋間隙值測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 空氣彈簧充氣前后橫向止擋間隙值對(duì)比 mm

圖2 車輛橫向止擋間隙

由測(cè)試結(jié)果可知：車輛在空氣彈簧充風(fēng)及排風(fēng)后出現(xiàn)側(cè)偏，更換新的轉(zhuǎn)向架至原位置后車輛恢復(fù)正常狀態(tài)，再次對(duì)空氣彈簧進(jìn)行充風(fēng)及排風(fēng)后出現(xiàn)車輛扭曲，車輛偏移狀態(tài)如圖3所示。為確認(rèn)該問(wèn)題產(chǎn)生的原因，對(duì)車輛可能存在影響的部位進(jìn)行相關(guān)測(cè)試和驗(yàn)證分析。

圖3 車輛偏移狀態(tài)

3 原因分析

3.1 車輛上體（帶搖枕重量）偏重超差

車體上部載荷偏重超差或旁承上部位置結(jié)構(gòu)變形量較大均會(huì)造成雙曲囊式空氣彈簧上部載荷承載不均，導(dǎo)致車輛出現(xiàn)偏移。根據(jù)車輛空氣彈簧充氣后各位置載荷對(duì)比（表2），對(duì)車體進(jìn)行加墊調(diào)整后，車輛偏移狀態(tài)有所改善，但橫向止擋尺寸仍然隨著空氣彈簧充風(fēng)和排風(fēng)不斷超差。

表2 車輛空氣彈簧充氣后各位置載荷對(duì)比 kN

將出現(xiàn)偏移問(wèn)題的轉(zhuǎn)向架安裝于其他車輛同一位置，新的車輛仍存在橫向止擋偏移問(wèn)題，證明該問(wèn)題非車體重量偏差導(dǎo)致，應(yīng)為轉(zhuǎn)向架自身原因造成橫向止擋偏移。

3.2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕尺寸、牽引拉桿尺寸公差

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上空氣彈簧安裝面、搖枕安裝面、牽引拉桿安裝座間隙超差均會(huì)對(duì)空氣彈簧承載是否均勻造成影響，進(jìn)而出現(xiàn)橫向尺寸超差問(wèn)題。該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及搖枕加工尺寸均滿足要求，將轉(zhuǎn)向架重新進(jìn)行靜壓，核查牽引拉桿安裝狀態(tài)對(duì)橫向止擋尺寸產(chǎn)生的影響，結(jié)果顯示安裝牽引拉桿狀態(tài)下橫向止擋尺寸差值更小，說(shuō)明牽引拉桿對(duì)橫向止擋的偏移起抑制和改善作用。

對(duì)轉(zhuǎn)向架重新進(jìn)行靜壓加墊調(diào)整，在靜壓狀態(tài)下通過(guò)旁承高度調(diào)整墊片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架高度及重量均衡。靜壓時(shí)兩側(cè)空氣彈簧為均衡壓力，橫向止擋尺寸穩(wěn)定且符合要求，但落車后橫向止擋尺寸仍然隨著空氣彈簧充排氣不斷超差。因此，排除了構(gòu)架、搖枕、牽引拉桿尺寸對(duì)橫向止擋偏移的影響。

3.3 雙曲囊式空氣彈簧橫向剛度不穩(wěn)定

雙曲囊式空氣彈簧由于其高度較普通空氣彈簧更高，容易出現(xiàn)橫向各角度剛度不穩(wěn)定的情況，且空氣彈簧剛度較低，裝車時(shí)偏移力不能抵消，從而導(dǎo)致車體往一側(cè)偏移或扭曲。

為測(cè)試雙曲囊式空氣彈簧在各角度的橫向剛度分布情況，選取如圖4a所示的2套空氣彈簧樣本，逐次安裝在如圖4b所示的帶有供風(fēng)系統(tǒng)的壓力機(jī)中心位置，保持壓力機(jī)高度，并將試驗(yàn)臺(tái)橫向力清零、空氣彈簧分別充氣至工作載荷 63.37??kN、90.4??kN、97.88??kN、115.65??kN?，依次在如圖4c所示的8個(gè)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定后分別記錄此時(shí)狀態(tài)下空氣彈簧的橫向力。2套空氣彈簧不同方向的橫向剛度檢測(cè)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 空氣彈簧橫向力測(cè)試

圖5 空氣彈簧各相位角橫向剛度測(cè)試結(jié)果（樣本1）

圖6 空氣彈簧各相位角橫向剛度測(cè)試結(jié)果（樣本2）

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，2套空氣彈簧各角度的橫向剛度實(shí)測(cè)值在80～116??kN/mm且波動(dòng)較大，由此可知空氣彈簧橫向剛度不穩(wěn)定。若車輛在安裝雙曲囊式空氣彈簧時(shí)不考慮其各相位角橫向剛度，則在不同載荷工況下車輛容易出現(xiàn)橫向位移不一致的情況，造成橫向止擋偏移。

4 改進(jìn)方案

4.1 楔形墊調(diào)整法

由于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)接口原因，部分雙曲囊式空氣彈簧無(wú)法在車輛安裝時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度調(diào)整其最小剛度朝向，車輛橫向止擋尺寸偏移將成為必然結(jié)果，為解決該問(wèn)題，考慮采用加楔形調(diào)整墊的方法，控制空氣彈簧兩側(cè)高度差，強(qiáng)迫空氣彈簧向車體中央對(duì)稱偏移。

為將空氣彈簧自身的橫向剛度各向不穩(wěn)定問(wèn)題通過(guò)施加額外橫向載荷抵消，單獨(dú)在空氣彈簧下加1??mm×7??mm，1??mm×12??mm 的調(diào)整墊，取不同角度進(jìn)行壓力機(jī)下的橫向力測(cè)試，如圖7所示，空氣彈簧沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)過(guò)程中調(diào)整墊片的位置保持不變，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 雙曲囊式空氣彈簧施加調(diào)整墊片橫向力測(cè)試 kN

圖7 空氣彈簧加墊橫向力測(cè)試

從試驗(yàn)結(jié)果看加墊后橫向力出現(xiàn)了一致的方向性，橫向力均朝向加墊相反的方向，且調(diào)整墊越厚橫向力越大。但由于空氣彈簧安裝時(shí)需要兼顧上下導(dǎo)柱安裝尺寸，因此調(diào)整墊厚度不宜過(guò)大（使用1??mm×12??mm調(diào)整墊片安裝困難）。使用1??mm×7??mm調(diào)整墊片后，由于加墊斜度較小，提供的橫向力不足，該轉(zhuǎn)向架裝車調(diào)整后橫向止擋間隙尺寸仍然無(wú)法穩(wěn)定。

4.2 蓋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化法

如圖8所示，現(xiàn)有空氣彈簧上蓋板與氣囊為卷邊結(jié)構(gòu)，安裝完成后上蓋板不能轉(zhuǎn)動(dòng)。若將空氣彈簧上蓋板更改為扣環(huán)扣壓方式，通過(guò)螺釘將上蓋板與氣囊緊固，可調(diào)整空氣彈簧的最大橫向力方位后再最終緊固。蓋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后不僅便于拆裝和調(diào)整氣囊最小剛度方向，且在裝配完成后仍可拆卸。

圖8 空氣彈簧蓋板與氣囊固定方式

如圖9所示，為達(dá)到將橫向偏移力接近的2個(gè)空氣彈簧安裝在同一個(gè)轉(zhuǎn)向架上，使其橫向力相互抵消，需要在空氣彈簧氣囊上蓋板完成安裝后對(duì)空氣彈簧進(jìn)行各相位角的橫向力測(cè)試，計(jì)算出最大橫向力（Fmax）方位并進(jìn)行標(biāo)記，在安裝時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)蓋板將最大橫向力方位都調(diào)整至轉(zhuǎn)向架中心，然后根據(jù)計(jì)算的最大橫向力將橫向力接近的空氣彈簧進(jìn)行配組裝車。

圖9 空氣彈簧橫向力對(duì)稱分布方式

雙曲囊式空氣彈簧按照上述方案改進(jìn)后裝車發(fā)現(xiàn)車輛橫向止擋尺寸均滿足33???mm 的公差要求，通過(guò)改進(jìn)方案有效解決了車輛橫向剛度異向現(xiàn)象造成的車輛橫向止擋偏移問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)及建議

通過(guò)對(duì)空氣彈簧進(jìn)行性能試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)分析可知，雙曲囊式空氣彈簧各個(gè)方位橫向剛度存在異向不一致，變化較大，如果裝車后同一轉(zhuǎn)向架上2個(gè)空氣彈簧最大橫向力方向相同且朝向一側(cè)，橫向力相互疊加可能導(dǎo)致車輛出現(xiàn)橫向偏移的情況。若橫向剛度偏差達(dá)到一定程度，無(wú)法通過(guò)調(diào)整空氣彈簧安裝角度（兩側(cè)高度差）來(lái)解決剛度偏差造成的位移影響。因此，對(duì)于雙曲囊式空氣彈簧，建議設(shè)計(jì)時(shí)將空氣彈簧導(dǎo)氣孔與定位導(dǎo)柱同時(shí)設(shè)置為空氣彈簧中心軸，方便車輛組裝時(shí)空氣彈簧可以旋轉(zhuǎn)調(diào)整，通過(guò)安裝手段控制雙曲囊式空氣彈簧最小剛度方向，避免出現(xiàn)由于空氣彈簧橫向剛度不穩(wěn)定引起的車輛偏移和扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。