某型動車組空氣彈簧金屬部件使用壽命分析

范湘，周軍，王亞平，葉特，李澤之，陳燦輝，劉文松

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出“雙碳”目標(biāo)，即中國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”[1]?！半p碳”目標(biāo)是我國積極應(yīng)對全球氣候變化、推動構(gòu)建人類命運共同體的必擔(dān)之責(zé)，也是新時代我國推動經(jīng)濟發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略決策[2]。軌道交通行業(yè)，也應(yīng)該在“雙碳”背景下，努力做出一些成績和貢獻。

空氣彈簧具有優(yōu)良的彈性，在車輛工程中，是為了改進彈簧懸掛裝置以提高運行特性而發(fā)展的一項新技術(shù)。空氣彈簧是鐵路客車轉(zhuǎn)向架上的關(guān)鍵部件之一，其特性不僅影響到車輛的運行性能，而且還影響到客車的安全性。近年來，隨著我國鐵路客車運行速度的不斷提高，提速客車的種類、數(shù)量不斷增加，空氣彈簧懸掛系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛[3]。

空氣彈簧裝置分為以下主要部分：上蓋板、扣環(huán)、氣囊、輔助彈簧及其緊固件。其中主要是靠氣囊和輔助彈簧的橡膠特性來實現(xiàn)空氣彈簧的減振、提供橫向和扭轉(zhuǎn)變形的作用。針對不同的使用需求來設(shè)計氣囊和輔助彈簧的結(jié)構(gòu)，常見的氣囊結(jié)構(gòu)主要有小曲囊、大曲囊、腰帶式；輔助彈簧結(jié)構(gòu)主要有層狀彈簧、錐形彈簧、沙漏彈簧及它們的組合[4]。

本文研究的空氣彈簧結(jié)構(gòu)為：大曲囊氣囊和層狀彈簧及錐形彈簧組合的輔助彈簧。該結(jié)構(gòu)氣囊上子口利用上蓋板與扣環(huán)間的螺釘緊固，通過氣囊上子口的橡膠變形起到密封作用；下子口則直接利用氣囊下子口的橡膠與輔助彈簧的錐形面進行自密封[5]。

該型車已運行9 a（或360 萬km），按照檢修規(guī)程[6]，達到了更換年限（或公里數(shù)），即整套空氣彈簧所有部件需全部報廢。而空氣彈簧在運行過程中，主要的故障模式主要為氣密性不良、氣囊鼓包、氣囊開裂等[7]，金屬部件通常極少出現(xiàn)失效故障，故金屬部件同橡膠件一起報廢屬于極大的浪費，也不利于雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)，故有必要對金屬部件進行分析。

該型空氣彈簧金屬部件主要包括上蓋板和扣環(huán)，考慮到扣環(huán)帶有螺紋結(jié)構(gòu)，在組裝時需要涂抹螺紋緊固膠，且承受的力矩較大，在反復(fù)的拆裝過程中容易出現(xiàn)損壞和螺紋緊固失效的風(fēng)險，且結(jié)合動車組技術(shù)變更的難易程度，本文僅針對上蓋板金屬部件的使用壽命展開討論。

1 空氣彈簧產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

該空氣彈簧通過上蓋板與車體相連，并通過上蓋板上的導(dǎo)氣管與車輛氣路相通；與轉(zhuǎn)向架之間通過層狀彈簧的定位銷進行限位。安裝位置如圖2所示。通過往空氣彈簧氣囊里充入壓縮空氣，使其承受車體重力和載荷，并能夠調(diào)節(jié)車輛高度[8]。在車輛運行過程中，通過氣囊、錐形彈簧和層狀彈簧的橫向位移和垂向變形來減輕車輛的振動和偏移，從而提高車輛的運行舒適性。

圖1 該型空氣彈簧外形及結(jié)構(gòu)

圖2 產(chǎn)品裝車示意圖

圖3 金屬部件滲透探傷照片

在車輛運行過程中，車輛的重力和載荷均由空氣彈簧承擔(dān)，故空氣彈簧上蓋板與車體之間由于受摩擦力作用，上蓋板與車體之間的相對運動較小，故上蓋板主要承受壓力，對于金屬部件而言，始終承受軸向方向的壓力載荷，其運行工況相對較為平穩(wěn)，不會給金屬部件帶來故障風(fēng)險，故上蓋板金屬部件的使用壽命遠大于橡膠件的使用壽命。

2 物理性能對比

為了驗證空氣彈簧上蓋板金屬部件性能的穩(wěn)定性，對其使用前后的化學(xué)成分、力學(xué)性能和表面質(zhì)量進行了檢測和對比；并對上蓋板進行重新組裝后的系統(tǒng)性能試驗，以此來判定上蓋板能否繼續(xù)使用。

2.1 化學(xué)成分分析

該型空氣彈簧上蓋板為鑄鋁件，其使用前后化學(xué)成分對比如表1所示。

表1 空氣彈簧上蓋板的化學(xué)成分質(zhì)量百分比 %

從表1可以得出，空氣彈簧上蓋板金屬部件的化學(xué)成分在使用前后均在材料標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，且無變化（使用前后的區(qū)別可能由于測量試樣的不同而不同）。該上蓋板金屬部件組裝前，會進行油漆表面保護；上蓋板金屬部件在整個運行工況中，不會受到高溫、變形及外界雜質(zhì)的污染和侵蝕，而且由于上蓋板金屬部件為鑄鋁件，不會因為表面生銹等缺陷而導(dǎo)致成分的變化，故化學(xué)成分相對穩(wěn)定。

2.2 力學(xué)性能分析

為了較好地驗證產(chǎn)品的力學(xué)性能，為金屬部件整體取樣，產(chǎn)品厚度為12 mm，取樣尺寸為12 mm×20 mm×120 mm，標(biāo)距為90 mm。

產(chǎn)品使用前后的力學(xué)性能對比如表2所示。

表2 金屬部件化學(xué)成分

從表2可以得出，金屬部件在使用前后力學(xué)性能均能滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合原始設(shè)計要求，故使用后的金屬部件依舊滿足產(chǎn)品原始設(shè)計要求，具備繼續(xù)使用的價值。在運行過程中，金屬部件受力工況較好，主要承受車體的重力和車輛的振動，故產(chǎn)品物理性能無變化。這進一步說明上蓋板金屬部件的組織沒有發(fā)生變化，能夠滿足產(chǎn)品原始設(shè)計要求，具有繼續(xù)使用的價值。

2.3 無損檢測

由于該金屬部件是鑄鋁件，無法通過磁粉探傷來檢測其表面質(zhì)量，故對其表面進行了滲透檢測[9]。上蓋板金屬部件主要由平板和導(dǎo)氣管組成，為了保證上蓋板的密封性能，平板和導(dǎo)氣管采用焊接連接，由于上蓋板在運行過程中也受到橫向載荷，故導(dǎo)氣管與平板的焊接部位有可能會承受剪切載荷，在對其進行滲透探傷時，重點對導(dǎo)氣管和金屬部件之間的焊縫進行檢測，并進行仔細觀測。去除產(chǎn)品表面污漬后，噴涂滲透劑，保留10 min以上；然后噴涂清洗劑，再噴涂顯影劑，將缺陷部位顯現(xiàn)出來。滲透探傷檢測結(jié)果表明，該產(chǎn)品表面狀態(tài)良好，無缺陷。

在運行過程中，由于該產(chǎn)品的功能特性，上蓋板始終處于受壓狀態(tài)，而且在水平方向受力部位主要在焊縫處。故通過上述無損檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫處無缺陷，其余部位狀態(tài)良好，進一步驗證了上蓋板的繼續(xù)使用的價值。產(chǎn)品裝車后，由于特殊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和安裝方式，該金屬部件在運行過程中承受的水平方向的力較小，故對焊縫的損傷較小。

2.4 有限元分析

為了進一步驗證金屬部件的使用價值，從有限元角度對金屬部件及導(dǎo)氣管受力情況進行了分析。有限元分析過程中，在空載載荷為140 kN、橫向載荷為18.5 kN的條件下進行分析。分析結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 上蓋板金屬部件載荷結(jié)果

圖4 金屬部件應(yīng)力云圖

從上述有限元分析結(jié)果可以得出，在承受車輛最大工作載荷（垂向載荷為140 kN，橫向載荷為18.5 kN）時，上蓋板金屬部件的最大應(yīng)力為11.23 MPa，遠低于材料本身的抗拉強度295 MPa，具有很高的安全系數(shù)。上蓋板金屬部件強度能夠滿足產(chǎn)品實際運行的要求，具備繼續(xù)使用的價值。

通過分析得知，上蓋板金屬部件具備優(yōu)良的力學(xué)性能，能夠滿足車輛運行過程中的載荷要求，具備繼續(xù)使用的可能性。

3 成品驗證

為了進一步驗證上蓋板金屬部件重新組裝后能否滿足系統(tǒng)的性能要求，需要進行進一步的驗證分析。按照空氣彈簧組裝工藝順序和要求，將研究對象上蓋板金屬部件與其它配件進行了重新組裝，進行了氣密性試驗[10]、上蓋板平面度檢測和水爆試驗。

3.1 組裝后的氣密性試驗

如圖5所示，將重新組裝后的產(chǎn)品擺放至氣密性試驗機平臺上，將產(chǎn)品穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)高度下，充氣至極限氣壓，保持30 s后降低至標(biāo)準(zhǔn)載荷下的氣壓，保壓10 min，檢測最后5 min的氣壓降。產(chǎn)品試驗結(jié)果為1 kPa，滿足新造產(chǎn)品技術(shù)要求。且在整個試驗過程中，各部件尤其是上蓋板外觀良好，無任何漏氣等缺陷，空氣彈簧系統(tǒng)密封良好，能夠提供穩(wěn)定的載荷并隨著氣壓的增加或減小，準(zhǔn)確地進行高度調(diào)節(jié)。

圖5 氣密性試驗

3.2 平面度檢測

試驗完成后，將空氣彈簧泄氣至自然狀態(tài)，利用專用檢具對上蓋板平面度進行檢測，垂直交叉檢測2個方向，檢測得到的平面度為0.25 mm，滿足新造要求（≤1 mm）。表面上蓋板在整個試驗過程中未產(chǎn)生變形，能夠正常使用。

3.3 組裝后的水爆試驗

如圖6所示，水爆試驗是檢驗空氣彈簧組裝后密封性的最佳試驗方法，能夠測算空氣彈簧可以提供的最大氣壓。將空氣彈簧擺放至試驗臺，充入自來水，使其內(nèi)部壓力逐漸增加，直至產(chǎn)品破壞，觀察產(chǎn)品破壞時的壓力值和破壞部件。通過該試驗，最終破壞部件為氣囊，且爆破壓力達到 了 2.23 MPa，遠大于空氣彈簧實際運行工況的最大壓力（0.9 MPa），滿足設(shè)計要求。通過上述試驗，表明上蓋板重新組裝后能夠有效密封，強度也滿足要求，具備繼續(xù)使用的能力。

圖6 水爆試驗

4 結(jié)論

通過上述分析和驗證，在該型空氣彈簧高級修（運行360 萬km或9 a）時，雖然橡膠件因到達使用壽命而必須更換，但金屬部件（上蓋板）性能依舊滿足新造要求，具備繼續(xù)使用的價值。上蓋板金屬部件的性能和質(zhì)量均滿足繼續(xù)使用的技術(shù)要求。