劉建勛

(中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司,株洲,412007∥高級工程師)

機車車輛一系懸掛橡膠彈性元件綜述

劉建勛

(中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司,株洲,412007∥高級工程師)

V形彈簧、錐形彈簧和一系定位節(jié)點這三種橡膠彈性元件是軌道交通機車車輛一系懸掛裝置的重要組成部分。以轉向架和整車需要為出發(fā)點,介紹了上述三種懸掛裝置的特點、應用情況,并對其技術關鍵點進行了闡述。

轉向架;懸掛裝置;橡膠彈性元件;V形彈簧;錐形彈簧;一系定位節(jié)點

Author's addressZhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd.,412007,Zhuzhou,China

橡膠彈性元件已在軌道交通機車車輛轉向架的一系懸掛、二系懸掛、牽引裝置、電機懸掛等系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。本文以橡膠彈性元件在國內外城市軌道交通、鐵路機車車輛和高速鐵路動車組列車上的應用為例,介紹了V形簧、錐形簧和一系定位節(jié)點三種典型的橡膠彈性元件的特點,以及國內在此技術領域的最新進展。

1 V形彈簧

V形彈簧是一種典型的一系懸掛彈性元件,其開始在一系懸掛中的應用起源于20世紀70年代,80年代后廣泛應用于地鐵、有軌電車,并逐步應用于部分鐵路干線車輛和少數機車。圖1為V形彈簧的安裝照片示例。圖2為兩種典型V形彈簧。

圖1 V形彈簧的安裝照片示例

圖2 兩種典型V形彈簧

1.1 V形彈簧的優(yōu)點

1)使用歷史較長,產品成熟,可靠性得到過充分驗證,產品的使用壽命能夠達到8年。

2)質量輕,一般不超過20 kg;轉向架結構緊湊、簡單,有時還可以省略減振器的使用,從而有效簡化轉向架構架的結構。

3)具有較低的垂向剛度,在提高乘坐舒適性的同時,亦可提供軸箱所需的足夠的橫、縱向定位剛度,而不需要增加額外的彈性元件。

1.2 V形彈簧的缺點

1)由于存在V形安裝角,V形彈簧的安裝難度大,軸箱高度調整不方便,同時對安裝座的剛性要求也較高。

2)由于橡膠的蠕變和永久變形,使得產品在維修維護時不方便,并影響產品的使用壽命。

3)如果橡膠材料技術不過關,產品易出現圖3所示的垂向反S特性曲線,從而增大車輛脫軌系數。

圖3 垂向反S曲線示例

1.3 V形彈簧的運用實例及技術關鍵

控制蠕變及避免垂向反S曲線是V形彈簧研制中的關鍵點,也是難點。隨著橡膠材料的技術進步,國內廠家在這兩個關鍵點的研究方面取得了較大進步,并通過與國外主機廠合作,使得V形彈簧產品得到批量應用。

表1是株州時代新材料科技股份有限公司(以下簡稱“時代新材”)生產的V形彈簧批量應用情況。其中,香港地鐵使用2年后的蠕變量僅為2～4 mm,并且避免了垂向反 S曲線問題。用戶按照GM/RT 2141—2000《鐵道機車車輛抗爬軌和傾覆能力標準》進行了脫軌試驗,結果表明:輪對脫軌系數僅為0.7,遠小于1.2的限度值,有較大余量。

表1 時代新材生產的V形彈簧應用情況

2 錐形彈簧

與V形彈簧相似,錐形彈簧也是一種常用的一系懸掛橡膠彈性元件。錐形彈簧具有三向定位的功能,剛度滿足構架輪對間定位及載荷傳遞的需要,同時又具有阻尼效果,結構簡單,提高了轉向架的運用可靠性。在城市軌道交通車輛中V型彈簧得到了越來越廣泛的應用,并有逐漸取代V形彈簧的趨勢。圖4是一種典型的錐形彈簧安裝照片。圖5是一種典型的錐形彈簧的實物照片及結構圖示例。

2.1 錐形彈簧的優(yōu)點

1)相比V形彈簧,錐形彈簧的裝配更簡單,產品壓縮高,更穩(wěn)定;裝車后通過垂向加減墊片調整高度,因而高度調整更容易。

圖4 錐形彈簧的安裝照片示例

圖5 錐形彈簧的實物照片及結構簡圖示例

2)產品結構緊湊,使轉向架的質量減輕。

3)產品主要通過橡膠的剪切變形來實現垂向的大變形,因而容易實現低載荷下的線性低剛度。

2.2 錐形彈簧的缺點

1)蠕變量較大。如果不同產品之間的蠕變量不均勻,轉向架會出現翹曲現象。

2)難以準確掌握全面性能。比如在進行橫向和縱向特性試驗時,如何找出加載時模擬軸箱的轉動中心,并與動力學計算要求相吻合,這是錐形彈簧技術上的另一個難點。

3)設計和制造過程中如不能掌握其關鍵點,錐形彈簧同樣會出現反S曲線特性,增大車輛通過曲線時的脫軌系數。

2.3 錐形彈簧的發(fā)展趨勢

1)結構越來越緊湊。隨著車輛向高速度、輕量化方向的發(fā)展,以及內置式錐形彈簧應用的增多,對外形尺寸較小、質量較輕的錐形彈簧的需求越來越多。目前很多的錐形彈簧外徑尺寸已經降到了φ 200 mm 以下,最小的可以達到 φ 150 mm,而質量也普遍降到了10 kg左右。表2為幾種緊湊型錐型彈簧應用實例及尺寸參數。

表2 幾種小軸箱彈簧數據統(tǒng)計

2)承載能力越來越強。為實現輕量化并提高應用的可靠性,部分轉向架開始采用每個軸箱一個錐形彈簧的結構,取代兩個軸箱簧的結構,以簡化轉向架結構并降低自重。由于軸箱簧數量減少,對軸箱簧的承載能力和剛度提出了更高的要求。

3)采用異戊橡膠。異戊橡膠具有蠕變量小、性能穩(wěn)定的優(yōu)點,保證了使用壽命周期內剛度變化在±20%以內,提高了轉向架和整車運行穩(wěn)定性,避免了用戶頻繁調整加墊的工作量。

圖6為國外用戶對時代新材和某國際知名廠家產品的蠕變對比試驗結果。從圖6中可以看出:采用異戊橡膠的產品在蠕變方面具有較明顯的優(yōu)勢。

圖6 時代新材與歐洲某廠商錐形彈簧的蠕變對比試驗

2.4 國產錐形彈簧的應用情況

雖然錐形彈簧在國外取得了廣泛運用,但國內對該技術的研究開始得較晚。隨著對異戊橡膠材料特性和錐形彈簧制造工藝的掌握,2000年才開始對錐形彈簧進行結構設計、試驗研究、裝車運用考驗等工作。經過近10年的發(fā)展,國產錐形彈簧取得了明顯的進步,并開始大批量在國內外城市軌道交通車輛上應用。表3為2004年以來中國產錐形彈簧的部分應用情況。自裝車以來,產品使用狀況良好,尤其是在蠕變性能方面遠遠好于客戶預期。

表3 中國產錐形彈簧應用情況

3 一系定位節(jié)點

一系定位節(jié)點由于結構緊湊,牽引定位功能優(yōu)越而得到了廣泛的應用。

3.1 產品應用場合、形式及技術特點

一系定位節(jié)點能夠很好地提供軸箱定位所需要的縱向、橫向剛度。采用一系定位節(jié)點的轉向架垂向一般采用鋼簧來承載。相比V形簧和錐形簧,這種結構能實現懸掛和定位的解耦,從而實現一系參數的最優(yōu)化控制。

3.2 定位轉臂式結構

鐵路干線車輛多采用鋼簧加橡膠球關節(jié)的轉臂定位結構形式。其中鋼簧承擔垂向載荷,而橡膠球關節(jié)主要提供縱向和橫向定位剛度,具有結構緊湊的特點。圖7為兩種典型的定位轉臂結構。

圖7 兩種典型的定位轉臂結構

3.3 軸箱拉桿加鋼簧結構

在機車轉向架中,兩個鋼簧加單拉桿或兩個鋼簧加雙拉桿的結構形式應用更廣泛。這種結構也是由鋼簧承擔垂向載荷,橡膠球關節(jié)與鋼簧共同提供軸箱所需的橫向定位剛度。而對于縱向剛度,相比橡膠關節(jié),鋼簧的剛度非常小,因此主要由橡膠關節(jié)承擔。圖8為三種典型的軸箱拉桿的鋼簧結構。

圖8 三種典型的軸箱拉桿加鋼簧結構

3.4 轉臂結構技術關鍵項點

1)橡膠球關節(jié)的各向匹配的剛度特性。橡膠關節(jié)的各項剛度匹配直接關系到軸箱的橫、縱向定位剛度。比如國產的SS7E型電力機車,其每軸箱的縱向剛度為20 kN/mm,而橡膠關節(jié)需提供3.3 kN/mm的橫向剛度[1],由此可以推算出橡膠關節(jié)需要的徑向和軸向剛度比為 20∶3.3≈6∶1,而7∶1的徑軸剛度比已經是普通橡膠關節(jié)結構的極限[2],因此這需要一些特殊的結構來實現。

2)適應惡劣的疲勞可靠性條件。如圖7(b)及圖9所示,鋼簧側置是指鋼簧安裝于軸箱垂直中心線的一側,如龐巴迪的T ERN-N2轉向架以及國內的CW-2轉向架都是典型的例子。

圖9 鋼簧側置示意圖

由于橡膠關節(jié)與鋼簧分別位于軸箱的兩側,為了保持繞軸箱中心線的力矩平衡,橡膠關節(jié)在承受牽引載荷的同時,也必須承擔一定的垂向載荷;而在鋼簧頂置式結構中,橡膠球關節(jié)則不需要承擔這個垂向載荷,只需承擔縱向牽引或制動載荷,因而相比鋼簧頂置,鋼簧側置結構中的橡膠關節(jié)的工況更加惡劣。

空重車之間轉換時,轉向架構架與軸箱在垂向的相對位移會造成橡膠球關節(jié)的扭轉變形;過曲線時,轉向架構架與軸箱的扭轉及橫向位移,導致橡膠球關節(jié)發(fā)生偏轉變形。這些都使得橡膠球關節(jié)的使用工況更加惡劣,因而也會增加橡膠關節(jié)的設計難度。

3.5 國內進展情況

通過多年與歐美客戶的合作,國內生產廠家在學習歐美先進設計理念的基礎上,具體做了如下的一些工作:一是努力提高橡膠材料技術,尤其是在影響產品疲勞性能主要的幾項橡膠材料性能方面,取得了很大的進展;二是在結構創(chuàng)新方面也做了大量的工作,發(fā)展出了許多如圖10所示的新結構。這些新結構在保證產品優(yōu)良疲勞性能的同時,成功解決了小徑軸剛度比的問題。

圖10 三種小徑軸剛度比橡膠關節(jié)結構簡圖

表4為一系定位節(jié)點批量裝車運用情況。

表4 國內某廠研發(fā)的典型的一系懸掛橡膠關節(jié)應用匯總

4 結語

長期以來,國內軌道交通彈性元件技術與歐美先進國家相比,無論是在設計理念、設計標準,還是與轉向架系統(tǒng)技術的結合和產品試驗驗證方面,都存在一定的差距。但經過近十幾年來的學習和再創(chuàng)新,國產彈性元件與歐美先進技術的差距在迅速縮小,甚至在一些局部領域已經有了一定的優(yōu)勢。隨著國產彈性元件的大批量應用,尤其是在歐美市場應用,將非常有助于提高國內廠商對彈性元件在軌道交通機車車輛轉向架上應用的理解,同時也有助于國內廠商跟蹤國際先進的橡膠彈性元件的設計、制造及試驗水平。

目前國產橡膠彈性元件已經基本能夠滿足先進國家對軌道交通彈性元件的技術要求。中國有望在不久的將來成為全世界軌道交通彈性元件的重要研發(fā)和生產基地。

[1]米立柱,封全保.SS7E型電力機車平穩(wěn)性問題的原因分析及改善[J].鐵道機車車輛,2007,27(增刊1):21.

[2]張春良,袁貴根,張亞新,等.軸向組合式小徑向/軸向剛度比橡膠球鉸結構介紹[J].鐵道車輛,2010,48(3):28.

On Primary Suspension Components for Locomotive and Rolling Stock

Liu Jianxun

Chevron spring,conical spring and swing arm bush are key components of the primary suspension system for locomotive&rolling stock.This article introduces the characteristics,application and technical key items for these 3 types of suspension system in accordance with the needs of bogie and vehicle.

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