陳 煒

(上海局集團(tuán)公司常州機(jī)車車輛監(jiān)造項(xiàng)目部 江蘇 常州 213000)

1 問(wèn)題的提出

空氣彈簧作為高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性對(duì)于提高動(dòng)車運(yùn)行的平穩(wěn)性，保證旅客安全、舒適起著重要作用。前段時(shí)期，根據(jù)部分動(dòng)車組運(yùn)用部門(mén)反饋，裝于CRH2型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的部分空氣彈簧在運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到300萬(wàn)km～360萬(wàn)km時(shí)出現(xiàn)氣囊流線型縱向裂紋，裂紋長(zhǎng)度為60 mm～110 mm，超出空氣彈簧《檢修供貨技術(shù)條件》規(guī)定的檢修限度(長(zhǎng)度不大于50 mm)要求，深度均未超出1.5 mm的檢修限度(深度不大于1.5 mm)要求。對(duì)出現(xiàn)氣囊裂紋超限的空氣彈簧進(jìn)行外觀檢查，裂紋位置均位于氣囊制造商商標(biāo)記號(hào)的180°方向(見(jiàn)圖1)，裂紋方向呈縱向流線型(見(jiàn)圖2)。根據(jù)氣囊制造過(guò)程中的工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，此處為氣囊外層橡膠的搭接處。

圖1 氣囊外層橡膠搭接處裂紋

圖2 氣囊外層橡膠縱向裂紋

2 工藝調(diào)查與結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)上述裂紋，空氣彈簧氣囊制造商按照工藝制造流程分別對(duì)氣囊的原材料采購(gòu)、稱重混煉、橡膠壓延、裁剪(內(nèi)、外層橡膠，簾布層)、成形、硫化過(guò)程、精加工等工序從材料批次、數(shù)量、尺寸控制、溫度控制、壓力控制、物理性能檢測(cè)、交疊寬度及外觀等方面進(jìn)行了FTA調(diào)查。其中對(duì)涉及到的工序作業(yè)記錄、作業(yè)員的作業(yè)能力都進(jìn)行了檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有造成影響氣囊質(zhì)量的潛在風(fēng)險(xiǎn)。裝于CRH2型動(dòng)車組的該型號(hào)空氣彈簧是單曲囊式空氣彈簧，如圖3所示。

該型空氣彈簧主要部件包括：上蓋板、膠囊、支座、橡膠堆、與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相接的底座。其中，膠囊的上子口通過(guò)壓嵌工裝嵌于上蓋板帶有錐度的外筒徑面上，膠囊的下子口安裝于支座帶有錐度的頸部，支座通過(guò)螺栓緊固在橡膠堆上，形成相對(duì)封閉的氣室(氣囊內(nèi)腔)并利用空氣的可壓縮性來(lái)緩和振動(dòng)和沖擊的部件。通過(guò)空氣彈簧載荷量對(duì)氣囊內(nèi)部(封閉氣室)的有效空間調(diào)節(jié)空氣量，可以調(diào)節(jié)空氣彈簧的高度并保證空氣彈簧的剛性承載力及阻尼功能特性，從而起到整個(gè)空氣彈簧系統(tǒng)的隔振效果。由于氣囊作為空氣彈簧的核心部件對(duì)空氣彈簧的特性起到至關(guān)重要的作用，因此必須對(duì)空氣彈簧運(yùn)用維護(hù)中出現(xiàn)的上述氣囊裂紋問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確的性質(zhì)判定。

圖3 空氣彈簧結(jié)構(gòu)圖

空氣彈簧氣囊結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，主要由內(nèi)層橡膠、簾線層、外層橡膠和成型鋼絲圈硫化而成?？諝鈴椈伤茌d荷主要由簾線層承受，因此簾線層的性能對(duì)空氣彈簧的強(qiáng)度、剛度和耐久性等起主要作用。氣囊的制造成形采用的是氣囊外層橡膠搭接結(jié)構(gòu)工藝，內(nèi)層橡膠、簾線層(二層)和外層橡膠共四層材料膠交匯重疊處會(huì)存在一定長(zhǎng)度的搭接。外層橡膠覆蓋于簾線層外側(cè)，在與新造氣囊橡膠浮刻標(biāo)識(shí)圓周方向180°處進(jìn)行重疊搭接，搭接處的外層橡膠粘接后使用滾輪工裝壓實(shí)，如圖5所示。

1—鋼絲圈；2—簾線層；3—外層橡膠；4—內(nèi)層橡膠。圖4 氣囊結(jié)構(gòu)組成

外層橡膠硫化完成后，由于搭接處存在2層橡膠，此處會(huì)略厚于外層橡膠本體(見(jiàn)圖6)。當(dāng)空氣彈簧組裝完成并處于充氣狀態(tài)時(shí)，由于氣壓作用會(huì)使簾線層恢復(fù)平整狀態(tài)，致使外層橡膠在搭接處略微突起，如圖7所示。

圖5 外層橡膠搭接

圖6 外層橡膠硫化

圖7 外層橡膠搭接處充氣后狀態(tài)

3 空氣彈簧氣囊裂紋原因分析

根據(jù)空氣彈簧氣囊外層橡膠搭接結(jié)構(gòu)及工藝說(shuō)明，并結(jié)合出現(xiàn)問(wèn)題的空氣彈簧運(yùn)營(yíng)里程均為300萬(wàn)km～360萬(wàn)km的特點(diǎn)，分析了氣囊產(chǎn)生裂紋的原因。

(1)當(dāng)空氣彈簧組裝完成后，氣囊直線段彎曲形成組裝后的外形，根據(jù)應(yīng)力分布云圖可知此氣囊彎曲段為主要受力區(qū)域(見(jiàn)圖8)。其中線圈圈出部位為氣囊彎曲度最大部位，在氣囊處于充氣狀態(tài)時(shí)該部位為受力最大部位，也是裂紋易發(fā)生部位。通過(guò)對(duì)氣囊的應(yīng)力分析(FEM分析)結(jié)果顯示，氣囊下側(cè)的彎曲部受力較大的部位與實(shí)際的裂紋發(fā)生部位保持一致。

圖8 氣囊裂紋處應(yīng)力分布云圖

(2)空氣彈簧氣囊外層橡膠在重疊搭接時(shí)，由于采用輥壓工藝導(dǎo)致此處外層橡膠即使緊密貼合也不能如整體橡膠那樣融合為一體。在氣囊充氣定型時(shí)，部分搭接處外層橡膠被拉開(kāi)，導(dǎo)致硫化時(shí)此處外層橡膠融合不良，隨著運(yùn)行里程、年限增加，氣囊彎曲段搭接處融合不良的外層橡膠在應(yīng)力作用下被逐步拉開(kāi)，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。

(3)通過(guò)對(duì)一組裂紋氣囊進(jìn)行割斷檢查：從裂紋和其他幾個(gè)部位將氣囊切斷，觀察切斷部位橫截面(共10處)，如圖9所示，除該裂紋部位之外，其他各部均未發(fā)現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。該裂紋呈傾斜狀向內(nèi)延伸，與外層橡膠的橡膠重疊部在位置上匹配。氣囊表面發(fā)現(xiàn)了臭氧裂化現(xiàn)象。在所發(fā)現(xiàn)有裂紋的空氣彈簧中，大多是在安裝空氣彈簧時(shí)有安裝錯(cuò)位現(xiàn)象，氣囊外層橡膠重疊部被安裝在了轉(zhuǎn)向架的前后方向，導(dǎo)致該部位相對(duì)而言更容易受到臭氧、光照等環(huán)境原因加速其劣化。

圖9 割斷位置圖

綜上所述，在氣囊表層橡膠拉伸變形較大部位的裂紋逐漸擴(kuò)大，同時(shí)受外界環(huán)境(臭氧、日照)影響從而形成一條較長(zhǎng)的裂紋。

4 裂紋空氣彈簧的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種流線狀裂紋是否會(huì)對(duì)空氣彈簧運(yùn)用特性及安全可靠性造成影響，制造商對(duì)現(xiàn)車空氣彈簧進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn)。抽取氣囊外層橡膠出現(xiàn)裂紋(裂紋長(zhǎng)度均為110 mm，運(yùn)營(yíng)里程345萬(wàn)km)的CRH2E型動(dòng)車組2套空氣彈簧(編號(hào)為081515、081160)，并分別將其氣囊裂紋處割斷至露出簾布層后進(jìn)行熱老化試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)后的特性試驗(yàn)以及氣囊膠囊試驗(yàn)。

(1)對(duì)空氣彈簧進(jìn)行熱老化處理(80deg.C×33hrs/模擬相當(dāng)于55萬(wàn)km的老化)。

(2)對(duì)2組空氣彈簧分別進(jìn)行垂向疲勞試驗(yàn)和橫向疲勞試驗(yàn)，反復(fù)次數(shù)相當(dāng)于55萬(wàn)km，具體項(xiàng)點(diǎn)如表1所示。疲勞試驗(yàn)中的氣囊裂紋狀態(tài)如圖10所示，裂紋沒(méi)有延伸。

表1 疲勞試驗(yàn)項(xiàng)目

圖10 裂紋狀態(tài)

(3)對(duì)2組經(jīng)疲勞試驗(yàn)后的空氣彈簧再分別進(jìn)行氣密性試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、容許的位移試驗(yàn)、垂向靜態(tài)剛度試驗(yàn)、橫向動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)以及特殊耐壓(破壞)試驗(yàn)，判定是否滿足其特性要求[1](見(jiàn)表2)。疲勞后的空氣彈簧特性試驗(yàn)，氣囊裂紋狀態(tài)如圖11所示，裂紋沒(méi)有延伸。

(4)為了進(jìn)一步驗(yàn)證裂紋氣囊在老化和疲勞試驗(yàn)后物理特性和強(qiáng)度是否變差，從進(jìn)行過(guò)破壞試驗(yàn)的氣囊上取樣，數(shù)量3個(gè)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)氣囊膠料耐油性能、耐磨耗性能及氣囊簾布層間黏結(jié)強(qiáng)度分別進(jìn)行試驗(yàn)[2](見(jiàn)表3)。

表2 疲勞后空氣彈簧特性試驗(yàn)項(xiàng)目

圖11 氣囊裂紋狀態(tài)

表3 氣囊膠囊試驗(yàn)項(xiàng)目

以上各項(xiàng)檢測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果均為合格。在實(shí)施了相當(dāng)于運(yùn)行 400 萬(wàn)km的熱老化以及疲勞試驗(yàn)后沒(méi)有發(fā)生任何異常，因此認(rèn)為該流線型裂紋對(duì)空氣彈簧的特性與安全可靠性不構(gòu)成影響。另外，空氣彈簧氣囊的壽命期為360萬(wàn)km，檢修規(guī)程規(guī)定到期限必須更換，因此在運(yùn)用300萬(wàn)km出現(xiàn)的氣囊裂紋在其壽命期內(nèi)能完全保證其安全可靠。

5 應(yīng)對(duì)措施

基于以上工藝分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，制定了如下應(yīng)對(duì)措施：(1)對(duì)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架空氣彈簧檢修技術(shù)條件的運(yùn)規(guī)限度進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)氣囊產(chǎn)生裂紋的部位對(duì)裂紋方向、長(zhǎng)度及深度進(jìn)行界定；(2)空氣彈簧制造商應(yīng)在產(chǎn)品上標(biāo)識(shí)安裝方位，空氣彈簧用戶按照標(biāo)識(shí)進(jìn)行安裝，建議將空氣彈簧氣囊搭接部位安裝在轉(zhuǎn)向架內(nèi)側(cè)，避免受臭氧、日照影響，減少外界環(huán)境對(duì)氣囊搭接部位的損傷。上述措施在保證空氣彈簧安全性、可靠性的前提下優(yōu)化了動(dòng)車組空氣彈簧運(yùn)用維修限度，實(shí)際應(yīng)用中效果良好。