地铁车辆国产减振器的研制和试验

2010-07-05周成栋程祖国

城市轨道交通研究 2010年11期

沈豪周成栋程祖国

(1.上海轨道交通维护保障中心车辆分公司,200233,上海;2.无锡宏利减震器有限公司,214045,无锡;3.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,200333,上海∥第一作者,工程师)

减振器作为地铁车辆悬挂系统中重要的减震元件,起到了减小车辆振动、缓和轮轨作用力、提高车辆运行平稳性及舒适性的作用。由于上海轨道交通引进了国外多种车辆技术,减振器也存在多种不同品牌与结构类型,给其采购及维修的周期、成本等带来一定的难度。减振器设计的主要要素是减振器的安装角度、环境温度、最小长度、最大长度、行程、阻尼特性、安装长度、端部连接结构、转角及安装尺寸等主要参数,满足了以上要素也就匹配了车辆的使用要求。而减振器的内部结构主要是决定于阻尼特性以及使用寿命。故只要阻尼特性与要求相匹配,安装条件相符合,不同车型的转向架完全可以使用同一内部结构的减振器。这为开发研制内部结构一致、性能满足各车型的国产化减振器提供了条件。

1 上海轨道交通现有减振器概况

根据上海轨道交通现有不同的车辆品牌,相对应的减振器也有三种不同品牌,即KONI、SACHS及DISPEN。这三种不同减振器的内部结构均不相同。KONI及SACHS减振器主要使用在Siemens及Bombardier列车转向架上,而DISPEN减振器主要运用在Alstom列车的转向架上。由于各转向架本身结构具有差异,悬挂方式不同,一系位置采用钢弹簧的Alstom列车的转向架,其一系竖向减振器失效较多。为研制出内部结构相同的国产减振器,必须对现有的各型号的减振器性能参数(见表1)进行研究,以求研制出的国产减振器能满足列车原有的减震要求。

表1 上海轨道交通各型号轨道车辆油压减振器技术参数一览表

2 国产减振器的研制

2.1 设计方案及原理

本项目研制的油压减振器由阻尼系统、密封系统、防尘系统等组成,通过联接系统与转向架及车体联接。减振器结构及阻尼系统的设计在借鉴了KONI、SACHS及DISPEN特点的基础上,为达到减振器内部结构相同的目标,对其内部结构进行了优化。采用单向循环原理,无论是拉伸还是压缩,油液均向同一方向流动。即油液始终从工作缸上腔→阻尼调节阀→节流管→储油缸→底阀→工作缸下腔作循环流动。拉伸时,减振器油液经过阻尼调节阀和节流管产生阻尼;压缩时也是如此。为了适应各种型号减振器的不同阻尼特性和安装尺寸要求,对用于调节阻尼特性的调节弹簧,以及用于适应安装尺寸的连接轴、压力缸、储油缸等部件略做改动。国产减振器的结构见图1。

图1 国产减振器结构及原理

2.2 样机的制造

国产减振器的研制与试验按TB/T1491—2004《机车车辆油压减振器技术条件》及TB/T2229—2004《机车车辆油压减振器试验台技术条件》的标准严格实施。

2.2.1 筒体焊接工艺

经过对各种焊接工艺方法的筛选,对焊接工艺参数、焊接辅助材料的大量试验后,筒体焊接选用二氧化碳气体保护焊,并对焊接加工进行了严格的规定以保证焊接件的可靠性。焊接工艺通过中德合作哈尔滨焊接技术培训中心的评定,获得EN 288—3欧洲标准的合格证书;焊接人员获得EN 1418(ISO 14732)欧洲标准的合格证书。

焊接后的国产筒体与进口筒体用60 t万能拉力试验机进行了强度对比试验。试验结果表明,国产筒体的强度优于进口件(见表2)。

2.2.2 油封形式

油封形式的研制从构成油封的材料及结构进行考虑。本项目中,油封采用优良耐油性的材料,其乙烯及异构型链赋于油封优良的耐热性、耐候性和化学稳定性,并提高了橡胶弹性。该橡胶材料通过了拉伸试验、压缩永久变形试验、热空气老化试验、浸渍试验及低温脆性试验的性能测试。

表2 减振器强度对比表

油封结构采用板式结构,并对密封结构进行优化,增加了第二密封唇的设计,将油的密封由单唇变为双唇,使唇部径向力增大,增加了密封的可靠性;此外,油封结构还采用了外径静密封设计,解决了油封长期使用中外径渗漏油的难题。

油封的样件研制后,进行了1 200万次的台架寿命考核试验。试验完拆卸后,油封唇口完好,仍具有良好的密封可靠性。

2.2.3 活塞杆加工

活塞杆的加工质量及其磨耗也是造成减振器油液泄漏的原因之一,而影响活塞杆耐磨性的因素主要有表面粗糙度及表面的镀铬质量。

为确保活塞杆的表面粗糙度满足设计要求,镀铬前后采用UB砂轮、镀铬后采用PVA抛光轮四联组抛光,使活塞杆表面的粗糙度能够稳定控制在Ra 0.1以内。

为了确保活塞杆表面的耐磨性能,达到延长活塞杆使用寿命的效果,采用了微裂纹镀铬工艺。铬层厚度为25μm以上,硬度可达到HV1100。

2.2.4 减振器油的选择

减振器油的性能直接影响到减振器的减震效果。在对进口减振器油研究分析后,通过将40℃与100℃条件下运用黏度、黏度指数、抗泡沫性、酸值、凝点及闪点等技术指标进行对比,最终选择了国产T253A减振器油作为国产减振器使用的减振器油。

国产减振器的样件在制作完成以后,采用减振器性能测试台(见图2)对其性能与进口减振器做了对比测试。结果表明(见表3),国产减振器与进口减振器的各方面技术参数基本一致。

图2 减振器性能测试台

3 国产减振器的试验

国产减振器样品研制后,为验证其性能确实满足地铁列车使用的要求,进行了台架耐久性试验、装车考核试验以及列车平稳性试验。

3.1 耐久性试验

各型号减振器均进行了耐久性试验考核。横向减振器在频率为2 Hz、振幅为±5 mm的试验条件下连续工作500万次,未出现漏油和部件失效现象;阻力系数和示功图正常,未产生明显变化。竖向减振器在频率为2 Hz、振幅为±5 mm的试验条件下连续工作500万次,在频率为 10 Hz、振幅为±2 mm的试验条件下连续工作600万次,均未出现漏油和部件失效现象;阻力系数和示功图正常,未产生明显变化。耐久性试验前后的测试对比情况见表4。

3.2 装车考核试验

减振器通过耐久性试验后,即开始装车试运行。装车考核期间,在上海轨道交通1号线、2号线及3号线列车的1节车上安装了国产减振器,装车试运行期为10万km。在装车试运行期内检查减振器筒体和防尘罩之间的间隙内是否有减振器油渗漏,减振器端部连接部位及其与减振器壳体连接部位有无裂纹。经过10万km运行考核后,所有国产减振器均未发生异常。

表3 国产系列化减振器与进口减振器性能对比表

表4 国产系列化减振器耐久性试验前后性能一览表

3.3 列车平稳性试验

为对比分析减振器对车辆平稳性能的影响,在装车试运行期间对自主研制的国产减振器和进口减振器在上海轨道交通车辆上进行了车辆平稳性能试验研究。

整个试验根据GB 5599—85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》进行。采用荷兰进口的KISSLOR传感器,量程2g。测试系统为上海铁路局研发的车辆平稳性指标仪。试验采用同一车辆、同一运行时间(相当与同样载荷)、同一仪器、同一人员、同一标准进行,从而使自主研制的国产减振器与进口减振器对车辆平稳性能影响的数据具有可比性。

安装自主研制的国产减振器与进口减振器的车辆横向平稳性能见表5与表6(注:平稳性指标小于1.8的次数未列入表中)。由表5与表6可见,使用10万km后的国产减振器,车辆横向平稳性与安装进口减振器相同;新的国产减振器的车辆横向平稳性与已安装的旧进口减振器也相同,且减振器在新、旧状态下的车辆平稳性指标相同,车辆平稳性能稳定、优良。