机车车辆一系悬挂橡胶弹性元件综述

刘建勋

(中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲,412007∥高级工程师)

机车车辆一系悬挂橡胶弹性元件综述

刘建勋

(中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲,412007∥高级工程师)

V形弹簧、锥形弹簧和一系定位节点这三种橡胶弹性元件是轨道交通机车车辆一系悬挂装置的重要组成部分。以转向架和整车需要为出发点,介绍了上述三种悬挂装置的特点、应用情况,并对其技术关键点进行了阐述。

转向架;悬挂装置;橡胶弹性元件;V形弹簧;锥形弹簧;一系定位节点

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

橡胶弹性元件已在轨道交通机车车辆转向架的一系悬挂、二系悬挂、牵引装置、电机悬挂等系统中得到了广泛的应用。本文以橡胶弹性元件在国内外城市轨道交通、铁路机车车辆和高速铁路动车组列车上的应用为例,介绍了V形簧、锥形簧和一系定位节点三种典型的橡胶弹性元件的特点,以及国内在此技术领域的最新进展。

1 V形弹簧

V形弹簧是一种典型的一系悬挂弹性元件,其开始在一系悬挂中的应用起源于20世纪70年代,80年代后广泛应用于地铁、有轨电车,并逐步应用于部分铁路干线车辆和少数机车。图1为V形弹簧的安装照片示例。图2为两种典型V形弹簧。

图1 V形弹簧的安装照片示例

图2 两种典型V形弹簧

1.1 V形弹簧的优点

1)使用历史较长,产品成熟,可靠性得到过充分验证,产品的使用寿命能够达到8年。

2)质量轻,一般不超过20 kg;转向架结构紧凑、简单,有时还可以省略减振器的使用,从而有效简化转向架构架的结构。

3)具有较低的垂向刚度,在提高乘坐舒适性的同时,亦可提供轴箱所需的足够的横、纵向定位刚度,而不需要增加额外的弹性元件。

1.2 V形弹簧的缺点

1)由于存在V形安装角,V形弹簧的安装难度大,轴箱高度调整不方便,同时对安装座的刚性要求也较高。

2)由于橡胶的蠕变和永久变形,使得产品在维修维护时不方便,并影响产品的使用寿命。

3)如果橡胶材料技术不过关,产品易出现图3所示的垂向反S特性曲线,从而增大车辆脱轨系数。

图3 垂向反S曲线示例

1.3 V形弹簧的运用实例及技术关键

控制蠕变及避免垂向反S曲线是V形弹簧研制中的关键点,也是难点。随着橡胶材料的技术进步,国内厂家在这两个关键点的研究方面取得了较大进步,并通过与国外主机厂合作,使得V形弹簧产品得到批量应用。

表1是株州时代新材料科技股份有限公司(以下简称“时代新材”)生产的V形弹簧批量应用情况。其中,香港地铁使用2年后的蠕变量仅为2～4 mm,并且避免了垂向反 S曲线问题。用户按照GM/RT 2141—2000《铁道机车车辆抗爬轨和倾覆能力标准》进行了脱轨试验,结果表明:轮对脱轨系数仅为0.7,远小于1.2的限度值,有较大余量。

表1 时代新材生产的V形弹簧应用情况

2 锥形弹簧

与V形弹簧相似,锥形弹簧也是一种常用的一系悬挂橡胶弹性元件。锥形弹簧具有三向定位的功能,刚度满足构架轮对间定位及载荷传递的需要,同时又具有阻尼效果,结构简单,提高了转向架的运用可靠性。在城市轨道交通车辆中V型弹簧得到了越来越广泛的应用,并有逐渐取代V形弹簧的趋势。图4是一种典型的锥形弹簧安装照片。图5是一种典型的锥形弹簧的实物照片及结构图示例。

2.1 锥形弹簧的优点

1)相比V形弹簧,锥形弹簧的装配更简单,产品压缩高,更稳定;装车后通过垂向加减垫片调整高度,因而高度调整更容易。

图4 锥形弹簧的安装照片示例

图5 锥形弹簧的实物照片及结构简图示例

2)产品结构紧凑,使转向架的质量减轻。

3)产品主要通过橡胶的剪切变形来实现垂向的大变形,因而容易实现低载荷下的线性低刚度。

2.2 锥形弹簧的缺点

1)蠕变量较大。如果不同产品之间的蠕变量不均匀,转向架会出现翘曲现象。

2)难以准确掌握全面性能。比如在进行横向和纵向特性试验时,如何找出加载时模拟轴箱的转动中心,并与动力学计算要求相吻合,这是锥形弹簧技术上的另一个难点。

3)设计和制造过程中如不能掌握其关键点,锥形弹簧同样会出现反S曲线特性,增大车辆通过曲线时的脱轨系数。

2.3 锥形弹簧的发展趋势

1)结构越来越紧凑。随着车辆向高速度、轻量化方向的发展,以及内置式锥形弹簧应用的增多,对外形尺寸较小、质量较轻的锥形弹簧的需求越来越多。目前很多的锥形弹簧外径尺寸已经降到了φ 200 mm 以下,最小的可以达到 φ 150 mm,而质量也普遍降到了10 kg左右。表2为几种紧凑型锥型弹簧应用实例及尺寸参数。

表2 几种小轴箱弹簧数据统计

2)承载能力越来越强。为实现轻量化并提高应用的可靠性,部分转向架开始采用每个轴箱一个锥形弹簧的结构,取代两个轴箱簧的结构,以简化转向架结构并降低自重。由于轴箱簧数量减少,对轴箱簧的承载能力和刚度提出了更高的要求。

3)采用异戊橡胶。异戊橡胶具有蠕变量小、性能稳定的优点,保证了使用寿命周期内刚度变化在±20%以内,提高了转向架和整车运行稳定性,避免了用户频繁调整加垫的工作量。

图6为国外用户对时代新材和某国际知名厂家产品的蠕变对比试验结果。从图6中可以看出:采用异戊橡胶的产品在蠕变方面具有较明显的优势。

图6 时代新材与欧洲某厂商锥形弹簧的蠕变对比试验

2.4 国产锥形弹簧的应用情况

虽然锥形弹簧在国外取得了广泛运用,但国内对该技术的研究开始得较晚。随着对异戊橡胶材料特性和锥形弹簧制造工艺的掌握,2000年才开始对锥形弹簧进行结构设计、试验研究、装车运用考验等工作。经过近10年的发展,国产锥形弹簧取得了明显的进步,并开始大批量在国内外城市轨道交通车辆上应用。表3为2004年以来中国产锥形弹簧的部分应用情况。自装车以来,产品使用状况良好,尤其是在蠕变性能方面远远好于客户预期。

表3 中国产锥形弹簧应用情况

3 一系定位节点

一系定位节点由于结构紧凑,牵引定位功能优越而得到了广泛的应用。

3.1 产品应用场合、形式及技术特点

一系定位节点能够很好地提供轴箱定位所需要的纵向、横向刚度。采用一系定位节点的转向架垂向一般采用钢簧来承载。相比V形簧和锥形簧,这种结构能实现悬挂和定位的解耦,从而实现一系参数的最优化控制。

3.2 定位转臂式结构

铁路干线车辆多采用钢簧加橡胶球关节的转臂定位结构形式。其中钢簧承担垂向载荷,而橡胶球关节主要提供纵向和横向定位刚度,具有结构紧凑的特点。图7为两种典型的定位转臂结构。

图7 两种典型的定位转臂结构

3.3 轴箱拉杆加钢簧结构

在机车转向架中,两个钢簧加单拉杆或两个钢簧加双拉杆的结构形式应用更广泛。这种结构也是由钢簧承担垂向载荷,橡胶球关节与钢簧共同提供轴箱所需的横向定位刚度。而对于纵向刚度,相比橡胶关节,钢簧的刚度非常小,因此主要由橡胶关节承担。图8为三种典型的轴箱拉杆的钢簧结构。

图8 三种典型的轴箱拉杆加钢簧结构

3.4 转臂结构技术关键项点

1)橡胶球关节的各向匹配的刚度特性。橡胶关节的各项刚度匹配直接关系到轴箱的横、纵向定位刚度。比如国产的SS7E型电力机车,其每轴箱的纵向刚度为20 kN/mm,而橡胶关节需提供3.3 kN/mm的横向刚度[1],由此可以推算出橡胶关节需要的径向和轴向刚度比为 20∶3.3≈6∶1,而7∶1的径轴刚度比已经是普通橡胶关节结构的极限[2],因此这需要一些特殊的结构来实现。

2)适应恶劣的疲劳可靠性条件。如图7(b)及图9所示,钢簧侧置是指钢簧安装于轴箱垂直中心线的一侧,如庞巴迪的T ERN-N2转向架以及国内的CW-2转向架都是典型的例子。

图9 钢簧侧置示意图

由于橡胶关节与钢簧分别位于轴箱的两侧,为了保持绕轴箱中心线的力矩平衡,橡胶关节在承受牵引载荷的同时,也必须承担一定的垂向载荷;而在钢簧顶置式结构中,橡胶球关节则不需要承担这个垂向载荷,只需承担纵向牵引或制动载荷,因而相比钢簧顶置,钢簧侧置结构中的橡胶关节的工况更加恶劣。

空重车之间转换时,转向架构架与轴箱在垂向的相对位移会造成橡胶球关节的扭转变形;过曲线时,转向架构架与轴箱的扭转及横向位移,导致橡胶球关节发生偏转变形。这些都使得橡胶球关节的使用工况更加恶劣,因而也会增加橡胶关节的设计难度。

3.5 国内进展情况

通过多年与欧美客户的合作,国内生产厂家在学习欧美先进设计理念的基础上,具体做了如下的一些工作:一是努力提高橡胶材料技术,尤其是在影响产品疲劳性能主要的几项橡胶材料性能方面,取得了很大的进展;二是在结构创新方面也做了大量的工作,发展出了许多如图10所示的新结构。这些新结构在保证产品优良疲劳性能的同时,成功解决了小径轴刚度比的问题。

图10 三种小径轴刚度比橡胶关节结构简图

表4为一系定位节点批量装车运用情况。

表4 国内某厂研发的典型的一系悬挂橡胶关节应用汇总

4 结语

长期以来,国内轨道交通弹性元件技术与欧美先进国家相比,无论是在设计理念、设计标准,还是与转向架系统技术的结合和产品试验验证方面,都存在一定的差距。但经过近十几年来的学习和再创新,国产弹性元件与欧美先进技术的差距在迅速缩小,甚至在一些局部领域已经有了一定的优势。随着国产弹性元件的大批量应用,尤其是在欧美市场应用,将非常有助于提高国内厂商对弹性元件在轨道交通机车车辆转向架上应用的理解,同时也有助于国内厂商跟踪国际先进的橡胶弹性元件的设计、制造及试验水平。

目前国产橡胶弹性元件已经基本能够满足先进国家对轨道交通弹性元件的技术要求。中国有望在不久的将来成为全世界轨道交通弹性元件的重要研发和生产基地。

[1]米立柱,封全保.SS7E型电力机车平稳性问题的原因分析及改善[J].铁道机车车辆,2007,27(增刊1):21.

[2]张春良,袁贵根,张亚新,等.轴向组合式小径向/轴向刚度比橡胶球铰结构介绍[J].铁道车辆,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.

bogie;supension device;rubber elastic component;chevron spring;conical spring;swing arm bush

U 260.331+7

2010-09-09)