金属橡胶液压复合弹簧在快速货车转向架上的应用*

李志强

（南车眉山车辆有限公司 产品开发部，四川眉山620032）

金属橡胶液压复合弹簧在快速货车转向架上的应用*

李志强

（南车眉山车辆有限公司 产品开发部，四川眉山620032）

根据快速货车转向架轴箱悬挂装置的特点要求，介绍了金属橡胶液压复合弹簧的结构、工作原理和技术特征，简述了国外铁路转向架的应用情况和国内快速货车转向架的应用情况，并分析了应用金属橡胶液压弹簧应注意的问题。

金属橡胶液压复合弹簧；快速货车转向架

为了使转向架具有优良的蛇行运动稳定性和运行平稳性，必须选择合理的转向架悬挂参数。快速货车转向架一般采用两系悬挂，一系（轴箱）悬挂参数直接影响车辆的蛇行运动稳定性和垂向平稳性。传统一系悬挂采用的金属螺旋弹簧和摩擦式减振器，由于其本身固有的缺点，已经不能满足快速货车转向架动力学性能要求，因而被橡胶弹簧和液压减振器所取代。金属橡胶液压复合弹簧（以下简称复合弹簧）集橡胶承载弹簧和液压减振器功能于一体，其良好的性能不失为快速货车转向架轴箱悬挂装置一种好的选择。

1 快速货车转向架轴箱悬挂装置特点

快速货车转向架在高速运行时要具有良好的动力学性能，一系悬挂和二系悬挂参数优化选取及一系、二系参数的合理分配必不可少，零部件结构力求简洁，尽量减少零部件数量，实现零部件间少磨耗或者无磨耗。

金属螺旋弹簧横向、纵向刚度完全相同。若要获得不同的横向、纵向刚度，就需采用附加的特殊结构来约束横向、纵向，这势必增加转向架结构难度。而橡胶元件很容易获得垂向、横向和纵向不同的刚度值，具有良好的非线性特点，因而更能够满足轴箱悬挂要求，尤其随着车辆速度的增加，轴箱悬挂参数对车辆临界蛇行失稳速度起着关键作用。因此，国内外客车、动车和地铁转向架已经广泛采用橡胶弹簧取代金属螺旋弹簧作为轴箱悬挂。快速货车转向架比传统货车转向架运行速度快，橡胶弹簧更能适应快速货车转向架的运用环境，因而快速货车转向架轴箱悬挂系统应首选橡胶弹簧。

由于运行速度低，传统货车转向架一般采用金属结构摩擦减振器。摩擦减振器摩擦副之间易产生磨耗；其摩擦力与振动速度无关，当来自弹簧下的冲击力小于摩擦力时会刚性地传到弹簧上部分，引起车体高频振动。而随着速度的增加，这种振动严重影响车辆的运行品质，因此，摩擦式减振器已经在机车、客车、动车转向架中被液压减振器完全取代。液压减振器利用阻尼液体黏滞阻力所作的负功来吸收振动能量，阻力与振动速度呈一定的函数关系，振动衰减量与振幅呈正比关系，减振性能能够自动调节。快速货车转向架对减振性能要求更高，因此，快速货车转向架宜采用液压减振器。

如图1所示，复合弹簧是将锥形橡胶弹簧和液压减振器集成在一起，作为轴箱悬挂装置使用，具有承载、轮对导向和减振的功能。

2 复合弹簧结构和工作原理

2.1 主要结构

复合弹簧上部一般为圆柱形，底部呈锥形，主要由橡胶元件与钢板硫化在一起的金属锥型橡胶弹簧和阻尼液、节流孔及带橡胶隔离膜的阻尼腔组成，上部和底部设有与构架和轴箱相连接的装置，如图2所示。

2.2 工作原理

（1）垂向承载

如图3所示，当复合弹簧受到来自构架的垂向载荷Fz作用时，载荷通过与构架连接的法兰盘传到弹簧外侧的金属套上，锥形橡胶与金属套硫化在一起，垂向载荷通过金属套再传输到橡胶堆上，橡胶压缩变形，垂向载荷再传输到底部中间的芯轴上，芯轴再将载荷通过螺杆结构传输到轴箱上。通过橡胶元件的压缩变形，实现复合弹簧的垂向承载。

（2）轮对导向

当锥形橡胶弹簧受到垂向载荷压缩变形时，其横向和纵向也会产生一定的变形。由于橡胶元件特殊的三向异步性能，通过合理设计可获得需要的不同纵向、横向刚度值，对轮对起到附加定位的作用。横向变形对轮对起到导向作用，使转向架顺利通过曲线。

（3）阻尼

如图3所示，当复合弹簧受到垂向载荷Fz作用时，锥形橡胶弹簧压缩变形，装满阻尼液体的底腔体积减小，受到挤压的阻尼液体通过节流阀进入顶腔，使顶腔体积增大。阻尼液体在通过节流阀产生减振阻力，用以衰减来自车轮表面不规则和轨道不平顺引起的垂向振动，来自轮轨的振动能量则转化为阻尼液体的热量而散逸。

2.3 主要技术特征

（1）三向刚度非线性异性特征

如图4，橡胶变形受载荷影响，其垂向、横向、纵向刚度随着垂向载荷的变化而变化且各不相同，均呈非线性特征。这种性能能够较好地满足轴箱悬挂弹簧在垂向、横向和纵向承受不同载荷的需要。通过调整锥形橡胶的倾斜角度以及对橡胶进行适当的挖补，可以获得理想的垂向、横向和纵向刚度。

（2）最佳减振效果在车辆谐振范围内

如图5所示为复合弹簧振动模型图。M为车体质量；K为承载锥形橡胶弹簧刚度，m为减振系统提供阻尼和附加刚度Kc的阻尼液体质量，C为阻尼系数（可换算成阻尼动态损失角δ表示）。如忽略m不计，则金属橡胶液压复合弹簧的最大动态损失角δmax为：

从式（1）可以看出，复合弹簧的阻尼率主要与锥形橡胶弹簧自身刚度K和阻尼附加刚度Kc的比值相关，而节流阀形状对不同振动频率的减振效果不同，因此，通过计算选取合理的刚度比值和节流阀形状参数，可以在车辆谐振范围内获得最大的阻尼率（图6）。

（3）其他特征

复合弹簧将锥形橡胶弹簧和液压减振器集成在一起后，节省了垂向液压减振器。复合弹簧各零部件由于无相对运动因而无任何磨耗；上部和底部都与转向架构架和轴箱进行刚性紧固，使一系悬挂简单、可靠。因而在寿命周期内，复合弹簧免维护。

橡胶材料是一种高分子黏弹性材料，具有较高的内阻，加之阻尼系统的减振作用，复合弹簧尤其对高频振动的隔振效果极佳，而且具有良好的降噪功能。

3 复合弹簧在国外铁路转向架的应用

由于复合弹簧自重小，结构紧凑，易于改型，因此，欧洲国家率先采用复合弹簧对老型的货车转向架进行改造，用复合弹簧替代传统的金属螺旋弹簧和摩擦式减振器。德国对Y25转向架进行了改造，经对运行半年后的复合弹簧拆卸检查，其刚度特性和阻尼特性均符合设计要求，仅因为橡胶老化造成刚度少量增加。韩国铁路也采用复合弹簧对集装箱平车用Y25转向架进行了改造，如图7，运用情况良好。法国SNCF也对Y27型转向架进行了改造，运用情况较传统钢弹簧悬挂在改善运行品质上有较大提高，如图8。

国外部分客车和地铁转向架也采用复合弹簧，如德国铁路客车转向架Görlitz 5型转向架采用复合弹簧后如图9，车辆动力学性能得到改善，轮轨的磨耗大大减小。澳大利亚某地铁转向架也从1996年开始采用复合弹簧如图10。

4 复合弹簧在国内快速货车转向架的应用

我国快速货车转向架的研制工作始于2000年，齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司（简称齐车轨道公司）、长江车辆有限公司（简称长江公司）和眉山车辆有限公司（简称眉山公司）都各自研制了160 km/h快速货车转向架。

齐车轨道公司早期研制的16.5 t轴重160 km/h快速货车转向架，其轴箱悬挂装置如图11采用了国产型号的复合弹簧，由于减振阻尼力不足，所以同时还设有垂向液压减振器。后期齐车轨道公司研制的18 t轴重160 km/h转向架采用了导柱式弹性套轴箱定位方式，轴箱弹簧采用金属螺旋弹簧。

长江公司160 km/h快速货车转向架揉合Y25型（构架式）与Swing Mtion（摆动式）转向架特点，用4个球铰将摇枕与两侧架连接为关节构架后悬挂于轴箱上。其轴箱弹簧采用一种国产小直径复合弹簧如图12，顶部阻尼腔直接插入侧架孔内，实现与侧架的定位。

眉山公司160 km/h快速货车转向架为两系悬挂构架式转向架，轴箱悬挂系统如图13，采用德国进口复合弹簧。由于其特殊的结构，实现了车辆在空、重车状态下不同的阻尼率，改善了转向架空、重车的垂向动力学性能。

上述各转向架均进行了线路或环行线动力学性能试验，试验结果表明复合弹簧结构的一系悬挂系统均能满足和适应160 km/h运行速度的要求。

5 应用复合弹簧的建议

复合弹簧将承载功能和阻尼功能集成在一起后，虽然结构上更简洁，但同时也将承载和阻尼功能耦合在一起，使两种功能强关联在一起。因此，在设计复合弹簧时，必须对复合弹簧的承载功能和阻尼功能的参数分别进行合理的选取，并需对参数的相互影响加以研究。

（1）合理匹配三向刚度

复合弹簧的三向刚度虽然异步，但变化趋势是一致的，其值都随垂向载荷变化而变化。当空、重车较大的垂向刚度差别引起垂向刚度对垂向载荷较大的变化梯度时，横向刚度和纵向刚度对垂向载荷也会产生较大的变化梯度。车辆运行时轮对增减载造成复合弹簧垂向载荷增减是难免的。当转向架减载时，运动中的纵向刚度也会下降，如果梯度过大，下降值过大，纵向刚度就可能不足以将轮对轴箱正常定位，而导致转向架性能下降，甚至出现蛇行失稳。因此设计三向刚度时应尽量使横向及纵向刚度曲线变化梯度趋缓（减小曲线斜率）。

（2）合理选取转向架振动模态参数转向架振动固有频率公式

式中f为振动固有频率，Hz；M为簧上质量，kg。

转向架结构确定后，各部分质量惯量也就恒定不变。由于刚度不断变换，导致转向架振动的固有频率也不断变化。当刚度较小时，很容易使转向架的振动模态固有频率与外界激扰或轮对蛇行失稳频率接近，虽然复合弹簧阻尼率在转向架振动固有频率时会达到最大值，但此时依然易引起转向架振动过大或与外部激扰共振而失稳。因此，转向架的振动模态参数选取时应避开共振频率段。

（3）选取合理的阻尼参数

复合弹簧阻尼系统参数设计时，要兼顾转向架在空车和重车状态下的减振效果。既不能发生空车状态过阻尼，也不能发生重车状态阻尼不足现象。

（4）考虑橡胶蠕变对性能的影响

锥形橡胶弹簧中的橡胶件具有蠕变特性，参数设计时，需考虑橡胶蠕变对转向架性能的影响，尽量减小橡胶的蠕变值。橡胶的蠕变通常发生在使用初期，其蠕变值与时间对数呈线性比例。也就是说，复合弹簧使用前2天发生的蠕变等于第3天到寿命结束时发生的蠕变。

因此，轴箱悬挂装置需设计有橡胶蠕变后对弹簧高度和载荷下挠度的补救措施。

6 结束语

复合弹簧从1996年研制成功，作为轴箱弹簧已经在客车、地铁转向架和国内快速货车转向架上得到广泛应用，其特殊的结构、功能满足铁道车辆安全、可靠、环保的要求，同时结构紧凑、质量轻、节省液压减振器，尤其能够满足货车转向架经济性的要求。因此，随着我国铁路货物运输朝着“大宗货物重载化，高附加值货物快捷化”模式发展，金属橡胶液压复合弹簧在快速货车转向架上具有良好的运用前景。

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Application of Metal Rubber Hydraulic Composite Spring in Rapid-speed Wagon Bogie

LI Zhiqiang
（Product Development Department，CSR Meishan Co.，Ltd.，Meishan 620032 Sichuan，China）

According to the characteristics requirements of rapid-speed wagon bogie’s axle box suspension device，this paper introduces the structure，working principle and technical characteristics of metal rubber hydraulic composite spring，outlines its application in the railway bogie at home and abroad，and also analyzes the cautions for applying.

metal rubber hydraulic composite spring；rapid-speed wagon bogie；application；suggestion

U272.4＋2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.05

1008－7842（2014）06－0023－04

*四川省科技支撑计划战略性新兴项目（2013GZX0142）

1—）男，教授级高级工程师（

2014－06－20）