装有双曲囊式空气弹簧的地铁车辆转向架横向止挡偏移问题研究

张文康，薛世海，刘志远，阴晓铭，高纯友

（中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道工程研究中心，吉林长春 130062）

1 引言

双曲囊式空气弹簧是由夹有橡胶帘线的橡胶膜制成的一种上下带有盖板，中部设有金属腰带/环箍的空气弹簧，如图1所示，其盖板位置设有导柱及气孔（导柱与气孔位置可根据结构安装于上、下盖板不同位置）。国内地铁车辆双曲囊式空气弹簧使用极少，配合旁承承载使用可提高空气弹簧上承载面，进而提高车辆的侧滚中心，改善转向架的横向振动性能。但双曲囊式空气弹簧的垂向刚度较高，需设置附加空气室来使用，并可通过控制弹簧的制造参数调节其垂向及横向刚度公差，以满足使用需求。

图1 双曲囊式空气弹簧结构示意图

双曲囊式空气弹簧工作控制原理与其他类型空气弹簧相同，均由风源、空气弹簧、高度控制阀、调整杆装置、辅助气室、压差阀等组成，不同车辆安装使用时因其设计理念与要求不同，还存在空气弹簧布置数量和载荷控制型式的区别。对于不同控制型式及空气弹簧的工作原理已有诸多论述，本文仅就装有双曲囊式空气弹簧的某地铁车辆转向架在落车称重及尺寸调整过程中发现的横向止挡偏移问题进行分析、验证和解决。

2 横向止挡偏移问题

在车辆完成落车称重高度调整过程中发现随着车辆空气弹簧不断充风及排风后，车辆横向止挡向车辆载荷大的一侧贴靠，如图2所示，横向止挡间隙不能稳定控制在所限定的公差值33  mm内。不同工况下的车辆横向止挡间隙值测试数据如表1所示。

表1 空气弹簧充气前后横向止挡间隙值对比 mm

图2 车辆横向止挡间隙

由测试结果可知：车辆在空气弹簧充风及排风后出现侧偏，更换新的转向架至原位置后车辆恢复正常状态，再次对空气弹簧进行充风及排风后出现车辆扭曲，车辆偏移状态如图3所示。为确认该问题产生的原因，对车辆可能存在影响的部位进行相关测试和验证分析。

图3 车辆偏移状态

3 原因分析

3.1 车辆上体（带摇枕重量）偏重超差

车体上部载荷偏重超差或旁承上部位置结构变形量较大均会造成双曲囊式空气弹簧上部载荷承载不均，导致车辆出现偏移。根据车辆空气弹簧充气后各位置载荷对比（表2），对车体进行加垫调整后，车辆偏移状态有所改善，但横向止挡尺寸仍然随着空气弹簧充风和排风不断超差。

表2 车辆空气弹簧充气后各位置载荷对比 kN

将出现偏移问题的转向架安装于其他车辆同一位置，新的车辆仍存在横向止挡偏移问题，证明该问题非车体重量偏差导致，应为转向架自身原因造成横向止挡偏移。

3.2 转向架构架、摇枕尺寸、牵引拉杆尺寸公差

转向架构架上空气弹簧安装面、摇枕安装面、牵引拉杆安装座间隙超差均会对空气弹簧承载是否均匀造成影响，进而出现横向尺寸超差问题。该转向架构架及摇枕加工尺寸均满足要求，将转向架重新进行静压，核查牵引拉杆安装状态对横向止挡尺寸产生的影响，结果显示安装牵引拉杆状态下横向止挡尺寸差值更小，说明牵引拉杆对横向止挡的偏移起抑制和改善作用。

对转向架重新进行静压加垫调整，在静压状态下通过旁承高度调整垫片实现转向架高度及重量均衡。静压时两侧空气弹簧为均衡压力，横向止挡尺寸稳定且符合要求，但落车后横向止挡尺寸仍然随着空气弹簧充排气不断超差。因此，排除了构架、摇枕、牵引拉杆尺寸对横向止挡偏移的影响。

3.3 双曲囊式空气弹簧横向刚度不稳定

双曲囊式空气弹簧由于其高度较普通空气弹簧更高，容易出现横向各角度刚度不稳定的情况，且空气弹簧刚度较低，装车时偏移力不能抵消，从而导致车体往一侧偏移或扭曲。

为测试双曲囊式空气弹簧在各角度的横向刚度分布情况，选取如图4a所示的2套空气弹簧样本，逐次安装在如图4b所示的带有供风系统的压力机中心位置，保持压力机高度，并将试验台横向力清零、空气弹簧分别充气至工作载荷 63.37  kN、90.4  kN、97.88  kN、115.65  kN ，依次在如图4c所示的8个角度进行旋转，稳定后分别记录此时状态下空气弹簧的横向力。2套空气弹簧不同方向的横向刚度检测结果如图5、图6所示。

图4 空气弹簧横向力测试

图5 空气弹簧各相位角横向刚度测试结果（样本1）

图6 空气弹簧各相位角横向刚度测试结果（样本2）

从试验结果可以看出，2套空气弹簧各角度的横向刚度实测值在80～116  kN/mm且波动较大，由此可知空气弹簧横向刚度不稳定。若车辆在安装双曲囊式空气弹簧时不考虑其各相位角横向刚度，则在不同载荷工况下车辆容易出现横向位移不一致的情况，造成横向止挡偏移。

4 改进方案

4.1 楔形垫调整法

由于转向架结构接口原因，部分双曲囊式空气弹簧无法在车辆安装时转动角度调整其最小刚度朝向，车辆横向止挡尺寸偏移将成为必然结果，为解决该问题，考虑采用加楔形调整垫的方法，控制空气弹簧两侧高度差，强迫空气弹簧向车体中央对称偏移。

为将空气弹簧自身的横向刚度各向不稳定问题通过施加额外横向载荷抵消，单独在空气弹簧下加1  mm×7  mm，1  mm×12  mm 的调整垫，取不同角度进行压力机下的横向力测试，如图7所示，空气弹簧沿逆时针旋转过程中调整垫片的位置保持不变，试验结果如表3所示。

表3 双曲囊式空气弹簧施加调整垫片横向力测试 kN

图7 空气弹簧加垫横向力测试

从试验结果看加垫后横向力出现了一致的方向性，横向力均朝向加垫相反的方向，且调整垫越厚横向力越大。但由于空气弹簧安装时需要兼顾上下导柱安装尺寸，因此调整垫厚度不宜过大（使用1  mm×12  mm调整垫片安装困难）。使用1  mm×7  mm调整垫片后，由于加垫斜度较小，提供的横向力不足，该转向架装车调整后横向止挡间隙尺寸仍然无法稳定。

4.2 盖板结构优化法

如图8所示，现有空气弹簧上盖板与气囊为卷边结构，安装完成后上盖板不能转动。若将空气弹簧上盖板更改为扣环扣压方式，通过螺钉将上盖板与气囊紧固，可调整空气弹簧的最大横向力方位后再最终紧固。盖板结构优化后不仅便于拆装和调整气囊最小刚度方向，且在装配完成后仍可拆卸。

图8 空气弹簧盖板与气囊固定方式

如图9所示，为达到将横向偏移力接近的2个空气弹簧安装在同一个转向架上，使其横向力相互抵消，需要在空气弹簧气囊上盖板完成安装后对空气弹簧进行各相位角的横向力测试，计算出最大横向力（Fmax）方位并进行标记，在安装时通过转动盖板将最大横向力方位都调整至转向架中心，然后根据计算的最大横向力将横向力接近的空气弹簧进行配组装车。

图9 空气弹簧横向力对称分布方式

双曲囊式空气弹簧按照上述方案改进后装车发现车辆横向止挡尺寸均满足33   mm 的公差要求，通过改进方案有效解决了车辆横向刚度异向现象造成的车辆横向止挡偏移问题。

5 结语及建议

通过对空气弹簧进行性能试验及结构分析可知，双曲囊式空气弹簧各个方位横向刚度存在异向不一致，变化较大，如果装车后同一转向架上2个空气弹簧最大横向力方向相同且朝向一侧，横向力相互叠加可能导致车辆出现横向偏移的情况。若横向刚度偏差达到一定程度，无法通过调整空气弹簧安装角度（两侧高度差）来解决刚度偏差造成的位移影响。因此，对于双曲囊式空气弹簧，建议设计时将空气弹簧导气孔与定位导柱同时设置为空气弹簧中心轴，方便车辆组装时空气弹簧可以旋转调整，通过安装手段控制双曲囊式空气弹簧最小刚度方向，避免出现由于空气弹簧横向刚度不稳定引起的车辆偏移和扭转问题。