EMU250轉(zhuǎn)向架一系懸掛試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

彭立群，林達(dá)文，成 博，張志強(qiáng)，吳興磊，王 進(jìn)

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

EMU250轉(zhuǎn)向架一系懸掛試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

彭立群，林達(dá)文，成 博，張志強(qiáng)，吳興磊，王 進(jìn)

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

對(duì)一系懸掛進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)是改善車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的重要手段。文章簡(jiǎn)要分析了EMU250轉(zhuǎn)向架一系懸掛結(jié)構(gòu)與原理，設(shè)計(jì)了一系懸掛組對(duì)滾動(dòng)與滑動(dòng)加載2種試驗(yàn)方案，重點(diǎn)分析了滾動(dòng)加載試驗(yàn)方案，研究了一系懸掛垂向剛度和疲勞性能，結(jié)果表明一系懸掛垂向剛度呈正線性，疲勞次數(shù)對(duì)剛度影響較小，試驗(yàn)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果，研究成果對(duì)軌道車(chē)輛一系懸掛的研發(fā)和試驗(yàn)起指導(dǎo)作用。

EMU250轉(zhuǎn)向架；一系懸掛；試驗(yàn)研究

以200 km/h的CRH系列動(dòng)車(chē)組開(kāi)通為重要標(biāo)志實(shí)施第6次鐵路提速以來(lái)，中國(guó)高速鐵路得到了迅速發(fā)展，動(dòng)車(chē)組以高速、安全和舒適的優(yōu)勢(shì)吸引了大量的中短途客源，速度250 km/h動(dòng)車(chē)組（EMU250）是國(guó)產(chǎn)化研制的新型動(dòng)車(chē)組，最高運(yùn)營(yíng)速度250 km/h。為改善車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，應(yīng)某公司的要求，株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司（TMT）針對(duì)EMU250轉(zhuǎn)向架一系懸掛部件進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，為改善車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能提供重要理論依據(jù)。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前有關(guān)軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架一系懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究很多，但從具體試驗(yàn)角度對(duì)一系懸掛進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)的研究甚少，也沒(méi)有相應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)方案及裝置，為解決這一技術(shù)難題，本文簡(jiǎn)要分析了EMU250轉(zhuǎn)向架一系懸掛的結(jié)構(gòu)及原理，設(shè)計(jì)了一系懸掛組對(duì)滾動(dòng)與滑動(dòng)加載2種試驗(yàn)方案，重點(diǎn)分析了滾動(dòng)加載試驗(yàn)方案，分析了垂向剛度線性相關(guān)性以及疲勞試驗(yàn)前后剛度變化率，相應(yīng)研究成果為軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架一系懸掛的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)起指導(dǎo)作用。

1 EMU250一系懸掛結(jié)構(gòu)

軌道車(chē)輛一系懸掛主要安裝于軸箱與構(gòu)架之間，以輪對(duì)軸箱為固定的硬基礎(chǔ)，在構(gòu)架的垂向、行車(chē)方向和橫向提供可靠的三向柔性定位支撐，緩和車(chē)輛行駛過(guò)程中輪對(duì)振動(dòng)、沖擊對(duì)構(gòu)架的影響，為二系懸掛提供柔性平穩(wěn)平臺(tái)，保證車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)舒適［1］，安裝位置見(jiàn)圖1。

轉(zhuǎn)向架一系懸掛按結(jié)構(gòu)分為人字金屬橡膠彈簧結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)臂定位偏簧結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)臂定位頂簧結(jié)構(gòu)3種［2］，EMU 250轉(zhuǎn)向架一系懸掛采用的是轉(zhuǎn)臂定位頂簧結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中一系彈簧為單組雙圈螺旋鋼圓彈簧加內(nèi)置止擋結(jié)構(gòu)，減振裝置為油壓減振器，定位裝置為轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)。該結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)如下。

采用轉(zhuǎn)臂式定位實(shí)現(xiàn)不同橫縱向剛度和改善轉(zhuǎn)向架的橫向動(dòng)力學(xué)性能，采用高撓一系鋼彈簧緩沖轉(zhuǎn)向架的垂向運(yùn)動(dòng)并滿足高速運(yùn)行要求，采用高阻尼的油壓減振器衰減轉(zhuǎn)向架的垂向振動(dòng)或側(cè)擺振動(dòng)。

一系鋼彈簧軸箱中心頂置，油壓減振器與轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)分設(shè)在軸箱兩側(cè)，使得一系彈簧和轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)共同分擔(dān)垂向載荷。

一系彈簧軸箱中心頂置節(jié)約了安裝空間，提供了穩(wěn)定的動(dòng)靜剛度和較大的垂向撓度，橡膠止擋不僅能減振降噪、絕緣防電、而且能降低鋼彈簧動(dòng)應(yīng)力。

在一系鋼彈簧中心位置（軸箱與構(gòu)架之間）設(shè)有橡膠止擋，吸收和緩沖車(chē)輛過(guò)載時(shí)的沖擊力，提高乘客舒適度。

一系鋼彈簧組通過(guò)鋼彈簧座和橡膠止擋的定位圈定位，內(nèi)彈簧外彈簧左、右旋相間，互不接觸，并通過(guò)專(zhuān)用墊圈來(lái)調(diào)整高度，整個(gè)結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓連接在構(gòu)架上，這樣的設(shè)計(jì)便于拆解和裝配，也方便檢修作業(yè)［3］。

2 一系懸掛試驗(yàn)簡(jiǎn)述

目前軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架一系懸掛還沒(méi)有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，具體試驗(yàn)參照的標(biāo)準(zhǔn)主要有EN 13906－1、EN 13913－2003、TB/T 2211－2010、TB/T 2843－2010，相應(yīng)技術(shù)條件中涉及兩種加載方式，分別是組對(duì)滾動(dòng)加載和組對(duì)滑動(dòng)加載2種方式，分別如圖3和圖4所示。

組對(duì)滾動(dòng)加載：設(shè)計(jì)2個(gè)軸箱并行安裝為1組同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，其中鋼彈簧組通過(guò)定位銷(xiāo)安裝于軸箱底部，橡膠止擋內(nèi)置一系鋼彈簧組，轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橡膠關(guān)節(jié)壓裝于軸箱，通過(guò)錐形芯軸鎖緊固定于支撐座，模擬車(chē)軸放置于軸箱車(chē)軸中心位置，上置滾動(dòng)滑臺(tái)。

組對(duì)滑動(dòng)加載：安裝方式不變，在垂向加載時(shí)，設(shè)計(jì)半圓柱體代替車(chē)軸，通過(guò)球面摩擦來(lái)施加垂向載荷。

通過(guò)兩種方案的分析比較，本文采用組對(duì)滾動(dòng)加載方式進(jìn)行試驗(yàn)。

3 垂向剛度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

按照車(chē)輛動(dòng)力學(xué)理論，在縱垂平面內(nèi)車(chē)輛主要發(fā)生浮沉和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)［3］，據(jù)此得出了圖5所示的一系懸掛垂向剛度試驗(yàn)原理。

轉(zhuǎn)向架的垂向載荷主要來(lái)自車(chē)輛軸重和載重工況，在垂向載荷作用下一系彈簧會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，在遇到過(guò)載或沖擊載荷時(shí)，橡膠止擋會(huì)吸收沖擊力，同時(shí)發(fā)揮極限限位作用，轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)在軸箱的帶動(dòng)下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？v向載荷主要來(lái)自車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的牽引力和制動(dòng)力，在縱向的作用下轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)要承受徑向載荷、同時(shí)一系彈簧需承受一定的水平力并產(chǎn)生偏心位移。

縱向載荷對(duì)鋼彈簧組產(chǎn)生的偏心位移通過(guò)上置滑臺(tái)前后滾動(dòng)消除，垂向載荷通過(guò)滑臺(tái)和模擬車(chē)軸施加整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成

整體方案采用模塊化“搭積木”的組合加載方式，試驗(yàn)拆裝靈活方便、安裝空間、夾持尺寸可調(diào)，可滿足不同懸掛系統(tǒng)試驗(yàn)要求。具體的非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)裝置由懸掛機(jī)架、油缸、導(dǎo)向柱、滑臺(tái)、車(chē)軸、軸箱、底板、支座組成，分別如圖6和圖7所示，其中一系懸掛部件與工裝組成一個(gè)整體安裝于試驗(yàn)機(jī)底部，滑臺(tái)導(dǎo)向座與機(jī)架導(dǎo)向橫梁連接，承載板與模擬車(chē)軸以滾動(dòng)摩擦的方式接觸，通過(guò)內(nèi)置滾棒施加垂向載荷，并通過(guò)前后滾動(dòng)來(lái)消除偏心載荷，完成垂向剛度試驗(yàn)［4］。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以EMU250轉(zhuǎn)向架一系懸掛部件（包括軸箱、轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橡膠關(guān)節(jié)、鋼彈簧組、橡膠止擋、定位圓盤(pán)等）與試驗(yàn)裝置進(jìn)行組裝，在16通道組合加載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行垂向剛度試驗(yàn)，研究一系懸掛垂向變形與載荷剛度特性。

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)內(nèi)容包括垂向剛度試驗(yàn)和垂向疲勞試驗(yàn)兩部分，在疲勞試驗(yàn)前、中、后均需進(jìn)行垂向剛度試驗(yàn)，研究疲勞次數(shù)對(duì)垂向剛度的影響。

（1）垂向剛度試驗(yàn)

預(yù)加載：將一系懸掛安裝于試驗(yàn)機(jī)中心位置，垂向以150 k N/min的加載速度施加設(shè)計(jì)載荷205 k N，連續(xù)加載3次，間隔3 min；正式加載：垂向以150 k N/min的加載速度施加設(shè)計(jì)載荷205 k N計(jì)算（70～205 k N）的區(qū)間剛度。

（2）疲勞試驗(yàn)

垂向加載（140±64）k N，頻率1 Hz，循環(huán)加載26萬(wàn)次。

疲勞試驗(yàn)前及疲勞試驗(yàn)過(guò)程中每隔13萬(wàn)次進(jìn)行1次剛度試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

4.3 數(shù)據(jù)分析及探討

（1）線性相關(guān)性

從表1和圖9得一系懸掛變形隨垂向載荷遞增，在整個(gè)加載過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)拐點(diǎn)，研究表明一系懸掛垂向剛度呈正線性。

（2）垂向剛度變化率

從圖9得知疲勞試驗(yàn)前、中、后垂向剛度趨勢(shì)一致，剛度與曲線斜率成正比。

從圖10得知隨著疲勞次數(shù)的增加，垂向剛度有變小趨勢(shì)，但變化不大，其中疲勞試驗(yàn)前、中、后的垂向剛度分別為2.44，2.36，2.33 k N/mm，疲勞試驗(yàn)前后剛度變化率為4.5%，研究表明疲勞試驗(yàn)次數(shù)對(duì)剛度影響較小。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)分析EMU250轉(zhuǎn)向架一系懸掛結(jié)構(gòu)與原理，分別提出組對(duì)滾動(dòng)與滑動(dòng)加載2種技術(shù)方案，為一系懸掛試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

（2）試驗(yàn)研究表明一系懸掛垂向剛度呈正線性，疲勞次數(shù)對(duì)剛度影響較小。

（3）試驗(yàn)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的目的，研究成果完善了軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架一系懸掛試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，為一系懸掛的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)起指導(dǎo)作用。

［1］ 王 進(jìn)，彭立群.機(jī)車(chē)車(chē)輛用軸箱彈簧［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2008，28（6）：40-42.

［2］ 伍玉剛.二級(jí)變剛度在城軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架一系懸掛系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2010，33（5）：20-22.

［3］ 段華東.ZMA120型轉(zhuǎn)向架一系懸掛垂向剛度分析［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2011，4（7）：60-62.

［4］ 彭立群，林達(dá)文.一種軌道車(chē)輛一系減振系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)裝置［P］.中國(guó)：CN 201220017715.4，2012－01－16.

［5］ 劉建勛，卜繼玲.軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架橡膠彈性元件應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

［6］ 嚴(yán)雋耄，付茂海.車(chē)輛工程（第3版）［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

Experimental Design and Research of EMU250 Bogie Primary Suspension

PENG Liqun，LIN Dawen，CHENG Bo，ZH ANG Zhiqiang，WU Xinglei，WANG Jin
（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.CSR，Zhuzhou 412007 Hunan，China）

The primary suspension for mechanical test is an important means to improve the performance of vehicle dynamics.The paper briefly analyzes the suspension structure and principles of EMU250 bogie，designs the rolling and sliding two kinds of load test programs，emphatically analyzes the rolling load test program and studies the vertical stiffness and fatigue properties.The results show the vertical stiffness of the suspension is a positive linear stiffness，the number of fatigue is less impact，and the test design achieves the desired effect.The research results can give guidance for the development and test of rail vehicle primary suspension.

EMU250 bogie；primary suspension；experimental research

U270.331＋.7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.10

1008－7842（2014）06－0044－03

3—）男，工程師（

2014－04－16）