地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測臺的研制*

張國富王 頡方 宇李寶明王建兵郭慧明

（1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，201620，上海；2.呼和浩特鐵路局安監(jiān)室，010050，呼和浩特；3.上海申通地鐵集團有限公司維護保障中心，201100，上?！蔚谝蛔髡?，碩士）

地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測臺的研制*

張國富1王 頡2方 宇1李寶明1王建兵3郭慧明3

（1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，201620，上海；2.呼和浩特鐵路局安監(jiān)室，010050，呼和浩特；3.上海申通地鐵集團有限公司維護保障中心，201100，上海∥第一作者，碩士）

設計研制了地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測臺，并對其進行了氣密性試驗和垂向靜剛度試驗。該檢測臺主要由機械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。試驗結(jié)果表明，該檢測臺可滿足空氣彈簧日常檢修過程中的性能測試需要，為地鐵車輛檢修部門在車輛日常保養(yǎng)和維修過程中判斷空氣彈簧系統(tǒng)的性能狀態(tài)提供了有效的檢測手段。

地鐵車輛；空氣彈簧；檢測臺；列車檢修

First-author'saddressCollege of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering Science，201620，Shanghai，China

目前，國內(nèi)地鐵車輛常用的空氣彈簧型式多樣，且性能差別較大，因此給地鐵車輛檢修部門的日常檢修工作帶來諸多不便。當前，地鐵車輛維修中普遍缺乏科學、有效的性能檢測手段，只能通過目測、手摸和涂抹肥皂水等方法對空氣彈簧進行簡單的檢測，無法從根本上判斷空氣彈簧是否滿足繼續(xù)使用的要求［1-2］。因此，出于列車運行安全考慮，空氣彈簧未到理論使用壽命就強制報廢的現(xiàn)象十分嚴重，造成了巨大的經(jīng)濟浪費。

本研究設計并研制了一種新型地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測臺，可以滿足地鐵車輛多種型號空氣彈簧的性能檢測需要。試驗結(jié)果證明，該新型檢測臺的使用可以有效提高地鐵車輛空氣彈簧系統(tǒng)的檢修效率和檢修質(zhì)量，大幅降低檢修成本。

1 檢測臺功能及組成

1.1 檢測臺功能

根據(jù)車輛空氣彈簧檢修現(xiàn)場實際需求，結(jié)合TB/T 2841—2010《鐵道車輛空氣彈簧》、EN 13597—2003《鐵路應用橡膠懸掛元件、空氣懸掛彈簧橡膠模板》和EN 13913—2003《鐵路方面使用的合成橡膠基彈性元件合成橡膠基機械部件》等國內(nèi)外鐵路標準文件［3-5］，設計的地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測臺具備以下4項功能：①模擬列車空氣彈簧實際載荷工況，實現(xiàn)多種形式空氣彈簧的裝夾和加載功能；②空氣彈簧系統(tǒng)氣密性檢測功能；③空氣彈簧系統(tǒng)垂向靜剛度試驗功能；④空氣彈簧系統(tǒng)高度測量功能。

1.2 檢測臺組成

檢測臺主要由機械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和測控系統(tǒng)3大部分組成，實物外形見圖1。

1.2.1 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)空氣彈簧的垂向靜載荷施加，其載荷值根據(jù)列車實際運行工況（AW0（空載）、AW1（滿座）、AW2（額定荷載）、AW3（超載））下空氣彈簧實際承受的載荷計算得到。檢測臺機械結(jié)構(gòu)部分采用從整體到部分，從下到上逐層疊加的設計方法，主要包括六立柱式機械構(gòu)架、同步傳動機構(gòu)、壓力加載機構(gòu)、通用型空氣彈簧充氣夾具等部件。根據(jù)車輛維修車間的特殊環(huán)境狀況，該檢測臺機械結(jié)構(gòu)的總體外形尺寸設計為1.6 m×1.3 m ×2.2 m，質(zhì)量約為2 t。

圖1 地鐵車輛空氣彈簧通用性檢測

目前，國內(nèi)地鐵車輛較為常見的空氣彈簧主要有φ500型、SYS 500B型、684 N4.100 P17（R/L）型和7140 N10 P11（R/L）型等［6-7］。由于不同型號空氣彈簧的外觀尺寸、安裝方式和充氣方式均不相同，因此該檢測臺特別設計了一種適用于多種型號空氣彈簧夾裝、充氣和性能測試的通用型夾具。該通用型多功能夾具是本檢測臺與同類檢測設備相比最大的技術創(chuàng)新之一。

此外，考慮到未來地鐵車輛的空氣彈簧型號還可能增加、空氣彈簧的性能檢測指標可能增多等因素，本檢測臺在設計過程中已經(jīng)預留出相應的設計接口以方便檢測臺的后續(xù)功能開發(fā)。

1.2.2 氣路系統(tǒng)

檢測臺氣路系統(tǒng)主要用以實現(xiàn)空氣彈簧系統(tǒng)的附加空氣室功能，采用了集成化、緊湊型的設計思想，主要由承載機架、附加氣室、電磁閥組合模塊3大部分組成（如圖2所示）。其中，根據(jù)對目前常用空氣彈簧附加空氣室容積的調(diào)研結(jié)果，系統(tǒng)中設計了容積分別為25 L、50 L、75 L 3種型號的附加氣室。在性能試驗過程中，通過對這3種附加空氣室進行不同容積組合，可以基本滿足國內(nèi)地鐵車輛所有常用型號空氣彈簧的測試要求。

1.2.3 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要功能是根據(jù)試驗內(nèi)容控制伺服電機工作，控制氣路系統(tǒng)的充排氣，采集傳感器信號，顯示處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對空氣彈簧系統(tǒng)高度、氣密性和垂向靜剛度等性能的檢測。

圖2 附加空氣室系統(tǒng)設計示意圖

1.2.3.1 硬件系統(tǒng)

測控系統(tǒng)的硬件部分主要包括工業(yè)控制計算機、交流伺服電機、傳感器、運動控制和數(shù)據(jù)采集卡等。系統(tǒng)以工業(yè)計算機、運動控制卡和數(shù)據(jù)采集卡為主體，通過外圍接口和電纜，連接運動執(zhí)行機構(gòu)和各種傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，達到精確控制和測量的目的。這種控制形式，能夠?qū)崿F(xiàn)實時測量與控制，操作簡便，方便參數(shù)調(diào)整，大大提高了空氣彈簧的檢測效率。測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)開發(fā)基于圖形化編程語言Lab VIEW，采用模塊化的編程方式來對每個模塊進行獨立編制。

根據(jù)檢測臺所需實現(xiàn)的控制功能，軟件可以劃分為以下5大功能模塊：①系統(tǒng)初始化模塊；②力加載和充、排氣控制模塊；③試驗數(shù)據(jù)采集模塊；④數(shù)據(jù)處理模塊；⑤數(shù)據(jù)存儲查詢模塊。

2 檢測臺使用性能驗證

利用該檢測臺對SYS 500B型空氣彈簧進行氣密性和剛度試驗，并以此對檢測臺的使用性能和精度進行驗證。檢測臺試驗方法嚴格遵照第1節(jié)提出的鐵路國家標準和歐洲標準的相關規(guī)定進行制訂。

2.1 空氣彈簧充氣狀態(tài)下的氣密性試驗

2.1.1 基本試驗條件

空氣彈簧充氣狀態(tài)下氣密性試驗的基本條件見表1。

表1 氣密性試驗基本條件

2.1.2 試驗方法

（1）將空氣彈簧整體高度保持在標準高度H0（270 mm），充入壓力空氣，使其膠囊內(nèi)氣壓達到1.3 PM（790 kPa）（PM為給空氣彈簧系統(tǒng)施加最大垂向靜壓力時的內(nèi)壓力，即工況AW3時的內(nèi)壓力）保壓30 s。

（2）釋放膠囊中的部分氣體，使氣壓降低至0.9 PM（550 kPa），保壓10 min，測量該保壓過程最后5 min的膠囊內(nèi)的氣壓下降數(shù)值。

2.1.3 試驗結(jié)果分析

SYS 500B型空氣彈簧氣密性試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 SYS 500B型空氣彈簧氣密性試驗結(jié)果

由測算得，最后5 min的氣壓下降值為10.507 kPa，小于15 kPa，所以該空氣彈簧的氣密性指標合格。

2.2 空氣彈簧充氣狀態(tài)下的垂向靜剛度試驗

2.2.1 基本試驗條件

空氣彈簧充氣狀態(tài)下垂向靜剛度試驗的基本試驗條件見表2。試驗所施加的垂向載荷根據(jù)空氣彈簧在列車運行中的實際情況確定?？諝鈴椈纱瓜蜢o剛度值的判定標準如表3所示。

表2 垂向靜剛度試驗基本條件

表3 SYS500B型空氣彈簧在不同載荷工況下的垂向靜剛度值標準 N/mm-1

2.2.2 試驗方法

（1）將空氣彈簧整體高度保持在H0（270 mm），充入壓力空氣，使空氣彈簧的載荷達到AW3載荷工況（120 k N），在該載荷狀態(tài)下以最大位移± 10 mm循環(huán)預壓縮5次；

（2）第5次壓縮循環(huán)后，在AW3載荷工況（120 k N）載荷下保壓15 min；

（3）再次將空氣彈簧系統(tǒng)調(diào)整并保持在標準高度H0（270 mm）；

（4）分別在AW3載荷工況（120 kN）、AW2載荷工況（90 k N）、AW1載荷工況（60 k N）和AW0載荷工況（45 k N）下對各個載荷點進行壓縮和拉伸試驗，每個工況在測試前需壓縮預循環(huán)3次；

（5）記錄各個工況下的載荷位移數(shù)據(jù)，并繪制載荷位移（F-d）曲線，計算各工況下的垂向靜剛度值；

（6）載荷加載應以降序進行，不同振幅以升序進行測試，兩相鄰載荷的測試間隔為2～3 min。

2.2.3 試驗結(jié)果分析

SYS 500B型空氣彈簧垂向靜剛度試驗結(jié)果，如表4、圖5所示。

表4 SYS500B型空氣彈簧系統(tǒng)在不同載荷工況下的垂向靜剛度試驗數(shù)據(jù)

圖5 SYS 500B型空氣彈簧垂向靜剛度

將表4中的垂向靜剛度試驗數(shù)據(jù)與表3中的標準數(shù)值進行對比分析。對比結(jié)果表明，被試件在120 k N、90 k N、60 k N、45 kN 4種載荷下的垂向靜剛度值均符合規(guī)定，所以該空氣彈簧的垂向靜剛度指標合格。

2.3 測試結(jié)論

整個測試過程中，空氣彈簧性能測試系統(tǒng)運行正常，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；測試數(shù)據(jù)與該型空氣彈簧出廠型式試驗數(shù)據(jù)進行對比，所有數(shù)據(jù)均符合標準要求。因此，可以證明該地鐵車輛空氣彈簧性能通用檢測臺性能穩(wěn)定、可靠，可以滿足地鐵空氣彈簧性能檢測要求。

3 結(jié)語

地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測臺，通過設計一種特殊的通用型夾具和氣路系統(tǒng)，可以滿足國內(nèi)地鐵車輛多種常用型號空氣彈簧的可靠夾裝和多項性能參數(shù)的檢測需求。使用性能測試表明，該通用型檢測臺系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，測試數(shù)據(jù)精確，整體性能良好。

與傳統(tǒng)的地鐵車輛維修行業(yè)所運用的空氣彈簧檢修手段相比，本空氣彈簧通用性能檢測臺的使用為地鐵車輛空氣彈簧提供了科學有效的性能檢測方法。目前，該檢測臺已在車輛維修企業(yè)正式得以應用，如能進一步得以推廣應用，將為車輛維修企業(yè)日常維護、保養(yǎng)工作效率的提高，以及維修成本的降低做出更大貢獻。

［1］ 趙云生，宋志強，王黎明.空氣彈簧檢修試驗臺［J］.鐵道車輛，2000，34（4）：31.

［2］ 張寒星，劉希鵬，陽艷，等.接地裝置彈簧壓力試驗臺［J］.鐵道車輛，2008，46（10）：34.

［3］ TB/T 2841—2010鐵道車輛空氣彈簧［S］.

［4］ EN 13597—2003鐵路應用橡膠懸掛元件空氣懸掛彈簧橡膠模板［S］.

［5］ EN 13913—2003鐵路方面使用的合成橡膠基彈性元件合成橡膠基機械部件［S］.

［6］ 郭榮生.SYS系列空氣彈簧的開發(fā)和應用［J］.鐵道車輛，1999，11（37）：1.

［7］ 張廣世.地鐵轉(zhuǎn)向架空氣彈簧試驗研究［J］.鐵道車輛，2000，12（38）：81.

［8］ 朱曉娟，王建兵，郭慧明，等.地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測臺機械結(jié)構(gòu)設計［J］.城市軌道交通研究，2012（1）：37.

Manufacture of Universal Air Spring Performance Test Bench for Metro Vehicle

Zhang Guofu，Wang Jie，F(xiàn)ang Yu，Li Baoming，Wang Jianbing，Guo Huiming

Auniversal performance test bench for metro vehicle air spring has been designed，manufactured，and passed both the gas leakage test and the vertical static stiffness test.The test bench mainly consists of mechanical system，pneumatic system，measurement and control system.The experimental results show that the test bench has completely met the needs of air spring performance test in the process of daily maintenance，in addition，it has also provided an effective detection means for metro vehicle department to judge the performance of air spring system in the daily maintenance process.

metro vehicle；air spring；test bench；train's overhaul

U 270.7：U 270.331+.4

2013-08-14）

*上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目（12YZ150）