B23轉(zhuǎn)向架平臺的軸箱彈簧國產(chǎn)化研究

周 勇 柳祿泱 程海濤 榮繼剛

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京; 2.株洲時代新材料科技股份有限公司，412007，株洲∥第一作者，工程師)

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B23轉(zhuǎn)向架平臺的軸箱彈簧國產(chǎn)化研究

周 勇1柳祿泱2程海濤2榮繼剛2

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京; 2.株洲時代新材料科技股份有限公司，412007，株洲∥第一作者，工程師)

以B23轉(zhuǎn)向架平臺軸箱彈簧國產(chǎn)化為契機,對軸箱彈簧原始技術(shù)要求關(guān)鍵性能進行分析和比對,完成了軸箱彈簧的國產(chǎn)化工作。通過研究,對軸箱彈簧的特性有了更深入的了解,為保障車輛的安全運行提供數(shù)據(jù)支持。

車輛; 轉(zhuǎn)向架; 軸箱彈簧 彈性元件

First-author′s address CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,210031,Nanjing,China

B23轉(zhuǎn)向架平臺是中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司從法國Alstom公司引進、改進并獲得自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)向架平臺,廣泛應(yīng)用于蘇州地鐵、杭州地鐵、伊朗地鐵和無錫地鐵等項目,是一種典型的B型車用轉(zhuǎn)向架平臺,其市場擁有量大。

B23轉(zhuǎn)向架平臺在引進時進行了一些關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化,但一系懸掛的關(guān)鍵部件軸箱彈簧一直使用進口件,隨著國內(nèi)橡膠彈性元件技術(shù)的快速發(fā)展,軸箱彈簧技術(shù)已經(jīng)達到國際水平,具備了軸箱彈簧國產(chǎn)化的條件。軸箱彈簧國產(chǎn)化可降低制造成本,提高競爭力,同時提供更快捷、更專業(yè)以及更全面的售后服務(wù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析及目標

1.1 裝配方式

軸箱彈簧安裝在軸箱與構(gòu)架之間,其上部與構(gòu)架相連,下部與軸箱裝配在一起(如圖1所示)。為實現(xiàn)產(chǎn)品的互換性,在國產(chǎn)化時必須保證與構(gòu)架和軸箱的尺寸與進口件一致,最大外形輪廓尺寸應(yīng)滿足裝配要求,不能出現(xiàn)與周圍零部件干涉的現(xiàn)象。

圖1 軸箱彈簧安裝示意圖

1.2 產(chǎn)品關(guān)鍵特性

軸箱彈簧在垂直方向可提供支撐、衰減振動,在水平方向可傳遞輪對導(dǎo)向力和提供柔性變形能力,提高車輛通過曲線的能力,并能降低輪軌磨耗。軸箱彈簧的關(guān)鍵性能分析見表1。

表1 軸箱彈簧的關(guān)鍵性能分析

1.3 國產(chǎn)化目標

B23轉(zhuǎn)向架平臺的軸箱彈簧國產(chǎn)化產(chǎn)品的關(guān)鍵性能應(yīng)與進口件一致,其他性能也要滿足技術(shù)規(guī)范要求。國產(chǎn)產(chǎn)品應(yīng)完成產(chǎn)品型式試驗驗證并通過裝車運行考核。

1.4 主要性能參數(shù)

國產(chǎn)產(chǎn)品主要運行載荷參數(shù)如表2所示。

表2 軸箱彈簧載荷參數(shù)

2 方案設(shè)計

2.1 技術(shù)輸入情況

2.1.1 尺寸要求

如圖2所示,軸箱彈簧通過A、D部位與構(gòu)架相連,通過B與軸箱相連。因構(gòu)架安裝空間限制,C、E、F部位外形尺寸最大。保證產(chǎn)品安裝后不會干涉。只有滿足尺寸要求，軸箱彈簧才能滿足互換性要求。

對接鎖合組件的鎖合原理如圖5所示，主要是通過卡榫上的片簧棘爪一體式結(jié)構(gòu)與鉆進機構(gòu)導(dǎo)輪支架內(nèi)的圓柱孔進行鎖合。

圖2 軸箱彈簧尺寸

2.1.2 性能要求

作為一系懸掛的關(guān)鍵產(chǎn)品,軸箱彈簧的各項性能要求多且嚴格。其性能要求如表3所示。

2.2 軸箱彈簧產(chǎn)品設(shè)計方案

采用名義應(yīng)變等理論對橡膠層進行分析,保證每層橡膠的應(yīng)變相等,以追求每層橡膠具有同祥的使用壽命。

通過數(shù)學(xué)模型進行計算和同類結(jié)構(gòu)對比,采用的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表3 軸箱彈簧技術(shù)要求

2.3 有限元分析校核

按照軸箱彈簧的實際運行情況對該結(jié)構(gòu)進行有限元模擬,采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型對橡膠材料進行模擬,并對產(chǎn)品三向剛度和極限載荷下金屬應(yīng)力進行分析,以驗證結(jié)構(gòu)的可行性和材料的選擇。

2.3.1 有限元分析

對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)三向剛度和材料的應(yīng)力應(yīng)變進行有限元分析(見表4)。垂向采用1.3倍AW3載荷,水平方向采用縱向特殊載荷,驗證金屬的應(yīng)力。分析得到金屬應(yīng)力如圖4、5 所示。

2.3.2 材料選擇

根據(jù)計算結(jié)果、產(chǎn)品情況和類似的應(yīng)用經(jīng)驗,選用軸箱彈簧的金屬材料如表5所示。材料的許用應(yīng)力基本為產(chǎn)品最大應(yīng)力的2倍以上,完全可以滿足產(chǎn)品的使用要求。

3 國產(chǎn)產(chǎn)品試驗設(shè)計及驗證分析

為了驗證國產(chǎn)產(chǎn)品是否能夠滿足輸入和使用要求,根據(jù)行業(yè)標準TB/T 2843和EN 13913來設(shè)計國產(chǎn)產(chǎn)品性能檢測方法,并通過對比試驗來驗證產(chǎn)品的性能是否滿足客戶技術(shù)規(guī)范要求，并分析國產(chǎn)件(TMT產(chǎn)品)與進口件的差異。

圖3 軸箱彈簧產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖4 垂向極限載荷下橡膠變形情況

圖5 橫向極限載荷下橡膠變形情況

項點垂向剛度/(kN/mm)剪切剛度/(kN/mm)垂向極限荷載下最大應(yīng)力/MPa剪切極限荷載下最大應(yīng)力/MPa要求值0.65×(1±15%)5.6×(1±15%)計算值0.685.8101.5136.6

表5 材料選擇表

3.1 粘結(jié)性能

非破壞性粘結(jié)檢測：對TMT產(chǎn)品施加垂向拉伸載荷,產(chǎn)品拉伸60 mm后保持載荷作用60 s,并在拉伸狀態(tài)下觀察產(chǎn)品。要求無任何粘接缺陷。

破壞性粘結(jié)檢測：對TMT產(chǎn)品施加垂向拉伸載荷,直至產(chǎn)品被破壞為止，同時檢查橡膠產(chǎn)品金屬面上的附膠率。附膠率要求為85%以上。

非破壞性粘結(jié)檢測結(jié)果顯示：TMT產(chǎn)品外觀質(zhì)量良好,曲線光滑無褶皺,橡膠無裂紋出現(xiàn),如圖6所示。

破壞性粘結(jié)檢測中結(jié)果顯示：TMT產(chǎn)品破壞為橡膠層破壞,金屬件附膠率為100%,沒有存在粘合面撕裂情況,說明產(chǎn)品粘合質(zhì)量好。

由于金屬和橡膠硫化的產(chǎn)品,在拉伸力作用下容易出現(xiàn)金屬界面剝離現(xiàn)象,所以在批量生產(chǎn)中一般選擇非破壞性粘結(jié)檢測。破壞性粘結(jié)試驗只在確定工藝和材料或結(jié)構(gòu)進行變更時驗證。

圖6 非破壞性粘附試驗曲線

如果粘結(jié)試驗曲線不光滑或存在褶皺,表示存在金屬粘合面粘合不牢或者橡膠損傷,需要做進一步的分析。

軸箱彈簧在使用過程中一般受壓縮載荷,只有在極其偶然的情況下才會受到拉伸。因此,只要產(chǎn)品粘合質(zhì)量良好,在整個壽命周期內(nèi)不會出現(xiàn)開膠等缺陷。

3.2 垂向靜態(tài)剛度試驗

對軸箱彈簧施加垂向的荷載Fz，并以100 mm/min的壓縮速度連續(xù)加載3個循環(huán),加載范圍為0～39.1 kN,記錄第3個循環(huán)曲線并計算16～24 kN和23.0～35.1 kN下的剛度值。要求16～24 kN之間的剛度值為0.65(1±15%)kN/mm。

軸箱彈簧垂向靜態(tài)剛度試驗結(jié)果見表6，曲線比較圖見圖7。

表6 軸箱彈簧垂向剛度試驗要求及結(jié)果

圖7 軸箱彈簧垂向靜態(tài)剛度試驗曲線比較

從試驗結(jié)果看,垂向剛度都能滿足原始技術(shù)規(guī)范要求;從曲線上看,產(chǎn)品的曲線形態(tài)一致。這表明TMT軸箱彈簧不論從結(jié)構(gòu)上還是材料的選擇上都達到進口件水平。另外,TMT產(chǎn)品加載和卸載線形成的包絡(luò)曲線的面積小,說明TMT產(chǎn)品的滯后特性小,在車輛運行過程中動靜剛度比小,舒適性更高。

3.3 壓縮高試驗

壓縮高性能主要指產(chǎn)品在一定的載荷下產(chǎn)品被壓縮后的高度,即產(chǎn)品自由高減去一定載荷下產(chǎn)品的變形值,是產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)之一,與車輛安裝后的高度直接相關(guān)只有產(chǎn)品壓縮高軸箱彈簧穩(wěn)定,才能保證車輛的安全運行。

完成垂向剛度試驗后立即開始壓縮高試驗。首先，垂向加載由0到39.1 kN；然后，卸載到16 kN并保持載荷15 s；最后，測量產(chǎn)品在空車載荷16 kN下的高度。規(guī)范要求高度為154±0.5 mm,如果產(chǎn)品沒在該范圍內(nèi),可通過添加墊片進行調(diào)整。墊片厚度不超過3 mm。

軸箱彈簧壓縮高試驗結(jié)果見表7，壓縮高曲線比較圖見圖8。

表7 軸箱彈簧壓縮高試驗要求及結(jié)果

圖8 軸箱彈簧壓縮高試驗曲線比較

通過試驗對比,發(fā)現(xiàn)，TMT產(chǎn)品與進口件都能夠很好地滿足原始技術(shù)規(guī)范要求,能夠滿足車輛的裝車高度,并都能控制在±0.5 mm的誤差之內(nèi),能夠穩(wěn)定地控制裝車的高度。

3.4 水平剛度試驗

分別施加不同的垂向載荷(20 kN、29.5 kN和39.5 kN)并保持載荷不變,然后施加水平載荷使產(chǎn)品以15 mm/min的速度水平移動±6 mm,連續(xù)3個循環(huán),并取第3個循環(huán)曲線計算±6 mm處的點對點剛度。規(guī)范要求20 kN下的橫向剛度為5.60×(1±15%)kN/mm。試驗結(jié)果見表8，相應(yīng)的試驗曲線見圖9、圖10。

從試驗結(jié)果看,進口件的水平剛度略低于要求值。對軸箱彈簧來說,空載下的水平剛度是關(guān)鍵。

表8 軸箱彈簧水平剛度試驗要求及結(jié)果

圖9 20 kN垂向荷載作用下2種產(chǎn)品的橫向剛度試驗比較曲線

圖10 不同垂向預(yù)載下進口件與TMT產(chǎn)品的水平剛度值比較

這是因為空車載荷下,水平剛度小會導(dǎo)致車輛的水平穩(wěn)定性差；隨著載荷的增加,根據(jù)軸箱彈簧的特點,水平剛度會逐漸增加；但水平剛度增加太快,在滿載時又會給輪對的磨損帶來不利影響。從圖10看,TMT產(chǎn)品,在空車載荷下滿足原始規(guī)范的要求,但隨著垂向剛度的增加,水平剛度增加較進口件平緩?？梢?在水平剛度方面,TMT產(chǎn)品比進口件優(yōu)良。

3.5 蠕變試驗

對產(chǎn)品施加20 kN垂向載荷并保持載荷7 d,施載期間記錄產(chǎn)品的高度變化量,每2 h記錄一次產(chǎn)品高度變化量。根據(jù)EN 13913標準第7.3.2.3條,計算1 h和24 h之間的蠕變h1。如后續(xù)24 h內(nèi)的蠕變值小于h1的10%,則認為蠕變穩(wěn)定,可停止試驗。如7 d還未穩(wěn)定,則繼續(xù)試驗直至穩(wěn)定。蠕變試驗結(jié)果見表9,蠕變試驗曲線見圖11。

表9 軸箱彈簧蠕變試驗結(jié)果

圖11 軸箱彈簧試驗室蠕變試驗曲線

從試驗結(jié)果看,TMT軸箱彈簧蠕變量不到進口件的一半。試驗室蠕變能直接反應(yīng)出裝車后靜調(diào)時產(chǎn)品高度變化。根據(jù)產(chǎn)品運行經(jīng)驗,一般進口件壽命周期內(nèi)蠕變量為總撓度的20%左右,約11 mm；TMT產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)的蠕變?yōu)榭倱隙鹊?5%左右,約8 mm。按照技術(shù)規(guī)范要求,進口件蠕變量將會大于壽命周期內(nèi)的8 mm的要求。

3.6 疲勞試驗

橡膠件的疲勞試驗到目前為止沒有統(tǒng)一的判定標準可以執(zhí)行。高分子材料具有的各項異性的特點,不能像金屬材料一樣對材料取樣進行疲勞驗證;因此,在本次國產(chǎn)化中,采用與進口樣品對比的方式,按照EN 13913標準推薦的方法,進行1 000萬次的疲勞試驗,以檢查產(chǎn)品外觀和剛度變化率。疲勞試驗具體工況見表10。

表10 橡膠件的疲勞試驗工況

試驗要求第1萬次疲勞后的垂向、徑向剛度變化率不超過15%,橡膠表面無破損等缺陷。疲勞試驗結(jié)果見表11,垂向剛度隨疲勞次數(shù)變化趨勢見圖12，壓縮高隨疲勞次數(shù)變化趨勢見圖13?？梢姡?dāng)疲勞試驗次數(shù)達1 000萬次后，TMT產(chǎn)品垂向剛度減小5.26%,壓縮高減小2.5 mm;進口件垂向剛度減小12.90% 壓縮高減小4.16 mm。

表11 橡膠件的疲勞試驗結(jié)果

圖12 軸箱彈簧垂向剛度隨疲勞試驗次數(shù)變化趨勢

圖13 軸箱彈簧壓縮高隨疲勞試驗次數(shù)變化趨勢

疲勞試驗后對產(chǎn)品外觀進行檢查,二者無裂紋、開膠等情況出現(xiàn),但進口件橡膠面出現(xiàn)略有發(fā)粘現(xiàn)象。從垂向剛度和壓縮高變化趨勢看,進口件剛度下降明顯。綜合來看，TMT產(chǎn)品在疲勞方面不但滿足原始技術(shù)規(guī)范要求,而且優(yōu)于進口件。

4 國產(chǎn)軸箱彈簧調(diào)試和運行監(jiān)測

完成型式試驗后,產(chǎn)品裝車通過靜調(diào)和動調(diào)試驗及正線調(diào)試,并在調(diào)試過程及后續(xù)的運行過程中對軸箱吊鉤間隙進行測量。吊鉤間隙變化可反映出軸箱彈簧的蠕變情況。目前,還沒有標準方法對軸箱彈簧整個使用壽命的蠕變進行試驗和判定,軸箱彈簧的蠕變只有通過從現(xiàn)場測量獲取數(shù)據(jù)來確認。在現(xiàn)場測量時,為了消除因軌道的不平整、車輛抱閘沒有松開以及抗側(cè)滾扭桿載荷無法完全釋放帶來的影響,故對每個轉(zhuǎn)向架的蠕變數(shù)據(jù)平均計算。對3個轉(zhuǎn)向架在不同階段所測的蠕變數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表12所示。

表12 現(xiàn)場蠕變量跟蹤結(jié)果 mm

根據(jù)蠕變的特點,一般蠕變的2/3發(fā)生在運行的前6個月,按此推測,國產(chǎn)軸箱彈簧的蠕變能夠滿足原始技術(shù)規(guī)范要求。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)橡膠行業(yè)的高速發(fā)展,國內(nèi)軌道交通行業(yè)彈性元件由依賴進口逐漸開始國產(chǎn)化來解決主機廠和地鐵公司面臨的維護成本高、售后不及時以及交付周期長的缺點。特別是軸箱彈簧等關(guān)鍵部件,國內(nèi)已經(jīng)在一些新造車上大批量使用并運行,現(xiàn)取得了良好的效果,擁有了豐富的經(jīng)驗。

通過上述國產(chǎn)軸箱彈簧關(guān)鍵性能與進口件的對比試驗,國產(chǎn)軸箱彈簧整體上達到國際水平,部分性能已經(jīng)領(lǐng)先于國際水平。目前，國產(chǎn)軸箱彈簧已經(jīng)運行1年左右,產(chǎn)品使用良好。B23轉(zhuǎn)向架平臺軸箱彈簧的國產(chǎn)化為以后軸箱彈簧等關(guān)鍵部件進行國產(chǎn)化積累了豐富的經(jīng)驗,也可為同行在其他彈性元件實現(xiàn)國產(chǎn)化提供參考。

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

[2] 龔積球,龔震震,趙熙雍.橡膠件的工程設(shè)計及應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003.

[3] 卜繼玲,黃友劍.軌道車輛橡膠彈性元件設(shè)計計算方法[M].北京:中國鐵道出版社,2010.

[4] 林孔勇,金晟娟,梁星宇.橡膠工業(yè)手冊 第六分冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1993.

Localization of Journal Box Spring Based on B23 Bogie

ZHOU Yong, LIU Luyang, CHENG Haitao, RONG Jigang

Taking the localization of the journal box spring for B23 bogie as the development opportunity, the key design requirements for the original technique of journal box spring are analyzed and compared, on this basis, the localization work is completed. Through further studies, the properties of journal box spring are better understood, which could provide data supporting for the safe operation of railway vehicles.

vehicle; bogie; journal box spring; elastic element

U 270.3 31+.4

10.16037/j.1007-869x.2016.09.015

2014-11-18)