轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧緩沖橡膠墊優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析

劉彩云 劉小松

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 266111；2.上海局集團有限公司南京車輛監(jiān)造項目部 江蘇 南京 210031)

轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)臂式一系軸箱定位系統(tǒng)是目前鐵路客車轉(zhuǎn)向架普遍采用的一種定位方式。通過調(diào)研目前既有的動車組及高速客車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，在軸箱彈簧下設置緩沖橡膠墊是較通用的做法。某型客車轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧在車輛出廠后40～60萬km期間軸箱彈簧批量發(fā)生折損故障，在解決該問題的過程中對軸箱彈簧緩沖墊的結(jié)構(gòu)進行了研究。下文以該型轉(zhuǎn)向架一系鋼簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化項目為依托，對轉(zhuǎn)向架軸箱鋼簧下設置緩沖橡膠墊結(jié)構(gòu)進行了仿真分析和試驗驗證研究。轉(zhuǎn)向架增設緩沖橡膠墊后的一系懸掛結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶緩沖橡膠墊的轉(zhuǎn)向架一系結(jié)構(gòu)

1 緩沖橡膠墊結(jié)構(gòu)仿真分析

在仿真分析之前，測試了多組橡膠墊在不同頻率下的剛度、阻尼特性和材料特性，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了橡膠墊的數(shù)學模型，進而建立了原車動力學模型和一系橡膠墊車輛的動力學模型。在此基礎上對比分析了車輛在有、無緩沖橡膠墊工況下，車輛的安全性、平穩(wěn)性、舒適度以及軸箱到構(gòu)架的振動傳遞等指標。分析評估主要依據(jù)GB 5599—1985 《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》及UIC 513—1994 《鐵路車輛乘坐舒適性評估》。

仿真分析取恒定計算速度160 km/h，包括3種軌道激勵，分別為左右軌同步方向不平順、左右軌同步高低不平順、左右軌方向和高低復合不平順，每段激勵長222 m。工況種類為8種(即1 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz)，激勵幅值為5 mm。通過仿真分析，得出如下結(jié)論：

(1)橡膠墊在中高頻激勵工況對振動傳遞的阻隔效果較好(見圖2)。軸箱處的振動在經(jīng)過橡膠墊串聯(lián)鋼簧之后得到有效衰減，尤其是在中高頻區(qū)域，當施加隨機軌道激勵譜時，高頻成分的激勵將會有效衰減。增加鋼簧橡膠墊車輛的構(gòu)架垂向振動加速度在15～20 Hz段改善83.7%～90.8%。低頻區(qū)域，由于橡膠剛度小，阻尼大，導致串聯(lián)鋼簧后隔振性能略差。

圖2 構(gòu)架處垂向振動加速度對比

(2)有橡膠墊車輛的一系鋼彈簧中高頻受力有明顯改善(見圖3)，構(gòu)架垂向振動加速度在中高頻有明顯衰減。

圖3 軸箱彈簧受力對比

(3)有橡膠墊車輛在中頻范圍具有更好的舒適性，抗傾覆性略優(yōu)于無橡膠墊車輛。

(4)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等指標影響不大，有橡膠墊結(jié)構(gòu)性能指標略高于無橡膠墊車輛，但是均在標準規(guī)定的限度內(nèi)。

2 緩沖橡膠墊結(jié)構(gòu)試驗驗證

為進一步驗證設置緩沖橡膠墊對軸箱彈簧受力及動力學性能的影響，對有無緩沖橡膠墊結(jié)構(gòu)的車輛進行了專項對比線路試驗(見圖4)。根據(jù)仿真計算結(jié)果，主要測試項點為車輛平穩(wěn)性、構(gòu)架橫向穩(wěn)定性、軸箱至構(gòu)架振動傳遞、軸箱至鋼簧振動傳遞。

圖4 試驗準備

試驗選取有軸箱彈簧緩沖橡膠墊車輛(以下簡稱“加墊車”)和無軸箱彈簧緩沖橡膠墊車輛(以下簡稱“不加墊車”)各1輛。試驗前檢查兩車技術狀態(tài)良好，車輪最大徑向跳動量加墊車(約為0.460 6 mm)大于不加墊車(約為0.398 2 mm)。試驗測試了軸箱、構(gòu)架和車體的加速度及鋼簧應變，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)從平穩(wěn)性、構(gòu)架橫向穩(wěn)定性、振動傳遞及抗沖擊特性幾個方面來對比分析緩沖墊緩沖效果，測試結(jié)果如下：

(1)平穩(wěn)性。取枕梁加速度，依據(jù)GB 5599—1985標準計算平穩(wěn)性，成都至廣州區(qū)間兩試驗車全程平穩(wěn)性指標均小于2.5，平穩(wěn)性曲線如圖5所示。

圖5 平穩(wěn)性曲線

(2)構(gòu)架橫向穩(wěn)定性。取構(gòu)架端部橫向加速度，對其3～9 Hz帶通濾波，不加墊車穩(wěn)定性較加墊車略差，主要是由于車輪跳動等車輛狀態(tài)差異導致。

(3)軸箱至構(gòu)架振動傳遞。取軸箱和構(gòu)架垂向加速度，截取某典型區(qū)段數(shù)據(jù)(見圖6)，從時域及頻域角度對比軸箱到構(gòu)架振動傳遞情況。從時域信號來看加墊車軸箱振動總體大于不加墊車，但加墊車構(gòu)架端部振動總體小于不加墊車，故加墊車較不加墊車軸箱振動傳遞至構(gòu)架衰減更多。

圖6 軸箱和構(gòu)架加速度全程時域圖

(4)軸箱至鋼簧振動傳遞。截取典型區(qū)段的軸箱垂向加速度和鋼簧應力，求取不同濾波范圍下的均方根值。統(tǒng)計不同濾波范圍下鋼簧應力均方根值/軸箱加速度均方根值，得出在1～300 Hz頻率范圍內(nèi)單位軸箱力下的鋼簧變形量，加墊車比不加墊車小33%。

3 總結(jié)

仿真分析和試驗驗證結(jié)果均表明，轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧下設置緩沖橡膠墊可有效衰減軸箱高頻振動，并降低軸箱彈簧高頻狀態(tài)下的受力，對動力學性能影響較小。該型轉(zhuǎn)向架在控制彈簧制造質(zhì)量和增加緩沖墊結(jié)構(gòu)后，經(jīng)過約4年的運用考核，未發(fā)生軸箱彈簧批量折損故障，該問題得以徹底解決?！?/p>