地铁车辆空气弹簧通用性能检测台机械结构设计

朱小娟 王建兵 郭慧明 方 宇

（1.上海轨道交通维护保障中心，200040，上海；2.上海工程技术大学城市轨道交通学院，201620，上海∥第一作者，教授级高级工程师）

目前上海地铁共有运营车辆2 000多辆，车型复杂，相应空气弹簧也有多种不同的形式，给上海地铁的车辆检修工作带来很大的困难。目前，上海地铁车辆维修部门对大部分空气弹簧的检修，采用目测的方式来判断空气弹簧气囊外表面是否有裂纹、外伤，无法从根本上判断空气弹簧是否满足继续使用的要求。而现有空气弹簧生产厂家所使用的试验台面向对象和功能单一，且价格昂贵，不适用于车辆维修部门对已经使用过的空气弹簧进行性能检测的需要［1］。因此，开发新型的适用于地铁车辆多种形式空气弹簧的通用型性能检测台具有十分重要的意义。此检测台的使用有望有效提高地铁车辆空气弹簧系统检修质量，在确保列车运营安全前提下，将大幅降低车辆维修成本。

本文主要介绍了该新型检测台的机械结构设计，其中包括同步链轮传动系统、通用型上下夹具、压力加载机构、下底座及空气弹簧附加气室等主要部件；并对压力加载横梁、下底座和滚珠丝杠等三大关键受力部件进行了有限元分析和强度校核。

1 新型检测台整体方案设计

该新型检测台由机械结构、数据采集系统和计算机控制系统三大部分组成。本文主要对机械结构部分的设计进行重点介绍。该新型检测台的空气弹簧压力加载性能按照上海地铁车辆的轴重进行设计。调研得知，上海地铁现有车辆最大满载载荷（AW3）工况不超过64t，轴重为16t，即单个空气弹簧承受最大压力负载为16t。从机械结构安全方面考虑，最终确定以最大可实现对空气弹簧进行20×9.8kN的加载力作为该检测台的关键设计指标之一。该检测台的设计目前尚属于单件产品设计，非大批量流水制造，因此对成本控制的要求相对较低；而且从检测台的特殊功用、可靠性和寿命等多方面综合考虑，在结构设计过程中普遍采取了适当放大设计余量的处理方法［1－3］。

该新型检测台可模拟上海地铁车辆在不同工况下空气弹簧的负载形式，从而实现以下检测功能：①试验台自诊断功能；②空气弹簧系统高度测量功能；③空气弹簧系统气密性检测功能；④空气弹簧系统垂向静刚度试验功能；⑤橡胶应急簧垂向静刚度试验。

通用型空气弹簧检测台除可对上海地铁车辆目前使用的4种空气弹簧进行性能检测以外，考虑到未来上海地铁的空气弹簧型号还可能增加，在设计过程中已经留出相应的接口以方便检测台功能的后续二次开发。

2 检测台机械结构设计

该检测台机械结构部分采用从整体到部分、从下到上逐层叠加的设计方法，主要包括同步链轮动力传动系统、通用型夹具、压力加载机构、下底座及空气弹簧附加气室等部件。从检测台使用现场的特殊空间环境考虑，该检测台的设计尺寸为1.6m×1.3m×2.2m，质量为1.9t；同时，在4根支撑脚底部还分别设计了4个高度可调式减振垫铁，以实现检测台在不同安装环境下的机体水平度调整。另外，从人机工程学方面考虑，将空气弹簧的安装平台高度设计为0.95 m，以方便检测人员的操作。空气弹簧通用检测台的整体结构如图1所示。

2.1 同步链轮动力传动系统设计

同步链轮动力传动系统位于检测台底架下方，通过螺钉固定在底框槽钢内侧。其中，直流伺服电机通过电机安装螺钉固定在电机安装板上，位于电机轴端的两个主动链轮通过精密滚子链条将扭矩分别传递至两个从动链轮。考虑到本检测台特殊的空间状况，该同步链条传动系统摈弃了传统的链条张紧轮机构，自主设计了特殊的链条张紧机构，可以通过旋转链条张紧调节螺钉来调节链条的松弛度，从而保证该同步传动机构的传动效率和精度。

图1 空气弹簧通用检测台整体结构图

2.2 通用型夹具设计

上海地铁车辆目前正在使用的空气弹簧主要有Φ500型、SYS500B 型、684N4.100P17型和7140 N10P11型4种不同型号。按照充气口位置分类，这4种空气弹簧可分为偏心充气式和中心充气式，如图2所示。由于这4种空气弹簧的外观尺寸、安装方式和充气方式均不相同，因此，为了实现同一检测台对4种不同空气弹簧进行测试这一功能，设计了一种通用型的空气弹簧夹具，如图3、图4所示。

图2 上海地铁车辆目前使用的4种空气弹簧

图3 通用型空气弹簧上夹具结构

图4 通用型空气弹簧下夹具结构

如图2所示，684N4.100P17型和7140N10 P11型两种偏心充气式空气弹簧的主要区别在于充气口距空气弹簧上盖板中心的距离和充气口的高度不相等。因此，针对这两点差异，分别为两种空气弹簧设计了不同方位和型号的充气座（如图3所示）。

Φ500型和SYS500B型两种中心充气式空气弹簧的充气口均位于空气弹簧上盖板中心，其主要区别在于充气口的外径和高度不同。因此，针对上述特点，分别为两种空气弹簧设计了不同尺寸的可更换式充气嘴（如图3所示）。检测人员可根据试验需求选择不同充气嘴，通过螺钉安装于SYS500B型、Φ500型空气弹簧通用充气座内。

考虑到高压充气软管接头的通用性问题，上夹具上3个充气座侧壁充气孔设计为相同尺寸，可实现同一充气管为不同空气弹簧进行充气。

如图4所示，空气弹簧通用型下夹具的独特设计可实现4种空气弹簧的正确安装和定位，其与通用型上夹具配合使用，可保证不同空气弹簧的检测工作顺利进行。

2.3 空气弹簧压力加载机构设计

空气弹簧压力加载机构主要由支撑导向立柱、滚珠丝杠副、压力加载横梁、直线滑轨、定位滑块等组成。该机构中，2根滚珠丝杠同步转动，带动压力加载横梁作垂向运动。浮动板与压力加载横梁通过螺栓连为一体，在横梁带动下沿4根支撑导向立柱上下浮动，浮动过程中主要对加载横梁起导向和支撑作用。横梁向下运动，当空气弹簧上夹具紧压空气弹簧上盖板时，实现对空气弹簧的压力加载。通过控制横梁的垂向位移和速度，可以实现对空气弹簧不同性能数据的检测。

2.4 下底座设计

下底座设计有6个安装孔，用来固定和安装4根机架支撑和2根滚珠丝杠。另外，下底座采用内部筋板纵横交叉的箱体设计，主要目的是承担压力加载过程中来自空气弹簧的反作用力。

2.5 空气弹簧附加气室设计

如图5所示，空气弹簧附加气室主要包括3个高压储风缸和输气管路、手动阀门等。其中，3个高压储风缸容积分别为25L、50L、75L（是根据上海地铁车辆常见的3种附加气室容积和耐压规格进行标准件选型设计的）。另外，每个储风缸设有独立的阀门，可以实现不同检测对象下相应储风缸的任意切换和多个储风缸的并联使用。

图5 空气弹簧附加空气室及其相关管路

3 检测台关键部件的有限元分析

该检测台的下底座、压力加载横梁和2根滚珠丝杠为主要受力部件。其中：下底座和压力加载横梁受力属于作用力与反作用力，均为20×9.8kN；2根滚珠丝杠承受轴向拉力，各100kN。为了保证检测台的设计安全，对下底座和压力加载横梁的应力和位移作了有限元分析，对滚珠丝杠进行了强度校核。

3.1 下底座有限元分析

下底座采用Q345B钢板焊接而成，其应力分析结果如图6所示，位移分析结果如图7所示。

图6 下底座应力分布云图

图7 下底座位移分布云图

由图6中应力分布云图可知，当下底座上表面承受20×9.8kN的正压力时，其最大应力为26.4 MPa。而Q345B钢板的屈服力为220.6MPa，所以下底座可以满足受力要求。

由图7中位移分布云图可知，当下底座上表面承受20×9.8kN的正压力时，其座体最大变形点位于上表面，位移量为0.04mm，属于微小变形，且不会影响检测台整体性能，所以下底座设计可以满足要求。

3.2 压力加载横梁有限元分析

压力加载横梁同样采用Q345B钢板焊接而成，应力分析结果如图8所示，位移分析结果如图9所示。

图8 压力加载横梁应力分布云图

图9 压力加载横梁位移分布云图

由图8中应力分布云图可知，当位于压力加载横梁底部中间位置的钢板承受20×9.8kN的正压力时，其横梁最大应力点出现在柱套与横梁的焊接部位，最大应力为26.4MPa；而Q345B钢板的屈服力为220.6MPa，所以横梁可以满足受力要求。

由图9中位移分布云图可知，当横梁承受20×9.8kN的正压力时，其梁体最大变形点位于底板中部；该点位移量为0.07mm，属于微小变形，不会影响检测台整体性能，所以压力加载横梁设计可以满足要求。

3.3 滚珠丝杠选型及校核

根据试验台的特殊结构及受力情况，对滚珠丝杠进行了选型和强度校核计算。按照机构轴向力20×9.8kN的设计要求以及滚珠丝杠的选型要求，初步选择了规格型号6310－5，其基本的额定静负荷为200.7kN。

由于滚珠丝杠特殊的运动情况，其校核内容按轴向许用拉应力、扭转许用切应力以及滚珠与丝杠的许用接触应力等进行校核。按40Cr材料进行校核计算，计算结果如下：

丝杠轴向作用下的正应力σ＝40.21MPa＜［σP］＝110MPa；

丝杆扭转作用下的切应力τmax＝8.2MPa＜［τP］＝66MPa；

滚珠与丝杠的接触应力σmax＝213.6MPa＜［σHP］＝550MPa。

综上所述，丝杠的轴向正应力、扭转切应力及接触应力均满足许用应力要求。

4 结语

通过设计一种特殊的通用型夹具和附加空气室系统，配合最大加载能力为20×9.8kN的压力加载机构，新型的地铁车辆空气弹簧通用性能检测台可以满足上海地铁车辆已有4种空气弹簧的可靠夹装和多项性能参数的检测需求。另外，对下底座、压力加载横梁和滚珠丝杠3个关键部件的有限元分析和强度校核结果表明，3个部件的强度、刚度数据全部符合设计要求，安全可靠。该新型空气弹簧通用检测台的研制可以有效提高地铁车辆空气弹簧的性能检测、日常维护、保养等工作的工作效率，大幅节约维修成本。

［1］方义，陈杰.青藏车用AM96型空气弹簧试验台的研制［J］.铁道车辆，2011，49（1）：32.

［2］赵云生，宋志强，王黎明.空气弹簧检修试验台［J］.铁道车辆，2000，34（4）：31.

［3］麻万春.空气弹簧试验台的研制［J］.民营科技，2008（4）：7.