城市轻轨车用二系沙漏型橡胶弹簧研究

冯万盛，孙海燕，柳禄泱

（中国南车集团 株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

欧洲许多城市采用轻轨车作为城区公共交通工具，具有环保、便捷、乘坐舒适的特点。但是城市运行的轨道线路具有曲线多且半径小、频繁起动和制动的特点，同时为方便残疾乘客的上下车，需要采用低地板设计，转向架一般结构紧凑、质量小、二系弹簧垂向、横向、纵向3向变形大，沙漏型橡胶弹簧（以下简称沙漏簧）符合3个方向变形要求，但存在稳定性差、制造难度大、三向刚度匹配难的问题。本文对存在的问题进行研究分析，以满足低地板车辆对二系悬挂系统的要求。

1 轻轨车二系弹簧的型式、功能及弹簧结构特征

欧洲现有的轻轨车转向架二系弹簧的型式主要包括：空气弹簧、钢弹簧和沙漏簧3种型式。

1.1 空气弹簧

空气弹簧是在柔性密闭容器中充入压力空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的二系悬挂部件，具有承载力强、高度稳定、变形能力大，垂向刚度随载荷变化而线性变化的特点，但由于结构复杂、安装空间大，给车体和转向架设计带来一些难度，尤其轻轨车辆和低地板车辆空间紧凑，采用空气弹簧不仅设计困难，还要增加气体管道、高度控制阀、差压阀等部件，降低了系统可靠性。见图1。

1.2 钢弹簧

其整个二系悬挂由4个钢弹簧系统组成，每个钢弹簧系统包括1个外钢弹簧、1个内钢弹簧、钢弹簧橡胶垫、橡胶垂向止挡，上下钢弹簧支座，见图2，该类型二系悬挂结构复杂、成本高、质量较大，达40kg以上、横向位移小，最大位移仅为20mm，不适应车辆的实际运行。

图1 二系空气弹簧系统

1.3 沙漏型橡胶弹簧

为了改进空气弹簧和钢弹簧的上述缺点，部分轻轨车已经采用沙漏簧代替空气弹簧和钢弹簧结构，作为转向架的二系悬挂系统，见图3。

沙漏簧具有以下优点：

垂向变形大，最大变形可达90～110mm；

水平位移大，最大水平位移可达到40～100mm；

图3 二系沙漏簧

质量轻，结构简单。

在水平平面内，具有相当于转盘的功能，允许转向架相对于车体偏转相当大的角度，使车辆顺利通过小半径曲线。

沙漏簧的这些优点，既适应了欧洲城市轨道车辆全方位提高走行品质的需要，又简化了转向架的结构，减轻了转向架的自重。

2 沙漏簧的结构

2.1 沙漏簧的结构特点

根据沙漏簧的安装位置及使用功能，既需要有较小的垂向和横向刚度又能实现较大的垂向和横向变形，设计的沙漏簧外形轮廓见图4，采用上安装板、下安装板与沙漏式橡胶硫化体组装而成的二系弹簧：其中橡胶硫化体由中间支撑金属组件、上下金属板和橡胶硫化粘结而成，橡胶硫化体形状成中间直径小，两端直径大的沙漏式结构，两端成喇叭型，中间支撑金属组件起到给弹簧加强的作用；上下安装板起弹簧与车辆及转向架的连接作用，同时还可起到垂向硬止挡功能，限制车辆的垂向极限位移。

图4 沙漏簧的结构

2.2 沙漏簧的轻量化设计

城市轻轨车均要求降低车辆的质量，降低制造和运行成本，实现节能环保。沙漏簧的金属部件可以采用钢材或铝材，采用钢材的弹簧质量为22.5kg，采用铝材的弹簧质量为15kg。根据弹簧的载荷情况，利用有限元的计算（见图5），确定铝材在承受极限载荷和疲劳载荷情况下，材料强度能够满足使用要求，计算的结果见表1。

图5 沙漏簧的有限元强度分析

表1 铝板屈服强度

2.3 沙漏簧的稳定性设计

在对弹簧的初始样品进行试验时，发现弹簧在变形到70mm后出现了不稳定的现象，表现在弹簧随着变形的增加，载荷没有呈现线性的增加，见图6，通过有限元分析，发现在弹簧的橡胶内锥自由面发生橡胶褶皱现象（见图7），从而使得弹簧出现垂向不稳定。分析自由面的褶皱，认为内锥孔的结构尺寸设计不合理，原始设计采用的两段不同角度（分别是60°和20°）的直线组成，两段直线相交处在弹簧受载时造成橡胶应力过大，当载荷继续增大，应力超过临界值后，橡胶出现褶皱，应力急剧释放，弹簧出现不稳定。

图6 垂向变形不稳定曲线

根据弹簧出现不稳定现象的原因分析，对内锥孔的结构尺寸进行了优化设计，采用了一段圆弧线与一段直线相切的结构设计，避免了两端相交的应力集中现象（见图8），对优化设计后的结构进行垂向及横向有限元模拟分析（见图9），橡胶受载后产生均匀变形，没有出现褶皱现象。通过试验得到的垂向刚度曲线，证明弹簧承受的载荷随着变形的增加而增大（见图10），该曲线特点能够很好的满足弹簧装车后，车辆在不同乘客量时的性能需求。

图7 橡胶褶皱图

图8 弹簧结构优化设计

图9 优化结构垂向和横向有限元分析

3 沙漏簧的主要性能

3.1 沙漏簧的垂向特性

沙漏簧的主要性能测试项目是垂向刚度，按载荷速度不同分为静态刚度、动态刚度和冲击刚度。对于沙漏簧的使用寿命，还有强度、耐疲劳性能、蠕变和低温性能要求。

当载荷缓慢地加于沙漏簧上，其变形速度大约是≤50mm／min，载荷为车辆运行时的极限载荷，所测得的载荷与变形的关系称之为静刚度，以Ks表示，见图10。

图10 弹簧试验垂向静刚度曲线

沙漏簧在以空车载荷为平衡载荷FT，在以一定振幅和一定频率交变载荷作用下，测得的振动刚度作为动刚度，以Kd表示，见图11。

通过试验，沙漏簧动刚度与静刚度的关系如下：

在测试弹簧的动态参数时，应使组成的弹性系统尽可能地接近单自由度振动系统。也就是平衡载荷的质量中心、动态载荷的作用力线与弹簧的受载方向的刚度中心线尽可能一致，并且试验场地、试验机架牢固坚实。

图11 弹簧动态垂向刚度曲线

3.2 沙漏簧的横向特性

由于城市轻轨车运行线路弯道半径小的特点，在车辆通过线路弯道时车辆将产生较大的横向位移。当沙漏簧的横向刚度较大时，车辆将产生较大的横向载荷，从而增加轮缘与轮轨的磨耗；当沙漏簧的横向刚度较小时，将降低车辆的横向稳定性，因此为保证车辆良好的曲线性能，需要二系沙漏簧有很好的横向特性。图12为沙漏簧在垂向施加恒定空车载荷，横向施加不同位移量得到的载荷—变形曲线。从曲线上看出，小变形曲线包络于大变形曲线中间，因此横向刚度的大小是随横向变形量的大小成反比。

图12 沙漏簧横向载荷—变形曲线

3.3 沙漏簧的使用寿命

由于城轨车载客量及线路的原因，对二系簧要求的垂向和横向位移量均较大，为确保沙漏簧在使用寿命期内能承受大的垂向和横向疲劳变形，需要对沙漏簧进行疲劳验证，以确保沙漏簧的设计寿命达到8年或65万km。在对沙漏簧的研究过程中，根据车型的载荷谱设计了沙漏簧垂向和横向疲劳方案如表2。

表2 沙漏簧的垂向和横向疲劳方案

通过对沙漏簧的垂向和横向各100万次的疲劳试验验证，沙漏簧外观良好，未出现橡胶裂纹和橡胶与金属剥离等缺陷，垂向刚度变化率为11.3%，横向刚度变化率为15.2%，沙漏簧疲劳试验后的状态见图13。

图13 疲劳试验后的沙漏簧

3.4 沙漏簧的主要技术参数（见表3）

表3 沙漏簧技术参数

4 沙漏簧的运用情况

图10为安装有沙漏簧的用于英国Blackpool城市FLEXITY2型轻轨车，沙漏簧从2009年开始安装于该车型转向架，目前约有500件弹簧在线运行，通过2年的运行，沙漏簧的蠕变量约为5mm，其他各项性能良好。

5 沙漏簧的应用前景

5.1 沙漏簧的技术应用

沙漏簧主要是用于代替城市轻轨车转向架中的空气弹簧和钢弹簧的二系悬挂型式。与钢弹簧的二系悬挂结构相比，沙漏簧的技术优势有：

图14 沙漏簧的运用情况

技术性能更优化，钢弹簧垂向刚度曲线为线性直线，沙漏簧垂向刚度曲线可以实现非线性，即在承受垂向小载荷时，垂向刚度较小，提高乘坐的舒适度，降低车辆脱轨的风险；在承受极限载荷时弹簧刚度将会增大，可减小车辆在超载状态下的车辆下沉量。如图10所示，在最大垂向动态载荷50kN作用下，沙漏簧与钢弹簧相比，减小车辆下沉量17mm。

结构更简单，通过比较图1、图2和图3空气弹簧、钢弹簧和沙漏簧3种不同型式的二系悬挂：空气弹簧有复杂的产品结构和车辆的气源及控制系统；钢弹簧二系悬挂由6个部件组成，安装复杂，沙漏簧二系悬挂由3个部件组成，安装简单。

沙漏簧质量更轻，采用橡胶与高强度铝合金粘结而成的沙漏簧比单个二系钢弹簧系统质量轻25kg，一个转向架可减轻质量100kg，而更轻的质量对城市轻轨车可以减少电机的功率，车辆更环保，装载更多的乘客，车辆运行的速度更高。

沙漏簧的可靠性更高，通过对沙漏簧的可靠性计算和试验，其失效概率为0.002 2FPMK，具有非常高的使用可靠性。

5.2 沙漏簧的市场前景

FLEXITY2型轻轨车广泛应用于欧洲20多个城市，共计约5 000个转向架，而且基于沙漏簧的技术优势，主机厂正计划采用沙漏簧取代其他型式的二系悬挂，因此沙漏簧在欧洲具有广阔的市场前景。

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