B23转向架平台的轴箱弹簧国产化研究

周 勇 柳禄泱 程海涛 荣继刚

(1.中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京; 2.株洲时代新材料科技股份有限公司，412007，株洲∥第一作者，工程师)



B23转向架平台的轴箱弹簧国产化研究

周 勇1柳禄泱2程海涛2荣继刚2

(1.中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京; 2.株洲时代新材料科技股份有限公司，412007，株洲∥第一作者，工程师)

以B23转向架平台轴箱弹簧国产化为契机,对轴箱弹簧原始技术要求关键性能进行分析和比对,完成了轴箱弹簧的国产化工作。通过研究,对轴箱弹簧的特性有了更深入的了解,为保障车辆的安全运行提供数据支持。

车辆; 转向架; 轴箱弹簧 弹性元件

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

B23转向架平台是中车南京浦镇车辆有限公司从法国Alstom公司引进、改进并获得自主知识产权的转向架平台,广泛应用于苏州地铁、杭州地铁、伊朗地铁和无锡地铁等项目,是一种典型的B型车用转向架平台,其市场拥有量大。

B23转向架平台在引进时进行了一些关键部件的国产化,但一系悬挂的关键部件轴箱弹簧一直使用进口件,随着国内橡胶弹性元件技术的快速发展,轴箱弹簧技术已经达到国际水平,具备了轴箱弹簧国产化的条件。轴箱弹簧国产化可降低制造成本,提高竞争力,同时提供更快捷、更专业以及更全面的售后服务。

1 关键技术分析及目标

1.1 装配方式

轴箱弹簧安装在轴箱与构架之间,其上部与构架相连,下部与轴箱装配在一起(如图1所示)。为实现产品的互换性,在国产化时必须保证与构架和轴箱的尺寸与进口件一致,最大外形轮廓尺寸应满足装配要求,不能出现与周围零部件干涉的现象。

图1 轴箱弹簧安装示意图

1.2 产品关键特性

轴箱弹簧在垂直方向可提供支撑、衰减振动,在水平方向可传递轮对导向力和提供柔性变形能力,提高车辆通过曲线的能力,并能降低轮轨磨耗。轴箱弹簧的关键性能分析见表1。

表1 轴箱弹簧的关键性能分析

1.3 国产化目标

B23转向架平台的轴箱弹簧国产化产品的关键性能应与进口件一致,其他性能也要满足技术规范要求。国产产品应完成产品型式试验验证并通过装车运行考核。

1.4 主要性能参数

国产产品主要运行载荷参数如表2所示。

表2 轴箱弹簧载荷参数

2 方案设计

2.1 技术输入情况

2.1.1 尺寸要求

如图2所示,轴箱弹簧通过A、D部位与构架相连,通过B与轴箱相连。因构架安装空间限制,C、E、F部位外形尺寸最大。保证产品安装后不会干涉。只有满足尺寸要求，轴箱弹簧才能满足互换性要求。

对接锁合组件的锁合原理如图5所示，主要是通过卡榫上的片簧棘爪一体式结构与钻进机构导轮支架内的圆柱孔进行锁合。

图2 轴箱弹簧尺寸

2.1.2 性能要求

作为一系悬挂的关键产品,轴箱弹簧的各项性能要求多且严格。其性能要求如表3所示。

2.2 轴箱弹簧产品设计方案

采用名义应变等理论对橡胶层进行分析,保证每层橡胶的应变相等,以追求每层橡胶具有同祥的使用寿命。

通过数学模型进行计算和同类结构对比,采用的结构如图3所示。

表3 轴箱弹簧技术要求

2.3 有限元分析校核

按照轴箱弹簧的实际运行情况对该结构进行有限元模拟,采用Mooney-Rivlin本构模型对橡胶材料进行模拟,并对产品三向刚度和极限载荷下金属应力进行分析,以验证结构的可行性和材料的选择。

2.3.1 有限元分析

对产品结构三向刚度和材料的应力应变进行有限元分析(见表4)。垂向采用1.3倍AW3载荷,水平方向采用纵向特殊载荷,验证金属的应力。分析得到金属应力如图4、5 所示。

2.3.2 材料选择

根据计算结果、产品情况和类似的应用经验,选用轴箱弹簧的金属材料如表5所示。材料的许用应力基本为产品最大应力的2倍以上,完全可以满足产品的使用要求。

3 国产产品试验设计及验证分析

为了验证国产产品是否能够满足输入和使用要求,根据行业标准TB/T 2843和EN 13913来设计国产产品性能检测方法,并通过对比试验来验证产品的性能是否满足客户技术规范要求，并分析国产件(TMT产品)与进口件的差异。

图3 轴箱弹簧产品结构设计图

图4 垂向极限载荷下橡胶变形情况

图5 横向极限载荷下橡胶变形情况

项点垂向刚度/(kN/mm)剪切刚度/(kN/mm)垂向极限荷载下最大应力/MPa剪切极限荷载下最大应力/MPa要求值0.65×(1±15%)5.6×(1±15%)计算值0.685.8101.5136.6

表5 材料选择表

3.1 粘结性能

非破坏性粘结检测：对TMT产品施加垂向拉伸载荷,产品拉伸60 mm后保持载荷作用60 s,并在拉伸状态下观察产品。要求无任何粘接缺陷。

破坏性粘结检测：对TMT产品施加垂向拉伸载荷,直至产品被破坏为止，同时检查橡胶产品金属面上的附胶率。附胶率要求为85%以上。

非破坏性粘结检测结果显示：TMT产品外观质量良好,曲线光滑无褶皱,橡胶无裂纹出现,如图6所示。

破坏性粘结检测中结果显示：TMT产品破坏为橡胶层破坏,金属件附胶率为100%,没有存在粘合面撕裂情况,说明产品粘合质量好。

由于金属和橡胶硫化的产品,在拉伸力作用下容易出现金属界面剥离现象,所以在批量生产中一般选择非破坏性粘结检测。破坏性粘结试验只在确定工艺和材料或结构进行变更时验证。

图6 非破坏性粘附试验曲线

如果粘结试验曲线不光滑或存在褶皱,表示存在金属粘合面粘合不牢或者橡胶损伤,需要做进一步的分析。

轴箱弹簧在使用过程中一般受压缩载荷,只有在极其偶然的情况下才会受到拉伸。因此,只要产品粘合质量良好,在整个寿命周期内不会出现开胶等缺陷。

3.2 垂向静态刚度试验

对轴箱弹簧施加垂向的荷载Fz，并以100 mm/min的压缩速度连续加载3个循环,加载范围为0～39.1 kN,记录第3个循环曲线并计算16～24 kN和23.0～35.1 kN下的刚度值。要求16～24 kN之间的刚度值为0.65(1±15%)kN/mm。

轴箱弹簧垂向静态刚度试验结果见表6，曲线比较图见图7。

表6 轴箱弹簧垂向刚度试验要求及结果

图7 轴箱弹簧垂向静态刚度试验曲线比较

从试验结果看,垂向刚度都能满足原始技术规范要求;从曲线上看,产品的曲线形态一致。这表明TMT轴箱弹簧不论从结构上还是材料的选择上都达到进口件水平。另外,TMT产品加载和卸载线形成的包络曲线的面积小,说明TMT产品的滞后特性小,在车辆运行过程中动静刚度比小,舒适性更高。

3.3 压缩高试验

压缩高性能主要指产品在一定的载荷下产品被压缩后的高度,即产品自由高减去一定载荷下产品的变形值,是产品的关键参数之一,与车辆安装后的高度直接相关只有产品压缩高轴箱弹簧稳定,才能保证车辆的安全运行。

完成垂向刚度试验后立即开始压缩高试验。首先，垂向加载由0到39.1 kN；然后，卸载到16 kN并保持载荷15 s；最后，测量产品在空车载荷16 kN下的高度。规范要求高度为154±0.5 mm,如果产品没在该范围内,可通过添加垫片进行调整。垫片厚度不超过3 mm。

轴箱弹簧压缩高试验结果见表7，压缩高曲线比较图见图8。

表7 轴箱弹簧压缩高试验要求及结果

图8 轴箱弹簧压缩高试验曲线比较

通过试验对比,发现，TMT产品与进口件都能够很好地满足原始技术规范要求,能够满足车辆的装车高度,并都能控制在±0.5 mm的误差之内,能够稳定地控制装车的高度。

3.4 水平刚度试验

分别施加不同的垂向载荷(20 kN、29.5 kN和39.5 kN)并保持载荷不变,然后施加水平载荷使产品以15 mm/min的速度水平移动±6 mm,连续3个循环,并取第3个循环曲线计算±6 mm处的点对点刚度。规范要求20 kN下的横向刚度为5.60×(1±15%)kN/mm。试验结果见表8，相应的试验曲线见图9、图10。

从试验结果看,进口件的水平刚度略低于要求值。对轴箱弹簧来说,空载下的水平刚度是关键。

表8 轴箱弹簧水平刚度试验要求及结果

图9 20 kN垂向荷载作用下2种产品的横向刚度试验比较曲线

图10 不同垂向预载下进口件与TMT产品的水平刚度值比较

这是因为空车载荷下,水平刚度小会导致车辆的水平稳定性差；随着载荷的增加,根据轴箱弹簧的特点,水平刚度会逐渐增加；但水平刚度增加太快,在满载时又会给轮对的磨损带来不利影响。从图10看,TMT产品,在空车载荷下满足原始规范的要求,但随着垂向刚度的增加,水平刚度增加较进口件平缓。可见,在水平刚度方面,TMT产品比进口件优良。

3.5 蠕变试验

对产品施加20 kN垂向载荷并保持载荷7 d,施载期间记录产品的高度变化量,每2 h记录一次产品高度变化量。根据EN 13913标准第7.3.2.3条,计算1 h和24 h之间的蠕变h1。如后续24 h内的蠕变值小于h1的10%,则认为蠕变稳定,可停止试验。如7 d还未稳定,则继续试验直至稳定。蠕变试验结果见表9,蠕变试验曲线见图11。

表9 轴箱弹簧蠕变试验结果

图11 轴箱弹簧试验室蠕变试验曲线

从试验结果看,TMT轴箱弹簧蠕变量不到进口件的一半。试验室蠕变能直接反应出装车后静调时产品高度变化。根据产品运行经验,一般进口件寿命周期内蠕变量为总挠度的20%左右,约11 mm；TMT产品在寿命周期内的蠕变为总挠度的15%左右,约8 mm。按照技术规范要求,进口件蠕变量将会大于寿命周期内的8 mm的要求。

3.6 疲劳试验

橡胶件的疲劳试验到目前为止没有统一的判定标准可以执行。高分子材料具有的各项异性的特点,不能像金属材料一样对材料取样进行疲劳验证;因此,在本次国产化中,采用与进口样品对比的方式,按照EN 13913标准推荐的方法,进行1 000万次的疲劳试验,以检查产品外观和刚度变化率。疲劳试验具体工况见表10。

表10 橡胶件的疲劳试验工况

试验要求第1万次疲劳后的垂向、径向刚度变化率不超过15%,橡胶表面无破损等缺陷。疲劳试验结果见表11,垂向刚度随疲劳次数变化趋势见图12，压缩高随疲劳次数变化趋势见图13。可见，当疲劳试验次数达1 000万次后，TMT产品垂向刚度减小5.26%,压缩高减小2.5 mm;进口件垂向刚度减小12.90% 压缩高减小4.16 mm。

表11 橡胶件的疲劳试验结果

图12 轴箱弹簧垂向刚度随疲劳试验次数变化趋势

图13 轴箱弹簧压缩高随疲劳试验次数变化趋势

疲劳试验后对产品外观进行检查,二者无裂纹、开胶等情况出现,但进口件橡胶面出现略有发粘现象。从垂向刚度和压缩高变化趋势看,进口件刚度下降明显。综合来看，TMT产品在疲劳方面不但满足原始技术规范要求,而且优于进口件。

4 国产轴箱弹簧调试和运行监测

完成型式试验后,产品装车通过静调和动调试验及正线调试,并在调试过程及后续的运行过程中对轴箱吊钩间隙进行测量。吊钩间隙变化可反映出轴箱弹簧的蠕变情况。目前,还没有标准方法对轴箱弹簧整个使用寿命的蠕变进行试验和判定,轴箱弹簧的蠕变只有通过从现场测量获取数据来确认。在现场测量时,为了消除因轨道的不平整、车辆抱闸没有松开以及抗侧滚扭杆载荷无法完全释放带来的影响,故对每个转向架的蠕变数据平均计算。对3个转向架在不同阶段所测的蠕变数据统计结果如表12所示。

表12 现场蠕变量跟踪结果 mm

根据蠕变的特点,一般蠕变的2/3发生在运行的前6个月,按此推测,国产轴箱弹簧的蠕变能够满足原始技术规范要求。

5 结语

随着国内橡胶行业的高速发展,国内轨道交通行业弹性元件由依赖进口逐渐开始国产化来解决主机厂和地铁公司面临的维护成本高、售后不及时以及交付周期长的缺点。特别是轴箱弹簧等关键部件,国内已经在一些新造车上大批量使用并运行,现取得了良好的效果,拥有了丰富的经验。

通过上述国产轴箱弹簧关键性能与进口件的对比试验,国产轴箱弹簧整体上达到国际水平,部分性能已经领先于国际水平。目前，国产轴箱弹簧已经运行1年左右,产品使用良好。B23转向架平台轴箱弹簧的国产化为以后轴箱弹簧等关键部件进行国产化积累了丰富的经验,也可为同行在其他弹性元件实现国产化提供参考。

[1] 刘建勋,卜继玲.轨道车辆转向架橡胶弹性元件应用技术[M].北京:中国铁道出版社,2012.

[2] 龚积球,龚震震,赵熙雍.橡胶件的工程设计及应用[M].上海:上海交通大学出版社,2003.

[3] 卜继玲,黄友剑.轨道车辆橡胶弹性元件设计计算方法[M].北京:中国铁道出版社,2010.

[4] 林孔勇,金晟娟,梁星宇.橡胶工业手册 第六分册[M].北京:化学工业出版社,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)