动车组转向架空气弹簧气囊裂纹原因分析

陈 炜

(上海局集团公司常州机车车辆监造项目部 江苏 常州 213000)

1 问题的提出

空气弹簧作为高速动车组转向架的关键部件，其设计结构的安全性和可靠性对于提高动车运行的平稳性，保证旅客安全、舒适起着重要作用。前段时期，根据部分动车组运用部门反馈，装于CRH2型动车组转向架的部分空气弹簧在运营里程达到300万km～360万km时出现气囊流线型纵向裂纹，裂纹长度为60 mm～110 mm，超出空气弹簧《检修供货技术条件》规定的检修限度(长度不大于50 mm)要求，深度均未超出1.5 mm的检修限度(深度不大于1.5 mm)要求。对出现气囊裂纹超限的空气弹簧进行外观检查，裂纹位置均位于气囊制造商商标记号的180°方向(见图1)，裂纹方向呈纵向流线型(见图2)。根据气囊制造过程中的工艺结构特点，此处为气囊外层橡胶的搭接处。

图1 气囊外层橡胶搭接处裂纹

图2 气囊外层橡胶纵向裂纹

2 工艺调查与结构分析

针对上述裂纹，空气弹簧气囊制造商按照工艺制造流程分别对气囊的原材料采购、称重混炼、橡胶压延、裁剪(内、外层橡胶，帘布层)、成形、硫化过程、精加工等工序从材料批次、数量、尺寸控制、温度控制、压力控制、物理性能检测、交叠宽度及外观等方面进行了FTA调查。其中对涉及到的工序作业记录、作业员的作业能力都进行了检查，没有发现有造成影响气囊质量的潜在风险。装于CRH2型动车组的该型号空气弹簧是单曲囊式空气弹簧，如图3所示。

该型空气弹簧主要部件包括：上盖板、胶囊、支座、橡胶堆、与转向架构架相接的底座。其中，胶囊的上子口通过压嵌工装嵌于上盖板带有锥度的外筒径面上，胶囊的下子口安装于支座带有锥度的颈部，支座通过螺栓紧固在橡胶堆上，形成相对封闭的气室(气囊内腔)并利用空气的可压缩性来缓和振动和冲击的部件。通过空气弹簧载荷量对气囊内部(封闭气室)的有效空间调节空气量，可以调节空气弹簧的高度并保证空气弹簧的刚性承载力及阻尼功能特性，从而起到整个空气弹簧系统的隔振效果。由于气囊作为空气弹簧的核心部件对空气弹簧的特性起到至关重要的作用，因此必须对空气弹簧运用维护中出现的上述气囊裂纹问题进行准确的性质判定。

图3 空气弹簧结构图

空气弹簧气囊结构组成如图4所示，主要由内层橡胶、帘线层、外层橡胶和成型钢丝圈硫化而成。空气弹簧所受载荷主要由帘线层承受，因此帘线层的性能对空气弹簧的强度、刚度和耐久性等起主要作用。气囊的制造成形采用的是气囊外层橡胶搭接结构工艺，内层橡胶、帘线层(二层)和外层橡胶共四层材料胶交汇重叠处会存在一定长度的搭接。外层橡胶覆盖于帘线层外侧，在与新造气囊橡胶浮刻标识圆周方向180°处进行重叠搭接，搭接处的外层橡胶粘接后使用滚轮工装压实，如图5所示。

1—钢丝圈；2—帘线层；3—外层橡胶；4—内层橡胶。图4 气囊结构组成

外层橡胶硫化完成后，由于搭接处存在2层橡胶，此处会略厚于外层橡胶本体(见图6)。当空气弹簧组装完成并处于充气状态时，由于气压作用会使帘线层恢复平整状态，致使外层橡胶在搭接处略微突起，如图7所示。

图5 外层橡胶搭接

图6 外层橡胶硫化

图7 外层橡胶搭接处充气后状态

3 空气弹簧气囊裂纹原因分析

根据空气弹簧气囊外层橡胶搭接结构及工艺说明，并结合出现问题的空气弹簧运营里程均为300万km～360万km的特点，分析了气囊产生裂纹的原因。

(1)当空气弹簧组装完成后，气囊直线段弯曲形成组装后的外形，根据应力分布云图可知此气囊弯曲段为主要受力区域(见图8)。其中线圈圈出部位为气囊弯曲度最大部位，在气囊处于充气状态时该部位为受力最大部位，也是裂纹易发生部位。通过对气囊的应力分析(FEM分析)结果显示，气囊下侧的弯曲部受力较大的部位与实际的裂纹发生部位保持一致。

图8 气囊裂纹处应力分布云图

(2)空气弹簧气囊外层橡胶在重叠搭接时，由于采用辊压工艺导致此处外层橡胶即使紧密贴合也不能如整体橡胶那样融合为一体。在气囊充气定型时，部分搭接处外层橡胶被拉开，导致硫化时此处外层橡胶融合不良，随着运行里程、年限增加，气囊弯曲段搭接处融合不良的外层橡胶在应力作用下被逐步拉开，导致出现裂纹。

(3)通过对一组裂纹气囊进行割断检查：从裂纹和其他几个部位将气囊切断，观察切断部位横截面(共10处)，如图9所示，除该裂纹部位之外，其他各部均未发现裂纹现象。该裂纹呈倾斜状向内延伸，与外层橡胶的橡胶重叠部在位置上匹配。气囊表面发现了臭氧裂化现象。在所发现有裂纹的空气弹簧中，大多是在安装空气弹簧时有安装错位现象，气囊外层橡胶重叠部被安装在了转向架的前后方向，导致该部位相对而言更容易受到臭氧、光照等环境原因加速其劣化。

图9 割断位置图

综上所述，在气囊表层橡胶拉伸变形较大部位的裂纹逐渐扩大，同时受外界环境(臭氧、日照)影响从而形成一条较长的裂纹。

4 裂纹空气弹簧的试验验证

为了进一步验证这种流线状裂纹是否会对空气弹簧运用特性及安全可靠性造成影响，制造商对现车空气弹簧进行了补充试验。抽取气囊外层橡胶出现裂纹(裂纹长度均为110 mm，运营里程345万km)的CRH2E型动车组2套空气弹簧(编号为081515、081160)，并分别将其气囊裂纹处割断至露出帘布层后进行热老化试验、疲劳试验、疲劳试验后的特性试验以及气囊胶囊试验。

(1)对空气弹簧进行热老化处理(80deg.C×33hrs/模拟相当于55万km的老化)。

(2)对2组空气弹簧分别进行垂向疲劳试验和横向疲劳试验，反复次数相当于55万km，具体项点如表1所示。疲劳试验中的气囊裂纹状态如图10所示，裂纹没有延伸。

表1 疲劳试验项目

图10 裂纹状态

(3)对2组经疲劳试验后的空气弹簧再分别进行气密性试验、耐压试验、容许的位移试验、垂向静态刚度试验、横向动态刚度试验以及特殊耐压(破坏)试验，判定是否满足其特性要求[1](见表2)。疲劳后的空气弹簧特性试验，气囊裂纹状态如图11所示，裂纹没有延伸。

(4)为了进一步验证裂纹气囊在老化和疲劳试验后物理特性和强度是否变差，从进行过破坏试验的气囊上取样，数量3个，按照国家标准的要求对气囊胶料耐油性能、耐磨耗性能及气囊帘布层间黏结强度分别进行试验[2](见表3)。

表2 疲劳后空气弹簧特性试验项目

图11 气囊裂纹状态

表3 气囊胶囊试验项目

以上各项检测和试验结果均为合格。在实施了相当于运行 400 万km的热老化以及疲劳试验后没有发生任何异常，因此认为该流线型裂纹对空气弹簧的特性与安全可靠性不构成影响。另外，空气弹簧气囊的寿命期为360万km，检修规程规定到期限必须更换，因此在运用300万km出现的气囊裂纹在其寿命期内能完全保证其安全可靠。

5 应对措施

基于以上工艺分析及试验验证，制定了如下应对措施：(1)对动车组转向架空气弹簧检修技术条件的运规限度进行优化，针对气囊产生裂纹的部位对裂纹方向、长度及深度进行界定；(2)空气弹簧制造商应在产品上标识安装方位，空气弹簧用户按照标识进行安装，建议将空气弹簧气囊搭接部位安装在转向架内侧，避免受臭氧、日照影响，减少外界环境对气囊搭接部位的损伤。上述措施在保证空气弹簧安全性、可靠性的前提下优化了动车组空气弹簧运用维修限度，实际应用中效果良好。