上海轨道交通9号线列车空气弹簧国产化试验探索

摘要：根据9 号线车辆原型进口空气弹簧的技术规范，研制了国产Φ500空气弹簧。通过对空气弹簧系统、辅助弹簧进行的各项试验，证明各类性能指标均能满足技术要求。Φ500空气弹簧在装车考核中，实际运营正常，Sperling指标均为优，UIC513舒适度指标均为良好。返厂检测结果显示，各项指标变化率均在合理范围内。表明该型国产弹簧已达到替代原型空气弹簧的要求，同时可作为其它车型空气弹簧国产化探索的经验借鉴。

关键词：空气弹簧;国产化;性能测试

空气弹簧系统因为高度可控、隔振性能优越、变形能力强、阻尼可调、隔音降噪等诸多优点，可有效应对地铁车辆载荷变化大、变形要求高、稳定性和舒适性高的需求，成为了地铁车辆转向架二系悬挂的首选[1，2]。早期国内大部分空气弹簧市场为外国供应商占据，随着城市轨道交通的发展，采用进口空气弹簧的弊端开始显现：采购价格高、供货周期长、售后服务不完善，造成运维成本高、列车扣修时间长、检修效率低等问题[3]。

近年来由于运维经验的积累、计算机辅助设计技术、主动控制系统的升级以及新材料、新结构的开发，国产空气弹簧产品日臻成熟，各家地铁公司纷纷加大了国产化的替代力度[4～8]。目前上海地铁全网车辆保有量已近6000辆，进口空气弹簧占比较高。因此加强空气弹簧国产化，对降低成本，提升检修效率具有重要意义。上海地铁9 号线一期列车原型空气弹簧均为德国进口，本文主要介绍国产替代弹簧的结构设计、型式试验、装车试验等，通过各项性能指标的对比，探索国产化可行性，也为其他车型进口空气弹簧的替代提供借鉴经验。

1     空气弹簧结构

国产Φ500空气弹簧属于螺钉紧固密封式空气弹簧系列，主要由气囊、辅助弹簧、压板、磨耗板、上盖板等组成。如图1 所示，气囊和辅助弹簧串联工作，用于保持恒定的车体高度。在规定的负载条件下，通过这两个部件的缓冲，可提高旅客的乘坐舒适度。正常情况（充气状态）下，辅助弹簧有助于气囊适应车体和转向架之间的旋转。紧急情况下，辅助弹簧承担车体重量。

为保证与原型弹簧的互换性，Φ500空气弹簧的橡胶材料、金属件和外形结构、接口尺寸均与原产品保持一致。借助有限元辅助分析计算，证明各项性能参数均与原型产品保持高度相近，并符合技术规范要求。

2     Φ500空气弹簧的主要试验

为了验证Φ500空气弹簧各项实际性能指标，分别对空气弹簧系统和辅助弹簧开展型式试验，并将结果数据与原型产品进行比对。其中耐压试验、系统疲劳试验、蠕变试验分别在水爆压力试验机、扭摆试验机和蠕变试验机上进行;辅助弹簧垂向静、动刚度试验分别在电子拉伸试验机和动刚度试验机上进行;其他试验在空气弹簧二维试验机上完成。

2.1  空气弹簧系统试验

（1）气密性试验

在设计高度（248mm）下，将一组空气弹簧充内压至7bar±0.2bar，关闭气源，静止保持5 分钟后记录气压降;另一组则在关闭气源后，以1Hz频率，沿水平方向以±20mm振幅循环5 分钟，测量水平循环后的气压降。

（2）内压与载荷试验

将空气弹簧在设计高度下充内压，当空气弹簧垂向载荷为：57.5KN（AW0-空载）、103.1KN（AW2-满载）、121.1KN（AW3-超载），将空气内压值列于表2，均满足技术规范。

（3）     垂向刚度试验

在设计高度下，分别充气加载至121.1KN、103.1KN、57.5KN，以0.075Hz的频率，沿垂向施加±10mm振幅。通过载荷位移曲线，计算得出刚度值。试验结果符合技术规范。

（4）     横向刚度试验

在设计高度下，垂向加载至121.1KN、103.1KN、57.5KN，以低于0.01Hz的频率，沿横向施加±10mm振幅，循环4 次，取最后一次计算刚度值。改变振幅为±100mm重复上述试验。测量数据均满足技术要求。

（5）     剪切力矩试验

剪切末端力矩是当空气弹簧发生剪切时，在空气弹簧系统顶部与底部产生的力矩。顶部与底部产生的力矩不一定相等。设计末端力矩试验是为了显示弹簧剪切至77mm的位移时顶部与底部力矩的比率。

对试验传感器进行力矩试验标定后，在设计高度下分别在模拟AW0、AW2、AW3工况载荷，以小于5mm/s的速度，20mm为步长加载至100mm，每 20mm记录一次水平载荷与垂向载荷。通过计算得到三种载荷的剪切力矩比率在0.650～0.85范围内，符合技术要求0.7±0.2。

（6）耐压试验

将新空气弹簧系统在设计高度下充不低于20bar水压，在此状态下保持5 分钟。将疲劳试验后的空气弹簧系统充入16bar水压，保持5 分钟如图2。

结果显示新样品充21.5bar水压后，无破坏，满足疲劳前水压大于20bar的要求;完成疲劳试验的样品充16bar水压后，无破坏，满足疲劳后水压大于16bar的要求。

（7）     扭轉疲劳试验

在充气设计高度下，以载荷98.3KN，水平偏置25mm，振幅±42mm，频率0.7～1Hz，进行600000周次的疲劳试验。试验结束后，重复重复刚度试验，并测量内压直径和动态蠕变量。

图3 为被测样品，疲劳试验后无裂纹，轻微磨损，满足技术要求。表5 所示刚度变化率、内径和直径变化量、动态蠕变量等疲劳前后的性能变化均满足技术要求。

2.2  辅助弹簧试验（1）垂向刚度试验

辅助弹簧以60mm/min的加载速度，垂向从0 加载至163.8KN，再卸载至0KN。记录滞回曲线，取滞回曲线中的上升曲线，列垂向静刚度数据于表6。

垂向从0KN加载到57.5KN。以1Hz频率沿垂向方向施加±5mm振幅，循环4 次，取最后一次计算动刚度值。垂向加载103.1KN和121.1KN，重复试验。表7 为垂向动静刚度比数据，结果证明符合技术要求。

（2）   横向刚度试验

垂向从0KN加载到57.5KN。以0.01Hz频率沿横向方向施加0～5mm振幅，循环3 次，取最后一次计算刚度值。记录载荷位移曲线，同时计算得出刚度值。垂向加载103.1KN，重复试验;垂向加载121.1KN，重复试验。结果显示三种载荷下的横向刚度分别为6.70N/mm、13.5N/mm和16.0N/mm，均符合要求。

（3）   辅助弹簧蠕变试验

将样品安装在蠕变试验机上，试验温度23℃，垂向施加静态载荷98.3KN，记录240小时内的蠕变数据，并绘制蠕变预测曲线于图4。试验完成后，重复辅助弹簧刚度试验。

根据曲线可得装车48h后至10年的蠕变量为1.6mm，满足技术规范≤3mm。此外蠕变试验前后，在三种工况下的刚度变化率分别为0.98%、0.68%和-3.49%，满足需求。

（4）   辅助弹簧垂向疲劳试验

以121.1KN载荷，以1Hz频率，变载±18KN，循环600000周次;变载±37KN，循环300000周次。疲劳试验完成后，重复刚度试验和高度测量。

结果表明辅助弹簧经过900000次疲劳试验后，状态良好，没有撕裂，裂纹，橡胶没有从金属脱落。刚度变化率和高度变化均在技术要求范围内。

（5）   辅助弹簧垂向碰撞试验

以121.1KN载荷，1Hz频率，动载±18KN，循环600000周次;进行碰撞试验。辅助弹簧经过600000次碰撞破坏试验后，状态良好，没有撕裂，裂纹，橡胶没有从金属脱落。压板和辅助弹簧的紧固螺钉没有松动现象。

（6）   橡胶堆老化试验

橡胶堆在温度为23±2℃下保持至少24小时，然后根据ISO188规定在70℃条件下老化14天。老化之后，橡胶堆置于环境温度下24小时后，进行垂向刚度试验。在57.5KN、103.1KN和121.1KN载荷作用下，老化前后刚度变化率分别为2.3%、1.8%、1.9%，均不超过技术要求的20%。

（7）   垂向破坏性试验

将样品安装在二维试验机上，垂向加载（压缩）在锥形簧芯轴上直到样品破坏，记录载荷变形曲线。结果证明金属与橡胶粘合强度是合格的。

3     装车考验

在装车第一周、6个月后及试验结束前一周，均任选一天按GB5599～85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》和UIC513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》进行列车动力学试验。在装车运营期间定时进行气密性、限界干涉、表面状态、工作状态、无气高度等进行检查。试验期满将装车弹簧返厂检测，对比各项指标变化率。

（1）   动力学试验

在AW0（空车）工况下，选取同列车相邻车辆分别安装国产化空气弹簧和进口原型弹簧，被测车辆的一、二系弹簧、减震器状态均正常，踏面磨耗量状态相当。对上海地铁9 号线车辆进行平稳性线路测试。测试结果表明：在实际运行图速度范围内，两辆车的Sperling平稳性均为优级，UIC513舒适度指标均为良好。

（2）   返厂检测试验

装车运营1 年，国产化弹簧无裂纹、磨损，胶囊帘线层无露出及辅助弹簧无脱胶、倾斜，橡胶无裂纹、鼓包等外观问题，各项维护关键数据正常。返厂检测的结果显示：运行前后国产空气弹簧气密性状态良好，外径满足技术要求≤350mm的指标;载荷内压变化率、垂向刚度变化率、横向刚度变化率分别在2%、2%、5%以内;辅助弹簧蠕变量在1mm左右，刚度变化率在5%以内，均满足技术要求。该空气弹簧通过了运营考验。

4     结论

（1）   上海地铁9 号线车辆国产空气弹簧系统和辅助弹簧的各项型式试验数据与原型产品相近，均能满足技术要求。动力學试验评定Sperling平稳性为优级，UIC513舒适度指标均为良好。

（2）   国产空气弹簧通过实际运营考核，达到预期设计目标，可进行扩大化或推广应用。

参考文献：

[1]   李威，张陆军，王刚.北京机场线车辆国产化空气弹簧的研发与应用[J].现代城市轨道交通，2017（02）：1～4+8.

[2]   万宇.直线电机车辆空气弹簧国产化研究[J].轨道交通装备与技术，2016（01）：28～31.

[3]   宋红光，姚小强，孔军，于磊，李雪冰.城市轨道交通车辆用空气弹簧的国产化与发展趋势[J].城市轨道交通研究，2012，15（09）：130～133.

[4]   景小锋，陈绍基，张亮.广州地铁3 号线列车空气弹簧载荷内压偏低问题分析与改进[J].机车电传动，2019（05）：121～124.

[5]   刘万强，李雪冰，董磊，王国栋，张晓鹏.广州地铁用空气弹簧的研制[J].铁道车辆，2018，56（10）：28～31+5.

[6]   张广世.上海地铁转向架空气弹簧试验研究[J].铁道车辆，2000（S1）：81～83+1.

[7]   毕东云，林彬，荣强.1号线空气弹簧国产化可行性分析[J].科技风，2015（24）：112.

[8]   杜连超.地铁车辆空气弹簧性能检测装置的设计及验证[J].山东工业技术，2016（03）：232.

作者简介：

顾培忠（1973-）汉，上海，本科，工程师，研究方向：轨道交通.