SYS系列腰带式气囊空气弹簧的发展

张广泉 刘万强 仉素君 张华 宋红光

摘 要：本文论述了四方所与各主机厂合作开发的腰带式空气弹簧，总结了其结构特性和性能参数。通过合理的结构设计，腰带式气囊空气弹簧除了高承载力限界小的特点，也可达到与传统气囊相當的性能。

关键词：腰带;气囊;空气弹簧

1.前言

空气弹簧在轨道车辆上的运用越来越广泛，中车青岛四方车辆研究所有限公司（简称四方所）自60年代起，就致力于空气弹簧的研究，郭荣生[1]论述了四方所2000年前开发的自由膜式空气弹簧，气囊的结构均为自由膜式。孔军[2]总结了90年代四方所空气弹簧的应用情况，并探讨了空气弹簧发展过程中需注意的问题。近年来，随着车辆整体结构的紧凑化设计趋势，对空气弹簧的限界要求也越来越严格，腰带式气囊因为其高承载能力以及限界小的优势逐渐被车辆制造商采用。本文针对四方所近年来开发的腰带式气囊空气弹簧结构特点进行论述，并列出了各种空气弹簧的性能参数，通过总结发现，可以通过合理设计腰带式气囊空气弹簧，使其达到优异的产品性能。

自2008年以来，四方所分别为印度铁路、广州地铁、电子工程设计院、昆士兰新一代铁路、西班牙泰尔戈公司等设计了腰带式气囊空气弹簧，可以满足不同使用环境的要求。

2.腰带式气囊空气弹簧的特点

2008年，四方所为印度铁路设计了SYS640X空气弹簧[3]，其主要特点是：（1）空气弹簧重载下承载能力达到180kN，以满足印度铁路出现的超载现象;（2）为了满足工作高度较低的要求，设计了平板辅助弹簧，其可以提供较大的横向变形。（3）为了满足印度铁道部关于金属件防腐特性的需求，金属件采用铸造工艺，通过控制不同元素的含量满足防腐要求。（4）在气囊的开发过程中，通过优化设计和工艺，显著提高了气囊的耐磨性能，同时解决了腰带的裂纹问题。

2010年，四方所参与广州地铁四五六号线空气弹簧国产化项目，其主要特点是：（1）空气弹簧横向变位能力40mm，为此设计了气囊弧长较短的腰带式气囊;（2）根据无气状态下垂向刚度的要求，设计了锥形辅助弹簧;（3）为尽量降低产品重量，产品在结构上进行了优化，在满足强度的基础上，上盖橡胶堆等金属件使用了铝合金材质代替钢材;（4）相比于原型产品，SYS450X空簧在结构上进行了简化，取消了平板辅助弹簧结构，这不仅降低了成本，也方便了产品检修[4]。产品通过了动力学试验和多年运用考验验证，鉴于其优异性能，现已成为四方所主型产品。

2011年，四方所为电子工程设计院设计了用于微振试验台的SYS800X空气弹簧，其主要特点是气囊和辅助弹簧的尺寸较大，因为气囊有效直径达到800mm，成型和硫化工艺是生产过程中的难点;同时，辅助弹簧采用平板辅助弹簧，辅助弹簧的硫化高度达到280mm。另外，由于气囊尺寸大，导致气囊的横向刚度很大，上盖的边缘并未设计包角，这样可以适当减小横向刚度。

2014年，四方所与阿尔斯通合作开发了PP平台SYS400X空气弹簧，其主要特点是：（1）有效直径小，横向大位移要求高达120mm，需要气囊和辅助弹簧同时具有很强的变位能力;（2）根据最大外径和有效承载能力的要求，四方所设计了腰带式气囊串联平板辅助弹簧的结构型式。气囊上下子口间距离（Hn）超过110mm，这样可以保证气囊有更强的横向变位能力。（3）气囊上子口通过设计一种紧密式扣环，使得子口与扣环间贴合的更好，解决了疲劳试验中出现的配合松动问题。（4）该空气弹簧的空气间隙（E）值设计为70mm，而且没有设计摩擦块，这是因为当车辆下沉到一定程度，将由旁承与车体提前接触并摩擦。

2014年，庞巴迪公司与四方所合作开发用于昆士兰新一代铁路SYS530X空气弹簧，产品采用腰带式气囊与半沙漏辅助弹簧串联的型式。其主要特点是：（1）设计了半沙漏超级非线性辅助弹簧，该辅助弹簧既可以满足空载下刚度特性要求，又可以满足空载、重载下变形小的要求。（2）空气弹簧系统的E、B值设计十分新颖，通常B值在辅助弹簧芯轴与支承座间，而该空气弹簧的B值设计在芯轴与车体间，该结构可以保证车辆在使用中（增加高度调整垫后）E+B=恒定值。

2016年，西班牙泰尔戈公司委托四方所开发用于哈萨克斯坦的耐低温空气弹簧，包括SYS480X和SYS600X两种型号，其主要特点是：（1）设计了垂向刚度和水平刚度都较小的辅助弹簧，由于辅助弹簧的横向变位能力较强，使得在低温试验条件以及疲劳运用后，气囊和上盖之间仍能保证良好的密封性能。（2）辅助弹簧胶料采用-50℃的配方设计，可以满足使用环境的要求。

相比于传统气囊，腰带式气囊具有与生俱来的缺点，在传统工艺上增加了硫化腰带的工序，也增加了材料和工序成本。腰带式在性能上可以达到与传统气囊相当的性能，主要途径有以下几种：

（1）通过合理设计帘线角度和材料分布，以及合理设计上盖外部与气囊的接触尺寸，空气弹簧可以实现较小的横向刚度，例如，SYS400X空气弹簧可以达到很小的横向刚度特性;

（2）通过配合沙漏辅助弹簧或者平板辅助弹簧，可以适当弥补腰带式气囊因腰带使气囊有效弧长减小的劣势，最终使空气弹簧的横向变位能力显著增加，SYS530X和SYS400X空气弹簧的横向变位可达120mm;

（3）由于腰带式气囊腰带对气囊的约束作用，在充气状态下，可显著减小帘线的受力状态。以两种有效直径530mm的两种空气弹簧为例，SYS530X气囊帘线应力达到40-50MPa，而SYS530Y气囊（传统气囊）帘线应力达到了140-160MPa，由此可见，腰带式气囊可显著降低帘线的应力，在横向大位移条件下，这种差别更加明显。

3.结论

四方所SYS系列腰带式空气弹簧的发展，丰富了空气弹簧类型，使空气弹簧的设计开发水平有了进一步的提升。同时，空气弹簧科研工作者对腰带式气囊的性能参数掌握也越来越丰富，腰带式气囊的众多优异性能已经超出了人们的预期。笔者认为，在轨道车辆对空气弹簧限界趋于严格，以及主机厂对空气弹簧承载力要求提高的前景下，随着气囊制造商工艺水平的不断提高，腰带式气囊将具备更加广阔的市场。

参考文献：

[1]郭荣生.SYS系列空气弹簧的开发和应用[J].铁道车辆，1999，37（11）.

[2]孔军.空气弹簧在我国轨道车辆中的应用与发展[J].铁道车辆，2002，40（3）.

[3]杜尚等.空气弹簧横向大位移子口处密封性研究[J].铁道车辆，2010，48（3）.

[4]刘万强等.广州地铁用空气弹簧的研制[J].铁道车辆，2018，56（10）.

[5]腰带式空气弹簧载荷内压影响因素的研究[J].叶特，龙垚坤，陈清化，黄橙，程海涛. 铁道机车车辆.2017（04）

[6]空气弹簧有限元仿真方法的研究[J].何园，危银涛. 橡胶工业.2017（03）