无摇枕转向架用空气弹簧扭转疲劳试验标准分析

程海涛,王 进,陈灿辉,刘建勋

(株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

空气弹簧是无摇枕转向架的重要组成部分,车辆通过曲线时,车体转向架之间有明显的相对扭转运动,空气弹簧承受扭转运动位移,包括大的径向位移和扭转角位移。扭转运动是空气弹簧疲劳破坏的主要工况,空气弹簧在装车运用前,需要根据实际运营情况,进行扭转疲劳试验验证。不同国家和地区关于扭转疲劳试验的试验方法差别较小,但试验条件和判断准则差别较大,重点对试验条件和判断准则进行讨论。

1 扭转疲劳试验方法

扭转疲劳试验时,模拟空气弹簧在现车上的安装情况把其放置于试验台上,与上盖接触的试验台面积应不小于现车接触面积,二者摩擦系数尽量模拟现车情况;固定上盖或底板,使底板或上盖能够相对运动,上盖相对底板的横向偏移量可调,以模拟车辆通过曲线时车体与转向架之间的横向偏移;能够随时向空气弹簧充气或充水以补充内部压力。

对空气弹簧水平加载,使其绕固定轴线产生循环往复运动,以模拟车辆在曲线轨道上运行时,空气弹簧在车体与转向架之间的相对运动,试验原理见图1。

2 扭转疲劳试验条件

空气弹簧标准中国 TB/T 2841—2005、欧洲 EN 13597—2003和日本JIS E 4206—1989都有关于上述试验方法的描述。

TB/T 2841标准中关于扭转疲劳试验的描述为:将空气弹簧保持在标准高度,充入0.5 MPa的气压后,在转动半径为1 m的转臂带动下,以振幅±80 mm,频率0.5～1 Hz,在水平方向进行5×104次扭转振动;然后将其压力降为0.45MPa,继续扭转振动5×104次;再充至0.5 MPa的气压,并使空气弹簧上端(或下端)沿径向偏离中心50 mm,在转动半径为1 m的转臂带动下,以振幅±80 mm,频率0.5～1 Hz,在水平方向进行5×104次扭转振动;再将其压力降为0.45 MPa,继续扭转振动5×104次。

图1 空气弹簧扭转疲劳试验原理

EN 13597—2003标准中关于扭转疲劳试验的描述为:空气弹簧在标准高度,以转动半径为Lb的转臂带动下,振幅为a,载荷为空载,在水平方向进行至少5×104次扭转振动;然后将其载荷降到空载的90%,继续扭转振动至少 5×104次;再充至载荷为空载,并使空气弹簧上端(或下端)沿径向偏离中心横向最大位移,转动半径和振幅不变,在水平方向进行至少5×104次扭转振动;然后将其载荷降到空载的90%,继续扭转振动至少5×104次。

空气弹簧往复运动的振幅按照式(1)计算:

式中LB为车辆定距的一半,m;Lb为空气弹簧中心到转向架中心销或牵引拉杆中心的距离,m为线路曲线半径,根据技术规范要求确定,如果技术规范没有明确要求,取150 m。

JIS E 4206—1989标准关于扭转疲劳试验的描述为:在0.5～1.5 Hz的任一频率下,水平常用最大位移作2×105次的水平振动。垂直和水平振动可同时进行。试验中,空气弹簧的平均内压力不应小于常用最高内压力。

可以看出不同标准的试验条件有较大差异,见表1。

表1 不同标准扭转疲劳试验条件

上述试验条件中,疲劳试验振幅、扭转半径和试验次数是较为关键的参数。可以看出,TB/T 2841和JIS E 4206标准的试验振幅采用固定幅值,振幅分别为±80 mm和±70 mm,扭转半径分别为1.0 m和0.95 m,疲劳试验次数均为20万次。而EN 13597则根据车辆结构不同而变化振幅和扭转半径,20万次是其最少的疲劳试验次数。

3 试验振幅

扭转疲劳试验振幅对空气弹簧的破坏性较大,主要模拟车辆通过曲线时车体与转向架之间纵向相对位移,其与车辆定距、空气弹簧横向跨距、线路曲线半径直接相关,如式(1)所示。

对于不同的车辆,定距和横向跨距不会完全相同,即使运行线路完全相同,通过曲线时产生的车体与转向架之间纵向相对位移也会有差异。表2为国内铁路干线主型车通过R150 m曲线时,车体与转向架之间纵向相对位移对比。可以看出,即使通过相同半径的曲线,不同车型的位移有明显的差值,最大与最小相差达到19 mm。

因此,TB/T 2841和JIS E 4206标准的试验振幅采用固定幅值是不合理的,这样对于有的空气弹簧试验条件可能过于苛刻,而对于另外的空气弹簧,试验条件则可能较为宽松,达不到充分考验疲劳性能的目的。建议按照EN 13597—2003标准,采取按照公式(1)的变振幅方式,不同的车辆选用不同的试验幅值,关于曲线半径,建议按照我国铁路干线9号道岔的R180 m。

4 扭转半径

扭转半径主要是模拟车辆通过曲线时,空气弹簧到转向架中心的水平距离,一般为空气弹簧横向跨距的一半。由表2可以看出,不同的车型,其空气弹簧横向跨距不同。如果采用固定的扭转半径,则对于横向跨距大的车型,疲劳试验扭转角度大,对于横向跨距小的车型,疲劳试验扭转角度也小,也不能达到模拟实际运行条件的目的。

建议按照EN 13597—2003标准,采用空气弹簧到转向架中心的水平距离作为扭转半径。

表2 铁路干线主型车通过小曲线半径时车体转向架之间纵向位移

5 扭转疲劳试验次数

扭转疲劳试验主要模拟车辆通过曲线和道岔时的工作状态,疲劳试验次数应该依据车辆实际运行时经过的曲线和道岔数量,这样才能证明空气弹簧基本能够达到期望的寿命。

既有25型车按照TB/T 2841—2005中的20万次进行疲劳试验,但约50%的空气弹簧气囊运用过程中出现了裂纹,不能满足技术要求。说明TB/T 2841—2005中的20万次不足以考核空气弹簧的耐疲劳性能,因此应增加疲劳试验循环次数。

我国干线铁路车辆年运行里程为40万～70万km,空气弹簧寿命要求为6～10年,使用期限内运行总里程为240万～480万km。

按照车辆每天运行里程1 500 km,每年运行300天,6年运用时间计算。结合我国线路谱情况,曲线占总运行里程的30%～40%,假设车辆每运行100 km停靠一个车站,每个车站进站和出站大约经过6个道岔,仅考虑半径在R800 m以内的曲线和小于18#道岔,按照R800 m以内的曲线个数占所有曲线的65%,小于18#的道岔占所有道岔的90%考虑,则车辆每天经过R800 m以内的曲线和小于18#道岔的总数约为576个,6年使用期限内,空气弹簧承受的总扭转循环次数为104万次。国内铁路干线用空气弹簧扭转次数载荷谱计算见表3。

表3中的空气弹簧总静态径向位移按照定距18 m,横向跨距2 m,曲线半径R180 m,转向架横向位移35 mm计算。

表3 国内铁路干线用空气弹簧扭转次数载荷谱计算

如果按照表3中的循环次数和总径向位移进行扭转疲劳试验,则试验时间较长,且要变换不同的试验振幅,试验调整难度大,参照CRH系列动车组和国外主机厂试验条件,建议对循环次数和位移进行等效,循环次数取60万次,振幅按照公式(1)计算。表4为国外主机厂对于无摇枕转向架扭转疲劳试验条件要求及合格判断准则示例。

6 疲劳试验结束后的验证

疲劳试验结束后的产品,仍然要保持其功能特性。TB/T 2841—2005,JIS E 4206—1989标准疲劳试验结束后的功能验证仅包括气密性检验,EN 13597中没有关于辅助弹簧疲劳试验结束后的功能验证。建议参照EN 13597—2003标准增加空气弹簧疲劳试验后的最大外形测试、承载能力测试、刚度测试、爆破试验、气囊耐环境能力和帘布层间粘合强度测试,增加辅助弹簧垂向疲劳后的刚度测试,只有上述结果均符合技术规范要求和相关标准要求时,才能证明空气弹簧扭转疲劳试验合格。

7 结论及建议

国内空气弹簧标准应当吸取既有空气弹簧标准中合理的内容,结合中国轨道车辆运行情况和运行条件,重新制定。

由于国内既有空气弹簧标准已不适应轨道车辆的运行需要,很多测试项没有验证依据和试验方法,建议尽快修订既有空气弹簧标准,以满足不同轨道车辆的运营需要。在修订时把握标准的广泛适用性和先进性,采纳既有国内外标准的合理内容,结合我国线路和车辆运营情况,满足我国轨道车辆对二系悬挂系统的需要。

[1] TB/T2841—2005.铁道车辆空气弹簧[S].

[2] EN 13597—2003.铁道车辆用橡胶悬挂部件——空气弹簧胶囊[S].

[3] JIS E 4206—1989.铁道车辆用弹簧装置[S].