地鐵車輛國產減振器的研制和試驗

2010-07-05 06:49:16周成棟程祖國

城市軌道交通研究 2010年11期

沈豪周成棟程祖國

(1.上海軌道交通維護保障中心車輛分公司,200233,上海;2.無錫宏利減震器有限公司,214045,無錫;3.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,200333,上海∥第一作者,工程師)

減振器作為地鐵車輛懸掛系統中重要的減震元件,起到了減小車輛振動、緩和輪軌作用力、提高車輛運行平穩性及舒適性的作用。由于上海軌道交通引進了國外多種車輛技術,減振器也存在多種不同品牌與結構類型,給其采購及維修的周期、成本等帶來一定的難度。減振器設計的主要要素是減振器的安裝角度、環境溫度、最小長度、最大長度、行程、阻尼特性、安裝長度、端部連接結構、轉角及安裝尺寸等主要參數,滿足了以上要素也就匹配了車輛的使用要求。而減振器的內部結構主要是決定于阻尼特性以及使用壽命。故只要阻尼特性與要求相匹配,安裝條件相符合,不同車型的轉向架完全可以使用同一內部結構的減振器。這為開發研制內部結構一致、性能滿足各車型的國產化減振器提供了條件。

1 上海軌道交通現有減振器概況

根據上海軌道交通現有不同的車輛品牌,相對應的減振器也有三種不同品牌,即KONI、SACHS及DISPEN。這三種不同減振器的內部結構均不相同。KONI及SACHS減振器主要使用在Siemens及Bombardier列車轉向架上,而DISPEN減振器主要運用在Alstom列車的轉向架上。由于各轉向架本身結構具有差異,懸掛方式不同,一系位置采用鋼彈簧的Alstom列車的轉向架,其一系豎向減振器失效較多。為研制出內部結構相同的國產減振器,必須對現有的各型號的減振器性能參數(見表1)進行研究,以求研制出的國產減振器能滿足列車原有的減震要求。

表1 上海軌道交通各型號軌道車輛油壓減振器技術參數一覽表

2 國產減振器的研制

2.1 設計方案及原理

本項目研制的油壓減振器由阻尼系統、密封系統、防塵系統等組成,通過聯接系統與轉向架及車體聯接。減振器結構及阻尼系統的設計在借鑒了KONI、SACHS及DISPEN特點的基礎上,為達到減振器內部結構相同的目標,對其內部結構進行了優化。采用單向循環原理,無論是拉伸還是壓縮,油液均向同一方向流動。即油液始終從工作缸上腔→阻尼調節閥→節流管→儲油缸→底閥→工作缸下腔作循環流動。拉伸時,減振器油液經過阻尼調節閥和節流管產生阻尼;壓縮時也是如此。為了適應各種型號減振器的不同阻尼特性和安裝尺寸要求,對用于調節阻尼特性的調節彈簧,以及用于適應安裝尺寸的連接軸、壓力缸、儲油缸等部件略做改動。國產減振器的結構見圖1。

圖1 國產減振器結構及原理

2.2 樣機的制造

國產減振器的研制與試驗按TB/T1491—2004《機車車輛油壓減振器技術條件》及TB/T2229—2004《機車車輛油壓減振器試驗臺技術條件》的標準嚴格實施。

2.2.1 筒體焊接工藝

經過對各種焊接工藝方法的篩選,對焊接工藝參數、焊接輔助材料的大量試驗后,筒體焊接選用二氧化碳氣體保護焊,并對焊接加工進行了嚴格的規定以保證焊接件的可靠性。焊接工藝通過中德合作哈爾濱焊接技術培訓中心的評定,獲得EN 288—3歐洲標準的合格證書;焊接人員獲得EN 1418(ISO 14732)歐洲標準的合格證書。

焊接后的國產筒體與進口筒體用60 t萬能拉力試驗機進行了強度對比試驗。試驗結果表明,國產筒體的強度優于進口件(見表2)。

2.2.2 油封形式

油封形式的研制從構成油封的材料及結構進行考慮。本項目中,油封采用優良耐油性的材料,其乙烯及異構型鏈賦于油封優良的耐熱性、耐候性和化學穩定性,并提高了橡膠彈性。該橡膠材料通過了拉伸試驗、壓縮永久變形試驗、熱空氣老化試驗、浸漬試驗及低溫脆性試驗的性能測試。

表2 減振器強度對比表

油封結構采用板式結構,并對密封結構進行優化,增加了第二密封唇的設計,將油的密封由單唇變為雙唇,使唇部徑向力增大,增加了密封的可靠性;此外,油封結構還采用了外徑靜密封設計,解決了油封長期使用中外徑滲漏油的難題。

油封的樣件研制后,進行了1 200萬次的臺架壽命考核試驗。試驗完拆卸后,油封唇口完好,仍具有良好的密封可靠性。

2.2.3 活塞桿加工

活塞桿的加工質量及其磨耗也是造成減振器油液泄漏的原因之一,而影響活塞桿耐磨性的因素主要有表面粗糙度及表面的鍍鉻質量。

為確保活塞桿的表面粗糙度滿足設計要求,鍍鉻前后采用UB砂輪、鍍鉻后采用PVA拋光輪四聯組拋光,使活塞桿表面的粗糙度能夠穩定控制在Ra 0.1以內。

為了確保活塞桿表面的耐磨性能,達到延長活塞桿使用壽命的效果,采用了微裂紋鍍鉻工藝。鉻層厚度為25μm以上,硬度可達到HV1100。

2.2.4 減振器油的選擇

減振器油的性能直接影響到減振器的減震效果。在對進口減振器油研究分析后,通過將40℃與100℃條件下運用黏度、黏度指數、抗泡沫性、酸值、凝點及閃點等技術指標進行對比,最終選擇了國產T253A減振器油作為國產減振器使用的減振器油。

國產減振器的樣件在制作完成以后,采用減振器性能測試臺(見圖2)對其性能與進口減振器做了對比測試。結果表明(見表3),國產減振器與進口減振器的各方面技術參數基本一致。

圖2 減振器性能測試臺

3 國產減振器的試驗

國產減振器樣品研制后,為驗證其性能確實滿足地鐵列車使用的要求,進行了臺架耐久性試驗、裝車考核試驗以及列車平穩性試驗。

3.1 耐久性試驗

各型號減振器均進行了耐久性試驗考核。橫向減振器在頻率為2 Hz、振幅為±5 mm的試驗條件下連續工作500萬次,未出現漏油和部件失效現象;阻力系數和示功圖正常,未產生明顯變化。豎向減振器在頻率為2 Hz、振幅為±5 mm的試驗條件下連續工作500萬次,在頻率為 10 Hz、振幅為±2 mm的試驗條件下連續工作600萬次,均未出現漏油和部件失效現象;阻力系數和示功圖正常,未產生明顯變化。耐久性試驗前后的測試對比情況見表4。

3.2 裝車考核試驗

減振器通過耐久性試驗后,即開始裝車試運行。裝車考核期間,在上海軌道交通1號線、2號線及3號線列車的1節車上安裝了國產減振器,裝車試運行期為10萬km。在裝車試運行期內檢查減振器筒體和防塵罩之間的間隙內是否有減振器油滲漏,減振器端部連接部位及其與減振器殼體連接部位有無裂紋。經過10萬km運行考核后,所有國產減振器均未發生異常。

表3 國產系列化減振器與進口減振器性能對比表

表4 國產系列化減振器耐久性試驗前后性能一覽表

3.3 列車平穩性試驗

為對比分析減振器對車輛平穩性能的影響,在裝車試運行期間對自主研制的國產減振器和進口減振器在上海軌道交通車輛上進行了車輛平穩性能試驗研究。

整個試驗根據GB 5599—85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》進行。采用荷蘭進口的KISSLOR傳感器,量程2g。測試系統為上海鐵路局研發的車輛平穩性指標儀。試驗采用同一車輛、同一運行時間(相當與同樣載荷)、同一儀器、同一人員、同一標準進行,從而使自主研制的國產減振器與進口減振器對車輛平穩性能影響的數據具有可比性。

安裝自主研制的國產減振器與進口減振器的車輛橫向平穩性能見表5與表6(注:平穩性指標小于1.8的次數未列入表中)。由表5與表6可見,使用10萬km后的國產減振器,車輛橫向平穩性與安裝進口減振器相同;新的國產減振器的車輛橫向平穩性與已安裝的舊進口減振器也相同,且減振器在新、舊狀態下的車輛平穩性指標相同,車輛平穩性能穩定、優良。