EMU250轉向架一系懸掛試驗設計與研究

彭立群，林達文，成 博，張志強，吳興磊，王 進

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

EMU250轉向架一系懸掛試驗設計與研究

彭立群，林達文，成 博，張志強，吳興磊，王 進

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

對一系懸掛進行力學性能試驗是改善車輛動力學性能的重要手段。文章簡要分析了EMU250轉向架一系懸掛結構與原理，設計了一系懸掛組對滾動與滑動加載2種試驗方案，重點分析了滾動加載試驗方案，研究了一系懸掛垂向剛度和疲勞性能，結果表明一系懸掛垂向剛度呈正線性，疲勞次數對剛度影響較小，試驗設計達到了預期效果，研究成果對軌道車輛一系懸掛的研發和試驗起指導作用。

EMU250轉向架；一系懸掛；試驗研究

以200 km/h的CRH系列動車組開通為重要標志實施第6次鐵路提速以來，中國高速鐵路得到了迅速發展，動車組以高速、安全和舒適的優勢吸引了大量的中短途客源，速度250 km/h動車組（EMU250）是國產化研制的新型動車組，最高運營速度250 km/h。為改善車輛動力學性能，應某公司的要求，株洲時代新材料科技股份有限公司（TMT）針對EMU250轉向架一系懸掛部件進行了力學性能試驗，為改善車輛動力學性能提供重要理論依據。

調研發現，目前有關軌道車輛轉向架一系懸掛結構設計方面的研究很多，但從具體試驗角度對一系懸掛進行力學性能試驗的研究甚少，也沒有相應的試驗技術方案及裝置，為解決這一技術難題，本文簡要分析了EMU250轉向架一系懸掛的結構及原理，設計了一系懸掛組對滾動與滑動加載2種試驗方案，重點分析了滾動加載試驗方案，分析了垂向剛度線性相關性以及疲勞試驗前后剛度變化率，相應研究成果為軌道車輛轉向架一系懸掛的設計和試驗起指導作用。

1 EMU250一系懸掛結構

軌道車輛一系懸掛主要安裝于軸箱與構架之間，以輪對軸箱為固定的硬基礎，在構架的垂向、行車方向和橫向提供可靠的三向柔性定位支撐，緩和車輛行駛過程中輪對振動、沖擊對構架的影響，為二系懸掛提供柔性平穩平臺，保證車輛運行平穩舒適［1］，安裝位置見圖1。

轉向架一系懸掛按結構分為人字金屬橡膠彈簧結構、轉臂定位偏簧結構、轉臂定位頂簧結構3種［2］，EMU 250轉向架一系懸掛采用的是轉臂定位頂簧結構，如圖2所示。其中一系彈簧為單組雙圈螺旋鋼圓彈簧加內置止擋結構，減振裝置為油壓減振器，定位裝置為轉臂定位橡膠關節。該結構主要特點如下。

采用轉臂式定位實現不同橫縱向剛度和改善轉向架的橫向動力學性能，采用高撓一系鋼彈簧緩沖轉向架的垂向運動并滿足高速運行要求，采用高阻尼的油壓減振器衰減轉向架的垂向振動或側擺振動。

一系鋼彈簧軸箱中心頂置，油壓減振器與轉臂節點分設在軸箱兩側，使得一系彈簧和轉臂節點共同分擔垂向載荷。

一系彈簧軸箱中心頂置節約了安裝空間，提供了穩定的動靜剛度和較大的垂向撓度，橡膠止擋不僅能減振降噪、絕緣防電、而且能降低鋼彈簧動應力。

在一系鋼彈簧中心位置（軸箱與構架之間）設有橡膠止擋，吸收和緩沖車輛過載時的沖擊力，提高乘客舒適度。

一系鋼彈簧組通過鋼彈簧座和橡膠止擋的定位圈定位，內彈簧外彈簧左、右旋相間，互不接觸，并通過專用墊圈來調整高度，整個結構通過螺栓連接在構架上，這樣的設計便于拆解和裝配，也方便檢修作業［3］。

2 一系懸掛試驗簡述

目前軌道車輛轉向架一系懸掛還沒有試驗標準，具體試驗參照的標準主要有EN 13906－1、EN 13913－2003、TB/T 2211－2010、TB/T 2843－2010，相應技術條件中涉及兩種加載方式，分別是組對滾動加載和組對滑動加載2種方式，分別如圖3和圖4所示。

組對滾動加載：設計2個軸箱并行安裝為1組同時進行試驗，其中鋼彈簧組通過定位銷安裝于軸箱底部，橡膠止擋內置一系鋼彈簧組，轉臂節點橡膠關節壓裝于軸箱，通過錐形芯軸鎖緊固定于支撐座，模擬車軸放置于軸箱車軸中心位置，上置滾動滑臺。

組對滑動加載：安裝方式不變，在垂向加載時，設計半圓柱體代替車軸，通過球面摩擦來施加垂向載荷。

通過兩種方案的分析比較，本文采用組對滾動加載方式進行試驗。

3 垂向剛度試驗

3.1 試驗原理

按照車輛動力學理論，在縱垂平面內車輛主要發生浮沉和點頭運動［3］，據此得出了圖5所示的一系懸掛垂向剛度試驗原理。

轉向架的垂向載荷主要來自車輛軸重和載重工況，在垂向載荷作用下一系彈簧會產生壓縮變形，在遇到過載或沖擊載荷時，橡膠止擋會吸收沖擊力，同時發揮極限限位作用，轉臂節點在軸箱的帶動下進行扭轉運動。縱向載荷主要來自車輛運行過程中的牽引力和制動力，在縱向的作用下轉臂節點要承受徑向載荷、同時一系彈簧需承受一定的水平力并產生偏心位移。

縱向載荷對鋼彈簧組產生的偏心位移通過上置滑臺前后滾動消除，垂向載荷通過滑臺和模擬車軸施加整個系統進行試驗。

3.2 試驗裝置結構組成

整體方案采用模塊化“搭積木”的組合加載方式，試驗拆裝靈活方便、安裝空間、夾持尺寸可調，可滿足不同懸掛系統試驗要求。具體的非標準試驗裝置由懸掛機架、油缸、導向柱、滑臺、車軸、軸箱、底板、支座組成，分別如圖6和圖7所示，其中一系懸掛部件與工裝組成一個整體安裝于試驗機底部，滑臺導向座與機架導向橫梁連接，承載板與模擬車軸以滾動摩擦的方式接觸，通過內置滾棒施加垂向載荷，并通過前后滾動來消除偏心載荷，完成垂向剛度試驗［4］。

4 試驗驗證

以EMU250轉向架一系懸掛部件（包括軸箱、轉臂節點橡膠關節、鋼彈簧組、橡膠止擋、定位圓盤等）與試驗裝置進行組裝，在16通道組合加載試驗機上進行垂向剛度試驗，研究一系懸掛垂向變形與載荷剛度特性。

4.1 試驗方法

試驗內容包括垂向剛度試驗和垂向疲勞試驗兩部分，在疲勞試驗前、中、后均需進行垂向剛度試驗，研究疲勞次數對垂向剛度的影響。

（1）垂向剛度試驗

預加載：將一系懸掛安裝于試驗機中心位置，垂向以150 k N/min的加載速度施加設計載荷205 k N，連續加載3次，間隔3 min；正式加載：垂向以150 k N/min的加載速度施加設計載荷205 k N計算（70～205 k N）的區間剛度。

（2）疲勞試驗

垂向加載（140±64）k N，頻率1 Hz，循環加載26萬次。

疲勞試驗前及疲勞試驗過程中每隔13萬次進行1次剛度試驗。

4.2 試驗數據

試驗數據如表1所示。

4.3 數據分析及探討

（1）線性相關性

從表1和圖9得一系懸掛變形隨垂向載荷遞增，在整個加載過程中沒有出現拐點，研究表明一系懸掛垂向剛度呈正線性。

（2）垂向剛度變化率

從圖9得知疲勞試驗前、中、后垂向剛度趨勢一致，剛度與曲線斜率成正比。

從圖10得知隨著疲勞次數的增加，垂向剛度有變小趨勢，但變化不大，其中疲勞試驗前、中、后的垂向剛度分別為2.44，2.36，2.33 k N/mm，疲勞試驗前后剛度變化率為4.5%，研究表明疲勞試驗次數對剛度影響較小。

5 結 論

（1）通過分析EMU250轉向架一系懸掛結構與原理，分別提出組對滾動與滑動加載2種技術方案，為一系懸掛試驗設計提供參考。

（2）試驗研究表明一系懸掛垂向剛度呈正線性，疲勞次數對剛度影響較小。

（3）試驗設計達到了預期的目的，研究成果完善了軌道車輛轉向架一系懸掛試驗標準，為一系懸掛的設計和試驗起指導作用。

［1］ 王 進，彭立群.機車車輛用軸箱彈簧［J］.鐵道機車車輛，2008，28（6）：40-42.

［2］ 伍玉剛.二級變剛度在城軌車輛轉向架一系懸掛系統中的應用［J］.電力機車與城軌車輛，2010，33（5）：20-22.

［3］ 段華東.ZMA120型轉向架一系懸掛垂向剛度分析［J］.機車電傳動，2011，4（7）：60-62.

［4］ 彭立群，林達文.一種軌道車輛一系減振系統疲勞試驗裝置［P］.中國：CN 201220017715.4，2012－01－16.

［5］ 劉建勛，卜繼玲.軌道車輛轉向架橡膠彈性元件應用技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2012.

［6］ 嚴雋耄，付茂海.車輛工程（第3版）［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

Experimental Design and Research of EMU250 Bogie Primary Suspension

PENG Liqun，LIN Dawen，CHENG Bo，ZH ANG Zhiqiang，WU Xinglei，WANG Jin
（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.CSR，Zhuzhou 412007 Hunan，China）

The primary suspension for mechanical test is an important means to improve the performance of vehicle dynamics.The paper briefly analyzes the suspension structure and principles of EMU250 bogie，designs the rolling and sliding two kinds of load test programs，emphatically analyzes the rolling load test program and studies the vertical stiffness and fatigue properties.The results show the vertical stiffness of the suspension is a positive linear stiffness，the number of fatigue is less impact，and the test design achieves the desired effect.The research results can give guidance for the development and test of rail vehicle primary suspension.

EMU250 bogie；primary suspension；experimental research

U270.331＋.7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.10

1008－7842（2014）06－0044－03

3—）男，工程師（

2014－04－16）