雙層動車組轉向架扭桿彈性元件試驗設計與研究

彭立群，林達文，張志強，成 博，陳 剛，王 進

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

雙層動車組轉向架扭桿彈性元件試驗設計與研究

彭立群，林達文，張志強，成 博，陳 剛，王 進

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

對彈性元件進行復合加載疲勞試驗是驗證耐久性能的重要手段。簡要分析了一種雙層動車組轉向架的結構，設計了轉向架二系懸掛扭桿彈性元件零件試驗與系統試驗兩種復合加載試驗方案并進行了比對試驗，研究表明:在兩種條件下彈性元件均具有較好的疲勞特性，兩種試驗方案均具有復合加載試驗功能，研究成果對軌道車輛彈性元件的研發和試驗起指導作用。

動車組;彈性元件;復合加載;試驗研究

雙層動車組是我國最新研制的一種新型動車組，為提升載客量有效緩解城市公共交通壓力，該動車組設計成雙層結構，設計速度為130 km/h。該車轉向架二系懸掛采用的是單空氣彈簧與抗側滾扭桿系統組合方式，應用于抗側滾扭桿系統的彈性元件是車輛二系懸掛中重要的減振零件。

扭桿彈性元件在裝車前必須對其力學性能進行檢測，尤其是產品的疲勞特性，為確保車輛的舒適度和安全性，更需要對其進行合理、全面的試驗。目前有關彈性元件的疲勞試驗大都采用單方向加載進行，這種方式不僅很難準確反映產品的疲勞壽命，而且試驗周期較長，為解決這一技術難題，文章以扭桿彈性元件為研究對象，通過試驗方案的創新設計，設計了零件試驗與系統試驗兩種復合加載試驗方案并進行了比對試驗，重點對產品疲勞性能進行了試驗研究。

1 轉向架及扭桿系統結構

雙層動車轉向架為無搖枕單空氣彈簧中心懸掛結構，主要包括構架、抗側滾扭桿系統、空氣彈簧系統、一系懸掛、牽引拉桿組件、輪對等［1-7］，見圖1。

圖1 雙層動車組轉向架結構

其中空氣彈簧與抗側滾扭桿系統組合安裝為車輛二系懸掛，這種組合方式既能保證車輛具有良好的垂向振動性能，克服了空氣彈簧垂向剛度少導致側滾角增加的缺點，約束車輛車體相對于轉向架的側滾，提高車輛運行時的抗側滾性能。

1.1 抗側滾扭桿系統

受轉向架安裝空間的限制，同時為了提高抗側滾扭桿系統承載穩定性，該抗側滾扭桿系統整體設計成八字形。主要由扭桿、扭臂、連桿、支撐座關節、扭桿彈性元件和保護套等部件組成，為了減小外界環境對抗側滾扭桿系統的影響，除金屬件表面涂漆外，還設計了不銹鋼保護套對其進行保護，見圖2。

圖2 抗側滾扭桿系統結構

1.2 扭桿彈性元件

扭桿彈性元件包括1組扭桿推力墊和1件扭桿支撐球鉸，產品均是金屬與橡膠通過高溫、高壓硫化而成的彈性元件，分別安裝于抗側滾扭桿系統兩內側，當車體與轉向架的相對位移引起扭桿系統連桿上下運動時，扭桿彈性元件會同時承受來自徑向、軸向、剪切、扭轉4個方向的載荷［2］。

圖3 扭桿彈性元件結構

2 復合加載試驗簡述

彈性元件在車輛實際運行過程中通常會承載多方向的載荷，當多向載荷共同對彈性元件作用時，這種加載模式一般定義為復合加載模式。目前有關彈性元件加載試驗的標準主要有中國的TB/T 2843－2007《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件》、南車企業標準Q/ CSR 005－2005《機車車輛減振橡膠件》，歐洲標準BS EN 13913－2003《鐵路用橡膠彈性元件—基于彈性體的機械部件》、日本工業標準JIS E 4710－1995《鐵道機車車輛橡膠隔振器通則》［3］。依據標準的要求，試驗室設計出了零件試驗與系統試驗2種復合加載試驗方案，分別如圖4和圖5所示。

零件試驗:零件試驗是指將扭桿彈性元件作為一個零件，通過設計專用的試驗裝置來實現多向載荷同時對產品作用，這種加載方式只能單一的扭桿彈性元件進行組合加載試驗，同時對工裝設計技術提出了較高的要求。

圖4 零件試驗

圖5 系統試驗

系統試驗:系統試驗是指將扭桿彈性元件作為一個部件安裝于抗側滾扭桿系統中，通過對扭桿系統進行疲勞試驗將載荷傳遞給彈性元件，這種加載方式結構相對簡單，但對試驗設備的組合加載能力提供了較高的要求。

3 試驗研究

3.1 受力分析

扭桿彈性元件受力工況如圖6所示，當抗側滾扭桿系統承受車體相對轉向架的側滾載荷時，使扭桿軸產生扭轉位移和徑向位移，此時的扭桿支撐球鉸會承受徑向、扭轉、軸向載荷、扭桿推力墊會承受扭轉、軸向、剪切載荷，將2個產品受力工況合并，最終整個扭桿彈性元件同時承受的載荷主要有徑向、軸向、扭轉、剪切4向載荷。

3.2 試驗裝置及原理

圖6 受力工況分析

3.2.1 零件試驗

試驗裝置結構見圖7，裝配關系見圖8。

圖7 零件試驗裝置三維結構圖

圖8 零件試驗裝置三維裝配圖

扭桿彈性元件以組合方式安裝于試驗裝置中，以消除扭轉摩擦力，其中豎向油缸1對鎖緊外套施加載拉壓載荷，實現支撐球鉸徑向加載以及推力墊剪切加載，采用螺栓鎖緊方式實現軸向加載，豎向油缸2施加的扭轉載荷通過芯軸傳遞給扭桿推力墊和支撐球鉸，實現扭轉加載，其中試驗原理見圖9。

圖9 零件試驗原理圖

3.2.2 系統試驗

試驗裝置主要由上端圓盤、安裝座組成，結構相對簡單。其中上端圓盤模擬車體連接部分，安裝座模擬轉向架構架固定部分，試驗裝置結構見圖10。

圖10 系統試驗裝置三維結構圖

扭桿彈性元件以對稱方式安裝于扭桿系統兩側，通過調整安裝座與力臂的相對位置實現軸向加載，設計豎向油缸1和豎向油缸2同時施加一對大小相等、方向相反的力偶對扭桿彈性元件進行徑向、剪切、扭轉加載，其中試驗原理見圖11。

圖11 系統試驗原理圖

3.3 試驗驗證

以某公司研制的雙層動車組轉向架扭桿彈性元件為例，分別采用零件試驗和系統試驗2種方案對其疲勞特性進行對比試驗，研究在不同試驗方案下產品疲勞特性。

3.3.1 零件試驗

(1)試驗方法

依據《雙層動車組扭桿彈性元件技術規范》，軸向加載20 kN，通過螺栓鎖緊保持不變，徑向加載±20 kN，扭轉±11°，同相位，循環加載200萬次，頻率1.0 Hz，試驗完成后觀察樣品變化情況。

(2)試驗結果

200萬次疲勞試驗后，產品無明顯破壞，疲勞試驗前后徑向與扭轉剛度曲線分別見圖12和圖13。

3.3.2 系統試驗

(1)試驗方法

依據《雙層動車組抗側滾扭桿系統技術規范》，軸向加載20 kN保持不變，油缸1施加載荷35 kN，油缸2施加－35 kN，頻率1 Hz，循環加載200萬次，試驗完成后觀察樣品變化情況。

(2)試驗結果

200萬次疲勞試驗后，產品無明顯破壞，疲勞試驗前后徑向與扭轉剛度曲線分別圖12和圖13。

3.4 結果分析

剛度變化率和產品外觀是彈性元件疲勞失效主要的評判準則。

剛度變化率:從圖12得知產品徑向剛度特性呈非線性，且4種工況下的徑向剛度變化趨勢基本一致，徑向剛度值與曲線斜率呈正比，其中零件試驗和系統試驗產品徑向剛度變化率分別為5.67%和4.76%，這表明產品在經過200次疲勞試驗后剛度變化率較小，均在設計要求范圍內。

產品外觀:用目測法觀察疲勞后產品外觀是評判產品疲勞失效最直接的方法，從圖14得知:通過200萬次疲勞試驗后的扭桿彈性元件，金屬與橡膠粘合外無裂紋、橡膠表面無粉末，產品外觀無明顯破壞。這表明該產品具有較好的疲勞性能，能滿足實際裝車的要求。

圖12 產品疲勞前后徑向剛度曲線

圖13 產品疲勞前后扭轉剛度曲線

圖14 疲勞后產品狀態

4 結論

(1)通過分析扭桿彈性元件在轉向架的安裝和結構，設計了零件試驗與系統試驗2種復合加載試驗方案，為同類彈性元件復合加載疲勞試驗提供設計參考。

(2)通過2種方案的比對試驗，研究表明:2種復合加載試驗裝置均能按試驗條件進行疲勞試驗，能完全模擬產品實際運營工況。

(3)研究成果達到了試驗設計的目的，可為同類彈性元件研發和試驗起指導作用。

［1］ 王文華，冬宋.出口澳大利亞雙層動車組轉向架研制［J］.鐵道車輛，2010，48(5):17-19.

［2］ 彭立群，林達文.一種橡膠彈性組徑向、軸向、剪切、扭轉4向加載疲勞試驗裝置:中國，CN 201020136953.8［P］.2010－03－18.

［3］ 彭立群，林達文.軌道車輛抗側滾扭桿系統3點協調加載試驗研究［J］.鐵道機車車輛，2013，33(3):49-52.

［4］ 彭立群，林達文.軌道車輛抗側滾扭桿系統試驗研究［J］.鐵道機車車輛，2011，31(2):104-106.

［5］ 彭立群，林達文.跨坐式單軌車轉向架牽引機構試驗設計與研究［J］.鐵道機車車輛，2014，34(2):70-73.

［6］ 王進，譚帥霞，林達文.軌道交通橡膠彈性元件配方分析和性能試驗技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2013.

［7］ 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.

［8］ 彭立群.雙層動車組扭桿彈性元件技術規范［Z］.株州:株州時代新材料科技股份有限公司.2011.

Experimental Design and Research of the Double EMU Bogie Torsion Elastic Element

PENG Liqun，LIN Dawen，ZHANG Zhiqiang，CHENG Bo，CHEN Gang，WANG Jin
(Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.CSR，Zhuzhou 412007 Hunan，China)

The elastic elements combined loading fatigue testing is an important means to verify the durability.This article briefly analyzes the double EMU bogie structure designed bogie secondary suspension torsion elastic element parts test and test both systems combined loading test program and conducted comparative tests.Studies show that:under both conditions the elastic element has good fatigue properties，the two pilot programs both have the combined loading test function.Research results play a guiding role for the development and testing of rail vehicles elastic element.

EMU;the elastic element;combined loading;experimental research

U270.331+.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.12

1008－7842(2015)02－0051－04

3—)男，工程師(

2014－10－13)