SYS系列腰帶式氣囊空氣彈簧的發展

張廣泉 劉萬強 仉素君 張華 宋紅光

摘 要：本文論述了四方所與各主機廠合作開發的腰帶式空氣彈簧，總結了其結構特性和性能參數。通過合理的結構設計，腰帶式氣囊空氣彈簧除了高承載力限界小的特點，也可達到與傳統氣囊相當的性能。

關鍵詞：腰帶;氣囊;空氣彈簧

1.前言

空氣彈簧在軌道車輛上的運用越來越廣泛，中車青島四方車輛研究所有限公司（簡稱四方所）自60年代起，就致力于空氣彈簧的研究，郭榮生[1]論述了四方所2000年前開發的自由膜式空氣彈簧，氣囊的結構均為自由膜式。孔軍[2]總結了90年代四方所空氣彈簧的應用情況，并探討了空氣彈簧發展過程中需注意的問題。近年來，隨著車輛整體結構的緊湊化設計趨勢，對空氣彈簧的限界要求也越來越嚴格，腰帶式氣囊因為其高承載能力以及限界小的優勢逐漸被車輛制造商采用。本文針對四方所近年來開發的腰帶式氣囊空氣彈簧結構特點進行論述，并列出了各種空氣彈簧的性能參數，通過總結發現，可以通過合理設計腰帶式氣囊空氣彈簧，使其達到優異的產品性能。

自2008年以來，四方所分別為印度鐵路、廣州地鐵、電子工程設計院、昆士蘭新一代鐵路、西班牙泰爾戈公司等設計了腰帶式氣囊空氣彈簧，可以滿足不同使用環境的要求。

2.腰帶式氣囊空氣彈簧的特點

2008年，四方所為印度鐵路設計了SYS640X空氣彈簧[3]，其主要特點是：（1）空氣彈簧重載下承載能力達到180kN，以滿足印度鐵路出現的超載現象;（2）為了滿足工作高度較低的要求，設計了平板輔助彈簧，其可以提供較大的橫向變形。（3）為了滿足印度鐵道部關于金屬件防腐特性的需求，金屬件采用鑄造工藝，通過控制不同元素的含量滿足防腐要求。（4）在氣囊的開發過程中，通過優化設計和工藝，顯著提高了氣囊的耐磨性能，同時解決了腰帶的裂紋問題。

2010年，四方所參與廣州地鐵四五六號線空氣彈簧國產化項目，其主要特點是：（1）空氣彈簧橫向變位能力40mm，為此設計了氣囊弧長較短的腰帶式氣囊;（2）根據無氣狀態下垂向剛度的要求，設計了錐形輔助彈簧;（3）為盡量降低產品重量，產品在結構上進行了優化，在滿足強度的基礎上，上蓋橡膠堆等金屬件使用了鋁合金材質代替鋼材;（4）相比于原型產品，SYS450X空簧在結構上進行了簡化，取消了平板輔助彈簧結構，這不僅降低了成本，也方便了產品檢修[4]。產品通過了動力學試驗和多年運用考驗驗證，鑒于其優異性能，現已成為四方所主型產品。

2011年，四方所為電子工程設計院設計了用于微振試驗臺的SYS800X空氣彈簧，其主要特點是氣囊和輔助彈簧的尺寸較大，因為氣囊有效直徑達到800mm，成型和硫化工藝是生產過程中的難點;同時，輔助彈簧采用平板輔助彈簧，輔助彈簧的硫化高度達到280mm。另外，由于氣囊尺寸大，導致氣囊的橫向剛度很大，上蓋的邊緣并未設計包角，這樣可以適當減小橫向剛度。

2014年，四方所與阿爾斯通合作開發了PP平臺SYS400X空氣彈簧，其主要特點是：（1）有效直徑小，橫向大位移要求高達120mm，需要氣囊和輔助彈簧同時具有很強的變位能力;（2）根據最大外徑和有效承載能力的要求，四方所設計了腰帶式氣囊串聯平板輔助彈簧的結構型式。氣囊上下子口間距離（Hn）超過110mm，這樣可以保證氣囊有更強的橫向變位能力。（3）氣囊上子口通過設計一種緊密式扣環，使得子口與扣環間貼合的更好，解決了疲勞試驗中出現的配合松動問題。（4）該空氣彈簧的空氣間隙（E）值設計為70mm，而且沒有設計摩擦塊，這是因為當車輛下沉到一定程度，將由旁承與車體提前接觸并摩擦。

2014年，龐巴迪公司與四方所合作開發用于昆士蘭新一代鐵路SYS530X空氣彈簧，產品采用腰帶式氣囊與半沙漏輔助彈簧串聯的型式。其主要特點是：（1）設計了半沙漏超級非線性輔助彈簧，該輔助彈簧既可以滿足空載下剛度特性要求，又可以滿足空載、重載下變形小的要求。（2）空氣彈簧系統的E、B值設計十分新穎，通常B值在輔助彈簧芯軸與支承座間，而該空氣彈簧的B值設計在芯軸與車體間，該結構可以保證車輛在使用中（增加高度調整墊后）E+B=恒定值。

2016年，西班牙泰爾戈公司委托四方所開發用于哈薩克斯坦的耐低溫空氣彈簧，包括SYS480X和SYS600X兩種型號，其主要特點是：（1）設計了垂向剛度和水平剛度都較小的輔助彈簧，由于輔助彈簧的橫向變位能力較強，使得在低溫試驗條件以及疲勞運用后，氣囊和上蓋之間仍能保證良好的密封性能。（2）輔助彈簧膠料采用-50℃的配方設計，可以滿足使用環境的要求。

相比于傳統氣囊，腰帶式氣囊具有與生俱來的缺點，在傳統工藝上增加了硫化腰帶的工序，也增加了材料和工序成本。腰帶式在性能上可以達到與傳統氣囊相當的性能，主要途徑有以下幾種：

（1）通過合理設計簾線角度和材料分布，以及合理設計上蓋外部與氣囊的接觸尺寸，空氣彈簧可以實現較小的橫向剛度，例如，SYS400X空氣彈簧可以達到很小的橫向剛度特性;

（2）通過配合沙漏輔助彈簧或者平板輔助彈簧，可以適當彌補腰帶式氣囊因腰帶使氣囊有效弧長減小的劣勢，最終使空氣彈簧的橫向變位能力顯著增加，SYS530X和SYS400X空氣彈簧的橫向變位可達120mm;

（3）由于腰帶式氣囊腰帶對氣囊的約束作用，在充氣狀態下，可顯著減小簾線的受力狀態。以兩種有效直徑530mm的兩種空氣彈簧為例，SYS530X氣囊簾線應力達到40-50MPa，而SYS530Y氣囊（傳統氣囊）簾線應力達到了140-160MPa，由此可見，腰帶式氣囊可顯著降低簾線的應力，在橫向大位移條件下，這種差別更加明顯。

3.結論

四方所SYS系列腰帶式空氣彈簧的發展，豐富了空氣彈簧類型，使空氣彈簧的設計開發水平有了進一步的提升。同時，空氣彈簧科研工作者對腰帶式氣囊的性能參數掌握也越來越豐富，腰帶式氣囊的眾多優異性能已經超出了人們的預期。筆者認為，在軌道車輛對空氣彈簧限界趨于嚴格，以及主機廠對空氣彈簧承載力要求提高的前景下，隨著氣囊制造商工藝水平的不斷提高，腰帶式氣囊將具備更加廣闊的市場。

參考文獻：

[1]郭榮生.SYS系列空氣彈簧的開發和應用[J].鐵道車輛，1999，37（11）.

[2]孔軍.空氣彈簧在我國軌道車輛中的應用與發展[J].鐵道車輛，2002，40（3）.

[3]杜尚等.空氣彈簧橫向大位移子口處密封性研究[J].鐵道車輛，2010，48（3）.

[4]劉萬強等.廣州地鐵用空氣彈簧的研制[J].鐵道車輛，2018，56（10）.

[5]腰帶式空氣彈簧載荷內壓影響因素的研究[J].葉特，龍垚坤，陳清化，黃橙，程海濤. 鐵道機車車輛.2017（04）

[6]空氣彈簧有限元仿真方法的研究[J].何園，危銀濤. 橡膠工業.2017（03）