軌道車輛固液復合軸箱定位節點技術應用與展望*

丁行武，卜繼玲，程海濤，楊 欣

（1 株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南 株洲 412007；2 中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東 青島 266111）

近年來，我國高速鐵路和城市軌道交通發展迅猛［1-3］，運營里程數逐年增加，對軌道車輛運行的速度和舒適性提出了更高的要求［4-5］。然而，軌道車輛運行速度的提高對決定車輛運行穩定性的臨界速度指標和良好的曲線通過性能的要求愈發嚴苛。當軌道車輛臨界速度裕度不足或者曲線通過性能不足時，均會加速輪軌磨耗，并產生振動噪聲問題，嚴重時出現脫軌傾覆等事故，影響車輛的運營安全［6-8］。軌道車輛在直線線路上需要有較高的蛇行運行穩定性，而我國鐵路既有線路中曲線線路占1/3，其中包含大量的小半徑曲線［9］。軌道車輛為了適應既有線，又必須具有較好的曲線通過性能。

一系懸掛是軌道車輛的核心部件，合理選取參數能夠有效緩和線路對車輛造成的巨大沖擊，并提高車輛穩定性和曲線通過動力學性能［9-10］。一系懸掛系統中的軸箱定位裝置起到傳遞并緩和車輪與轉向架構架之間的載荷作用，影響臨界速度、曲線通過能力和乘坐舒適性［11］。研究表明：一系軸箱定位縱向剛度是影響軌道車輛動力學性能的 重 要 特 征 參 數［5，9，12-13］。增 加 一 系 縱 向 剛 度 可以提高蛇行失穩臨界速度；減小一系縱向剛度可以提高軌道車輛曲線通過性能，二者對一系縱向剛度的選取存在沖突。為了解決這種矛盾，在轉向架傳統橡膠軸箱定位節點縱向剛度的設計中，設計人員只能采取折中的方式來確定縱向剛度以保證車輛轉向架的直線、曲線及牽引性能。

然而，社會經濟的發展必定會催促著軌道交通朝著技術先進性和應用適應性方向發展。橡膠減振作為第一代減振技術由于本身固有的缺點已經越來越不能滿足軌道車輛轉向架動力學性能的要求，也就存在了技術升級的必要性和合理性。固液復合減振技術集橡膠承載彈簧和液壓減振器功能于一體，不僅能夠提供彈性支撐作用，而且能夠因為液壓機構的頻變特性而調節這種彈性支撐作用，從而實現可控的縱向定位剛度，其良好的環境適應性不失為軌道車輛，尤其是下一代列車轉向架軸箱懸掛裝置一種好的選擇［14-17］。

研究方面，文獻［16］提到了一種固液復合軸箱定位節點，試驗驗證了該節點的低頻低剛度和高頻高剛度的變剛度特性。文獻［18］使用了一種液壓阻尼式橡膠襯套來代替普通徑向轉向架軸箱定位節點，實現了動態剛度的調節。文獻［19］指出了液壓襯套在改善軌道車輛曲線通過性能上的積極作用。除此之外，固液復合減振技術在軌道車輛轉向架軸箱定位系統上的研究與應用鮮有報道。

1 轉向架軸箱定位節點

一系軸箱定位節點是將軸箱轉臂與構架連接的彈性關節，如圖1 所示，提供軸箱縱向定位剛度，傳遞縱向牽引載荷，保證轉向架的高速運行穩定性。圖1 中x代表車輛行駛方向，即縱向。

圖1 轉向架軸箱定位節點安裝示意

根據動力學性能要求，在直線高速（高頻小幅振動）行駛時要求軸箱定位節點能夠提供較大的縱向剛度以保證運行穩定性，在過彎道（低頻）時，提供較小的剛度性能保證過曲線性能，以減小輪緣磨耗，同時提高部件壽命。軸箱節點縱向剛度技術要求，如圖2 所示。

圖2 軸箱定位節點縱向剛度技術要求

2 第一代橡膠軸箱定位節點

目前，廣泛采用的轉向架軸箱定位節點為橡膠式，具體結構存在多種通用類型以適配不同的轉向架類型，如圖3 所示，但均為金屬橡膠復合型式。通常，橡膠軸箱定位節點包括芯軸、橡膠體和外套3 個組件，金屬和橡膠2 種材料類型。

圖3 橡膠軸箱節點結構型式

可以根據技術條件設計金屬和橡膠的結構形式，調整橡膠配方和成型工藝來控制彈性參數，以滿足各向剛度和強度的要求。橡膠軸箱定位節點典型的力—位移曲線和剛度曲線如圖4 所示。由于橡膠材料的阻尼性能較弱，縱向剛度的力—位移曲線呈現扁平狀。縱向剛度隨著頻率的變化會逐漸升高，但總體變化趨于緩和。一般情況下，橡膠軸箱定位節點動靜剛度比為1.1～1.6。

圖4 橡膠軸箱定位節點縱向剛度特征

3 第二代固液復合軸箱定位節點

3.1 結構特征

第二代固液復合軸箱定位節點結構特征如圖5 所示。固液復合軸箱定位節點在橡膠軸箱定位節點原有橡膠體上進行挖空以形成液壓腔，同時在芯軸或者外套上開通阻尼流道以連通2 個液壓腔，從而形成了封閉式的液壓機構。液壓腔一般沿縱向對稱布置，可以根據需要將前后2 個液壓腔設計成完全一致或不一致。阻尼流道通常沿周向布置，可以根據剛度需要將其設計成螺旋型或者直線型。

圖5 第二代固液復合軸箱節點結構示意

阻尼流道的截面形狀在考慮成型工藝的基礎上可以根據需要設計成圓形、方形或者三角形等，如圖6 所示。不同橫截面形狀會對液體在流道中流動的阻力系數造成影響，而阻力系數將會影響固液復合軸箱定位節點縱向動態剛度閥值頻率，是設計時需要考慮的關鍵要素之一。閥值頻率表示縱向動態剛度由低剛度轉變為高剛度的開始頻率。

圖6 阻尼流道橫截面形狀類型

通過灌注設備將液體填滿由液壓腔和阻尼流道組成的液壓機構。液體的選用需要考慮環境溫度對密度和黏度的影響，可根據技術條件需要選用乙二醇混合溶液或者硅油等。不同配比的乙二醇混合溶液黏度會存在差別。同樣，不同黏度下節點縱向動態剛度的閥值頻率差異較大，也是設計時需著重考慮的因素。

3.2 縱向定位剛度可變機理

固液復合軸箱定位節點屬于徑向型減振彈性元件，與外套和芯軸硫化在一起的橡膠體起減振、緩沖及支撐作用。當節點承受縱向激勵時，液體在阻尼流道內往復流動。當液體流經阻尼流道時，慣性液柱的運動會產生較大的沿程能量損失（摩擦阻尼）；在阻尼流道出、入口處為克服液柱慣性會產生局部能量損失（質量阻尼）。同時，對于螺旋型流道必定會存在很多彎管、圓角，這些結構特征會造成流動液體發生撞擊、脫離和渦流等現象，進一步增大了局部能量損失。因此，相較于傳統橡膠軸箱定位節點，固液復合軸箱定位節點將產生更大的阻尼效應，能夠使振動能量盡快耗散，從而達到衰減振動的目的。開發固液復合軸箱定位節點時可充分優化阻尼流道長度、橫截面積和環繞方式來最大限度地發揮液體流經阻尼流道所產生的局部壓力損失和沿程壓力損失效果，從而使液壓機構阻尼耗能效果達到最優。

固液復合軸箱定位節點液壓機構如圖7 所示，p1、p2分別表示液壓機構上、下2 個液壓腔壓力，A表示液壓腔等效活塞面積，F表示芯軸動態反力。

圖7 液壓機構理論模型[16]

當軸箱定位轉臂承受縱向激勵帶動節點外套前后移動時，由于芯軸與轉向架構架剛性連接，外套與芯軸之間發生相對運動，擠壓或者拉伸液壓腔從而形成1 個高壓腔、1 個低壓腔，從而在2 個液壓腔之間形成壓力差ΔP(t)。根據動量守恒方程可推導出式（1）：

式中：ρ為液體的密度；ξ為液壓機構局部損失系數；x˙為阻尼流道內液體的平均速度；ν為液體的運動黏度；l為阻尼流道的長度；Ai為阻尼流道橫截面積。

此壓力差根據激勵頻率實時變化，并提供阻礙節點外套縱向移動的動態反力。低頻激勵時，液體在2 個液壓腔之間自由流通，壓力差較小，節點主要由橡膠體本體來提供縱向剛度；高頻激勵時，液體流動需要響應時間，造成壓力差瞬間升高，此時節點縱向剛度K′(t)由橡膠體縱向靜態剛度Kr和液壓機構提供的附加縱向動態剛度K（t）兩部分組成，為式（2）：

固液復合軸箱定位節點縱向動態特性的評價指標為縱向動態剛度、損耗角以及對應峰值頻率。該節點典型動態剛度和損耗角曲線如圖8 所示。

圖8 固液復合軸箱節點縱向動態剛度和損耗角曲線

顯然，相比常溫下橡膠軸箱定位節點損耗角一般處于0～6°［20］，低頻范圍內固液復合軸箱定位節點的損耗角提高了3～7 倍。這是因為低頻激勵時，固液復合軸箱定位節點除了橡膠體本身的阻尼效果外，還因液壓機構內部慣性液柱充分流動，造成沿程阻尼和局部阻尼較大。而在高頻激勵時，慣性液柱運動幅度減小甚至“鎖止”，此時固液復合軸箱定位節點的損耗角接近等于節點橡膠體本身的損耗角。與圖4 對比可以發現，固液復合軸箱定位節點的縱向動態剛度具有明顯的非線性頻變特性，先隨著激勵頻率的增加快速提高，當頻率增加到一定程度時，縱向剛度基本維持在一個穩定水平。該曲線表明固液復合軸箱定位節點具有低頻低剛度和高頻高剛度的變剛度特性，有利于促進軌道車輛直線蛇行運動穩定性和曲線通過性能之間矛盾的解決。

4 國內外應用現狀

目前，國外具備固液復合軸箱定位節點研發能力并實現工程化應用的公司有德國Trelleborg 公司和日本Sumitomo RIKO 公司。德國Freudenberg Schwab（2016 年被德國Trelleborg 公司收購）公司與德國SIEMENS 公司合作開發的液壓轉臂關節（Hydro-Bush），成功應用于英國地區Desiro UK 系列 車 輛 的Class 450 和Class 444 車 型 上［21］，如 圖9所示。實際運行情況體現了固液復合軸箱定位節點較傳統橡膠節點在改善鋼軌RCF 傷損上的優勢，并最終促進鐵路運營公司維護成本的降低。

圖9 英國Desiro UK 車輛采用固液復合軸箱定位節點[21]

國內學者基于德國Trelleborg 公司研發的固液復合軸箱定位節點采用Poynting-Thomson 方程進行了車輛系統動力學性能研究，結果表明采用固液復合軸箱定位節點的軌道車輛不僅具有足夠的蛇行運動穩定性，且曲線通過性能也得到了明顯改善［22］。

相對來說，國內有關軌道車輛用固液復合軸箱定位節點研發和應用進程相對緩慢。2017 年，長春軌道客車股份有限公司展開合作項目，首次實現研發固液復合軸箱定位節點樣機，并在下一代地鐵轉向架上進行裝車試用，如圖10 所示。

圖1 0 下一代地鐵車輛采用固液復合軸箱定位節點

5 發展方向

5.1 多向變剛度

隨著軌道車輛運行技術要求的提高，轉向架彈性減振元件的機械性能要求也將面臨逐步升級。固液復合減振部件隨著技術的不斷升級，將會迎來在多個方向具備可變剛度性能的技術階段。通過在2 個或者3 個方向實現對稱布置或者單邊布置液壓腔和連接液壓腔的阻尼流道，實現在縱向、軸向和垂向中2 個或者3 個方向提供剛度可變和阻尼可調的功能特性，從而進一步提高軌道車輛轉向架的自適應能力，有利于實現在更高運行速度范圍內以及更寬曲率半徑線路內軌道車輛運行穩定性的提高和輪緣輪軌磨耗的降低，進而實現鐵路系統運營成本的降低。某項目對固液復合軸箱定位節點提出的雙向變剛度技術要求見表1，一定程度上反映了未來技術需求發展方向。

表1 固液復合軸箱定位節點多向變剛度技術要求

5.2 壓力實時監測

在研發階段，采用流體計算技術和試驗方法捕捉固液復合軸箱定位節點液壓機構內正常壓力波動曲線，通過在液壓腔內壁或者阻尼流道側壁內嵌壓力傳感器，利用無線數據傳輸技術實現對部件在車輛運行過程中液體壓力波動的實時監測和可視化，動態掌握部件的服役行為，為精準評估部件的使用可靠性、準確掌握部件的失效形式和有效提升部件及轉向架的運行效率創造技術基礎。

5.3 主動式變剛度

第二代固液復合軸箱定位節點從減振機理上分析仍屬于被動式。未來可依托磁流變液、磁流變彈性體等磁流變技術和電渦流技術，促進固液復合軸箱定位節點的功能升級，實現對軌道車輛轉向架一系定位節點剛度性能和阻尼性能的實時主動控制，進一步提高該類部件的減振降噪水平，強化軌道車輛轉向架在跨速運行和跨線運行時的自適應能力。

6 結 論

通過在傳統橡膠軸箱定位節點內部嵌入設計液壓機構以實現縱向變剛度性能能夠有效緩解軌道車輛蛇行運動穩定性和曲線通過性能之間的矛盾。可以預見，這種固液復合減振技術未來在軌道車輛上的推廣與應用是趨勢所在。因國內軌道車輛固液復合軸箱節點技術研究和應用起步較晚，需要主機廠和零部件企業加強合作，結合國內外軌道交通市場動態需求，不斷積累運行數據和豐富應用經驗，從而早日實現固液復合軸箱定位節點的工程化。