空气弹簧及抗侧滚扭杆可靠性设计及应用

空气弹簧及抗侧滚扭杆可靠性设计及应用郭红锋缪惠勇黄友剑陈灿辉刘文松株洲时代新材料科技股份有限公司，株洲，412007摘要：在中高速客车和城轨、地铁车辆二系悬挂中，空气弹簧和抗侧滚扭杆组合得到越来越多的应用，对空气弹簧及抗侧滚扭杆可靠性的要求也越来越高。

本文主要对空气弹簧及抗侧滚扭杆系统的可靠性设计手段进行阐述，重点介绍仿真分析、材料设计、试验验证等在产品设计阶段的应用，通过产品实际应用情况表明：通过虚拟样机设计并结合模拟试验，可以较好地保证产品的可靠性。

关键词：空气弹簧，抗侧滚扭杆，可靠性，仿真分析0引言在中、高速客车（含动车组）、地铁及轻轨车辆上，广泛采用空气弹簧及抗侧滚扭杆系统组合作为二系悬挂。

这种组合既能保证车辆具有良好的垂向振动性能，又能提高车辆运行时的抗侧滚性能，它们是保证车辆运行安全和品质的两个关键部件。

随着我国铁路提速和高速动车组的大规模引进及产业化，同时随着城市轨道交通的日益普及，空气弹簧及抗侧滚扭杆的可靠性也越来越受到人们的极大关注，这对空气弹簧及抗侧滚扭杆的研究、制造来说既是挑战，也是机遇。

空气弹簧及抗侧滚扭杆系统中涉及到橡胶和金属两类材料，在该类产品的设计、制造、试验等方面，国内水平较国外先进水平还有较大的差距。

株洲时代新材料科技股份有限公司（文中简称时代新材）作为该类产品制造商，依托公司在材料领域的研发技术优势，通过与BOMBARDIER、ALSTOM、四方股份和长客股份等国内外知名铁路车辆厂家的广泛技术与项目合作，在产品设计、制造和试验方面，积累了一定的经验。

本文主要介绍时代新材在空气弹簧及抗侧滚扭杆可靠性设计技术及其应用方面取得的研究进展，供国内同行参考。

1结构仿真分析手段及应用1.1常规有限元分析随着现代计算机技术和有限元技术的发展，用有限元方法分析空气弹簧及抗侧滚扭杆系统的结构强度在国外已广泛采用，实践证明它是系统可靠性设计保证和理论验证的行之有效的方法。

空气弹簧及抗侧滚扭杆在车辆运行时，承受车厢和乘员载荷以及车辆运行中各向动态力的作用，载荷和动态力会因车辆满载（甚至超员）、轨道状况及车速等因素而变得相当恶劣，保证车辆运行安全和品质的空气弹簧及抗侧滚扭杆，其结构强度可靠性在设计时必须得到最基本的保证和验证。

时代新材拥有有限元分析能力，可对空气弹簧及其关键部件在极限载荷情况下的强度进行校核（见图1），并能就抗侧滚扭杆及其关键部件在极限载荷情况下的强度可靠性进行分析（见图2），这些分析工作对于指导后续施工设计有明显的作用。

图1 空气弹簧图2 某扭杆仿真模型1.2 空气弹簧胶囊变形分析空气弹簧按工作时的变形分为囊式、膜式、混合式三种，主要依靠橡胶气囊的屈挠、卷曲获得弹性变形。

空气弹簧在使用过程中有相当多的破坏情况是发生在橡胶皱褶处，这是因为皱褶处应力异常，且在持续的变形位移作用下（磨擦），橡胶性能极易恶化而成为破坏源。

这种橡胶气囊打折等变形难以用常规方式进行仿真分析。

时代新材采用专业空气弹簧分析软件与通用分析软件相结合的方式，对橡胶气囊变形状态进行模拟，分析预测得到的打褶发生的位置和状态与实验情况吻合（见图3）。

图3 橡胶气囊打褶及试验验证1.3抗侧滚扭杆运动仿真分析抗侧滚扭杆安装在转向架和车体之间的二系悬挂上（见图4），作用是阻止车体相对于转向架侧滚角度的增加，从而抑制车辆的侧滚，提高车辆的横向平稳性。

图4 抗侧滚扭杆安装方式图5 抗侧滚扭杆动力学模拟借助动力学仿真分析手段，我们可以对抗侧滚扭杆在典型线路运行各工况下的受力和运动情况进行分析，并成功预测出抗侧滚扭杆在典型线路上的动力学性能（见图5）。

分析结果表明：抗侧滚扭杆系统采用橡胶关节（轴衬、球铰）代替原先的刚性连接，能够有效地隔绝构架与车体间的振动传递，同时整个系统实现了无磨耗和免维护。

1.4等应力设计原理及其应用在空气弹簧和抗侧滚扭杆产品设计中，因几何形状和尺寸设计不合理，容易造成受载减振时各部分应力的不均衡。

当这种不均衡差异不大时，材料的性能还可保证各部分有一个基本相当的寿命（均衡破坏）；而当这一差异较大时，承受大应力处的部分会明显先于应力小处破坏，从而严重降低产品可靠性、缩短使用寿命。

为此，时代新材凭借有限元技术在分析应力方面已达到了较高精度的基础上，在结构设计中引入等应力设计理念，使设计的结构实现等应力承载。

本文以某应急弹簧的优化设计为例，原结构在承载时应力分布极为不均匀（见图6），经过等应力优化设计后，结构在承载时应力分布基本均匀（见图7），试验验证表明，优化后产品的疲劳寿命较原结构提高了3倍。

图6 原结构应力云图图7 优化结构等应力1.5橡胶减振产品疲劳寿命预测橡胶元件虚拟疲劳设计技术可缩短开发时间，减少开发费用，是橡胶制品自主开发核心技术的关键。

但橡胶制品的设计至今仍然停留在经验设计的基础上，究其原因，一是材料本身的变形、失效特性的研究不完善，二是现代设计与分析方法在橡胶制品上的应用相比金属结构比较迟缓。

橡胶疲劳寿命的研究主要有基于连续介质力学的裂纹成核法、基于断裂力学的裂纹扩展法和损伤力学方法。

以有限元为代表的仿真技术尽管已经用于橡胶元件的刚度设计和强度设计分析，但是由于缺乏对橡胶材料疲劳特性的研究和有效的疲劳仿真分析与设计技术，目前的有限元方法还无法直接应用于橡胶元件寿命设计。

时代新材以典型车用橡胶制品中常用的填充物（炭黑）填充的天然橡胶或合成橡胶为对象，从典型材料疲劳曲线研究入手，通过分析与实验相结合的手段，采用S/N曲线法完成了公司几种橡胶材料的疲劳特性评估用的许用应力，并得到了一组用于支持疲劳寿命预测的橡胶材料的基础数据（见图8）。

图8 剪切类产品S/N曲线2材料可靠性研究及应用2.1氯丁胶气囊材料研究及应用空气弹簧橡胶气囊的工作条件十分苛刻,对橡胶气囊胶料的要求非常严格：要求气囊胶料具有高的定伸应力,良好的气密性,耐伸张疲劳，耐热氧老化，与帘布附着力好，硫化特性匹配良好，且工艺性能良好。

但从目前空气弹簧使用的实际情况来看，尽管以天然胶为主体材料的胶料能够满足TB/T2843-1997的要求，生产的气囊也能满足3年的质保期要求,但与国际先进水平相比,气囊的使用寿命还有较大的差距。

从气囊胶料性能角度来看,主要是胶料的耐老化性能尤其是耐热老化、耐天候老化性能与国际先进水平的要求存在差距。

因此, 要进一步延长气囊的使用寿命必须对气囊胶料配方进行改进，为此，时代新材展开了以氯丁胶为主体材料的气囊胶料新配方设计和试验，结果表明，现研制的氯丁胶配方的气囊胶料性能完全达到国外某空气弹簧气囊胶料的性能要求（见表1）,而天然胶配方的气囊胶料的耐油、耐热空气老化、耐臭氧老化性能大大低于国外要求指标。

因此，以氯丁胶为气囊胶料的主体材料成为配方改进的主要方向。

然而,由于氯丁胶的混炼和成型工艺较难控制等问题,使得氯丁胶在国内空气弹簧气囊上的应用受到了限制。

近几年来,随着时代新材对气囊用胶料配方及工艺的深入研究，不仅解决了以氯丁胶为主体材料的配方问题,而且解决了氯丁胶加工工艺的问题,实现了氯丁胶在一系列空气弹簧气囊产品上的应用。

表1 空气弹簧气囊胶料性能比较胶料性能氯丁胶配方天然胶配方国外某气囊指标硬度(邵氏A型)，度59 62 60±5300%定伸强度，Mpa8.1 8.5 /扯断强度，Mpa 19.8 26.0 ≥15扯断伸长率，% 592 705 ≥450撕裂强度，KN/mm 41.6 20.8 ≥6.02.2抗侧滚扭杆金属材料研究及应用抗侧滚扭杆在使用过程中受力复杂，由于应力集中、材质内部存在组织不均、偏析、杂质高等缺陷、热处理工艺等，容易造成扭杆失效。

因此，要保证抗侧滚扭杆的可靠性，材质控制和加工工艺（特别是热处理工艺）就显得尤为重要。

为此，时代新材在与BOMBARDIER、ALSTOM等的项目合作中，完全采用欧洲相关标准，对材料、成型等进行严格的控制（表2）。

针对材料淬透性要求苛刻，且对扭杆刚度及强度影响大，时代新材与钢研所共同研究开发了符合欧标的专用于扭杆的弹簧钢，其力学性能达到了欧洲标准（表3）。

表2 典型抗侧滚扭杆材料及工艺控制内容欧标和法铁标准1 材料淬透性：EN10089 HH2材料成型金属流线3热处理47～50HRC4表面强化处理喷丸（UIC822）5磁粉探伤NF F 00-090/ISO9934/EN473为保证杆体及端部结构强度，采用锻压成型法对杆体进行成型，这样就确保了内部金属流线的致密完整，同时，为保证扭杆热处理（淬火）质量，获得淬透性和小变形，时代新材选择了工艺控制能力较好的热处理技术，通过严格的过程控制，杆件热处理性能，特别是硬度指标，得到了很好地保证（见图9）。

图9 工艺改进对硬度提升的对比曲线3产品性能试验验证3.1常规性能试验关于空气弹簧及抗侧滚扭杆的性能，在设计开发阶段就需要对产品刚度性能等指标进行常规试验验证。

空气弹簧的常规性能试验（见图10）包括刚度特性、气密性、耐压性能和疲劳性能等；而抗侧滚扭杆的常规性能试验（见图11）则包括刚度特性和疲劳性能等。

图10 空气弹簧典型试验图11 抗侧滚扭杆典型试验3.2 空气弹簧扭摆试验客运转向架向着无摇枕机构的方向发展，其空气弹簧在承受大的横向变形的同时，还要承受扭转变形。

对应于新的铁道车辆空气弹簧标准TB/T 2841-2005的要求，空气弹簧的疲劳试验结束后，应进行扭转疲劳试验（见图12），以模拟车辆运行时空气弹簧实际工作状态。

图12 空簧扭摆试验图13 抗侧滚扭杆疲劳试验3.3 抗侧滚扭杆疲劳试验根据抗侧滚扭杆系统装配状态，产品安装在专用试验工装上（图13），并按技术规范描述的载荷谱，进行疲劳试验。

3.4 疲劳试验载荷谱探讨近年来，国外发达国家对空气弹簧及抗侧滚扭杆等的强度设计已由依据静强度和无限寿命设计发展到了定量寿命设计，疲劳试验已经采用随机载荷谱或道路谱加载进行。

这种随机加载方式可以精确地模拟实际承受的载荷，从而提高疲劳寿命预测的准确性。

采用随机加载方式，需要使用计算机并由计算机控制的液压伺服试验机进行，并需要先进复杂的试验设备支持。

目前应用最为广泛也是容易实现的疲劳加载方式是采用程序块谱加载。

即根据疲劳损伤等效理论，将试验随机载荷简化为一系列不同大小的等幅载荷，根据一定的统计计数法则，将载荷统计处理编制成程序块谱进行加载。

由于不能直接采集到产品的随机载荷谱，只能采集到产品上某些点的应变谱，所以，现代的疲劳试验控制系统以这些应变谱为控制参量，迭代产生用于加载的载荷谱，精度一般在5%以内。

同时，可以对采集的应变谱进行编辑，使编辑前后的信号产生的损伤分布基本一致，即真实的反映了使用寿命，又缩短了疲劳试验时间。

对于如空气弹簧类橡胶减振制品，疲劳寿命试验的主要发展趋势是：①始终用计算预估的概念来改善和补充经验得出的工作强度；②原则上寿命试验必须以测量结果为依据，测量结果应尽可能代表实际应力状态。