意大利城际列车420A型空气弹簧的研制

2020-05-22陈文海

轨道交通装备与技术 2020年1期

陈文海叶特

(株洲时代新材料科技股份有限公司湖南株洲 412007)

0 引言

2012年，株洲时代新材料科技股份有限公司(以下简称TMT公司)根据欧洲某主机厂的技术规范，开发了运用于意大利铁路市场的某平台转向架空气弹簧项目，该平台转向架运行速度为160 km/h,最高速度为200 km/h，1列车5节编组。TMT公司根据客户提供的空气弹簧主要技术要求，分析后选择合适的气囊和辅助弹簧结构，并应用有限元分析技术和虚拟制造技术，产品通过型式试验验证，一次性开发成功。

1 产品主要技术要求

1.1 空间尺寸与位移要求

充气系统最大外径：ø560 mm；

产品充气标准高度：(290±2)mm；

最大水平位移：±120 mm；

最大垂向位移：拉伸，50 mm；压缩，55 mm。

1.2 产品的性能要求

产品的载荷和对应刚度要求如表1所示。

表1 空气弹簧载荷和刚度要求

2 产品结构组成

该空气弹簧分左右两种结构，主要差异在于上盖板是对称的异形结构。根据客户提供的接口尺寸以及性能要求，开发的 420A型空气弹簧结构如图1所示。

图1 420A型空气弹簧

该空气弹簧主要部件分为上盖板、扣环、气囊、磨耗板、支撑板、锥形弹簧、层叠弹簧。其中气囊采用大曲囊式结构，可以实现较小的垂向刚度和横向刚度，并提供主要水平变形；辅助弹簧采用锥形弹簧和层叠弹簧组合的结构，有效降低了空气弹簧无气状态下的垂向刚度，而且也可以为空气弹簧系统提供部分水平变形的能力；磨耗板采用的是摩擦因数低于0.1的高分子复合材料聚四氟乙烯(PTFE)，保证了无气状态下，系统水平位移时具有较小的横向力，减少对轨道的冲击。

3 有限元计算

在结构设计时，充分利用有限元分析软件，进行空气弹簧设计方案的计算[1]，设计出满足客户要求的气囊和辅助弹簧结构。采用的有限元分析软件为ABAQUS。

3.1 辅助弹簧有限元分析

进行有限元分析计算前，针对计算的任务分别建立有限元模型，采用轴对称模型计算辅助弹簧垂向刚度，采用1/2实体模型计算辅助弹簧的横向刚度。辅助弹簧最大动载下变形及应力如图2所示。

图2 辅助弹簧最大动载下变形与应力云图

辅助弹簧的刚度计算结果如表2所示，计算的载荷位移曲线如图3所示。辅助弹簧的性能满足要求。

表2 辅助弹簧有限元计算结果

图3 辅助弹簧垂向变形计算曲线

图4 气囊满载下横向位移120 mm

3.2 气囊有限元分析

对空气弹簧气囊进行分析时，主要研究空气弹簧气囊的载荷内压、垂向和横向刚度，充气外径等特性。由于空气弹簧气囊模型是轴对称结构，因此对气囊沿轴向剖开取一半建立1/2有限元模型。模型包含了气囊橡胶部分、帘线部分、流体部分、上盖板刚体部分和附加气室。满载状态下气囊水平位移120 mm后的空间尺寸与应力如图4所示。气囊的有限元分析计算结果如表3所示。

表3 气囊有限元计算结果

空气弹簧气囊的承载力和外径满足技术要求，但空气弹簧系统的垂向刚度和横向刚度需要组合气囊和辅助弹簧的计算结果。

3.3 系统的刚度计算

空气弹簧系统在充气情况下，垂向刚度和横向刚度性能如表4所示。

表4 空气弹簧性能预测

从表4的有限元分析计算结果可以看出，TMT 420A型空气弹簧的设计方案可以满足技术要求。

此外，对空气弹簧其他部件(如上盖板、支撑板和底板)也进行强度和疲劳寿命分析，在保证安全系数的情况下，减少产品的重量，最后将性能分析结果和部件强度寿命分析结果形成空气弹簧有限元分析报告。

4 型式试验

通过前期的分析和计算，确定了空气弹簧各部件的结构设计，在经过设计方案评审后，完成了空气弹簧的试制。

根据EN 13913∶2003以及EN 13597∶2003标准和客户的技术规范要求，对TMT 420A型空气弹簧进行了全套型式试验。主要包括：载荷内压试验、系统充气状态下垂向及横向刚度试验、横向大位移以及尺寸测量试验、辅助弹簧垂向刚度试验和疲劳试验等，并对疲劳后的产品进行了水爆试验，各项试验均满足技术要求[2-4]。