地鐵車(chē)輛國(guó)產(chǎn)減振器的研制和試驗(yàn)

沈 豪 周成棟 程祖國(guó)

(1.上海軌道交通維護(hù)保障中心車(chē)輛分公司,200233,上海;2.無(wú)錫宏利減震器有限公司,214045,無(wú)錫;3.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,200333,上?！蔚谝蛔髡?工程師)

減振器作為地鐵車(chē)輛懸掛系統(tǒng)中重要的減震元件,起到了減小車(chē)輛振動(dòng)、緩和輪軌作用力、提高車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性及舒適性的作用。由于上海軌道交通引進(jìn)了國(guó)外多種車(chē)輛技術(shù),減振器也存在多種不同品牌與結(jié)構(gòu)類(lèi)型,給其采購(gòu)及維修的周期、成本等帶來(lái)一定的難度。減振器設(shè)計(jì)的主要要素是減振器的安裝角度、環(huán)境溫度、最小長(zhǎng)度、最大長(zhǎng)度、行程、阻尼特性、安裝長(zhǎng)度、端部連接結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)角及安裝尺寸等主要參數(shù),滿(mǎn)足了以上要素也就匹配了車(chē)輛的使用要求。而減振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是決定于阻尼特性以及使用壽命。故只要阻尼特性與要求相匹配,安裝條件相符合,不同車(chē)型的轉(zhuǎn)向架完全可以使用同一內(nèi)部結(jié)構(gòu)的減振器。這為開(kāi)發(fā)研制內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致、性能滿(mǎn)足各車(chē)型的國(guó)產(chǎn)化減振器提供了條件。

1 上海軌道交通現(xiàn)有減振器概況

根據(jù)上海軌道交通現(xiàn)有不同的車(chē)輛品牌,相對(duì)應(yīng)的減振器也有三種不同品牌,即KONI、SACHS及DISPEN。這三種不同減振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均不相同。KONI及SACHS減振器主要使用在Siemens及Bombardier列車(chē)轉(zhuǎn)向架上,而DISPEN減振器主要運(yùn)用在Alstom列車(chē)的轉(zhuǎn)向架上。由于各轉(zhuǎn)向架本身結(jié)構(gòu)具有差異,懸掛方式不同,一系位置采用鋼彈簧的Alstom列車(chē)的轉(zhuǎn)向架,其一系豎向減振器失效較多。為研制出內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同的國(guó)產(chǎn)減振器,必須對(duì)現(xiàn)有的各型號(hào)的減振器性能參數(shù)(見(jiàn)表1)進(jìn)行研究,以求研制出的國(guó)產(chǎn)減振器能滿(mǎn)足列車(chē)原有的減震要求。

表1 上海軌道交通各型號(hào)軌道車(chē)輛油壓減振器技術(shù)參數(shù)一覽表

2 國(guó)產(chǎn)減振器的研制

2.1 設(shè)計(jì)方案及原理

本項(xiàng)目研制的油壓減振器由阻尼系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、防塵系統(tǒng)等組成,通過(guò)聯(lián)接系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架及車(chē)體聯(lián)接。減振器結(jié)構(gòu)及阻尼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在借鑒了KONI、SACHS及DISPEN特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,為達(dá)到減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同的目標(biāo),對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。采用單向循環(huán)原理,無(wú)論是拉伸還是壓縮,油液均向同一方向流動(dòng)。即油液始終從工作缸上腔→阻尼調(diào)節(jié)閥→節(jié)流管→儲(chǔ)油缸→底閥→工作缸下腔作循環(huán)流動(dòng)。拉伸時(shí),減振器油液經(jīng)過(guò)阻尼調(diào)節(jié)閥和節(jié)流管產(chǎn)生阻尼;壓縮時(shí)也是如此。為了適應(yīng)各種型號(hào)減振器的不同阻尼特性和安裝尺寸要求,對(duì)用于調(diào)節(jié)阻尼特性的調(diào)節(jié)彈簧,以及用于適應(yīng)安裝尺寸的連接軸、壓力缸、儲(chǔ)油缸等部件略做改動(dòng)。國(guó)產(chǎn)減振器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 國(guó)產(chǎn)減振器結(jié)構(gòu)及原理

2.2 樣機(jī)的制造

國(guó)產(chǎn)減振器的研制與試驗(yàn)按TB/T1491—2004《機(jī)車(chē)車(chē)輛油壓減振器技術(shù)條件》及TB/T2229—2004《機(jī)車(chē)車(chē)輛油壓減振器試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)條件》的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格實(shí)施。

2.2.1 筒體焊接工藝

經(jīng)過(guò)對(duì)各種焊接工藝方法的篩選,對(duì)焊接工藝參數(shù)、焊接輔助材料的大量試驗(yàn)后,筒體焊接選用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊,并對(duì)焊接加工進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定以保證焊接件的可靠性。焊接工藝通過(guò)中德合作哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心的評(píng)定,獲得EN 288—3歐洲標(biāo)準(zhǔn)的合格證書(shū);焊接人員獲得EN 1418(ISO 14732)歐洲標(biāo)準(zhǔn)的合格證書(shū)。

焊接后的國(guó)產(chǎn)筒體與進(jìn)口筒體用60 t萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,國(guó)產(chǎn)筒體的強(qiáng)度優(yōu)于進(jìn)口件(見(jiàn)表2)。

2.2.2 油封形式

油封形式的研制從構(gòu)成油封的材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮。本項(xiàng)目中,油封采用優(yōu)良耐油性的材料,其乙烯及異構(gòu)型鏈賦于油封優(yōu)良的耐熱性、耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性,并提高了橡膠彈性。該橡膠材料通過(guò)了拉伸試驗(yàn)、壓縮永久變形試驗(yàn)、熱空氣老化試驗(yàn)、浸漬試驗(yàn)及低溫脆性試驗(yàn)的性能測(cè)試。

表2 減振器強(qiáng)度對(duì)比表

油封結(jié)構(gòu)采用板式結(jié)構(gòu),并對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,增加了第二密封唇的設(shè)計(jì),將油的密封由單唇變?yōu)殡p唇,使唇部徑向力增大,增加了密封的可靠性;此外,油封結(jié)構(gòu)還采用了外徑靜密封設(shè)計(jì),解決了油封長(zhǎng)期使用中外徑滲漏油的難題。

油封的樣件研制后,進(jìn)行了1 200萬(wàn)次的臺(tái)架壽命考核試驗(yàn)。試驗(yàn)完拆卸后,油封唇口完好,仍具有良好的密封可靠性。

2.2.3 活塞桿加工

活塞桿的加工質(zhì)量及其磨耗也是造成減振器油液泄漏的原因之一,而影響活塞桿耐磨性的因素主要有表面粗糙度及表面的鍍鉻質(zhì)量。

為確保活塞桿的表面粗糙度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,鍍鉻前后采用UB砂輪、鍍鉻后采用PVA拋光輪四聯(lián)組拋光,使活塞桿表面的粗糙度能夠穩(wěn)定控制在Ra 0.1以?xún)?nèi)。

為了確保活塞桿表面的耐磨性能,達(dá)到延長(zhǎng)活塞桿使用壽命的效果,采用了微裂紋鍍鉻工藝。鉻層厚度為25μm以上,硬度可達(dá)到HV1100。

2.2.4 減振器油的選擇

減振器油的性能直接影響到減振器的減震效果。在對(duì)進(jìn)口減振器油研究分析后,通過(guò)將40℃與100℃條件下運(yùn)用黏度、黏度指數(shù)、抗泡沫性、酸值、凝點(diǎn)及閃點(diǎn)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,最終選擇了國(guó)產(chǎn)T253A減振器油作為國(guó)產(chǎn)減振器使用的減振器油。

國(guó)產(chǎn)減振器的樣件在制作完成以后,采用減振器性能測(cè)試臺(tái)(見(jiàn)圖2)對(duì)其性能與進(jìn)口減振器做了對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明(見(jiàn)表3),國(guó)產(chǎn)減振器與進(jìn)口減振器的各方面技術(shù)參數(shù)基本一致。

圖2 減振器性能測(cè)試臺(tái)

3 國(guó)產(chǎn)減振器的試驗(yàn)

國(guó)產(chǎn)減振器樣品研制后,為驗(yàn)證其性能確實(shí)滿(mǎn)足地鐵列車(chē)使用的要求,進(jìn)行了臺(tái)架耐久性試驗(yàn)、裝車(chē)考核試驗(yàn)以及列車(chē)平穩(wěn)性試驗(yàn)。

3.1 耐久性試驗(yàn)

各型號(hào)減振器均進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)考核。橫向減振器在頻率為2 Hz、振幅為±5 mm的試驗(yàn)條件下連續(xù)工作500萬(wàn)次,未出現(xiàn)漏油和部件失效現(xiàn)象;阻力系數(shù)和示功圖正常,未產(chǎn)生明顯變化。豎向減振器在頻率為2 Hz、振幅為±5 mm的試驗(yàn)條件下連續(xù)工作500萬(wàn)次,在頻率為 10 Hz、振幅為±2 mm的試驗(yàn)條件下連續(xù)工作600萬(wàn)次,均未出現(xiàn)漏油和部件失效現(xiàn)象;阻力系數(shù)和示功圖正常,未產(chǎn)生明顯變化。耐久性試驗(yàn)前后的測(cè)試對(duì)比情況見(jiàn)表4。

3.2 裝車(chē)考核試驗(yàn)

減振器通過(guò)耐久性試驗(yàn)后,即開(kāi)始裝車(chē)試運(yùn)行。裝車(chē)考核期間,在上海軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線及3號(hào)線列車(chē)的1節(jié)車(chē)上安裝了國(guó)產(chǎn)減振器,裝車(chē)試運(yùn)行期為10萬(wàn)km。在裝車(chē)試運(yùn)行期內(nèi)檢查減振器筒體和防塵罩之間的間隙內(nèi)是否有減振器油滲漏,減振器端部連接部位及其與減振器殼體連接部位有無(wú)裂紋。經(jīng)過(guò)10萬(wàn)km運(yùn)行考核后,所有國(guó)產(chǎn)減振器均未發(fā)生異常。

表3 國(guó)產(chǎn)系列化減振器與進(jìn)口減振器性能對(duì)比表

表4 國(guó)產(chǎn)系列化減振器耐久性試驗(yàn)前后性能一覽表

3.3 列車(chē)平穩(wěn)性試驗(yàn)

為對(duì)比分析減振器對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性能的影響,在裝車(chē)試運(yùn)行期間對(duì)自主研制的國(guó)產(chǎn)減振器和進(jìn)口減振器在上海軌道交通車(chē)輛上進(jìn)行了車(chē)輛平穩(wěn)性能試驗(yàn)研究。

整個(gè)試驗(yàn)根據(jù)GB 5599—85《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》進(jìn)行。采用荷蘭進(jìn)口的KISSLOR傳感器,量程2g。測(cè)試系統(tǒng)為上海鐵路局研發(fā)的車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)儀。試驗(yàn)采用同一車(chē)輛、同一運(yùn)行時(shí)間(相當(dāng)與同樣載荷)、同一儀器、同一人員、同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,從而使自主研制的國(guó)產(chǎn)減振器與進(jìn)口減振器對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性能影響的數(shù)據(jù)具有可比性。

安裝自主研制的國(guó)產(chǎn)減振器與進(jìn)口減振器的車(chē)輛橫向平穩(wěn)性能見(jiàn)表5與表6(注:平穩(wěn)性指標(biāo)小于1.8的次數(shù)未列入表中)。由表5與表6可見(jiàn),使用10萬(wàn)km后的國(guó)產(chǎn)減振器,車(chē)輛橫向平穩(wěn)性與安裝進(jìn)口減振器相同;新的國(guó)產(chǎn)減振器的車(chē)輛橫向平穩(wěn)性與已安裝的舊進(jìn)口減振器也相同,且減振器在新、舊狀態(tài)下的車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)相同,車(chē)輛平穩(wěn)性能穩(wěn)定、優(yōu)良。

表5 車(chē)輛橫向平穩(wěn)性比較 次數(shù)

表6 車(chē)輛豎向平穩(wěn)性比較 次數(shù)

安裝國(guó)產(chǎn)減振器的車(chē)輛平穩(wěn)性試驗(yàn)的時(shí)間歷程,見(jiàn)圖3和圖4;安裝進(jìn)口減振器車(chē)輛的平穩(wěn)性試驗(yàn)的時(shí)間歷程,見(jiàn)圖5和圖6。

圖3 安裝國(guó)產(chǎn)減振器車(chē)輛的橫向平穩(wěn)性時(shí)間歷程

圖4 安裝國(guó)產(chǎn)減振器車(chē)輛的豎向平穩(wěn)性時(shí)間歷程

奧地利的有軌電車(chē)

圖5 安裝進(jìn)口減振器車(chē)輛的橫向平穩(wěn)性時(shí)間歷程

圖6 安裝進(jìn)口減振器車(chē)輛的豎向平穩(wěn)性時(shí)間歷程

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)檢測(cè)和試驗(yàn),地鐵車(chē)輛國(guó)產(chǎn)減振器的產(chǎn)品性能和技術(shù)質(zhì)量要求均已達(dá)到TB/T1491—2004《機(jī)車(chē)車(chē)輛油壓減振器技術(shù)條件》的技術(shù)要求,滿(mǎn)足電客列車(chē)運(yùn)行技術(shù)條件,經(jīng)與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品檢測(cè)、試驗(yàn)結(jié)果比較,已達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平,故可替代進(jìn)口產(chǎn)品。

地鐵車(chē)輛國(guó)產(chǎn)化減振器的研制成功,會(huì)有效降低車(chē)輛維護(hù)成本,縮短同類(lèi)備件的采購(gòu)周期。

[1]TB/T 1491—2004機(jī)車(chē)車(chē)輛油壓減振器技術(shù)條件[S].

[2]TB/T 2229—2004機(jī)車(chē)車(chē)輛油壓減振器試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)條件[S].

[3]GB 5599—85鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].