双层动车组转向架扭杆弹性元件试验设计与研究

彭立群，林达文，张志强，成 博，陈 刚，王 进

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

双层动车组转向架扭杆弹性元件试验设计与研究

彭立群，林达文，张志强，成 博，陈 刚，王 进

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

对弹性元件进行复合加载疲劳试验是验证耐久性能的重要手段。简要分析了一种双层动车组转向架的结构，设计了转向架二系悬挂扭杆弹性元件零件试验与系统试验两种复合加载试验方案并进行了比对试验，研究表明:在两种条件下弹性元件均具有较好的疲劳特性，两种试验方案均具有复合加载试验功能，研究成果对轨道车辆弹性元件的研发和试验起指导作用。

动车组;弹性元件;复合加载;试验研究

双层动车组是我国最新研制的一种新型动车组，为提升载客量有效缓解城市公共交通压力，该动车组设计成双层结构，设计速度为130 km/h。该车转向架二系悬挂采用的是单空气弹簧与抗侧滚扭杆系统组合方式，应用于抗侧滚扭杆系统的弹性元件是车辆二系悬挂中重要的减振零件。

扭杆弹性元件在装车前必须对其力学性能进行检测，尤其是产品的疲劳特性，为确保车辆的舒适度和安全性，更需要对其进行合理、全面的试验。目前有关弹性元件的疲劳试验大都采用单方向加载进行，这种方式不仅很难准确反映产品的疲劳寿命，而且试验周期较长，为解决这一技术难题，文章以扭杆弹性元件为研究对象，通过试验方案的创新设计，设计了零件试验与系统试验两种复合加载试验方案并进行了比对试验，重点对产品疲劳性能进行了试验研究。

1 转向架及扭杆系统结构

双层动车转向架为无摇枕单空气弹簧中心悬挂结构，主要包括构架、抗侧滚扭杆系统、空气弹簧系统、一系悬挂、牵引拉杆组件、轮对等［1-7］，见图1。

图1 双层动车组转向架结构

其中空气弹簧与抗侧滚扭杆系统组合安装为车辆二系悬挂，这种组合方式既能保证车辆具有良好的垂向振动性能，克服了空气弹簧垂向刚度少导致侧滚角增加的缺点，约束车辆车体相对于转向架的侧滚，提高车辆运行时的抗侧滚性能。

1.1 抗侧滚扭杆系统

受转向架安装空间的限制，同时为了提高抗侧滚扭杆系统承载稳定性，该抗侧滚扭杆系统整体设计成八字形。主要由扭杆、扭臂、连杆、支撑座关节、扭杆弹性元件和保护套等部件组成，为了减小外界环境对抗侧滚扭杆系统的影响，除金属件表面涂漆外，还设计了不锈钢保护套对其进行保护，见图2。

图2 抗侧滚扭杆系统结构

1.2 扭杆弹性元件

扭杆弹性元件包括1组扭杆推力垫和1件扭杆支撑球铰，产品均是金属与橡胶通过高温、高压硫化而成的弹性元件，分别安装于抗侧滚扭杆系统两内侧，当车体与转向架的相对位移引起扭杆系统连杆上下运动时，扭杆弹性元件会同时承受来自径向、轴向、剪切、扭转4个方向的载荷［2］。

图3 扭杆弹性元件结构

2 复合加载试验简述

弹性元件在车辆实际运行过程中通常会承载多方向的载荷，当多向载荷共同对弹性元件作用时，这种加载模式一般定义为复合加载模式。目前有关弹性元件加载试验的标准主要有中国的TB/T 2843－2007《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》、南车企业标准Q/ CSR 005－2005《机车车辆减振橡胶件》，欧洲标准BS EN 13913－2003《铁路用橡胶弹性元件—基于弹性体的机械部件》、日本工业标准JIS E 4710－1995《铁道机车车辆橡胶隔振器通则》［3］。依据标准的要求，试验室设计出了零件试验与系统试验2种复合加载试验方案，分别如图4和图5所示。

零件试验:零件试验是指将扭杆弹性元件作为一个零件，通过设计专用的试验装置来实现多向载荷同时对产品作用，这种加载方式只能单一的扭杆弹性元件进行组合加载试验，同时对工装设计技术提出了较高的要求。

图4 零件试验

图5 系统试验

系统试验:系统试验是指将扭杆弹性元件作为一个部件安装于抗侧滚扭杆系统中，通过对扭杆系统进行疲劳试验将载荷传递给弹性元件，这种加载方式结构相对简单，但对试验设备的组合加载能力提供了较高的要求。

3 试验研究

3.1 受力分析

扭杆弹性元件受力工况如图6所示，当抗侧滚扭杆系统承受车体相对转向架的侧滚载荷时，使扭杆轴产生扭转位移和径向位移，此时的扭杆支撑球铰会承受径向、扭转、轴向载荷、扭杆推力垫会承受扭转、轴向、剪切载荷，将2个产品受力工况合并，最终整个扭杆弹性元件同时承受的载荷主要有径向、轴向、扭转、剪切4向载荷。

3.2 试验装置及原理

图6 受力工况分析

3.2.1 零件试验

试验装置结构见图7，装配关系见图8。

图7 零件试验装置三维结构图

图8 零件试验装置三维装配图

扭杆弹性元件以组合方式安装于试验装置中，以消除扭转摩擦力，其中竖向油缸1对锁紧外套施加载拉压载荷，实现支撑球铰径向加载以及推力垫剪切加载，采用螺栓锁紧方式实现轴向加载，竖向油缸2施加的扭转载荷通过芯轴传递给扭杆推力垫和支撑球铰，实现扭转加载，其中试验原理见图9。

图9 零件试验原理图

3.2.2 系统试验

试验装置主要由上端圆盘、安装座组成，结构相对简单。其中上端圆盘模拟车体连接部分，安装座模拟转向架构架固定部分，试验装置结构见图10。

图10 系统试验装置三维结构图

扭杆弹性元件以对称方式安装于扭杆系统两侧，通过调整安装座与力臂的相对位置实现轴向加载，设计竖向油缸1和竖向油缸2同时施加一对大小相等、方向相反的力偶对扭杆弹性元件进行径向、剪切、扭转加载，其中试验原理见图11。

图11 系统试验原理图

3.3 试验验证

以某公司研制的双层动车组转向架扭杆弹性元件为例，分别采用零件试验和系统试验2种方案对其疲劳特性进行对比试验，研究在不同试验方案下产品疲劳特性。

3.3.1 零件试验

(1)试验方法

依据《双层动车组扭杆弹性元件技术规范》，轴向加载20 kN，通过螺栓锁紧保持不变，径向加载±20 kN，扭转±11°，同相位，循环加载200万次，频率1.0 Hz，试验完成后观察样品变化情况。

(2)试验结果

200万次疲劳试验后，产品无明显破坏，疲劳试验前后径向与扭转刚度曲线分别见图12和图13。

3.3.2 系统试验

(1)试验方法

依据《双层动车组抗侧滚扭杆系统技术规范》，轴向加载20 kN保持不变，油缸1施加载荷35 kN，油缸2施加－35 kN，频率1 Hz，循环加载200万次，试验完成后观察样品变化情况。

(2)试验结果

200万次疲劳试验后，产品无明显破坏，疲劳试验前后径向与扭转刚度曲线分别图12和图13。

3.4 结果分析

刚度变化率和产品外观是弹性元件疲劳失效主要的评判准则。

刚度变化率:从图12得知产品径向刚度特性呈非线性，且4种工况下的径向刚度变化趋势基本一致，径向刚度值与曲线斜率呈正比，其中零件试验和系统试验产品径向刚度变化率分别为5.67%和4.76%，这表明产品在经过200次疲劳试验后刚度变化率较小，均在设计要求范围内。

产品外观:用目测法观察疲劳后产品外观是评判产品疲劳失效最直接的方法，从图14得知:通过200万次疲劳试验后的扭杆弹性元件，金属与橡胶粘合外无裂纹、橡胶表面无粉末，产品外观无明显破坏。这表明该产品具有较好的疲劳性能，能满足实际装车的要求。

图12 产品疲劳前后径向刚度曲线

图13 产品疲劳前后扭转刚度曲线

图14 疲劳后产品状态

4 结论

(1)通过分析扭杆弹性元件在转向架的安装和结构，设计了零件试验与系统试验2种复合加载试验方案，为同类弹性元件复合加载疲劳试验提供设计参考。

(2)通过2种方案的比对试验，研究表明:2种复合加载试验装置均能按试验条件进行疲劳试验，能完全模拟产品实际运营工况。

(3)研究成果达到了试验设计的目的，可为同类弹性元件研发和试验起指导作用。

［1］ 王文华，冬宋.出口澳大利亚双层动车组转向架研制［J］.铁道车辆，2010，48(5):17-19.

［2］ 彭立群，林达文.一种橡胶弹性组径向、轴向、剪切、扭转4向加载疲劳试验装置:中国，CN 201020136953.8［P］.2010－03－18.

［3］ 彭立群，林达文.轨道车辆抗侧滚扭杆系统3点协调加载试验研究［J］.铁道机车车辆，2013，33(3):49-52.

［4］ 彭立群，林达文.轨道车辆抗侧滚扭杆系统试验研究［J］.铁道机车车辆，2011，31(2):104-106.

［5］ 彭立群，林达文.跨坐式单轨车转向架牵引机构试验设计与研究［J］.铁道机车车辆，2014，34(2):70-73.

［6］ 王进，谭帅霞，林达文.轨道交通橡胶弹性元件配方分析和性能试验技术［M］.北京:中国铁道出版社，2013.

［7］ 刘建勋，卜继玲.轨道车辆转向架橡胶弹性元件应用技术［M］.北京:中国铁道出版社，2012.

［8］ 彭立群.双层动车组扭杆弹性元件技术规范［Z］.株州:株州时代新材料科技股份有限公司.2011.

Experimental Design and Research of the Double EMU Bogie Torsion Elastic Element

PENG Liqun，LIN Dawen，ZHANG Zhiqiang，CHENG Bo，CHEN Gang，WANG Jin
(Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.CSR，Zhuzhou 412007 Hunan，China)

The elastic elements combined loading fatigue testing is an important means to verify the durability.This article briefly analyzes the double EMU bogie structure designed bogie secondary suspension torsion elastic element parts test and test both systems combined loading test program and conducted comparative tests.Studies show that:under both conditions the elastic element has good fatigue properties，the two pilot programs both have the combined loading test function.Research results play a guiding role for the development and testing of rail vehicles elastic element.

EMU;the elastic element;combined loading;experimental research

U270.331+.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.12

1008－7842(2015)02－0051－04

3—)男，工程师(

2014－10－13)