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铁路与轨道交通 |
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现代轨道交通用弹性元件的开发与应用 |
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作者：杨军 陈忠海 |
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摘要：介绍了现代轨道交通中几种减振降噪弹性元件和关键技术的持续改进工作。
关键词：轨道交通，弹性元件，减振，降噪
概述
随着我国铁路运输朝着高速、重载方向快速发展，机车车辆的振动和噪声问题越来越突出，目前国内采取的对策是：
（1） 改刚性齿轮驱动为弹性驱动，改刚性悬挂为弹性悬挂，增加弹性定位系统，采用全悬挂，以改善高速通过性能、减少结构疲劳；
（2） 优化走行系统弹性参数配置，提高“蛇行运动临界速度”；
（3） 加大悬挂系统“静挠度”和“当量吊杆长度”， 保证平衡性能指标；
（4） 在保证机车车辆运行平稳的前提下，实现转向架最大限度的轻量化，尤其要尽可能降低“簧下质量”， 缓和轮轨冲击，以降低铁路的建设维护保养费用。
为此要大量应用高品质减振弹性元件来有效减少轮轨作用力和改善系统走行性能。株洲时代新材料科技股份有限公司（以下简称时代新材）伴随着中国列车提速的发展而发展，根据用户要求，不断研究和开发新型橡胶弹性元件。目前公司所生产的弹性元件不仅在国内机车车辆中拥有最大的市场占有率，而且产品远销欧美等发达国家。
1 现有的弹性元件产品
时代新材所生产的橡胶弹性元件广泛应用于机车、客车、货车、线路以及各类工程机械装置上，主要起悬挂、牵引、隔振、缓冲的作用，共有500 多个品种。
2 产品的改进工作
时代新材2002 年在国家“863”计划和“十五攻关”的资助下，与华南理工大学和北京化工大学积极合作，对轴箱弹簧的耐蠕变问题、柔性关节的耐疲劳问题、空气弹簧的耐老化问题开展了相应的研究改进工作，取得了突破性的进展。
（1）轴箱弹簧的蠕变问题
图 1 轴箱弹簧（左：锥型弹簧，右：V 型弹簧）
轴箱弹簧（见表 1）主要用于地铁城轨车的一系悬挂，通过调整结构和橡胶配方，能够同时满足垂向、横向和纵向三个方向的不同的刚度要求，同时有效地降低磨损，隔离噪音。由于须承受较大的周向剪切和垂向压缩变形，因此产品的抗蠕变性能成为衡量技术水平的主要标志。国外 Dunlop、Phonex 等公司已具有成熟技术，而国内相对较为落后。以某型 V 型弹簧为例，其承载 P=3500kg 时的垂向静挠度为 f=41.2mm，5 年内蠕变一般要求控制在产品静挠度20%以内，即8.24mm。研究表明V 型弹簧使用 3 天以后的蠕变约占5 年总蠕变量的70%。因 此可用静压 3 天的蠕变与静挠度的比值δ来大体评价V 型弹簧蠕变的情况。由表1 可见，产品改进后，其3 天蠕变量得到了显著降低，甚至优于进口产品。表 1 V 型弹簧静压 3 天的δ值
 2.2 柔性关节的耐疲劳问题
图 2 柔性关节
柔性关节（也称橡胶球铰）在现代机车车辆中代替传统的刚性关节，具有降低振动与噪声、无磨耗、长寿命等特点。此类产品的关键技术在于抗疲劳性能，一些使用条件苛刻（ 大变形或高频率）的 关节类橡胶制品，一 直是发达国家同行业公司的核心产品，国内这方面技术比较落后，时代新材在前几年也作了许多尝试，但结果一直不甚理想。
现在，利用炭黑的原位接枝改性和纳米复合技术，在不改变原配方的基础上即可大幅度提高产品的疲劳寿命，如表2 所示，改进样品不仅超过了美国标准，而且显著优于美国样品。目前该工作已经得到了美国客户的认可。表 2 Handrickson 球铰的性能改进
 2.3 空气弹簧的耐老化问题
空气弹簧（图 3）是一种应用于高速列车二系悬挂的低频减振弹性元件，工作行程完全靠气囊的变形获得。橡胶气囊使用时，内外层胶因周向和径向始终处于反复伸缩状态，对耐屈挠性要求很高；此外，剧烈变形和材料之间内摩擦产生的热量也恶化了胶料的使用条件，影响了空气弹簧的耐老化性能。
图 3 几种规格的空气弹簧
时代新材 2002 年采用新的胶种并辅以原位接枝改性技术后，胶料性能完全达到国外公司的标准，特别是耐老化和耐屈挠龟裂两项主要性能，比时代新材以前配方有显著地提高，表明空气弹簧的使用寿命将会有大的改善。表 3 空气弹簧胶料性能比较
 3 目前新开发的几种产品
3.1 非线性减振器
该类弹性元件（见图4）的特点是无磨耗，免维护，垂向挠度大（大于50mm），能够在空车、重载以及低速、高速等不同的使用工况下有效地保证良好的运行舒适度，隔振性能好，三向刚度匹配，减少轮轨冲击和磨耗，结构紧凑，简化转向架的构件，降低成本等。非线性减振器可应用于货车、客车（160km/h 以下）、地铁、轻轨等车辆转向架的轴箱，起悬挂、定位和减振等作用。
图 4 非线性橡胶弹性元件
（左：液体复合弹簧 右：滚环弹簧）
3.2 抗侧滚扭杆系统
时代新材开发的抗侧滚扭杆（图5）采用橡胶关节代替了原先的刚性连接，能够有效地隔离构架与车体间振动和噪声传递，整个结构实现了无磨耗，免维护，连杆采用滚压工艺，增加了扭杆强度，简化了加工工艺，与转臂间改花键连接为过盈连接。产品完全按照UIC 标准生产，并且通过了1000 万次疲劳载荷的考核。
图 5 抗侧滚扭杆
3.3 弹性胶泥车钩缓冲器
弹性胶泥缓冲器（图6）最先用于进口的军事装备，通过研究开发，目前已比较成熟，并已应用在民用品上。该类车钩缓冲器利用可进行压缩的未硫化硅橡胶作为工作介质，具有阻抗力小、容量大、吸收率高、体积小、重量轻、结构紧凑、检修周期长（可达10 年以上）、高低温性能好（150200℃）、老化性能好，并兼有传统橡胶缓冲器和液压缓冲器的优点，克服了传统橡胶缓冲器吸收率低和液压结构复杂的缺点，能够显著提高高速列车的纵向舒适度。
图 6 弹性胶泥车钩缓冲器
4 结语
橡胶基减振降噪制品目前在国内外的应用非常广泛，由 于橡胶在很宽的温度范围内具有独特的粘弹行为，不仅可以通过弹性形变来吸收储存冲击能量，还可以通过分子链相对运动而大幅度地消耗能量，从而改善环境和提高乘车舒适性，这种能力是任何其它材料所不具备的。因此降低轨道交通的内外部的振动和噪声，大量使用高品质的橡胶基减振降噪制品是一条必由之路。
*国家“ 863 计划”资 助项目（ 2001AA334010）和 国家“ 十五”重 点攻关项目（ 2001BA310A12）
作者单位：株洲时代新材料科技股份有限公司(end)
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(3/7/2006) |
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