转向架轴箱弹簧缓冲橡胶垫优化结构分析

转向架转臂式一系轴箱定位系统是目前铁路客车转向架普遍采用的一种定位方式。通过调研目前既有的动车组及高速客车转向架结构，在轴箱弹簧下设置缓冲橡胶垫是较通用的做法。某型客车转向架轴箱弹簧在车辆出厂后40～60万km期间轴箱弹簧批量发生折损故障，在解决该问题的过程中对轴箱弹簧缓冲垫的结构进行了研究。下文以该型转向架一系钢簧结构优化项目为依托，对转向架轴箱钢簧下设置缓冲橡胶垫结构进行了仿真分析和试验验证研究。转向架增设缓冲橡胶垫后的一系悬挂结构如图1所示。

图1 带缓冲橡胶垫的转向架一系结构

1 缓冲橡胶垫结构仿真分析

在仿真分析之前，测试了多组橡胶垫在不同频率下的刚度、阻尼特性和材料特性，依据试验数据建立了橡胶垫的数学模型，进而建立了原车动力学模型和一系橡胶垫车辆的动力学模型。在此基础上对比分析了车辆在有、无缓冲橡胶垫工况下，车辆的安全性、平稳性、舒适度以及轴箱到构架的振动传递等指标。分析评估主要依据GB 5599—1985 《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》及UIC 513—1994 《铁路车辆乘坐舒适性评估》。

仿真分析取恒定计算速度160 km/h，包括3种轨道激励，分别为左右轨同步方向不平顺、左右轨同步高低不平顺、左右轨方向和高低复合不平顺，每段激励长222 m。工况种类为8种(即1 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz)，激励幅值为5 mm。通过仿真分析，得出如下结论：

(1)橡胶垫在中高频激励工况对振动传递的阻隔效果较好(见图2)。轴箱处的振动在经过橡胶垫串联钢簧之后得到有效衰减，尤其是在中高频区域，当施加随机轨道激励谱时，高频成分的激励将会有效衰减。增加钢簧橡胶垫车辆的构架垂向振动加速度在15～20 Hz段改善83.7%～90.8%。低频区域，由于橡胶刚度小，阻尼大，导致串联钢簧后隔振性能略差。

图2 构架处垂向振动加速度对比

(2)有橡胶垫车辆的一系钢弹簧中高频受力有明显改善(见图3)，构架垂向振动加速度在中高频有明显衰减。

图3 轴箱弹簧受力对比

(3)有橡胶垫车辆在中频范围具有更好的舒适性，抗倾覆性略优于无橡胶垫车辆。

(4)脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等指标影响不大，有橡胶垫结构性能指标略高于无橡胶垫车辆，但是均在标准规定的限度内。

2 缓冲橡胶垫结构试验验证

为进一步验证设置缓冲橡胶垫对轴箱弹簧受力及动力学性能的影响，对有无缓冲橡胶垫结构的车辆进行了专项对比线路试验(见图4)。根据仿真计算结果，主要测试项点为车辆平稳性、构架横向稳定性、轴箱至构架振动传递、轴箱至钢簧振动传递。

图4 试验准备

试验选取有轴箱弹簧缓冲橡胶垫车辆(以下简称“加垫车”)和无轴箱弹簧缓冲橡胶垫车辆(以下简称“不加垫车”)各1辆。试验前检查两车技术状态良好，车轮最大径向跳动量加垫车(约为0.460 6 mm)大于不加垫车(约为0.398 2 mm)。试验测试了轴箱、构架和车体的加速度及钢簧应变，根据试验数据从平稳性、构架横向稳定性、振动传递及抗冲击特性几个方面来对比分析缓冲垫缓冲效果，测试结果如下：

(1)平稳性。取枕梁加速度，依据GB 5599—1985标准计算平稳性，成都至广州区间两试验车全程平稳性指标均小于2.5，平稳性曲线如图5所示。

图5 平稳性曲线

(2)构架横向稳定性。取构架端部横向加速度，对其3～9 Hz带通滤波，不加垫车稳定性较加垫车略差，主要是由于车轮跳动等车辆状态差异导致。

(3)轴箱至构架振动传递。取轴箱和构架垂向加速度，截取某典型区段数据(见图6)，从时域及频域角度对比轴箱到构架振动传递情况。从时域信号来看加垫车轴箱振动总体大于不加垫车，但加垫车构架端部振动总体小于不加垫车，故加垫车较不加垫车轴箱振动传递至构架衰减更多。

图6 轴箱和构架加速度全程时域图

(4)轴箱至钢簧振动传递。截取典型区段的轴箱垂向加速度和钢簧应力，求取不同滤波范围下的均方根值。统计不同滤波范围下钢簧应力均方根值/轴箱加速度均方根值，得出在1～300 Hz频率范围内单位轴箱力下的钢簧变形量，加垫车比不加垫车小33%。

3 总结

仿真分析和试验验证结果均表明，转向架轴箱弹簧下设置缓冲橡胶垫可有效衰减轴箱高频振动，并降低轴箱弹簧高频状态下的受力，对动力学性能影响较小。该型转向架在控制弹簧制造质量和增加缓冲垫结构后，经过约4年的运用考核，未发生轴箱弹簧批量折损故障，该问题得以彻底解决。□