磁浮車輛用層狀彈簧結構創新設計研究

摘要：針對磁浮車輛用層狀彈簧現有結構垂向剛度調整受限的問題，提出了一種通過設計調節孔的方式調整層狀彈簧垂向剛度值的方法，并對創新設計的結構進行了介紹。同時通過有限元仿真分析方法研究了調節孔的內徑、數量以及間距對于層狀彈簧產品垂向剛度的影響規律，為磁浮車輛用層狀彈簧產品及其類似產品的設計制造提供參考借鑒。

Abstract： Aiming at the problem that the vertical stiffness adjustment of the existing layered springs for maglev vehicles is limited， a method for adjusting the vertical stiffness of the layered springs by designing adjustment holes is proposed， and the innovatively designed structure is introduced. At the same time， through the finite element simulation analysis method， the influence of the inner diameter， number and spacing of the adjusting holes on the vertical stiffness of the layered spring product is studied， which provides a reference for the design and manufacture of the layered spring product for maglev vehicles and similar products.

關鍵詞：層狀彈簧;調節孔;磁浮車輛;垂向剛度

Key words： layered spring;adjustment hole;maglev vehicle;vertical stiffness

中圖分類號：U260? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0012-03

0? 引言

近年來磁懸浮車輛的大力發展，不同速度等級的磁懸浮車輛先后投入市場進行載客運營。中國磁懸浮市場處于高速發展階段，各主機廠對磁浮新車型各系懸掛部件的開發進度、開發成本、產品質量以及安全風險提出了更高的要求。磁懸浮車輛懸浮架中的空間相較其他軌道交通車輛要小很多，且對空氣彈簧橫向位移的要求較小。所以多選用較小的腰帶式氣囊加層狀輔助彈簧結構產品。由于高度空間和圓周空間限制，目前層狀彈簧是磁浮車輛用輔助彈簧中使用較廣泛的一種。磁浮車輛的運營方式要求在懸掛系統垂向方向有較小的垂向剛度，縱向方向允許有較大的位移，而對橫向位移能力要求較小，磁浮車輛無氣運營時垂向剛度主要靠層狀輔助彈簧來承擔。

關于磁浮車輛減振部件及輔助彈簧產品，國內外學者做過大量研究。如2002年，尹力明[1]等人研究介紹了模式空氣彈簧在八達嶺示范線中低速磁浮車上的應用情況。2007年，盧建[3]等人研究提出了一種新型磁懸浮列車空氣彈簧懸掛結構的設計方案，并進行了仿真驗證。2012年，石軍[3]等人研究了新型中低速磁浮列車空氣彈簧的設計、仿真分析及試驗情況。2018年，葉特[4]研究介紹了空氣彈簧輔助彈簧的結構類型及設計。2020年，陳清化[5]等人研究了磁浮車輛用腰帶式氣囊的結構參數對性能的影響。同年，陳清化[6]等人研究了軌道交通車輛錐形輔助彈簧結構參數對于產品性能的影響規律。同年，Tadanobu IIDA[7]等人研究建立了鐵道車輛無氣空氣彈簧仿真模型，并進行了仿真和試驗驗證。2021年，陳志賢[8]等人研究了高速磁浮車輛空氣彈簧輔助彈簧剛度及軌道不平順幅值對高速磁懸浮車輛動力學性能的影響。

而當前磁浮車輛在高度空間限制的情況下，現有的層狀彈簧垂向剛度值難以進行優化降低。為實現在限定的高度和圓周空間范圍內降低層狀彈簧的垂向剛度值，提出一種新的層狀彈簧創新結構設計方法。

1? 層狀彈簧介紹

1.1 結構介紹

磁浮車輛用層狀彈簧通常設計結構如圖1所示由頂板、底板、隔板和橡膠硫化而成。頂板和底板用于定位和連接。通常為保證層狀彈簧頂板和底板不會被車輛載荷壓壞以及方便與車輛其它結構連接，通常頂板的設計厚度一般不低于20mm，底板的設計厚度均需不低于10mm，特殊情況除外。隔板將橡膠分隔成多層，通常根據層狀彈簧總高度確定橡膠膠層數量，考慮散熱和穩定性需求，通常單層橡膠設計厚度不超過60mm，一般設計層數不超過5層，特殊要求除外。

1.2 技術要求

為便于層狀彈簧產品安裝要求，需要滿足產品總高度尺寸要求和極限載荷下的高度要求。圓周方向上為了避免與其他部件產生干涉，需要考慮極限位移下圓周空間尺寸要求，此處通?？梢酝ㄟ^設計頂板和底板的圓周尺寸來保證。而層狀彈簧與其它部件的接口尺寸通常主要通過頂板和底板尺寸保證。為滿足車輛無氣安全運行要求，層狀彈簧主要需要考慮單獨支撐車體運營時垂向方向需要考慮垂向剛度值滿足要求，橫向及圓周方向需要考慮可提供的橫向力需要滿足要求。另外磁浮車輛的發展對于產品減重也有相應的要求。

1.3 性能及問題介紹

層狀彈簧在車輛過彎道時提供的橫向力主要靠與其頂板連接的磨耗板的性能提供。而無氣運營時的平穩性主要由層狀彈簧垂向靜態剛度影響。磁浮車輛中可供層狀彈簧安裝及運用的尺寸空間有限。而層狀彈簧的垂向剛度通常與橡膠層外徑、橡膠層厚度、橡膠層內徑以及橡膠層層數有較大的關聯。因磁浮車輛中可用于層狀彈簧的高度非常小，而頂板和底板有最低厚度要求和外徑尺寸限制，則用于橡膠的厚度及隔板的層數的調整空間非常少，同時為了滿足產品的出模和運行變形要求，橡膠層的內徑可調空間有限。層狀彈簧的性能主要靠橡膠3的結構來實現。對于磁浮車輛來說，允許層狀彈簧的高度空間有限，而隔板由于金屬材料屬性，由于散熱需要，隔板的厚度一般不小于4mm。在高度空間受限情況下，層狀彈簧膠層厚度直接影響產品的垂向剛度。在高度方向設計膠層時，考慮到橡膠產品的疲勞特性，通常選擇等膠層厚度的設計。因此在高度空間確定的情況下，層狀彈簧膠層厚度和層數基本可以確定。

對于標準的環形斷面層狀彈簧結構，產品的垂向剛度經驗公式如下所示：

其中k1為垂向剛度，Ac為橡膠的承載面積，Af為橡膠的自由面積，μ為垂向形狀系數，n為橡膠層數，h為橡膠每層厚度，S為面積比，E為彈性模量。

一般情況下通過調整層狀彈簧的內徑和外徑大小來調節層狀彈簧的承載面積和橡膠所剩自由面積，調整其垂向形狀系數，從而改變產品的垂向剛度。在空間高度和圓周空間受限的情況下，可通過擴大內孔的方式調整剛度。但考慮層狀彈簧穩定性及疲勞特性要求，通常膠層徑向厚度不應小于圓周直徑的45%，剛度調整范圍存在一定的局限性，無法繼續降低剛度。

2? 新結構設計分析

2.1 新結構介紹

為進一步調節性能，在磁浮車輛用層狀彈簧原結構基礎上設計調節孔用于垂向剛度的調節。設計結構如圖1所示由頂板、底板、隔板和橡膠硫化而成，然后從頂板往下開設調節孔至底板上表面。為保證產品的平衡特性，調節孔的數量建議為偶數，形狀為近似圓柱形，布置方式為均布對稱結構。

2.2 垂向剛度性能影響規律研究

通過設計調節孔來調節層狀彈簧的垂向剛度的變化，其中調節孔孔徑大小、調節孔的數量以及調節孔的間距對產品的垂向剛度性能都可能產生影響。因開設調節孔的方式改變了產品的結構，上述垂向剛度經驗公式無法適用，則可以借助有限元仿真分析的方式進行性能變化趨勢的分析。

如圖3所示層狀彈簧在橡膠內孔無法繼續增大的情況下，在圓周方向設計了兩個和四個調節圓孔結構通過Abaqus6.14-1軟件進行仿真分析。

首先對原結果和開調節孔的結構進行仿真對比分析，保持結構和橡膠參數不變，兩孔和四孔模型的孔徑和孔間距都相等，仿真計算的曲線如圖4所示。通過仿真分析得到層狀彈簧垂向剛度在未開孔產品基礎上可降低至少10%以上。且開孔的數量對垂向剛度值的影響較大。在調節孔內徑和間距一定的情況下，調節孔的數量越多，產品的垂向剛度值越小。但因產品穩定性和疲勞壽命的需要，不能無限制對產品進行開調節孔。

在調節孔的尺寸和數量一定的情況下，改變調節孔間距的大小。仿真計算結果如圖5所示。從仿真案例分析結果可看出調整孔的間距尺寸在一定的范圍內變化對調節垂向剛度無影響。

在調節孔的數量和中心間距一定的情況下，改變調節孔內徑的大小。仿真計算結果如圖6所示。從仿真案例分析結果可看出調整孔內徑尺寸越大對應的垂向剛度值越小。

如圖6分析可知調節孔對于層狀彈簧垂向剛度值有一定的影響，調節孔的最大深度可為貫穿頂板、橡膠層和隔板，允許進入底板，考慮到空氣彈簧充氣時的工作狀態要求調節孔不可貫穿底板?？紤]產品的使用疲勞特性，所有的調節孔孔深需要保持一致。

3? 結論

本文介紹了磁浮車輛用層狀彈簧的常用結構和創新結構特征，提出了一種通過設計調節孔的方式調整層狀彈簧垂向剛度值的方法，并通過有限元仿真分析探索了調節孔的內徑、數量以及間距對于層狀彈簧產品垂向剛度的影響規律。調節孔的孔間距對于垂向剛度的影響較小;調節孔的孔徑和數量對垂向剛度的影響較大，其中孔徑越大，產品的垂向剛度越小;相同孔徑的調節孔數量越大，產品的垂向剛度值越小?？蔀榇鸥≤囕v用層狀彈簧的產品設計制造提供參考借鑒。

上述分析過程未考慮不同橡膠材料對于結構和性能的影響，同時未考慮對產品疲勞壽命等方面的影響，后續待進一步研究。

參考文獻：

[1]尹力明，趙志芬.空氣彈簧在磁懸浮列車上的應用研究[J].機車電傳動，2002（5）：28-30.

[2]盧建，趙志芬.一種新型磁懸浮列車空氣彈簧懸掛結構的設計分析[J].機電工程技術，2007，36（11）：59-61，105.

[3]石軍，劉少義，許恒波，等.中低速磁浮列車用新型空氣彈簧的研制[J].鐵道車輛，2012，50（7）：18-21.

[4]葉特.中國標準動車組用空氣彈簧的研制[D].成都：西南交通大學，2018.

[5]陳清化，周軍，王玉輝，等.磁浮車輛用腰帶式氣囊的結構參數化設計研究[J].鐵道機車車輛，2020，40（3）：77-80.

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[7]Tadanobu IIDA，等.空氣彈簧在無氣狀態下鐵道車輛仿真模型的建立[J].國外鐵道車輛，2020，57（5）：29-34.

[8]陳志賢，徐浩，李忠繼，等.高速磁浮列車二系懸掛參數及軌道不平順幅值研究[J].鐵道標準設計，2021，65（7）：1-8.