地铁车辆空气弹簧通用性能检测台的研制*

张国富王 颉方 宇李宝明王建兵郭慧明

（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，201620，上海；2.呼和浩特铁路局安监室，010050，呼和浩特；3.上海申通地铁集团有限公司维护保障中心，201100，上海∥第一作者，硕士）

地铁车辆空气弹簧通用性能检测台的研制*

张国富1王 颉2方 宇1李宝明1王建兵3郭慧明3

（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，201620，上海；2.呼和浩特铁路局安监室，010050，呼和浩特；3.上海申通地铁集团有限公司维护保障中心，201100，上海∥第一作者，硕士）

设计研制了地铁车辆空气弹簧通用性能检测台，并对其进行了气密性试验和垂向静刚度试验。该检测台主要由机械系统、气路系统和测控系统组成。试验结果表明，该检测台可满足空气弹簧日常检修过程中的性能测试需要，为地铁车辆检修部门在车辆日常保养和维修过程中判断空气弹簧系统的性能状态提供了有效的检测手段。

地铁车辆；空气弹簧；检测台；列车检修

First-author'saddressCollege of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering Science，201620，Shanghai，China

目前，国内地铁车辆常用的空气弹簧型式多样，且性能差别较大，因此给地铁车辆检修部门的日常检修工作带来诸多不便。当前，地铁车辆维修中普遍缺乏科学、有效的性能检测手段，只能通过目测、手摸和涂抹肥皂水等方法对空气弹簧进行简单的检测，无法从根本上判断空气弹簧是否满足继续使用的要求［1-2］。因此，出于列车运行安全考虑，空气弹簧未到理论使用寿命就强制报废的现象十分严重，造成了巨大的经济浪费。

本研究设计并研制了一种新型地铁车辆空气弹簧通用性能检测台，可以满足地铁车辆多种型号空气弹簧的性能检测需要。试验结果证明，该新型检测台的使用可以有效提高地铁车辆空气弹簧系统的检修效率和检修质量，大幅降低检修成本。

1 检测台功能及组成

1.1 检测台功能

根据车辆空气弹簧检修现场实际需求，结合TB/T 2841—2010《铁道车辆空气弹簧》、EN 13597—2003《铁路应用橡胶悬挂元件、空气悬挂弹簧橡胶模板》和EN 13913—2003《铁路方面使用的合成橡胶基弹性元件合成橡胶基机械部件》等国内外铁路标准文件［3-5］，设计的地铁车辆空气弹簧通用性能检测台具备以下4项功能：①模拟列车空气弹簧实际载荷工况，实现多种形式空气弹簧的装夹和加载功能；②空气弹簧系统气密性检测功能；③空气弹簧系统垂向静刚度试验功能；④空气弹簧系统高度测量功能。

1.2 检测台组成

检测台主要由机械系统、气路系统和测控系统3大部分组成，实物外形见图1。

1.2.1 机械系统

机械系统的主要功能是实现空气弹簧的垂向静载荷施加，其载荷值根据列车实际运行工况（AW0（空载）、AW1（满座）、AW2（额定荷载）、AW3（超载））下空气弹簧实际承受的载荷计算得到。检测台机械结构部分采用从整体到部分，从下到上逐层叠加的设计方法，主要包括六立柱式机械构架、同步传动机构、压力加载机构、通用型空气弹簧充气夹具等部件。根据车辆维修车间的特殊环境状况，该检测台机械结构的总体外形尺寸设计为1.6 m×1.3 m ×2.2 m，质量约为2 t。

图1 地铁车辆空气弹簧通用性检测

目前，国内地铁车辆较为常见的空气弹簧主要有φ500型、SYS 500B型、684 N4.100 P17（R/L）型和7140 N10 P11（R/L）型等［6-7］。由于不同型号空气弹簧的外观尺寸、安装方式和充气方式均不相同，因此该检测台特别设计了一种适用于多种型号空气弹簧夹装、充气和性能测试的通用型夹具。该通用型多功能夹具是本检测台与同类检测设备相比最大的技术创新之一。

此外，考虑到未来地铁车辆的空气弹簧型号还可能增加、空气弹簧的性能检测指标可能增多等因素，本检测台在设计过程中已经预留出相应的设计接口以方便检测台的后续功能开发。

1.2.2 气路系统

检测台气路系统主要用以实现空气弹簧系统的附加空气室功能，采用了集成化、紧凑型的设计思想，主要由承载机架、附加气室、电磁阀组合模块3大部分组成（如图2所示）。其中，根据对目前常用空气弹簧附加空气室容积的调研结果，系统中设计了容积分别为25 L、50 L、75 L 3种型号的附加气室。在性能试验过程中，通过对这3种附加空气室进行不同容积组合，可以基本满足国内地铁车辆所有常用型号空气弹簧的测试要求。

1.2.3 测控系统

测控系统主要功能是根据试验内容控制伺服电机工作，控制气路系统的充排气，采集传感器信号，显示处理数据，实现对空气弹簧系统高度、气密性和垂向静刚度等性能的检测。

图2 附加空气室系统设计示意图

1.2.3.1 硬件系统

测控系统的硬件部分主要包括工业控制计算机、交流伺服电机、传感器、运动控制和数据采集卡等。系统以工业计算机、运动控制卡和数据采集卡为主体，通过外围接口和电缆，连接运动执行机构和各种传感器组成闭环控制系统，达到精确控制和测量的目的。这种控制形式，能够实现实时测量与控制，操作简便，方便参数调整，大大提高了空气弹簧的检测效率。测控系统硬件结构示意图如图3所示。

图3 测控系统硬件结构示意图

1.2.3.2 软件系统

软件系统开发基于图形化编程语言Lab VIEW，采用模块化的编程方式来对每个模块进行独立编制。

根据检测台所需实现的控制功能，软件可以划分为以下5大功能模块：①系统初始化模块；②力加载和充、排气控制模块；③试验数据采集模块；④数据处理模块；⑤数据存储查询模块。

2 检测台使用性能验证

利用该检测台对SYS 500B型空气弹簧进行气密性和刚度试验，并以此对检测台的使用性能和精度进行验证。检测台试验方法严格遵照第1节提出的铁路国家标准和欧洲标准的相关规定进行制订。

2.1 空气弹簧充气状态下的气密性试验

2.1.1 基本试验条件

空气弹簧充气状态下气密性试验的基本条件见表1。

表1 气密性试验基本条件

2.1.2 试验方法

（1）将空气弹簧整体高度保持在标准高度H0（270 mm），充入压力空气，使其胶囊内气压达到1.3 PM（790 kPa）（PM为给空气弹簧系统施加最大垂向静压力时的内压力，即工况AW3时的内压力）保压30 s。

（2）释放胶囊中的部分气体，使气压降低至0.9 PM（550 kPa），保压10 min，测量该保压过程最后5 min的胶囊内的气压下降数值。

2.1.3 试验结果分析

SYS 500B型空气弹簧气密性试验结果如图4所示。

图4 SYS 500B型空气弹簧气密性试验结果

由测算得，最后5 min的气压下降值为10.507 kPa，小于15 kPa，所以该空气弹簧的气密性指标合格。

2.2 空气弹簧充气状态下的垂向静刚度试验

2.2.1 基本试验条件

空气弹簧充气状态下垂向静刚度试验的基本试验条件见表2。试验所施加的垂向载荷根据空气弹簧在列车运行中的实际情况确定。空气弹簧垂向静刚度值的判定标准如表3所示。

表2 垂向静刚度试验基本条件

表3 SYS500B型空气弹簧在不同载荷工况下的垂向静刚度值标准 N/mm-1

2.2.2 试验方法

（1）将空气弹簧整体高度保持在H0（270 mm），充入压力空气，使空气弹簧的载荷达到AW3载荷工况（120 k N），在该载荷状态下以最大位移± 10 mm循环预压缩5次；

（2）第5次压缩循环后，在AW3载荷工况（120 k N）载荷下保压15 min；

（3）再次将空气弹簧系统调整并保持在标准高度H0（270 mm）；

（4）分别在AW3载荷工况（120 kN）、AW2载荷工况（90 k N）、AW1载荷工况（60 k N）和AW0载荷工况（45 k N）下对各个载荷点进行压缩和拉伸试验，每个工况在测试前需压缩预循环3次；

（5）记录各个工况下的载荷位移数据，并绘制载荷位移（F-d）曲线，计算各工况下的垂向静刚度值；

（6）载荷加载应以降序进行，不同振幅以升序进行测试，两相邻载荷的测试间隔为2～3 min。

2.2.3 试验结果分析

SYS 500B型空气弹簧垂向静刚度试验结果，如表4、图5所示。

表4 SYS500B型空气弹簧系统在不同载荷工况下的垂向静刚度试验数据

图5 SYS 500B型空气弹簧垂向静刚度

将表4中的垂向静刚度试验数据与表3中的标准数值进行对比分析。对比结果表明，被试件在120 k N、90 k N、60 k N、45 kN 4种载荷下的垂向静刚度值均符合规定，所以该空气弹簧的垂向静刚度指标合格。

2.3 测试结论

整个测试过程中，空气弹簧性能测试系统运行正常，未发现异常现象；测试数据与该型空气弹簧出厂型式试验数据进行对比，所有数据均符合标准要求。因此，可以证明该地铁车辆空气弹簧性能通用检测台性能稳定、可靠，可以满足地铁空气弹簧性能检测要求。

3 结语

地铁车辆空气弹簧通用性能检测台，通过设计一种特殊的通用型夹具和气路系统，可以满足国内地铁车辆多种常用型号空气弹簧的可靠夹装和多项性能参数的检测需求。使用性能测试表明，该通用型检测台系统稳定可靠，测试数据精确，整体性能良好。

与传统的地铁车辆维修行业所运用的空气弹簧检修手段相比，本空气弹簧通用性能检测台的使用为地铁车辆空气弹簧提供了科学有效的性能检测方法。目前，该检测台已在车辆维修企业正式得以应用，如能进一步得以推广应用，将为车辆维修企业日常维护、保养工作效率的提高，以及维修成本的降低做出更大贡献。

［1］ 赵云生，宋志强，王黎明.空气弹簧检修试验台［J］.铁道车辆，2000，34（4）：31.

［2］ 张寒星，刘希鹏，阳艳，等.接地装置弹簧压力试验台［J］.铁道车辆，2008，46（10）：34.

［3］ TB/T 2841—2010铁道车辆空气弹簧［S］.

［4］ EN 13597—2003铁路应用橡胶悬挂元件空气悬挂弹簧橡胶模板［S］.

［5］ EN 13913—2003铁路方面使用的合成橡胶基弹性元件合成橡胶基机械部件［S］.

［6］ 郭荣生.SYS系列空气弹簧的开发和应用［J］.铁道车辆，1999，11（37）：1.

［7］ 张广世.地铁转向架空气弹簧试验研究［J］.铁道车辆，2000，12（38）：81.

［8］ 朱晓娟，王建兵，郭慧明，等.地铁车辆空气弹簧通用性能检测台机械结构设计［J］.城市轨道交通研究，2012（1）：37.

Manufacture of Universal Air Spring Performance Test Bench for Metro Vehicle

Zhang Guofu，Wang Jie，Fang Yu，Li Baoming，Wang Jianbing，Guo Huiming

Auniversal performance test bench for metro vehicle air spring has been designed，manufactured，and passed both the gas leakage test and the vertical static stiffness test.The test bench mainly consists of mechanical system，pneumatic system，measurement and control system.The experimental results show that the test bench has completely met the needs of air spring performance test in the process of daily maintenance，in addition，it has also provided an effective detection means for metro vehicle department to judge the performance of air spring system in the daily maintenance process.

metro vehicle；air spring；test bench；train's overhaul

U 270.7：U 270.331+.4

2013-08-14）

*上海市教育委员会科研创新项目（12YZ150）