磁浮车辆用层状弹簧结构创新设计研究

摘要：针对磁浮车辆用层状弹簧现有结构垂向刚度调整受限的问题，提出了一种通过设计调节孔的方式调整层状弹簧垂向刚度值的方法，并对创新设计的结构进行了介绍。同时通过有限元仿真分析方法研究了调节孔的内径、数量以及间距对于层状弹簧产品垂向刚度的影响规律，为磁浮车辆用层状弹簧产品及其类似产品的设计制造提供参考借鉴。

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.

关键词：层状弹簧;调节孔;磁浮车辆;垂向刚度

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

中图分类号：U260                                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）11-0012-03

0  引言

近年来磁悬浮车辆的大力发展，不同速度等级的磁悬浮车辆先后投入市场进行载客运营。中国磁悬浮市场处于高速发展阶段，各主机厂对磁浮新车型各系悬挂部件的开发进度、开发成本、产品质量以及安全风险提出了更高的要求。磁悬浮车辆悬浮架中的空间相较其他轨道交通车辆要小很多，且对空气弹簧横向位移的要求较小。所以多选用较小的腰带式气囊加层状辅助弹簧结构产品。由于高度空间和圆周空间限制，目前层状弹簧是磁浮车辆用辅助弹簧中使用较广泛的一种。磁浮车辆的运营方式要求在悬挂系统垂向方向有较小的垂向刚度，纵向方向允许有较大的位移，而对横向位移能力要求较小，磁浮车辆无气运营时垂向刚度主要靠层状辅助弹簧来承担。

关于磁浮车辆减振部件及辅助弹簧产品，国内外学者做过大量研究。如2002年，尹力明[1]等人研究介绍了模式空气弹簧在八达岭示范线中低速磁浮车上的应用情况。2007年，卢建[3]等人研究提出了一种新型磁悬浮列车空气弹簧悬挂结构的设计方案，并进行了仿真验证。2012年，石军[3]等人研究了新型中低速磁浮列车空气弹簧的设计、仿真分析及试验情况。2018年，叶特[4]研究介绍了空气弹簧辅助弹簧的结构类型及设计。2020年，陈清化[5]等人研究了磁浮车辆用腰带式气囊的结构参数对性能的影响。同年，陈清化[6]等人研究了轨道交通车辆锥形辅助弹簧结构参数对于产品性能的影响规律。同年，Tadanobu IIDA[7]等人研究建立了铁道车辆无气空气弹簧仿真模型，并进行了仿真和试验验证。2021年，陈志贤[8]等人研究了高速磁浮车辆空气弹簧辅助弹簧刚度及轨道不平顺幅值对高速磁悬浮车辆动力学性能的影响。

而当前磁浮车辆在高度空间限制的情况下，现有的层状弹簧垂向刚度值难以进行优化降低。为实现在限定的高度和圆周空间范围内降低层状弹簧的垂向刚度值，提出一种新的层状弹簧创新结构设计方法。

1  层状弹簧介绍

1.1 结构介绍

磁浮车辆用层状弹簧通常设计结构如图1所示由顶板、底板、隔板和橡胶硫化而成。顶板和底板用于定位和连接。通常为保证层状弹簧顶板和底板不会被车辆载荷压坏以及方便与车辆其它结构连接，通常顶板的设计厚度一般不低于20mm，底板的设计厚度均需不低于10mm，特殊情况除外。隔板将橡胶分隔成多层，通常根据层状弹簧總高度确定橡胶胶层数量，考虑散热和稳定性需求，通常单层橡胶设计厚度不超过60mm，一般设计层数不超过5层，特殊要求除外。

1.2 技术要求

为便于层状弹簧产品安装要求，需要满足产品总高度尺寸要求和极限载荷下的高度要求。圆周方向上为了避免与其他部件产生干涉，需要考虑极限位移下圆周空间尺寸要求，此处通常可以通过设计顶板和底板的圆周尺寸来保证。而层状弹簧与其它部件的接口尺寸通常主要通过顶板和底板尺寸保证。为满足车辆无气安全运行要求，层状弹簧主要需要考虑单独支撑车体运营时垂向方向需要考虑垂向刚度值满足要求，横向及圆周方向需要考虑可提供的横向力需要满足要求。另外磁浮车辆的发展对于产品减重也有相应的要求。

1.3 性能及问题介绍

层状弹簧在车辆过弯道时提供的横向力主要靠与其顶板连接的磨耗板的性能提供。而无气运营时的平稳性主要由层状弹簧垂向静态刚度影响。磁浮车辆中可供层状弹簧安装及运用的尺寸空间有限。而层状弹簧的垂向刚度通常与橡胶层外径、橡胶层厚度、橡胶层内径以及橡胶层层数有较大的关联。因磁浮车辆中可用于层状弹簧的高度非常小，而顶板和底板有最低厚度要求和外径尺寸限制，则用于橡胶的厚度及隔板的层数的调整空间非常少，同时为了满足产品的出模和运行变形要求，橡胶层的内径可调空间有限。层状弹簧的性能主要靠橡胶3的结构来实现。对于磁浮车辆来说，允许层状弹簧的高度空间有限，而隔板由于金属材料属性，由于散热需要，隔板的厚度一般不小于4mm。在高度空间受限情况下，层状弹簧胶层厚度直接影响产品的垂向刚度。在高度方向设计胶层时，考虑到橡胶产品的疲劳特性，通常选择等胶层厚度的设计。因此在高度空间确定的情况下，层状弹簧胶层厚度和层数基本可以确定。

对于标准的环形断面层状弹簧结构，产品的垂向刚度经验公式如下所示：

其中k1为垂向刚度，Ac为橡胶的承载面积，Af为橡胶的自由面积，μ为垂向形状系数，n为橡胶层数，h为橡胶每层厚度，S为面积比，E为弹性模量。

一般情况下通过调整层状弹簧的内径和外径大小来调节层状弹簧的承载面积和橡胶所剩自由面积，调整其垂向形状系数，从而改变产品的垂向刚度。在空间高度和圆周空间受限的情况下，可通过扩大内孔的方式调整刚度。但考虑层状弹簧稳定性及疲劳特性要求，通常胶层径向厚度不应小于圆周直径的45%，刚度调整范围存在一定的局限性，无法继续降低刚度。

2  新结构设计分析

2.1 新结构介绍

为进一步调节性能，在磁浮车辆用层状弹簧原结构基础上设计调节孔用于垂向刚度的调节。设计结构如图1所示由顶板、底板、隔板和橡胶硫化而成，然后从顶板往下开设调节孔至底板上表面。为保证产品的平衡特性，调节孔的数量建议为偶数，形状为近似圆柱形，布置方式为均布对称结构。

2.2 垂向刚度性能影响规律研究

通过设计调节孔来调节层状弹簧的垂向刚度的变化，其中调节孔孔径大小、调节孔的数量以及调节孔的间距对产品的垂向刚度性能都可能产生影响。因开设调节孔的方式改变了产品的结构，上述垂向刚度经验公式无法适用，则可以借助有限元仿真分析的方式进行性能变化趋势的分析。

如图3所示层状弹簧在橡胶内孔无法继续增大的情况下，在圆周方向设计了两个和四个调节圆孔结构通过Abaqus6.14-1软件进行仿真分析。

首先对原结果和开调节孔的结构进行仿真对比分析，保持结构和橡胶参数不变，两孔和四孔模型的孔径和孔间距都相等，仿真计算的曲线如图4所示。通过仿真分析得到层状弹簧垂向刚度在未开孔产品基础上可降低至少10%以上。且开孔的数量对垂向刚度值的影响较大。在调节孔内径和间距一定的情况下，调节孔的数量越多，产品的垂向刚度值越小。但因产品稳定性和疲劳寿命的需要，不能无限制对产品进行开调节孔。

在调节孔的尺寸和数量一定的情况下，改变调节孔间距的大小。仿真计算结果如图5所示。从仿真案例分析结果可看出调整孔的间距尺寸在一定的范围内变化对调节垂向刚度无影响。

在调节孔的数量和中心间距一定的情况下，改变调节孔内径的大小。仿真计算结果如图6所示。从仿真案例分析结果可看出调整孔内径尺寸越大对应的垂向刚度值越小。

如图6分析可知调节孔对于层状弹簧垂向刚度值有一定的影响，调节孔的最大深度可为贯穿顶板、橡胶层和隔板，允许进入底板，考虑到空气弹簧充气时的工作状态要求调节孔不可贯穿底板。考虑产品的使用疲劳特性，所有的调节孔孔深需要保持一致。

3  结论

本文介绍了磁浮车辆用层状弹簧的常用结构和创新结构特征，提出了一种通过设计调节孔的方式调整层状弹簧垂向刚度值的方法，并通过有限元仿真分析探索了调节孔的内径、数量以及间距对于层状弹簧产品垂向刚度的影响规律。调节孔的孔间距对于垂向刚度的影响较小;调节孔的孔径和数量对垂向刚度的影响较大，其中孔径越大，产品的垂向刚度越小;相同孔径的调节孔数量越大，产品的垂向刚度值越小。可为磁浮车辆用层状弹簧的产品设计制造提供参考借鉴。

上述分析过程未考虑不同橡胶材料对于结构和性能的影响，同时未考虑对产品疲劳寿命等方面的影响，后续待进一步研究。

参考文献：

[1]尹力明，赵志芬.空气弹簧在磁悬浮列车上的应用研究[J].机车电传动，2002（5）：28-30.

[2]卢建，赵志芬.一种新型磁悬浮列车空气弹簧悬挂结构的设计分析[J].机电工程技术，2007，36（11）：59-61，105.

[3]石军，刘少义，许恒波，等.中低速磁浮列车用新型空气弹簧的研制[J].铁道车辆，2012，50（7）：18-21.

[4]叶特.中国标准动车组用空气弹簧的研制[D].成都：西南交通大学，2018.

[5]陳清化，周军，王玉辉，等.磁浮车辆用腰带式气囊的结构参数化设计研究[J].铁道机车车辆，2020，40（3）：77-80.

[6]陈清化，程海涛，戚壮，等.城市轨道交通车辆锥形弹簧竖向静态刚度计算模型设计研究[J].城市轨道交通研究，2020（12）：41-45，61.

[7]Tadanobu IIDA，等.空气弹簧在无气状态下铁道车辆仿真模型的建立[J].国外铁道车辆，2020，57（5）：29-34.

[8]陈志贤，徐浩，李忠继，等.高速磁浮列车二系悬挂参数及轨道不平顺幅值研究[J].铁道标准设计，2021，65（7）：1-8.