轨道交通在公共运输领域，特别是城市地铁、轻轨系统中，扮演着日益重要的角色，乘客及运营商对车辆的安全性、舒适性、可靠性提出了较高的要求。轴箱弹簧（橡胶轴箱弹簧）作为保证这些性能的一个关键零部件，因为构成中橡胶材料的特殊性，人们对这类产品还存在一些不太清楚的认识。本人近年来涉足地铁车辆轴箱弹簧的设计、开发及外场质量服务工作，在此期间，承担并主持发了一些国内外具体项目，较广泛地接触了国内外这一领域的技术资料及实物，并有机会到使用及装配现场配合相关工作，从中了解到国内外制造商在该领域的一些具体情况，希望通过本文的介绍与分析，将涉及安全性、舒适性、可靠性的一些相关工程技术问题提出供国内同行探讨参考。
1.轴箱弹簧功能种类及应用
轴箱弹簧是用于车辆转向架一系减振的元件（故又称一系簧），它给构架提供垂向、纵向和横向柔性支撑和定位，运行中起减振作用，改善车辆运行品质，提高乘坐舒适性，降低轮缘及轨道磨耗。从制造材料区分，该类产品主要分为金属弹簧和橡胶轴箱弹簧两大类。目前，橡胶轴箱弹簧广泛用于地铁及轻轨车辆转向架上，其数量远高于金属弹簧，另外，在国外干线铁路车辆上，这类橡胶轴箱弹簧也有应用。从外形上看，它们主要分为圆锥形和V形两种。本文重点讨论介绍橡胶轴箱弹簧（以下简称轴箱弹簧）方面的技术。
轴箱弹簧的特点轴箱弹簧的特点轴箱弹簧的特点轴箱弹簧的特点
车辆在运行时，会因为外部和本身的多种原因，产生复杂的振动（多方向），其中引发车辆系统产生振动的主要原因是高速旋转的轮对与轨道接触时产生的冲击。这种冲击的大小取决于车辆运行的速度高低，取决于轨道和轮对的几何精度，取决于线路的弯道曲率半径大小，取决于车辆的载荷大小。这种振动会在车辆运行中始终连续存在，不对它进行有效的减缓和吸收，车辆的安全性和舒适性就没有保障。
对上述振动的衰减，可采用金属圆弹簧或橡胶弹簧，但我们知道，硫化橡胶的内摩擦比金属弹簧大1000倍以上，为降低谐振时的振幅，并使由冲击产生的自由衰减振动尽快停止，弹簧需具备衰减作用，为此，金属弹簧常需与液压减振器并联使用，但这仅对低频振动有效，而橡胶是通过内摩擦起衰减作用的，即橡胶的内摩擦是由橡胶分子和分子之间以及橡胶分子和填充剂之间的相互作用产生的，特别适用于高频振动，正是因为橡胶轴箱弹簧所具备的良好的橡胶弹性，以及金属弹簧所没有的阻尼，使它独具特色地承担起了这一作用，它对车辆运行中的高频小位移振动和低频大位移振动都有较好的减缓和吸收。
此外，橡胶轴箱弹簧通过产品结构的相应设计，可实现三向刚度的不同匹配（X、Y和Z向），以满足车辆动力学要求，加之无需油压减振器、外形轮廓尺寸小和质量轻，这使得转向架结构简化紧凑及轻量化成为可能，这些都是金属弹簧难以实现的。
在实际使用中，它的寿命也达到一个可以接受的范围（8～10年），且使用期产品无需维护、状态易于观察监控。因此，地铁及轻轨车辆轴箱弹簧广泛采用该类型橡胶轴箱弹簧。图－7为CBRC深圳地铁轴箱
3.轴箱弹簧的性能项点轴箱弹簧的性能项点轴箱弹簧的性能项点轴箱弹簧的性能项点
根据车辆载荷、运行速度、运行线路和转向架结构的不同，轴箱弹簧的结构及性能参数也会有所不同，但整体而言，这类产品因其使用要求和构成中橡胶材料的特点，其性能项点主要在如下几方面去体现和要求：
3.1产品结构强度性能产品结构强度性能产品结构强度性能产品结构强度性能
轴箱弹簧是转向架上重要的结构件，其结构完整性在其使用过程中直接关系到车辆运行的安全与舒适，是产品首先要保证的性能。为使这一性能得到保证，我们应从如下几方面去考虑：
3.1.1产品结构设计及金属件的选材产品结构设计及金属件的选材产品结构设计及金属件的选材产品结构设计及金属件的选材
在兼顾产品刚度性能和减少重量原则的同时，力求产品结构设计上有充分的安全系数，以使产品具备承受长时间振动冲击作用的能力和瞬间大动载冲击的静强度和疲劳强度。在设计过程中，目前我们主要通过有限元计算分析手段，对结构静强度进行校合，即通过对产品中的各部分进行受力分析（应力状况），并依据计算结果对设计结构进行完善，避免应力集中点处应力超过材料屈服强度极限。在计算过程中，为使分析结果真实地反映实际情况，我们在设置计算边界条件时，应充分考虑产品的各种状况下的实际受力值（位移值）。
通过对计算结果的了解，我们可以对产品进行结构优化，以降低应力大小，进而有把握地选择合适的材料，确保产品结构强度。如在上述产品材料选定时，我们通过对芯轴、隔板和外套实际应用中应力的掌握，考虑到金属成型工艺，选取了表－1、2所示的材料。该产品经过长达3年的载客运行考核，未见因材料强度不足而造成的结构失效。
橡胶体的设计及材料选取
轴箱弹簧中的橡胶材料及橡胶体形状在决定产品刚度性能和结构强度方面起着重要作用，我们通常采用有限元计算和产品疲劳试验考核的办法，对橡胶体形状进行优化设计和材料选定。总体原则是：形状设计方面力争应力均衡，避免应力集中；材料蠕变性能好，粘合工艺性能稳定；材料抗剪及耐摩擦疲劳性能优。
金属与橡胶的粘合
因该类产品的特点是金属与橡胶的叠层粘合构成为一个整体，金属与橡胶的粘合成为产品结构完整性的关键。目前，此类产品橡胶与金属的粘合采用的工艺方法是：先对金属件进行预处理（脱脂－喷丸），再在洁净的金属表面涂刷胶粘剂（底胶和面胶），并将金属件置于烘箱或通风处，让胶粘剂中的溶剂充分挥发，然后将金属件装入硫化模具内，当橡胶充模后，在压力、温度的作用下，粘合剂与金属、粘合剂与橡胶发生硫化作用，通过范德华力的物理作用和键合力化学作用，使橡胶与金属牢固地结合在一起。经菌形试验验证，这种粘合力可高达7MPa左右，完全可以胜任轴箱弹簧金属与橡胶的粘合要求，并在长时间的使用中保持稳定牢固的粘合。
以某产品为例：
其垂向满载为28.85kN，考虑到30％的动载冲击，最大受力为：Fj=28.85×1.3=37.5kN。以受力状况最恶劣的芯轴与橡胶粘合面校合（该层粘合面积最小），此层粘合面面积为为28630mm2。因此，该粘合面的扯裂强度为：Q=37.5×1000/28630=1.31N/ mm2=1.31Mpa。而这种橡胶材料与金属粘合的实验结果是：常温菌型粘合强度为5.10～9.75Mpa，剪切强度为10.5～11MPa。可以看出，橡胶与金属的粘合强度远高于产品实际受力值，产品粘合的疲劳强度是完全有保障的。
3.2产品刚度性能
轴箱弹簧是转向架中的关键减振件，车辆运行品种的好坏、动力学性能的优劣在很大程度上决定于轴箱弹簧，而刚度大小是衡量定义轴箱弹簧动力学性能的直接参数。因此，产品刚度性能成为车辆主机厂和轴箱弹簧制造商共同的关注点，也是轴箱弹簧技术参数中量化最细的一个部分，在产品开发和型式试验时，它是我们必须首先予以验证和实现的性能项点。国内地铁车辆制造厂对产品刚度的定义，通常采用如表－4的方式（北京八通线动车轴箱弹簧）。对比国内外在这产品刚度方面的要求，我们觉得静刚度的定义和计算方法略有差异，国外偏重于刚度的整个形态（曲线全程），国内则偏重于某些点（车辆的不同载荷点）；而对产品动刚度的要求，国内主机厂目前还没有这方面的具体要求，但国外主机厂在这方面则要详细具体得多。事实上，对一个减振产品刚度的全面描述，仅有静刚度要求是不完整的，动刚度也必须得到要求。为保证产品动刚度要求，需要对制造轴箱弹簧的橡胶材料物理性能进行特别的要求。现将我们对产品刚度性能方面的一些理解和认识表述如下：
3.2.1产品垂向静刚度产品垂向静刚度产品垂向静刚度产品垂向静刚度/
动刚度动刚度动刚度动刚度
垂向刚度是轴箱弹簧垂向支撑构架柔度的直观描述，在技术的定义上又分为静刚度和动刚度。静刚度的大小直接反映着弹簧的硬与软，即弹簧承受各种载荷时位移的响应大小；动刚度则是弹簧在某特定载荷点、特定频率和特定振幅时，弹簧刚度大小的体现，即车辆运行中弹簧对高频振动的减缓和吸收能力。地铁及轻轨车辆因为其使用中载荷存在较大变化（空车－满载－超载），运行线路的曲率半径小这一特点，垂向静刚度的普遍要求如下：轻载下（小位移时），产品应具备较小的垂向刚度，以避免车辆脱轨倾向，特别是在空车过小曲率弯道时。满载时，产品应具备适当偏大的垂向刚度，以保证车体高度无过大的下降，从而保证驱动机构与轮对的理想位置以及车厢与站台的基本平齐。超载时，产品应具备较大的垂向刚度，以保证驱动机构与轮对的相互位置不致恶化。
以深圳地铁轴箱弹簧为例，CBRC技术规范中要求产品的垂向动刚度与静刚度比应小于1.2（即动/静刚度比）。动/静刚度比的计算方法是：通过采集产品在某一垂向预压载荷点、振幅相同、频率0.02Hz的准静刚度与频率为1Hz或5Hz的动刚度值相互比来计算。公式为：动/静刚度比值=K1 /K0.02或K5/K0.02深圳地铁轴箱弹簧K0.02＝0.70kN/mm、K1＝0.79kN/mm、K5＝0.83kN/mmK1 /K0.02＝0.79/0.70＝1.128; K5/K0.02＝0.83/0.70＝1.185因此，产品动/静刚度比满足技术规范中小于1.2的要求，同时，我们也可看出，产品动刚度随试验频率增加而增大。图－19为CBRC深圳地铁轴箱弹簧某试验条件下的动刚度曲线图（垂向预载18.75kN、频率5Hz、振幅±3mm的）。
3.2.2产品纵横向静刚度
动刚度动刚度动刚度动刚度
依据车辆运行线路的不同和车辆动力学要求，轴箱弹簧在各种载荷下，在纵、横方向上会有一个设计理想要求值，它保证车辆通过弯道的顺畅性以及直线行驶的稳定性，它也是一个影响轮缘和轨道磨损的直接因素。通常情况下，纵向刚度值大于横向刚度值，但也有纵、横向刚度要求相同的，当垂向载荷增加时，产品纵、横向刚度相应增大。同垂向刚度一样，它也有动刚度的概念，一般产品纵横向动/静刚度比要求小于1.2～1.3左右，计算方法与垂向动/静刚度比算法相同。
另外，考虑到产品的使用地和制造地的环境温度影响，我们有时还会对产品提出诸如低温或高温刚度的要求，其目的是使产品在低温或高温使用环境下，产品的刚度性能也能保持在设计使用可接受的范围，而要达到这一目的，需要我们在橡胶配方上予以特殊的研究和考虑。总而言之，轴箱弹簧的刚度是靠橡胶性能和产品结构实现的，它是产品的基本性能，是保证车辆运行品质的具体设计参数，是轴箱弹簧设计开发的出发点和必须保证的基本性能项点。
3.3产品蠕变性能产品蠕变性能产品蠕变性能产品蠕变性能
我们知道，橡胶体在受载恒定后，随着时间的推移，橡胶体的变形仍会持续进行，我们将橡胶材料的这一特性称之为蠕变（静蠕变）。蠕变随载荷大小、温度高低及橡胶配方性质而变化。轴箱弹簧作为转向架上的一个重要结构件，它在支撑构架、保持驱动部分与轮对间理想位置方面起决定性作用。轴箱弹簧受力承载时，金属件外形不变且几乎无蠕变，而橡胶部分则在压缩力和剪切力的作用下发生蠕变，构架与轴箱的间距减小，当蠕变较大而又规律不清楚时，要想保持一个理想稳定的构架与轴箱间距，是一个很困难的事情。因此，在轴箱弹簧上，橡胶材料的蠕变特性是我们不愿看到的，但又不得不面对的，好在橡胶材料的蠕变一般会在一个较短的时间内收敛稳定（静蠕变）。车辆投入运行后，轴箱弹簧会承受各种不同载荷及振动作用，也会有温度、光照等多因素影响，
轴箱弹簧将在静蠕变的基础上，继续发生蠕变，我们将这一阶段的蠕变称之为动蠕变。对这一蠕变的测量，我们通常做法是，当车辆停止运行和不载客时（此时轴箱弹簧仅承受一个恒定的空车载荷），让其经过一段时间的稳定回复（4 h左右），轴箱弹簧上的橡胶体会稳定在某一形状，这时对轴箱弹簧的高度（转向架四角高）进行测量，我们将会对轴箱弹簧的动蠕变有个粗略的掌握。说其粗略，是因为在这一测量过程中，各轴箱弹簧的受载不均衡（包括空簧影响）、轨道的精度、轮对直径大小差异、现场温度等因素，都会给测量带来很大影响。通过与长客厂售后部门一起长期的跟踪服务，我们对产品蠕变的持续跟踪测量，摸索出轴箱弹簧在使用中的蠕变发展规律（动蠕变）。
上述规律的掌握，对指导转向架装配有很大实际意义。以前，作为轴箱弹簧制造商，我们通常是将产品的静蠕变值告知主机厂（约2mm左右），主机厂再根据转向架的设计要求对构架与轴箱间距进行预调装配，而当车辆投入运行后，因动蠕变的产生，构架与轴箱的间距会在一个较短时间（5个月/5万公里）显著下降（6mm左右），造成轴箱弹簧普遍需加垫调高，这加大了车辆运营维护工量和费用，今后，我们将与主机厂一道，充分考虑静、动蠕变的效应，对轴箱弹簧的预调高度进行适当规定，大幅度减少车辆运营后轴箱弹簧的调整维护工作。
在EN13913标准中已经有了产品动蠕变的试验方法，但动蠕变与产品长期使用中蠕变的关系还
有待我们去探索，因为这需要我们掌握大量运营蠕变数据和产品动蠕变试验数据，当我们找到它们
之间的关系时，通过产品动蠕变试验预测产品长期使用蠕变也许就成为了可能。图－26为我们对某
产品进行的动蠕变试验结果。
通常情况下，橡胶体受力大、环境温度高时蠕变大，反之则小。要减小橡胶蠕变，我们可以通过橡胶配方的优化与改进来实现。要减小产品蠕变（静动蠕变），我们还可以通过产品结构的优化来实现。我们对产品蠕变的关注决不应仅停留在静蠕变上，或许更多的关注应在动蠕变上，因为从产品蠕变总值比例和使用时间上看，动蠕变要大和长得多。另外，蠕变对产品刚度的影响也是我们关心的一个问题，在试验室对产品进行静蠕变试验（受载压缩5天），产品前后刚度差极小（图－28 ）；而对已使用的某产品（运行2.5年/里程25万公里）跟踪检测 ，其垂向刚度变化约为增大了2.5％，因此，可以说材料静蠕变和动蠕变对刚度的影响是小的。
轴箱弹簧失效判定
作为转向架上的重要安全性产品，因为它是一种金属橡胶复合产品，其功能失效判定有其特殊性，它既包括金属件的失效，又包括橡胶本体部分的失效，因此轴箱弹簧的失效应综合考虑这两个方面的内容。但通常情况下，我们会较少地考虑金属部分的失效，而将重点集中在橡胶本体部分的失效上，这是因为现今的金属件制造水平已达到相当稳定可靠的程度，在轴箱弹簧这类产品上，金属件的寿命及强度要远高于橡胶。目前我们收集到的产品失效判定标准和方法如下：
产品动态刚度或损耗角变化超过初始值的20%（汉堡大学），产品失效。需要说明的是，产品的疲劳试验和实际运行使用对刚度的影响有所不同。疲劳试验因为时间短和工况恶劣，橡胶材料内部以交联键的物理破坏为主，橡胶老化与后硫化效应影响甚微，因此，在疲劳试验过程中，表现出刚度持续减小（橡胶变软）。而实际运行使用时，橡胶在断断续续承受内部交联键物理破坏时，更多地材料老化和后硫化效应等化学因素的影响，刚度呈现的是缓慢的增加（橡胶变硬）。
橡胶破坏与失效
轴箱弹簧受力承载会使橡胶体发生形变，当应变大到一定程度时，橡胶面会出现皱褶，振动力的作用会使皱褶面处的橡胶产生摩擦，因此产品使用到某一阶段，橡胶部分会出现折痕、胶末和裂纹现象，这种情况是橡胶这种非金属材料开始破坏的初始外观表征现象，此阶段产品性能并无多大变化（未失效），只要裂纹的发展未明显影响到产品的刚度性能（变化率20%）和产品结构的完整性，这种现象是容许的，产品使用是没问题的。因为橡胶材料的破坏过程与金属件存在很大不同，它的裂纹扩展和减振性能下降是一个缓慢的变化过程，不会象金属件那样，当裂纹出现也就意味着金属件结构强度（功能）的迅速丧失。因此，通常情况下，我们所说的橡胶破坏和产品失效是两个完全不同的概念。
综合上述情况，我们认为轴箱弹簧的使用寿命以8～10年（约120万公里）较为合适，产品使用中出现的折皱、摩擦胶末外观现象也是容许的。但若车辆运行中超载情况严重，则建议适当减少寿命，以确保轴箱弹簧使用状况良好。
4.产品一致性问题产品一致性问题产品一致性问题产品一致性问题
轴箱弹簧这种产品不仅起减振作用，还直接参于构建转向架的空间几何精度，加之装配时是8个一组（一个转向架）使用，因此产品的性能一致性就显得十分重要。我们所说的性能一致性主要包括产品的刚度、压缩高和蠕变。我们知道，为保证产品的工业化生产，刚度、蠕变的制造公差是容许的，目前轴箱弹簧的设计刚度公差有8％～20％，显然，不加分组的使用，会使产品的一致性较差，造成减振性能的不良和性能衰减的不一，给转向架技术指标带来不利影响。怎样分组？目前国内采用压缩高分组方式，即不管刚度大小，仅对压缩高分组，结果是空车装配精度满足了，但载荷变化，8个产品的压缩高度会不同，减振刚度也会出现较大差异，建议采用目前国外普遍使用的分组方法：刚度分组，压缩高配平。这样可以较好地满足8个产品一致性问题，保证减振的一致和寿命的一致。另外，当产品使用一定时期后，因载荷、工况的不均，产品蠕变的离散（不大），构架四角高度会出现高低不一，当差异超过容许范围（同一转向架4mm内），建议对相应产品进行加垫调平。
5.结束语
希望通过此次系统的技术介绍与分析（重点是产品结构设计、刚度、蠕变和疲劳可靠性），使大家较清晰地了解该类产品的一些技术特点，并对国内外的技术差异有个比较，以便在具体应用中协调好轴箱弹簧的设计、制造、试验与使用等后面的相应技术，使橡胶轴箱弹簧产品在轨道车辆上得到更好的应用。
