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摘要：PW-220K型转向架装用的空气弹簧通风口防护胶套发生弹起，通风口外漏的问题，存在一定安全隐患。通过对问题的分析与验证，确定了导致防护胶套弹起的原因是空气弹簧腔体容积突然变化导致内压迅速变化，并对防护胶套产生较大的冲击力，造成防护胶套发生弹起。文章对空气弹簧防护胶套结构进行了优化，经试验验证确定最佳优化方案。
关键词：转向架;空气弹簧;防护胶套;优化
0 引言
当前轨道车辆转向架二系悬挂装置普遍装用了空气弹簧。某轨道客车企业研发的PW-220K型转向架[1-2]二系悬挂装置也采用了大挠度空气弹簧，该型空气弹簧设计结构见图1所示，其在上盖板上设置了唯一的通风口，车辆落成后与车辆供风系统相连，除通风口外，胶囊与上盖板及底座之间装配后包围形成一个密闭的腔体，该腔体内部要求不得有杂物进入，避免杂物进入车辆供风系统影响行车安全[3-4]。同时，由于空气弹簧装配完成后，腔体内部状态确认极为困难，因此如何确保空气弹簧通风口一直处于封闭防护状态，一直是空气弹簧装用企业与制造企业非常重视的问题，空气弹簧通风口异常外漏的原因受到格外关注。
本文基于PW-220K转向架空气弹簧的结构特点与实际生产中通风口多次发生的异常外漏问题，对防护胶套结构提出优化方案，并分别进行了试验验证。
1 空气弹簧通风口外漏故障及原因分析
近些年，厂修客车PW-220K型转向架组装交验后，发生空气弹簧防护胶套自然弹起的情况，空气弹簧进气口失去防护，如果有异物进入而未发现，后续车辆运用中，异物如果进入空气系统将对行车安全造成影响。另外，经对现场生产的跟踪发现，当空气弹簧胶囊受到压缩等情况时，防护胶套也会发生飞起的情况。
1.1 理论分析
基于空气弹簧的结构特点分析，将通风口封闭后空气弹簧内部形成密闭腔体的状态下，当空气弹簧受到的拉压或胶囊被挤压时，腔体内部体积会发生变化，导致腔体内气体受到压缩或膨胀。根据波义尔定律，对一个密闭的空气弹簧一般满足压力与体积乘积为定值。
目前，空气弹簧通风口由防护胶套加上捆绑扎带密封（见图2），空气弹簧与外界无法充分及时的进行气体交换。当空气弹簧内部容积突然变化时将导致内部压力产生变化，同时会对防护胶套内部密封面产生冲击力。
式中：F为冲击力，S为防护胶套内部受到空气弹簧腔体内气体冲击面积。
空气弹簧通风口防護胶套在安装时，通常采用一根扎带捆扎固定，在空气弹簧通风口与防护胶套间形成一定的结合力（忽略防护胶套自重）。基于以上分析，当作用于橡胶防护套的冲击力远远大于防护胶套与通风口间的结合力时，则容易造成防护胶套发生飞起，并造成空气弹簧通风口外漏。
1.2 试验验证
将图2所示的空气弹簧在平台上静置摆放，每次试验前确认通风口已采用防护胶套安装防护到位，并采用扎带捆扎牢固。待准备完毕后，按照表1所示的试验方案进行试验。
通过模拟试验，可见轻微缓慢的挤压胶囊，空气弹簧和外界可以通过橡胶防护套与通风口间间隙进行气体交换，当空气弹簧通风口与防护胶套间形成的结合力大于橡胶防护套的冲击力，则橡胶防护套不会弹起，这也进一步验证了空气弹簧在运输过程中，胶囊的轻微晃动并不会造成橡胶防护套弹起。当空气弹簧胶囊瞬间受到较大的挤压，腔体迅速受压缩时腔体内容积随之迅速变小，腔体内气体通过通风口对防护胶套胶套产生较大的冲击力，使得防护胶套发生飞起的情况。
基于空气弹簧的结构特点及对其内部腔体防护需要，优化改进空气弹簧通风口防护胶套的设计结构，确保空气弹簧内部压力变化不会导致防护胶套弹起是解决问题的方向。
2 空气弹簧通风口防护胶套改进方案
2.1 方案1
在空气弹簧防护胶套上增加捆绑扎带，增大防护胶套与进风口间的结合力。此方案按照上述表1试验2进行验证，当防护胶套不发生弹起的现象时，至少需要2根扎带捆扎到位，试验过程中防护胶套顶部存在较大的鼓起与凹入，并沿着通风口存在一定的向上滑动，多次试验时仍存在通风口外漏的情况。因此增加扎带捆扎的方案，无法解决极端条件下防护胶套的弹起，同时也不利于防护胶套的拆装。
2.2 方案2
设计了一种嵌套式带帽檐结构的防护胶套，设计结构见图4，其在原防护胶套设计结构的基础上做了一定的修改，其中在其顶部开有圆孔通风，并在顶部延伸出带有圆孔通风与雨檐遮挡防护的部分。该结构防护胶套能够实现对空气弹簧腔体的防护作用，同时空气弹簧腔体成为非封闭的腔体，空气弹簧体积变化时，腔体与外部可以通过防护胶套进行气体的交换，可以降低甚至不产生对防护胶套冲击，安装时仍采用扎带捆扎，增加防护胶套与通风口的结合力，解决防护胶套弹起的问题。
但在制作嵌套式带帽檐结构防护胶套发现，该防护胶套结构复杂，模具开发与防护胶套制作成本高，因此该方案在批量推广上存在一定的困难。
2.3 方案3
在防护胶套四周与顶部设计宽度适中的长条状凸起，产品结构见图5。该结构防护胶套能够实现对空气弹簧腔体的防护，同时空气弹簧腔体成为非封闭的腔体，空气弹簧体积变化时，可以通过防护胶套与空气弹簧通风口间的间隙，与外界进行气体的交换，同样实现降低甚至不产生对防护胶套冲击，防护胶套周向伸缩变形增加与通风口间结合力，经试验验证可以解决防护胶套弹起的问题。同时，该方案的防护胶套结构简单，仅在原结构防护胶套内部增加长凸起部分，制作成本低，因此该方案可以进行批量推广应用。
3 结束语
本文对PW-220K型转向架空气弹簧防护胶套弹起的问题进行了理论分析与试验验证，确定导致防护胶套弹起的原因，同时针对性设计了优化方案，经试验验证，方案3在防护胶套四周与顶部设计宽度适中的长条状凸起结构为最优方案，可以批量推广应用。当前绝大部分的轨道车辆二系悬挂均采用了空气弹簧的成熟结构，但在应用防护层面，不断优化空气弹簧防护措施，确保空气弹簧装用前内部无异物进入，确保车辆空气系统功能良好，提高车辆运行安全，本文具有较高参考价值。
参考文献：
[1]刘满华. CL242型客车转向架[J].铁道车辆，2010（4）：16-18，31.
[2]吕松江，施小兵，徐贵喜.CL242-K型转向架组装工艺[J]. 机车车辆工艺，2015（3））16-17，29.
[3]张俊玲.空气弹簧的使用要求及故障分析[J].客车技术与研究，2010（3）：57-58.
[4]张英会.弹簧手册[K].北京：机械工业出版社，1997.
[5]严隽耄，付茂海.车辆工程[M].中国铁道出版社，2008.
关键词：转向架;空气弹簧;防护胶套;优化
0 引言
当前轨道车辆转向架二系悬挂装置普遍装用了空气弹簧。某轨道客车企业研发的PW-220K型转向架[1-2]二系悬挂装置也采用了大挠度空气弹簧，该型空气弹簧设计结构见图1所示，其在上盖板上设置了唯一的通风口，车辆落成后与车辆供风系统相连，除通风口外，胶囊与上盖板及底座之间装配后包围形成一个密闭的腔体，该腔体内部要求不得有杂物进入，避免杂物进入车辆供风系统影响行车安全[3-4]。同时，由于空气弹簧装配完成后，腔体内部状态确认极为困难，因此如何确保空气弹簧通风口一直处于封闭防护状态，一直是空气弹簧装用企业与制造企业非常重视的问题，空气弹簧通风口异常外漏的原因受到格外关注。
本文基于PW-220K转向架空气弹簧的结构特点与实际生产中通风口多次发生的异常外漏问题，对防护胶套结构提出优化方案，并分别进行了试验验证。
1 空气弹簧通风口外漏故障及原因分析
近些年，厂修客车PW-220K型转向架组装交验后，发生空气弹簧防护胶套自然弹起的情况，空气弹簧进气口失去防护，如果有异物进入而未发现，后续车辆运用中，异物如果进入空气系统将对行车安全造成影响。另外，经对现场生产的跟踪发现，当空气弹簧胶囊受到压缩等情况时，防护胶套也会发生飞起的情况。
1.1 理论分析
基于空气弹簧的结构特点分析，将通风口封闭后空气弹簧内部形成密闭腔体的状态下，当空气弹簧受到的拉压或胶囊被挤压时，腔体内部体积会发生变化，导致腔体内气体受到压缩或膨胀。根据波义尔定律，对一个密闭的空气弹簧一般满足压力与体积乘积为定值。
目前，空气弹簧通风口由防护胶套加上捆绑扎带密封（见图2），空气弹簧与外界无法充分及时的进行气体交换。当空气弹簧内部容积突然变化时将导致内部压力产生变化，同时会对防护胶套内部密封面产生冲击力。
式中：F为冲击力，S为防护胶套内部受到空气弹簧腔体内气体冲击面积。
空气弹簧通风口防護胶套在安装时，通常采用一根扎带捆扎固定，在空气弹簧通风口与防护胶套间形成一定的结合力（忽略防护胶套自重）。基于以上分析，当作用于橡胶防护套的冲击力远远大于防护胶套与通风口间的结合力时，则容易造成防护胶套发生飞起，并造成空气弹簧通风口外漏。
1.2 试验验证
将图2所示的空气弹簧在平台上静置摆放，每次试验前确认通风口已采用防护胶套安装防护到位，并采用扎带捆扎牢固。待准备完毕后，按照表1所示的试验方案进行试验。
通过模拟试验，可见轻微缓慢的挤压胶囊，空气弹簧和外界可以通过橡胶防护套与通风口间间隙进行气体交换，当空气弹簧通风口与防护胶套间形成的结合力大于橡胶防护套的冲击力，则橡胶防护套不会弹起，这也进一步验证了空气弹簧在运输过程中，胶囊的轻微晃动并不会造成橡胶防护套弹起。当空气弹簧胶囊瞬间受到较大的挤压，腔体迅速受压缩时腔体内容积随之迅速变小，腔体内气体通过通风口对防护胶套胶套产生较大的冲击力，使得防护胶套发生飞起的情况。
基于空气弹簧的结构特点及对其内部腔体防护需要，优化改进空气弹簧通风口防护胶套的设计结构，确保空气弹簧内部压力变化不会导致防护胶套弹起是解决问题的方向。
2 空气弹簧通风口防护胶套改进方案
2.1 方案1
在空气弹簧防护胶套上增加捆绑扎带，增大防护胶套与进风口间的结合力。此方案按照上述表1试验2进行验证，当防护胶套不发生弹起的现象时，至少需要2根扎带捆扎到位，试验过程中防护胶套顶部存在较大的鼓起与凹入，并沿着通风口存在一定的向上滑动，多次试验时仍存在通风口外漏的情况。因此增加扎带捆扎的方案，无法解决极端条件下防护胶套的弹起，同时也不利于防护胶套的拆装。
2.2 方案2
设计了一种嵌套式带帽檐结构的防护胶套，设计结构见图4，其在原防护胶套设计结构的基础上做了一定的修改，其中在其顶部开有圆孔通风，并在顶部延伸出带有圆孔通风与雨檐遮挡防护的部分。该结构防护胶套能够实现对空气弹簧腔体的防护作用，同时空气弹簧腔体成为非封闭的腔体，空气弹簧体积变化时，腔体与外部可以通过防护胶套进行气体的交换，可以降低甚至不产生对防护胶套冲击，安装时仍采用扎带捆扎，增加防护胶套与通风口的结合力，解决防护胶套弹起的问题。
但在制作嵌套式带帽檐结构防护胶套发现，该防护胶套结构复杂，模具开发与防护胶套制作成本高，因此该方案在批量推广上存在一定的困难。
2.3 方案3
在防护胶套四周与顶部设计宽度适中的长条状凸起，产品结构见图5。该结构防护胶套能够实现对空气弹簧腔体的防护，同时空气弹簧腔体成为非封闭的腔体，空气弹簧体积变化时，可以通过防护胶套与空气弹簧通风口间的间隙，与外界进行气体的交换，同样实现降低甚至不产生对防护胶套冲击，防护胶套周向伸缩变形增加与通风口间结合力，经试验验证可以解决防护胶套弹起的问题。同时，该方案的防护胶套结构简单，仅在原结构防护胶套内部增加长凸起部分，制作成本低，因此该方案可以进行批量推广应用。
3 结束语
本文对PW-220K型转向架空气弹簧防护胶套弹起的问题进行了理论分析与试验验证，确定导致防护胶套弹起的原因，同时针对性设计了优化方案，经试验验证，方案3在防护胶套四周与顶部设计宽度适中的长条状凸起结构为最优方案，可以批量推广应用。当前绝大部分的轨道车辆二系悬挂均采用了空气弹簧的成熟结构，但在应用防护层面，不断优化空气弹簧防护措施，确保空气弹簧装用前内部无异物进入，确保车辆空气系统功能良好，提高车辆运行安全，本文具有较高参考价值。
参考文献：
[1]刘满华. CL242型客车转向架[J].铁道车辆，2010（4）：16-18，31.
[2]吕松江，施小兵，徐贵喜.CL242-K型转向架组装工艺[J]. 机车车辆工艺，2015（3））16-17，29.
[3]张俊玲.空气弹簧的使用要求及故障分析[J].客车技术与研究，2010（3）：57-58.
[4]张英会.弹簧手册[K].北京：机械工业出版社，1997.
[5]严隽耄，付茂海.车辆工程[M].中国铁道出版社，2008.