和谐号动车组悬挂设备及控制

金 哲，韩晓辉，范荣巍，陈 蓝

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

和谐号CRH3动车组转向架的二系悬挂系统采用无摇枕的空气弹簧悬挂系统［1］（如图1所示）。

该悬挂系统利用空气弹簧内部的节流孔有效地抑制高频振动，能提高列车的平稳性和舒适性，但是会影响制动系统的控制性能，以及行车安全。

施加紧急制动时，制动控制单元的限压阀是根据空气弹簧的载荷压力限制最高制动力。载重分布不均匀或列车通过曲线时，每个空气弹簧的载荷压力各不相同，因此无法得到真实的空气弹簧载荷压力，会降低制动系统控制效果。

另外，空气弹簧爆裂或严重漏泄时，容易导致车体倾斜、联挂装置脱钩或翻车等事故。

为了确保动车组的行车安全和制动系统的控制性能，必须根据运营工况对空气弹簧内的空气压力和空气弹簧的高度进行控制。

图1 和谐号动车组空气悬挂系统

1 悬挂控制设备的组成

CRH3动车组悬挂控制设备由压力开关、电磁阀、高度阀、平均阀、安全阀、过滤器、塞门、溢流阀组成［2］（如图2所示）。

总风管压力经过溢流阀、节流阀、三通塞门和过滤器向空气弹簧充风。此时，直径为4mm的节流阀将控制向空气弹簧的充风时间。当悬挂系统发生故障或需要维护时，通过三通塞门切断供风系统和空气悬挂系统，并排空悬挂系统内的压缩空气。

图2 空气悬挂控制系统气路图

2 空气悬挂系统的控制原理

CRH3动车组通过一系列悬挂控制设备自动控制空气弹簧的充排风状态，并检测空气弹簧的载荷压力。其核心控制部件为高度阀、平均阀、电磁阀、安全阀、溢流阀和压力开关。

2.1 空气弹簧压力控制原理

在实际运营过程中，车厢内的乘客分布不均匀，在乘客集中区域的空气弹簧压缩量大，而乘客稀少区域的空气弹簧压缩量会比较小，容易导致车体的倾斜。

对一列车来说，每节车厢的载重各不相同，每次停站时每节车厢的载重变化量也不同，造成车辆高度不一致。如果对车辆高度不进行控制，有可能发生联挂装置脱钩的现象。

另外，当列车通过曲线时，由于重力的变化，也会导致空气弹簧压缩量不一样。

为了保持设定的车体高度，在车体和转向架之间安装悬挂控制装置——高度阀。高度阀安装示意图和车体上的安装照片如图3和4所示。当车辆载重增加时，车体相对于转向架向下运动，高度阀的杠杆绕着驱动轴向上旋转，向空气弹簧充风，使空气弹簧压力增加，抬高车体高度。当车辆载重减少时，车体会向上移动，高度阀的杠杆绕着驱动轴向下旋转，排出空气弹簧内的压缩空气，使空气弹簧压力下降，降低车体高度，直到车体恢复到设定的高度为止。

图3 高度阀安装示意图

图4 高度阀安装照片

2.2 平均压力检测原理

动车组的紧急制动力随载荷变化，当车体的载荷分布不均匀时，通过一个空气弹簧压力无法获得真实的载荷信息。为了降低载荷不均匀带来的影响，制动控制系统根据两个转向架的空气弹簧平均压力控制紧急制动力。

平均阀是空气悬挂控制设备的关键部件之一，能通过两个独立的压力获得一个算术平均值，而每个独立压力来自空气悬挂系统上的空气弹簧。在空气悬挂系统中，平均阀的安装如图5所示。

图5 悬挂控制设备安装照片

平均阀的内部结构如图6所示。来自两个转向架上空气弹簧的压力I和II分别作用于活塞的左右两侧，其中较高的压力将把活塞推至压力较小的端口位置，并关闭双阀头之压力较低的气室。

图6 平均阀内部结构图

当压力I和II作用于活塞时，两个压力同时分别作用于差动活塞的环形表面S1和S2，因此差动活塞和双阀头克服弹簧作用力向上移动，并打开阀座。

压力I和II中较高的压力将通过被打开的阀座，流向差动活塞之上的环形腔室中，其面积S3与环形面积S1、S2之和相等。

一旦此处的压力升高到足以平衡作用于S1和S2上面的压力，双阀头就关闭阀座。此时，可以列出以下平衡方程式：

式中，PM—平均压力；PⅠ，PⅡ—空气弹簧压力。

当S1＝S2时，端口M的压力为压力Ⅰ和Ⅱ的平均值。

2.3 安全控制措施

CRH3动车组的头车和尾车的第2个转向架上分别装有一个电磁阀，因此第1个转向架上的两个空气弹簧都爆裂时，将快速排空第2个转向架上的空气弹簧压缩空气，能防止车头触轨等事故。

当总风管的压力降低时，溢流阀优先向制动系统的供风。该阀将阻止空气流向悬挂装置，直至总风管压力达到预设的压力值（670kPa）。

如果内部压力过高，空气弹簧就容易爆裂。当空气弹簧的内部压力超过800kPa时，安全阀就自动开启，适当地排出空气弹簧内的压缩空气。

车体高度快速增加时，排风高度阀就快速排出空气弹簧内的压缩空气，使车体快速保持设定的高度。CRH3动车组的空气悬挂控制系统中，排风高度阀只有快排和快充功能，并无慢排和慢充功能。

作为另一种安全控制措施，每个转向架的空气弹簧都配有一个压力开关。当空气弹簧压力低于150kPa时，压力开关将把信号发给制动控制单元，使制动控制单元采取相应的安全措施。

3 结论

和谐号动车组的空气悬挂系统分别装有高度阀、平均阀、安全阀、电磁阀等控制部件，能有效地控制空气弹簧内部压和高度，并输出两个转向架空气弹簧的平均压力，同时具有各种安全控制措施，为动车组的平稳舒适性和安全运行提供了保障。

［1］张曙光.高速列车设计方法研究［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

［2］王月明.动车组制动技术［M］.北京：中国铁道出版社，2010.

［3］刘永强，杨绍普，廖英英，等.高速动车组悬挂系统横向半主动控制仿真分析［J］.振动与冲击，2010，29（9）：27－31.

［4］李 繁.高速动车组舒适性仿真与分析研究［D］.大连：大连交通大学，2009.