空气弹簧系统的结构和垂向特性研究

张配

关键词：空气弹簧系统 组成 工作原理 垂向特性

1 引言

随着我国动车组运行速度的提高，人们对列车运行安全性的要求也越来越高。

保障动车组行车安全的最关键技术为高速动车组转向架，其在列车运行中具有承载、导向、牵引、制动等作用，直接影响轮轨作用力与车辆的运行品质，而转向架的动力学性能直接取决于悬挂系统。目前，动车组采用的悬挂系统由一系悬挂系统和二系悬挂系统组成，如图1 所示。其中，一系悬挂系统由钢弹簧和油压减振器组成，初步隔离轮轨之前的高频振动传向转向架;二系悬挂由空气弹簧系统组成，阻止了高频振动由转向架传向车体，使乘客乘坐舒适性明显提高。所以研究空气弹簧系统的结构特点和垂向特性尤为重要。

2 空气弹簧系统的组成

空气弹簧系统由空气弹簧本体、附加空气室、高度控制阀和差压阀等组成，如图2所示。两个空气弹簧分别坐落在构架左右两侧的侧梁上，对于无揺枕的转向架，构架的测梁或者横梁的部分密闭空腔用作附加空气室，扩大空气弹簧内容积。高度控制阀安装在车体和转向架之间，主要是用来控制空气弹簧的高度，从而调整車体的高度。它有三个通气孔，分别和空气弹簧、大气、列车管相通。差压阀安装在两空气弹簧之间，当两空气弹簧的压差达到150Kpa 时，差压阀内部通道自动打开。

2.1 空气弹簧本体的结构

空气弹簧本体由橡胶气囊和应急橡胶弹簧组成，橡胶气囊内的空气因为可压缩性可实现车体的减振效果，应急橡胶弹簧和实现车体的缓冲效果。空气弹簧有三种结构类型：囊式、约束膜式、自由膜式。囊式和约束膜式的性能较差，主要应用在低速列车上。自由膜式的具有较低的垂向、横向、纵向刚度，并且具有较大的抗扭转变形能力，因此，国内动车主要采用自由膜式，自由模式的结构如图3 所示。

2.2 高度控制阀的结构

高度控制阀一般由高度控制结构、进排气机构和延时机构等三部分组成，如图4 所示。高度控制机构主要包括连杆套筒、连杆和主轴等组成，主要完成进排气的控制作用。进排气机构主要由阀体、过滤网、空气节流阀、进气阀体、进气阀、排气阀体、排气阀等组成，通过控制结构的控制即打开或关闭进气阀、排气阀来完成进排气作用。延时机构主要由吸入阀、缸盖、缓冲弹簧、弹簧支架和减振器支架等组成，以硅油做阻尼剂，使空气弹簧在正常的振动情况下不发生进排气动作。当车体载荷增加时，空气弹簧高度降低，此时控制结构的连杆向上动作，带动主轴向左旋转，一定时间以后，进气阀打开，列车管中的压缩空气进入空气弹簧，使空气弹簧高度恢复到规定值。当车体载荷减少时，主轴向右旋转，排气阀打开，空气弹簧内的压缩空气排向大气，使空气弹簧高度恢复到规定值。

2.3 差压阀的结构

差压阀是保证一个转向架两侧空气弹簧的内压差不能超过保证行车安全规定的某一定值的装置，由阀体、阀座、单向阀、弹簧、接头、密封件、过滤网、挡圈、活节等组成，如图5 所示。当压差在规定范围内时，左右两侧单向阀均紧贴阀座，通道关闭。若左侧空气弹簧发生泄漏，则右侧单向阀紧贴阀座，右侧气压较大的压缩空气推动左侧的单向阀离开阀座，通道打开，右侧空气弹簧的压缩空气开始流向左侧空气弹簧。

3 空气弹簧系统的工作原理

静载荷下，当乘客增加车体高度下降，高度调整杆感受到车体高度发生变化，来自列车管的压缩空气通过高度控制阀对空气弹簧进行充气，使空气弹簧的高度恢复到设定位置。当乘客减少车体高度上升，空气弹簧的压缩空气通过高度控制阀的排气孔排向大气，使空气弹簧高度降低。为了避免由于车辆行驶产生的正常振动，而使高度控制阀不断的进行充排气，高度调整阀设有延时机构，不敏感区一般为10mm 左右，当车体在此范围之内振动时，高度控制阀不动作。

动载荷下，即列车行驶过程中产生振动造成的动载荷，空气弹簧和附加空气室之间气体流通，当气体流过安装在空气弹簧和附加空气室之间的节流孔时，产生阻力耗散振动动能，从而减小车体振动。

正常工况下，差压阀处于关闭状态，左右两侧空气弹賛不连通;若一侧空气弹簧漏气，左右两侧空气弹簧的压差超过差压阀的阈值，差压阀自动打开，左右两侧空气弹簧连通，压差减小。

4 空气弹簧系统的垂向动态特性

（1）空气弹簧体积越大，动态刚度和动态阻尼越小，并且呈线性[1，2]。

（2）动态刚度随附加空气室体积的增加而下降，并且变化率逐渐减小，当附加空气室体积大于70L 时，动态刚度基本不再发生变化;但是动态阻尼随着附加空气室体积的增加而近似线性增加[1，2]。

（3）动态阻尼随着节流孔直径的增加而减小，但动态刚度随着节流孔直径的增加不发生变化[1，2]。

5 整车垂向平稳性

（1）随着空气弹簧体积的增加而增加。当空气弹簧体积增加时，动态刚度减小，从而增加了空气弹簧的隔振作用，则车体平稳性增加，所以在条件允许的情况下，应尽可能的选择体积较大的空气弹簧[3]。

（2）当车速小于350km/h 时，附加空气室的体积大于20L，则车体的稳定性较大，切随着附加空气室的体积的增加基本不变。当车速为450km/h 时，则需附加空气室的体积大于35L。所以，为了提高车体在高速下的平稳性，附加空气室的体积最少为35L[1，2]。

（3）当节流孔直径小于20mm 时，直径越大，车体稳定性越好。当节流孔直径大于20mm 时，在车速低的情况下，车体稳定性基本不变，但是当车速较高时，直径越大，列车稳定性越差。所以，为了提高车体在高速下的平稳性，节流孔的直径最好为15 ～25mm[4]。

6 结语

空气弹簧系统虽然比普通的钢弹簧结构复杂，但是该系统不仅可以自动调整车体高度，而且可提高车体稳定性，从而提升乘客舒适性。在条件允许的情况下，应尽可能的增大空气弹簧和附加空气室的体积，节流孔的直径最好为15 ～ 25mm。