气囊帘线参数对自由膜式空气弹簧静态性能影响程度的研究

刘加健，刘志国，曹江勇，来庆存

（青岛博锐智远减振科技有限公司，山东 青岛 266031）

空气弹簧是一种在柔性密闭容器中充入压缩空气并利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件，在铁道车辆和汽车的减震、缓冲和高频隔震等方面起着不可替代的作用[1]。空气弹簧按研究和使用的时间顺序分类，大致分为囊式、约束膜式和自由膜式空气弹簧，其中，自由膜式空气弹簧没有约束群（或外筒），气囊可以按其势能最小的形状自由伸张[2-3]，具有使用寿命长、质量较小、安装高度低、可减小车辆地板面距轨面高度的特点，在无摇动台结构的铁道车辆转向架上应用广泛[4]，因此，自由膜式空气弹簧具有重要的研究价值。

空气弹簧的静态性能是空气弹簧设计及应用的重要参数，而气囊作为空气弹簧的主要受力部件，气囊的几何结构和特性对空气弹簧的静态性能具有重要影响；帘布层作为气囊的骨架材料，其帘线材质、角度、密度及其层数对气囊的变形、应力及刚度具有较大影响，从而直接影响空气弹簧的静态性能[5-6]。目前，气囊帘线对自由膜式空气弹簧静态性能影响的研究主要集中在确定单个影响因子的影响规律上，而未对各个因子对其静态性能影响程度进行分析，导致自由膜式空气弹簧性能调整的针对性较低。

正交试验是进行多因子试验的一种科学方法，利用规格化的正交表格，对多因子试验进行整体设计、统计比较、综合分析，用数理统计方法对试验结果进行处理，得出科学结论[7-8]。同时，可以通过极差分析各因子的影响程度大小，为优化试验提供指导[9]。

本工作以正交试验方法研究气囊帘线材质、帘线角度和帘线膨胀比对自由膜式空气弹簧水平静态刚度、垂向静态刚度和载荷内压的影响程度，从而可以更有针对性地为调整自由膜式空气弹簧的静态性能提供指导。

1 自由膜式空气弹簧气囊的基本结构及特点

自由膜式空气弹簧可分为大曲囊式和小曲囊式结构，本试验选取大曲囊式空气弹簧进行研究，所用气囊主要由钢丝圈、外层胶、帘布层和内层胶组成，帘布层主要起到承受载荷的作用，气囊的基本结构如图1所示。

2 实验

2.1 试验方案设计

2.1.1 单因子试验

分别研究气囊帘线材质（A）、帘线角度（B）和帘线膨胀比（C）3个因子对不同载荷下自由膜式空气弹簧的水平静态刚度、垂向静态刚度和载荷内压的影响，载荷选取80，90，100，110，120 kN，具体试验方案见表1。

表1 单因子试验方案Tab.1 Single factor test schemes

2.1.2 正交试验

（1）正交试验表选择

选择L4（23）正交表进行正交试验设计。

（2）因子与水平确定

根据选取的L4（23）正交表，考察气囊帘线材质（A）、帘线角度（B）和帘线膨胀比（C）对不同载荷下自由膜式空气弹簧的水平静态刚度、垂向静态刚度和载荷内压的影响。其中，帘线材质选择尼龙和聚酯，分别记为A1和A2；帘线角度选择8°和12°，分别记为B1和B2；帘线膨胀比选择1.60和1.75，分别记为C1和C2，详见表2；结合上述因子的取值，制定出4个正交试验方案，详见表3；载荷选取80，90，100，110，120 kN。

表2 因子与水平表Tab.2 Factor and level table

表3 正交试验方案Tab.3 Orthogonal experimental schemes

2.2 测试性能

自由膜式空气弹簧的水平静态刚度、垂向静态刚度和载荷内压按照TB/T 2841—2019《铁道车辆空气弹簧》[10]要求执行。

（1）水平静态刚度。在（265±2）mm安装高度下，分别测量80，90，100，110，120 kN载荷工况下空气弹簧的水平静态刚度。

（2）垂向静态刚度。在（265±2）mm安装高度下，在附加气室95 L的情况下，分别测80，90，100，110，120 kN载荷工况下空气弹簧的垂向静态刚度。

（3）载荷内压。在（265±2）mm安装高度下，分别测80，90，100，110，120 kN载荷工况下空气弹簧的载荷内压。

3 结果与讨论

3.1 单因子试验

3.1.1 气囊帘线材质对空气弹簧静态性能的影响

按照方案1和2进行试验，考察气囊帘线材质对不同载荷下自由膜式空气弹簧水平静态刚度、垂向静态刚度和载荷内压的影响，结果见图2。

从图2可以看出，在不同载荷下，与尼龙帘线空气弹簧相比，聚酯帘线空气弹簧的水平静态刚度和载荷内压较大，垂向静态刚度略小，这是因为自由膜式空气弹簧的水平静态刚度与气囊本身特性有直接关系[2-3]。聚酯帘线定伸应力大，变形小，稳定性好[11]，导致气囊抵抗横向变形的能力强，表现为聚酯帘线空气弹簧的水平静态刚度大。水平静态刚度增大，空气弹簧的最大外径减小，从而相同载荷下空气弹簧的内压增大。此外，与空气弹簧的水平静态刚度相比，空气弹簧的垂向静态刚度和载荷内压对帘线材质变化的敏感度较低。这是因为自由膜式空气弹簧的垂向静态刚度与气囊本身特性无直接关系[2-3]，帘线的变化是通过影响空气弹簧几何形状而影响垂向静态刚度的，因此，垂向刚度的变化相对较小；帘线材质变化后，空气弹簧的最大外径的变化相对较小，从而载荷内压的变化较小。

3.1.2 气囊帘线角度对空气弹簧静态性能的影响

按照方案1，3和4进行试验，考察气囊帘线角度对不同载荷下自由膜式空气弹簧水平静态刚度、垂向静态刚度和载荷内压的影响，结果见图3。

从图3可以看出，在不同载荷下，空气弹簧的水平静态刚度和载荷内压随帘线角度的增大而增大，垂向静态刚度随帘线角度增大而呈减小趋势，这是因为帘线角度增大，气囊抵抗横向变形的能力增强所致。此外，与空气弹簧水平静态刚度的变化相比，空气弹簧的垂向静态刚度和载荷内压的变化较小。

3.1.3 气囊帘线膨胀比对空气弹簧静态性能的影响

按照方案4和5进行试验，考察气囊帘线膨胀比对不同载荷下自由膜式空气弹簧水平静态刚度、垂向静态刚度和载荷内压的影响，结果见图4。

由图4可以看出，在相同载荷下，帘线膨胀比大，空气弹簧的水平静态刚度大，垂向静态刚度小，载荷内压略大，这是因为帘线膨胀比大，帘线角度大，气囊抵抗横向变形的能力强。此外，与空气弹簧的水平静态刚度相比，空气弹簧的垂向静态刚度和载荷内压对帘线膨胀比变化的敏感度较低。

3.2 正交试验

基于单因子试验的分析可以看出，气囊帘线材质、帘线角度和帘线膨胀比对自由膜式空气弹簧静态性能均有一定影响，但影响程度不同，而单因子试验难以比较这3个因子的影响程度大小。因此，本试验通过正交试验的极差分析，考察气囊帘线材质、帘线角度和帘线膨胀比对空气弹簧静态性能的影响。

按照正交试验方案分别考察不同载荷下自由膜式空气弹簧的水平静态刚度、垂向静态刚度和载荷内压，试验结果见表4，极差分析结果见表5。

表4 正交试验结果Tab.4 Orthogonal test results

由表5可以看出，在5种载荷下，3个因子对水平静态刚度影响的极差大小顺序为C，A，B，对垂向静态刚度影响的极差大小顺序为B，A，C，对载荷内压影响的极差大小顺序为A，B，C。极差大小反映了因子水平改变对试验结果的影响大小，极差越大，说明该因子对试验结果的影响越大[12-17]，因此，通过极差大小顺序可以得出，帘线膨胀比对水平静态刚度的影响最大，帘线角度对垂向静态刚度的影响最大，帘线材质对载荷内压的影响最大。

表5 正交试验极差分析结果Tab.5 Orthogonal test range analysis results

4 结论

（1）在相同载荷下，与尼龙帘线气囊相比，聚酯帘线气囊自由膜式空气弹簧的水平静态刚度和载荷内压较大，垂向静态刚度较小；与空气弹簧的水平静态刚度相比，空气弹簧的垂向静态刚度和载荷内压对气囊帘线材质变化的敏感度较低。正交试验表明，虽然载荷内压对帘线材质变化的敏

感度较低，但在3个因子中，帘线材质对载荷内压的影响程度最大。

（2）自由膜式空气弹簧的水平静态刚度和载荷内压随气囊帘线角度的增大而增大，垂向静态刚度随帘线角度增大呈减小趋势；与空气弹簧的水平静态刚度相比，空气弹簧的垂向静态刚度和载荷内压对帘线角度变化的敏感度较低。正交试验表明，虽然空气弹簧的垂向静态刚度对帘线角度变化的敏感度较低，但在3个因子中，帘线角度对垂向静态刚度的影响程度最大。

（3）气囊帘线膨胀比越大，自由膜式空气弹簧的水平静态刚度越大，垂向静态刚度越小，载荷内压略大。正交试验表明，虽然帘线材质、帘线角度和帘线膨胀比对空气弹簧水平静态刚度的影响均显著，但3个因子中，帘线膨胀比对水平静态刚度的影响程度最大。