和諧號動車組懸掛設備及控制

金 哲，韓曉輝，范榮巍，陳 藍

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

和諧號CRH3動車組轉向架的二系懸掛系統(tǒng)采用無搖枕的空氣彈簧懸掛系統(tǒng)［1］（如圖1所示）。

該懸掛系統(tǒng)利用空氣彈簧內部的節(jié)流孔有效地抑制高頻振動，能提高列車的平穩(wěn)性和舒適性，但是會影響制動系統(tǒng)的控制性能，以及行車安全。

施加緊急制動時，制動控制單元的限壓閥是根據(jù)空氣彈簧的載荷壓力限制最高制動力。載重分布不均勻或列車通過曲線時，每個空氣彈簧的載荷壓力各不相同，因此無法得到真實的空氣彈簧載荷壓力，會降低制動系統(tǒng)控制效果。

另外，空氣彈簧爆裂或嚴重漏泄時，容易導致車體傾斜、聯(lián)掛裝置脫鉤或翻車等事故。

為了確保動車組的行車安全和制動系統(tǒng)的控制性能，必須根據(jù)運營工況對空氣彈簧內的空氣壓力和空氣彈簧的高度進行控制。

圖1 和諧號動車組空氣懸掛系統(tǒng)

1 懸掛控制設備的組成

CRH3動車組懸掛控制設備由壓力開關、電磁閥、高度閥、平均閥、安全閥、過濾器、塞門、溢流閥組成［2］（如圖2所示）。

總風管壓力經(jīng)過溢流閥、節(jié)流閥、三通塞門和過濾器向空氣彈簧充風。此時，直徑為4mm的節(jié)流閥將控制向空氣彈簧的充風時間。當懸掛系統(tǒng)發(fā)生故障或需要維護時，通過三通塞門切斷供風系統(tǒng)和空氣懸掛系統(tǒng)，并排空懸掛系統(tǒng)內的壓縮空氣。

圖2 空氣懸掛控制系統(tǒng)氣路圖

2 空氣懸掛系統(tǒng)的控制原理

CRH3動車組通過一系列懸掛控制設備自動控制空氣彈簧的充排風狀態(tài)，并檢測空氣彈簧的載荷壓力。其核心控制部件為高度閥、平均閥、電磁閥、安全閥、溢流閥和壓力開關。

2.1 空氣彈簧壓力控制原理

在實際運營過程中，車廂內的乘客分布不均勻，在乘客集中區(qū)域的空氣彈簧壓縮量大，而乘客稀少區(qū)域的空氣彈簧壓縮量會比較小，容易導致車體的傾斜。

對一列車來說，每節(jié)車廂的載重各不相同，每次停站時每節(jié)車廂的載重變化量也不同，造成車輛高度不一致。如果對車輛高度不進行控制，有可能發(fā)生聯(lián)掛裝置脫鉤的現(xiàn)象。

另外，當列車通過曲線時，由于重力的變化，也會導致空氣彈簧壓縮量不一樣。

為了保持設定的車體高度，在車體和轉向架之間安裝懸掛控制裝置——高度閥。高度閥安裝示意圖和車體上的安裝照片如圖3和4所示。當車輛載重增加時，車體相對于轉向架向下運動，高度閥的杠桿繞著驅動軸向上旋轉，向空氣彈簧充風，使空氣彈簧壓力增加，抬高車體高度。當車輛載重減少時，車體會向上移動，高度閥的杠桿繞著驅動軸向下旋轉，排出空氣彈簧內的壓縮空氣，使空氣彈簧壓力下降，降低車體高度，直到車體恢復到設定的高度為止。

圖3 高度閥安裝示意圖

圖4 高度閥安裝照片

2.2 平均壓力檢測原理

動車組的緊急制動力隨載荷變化，當車體的載荷分布不均勻時，通過一個空氣彈簧壓力無法獲得真實的載荷信息。為了降低載荷不均勻帶來的影響，制動控制系統(tǒng)根據(jù)兩個轉向架的空氣彈簧平均壓力控制緊急制動力。

平均閥是空氣懸掛控制設備的關鍵部件之一，能通過兩個獨立的壓力獲得一個算術平均值，而每個獨立壓力來自空氣懸掛系統(tǒng)上的空氣彈簧。在空氣懸掛系統(tǒng)中，平均閥的安裝如圖5所示。

圖5 懸掛控制設備安裝照片

平均閥的內部結構如圖6所示。來自兩個轉向架上空氣彈簧的壓力I和II分別作用于活塞的左右兩側，其中較高的壓力將把活塞推至壓力較小的端口位置，并關閉雙閥頭之壓力較低的氣室。

圖6 平均閥內部結構圖

當壓力I和II作用于活塞時，兩個壓力同時分別作用于差動活塞的環(huán)形表面S1和S2，因此差動活塞和雙閥頭克服彈簧作用力向上移動，并打開閥座。

壓力I和II中較高的壓力將通過被打開的閥座，流向差動活塞之上的環(huán)形腔室中，其面積S3與環(huán)形面積S1、S2之和相等。

一旦此處的壓力升高到足以平衡作用于S1和S2上面的壓力，雙閥頭就關閉閥座。此時，可以列出以下平衡方程式：

式中，PM—平均壓力；PⅠ，PⅡ—空氣彈簧壓力。

當S1＝S2時，端口M的壓力為壓力Ⅰ和Ⅱ的平均值。

2.3 安全控制措施

CRH3動車組的頭車和尾車的第2個轉向架上分別裝有一個電磁閥，因此第1個轉向架上的兩個空氣彈簧都爆裂時，將快速排空第2個轉向架上的空氣彈簧壓縮空氣，能防止車頭觸軌等事故。

當總風管的壓力降低時，溢流閥優(yōu)先向制動系統(tǒng)的供風。該閥將阻止空氣流向懸掛裝置，直至總風管壓力達到預設的壓力值（670kPa）。

如果內部壓力過高，空氣彈簧就容易爆裂。當空氣彈簧的內部壓力超過800kPa時，安全閥就自動開啟，適當?shù)嘏懦隹諝鈴椈蓛鹊膲嚎s空氣。

車體高度快速增加時，排風高度閥就快速排出空氣彈簧內的壓縮空氣，使車體快速保持設定的高度。CRH3動車組的空氣懸掛控制系統(tǒng)中，排風高度閥只有快排和快充功能，并無慢排和慢充功能。

作為另一種安全控制措施，每個轉向架的空氣彈簧都配有一個壓力開關。當空氣彈簧壓力低于150kPa時，壓力開關將把信號發(fā)給制動控制單元，使制動控制單元采取相應的安全措施。

3 結論

和諧號動車組的空氣懸掛系統(tǒng)分別裝有高度閥、平均閥、安全閥、電磁閥等控制部件，能有效地控制空氣彈簧內部壓和高度，并輸出兩個轉向架空氣彈簧的平均壓力，同時具有各種安全控制措施，為動車組的平穩(wěn)舒適性和安全運行提供了保障。

［1］張曙光.高速列車設計方法研究［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］王月明.動車組制動技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［3］劉永強，楊紹普，廖英英，等.高速動車組懸掛系統(tǒng)橫向半主動控制仿真分析［J］.振動與沖擊，2010，29（9）：27－31.

［4］李 繁.高速動車組舒適性仿真與分析研究［D］.大連：大連交通大學，2009.