空氣彈簧失效對車輛動力學性能的影響

呂鳳梅，趙建秋，李 明，景建輝，邵 楠

（1 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035；2 河北機車技師學院，河北唐山063035）

空氣彈簧是一種在柔性密閉的橡膠氣囊中加入壓縮空氣、利用空氣的可壓縮性進行工作的非金屬彈性元件，彈性恢復力由內部空氣壓縮的反力和隨著變形有效受壓面積增加的反力共同提供，具有緩沖、減振及降低噪聲等功能。空氣彈簧可以同時承受3個方向的載荷，具有低橫向和垂向剛度和能承受大扭轉變形。合理地確定由空氣彈簧本體到附加空氣室之間節流孔的大小，獲得車輛在振動過程中所需要的阻尼，使振動得到必要的衰減，能代替結構復雜、加工要求比較精密的垂直油壓減振器。

為確保車輛運行的安全性，在空氣彈簧下部設置橡膠堆，當空氣彈簧失效時，車體支撐于橡膠堆上；在兩空氣彈簧間設置差壓閥，當轉向架一側空氣彈簧失效，另一側空氣彈簧可通過差壓閥將壓力空氣排出，防止由此而引起車體傾斜，從而保證了車輛的安全運行，當然車輛的運行平穩性會有所下降［1］。通過對車輛正常工況和空氣彈簧失效工況建立動力學模型，分析了車輛動力學性能并進行對比，提出一些建議。

1 SYS540 H4型空氣彈簧技術參數

1.1 橡膠堆剛度

（1）橡膠堆垂向剛度

垂向壓縮載荷為F z＝85 k N和F z＝5 k N時的撓度分別為8.21 mm和0.51 mm，其差值為7.7 mm，得出橡膠堆垂向剛度約為10 390 N／mm。

（2）橡膠堆橫向剛度

在進行橫向靜特性試驗時，用兩夾板和中間隔板將兩個橡膠堆連接壓緊，預緊力為F z＝88 k N，在中間隔板部位，對兩橡膠堆橫向加載0～20 k N，得到橡膠堆在F z＝88 k N時的橫向載荷—位移曲線，從而計算出兩個橡膠堆并聯時的總剛度值K，每一個橡膠堆的剛度值即為K／2。繪出橡膠堆橫向載荷—位移曲線，可得橡膠堆橫向剛度為：在垂向預緊載荷F z＝88 k N時，兩個橡膠堆并聯的總橫向剛度2 140 N／mm，每個橡膠堆的橫向剛度為1 070 N／mm。

1.2 空氣彈簧垂向、橫向剛度

空氣彈簧的垂向和橫向靜剛度值（表1）是在附加室45 d m3，標準高200 mm情況下測得。

表1 空氣彈簧靜剛度值

1.3 上蓋板與橡膠堆之間摩擦系數

上蓋板材料Q235 A，摩擦塊材料為超高分子聚乙烯，試驗計算無氣狀態下，載荷為40 k N、70 k N時空氣彈簧上蓋與橡膠堆之間的摩擦系數（未涂硅脂）。空載40 k N下，摩擦系數γ＝0.081≤0.1。載荷70 k N下，摩擦系數γ＝0.143。

2 動力學模型

2.1 轉向架的結構

該轉向架為米軌動車轉向架。輪對軸箱裝置采用橡膠彈簧定位裝置，其不僅能夠提供垂向剛度，而且能夠提供車輛運行時所需要的輪對縱向和橫向定位剛度。橡膠彈簧的運用使得一系懸掛結構簡單，易于維修和拆裝，對線路具有很強的適應性，經濟實用。轉向架構架支承在每個軸箱的2個橡膠彈簧上，橡膠彈簧除了具有彈簧的功能外，還有利于隔離高頻振動，起到垂向減振器的作用，從而提高了車輛運行中乘坐的舒適度。每轉向架安裝2套帶可變節流閥的空氣彈簧，空氣彈簧支承車體的總重并提供車體與轉向架間的橫向位移和回轉位移。空氣彈簧采用疊層的輔助橡膠彈簧來維持在整個負載范圍內垂向剛度并達到要求的性能。在空氣彈簧膠囊破損的情況下，車體由輔助橡膠彈簧支承。轉向架和車體間左右側還安裝兩個橫向減振器，保證車體的運行平穩性，為限制車體運行過程中產生過大的橫向位移，牽引中心銷和構架間安裝橫向彈性止檔。牽引方式為 Z形拉桿牽引［2］。

2.2 動力學模型的建立

鐵道車輛是一個復雜的多體系統，不但有各部件之間的相互作用力和相對運動，而且還有輪軌間的復雜動力學行為。因此，理論計算分析模型只能根據研究的主要目的和要求，對一些次要因素進行相應的假定或簡化，而在對動力學性能影響較大的主要因素方面盡可能做出符合實際情況的模擬。根據所計算車輛及轉向架的結構特點，在建立動力學模型時，作如下假定［3－4］：

（1）輪對、軸箱、構架、電機、齒輪箱、車體等部件的彈性比懸掛系統的彈性要小得多，視為剛體，即忽略各部件的彈性變形；

（2）單輛車動力學計算時，不考慮車輛與其他車輛連掛的作用，只考慮單一車輛的運動；

（3）假定車輛勻速運行。

動車有電機和齒輪箱，在建立模型時把電機和齒輪箱都考慮為剛體，把質量分配到輪對和構架上。模型的自由度總計50個，其中非獨立自由度數為8個。根據轉向架的結構特點，在研究中還考慮以下非線性因素：

（1）輪軌非線性接觸幾何關系

車輪踏面和軌面間具有非線性輪軌接觸幾何關系。

（2）輪軌非線性蠕滑

輪軌間的蠕滑力由Kal ker簡化非線性蠕滑理論計算，然后可通過迭代計算得到鋼軌作用于輪對上的橫向力和搖頭力矩。

（3）懸掛非線性和空氣彈簧失效模型

圖1 SYS540H4型空氣彈簧

牽引中心銷和構架之間設置有橫向止檔。當空氣彈簧失效時，上蓋板與下蓋板之間有一個相當于橫向止檔銷（如圖1），止檔間隙為5 mm，位移和力的特性曲線如圖2。當在直線上時橫向位移比較小時，由它們之間的摩擦力和橡膠堆剛度保持車輛的橫向平穩性，當位移較大時剛度由橡膠堆提供。失效模型中單獨加了左右兩個體作為下蓋板，這兩個體為剛體，質量不能太大，盡可能接近于下蓋板質量即可。在上蓋板和下蓋板之間建立摩擦力、橫向止檔力和它們之間的垂向力，通過垂向力求得摩擦力。在下蓋板和構架之間建立橡膠堆剛度力元。

圖2 橡膠堆橫向止檔特性曲線

3 正常工況和空氣彈簧失效工況的動力學性能

在原始參數條件下，正常工況下該車空、重車的蛇行失穩臨界速度分別為243 km／h和263 km／h，能夠滿足最高運行速度100 km／h的要求。車輛在以美國Ⅴ級和III級為激擾的線路上運行時，車輛運行平穩性如圖3、圖4所示。其中，Wy為橫向平穩性指標；Wz為垂向平穩性指標；A W0為空車工況；A W3為重車工況。平穩性指標小于3.0，在III級譜小于90 km／h運行時平穩性能達到合格，運行速度小于70 km／h平穩性能良好。車輛在以美國Ⅴ級和Ⅲ級為激擾的線路上運行時，車輛曲線通過能力如表4所示，在規定的速度下都能滿足安全性要求，其中，輪軌橫向力為Q（k N）、輪軸橫向力為H（k N）、脫軌系數為Q／P、輪重減載率為ΔP／P、傾覆系數D。

圖3 平穩性指標（Ⅴ級譜）

圖4 平穩性指標（Ⅲ級譜）

當空氣彈簧失效時，車體直接壓在空氣彈簧的橡膠堆上。通過仿真，計算了車輛的直線運行平穩性和安全性、曲線通過時的安全性。通過圖5、圖6可以看出：空氣彈簧失效時運行平穩性指標變壞，特別是垂向平穩性指標；直線上運行安全性變差（表2、表3），在Ⅴ級線路譜上，運行速度不能超出60 km／h；在Ⅲ級線路譜上，空車時不能超出30 km／h，重車不能超出50 km／h。曲線通過能力明顯變差（表5），特別是在Ⅲ級線路譜上，要降到很低的速度運行（計算結果最低15 km／h），一般是輪重減載率超標。分析原因主要由于失效空氣彈簧橡膠堆的橫向和垂向剛度較大，在較差的線路上輪軌之間產生較大的橫向和垂向沖擊，導致各項指標偏高。由于篇幅限制，各種工況指標不一一列出。

圖5 空氣彈簧失效時平穩性指標（Ⅴ級譜）

圖6 空氣彈簧失效時平穩性指標（Ⅲ級譜）

表2 空氣彈簧失效時直線安全性（Ⅴ級譜）

表3 空氣彈簧失效時直線安全性（Ⅲ級譜）

表4 動車曲線通過限速計算結果（Ⅲ級譜）

表5 空氣彈簧失效時曲線通過限速計算結果（Ⅲ級譜）

4 空氣彈簧失效橡膠堆剛度對動力學性能的影響

圖7是動車空車空氣彈簧失效時橡膠堆橫向和垂向剛度對平穩性的影響，線路為美國III級譜。橫向和垂向剛度取同一數值，可以看出隨著橫向和垂向剛度的增大平穩性指標增大。

圖7 橡膠堆橫向和垂向剛度對平穩性影響

經仿真計算得出當空氣彈簧失效時輪重減載率容易超標，分析得出橡膠堆垂向剛度對安全性的輪重減載率指標影響較大，圖8是動車空車空氣彈簧失效時過800 m曲線時橡膠堆垂向剛度對輪重減載率的影響，可以看出隨著垂向剛度的增大輪重減載率增大。計算時取橡膠堆橫向剛度為1.0 MN／m。

圖8 橡膠堆垂向剛度對減載率影響

5 結束語

應用動力學軟件，對該車建立了動力學模型，包括正常工況和空氣彈簧失效工況的動力學模型。通過分析得出，當空氣彈簧失效時，車輛的動力學性能變差，特別是在比較差的線路上要降到很低的速度才能安全運行，分析原因是由于空氣彈簧失效時車體壓在橡膠堆上，橡膠堆橫向和垂向剛度都特別大，使得線路不平順比較大時對輪軌產生較大的沖擊。隨著橡膠堆剛度變小平穩性和曲線通過性能會有所改善。在條件允許的范圍內可以應用橡膠堆剛度較小的空氣彈簧來提高失效時的動力學性能。

［1］劉增華.鐵道車輛空氣彈簧動力學特性及其主動控制研究［D］.成都：西南交通大學，2007.

［2］嚴雋耄，傅茂海.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，1999.

［3］王福天.車輛系統動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，1996.

［4］任尊松.車輛系統動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.