高速列車空氣彈簧壓力曲線的數值擬合

秦禮　張鋒珍　陳經緯

摘要：文章根據空氣彈簧的動態特性試驗數據，通過曲線的一般方程，得到以載荷為自變量的關于空氣彈簧載荷-壓力的近似二次方程和五次方程，分別繪制了對應的曲線，分析了二次方程與實際差異較大的原因。根據近似五次方程進行列車空氣彈簧的控制調試，調試結果良好，這對于控制高速列車制動風管中的壓力帶來方便。

關鍵詞：高速列車；空氣彈簧；壓力曲線；數值擬合；動態特性試驗 文獻標識碼：A

中圖分類號：U270 文章編號：1009-2374（2017）05-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.074

現代軌道交通車輛不斷地朝著高速化、輕量化以及低噪聲方向發展。空氣彈簧懸掛系統具有許多螺旋彈簧不具備的優點，因此干線高速鐵道車輛和城市軌道交通車輛均日益廣泛地采用空氣彈簧作為二系懸掛裝置。這主要有下面三個方面的原因：（1）空氣彈簧均有非線性特性，剛度可以選擇低值，降低了車輛的自振頻率；（2）能夠保持空、重車車體的自振頻率幾乎相等，在空、重車不同狀態的運行平穩性接近；（3）空氣彈簧和高度閥并用時，可按照車體的不同載荷保證車輛底板距離軌面的高度不變。但是，空氣彈簧是與高度閥配合使用的，這樣才能顯示其優越性，同時控制好空氣彈簧以及管路中的氣壓就顯得非常關鍵。若控制氣壓不夠好，空氣彈簧的優越性就沒法顯示出來，同時車輛的舒適性也會下降。

1 空氣彈簧系統控制

空氣彈簧控制裝置的整個系統如圖1所示。空氣彈簧所需要的壓力空氣由列車制動主管經溢流閥、截斷塞門、進入貯風缸，再經高度閥進入枕梁，最后到達空氣彈簧。溢流閥能夠保證經過閥體的風壓不能大于某一設定值。同時，當總風缸管的壓力變低時，溢流閥的目的是優先向制動系統供風。截斷塞門是安裝在制動支管上，用于開通和關閉分配閥與列車管間壓力空氣通路的部件，正常作用時，總是處于開放位置，當制動機發生故障時，為了截斷制動主管的壓縮空氣送風通路，這時才將其關閉，停止該制動機工作。高度閥的主要作用及要求是維持車體在不同靜載荷作用均與軌面保持一定的高度；在直線上運行時，車輛在正常振動情況下不發生進、排氣作用；在車輛通過曲線時，如果車體傾斜程度超過規定的數值后，轉向架上的高度控制閥分別產生進、排氣的不同作用，從而減少車輛的傾斜。安全閥的主要作用就是保證氣室中的壓力不能超過限定值。由于氣室與空氣彈簧是連通的，安全閥同時也保證了空氣彈簧的內壓。

2 空氣彈簧壓力曲線數值擬合

一般來說，空氣彈簧廠家會提供空簧壓力曲線，但是大多是通過描點得到的曲線。從空簧本身的特性來講，空氣彈簧壓力曲線應該是光滑的一條曲線。理論上講，對空氣彈簧在不同載荷下測試的點越多，得到對應載荷下的空氣彈簧內壓值就越多，這些點反映的曲線就越準確。但是，實際測量過程中，由于受到眾多因素的影響，測量值會有一定的誤差，最后這些點就會圍繞著理想曲線上下分布。由于空氣彈簧的剛度呈非線性變化且連續，要計算出空氣彈簧的實際載荷——壓力曲線非常困難，但通過數值計算擬合逼近實際曲線的效果非常好，胡芳等在研究客車空氣彈簧懸架過程中提出了用擬合的辦法確定空氣彈簧的變剛度。下面通過兩組試驗數據分別進行數值擬合，通過數值逼近的方法來研究某高速動車組轉向架空氣彈簧載荷——壓力特性：

第一組試驗數據中有3個測試點（表1），第二組試驗數據有5個測試點（表2）。

根據動態特性的特點，采用曲線的一般方程表示載荷——壓力曲線：

圖2為n=2的載荷——壓力曲線，圖中的曲線有明顯的下凹。測試點是三個點，且這三個點的間隔比較大，因為這樣得到的曲線才能夠較準確地反映非線性的整體特性。但是，由于測量點的間隔比較大，對于空氣彈簧的區間特性反映得不夠準確。圖3是n=5時的載荷——壓力曲線，其中該曲線對應的方程中，各系數均保留小數點后10位，其原因是自變量的取值比較大時對于該方程影響比較大（特別是自變量的取值大于100時，對于實際空氣彈簧的影響非常明顯）。圖中曲線較好地反映了空氣彈簧的非線性特性，這與已經研究發現的成果比較吻合。在某動車組裝車后，按照n=2時的曲線控制空氣彈簧壓力，發現與實際載荷相差約0.2%，這是因為曲線下凹，即曲線反映的空氣彈簧內壓偏小。按照n=5的曲線控制空氣彈簧壓力，結果發現與實際很吻合。如果將n的取值增大，實際效果的改善并不明顯。主要原因是實驗數據太多，采用太高的冪次一方面不會顯著提高精度，另一方面會使擬合剛度曲線光滑性變差，其實可能反映了過多的試驗數據量化誤差。

3 結語

（1）通過兩組實驗數據，將這些數據進行歸納，推導出一般的方程，通過驗證的結果是令人滿意的；（2）分析了二次曲線與實際曲線偏差較大的原因，同時指出了五次曲線與實際曲線比較吻合的原因。

參考文獻

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[2] 胡芳.非線性空氣懸架模型的理論研究及實車試驗[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2007，30（11）.

[3] 陳燎，等.空氣彈簧動態特性擬合及空氣懸架變剛度計算分析[J].機械工程，2010，46（4）.

作者簡介：秦禮（1965-），男，中車唐山機車車輛有限公司轉向架技術中心高級工程師，研究方向：軌道車輛轉向架技術管理；張鋒珍（1981-），男，中車唐山機車車輛有限公司轉向架技術中心工程師，碩士，研究方向：軌道車輛轉向架研發設計；陳經緯（1984-），男，中車唐山機車車輛有限公司轉向架技術中心高級工程師，研究方向：軌道車輛轉向架研發設計。

（責任編輯：王 波）