跨座式單軌車輛空氣彈簧失效對行車安全性能的影響研究

頡玉杰 黃琴

摘 要：隨著跨座式單軌系統在我國建設的全面推進，極大地推動了相關地方的經濟和社會發展，其對于整個國家的運行效率都有非常大的促進作用。在動車提速的同時，其安全風險也會因此增加，安全運營問題也成為行車最重要的因素之一，引起社會各界高度關注。一些有嚴重安全隱患的細節被深入挖掘，并采取各種技術和管理方式進行避免，以有效提升行車安全。該文深入探討了跨座式單軌車輛空氣彈簧失效對行車安全性能的影響，有一定借鑒價值。

關鍵詞：跨座式單軌 空氣彈簧失效 行車安全性能

中圖分類號：U270 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（a）-00-02

跨座式單軌設計大多用于城市輕軌建設，重慶輕軌全國聞名，輕軌以其快捷、安全、穩定的性能得到社會各界的充分認可，而確保跨座式單軌動車組行車安全是最重要內容，引起相關技術保障和運營企業的高度重視。就輕軌車輛的運用過程來說，因為空氣彈簧發生失效問題導致行車安全性能受到嚴重影響。要克服這種安全問題發生，就必須對其產生機理和安全問題的具體表現進行系統分析，將其影響因素加以深入研究，以有效解決。

1 跨座式單軌車輛空氣彈簧失效問題概述

對于跨座式單軌動車來說，在高速運行狀態下，車體會因為外界一些微小的影響而形成高頻振動，這不但影響乘車的舒適度，同時也對行車安全構成了一定的威脅。為了有效降低高頻振動影響，空氣彈簧系統被引入跨座式單軌動車系統，形成必要的減振作用，提高列車行駛安全性能，降低安全風險。空氣彈簧系統屬于二系懸掛系統，能夠有效降低來自車體架構的各種高頻振動，并顯著提升乘車的舒適程度。但也因此空氣彈簧要承擔所有的振動消減功能，對該部件自身的作用力也是非常顯著的，空氣彈簧成為整個動車系統中非常易損的部件，并很可能在行車過程中發生損壞造成失效的問題。其最嚴重的危害在于動車高速運行過程中，如果空氣彈簧突然破損，而此時的行車安全將會受到嚴重的威脅，甚至有可能導致車輛脫軌等如此嚴重的安全事故問題。而造成造成車輛脫軌最直接的外力因素是輪軌橫力的影響，當這種作用力達到一定的危險程度，就可能導致列車出軌問題。基于此，加大相關方面的深入研究，尤其是空氣彈簧失效情況下的行車安全性能影響問題的研究，可以為采取系統的應對方法奠定堅實的技術保障基礎。

2 跨座式單軌車輛空氣彈簧失效對行車安全性能的影響

2.1 空氣彈簧失效分析

目前在我國跨座式單軌動車組中用于減震目的的主要設備裝置大多利用空氣彈簧系統，這些空氣彈簧系統由4個主要的部件構成，分別是空氣彈簧主體、差壓閥、高度調節閥、附加氣室。這些部件各性能的發揮統一推動了空氣彈簧系統總體性能的根本保障，使得車輛的動力學性能得到非常顯著的提升，乘車舒適度得以明顯提高，其他設備的檢修維護也有很大的改善。空氣彈簧發生的故障問題包括很多種，任何該系統構成部件發生問題都會導致整個系統的性能受到影響，甚至發生最后的失效問題。

具體來說，常見的故障問題有高度調節閥故障、其他閥門故障和橡膠囊發生破裂問題等，而這些故障中，最為普遍和常見的故障問題是橡膠囊破裂，該故障會造成橡膠囊中的原有氣體在很短的時間里被釋放，作為應急措施，橡膠堆會形成對車體的支撐作用，防止車體因不平衡而造成車體的傾斜，在高速運行狀態下發生脫軌問題。

2.2 動力學模型分析

針對空氣彈簧失效前后的動力學反差性能，可以分別建立動力學模型，對比前后的反差情況，以分析整個過程中的系統受力情況，分析其整個作用機理，并獲得最終的脫軌系數、臨界速度和列車的平穩性能指標等。對動車模型進行動力學分析，分析的主要部分包括車體、輪對、動力牽引部分等，這些部分都可以看作是剛體構成，在進行模擬仿真時要切實考慮輪軌的非線性接觸問題，并要充分分析空氣彈簧失效后的橡膠應急堆與各部分所接觸各面處的非線性特性。為有效模擬過程中的真實情況，需要在線路中添加一些激勵因素，并充分考慮橫向與垂向方向的影響情況。并基于此對其性能影響情況進行深入的分析，以進一步得到其具體影響的過程和作用效果。

（1）對脫軌系數的影響。

在模型建立和模擬過程中，輪軸的橫向力會隨著列車的速度增大而呈現線性的遞增，當空氣彈簧失效時，該橫向力會發生較大的變化。造成這一現象的根本原因是應急橡膠堆的作用發揮。如果此時速度還處于較低的范圍，橡膠堆的黏著作用力會對列車架構的搖擺行為形成抑制作用。但如果速度比較高，這種情況下，橡膠堆的黏著作用無法完全限制搖擺，其脫軌危險直線上升，脫軌系數處于較高的水平。此時，列車開始出現接觸面的滑移問題，輪軸上面的橫向作用力會迅速提升，速度越大其脫軌系數越高，標志著脫軌的風險也越來越大。其速度超過約320km/h后，隨著速度進一步升高，其脫軌危險也會顯著地進一步升高。

（2）對臨界速度的影響。

通過兩種模型的對比，空氣彈簧發生失效后，列車的臨界速度模擬數據為490km/h，如果列車速度超過該運行速度，如果空氣彈簧失效，其發生危險的可能性會急劇上升。反之，當空氣彈簧失效后，列車的安全臨界速度將會大幅下降，并對列車的穩定運行造成嚴重的影響。這種失穩特征與收斂類型有本質上的差異性，造成這一現象的主要原因來自懸掛系統在空氣彈簧失效后發生的作用機制變化，由懸掛系統變為橡膠堆的黏著作用機制，橫向作用力變為了滑動摩擦力，轉向架在處理橫向振動減震和控制能力被嚴重降低，導致臨界速度的根本變化。

2.3 空氣彈簧失效對輕軌動車組安全性能影響

當輕軌動車組的空氣彈簧系統在高速運行過程中發生較嚴重的失效問題，跨座單軌動車組的運行穩定性將會嚴重降低，與蛇行失穩形式不同，該失穩模式是典型的間歇性振動，是因為空氣彈簧失效后的作用力由懸掛式轉為橡膠堆的黏著作用力導致。隨著列車穩定運行的臨界速度直線下降，其輪軌間的橫向作用力也會持續急劇增加，這使得列車發生脫軌問題的可能性持續增大，而列車的脫軌系數也呈現急劇上升的狀態下。

為此，必須加強對跨座式單軌車輛的空氣彈簧加強檢查，及時發現暴露出的各種隱患問題，保證一些關鍵部件始終保持安全可用性。同時，對車速進行適當控制，使得整個運行中處于相對平穩的狀態，這也是一種必要的調整措施。當車速處于臨界速度下時，其脫軌危險發生的概率會非常低。通過模擬發現，其臨界速度一般都在490km/h以上，即便發生空氣彈簧失效問題，其速度也要超過320km/h時，才會存在較大的脫軌風險。

3 結語

綜上所述，跨座式單軌在高速運行過程中，會引發車體的高頻振動，為有效限制這些不必要的振動問題，空氣彈簧系統被引入到跨座式單軌動車系統。但如果這些易損的空氣彈簧在動車行駛過程中發生破損問題，將會對高速運行的車體產生嚴重破壞性。對其運動失效機制進行相關研究，是解決這一問題的基礎和前提。隨著相關技術和材料應用性能的逐漸提升，將會對整個系統的運行狀態產生新的影響，并最終推動跨座式單軌整體安全性能和應用質量的全面提升。

參考文獻

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