車輛空氣彈簧失效對動力學性能的影響分析

劉洪陽 王壽辰 官賀 周通

摘 要：在高速動車組中，通常使用空氣彈簧作為輔助懸掛系統。空氣彈簧極大地抑制了從車架到車身的高幅度振動，從而使車輛乘坐感受更加良好。但是，空氣彈簧也是車輛懸架系統中最容易損壞的部件。如果車輛高速行駛，空氣彈簧破損會造成危險。在本文中，我們分析了空氣彈簧破裂后的車輛行駛性能以及諸如車輛出軌系數和輪軌側向力等安全因素。結果表明，在空氣彈簧上直線行駛的車輛的平穩性和穩定性大大降低，并且在彎道行駛時存在脫軌的風險。

關鍵詞：軌道車輛;空氣彈簧失效;平穩性;安全性

目前，高速動車組一般采用空氣彈簧裝置進行二次懸掛，主要由空氣彈簧體，附加氣室，高度調節閥和壓差閥組成?？諝鈴椈裳b置極大地提高了車輛的能動性，提高了車輛的乘坐舒適性，并易于維持和修理。空氣彈簧不僅支撐車身，而且還從車輪和導軌中分離并衰減了動態激勵，因此該組件的故障嚴重影響了車輛系統的安全性能。

空氣彈簧故障有幾種類型，例如氣門故障，高度調節氣門故障和橡膠囊破裂。其中，最為常見的損壞是橡皮囊破裂。橡膠氣囊中的氣體立即完全消失，應急橡膠堆支撐車身。整個過程很短。影響車身和結構變化的剛度，嚴重影響安全性能。因此，有必要分析空氣彈簧制動器對車輛動態性能的影響。

空氣彈簧是非金屬彈性元件，可將壓縮空氣添加到柔性密封橡膠氣囊中，并通過壓縮空氣運行。內部空氣壓縮的反作用力增加了彈性恢復力，有效壓縮面積隨變形而增加。它具有反作用力，并具有緩沖，減振和降噪功能?？諝鈴椈煽梢酝瑫r承受三向載荷，橫向和縱向剛度低，并且可以承受較大的扭轉變形。合理確定從空氣彈簧體到附加氣室的節流孔的尺寸，在振動過程中獲得必要的車輛阻尼，獲得所需的振動阻尼，并用復雜的結構和相對較早的結構代替垂直液壓。

為了確保車輛的安全運行，在空氣彈簧下方安裝了一個橡膠墊。如果空氣彈簧出現故障，則車身將由橡膠堆棧支撐。差壓閥安裝在兩個空氣彈簧之間。如果轉向架側的空氣彈簧發生故障，則另一側的空氣彈簧會通過差壓閥排出壓縮空氣，從而防止車身傾斜，從而確保車輛的安全運行。車輛操作的平穩性降低。通過為車輛的正常運行狀態和空氣彈簧的故障狀態建立動態模型，我們分析和比較了車輛的動態性能并提出了一些建議。

1 動力學模型

該模型是三段式車輛編組模型，主要由剛體（例如車體，車架，輪對和牽引裝置）組成?？諝鈴椈墒Ш髴狈磻呀佑|表面的非線性和粘彈性非線性特征。為了模擬車輛的實際路線，將激勵頻譜應用于軌跡線，并考慮垂直和水平激勵。

2 動力學性能影響分析

通過比較兩個模型的線性條件下的臨界速度和脫軌系數指標，分析正常和故障空氣彈簧條件下車輛動態性能的差異。

3 對臨界速度的影響

兩個模型的所有參數都是固定的，車輛以不同的速度行駛，并且比較了兩個模型的臨界速度。空氣彈簧故障后，車輛的臨界速度為490 km/h。在先前的研究中，在正常操作條件下，這種類型的車輛在以600 km/h的速度行駛時沒有不穩定。因此，可以認為，在空氣彈簧故障之后，B模型的不穩定性與現有的車輛收斂類型不同，屬于間歇性振動收斂。這主要是因為在空氣彈簧離開空氣之后，并且輔助系統的側面飽和會引起摩擦，減弱轉向架橫向振動的能力以及抑制轉向架橫向振動的能力。運動是不足夠的。在模型A中，車輪的側向力隨速度線性增加，而在模型B中，車輪的側向力顯著變化。這是由于緊急橡膠堆開始工作的轉向架中的空氣彈簧故障所致。在低速范圍內，應急彈簧橡膠疊層的粘附力可以抑制車架的晃動，但是粘附力不足以抑制速度的增加。結構的晃動，接觸面開始打滑車輪側向力的側向力它開始迅速增長。速度提高后，您可能會面臨脫軌的風險。在低速范圍內，B型一對1位方向盤的脫軌系數的增加不明顯，但在320 km/h之后開始急劇增加。

4 頂蓋與橡膠樁之間的摩擦系數

頂蓋材料為Q235A，摩擦塊材料為超級聚合物聚乙烯。負載為40 kN時，空氣彈簧蓋和橡膠疊層之間的摩擦系數。70 kN在無空氣條件下測試（未涂硅脂）?？蛰d時40 kN時的摩擦系數γ=0.081≤0.1。負載為70 kN時的摩擦系數r=0.143.2。

5 個轉向架的結構

輪對軸箱裝置采用橡膠彈簧定位裝置，不僅提供了垂直剛度，而且還提供了車輛行駛時所需的車輪的縱向和橫向位置剛度。橡膠彈簧的使用使單系列懸架結構簡單，易于維護和拆卸，適應管線，經濟實用。轉向架框架由每個軸箱中的兩個橡膠彈簧支撐，除了彈簧功能外，它還可以阻止高頻振動并充當垂直減震器，從而提高了車輛操作過程中的乘坐舒適性。

6 結論

（1）空氣彈簧故障后，車輛系統的穩定性與蛇形不穩定性的形式有所不同，蛇形不穩定性是一種間歇性振動，主要是由于空氣彈簧故障后輔助懸架系統的作用。力變為粘滑接觸力，飽和橫向力為滑動摩擦力，對橫向振動的阻尼能力不足，并且對橫向運動缺乏約束。（2）空氣彈簧故障后最直接的影響是車輛穩定性明顯下降，這主要是由于應急橡膠反應堆對結構的減振作用不足。（3）空氣彈簧發生故障后，車輛可以確保低速范圍內車輛的安全運行。然而，在高速下，緊急橡膠堆的接觸表面的摩擦不能充分限制框架的擺動或橫向。接觸面的滑動使車輪作用在側面。力和脫軌系數急劇增加，車輛的安全性能急劇下降。

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作者簡介：劉洪陽（1997-），男，遼寧喀左人，本科，研究方向：車輛工程。