和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組懸掛設(shè)備及控制

金 哲，韓曉輝，范榮巍，陳 藍(lán)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

和諧號(hào)CRH3動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的二系懸掛系統(tǒng)采用無(wú)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(nèi)部的節(jié)流孔有效地抑制高頻振動(dòng)，能提高列車(chē)的平穩(wěn)性和舒適性，但是會(huì)影響制動(dòng)系統(tǒng)的控制性能，以及行車(chē)安全。

施加緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)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(dòng)力。載重分布不均勻或列車(chē)通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，每個(gè)空氣彈簧的載荷壓力各不相同，因此無(wú)法得到真實(shí)的空氣彈簧載荷壓力，會(huì)降低制動(dòng)系統(tǒng)控制效果。

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

為了確保動(dòng)車(chē)組的行車(chē)安全和制動(dòng)系統(tǒng)的控制性能，必須根據(jù)運(yùn)營(yíng)工況對(duì)空氣彈簧內(nèi)的空氣壓力和空氣彈簧的高度進(jìn)行控制。

圖1 和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組空氣懸掛系統(tǒng)

1 懸掛控制設(shè)備的組成

CRH3動(dòng)車(chē)組懸掛控制設(shè)備由壓力開(kāi)關(guān)、電磁閥、高度閥、平均閥、安全閥、過(guò)濾器、塞門(mén)、溢流閥組成［2］（如圖2所示）。

總風(fēng)管壓力經(jīng)過(guò)溢流閥、節(jié)流閥、三通塞門(mén)和過(guò)濾器向空氣彈簧充風(fēng)。此時(shí)，直徑為4mm的節(jié)流閥將控制向空氣彈簧的充風(fēng)時(shí)間。當(dāng)懸掛系統(tǒng)發(fā)生故障或需要維護(hù)時(shí)，通過(guò)三通塞門(mén)切斷供風(fēng)系統(tǒng)和空氣懸掛系統(tǒng)，并排空懸掛系統(tǒng)內(nèi)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(dòng)車(chē)組通過(guò)一系列懸掛控制設(shè)備自動(dòng)控制空氣彈簧的充排風(fēng)狀態(tài)，并檢測(cè)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(kāi)關(guān)。

2.1 空氣彈簧壓力控制原理

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，車(chē)廂內(nèi)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(huì)比較小，容易導(dǎo)致車(chē)體的傾斜。

對(duì)一列車(chē)來(lái)說(shuō)，每節(jié)車(chē)廂的載重各不相同，每次停站時(shí)每節(jié)車(chē)廂的載重變化量也不同，造成車(chē)輛高度不一致。如果對(duì)車(chē)輛高度不進(jìn)行控制，有可能發(fā)生聯(lián)掛裝置脫鉤的現(xiàn)象。

另外，當(dāng)列車(chē)通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，由于重力的變化，也會(huì)導(dǎo)致空氣彈簧壓縮量不一樣。

為了保持設(shè)定的車(chē)體高度，在車(chē)體和轉(zhuǎn)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(chē)體上的安裝照片如圖3和4所示。當(dāng)車(chē)輛載重增加時(shí)，車(chē)體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架向下運(yùn)動(dòng)，高度閥的杠桿繞著驅(qū)動(dòng)軸向上旋轉(zhuǎn)，向空氣彈簧充風(fēng)，使空氣彈簧壓力增加，抬高車(chē)體高度。當(dāng)車(chē)輛載重減少時(shí)，車(chē)體會(huì)向上移動(dòng)，高度閥的杠桿繞著驅(qū)動(dòng)軸向下旋轉(zhuǎn)，排出空氣彈簧內(nèi)的壓縮空氣，使空氣彈簧壓力下降，降低車(chē)體高度，直到車(chē)體恢復(fù)到設(shè)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(cè)原理

動(dòng)車(chē)組的緊急制動(dòng)力隨載荷變化，當(dāng)車(chē)體的載荷分布不均勻時(shí)，通過(guò)一個(gè)空氣彈簧壓力無(wú)法獲得真實(shí)的載荷信息。為了降低載荷不均勻帶來(lái)的影響，制動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧平均壓力控制緊急制動(dòng)力。

平均閥是空氣懸掛控制設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，能通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的壓力獲得一個(gè)算術(shù)平均值，而每個(gè)獨(dú)立壓力來(lái)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(shè)備安裝照片

平均閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。來(lái)自?xún)蓚€(gè)轉(zhuǎn)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(cè)，其中較高的壓力將把活塞推至壓力較小的端口位置，并關(guān)閉雙閥頭之壓力較低的氣室。

圖6 平均閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

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

壓力I和II中較高的壓力將通過(guò)被打開(kāi)的閥座，流向差動(dòng)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(guān)閉閥座。此時(shí)，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(dāng)S1＝S2時(shí)，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(dòng)車(chē)組的頭車(chē)和尾車(chē)的第2個(gè)轉(zhuǎn)向架上分別裝有一個(gè)電磁閥，因此第1個(gè)轉(zhuǎn)向架上的兩個(gè)空氣彈簧都爆裂時(shí)，將快速排空第2個(gè)轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧壓縮空氣，能防止車(chē)頭觸軌等事故。

當(dāng)總風(fēng)管的壓力降低時(shí)，溢流閥優(yōu)先向制動(dòng)系統(tǒng)的供風(fēng)。該閥將阻止空氣流向懸掛裝置，直至總風(fēng)管壓力達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力值（670kPa）。

如果內(nèi)部壓力過(guò)高，空氣彈簧就容易爆裂。當(dāng)空氣彈簧的內(nèi)部壓力超過(guò)800kPa時(shí)，安全閥就自動(dòng)開(kāi)啟，適當(dāng)?shù)嘏懦隹諝鈴椈蓛?nèi)的壓縮空氣。

車(chē)體高度快速增加時(shí)，排風(fēng)高度閥就快速排出空氣彈簧內(nèi)的壓縮空氣，使車(chē)體快速保持設(shè)定的高度。CRH3動(dòng)車(chē)組的空氣懸掛控制系統(tǒng)中，排風(fēng)高度閥只有快排和快充功能，并無(wú)慢排和慢充功能。

作為另一種安全控制措施，每個(gè)轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧都配有一個(gè)壓力開(kāi)關(guān)。當(dāng)空氣彈簧壓力低于150kPa時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)將把信號(hào)發(fā)給制動(dòng)控制單元，使制動(dòng)控制單元采取相應(yīng)的安全措施。

3 結(jié)論

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)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(nèi)部壓和高度，并輸出兩個(gè)轉(zhuǎn)向架空氣彈簧的平均壓力，同時(shí)具有各種安全控制措施，為動(dòng)車(chē)組的平穩(wěn)舒適性和安全運(yùn)行提供了保障。

［1］張曙光.高速列車(chē)設(shè)計(jì)方法研究［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

［2］王月明.動(dòng)車(chē)組制動(dòng)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

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

［4］李 繁.高速動(dòng)車(chē)組舒適性仿真與分析研究［D］.大連：大連交通大學(xué)，2009.