車(chē)輛空氣彈簧失效對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響分析

劉洪陽(yáng) 王壽辰 官賀 周通

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

關(guān)鍵詞：軌道車(chē)輛;空氣彈簧失效;平穩(wěn)性;安全性

目前，高速動(dòng)車(chē)組一般采用空氣彈簧裝置進(jìn)行二次懸掛，主要由空氣彈簧體，附加氣室，高度調(diào)節(jié)閥和壓差閥組成。空氣彈簧裝置極大地提高了車(chē)輛的能動(dòng)性，提高了車(chē)輛的乘坐舒適性，并易于維持和修理?？諝鈴椈刹粌H支撐車(chē)身，而且還從車(chē)輪和導(dǎo)軌中分離并衰減了動(dòng)態(tài)激勵(lì)，因此該組件的故障嚴(yán)重影響了車(chē)輛系統(tǒng)的安全性能。

空氣彈簧故障有幾種類(lèi)型，例如氣門(mén)故障，高度調(diào)節(jié)氣門(mén)故障和橡膠囊破裂。其中，最為常見(jiàn)的損壞是橡皮囊破裂。橡膠氣囊中的氣體立即完全消失，應(yīng)急橡膠堆支撐車(chē)身。整個(gè)過(guò)程很短。影響車(chē)身和結(jié)構(gòu)變化的剛度，嚴(yán)重影響安全性能。因此，有必要分析空氣彈簧制動(dòng)器對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能的影響。

空氣彈簧是非金屬?gòu)椥栽?，可將壓縮空氣添加到柔性密封橡膠氣囊中，并通過(guò)壓縮空氣運(yùn)行。內(nèi)部空氣壓縮的反作用力增加了彈性恢復(fù)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。空氣彈簧可以同時(shí)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(zhuǎn)變形。合理確定從空氣彈簧體到附加氣室的節(jié)流孔的尺寸，在振動(dòng)過(guò)程中獲得必要的車(chē)輛阻尼，獲得所需的振動(dòng)阻尼，并用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和相對(duì)較早的結(jié)構(gòu)代替垂直液壓。

為了確保車(chē)輛的安全運(yùn)行，在空氣彈簧下方安裝了一個(gè)橡膠墊。如果空氣彈簧出現(xiàn)故障，則車(chē)身將由橡膠堆棧支撐。差壓閥安裝在兩個(gè)空氣彈簧之間。如果轉(zhuǎn)向架側(cè)的空氣彈簧發(fā)生故障，則另一側(cè)的空氣彈簧會(huì)通過(guò)差壓閥排出壓縮空氣，從而防止車(chē)身傾斜，從而確保車(chē)輛的安全運(yùn)行。車(chē)輛操作的平穩(wěn)性降低。通過(guò)為車(chē)輛的正常運(yùn)行狀態(tài)和空氣彈簧的故障狀態(tài)建立動(dòng)態(tài)模型，我們分析和比較了車(chē)輛的動(dòng)態(tài)性能并提出了一些建議。

1 動(dòng)力學(xué)模型

該模型是三段式車(chē)輛編組模型，主要由剛體（例如車(chē)體，車(chē)架，輪對(duì)和牽引裝置）組成?？諝鈴椈墒Ш髴?yīng)急反應(yīng)堆接觸表面的非線性和粘彈性非線性特征。為了模擬車(chē)輛的實(shí)際路線，將激勵(lì)頻譜應(yīng)用于軌跡線，并考慮垂直和水平激勵(lì)。

2 動(dòng)力學(xué)性能影響分析

通過(guò)比較兩個(gè)模型的線性條件下的臨界速度和脫軌系數(shù)指標(biāo)，分析正常和故障空氣彈簧條件下車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能的差異。

3 對(duì)臨界速度的影響

兩個(gè)模型的所有參數(shù)都是固定的，車(chē)輛以不同的速度行駛，并且比較了兩個(gè)模型的臨界速度。空氣彈簧故障后，車(chē)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(lèi)型的車(chē)輛在以600 km/h的速度行駛時(shí)沒(méi)有不穩(wěn)定。因此，可以認(rèn)為，在空氣彈簧故障之后，B模型的不穩(wěn)定性與現(xiàn)有的車(chē)輛收斂類(lèi)型不同，屬于間歇性振動(dòng)收斂。這主要是因?yàn)樵诳諝鈴椈呻x開(kāi)空氣之后，并且輔助系統(tǒng)的側(cè)面飽和會(huì)引起摩擦，減弱轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)的能力以及抑制轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)的能力。運(yùn)動(dòng)是不足夠的。在模型A中，車(chē)輪的側(cè)向力隨速度線性增加，而在模型B中，車(chē)輪的側(cè)向力顯著變化。這是由于緊急橡膠堆開(kāi)始工作的轉(zhuǎn)向架中的空氣彈簧故障所致。在低速范圍內(nèi)，應(yīng)急彈簧橡膠疊層的粘附力可以抑制車(chē)架的晃動(dòng)，但是粘附力不足以抑制速度的增加。結(jié)構(gòu)的晃動(dòng)，接觸面開(kāi)始打滑車(chē)輪側(cè)向力的側(cè)向力它開(kāi)始迅速增長(zhǎng)。速度提高后，您可能會(huì)面臨脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。在低速范圍內(nèi)，B型一對(duì)1位方向盤(pán)的脫軌系數(shù)的增加不明顯，但在320 km/h之后開(kāi)始急劇增加。

4 頂蓋與橡膠樁之間的摩擦系數(shù)

頂蓋材料為Q235A，摩擦塊材料為超級(jí)聚合物聚乙烯。負(fù)載為40 kN時(shí)，空氣彈簧蓋和橡膠疊層之間的摩擦系數(shù)。70 kN在無(wú)空氣條件下測(cè)試（未涂硅脂）。空載時(shí)40 kN時(shí)的摩擦系數(shù)γ=0.081≤0.1。負(fù)載為70 kN時(shí)的摩擦系數(shù)r=0.143.2。

5 個(gè)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)

輪對(duì)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(chē)輛行駛時(shí)所需的車(chē)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)和拆卸，適應(yīng)管線，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。轉(zhuǎn)向架框架由每個(gè)軸箱中的兩個(gè)橡膠彈簧支撐，除了彈簧功能外，它還可以阻止高頻振動(dòng)并充當(dāng)垂直減震器，從而提高了車(chē)輛操作過(guò)程中的乘坐舒適性。

6 結(jié)論

（1）空氣彈簧故障后，車(chē)輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性與蛇形不穩(wěn)定性的形式有所不同，蛇形不穩(wěn)定性是一種間歇性振動(dòng)，主要是由于空氣彈簧故障后輔助懸架系統(tǒng)的作用。力變?yōu)檎郴佑|力，飽和橫向力為滑動(dòng)摩擦力，對(duì)橫向振動(dòng)的阻尼能力不足，并且對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)缺乏約束。（2）空氣彈簧故障后最直接的影響是車(chē)輛穩(wěn)定性明顯下降，這主要是由于應(yīng)急橡膠反應(yīng)堆對(duì)結(jié)構(gòu)的減振作用不足。（3）空氣彈簧發(fā)生故障后，車(chē)輛可以確保低速范圍內(nèi)車(chē)輛的安全運(yùn)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(dòng)或橫向。接觸面的滑動(dòng)使車(chē)輪作用在側(cè)面。力和脫軌系數(shù)急劇增加，車(chē)輛的安全性能急劇下降。

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作者簡(jiǎn)介：劉洪陽(yáng)（1997-），男，遼寧喀左人，本科，研究方向：車(chē)輛工程。