空氣彈簧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和垂向特性研究

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關(guān)鍵詞：空氣彈簧系統(tǒng) 組成 工作原理 垂向特性

1 引言

隨著我國動(dòng)車組運(yùn)行速度的提高，人們對列車運(yùn)行安全性的要求也越來越高。

保障動(dòng)車組行車安全的最關(guān)鍵技術(shù)為高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架，其在列車運(yùn)行中具有承載、導(dǎo)向、牽引、制動(dòng)等作用，直接影響輪軌作用力與車輛的運(yùn)行品質(zhì)，而轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能直接取決于懸掛系統(tǒng)。目前，動(dòng)車組采用的懸掛系統(tǒng)由一系懸掛系統(tǒng)和二系懸掛系統(tǒng)組成，如圖1 所示。其中，一系懸掛系統(tǒng)由鋼彈簧和油壓減振器組成，初步隔離輪軌之前的高頻振動(dòng)傳向轉(zhuǎn)向架;二系懸掛由空氣彈簧系統(tǒng)組成，阻止了高頻振動(dòng)由轉(zhuǎn)向架傳向車體，使乘客乘坐舒適性明顯提高。所以研究空氣彈簧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和垂向特性尤為重要。

2 空氣彈簧系統(tǒng)的組成

空氣彈簧系統(tǒng)由空氣彈簧本體、附加空氣室、高度控制閥和差壓閥等組成，如圖2所示。兩個(gè)空氣彈簧分別坐落在構(gòu)架左右兩側(cè)的側(cè)梁上，對于無揺枕的轉(zhuǎn)向架，構(gòu)架的測梁或者橫梁的部分密閉空腔用作附加空氣室，擴(kuò)大空氣彈簧內(nèi)容積。高度控制閥安裝在車體和轉(zhuǎn)向架之間，主要是用來控制空氣彈簧的高度，從而調(diào)整車體的高度。它有三個(gè)通氣孔，分別和空氣彈簧、大氣、列車管相通。差壓閥安裝在兩空氣彈簧之間，當(dāng)兩空氣彈簧的壓差達(dá)到150Kpa 時(shí)，差壓閥內(nèi)部通道自動(dòng)打開。

2.1 空氣彈簧本體的結(jié)構(gòu)

空氣彈簧本體由橡膠氣囊和應(yīng)急橡膠彈簧組成，橡膠氣囊內(nèi)的空氣因?yàn)榭蓧嚎s性可實(shí)現(xiàn)車體的減振效果，應(yīng)急橡膠彈簧和實(shí)現(xiàn)車體的緩沖效果。空氣彈簧有三種結(jié)構(gòu)類型：囊式、約束膜式、自由膜式。囊式和約束膜式的性能較差，主要應(yīng)用在低速列車上。自由膜式的具有較低的垂向、橫向、縱向剛度，并且具有較大的抗扭轉(zhuǎn)變形能力，因此，國內(nèi)動(dòng)車主要采用自由膜式，自由模式的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2.2 高度控制閥的結(jié)構(gòu)

高度控制閥一般由高度控制結(jié)構(gòu)、進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)和延時(shí)機(jī)構(gòu)等三部分組成，如圖4 所示。高度控制機(jī)構(gòu)主要包括連桿套筒、連桿和主軸等組成，主要完成進(jìn)排氣的控制作用。進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)主要由閥體、過濾網(wǎng)、空氣節(jié)流閥、進(jìn)氣閥體、進(jìn)氣閥、排氣閥體、排氣閥等組成，通過控制結(jié)構(gòu)的控制即打開或關(guān)閉進(jìn)氣閥、排氣閥來完成進(jìn)排氣作用。延時(shí)機(jī)構(gòu)主要由吸入閥、缸蓋、緩沖彈簧、彈簧支架和減振器支架等組成，以硅油做阻尼劑，使空氣彈簧在正常的振動(dòng)情況下不發(fā)生進(jìn)排氣動(dòng)作。當(dāng)車體載荷增加時(shí)，空氣彈簧高度降低，此時(shí)控制結(jié)構(gòu)的連桿向上動(dòng)作，帶動(dòng)主軸向左旋轉(zhuǎn)，一定時(shí)間以后，進(jìn)氣閥打開，列車管中的壓縮空氣進(jìn)入空氣彈簧，使空氣彈簧高度恢復(fù)到規(guī)定值。當(dāng)車體載荷減少時(shí)，主軸向右旋轉(zhuǎn)，排氣閥打開，空氣彈簧內(nèi)的壓縮空氣排向大氣，使空氣彈簧高度恢復(fù)到規(guī)定值。

2.3 差壓閥的結(jié)構(gòu)

差壓閥是保證一個(gè)轉(zhuǎn)向架兩側(cè)空氣彈簧的內(nèi)壓差不能超過保證行車安全規(guī)定的某一定值的裝置，由閥體、閥座、單向閥、彈簧、接頭、密封件、過濾網(wǎng)、擋圈、活節(jié)等組成，如圖5 所示。當(dāng)壓差在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，左右兩側(cè)單向閥均緊貼閥座，通道關(guān)閉。若左側(cè)空氣彈簧發(fā)生泄漏，則右側(cè)單向閥緊貼閥座，右側(cè)氣壓較大的壓縮空氣推動(dòng)左側(cè)的單向閥離開閥座，通道打開，右側(cè)空氣彈簧的壓縮空氣開始流向左側(cè)空氣彈簧。

3 空氣彈簧系統(tǒng)的工作原理

靜載荷下，當(dāng)乘客增加車體高度下降，高度調(diào)整桿感受到車體高度發(fā)生變化，來自列車管的壓縮空氣通過高度控制閥對空氣彈簧進(jìn)行充氣，使空氣彈簧的高度恢復(fù)到設(shè)定位置。當(dāng)乘客減少車體高度上升，空氣彈簧的壓縮空氣通過高度控制閥的排氣孔排向大氣，使空氣彈簧高度降低。為了避免由于車輛行駛產(chǎn)生的正常振動(dòng)，而使高度控制閥不斷的進(jìn)行充排氣，高度調(diào)整閥設(shè)有延時(shí)機(jī)構(gòu)，不敏感區(qū)一般為10mm 左右，當(dāng)車體在此范圍之內(nèi)振動(dòng)時(shí)，高度控制閥不動(dòng)作。

動(dòng)載荷下，即列車行駛過程中產(chǎn)生振動(dòng)造成的動(dòng)載荷，空氣彈簧和附加空氣室之間氣體流通，當(dāng)氣體流過安裝在空氣彈簧和附加空氣室之間的節(jié)流孔時(shí)，產(chǎn)生阻力耗散振動(dòng)動(dòng)能，從而減小車體振動(dòng)。

正常工況下，差壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)，左右兩側(cè)空氣彈賛不連通;若一側(cè)空氣彈簧漏氣，左右兩側(cè)空氣彈簧的壓差超過差壓閥的閾值，差壓閥自動(dòng)打開，左右兩側(cè)空氣彈簧連通，壓差減小。

4 空氣彈簧系統(tǒng)的垂向動(dòng)態(tài)特性

（1）空氣彈簧體積越大，動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼越小，并且呈線性[1，2]。

（2）動(dòng)態(tài)剛度隨附加空氣室體積的增加而下降，并且變化率逐漸減小，當(dāng)附加空氣室體積大于70L 時(shí)，動(dòng)態(tài)剛度基本不再發(fā)生變化;但是動(dòng)態(tài)阻尼隨著附加空氣室體積的增加而近似線性增加[1，2]。

（3）動(dòng)態(tài)阻尼隨著節(jié)流孔直徑的增加而減小，但動(dòng)態(tài)剛度隨著節(jié)流孔直徑的增加不發(fā)生變化[1，2]。

5 整車垂向平穩(wěn)性

（1）隨著空氣彈簧體積的增加而增加。當(dāng)空氣彈簧體積增加時(shí)，動(dòng)態(tài)剛度減小，從而增加了空氣彈簧的隔振作用，則車體平穩(wěn)性增加，所以在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能的選擇體積較大的空氣彈簧[3]。

（2）當(dāng)車速小于350km/h 時(shí)，附加空氣室的體積大于20L，則車體的穩(wěn)定性較大，切隨著附加空氣室的體積的增加基本不變。當(dāng)車速為450km/h 時(shí)，則需附加空氣室的體積大于35L。所以，為了提高車體在高速下的平穩(wěn)性，附加空氣室的體積最少為35L[1，2]。

（3）當(dāng)節(jié)流孔直徑小于20mm 時(shí)，直徑越大，車體穩(wěn)定性越好。當(dāng)節(jié)流孔直徑大于20mm 時(shí)，在車速低的情況下，車體穩(wěn)定性基本不變，但是當(dāng)車速較高時(shí)，直徑越大，列車穩(wěn)定性越差。所以，為了提高車體在高速下的平穩(wěn)性，節(jié)流孔的直徑最好為15 ～25mm[4]。

6 結(jié)語

空氣彈簧系統(tǒng)雖然比普通的鋼彈簧結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是該系統(tǒng)不僅可以自動(dòng)調(diào)整車體高度，而且可提高車體穩(wěn)定性，從而提升乘客舒適性。在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能的增大空氣彈簧和附加空氣室的體積，節(jié)流孔的直徑最好為15 ～ 25mm。