空氣彈簧在鐵道車輛上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢探究

田清帥，張波

（青島博銳智遠(yuǎn)減振科技有限公司，山東 青島 266112）

0 引言

鐵道車輛空氣彈簧是決定車輛運(yùn)行品質(zhì)的重要因素之一。鐵道車輛列車在運(yùn)行過程中，會(huì)被動(dòng)接受來自于輪軌界面的各種振動(dòng)，這種初始振動(dòng)由軌道不平順激起，最終傳遞至車體，影響乘坐舒適性。如何盡可能地降低車體振動(dòng)，一直是業(yè)內(nèi)的重點(diǎn)研究方向。

鐵道車輛中央懸掛系統(tǒng)，其一個(gè)主要作用就是衰減因線路不平順以及車輪缺陷等原因引起的車輛振動(dòng)及沖擊，使得車體具有良好的乘坐舒適性。目前，空氣彈簧系統(tǒng)中央懸掛裝置已經(jīng)在我國客車車輛上普遍運(yùn)用，來自輪軌界面的振動(dòng)，經(jīng)過兩級衰減最終傳遞至車體：首先通過軸箱懸掛系統(tǒng)由輪對傳遞至構(gòu)架，再通過中央懸掛系統(tǒng)（主要是空氣彈簧）進(jìn)一步由構(gòu)架傳遞至車體。本文總結(jié)了空氣彈簧在我國鐵道車輛上的應(yīng)用，研究空氣彈簧實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)衰減作用，并探討了其未來發(fā)展趨勢。

1 空氣彈簧在軌道車輛上的應(yīng)用

空氣彈簧具有工作高度自保持、剛度非線性、自振頻率不變、高頻振動(dòng)的吸收及隔音性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，自1947年在美國鐵路普爾曼車輛上首次采用以來，便愈來愈廣泛的被應(yīng)用。日本、美國、英國及法國在空氣彈簧研究初期做了比較廣泛的工作，取得了一定的理論研究及實(shí)際運(yùn)用成果[2]。

我國采用空氣彈簧來代替鋼彈簧，最先是由第一機(jī)械工業(yè)部汽車研究所于1957年開始進(jìn)行試驗(yàn)研究工作，并且首先裝在汽車上試用。1958年，開始研究在鐵道車輛上試驗(yàn)裝用空氣彈簧。裝用空氣彈簧后，車輛的振動(dòng)性能有了顯著改善[3]。上世紀(jì)五六十年代，采用空氣彈簧的著眼點(diǎn)主要是改善車輛的垂向振動(dòng)性能，至于橫向振動(dòng)問題仍然是靠搖動(dòng)臺(tái)機(jī)構(gòu)來解決，這個(gè)階段可以說是我國在鐵道車輛上采用空氣彈簧的第一個(gè)階段。

為了簡化轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)一步提高車輛的運(yùn)行品質(zhì)，自上世紀(jì)60年代中葉開始，國內(nèi)開始對新型膜式空氣彈簧型式進(jìn)行研究，我國在鐵道車輛上采用空氣彈簧進(jìn)入第二個(gè)階段，進(jìn)一步改善了空氣彈簧的性能，尤其是橫向彈性性能。至20世紀(jì)末，國內(nèi)在空氣彈簧的試驗(yàn)研究和實(shí)踐運(yùn)用方面有了很大的進(jìn)展，并且取得了較大成效。通過在我國鐵路客車用空氣彈簧開發(fā)過程中進(jìn)行的大量的技術(shù)和試驗(yàn)研究，空氣彈簧產(chǎn)品廣泛用于提速列車。但需要承認(rèn)的是，此時(shí)國產(chǎn)空氣彈簧不管是整體研究水平還是實(shí)際裝用率上與國際還存在不小差距[1]。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，國內(nèi)部分進(jìn)口鐵路車輛進(jìn)入檢修周期，原型空氣彈簧需要更換，但出于因其價(jià)格高迫切需要國內(nèi)產(chǎn)品來代替進(jìn)口產(chǎn)品。另一方面，按照鐵道部動(dòng)車組技術(shù)引進(jìn)及消化吸收的總體安排，作為技術(shù)受讓方，通過與國外伙伴的合作，在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，國產(chǎn)產(chǎn)品種類及品質(zhì)均實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。可以說目前國產(chǎn)產(chǎn)品整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)可以比肩國際同行，并且在寬溫域、全速度等級、復(fù)雜路況適用等特有技術(shù)指標(biāo)上具備獨(dú)特優(yōu)勢。

2 空氣彈簧的振動(dòng)衰減作用

空氣彈簧裝用于構(gòu)架和車體之間，將來自于構(gòu)架的振動(dòng)衰減后傳遞至車體。本文針對某型地鐵架構(gòu)，在充分結(jié)合車體振動(dòng)加速度的基礎(chǔ)上，完成對相關(guān)數(shù)據(jù)的測量，從而全面地了解和把握空氣彈簧對振動(dòng)衰弱所產(chǎn)生的影響。

2.1 幅值分析

從縱向維度、橫向維度、垂向維度三個(gè)方向出發(fā)，通過對車體以及構(gòu)架的實(shí)際加速度講解采集和匯總，得出如表1所示的車輛各部件加速度。

表1 車輛各部件加速度（單位：g）

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，與車體及構(gòu)架的縱向加速度和橫向加速度相比，其垂向加速度要相對較高。以垂向加速度為例，當(dāng)構(gòu)架垂向加速度達(dá)到了14.26g，車體最大垂向加速度僅為0.82g左右。由此可以看出，振動(dòng)在經(jīng)中央懸掛系統(tǒng)從構(gòu)架傳遞至車體的過程中，出現(xiàn)了超過1個(gè)數(shù)量級的衰減，振動(dòng)衰減作用明顯。

需要注意的是，對于鐵道車輛而言，其中央懸掛系統(tǒng)作為一個(gè)綜合系統(tǒng)，主要由空氣彈簧、減振器、彈性節(jié)點(diǎn)等多種部件組成。在這些部件中，空氣彈簧是中央懸掛系統(tǒng)的核心部件，在垂向振動(dòng)的衰減方面發(fā)揮了主要作用，其工作狀態(tài)直接影響了該系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

2.2 頻譜分析

能夠表征車輛振動(dòng)的參數(shù)除了振動(dòng)加速度幅值和峰值以外，還有加速度頻譜。通過利用加速度譜，可以間接性地了解和把握車輛系統(tǒng)減振效果。車體加速度頻次圖、架構(gòu)加速度頻次圖分別如圖1、圖2所示，這兩個(gè)圖形象、直觀地反映出了系統(tǒng)振動(dòng)和衰減特性。

從圖1、圖2可以看出，無論是車體還是構(gòu)架，其振動(dòng)加速度小幅值所對應(yīng)的頻次往往較高，振動(dòng)加速度大幅值所對應(yīng)頻次往往較低，這完全符滿足系統(tǒng)振動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。但也有例外，車體垂向加速度和縱向加速度幅值與其頻次之間并沒有呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是加速度譜分級存在差異化[4]。

圖1 車體加速度頻次圖

圖2 架構(gòu)加速度頻次圖

3 空氣彈簧的未來發(fā)展趨勢

經(jīng)過幾十年的研究與應(yīng)用，基于當(dāng)前概念的空氣彈簧發(fā)展已經(jīng)相對成熟，其基本結(jié)構(gòu)也已經(jīng)定型。目前業(yè)內(nèi)主攻方向還是針對橡膠材料本身，比如提升的壽命耐久性及防火性能等方面。

要談未來發(fā)展趨勢，需要跳出當(dāng)前空氣彈簧的既有應(yīng)用場景，結(jié)合實(shí)際運(yùn)用需求對其提出一些合理化發(fā)展建議。作為空氣彈簧行業(yè)從業(yè)人員，對于空氣彈簧未來發(fā)展趨勢，筆者主要有三方面的想法：

一是主動(dòng)性空氣彈簧的研究。目前空氣彈簧的動(dòng)作指令都是被動(dòng)式的接受，只有車輛已經(jīng)表現(xiàn)出不符合預(yù)期的狀態(tài)以后，空氣彈簧才能接收到指令進(jìn)行相應(yīng)自身狀態(tài)調(diào)整，使車輛恢復(fù)到預(yù)期狀態(tài)。例如，空氣彈簧一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)就是可以維持車輛的工作高度不變，這是通過高度控制閥來控制的。當(dāng)車體出現(xiàn)下沉或者上升后，與車體連接的高度控制閥跟隨車體一起出現(xiàn)下沉或上升，之后能做出相應(yīng)動(dòng)作控制空氣彈簧的充排氣，將車體再恢復(fù)到初始的高度狀態(tài)[5]。而主動(dòng)式空氣彈簧，就是在車體在出現(xiàn)下沉或上升之前，主動(dòng)感知到這種即將出現(xiàn)的變化，主動(dòng)做出動(dòng)作來提前避免這種情況的出現(xiàn)。

二是水平剛度不對稱空氣彈簧的研究。目前空氣彈簧大都為軸對稱結(jié)構(gòu)，其在各個(gè)方向上的水平剛度是一致的。但鑒于車輛結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)改善等原因，有時(shí)候需要空氣彈簧在水平面不同方向上提供不同的橫向剛度。

三是大數(shù)據(jù)智能空氣彈簧研究。當(dāng)前空氣彈簧從數(shù)據(jù)反饋功能方面功能不足，相對孤立。如果空氣彈簧能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測自身參數(shù)并反饋到車輛系統(tǒng)上進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與串聯(lián)，則不僅能對改善車輛運(yùn)行品質(zhì)提供數(shù)據(jù)支撐，更能在車輛故障診斷方面提供積極作用。

4 結(jié)語

綜上所述，通過將空氣彈簧科學(xué)應(yīng)用于鐵道車輛中，可以起到衰減鐵道車輛振動(dòng)的作用，提高了鐵道車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性、可靠性和安全性，可以避免因車輛振動(dòng)幅度過大而給內(nèi)部零件造成不同程度的破壞，完全符合鐵道車輛運(yùn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。因此，空氣彈簧值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用于鐵道車輛中。