氣囊簾線參數(shù)對(duì)自由膜式空氣彈簧靜態(tài)性能影響程度的研究

劉加健，劉志國(guó)，曹江勇，來(lái)慶存

（青島博銳智遠(yuǎn)減振科技有限公司，山東 青島 266031）

空氣彈簧是一種在柔性密閉容器中充入壓縮空氣并利用空氣的壓縮彈性進(jìn)行工作的非金屬?gòu)椥栽阼F道車輛和汽車的減震、緩沖和高頻隔震等方面起著不可替代的作用[1]。空氣彈簧按研究和使用的時(shí)間順序分類，大致分為囊式、約束膜式和自由膜式空氣彈簧，其中，自由膜式空氣彈簧沒(méi)有約束群（或外筒），氣囊可以按其勢(shì)能最小的形狀自由伸張[2-3]，具有使用壽命長(zhǎng)、質(zhì)量較小、安裝高度低、可減小車輛地板面距軌面高度的特點(diǎn)，在無(wú)搖動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)的鐵道車輛轉(zhuǎn)向架上應(yīng)用廣泛[4]，因此，自由膜式空氣彈簧具有重要的研究?jī)r(jià)值。

空氣彈簧的靜態(tài)性能是空氣彈簧設(shè)計(jì)及應(yīng)用的重要參數(shù)，而氣囊作為空氣彈簧的主要受力部件，氣囊的幾何結(jié)構(gòu)和特性對(duì)空氣彈簧的靜態(tài)性能具有重要影響；簾布層作為氣囊的骨架材料，其簾線材質(zhì)、角度、密度及其層數(shù)對(duì)氣囊的變形、應(yīng)力及剛度具有較大影響，從而直接影響空氣彈簧的靜態(tài)性能[5-6]。目前，氣囊簾線對(duì)自由膜式空氣彈簧靜態(tài)性能影響的研究主要集中在確定單個(gè)影響因子的影響規(guī)律上，而未對(duì)各個(gè)因子對(duì)其靜態(tài)性能影響程度進(jìn)行分析，導(dǎo)致自由膜式空氣彈簧性能調(diào)整的針對(duì)性較低。

正交試驗(yàn)是進(jìn)行多因子試驗(yàn)的一種科學(xué)方法，利用規(guī)格化的正交表格，對(duì)多因子試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)比較、綜合分析，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得出科學(xué)結(jié)論[7-8]。同時(shí)，可以通過(guò)極差分析各因子的影響程度大小，為優(yōu)化試驗(yàn)提供指導(dǎo)[9]。

本工作以正交試驗(yàn)方法研究氣囊簾線材質(zhì)、簾線角度和簾線膨脹比對(duì)自由膜式空氣彈簧水平靜態(tài)剛度、垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓的影響程度，從而可以更有針對(duì)性地為調(diào)整自由膜式空氣彈簧的靜態(tài)性能提供指導(dǎo)。

1 自由膜式空氣彈簧氣囊的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

自由膜式空氣彈簧可分為大曲囊式和小曲囊式結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)選取大曲囊式空氣彈簧進(jìn)行研究，所用氣囊主要由鋼絲圈、外層膠、簾布層和內(nèi)層膠組成，簾布層主要起到承受載荷的作用，氣囊的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1.1 單因子試驗(yàn)

分別研究氣囊簾線材質(zhì)（A）、簾線角度（B）和簾線膨脹比（C）3個(gè)因子對(duì)不同載荷下自由膜式空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度、垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓的影響，載荷選取80，90，100，110，120 kN，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 單因子試驗(yàn)方案Tab.1 Single factor test schemes

2.1.2 正交試驗(yàn)

（1）正交試驗(yàn)表選擇

選擇L4（23）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（2）因子與水平確定

根據(jù)選取的L4（23）正交表，考察氣囊簾線材質(zhì)（A）、簾線角度（B）和簾線膨脹比（C）對(duì)不同載荷下自由膜式空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度、垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓的影響。其中，簾線材質(zhì)選擇尼龍和聚酯，分別記為A1和A2；簾線角度選擇8°和12°，分別記為B1和B2；簾線膨脹比選擇1.60和1.75，分別記為C1和C2，詳見(jiàn)表2；結(jié)合上述因子的取值，制定出4個(gè)正交試驗(yàn)方案，詳見(jiàn)表3；載荷選取80，90，100，110，120 kN。

表2 因子與水平表Tab.2 Factor and level table

表3 正交試驗(yàn)方案Tab.3 Orthogonal experimental schemes

2.2 測(cè)試性能

自由膜式空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度、垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓按照TB/T 2841—2019《鐵道車輛空氣彈簧》[10]要求執(zhí)行。

（1）水平靜態(tài)剛度。在（265±2）mm安裝高度下，分別測(cè)量80，90，100，110，120 kN載荷工況下空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度。

（2）垂向靜態(tài)剛度。在（265±2）mm安裝高度下，在附加氣室95 L的情況下，分別測(cè)80，90，100，110，120 kN載荷工況下空氣彈簧的垂向靜態(tài)剛度。

（3）載荷內(nèi)壓。在（265±2）mm安裝高度下，分別測(cè)80，90，100，110，120 kN載荷工況下空氣彈簧的載荷內(nèi)壓。

3 結(jié)果與討論

3.1 單因子試驗(yàn)

3.1.1 氣囊簾線材質(zhì)對(duì)空氣彈簧靜態(tài)性能的影響

按照方案1和2進(jìn)行試驗(yàn)，考察氣囊簾線材質(zhì)對(duì)不同載荷下自由膜式空氣彈簧水平靜態(tài)剛度、垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，在不同載荷下，與尼龍簾線空氣彈簧相比，聚酯簾線空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓較大，垂向靜態(tài)剛度略小，這是因?yàn)樽杂赡な娇諝鈴椈傻乃届o態(tài)剛度與氣囊本身特性有直接關(guān)系[2-3]。聚酯簾線定伸應(yīng)力大，變形小，穩(wěn)定性好[11]，導(dǎo)致氣囊抵抗橫向變形的能力強(qiáng)，表現(xiàn)為聚酯簾線空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度大。水平靜態(tài)剛度增大，空氣彈簧的最大外徑減小，從而相同載荷下空氣彈簧的內(nèi)壓增大。此外，與空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度相比，空氣彈簧的垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓對(duì)簾線材質(zhì)變化的敏感度較低。這是因?yàn)樽杂赡な娇諝鈴椈傻拇瓜蜢o態(tài)剛度與氣囊本身特性無(wú)直接關(guān)系[2-3]，簾線的變化是通過(guò)影響空氣彈簧幾何形狀而影響垂向靜態(tài)剛度的，因此，垂向剛度的變化相對(duì)較?。缓熅€材質(zhì)變化后，空氣彈簧的最大外徑的變化相對(duì)較小，從而載荷內(nèi)壓的變化較小。

3.1.2 氣囊簾線角度對(duì)空氣彈簧靜態(tài)性能的影響

按照方案1，3和4進(jìn)行試驗(yàn)，考察氣囊簾線角度對(duì)不同載荷下自由膜式空氣彈簧水平靜態(tài)剛度、垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，在不同載荷下，空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓隨簾線角度的增大而增大，垂向靜態(tài)剛度隨簾線角度增大而呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)楹熅€角度增大，氣囊抵抗橫向變形的能力增強(qiáng)所致。此外，與空氣彈簧水平靜態(tài)剛度的變化相比，空氣彈簧的垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓的變化較小。

3.1.3 氣囊簾線膨脹比對(duì)空氣彈簧靜態(tài)性能的影響

按照方案4和5進(jìn)行試驗(yàn)，考察氣囊簾線膨脹比對(duì)不同載荷下自由膜式空氣彈簧水平靜態(tài)剛度、垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，在相同載荷下，簾線膨脹比大，空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度大，垂向靜態(tài)剛度小，載荷內(nèi)壓略大，這是因?yàn)楹熅€膨脹比大，簾線角度大，氣囊抵抗橫向變形的能力強(qiáng)。此外，與空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度相比，空氣彈簧的垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓對(duì)簾線膨脹比變化的敏感度較低。

3.2 正交試驗(yàn)

基于單因子試驗(yàn)的分析可以看出，氣囊簾線材質(zhì)、簾線角度和簾線膨脹比對(duì)自由膜式空氣彈簧靜態(tài)性能均有一定影響，但影響程度不同，而單因子試驗(yàn)難以比較這3個(gè)因子的影響程度大小。因此，本試驗(yàn)通過(guò)正交試驗(yàn)的極差分析，考察氣囊簾線材質(zhì)、簾線角度和簾線膨脹比對(duì)空氣彈簧靜態(tài)性能的影響。

按照正交試驗(yàn)方案分別考察不同載荷下自由膜式空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度、垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，極差分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Orthogonal test results

由表5可以看出，在5種載荷下，3個(gè)因子對(duì)水平靜態(tài)剛度影響的極差大小順序?yàn)镃，A，B，對(duì)垂向靜態(tài)剛度影響的極差大小順序?yàn)锽，A，C，對(duì)載荷內(nèi)壓影響的極差大小順序?yàn)锳，B，C。極差大小反映了因子水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大小，極差越大，說(shuō)明該因子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大[12-17]，因此，通過(guò)極差大小順序可以得出，簾線膨脹比對(duì)水平靜態(tài)剛度的影響最大，簾線角度對(duì)垂向靜態(tài)剛度的影響最大，簾線材質(zhì)對(duì)載荷內(nèi)壓的影響最大。

表5 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果Tab.5 Orthogonal test range analysis results

4 結(jié)論

（1）在相同載荷下，與尼龍簾線氣囊相比，聚酯簾線氣囊自由膜式空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓較大，垂向靜態(tài)剛度較小；與空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度相比，空氣彈簧的垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓對(duì)氣囊簾線材質(zhì)變化的敏感度較低。正交試驗(yàn)表明，雖然載荷內(nèi)壓對(duì)簾線材質(zhì)變化的敏

感度較低，但在3個(gè)因子中，簾線材質(zhì)對(duì)載荷內(nèi)壓的影響程度最大。

（2）自由膜式空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓隨氣囊簾線角度的增大而增大，垂向靜態(tài)剛度隨簾線角度增大呈減小趨勢(shì)；與空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度相比，空氣彈簧的垂向靜態(tài)剛度和載荷內(nèi)壓對(duì)簾線角度變化的敏感度較低。正交試驗(yàn)表明，雖然空氣彈簧的垂向靜態(tài)剛度對(duì)簾線角度變化的敏感度較低，但在3個(gè)因子中，簾線角度對(duì)垂向靜態(tài)剛度的影響程度最大。

（3）氣囊簾線膨脹比越大，自由膜式空氣彈簧的水平靜態(tài)剛度越大，垂向靜態(tài)剛度越小，載荷內(nèi)壓略大。正交試驗(yàn)表明，雖然簾線材質(zhì)、簾線角度和簾線膨脹比對(duì)空氣彈簧水平靜態(tài)剛度的影響均顯著，但3個(gè)因子中，簾線膨脹比對(duì)水平靜態(tài)剛度的影響程度最大。