動(dòng)車組二系懸掛空氣彈簧結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與運(yùn)用分析

摘要 基于高速動(dòng)車組蓬勃發(fā)展以及相關(guān)軌道車輛裝備需求提升的背景，該文重點(diǎn)研究軌道車輛轉(zhuǎn)向架二系懸掛空氣彈簧裝置。文中對(duì)動(dòng)車組空氣彈簧運(yùn)用地位、工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)致分析總結(jié)，并選取部分典型CRH系列車型轉(zhuǎn)向架空氣彈簧為案例進(jìn)行探討，關(guān)注其結(jié)構(gòu)特征與運(yùn)用過(guò)程中重點(diǎn)故障類型，為后續(xù)新一代空氣彈簧的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維提供有益參考。

關(guān)鍵詞 動(dòng)車組；二系懸掛；空氣彈簧；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；運(yùn)用分析

中圖分類號(hào) U266 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）19-0007-04

0 引言

高鐵是我國(guó)享譽(yù)世界的一張“金名片”，也是高質(zhì)量服務(wù)于人民、促進(jìn)軌道運(yùn)輸運(yùn)量大幅增長(zhǎng)的交通方式。當(dāng)前，我國(guó)高速鐵路建設(shè)仍處于蓬勃發(fā)展階段，也是今后交通規(guī)劃不變的主旋律。

回顧“十三五”階段，展望“十四五”階段，鐵路建設(shè)規(guī)劃始終是我國(guó)交通運(yùn)輸發(fā)展長(zhǎng)期布局的重點(diǎn)方向。2020年，我國(guó)超額完成了2016年國(guó)家發(fā)布的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中2020年的目標(biāo)，2021年，國(guó)內(nèi)高鐵營(yíng)業(yè)里程超過(guò)4萬(wàn)公里。在國(guó)家政策推動(dòng)下，我國(guó)高鐵里程逐年增長(zhǎng)，并且已成為億萬(wàn)級(jí)流量的入口，覆蓋人數(shù)快速增加。2021年，“十四五”交通規(guī)劃進(jìn)一步提出“十橫十縱”鐵路建設(shè)規(guī)劃。交通運(yùn)輸部《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》指出，預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)鐵路與高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程將同比增長(zhǎng)13%、32%，分別達(dá)到16.5萬(wàn)公里、5萬(wàn)公里[1]。

因此，動(dòng)車組及電動(dòng)列車擁有量仍將大幅增加，形成巨大的存量市場(chǎng)，帶動(dòng)高鐵設(shè)備需求的提升。

1 空氣彈簧的運(yùn)用地位

高速鐵路的高質(zhì)量發(fā)展及規(guī)模擴(kuò)展離不開(kāi)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高鐵線路的成功運(yùn)營(yíng)是基于各專業(yè)領(lǐng)域（如土木、材料、車輛、信號(hào)等）的協(xié)同發(fā)展。其中，車輛各系統(tǒng)性能直接決定著列車運(yùn)行過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。同時(shí)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與國(guó)民生活水平的提高，旅客對(duì)出行質(zhì)量與乘車體驗(yàn)感均有更高期望，也激發(fā)著軌道交通客運(yùn)車輛向著快捷、舒適方向不斷進(jìn)步。

高速列車運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)性能始終是研究人員所關(guān)注重點(diǎn)，也是當(dāng)前普通旅客感受最直觀的運(yùn)營(yíng)品質(zhì)表征。其中，高速列車運(yùn)行平穩(wěn)性是在安全、穩(wěn)定前提下的更高追求。此前，由我國(guó)高鐵引領(lǐng)而風(fēng)靡全球的“立硬幣試驗(yàn)”就是檢驗(yàn)平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)效果的良好手段。與日本新干線、法國(guó)TGV等高速軌道線路車輛相比，我國(guó)高鐵展現(xiàn)出人驚嘆的優(yōu)秀試驗(yàn)結(jié)果。該優(yōu)秀表現(xiàn)一方面源于高品質(zhì)線路條件，例如超長(zhǎng)無(wú)縫鋼軌、一體化道床等；另一方面源于高速動(dòng)車組車輛卓越的彈簧減振效果，而空氣彈簧正是客運(yùn)車輛彈簧減振裝置中的典型代表元件。

空氣彈簧這一概念的產(chǎn)生與最初的應(yīng)用均源自美國(guó)，而其發(fā)展階段主要新興于德國(guó)、法國(guó)、日本等傳統(tǒng)軌道交通領(lǐng)域發(fā)達(dá)國(guó)家。由于歐洲國(guó)家及日本在軌道交通領(lǐng)域研究興趣濃厚，對(duì)于空氣彈簧這一結(jié)構(gòu)在當(dāng)時(shí)有相對(duì)深入探究，研究結(jié)果表明空氣彈簧具有適配于軌道交通車輛的特質(zhì)，因此后續(xù)對(duì)空氣彈簧結(jié)構(gòu)、材料等方面進(jìn)行了不斷升級(jí)、完善，最終拓展至各型客運(yùn)軌道車輛。我國(guó)軌道車輛彈簧減振發(fā)展過(guò)程和高速鐵路發(fā)展相比具有相似之處，可總結(jié)為“起步晚、發(fā)展快”六個(gè)字。在空氣彈簧研究前期，我國(guó)在理論深耕與制造實(shí)踐中均有所欠缺，加上國(guó)外進(jìn)口空氣彈簧技術(shù)壁壘限制，導(dǎo)致前期國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)與運(yùn)用受限頗多。但隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，客運(yùn)線路及車輛的不斷升級(jí)改造，高速軌道車輛需求的不斷增加，研究人+yAcyKTvr3TRIRHajtt2qgrOaoaxmw7Mo1mNHVLRQu0=員通過(guò)大量研究與技術(shù)革新，使得我國(guó)的空氣彈簧形式、材料、性能等方面也在急速發(fā)展。我國(guó)空氣彈簧在高速動(dòng)車組方面應(yīng)用已非常廣泛，同時(shí)對(duì)于空氣彈簧的實(shí)際運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)也在近年得到了長(zhǎng)足積累。

當(dāng)前，我國(guó)高速動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展成果及發(fā)展趨勢(shì)已為世界矚目，不僅有最高運(yùn)營(yíng)速度達(dá)380 km/h的超高速列車、運(yùn)行于青藏高原等極端線路條件的高寒高速動(dòng)車組，更有自主研發(fā)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)型標(biāo)動(dòng)列車以及跨國(guó)界運(yùn)行串聯(lián)起“一帶一路”沿線各國(guó)的中歐班列。這一系列的客運(yùn)車輛都對(duì)車輛系統(tǒng)中的彈簧減振裝置提出了更高要求。目前，我國(guó)動(dòng)車組車輛走行部普遍裝備有空氣彈簧作為二系懸掛。

空氣彈簧之所以能夠在軌道車輛發(fā)展過(guò)程中逐步取代傳統(tǒng)搖枕、搖動(dòng)臺(tái)等結(jié)構(gòu)，究其原因，主要是其獨(dú)特的材料特性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得空氣彈簧具有適配于軌道車輛性能提升要求的突出優(yōu)勢(shì)。裝備有空氣彈簧作為懸掛裝置的走行部，其動(dòng)力學(xué)性能得到顯著提升，間接影響車輛的輪軌作用力與穩(wěn)定性和安全性，直接影響旅客的乘坐舒適性。

2 空氣彈簧結(jié)構(gòu)與工作原理

空氣彈簧的本質(zhì)是壓縮空氣和橡膠結(jié)構(gòu)的結(jié)合體，根據(jù)不同橡膠結(jié)構(gòu)承載方式，空氣彈簧在發(fā)展過(guò)程中主要分為“囊式”與“膜式”兩種，對(duì)于軌道交通車輛，特別是高速客運(yùn)車輛，囊式空氣彈簧雖然承載能力強(qiáng)，但由于其剛度大，且結(jié)構(gòu)形式及力學(xué)性能對(duì)于軌道客運(yùn)車輛適應(yīng)性不佳，基本為膜式空氣彈簧所取代。

膜式空氣彈簧主要包括約束膜式與自由膜式[2]。前者由于橡膠結(jié)構(gòu)被限制于金屬套筒內(nèi)，所以被稱作“約束膜”，該結(jié)構(gòu)雖然有利于提升空氣彈簧垂向剛度調(diào)節(jié)性，不過(guò)在運(yùn)用過(guò)程中由于不可避免的振動(dòng)激擾，空氣彈簧囊體會(huì)和金屬筒壁不斷摩擦，從而產(chǎn)生熱量積累與較為嚴(yán)重的損傷。同時(shí)，該囊體損傷因?yàn)殡[性產(chǎn)生于金屬壁內(nèi)，不易在日常檢查中發(fā)覺(jué)并及時(shí)處理，所以部件更換率高，運(yùn)用成本顯著增加。隨著空氣彈簧技術(shù)的發(fā)展，“約束膜”式空氣彈簧目前已基本淘汰，當(dāng)前主流軌道客運(yùn)車輛二系懸掛所用空氣彈簧為自由膜式，基本外形如圖1所示。

自由膜式空氣彈簧取消了金屬套筒結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用了自密封形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，重量較輕，如圖2所示。該形式空氣彈簧主要由定位柱、上蓋板、下蓋板、氣囊、應(yīng)急橡膠彈簧（橡膠堆）、節(jié)流孔、附加氣室等結(jié)構(gòu)組成。定位柱起對(duì)于車體的定位作用，車體直接落于上蓋板被空氣彈簧承載。輔助氣室與節(jié)流孔聯(lián)合作用，控制壓縮氣體經(jīng)阻尼孔以一定速率在氣囊與輔助氣室之間流通，提供良好減振效果。應(yīng)急橡膠彈簧在正常運(yùn)行時(shí)承擔(dān)部分載荷，同時(shí)該結(jié)構(gòu)主要針對(duì)緊急情況，例如氣囊氣體大幅泄漏甚至氣囊爆炸，此時(shí)應(yīng)急橡膠堆將彈性支承車體，保障車輛運(yùn)行安全[3]。但此時(shí)應(yīng)急橡膠堆所提供的三方向剛度性能較完整空氣彈簧差，且存在一定程度車體傾斜，因此列車需及時(shí)降速運(yùn)行。

空氣彈簧的工作原理為通過(guò)控制橡膠囊內(nèi)的壓縮氣體狀態(tài)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行剛度需求。橡膠囊內(nèi)充壓縮空氣形成剛度可調(diào)節(jié)的彈性支承體，且其剛度特性適配于高速客運(yùn)列車動(dòng)力學(xué)性能需求。同時(shí)，空氣彈簧主體配合關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——高度調(diào)整閥使用，可以保證在空、重車狀態(tài)下空簧高度基本一致。車輛在直線運(yùn)行狀態(tài)下，隨簧上載荷的變化進(jìn)行高度控制，同時(shí)不因車體正常振動(dòng)發(fā)生充、排氣作用；車輛過(guò)曲線時(shí)，離心力作用下車體側(cè)向偏移，造成載荷不均，此時(shí)兩側(cè)高度調(diào)整閥將分別進(jìn)行充、排氣，從而減少車輛傾斜。具體工作邏輯如圖3所示。

3 動(dòng)車組空氣彈簧案例與運(yùn)用關(guān)注點(diǎn)

3.1 CRH1型動(dòng)車組空氣彈簧

CRH1型動(dòng)車組采用了“故障導(dǎo)向安全”的設(shè)計(jì)理念，并基于第一代高鐵CRH1技術(shù)，同時(shí)借鑒了CRH380D的設(shè)計(jì)，走行部采用無(wú)搖枕高速轉(zhuǎn)向架，具有舒適度高、輪軌力低、低噪聲、低振動(dòng)等特點(diǎn)。其中二系懸掛空氣彈簧組成如圖4所示，包括上蓋板、氣囊（大曲面囊式結(jié)構(gòu)）、磨耗板、輔助彈簧（錐型橡膠堆）、扣環(huán)、底板等結(jié)構(gòu)。氣囊與輔助彈簧串聯(lián)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)車輛垂、橫向的柔性減振功能。輔助彈簧在緊急情況下提供支承功能，其錐型結(jié)構(gòu)具有適宜的垂、橫向剛度，保障安全的同時(shí)兼具運(yùn)行平穩(wěn)性。

1.上蓋板；2.磨耗板；3.輔助彈簧；4.氣囊；5.扣環(huán)；6.底板

3.2 CRH2型動(dòng)車組空氣彈簧

CRH2型動(dòng)車組原型是日本川崎重工生產(chǎn)的E2-1000型新干線列車與700系新干線列車，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和自主創(chuàng)新三個(gè)階段發(fā)展，由中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司制造。CRH2型動(dòng)車組具有性價(jià)比高、故障率低、運(yùn)用成本低的特點(diǎn)，在各高鐵線路廣泛使用。該車型使用自由膜式空氣彈簧，結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。其中，橡膠囊有效直徑為528 mm，工作高度為200 mm，應(yīng)急橡膠結(jié)構(gòu)為硫化鋼板層疊橡膠堆。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)有空氣彈簧支撐梁，空氣彈簧通過(guò)導(dǎo)筒與橫梁相通作為空氣彈簧附加空氣室[4]。

1.橡膠囊；2.上蓋板；3.下蓋板；4.底板；5.橡膠堆

3.3 CRH5型動(dòng)車組空氣彈簧

和諧號(hào)CRH5型電力動(dòng)車組是中國(guó)鐵路第六次大提速背景下引進(jìn)國(guó)外技術(shù)改造的客運(yùn)列車種類之一，主要服務(wù)于北部干線或區(qū)際鐵路，構(gòu)造速度250 km/h。CRH5型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架由中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司設(shè)計(jì)制造，中央懸掛采用空氣彈簧系統(tǒng)[5]，當(dāng)前中車四方車輛研究所有限公司與高速動(dòng)車組平臺(tái)對(duì)接，為CRH5型動(dòng)車組提供空氣彈簧。該型號(hào)空氣彈簧結(jié)構(gòu)組成如圖6所示，主要包括底板、應(yīng)急彈簧、橡膠囊、扣環(huán)、上蓋板、摩擦塊、密封圈等結(jié)構(gòu)。應(yīng)急彈簧同樣采用錐型橡膠堆結(jié)構(gòu)，具有較為適宜的剛度特點(diǎn)，滿足特殊情況下運(yùn)營(yíng)需求。

3.4 空氣彈簧運(yùn)用關(guān)注點(diǎn)

隨著動(dòng)車組車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)間、里程的不斷積累，我國(guó)軌道車輛技術(shù)于運(yùn)用維護(hù)方面已具備豐富經(jīng)驗(yàn)。其中，轉(zhuǎn)向架作為車輛系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)，是多年運(yùn)維中重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。因此，對(duì)于二系空氣彈簧運(yùn)行情況具有良好總結(jié)。下面基于上述CRH系列動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架空氣彈簧實(shí)際運(yùn)用案例對(duì)其常見(jiàn)故障進(jìn)行分析、總結(jié)。

3.4.1 漏氣現(xiàn)象

空氣彈簧氣囊大幅漏氣情況并不常見(jiàn)，日常運(yùn)維過(guò)程中漏氣現(xiàn)象主要發(fā)生在氣囊上側(cè)與上蓋板自密封處，扣環(huán)與上蓋板、扣環(huán)與橡膠囊處，漏氣幅度緩慢，主要發(fā)生于氣溫較低環(huán)境內(nèi)[5-6]。該現(xiàn)象產(chǎn)生原因主要為橡膠元件對(duì)于溫度較為敏感，溫度降低后發(fā)生“冷縮”，影響與上蓋板間自密封性能或影響螺栓預(yù)緊力，造成一定泄漏現(xiàn)象。由于該泄露量通常較小，對(duì)運(yùn)營(yíng)性能影響較小，微型泄露可在記錄后進(jìn)行相應(yīng)處理，反之大型泄露需及時(shí)降速運(yùn)行并更換處理。

3.4.2 氣囊裂紋

空氣彈簧氣囊外層出現(xiàn)裂紋與劃痕。氣囊外層橡膠主要為防護(hù)層，由于轉(zhuǎn)向架位于車輛底架下方，環(huán)境條件相對(duì)較為惡劣，一方面由于異物侵入造成外層劃傷，另一方面外層橡膠連接處由于表面清潔狀態(tài)等原因影響其黏結(jié)強(qiáng)度，從而可能在應(yīng)力循環(huán)狀態(tài)下產(chǎn)生疲勞裂紋。通常情況下，當(dāng)裂紋未擴(kuò)展至空氣彈簧內(nèi)部簾線層時(shí)無(wú)須立即更換。

3.4.3 氣囊鼓包

外層橡膠出現(xiàn)局部軟鼓包現(xiàn)象，鼓包區(qū)域小，通常會(huì)隨時(shí)間膨脹，同時(shí)鼓包內(nèi)部為空氣填充[6]。該現(xiàn)象形成原因是空氣彈簧內(nèi)部空氣滲透進(jìn)氣囊外層橡膠與簾線層之間粘連欠緊密區(qū)域。由于氣囊鼓包發(fā)展非常緩慢，且不影響車輛運(yùn)營(yíng)安全，在直徑小于50 mm情況下可記錄后繼續(xù)關(guān)注，或?qū)嵤┐┐毯罄^續(xù)使用。

3.4.4 橡膠瘤

橡膠瘤多發(fā)于緊急橡膠堆（硫化鋼板形式）結(jié)構(gòu)，由于金屬與橡膠表面清潔狀態(tài)等原因影響二者黏結(jié)強(qiáng)度，造成橡膠材料與金屬剝離，且在垂向載荷作用下擠壓形成橡膠瘤結(jié)構(gòu)[7]。該結(jié)構(gòu)將影響緊急橡膠堆性能與尺寸參數(shù)，需及時(shí)進(jìn)行更換處理。

4 結(jié)論

空氣彈簧是當(dāng)前我國(guó)高速軌道交通車輛二系懸掛裝置普遍采用結(jié)構(gòu)，具有顯著的運(yùn)用地位，其性能直接影響軌道車輛動(dòng)力學(xué)性能，直觀反饋于旅客乘車體驗(yàn)感。動(dòng)車組空氣彈簧結(jié)構(gòu)性能隨著軌道車輛需求不斷進(jìn)步完善，具有適配軌道交通車輛的典型特點(diǎn)，包括低剛度、非線性、內(nèi)阻高、高度穩(wěn)定等[8-9]。我國(guó)CRH系列高速動(dòng)車組在空氣彈簧的運(yùn)用過(guò)程中一方面經(jīng)過(guò)技術(shù)引進(jìn)、創(chuàng)新發(fā)展等階段目前已具備成熟技術(shù)儲(chǔ)備，另一方面各運(yùn)營(yíng)單位在使用過(guò)程中積累了豐富的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，為今后新一代動(dòng)車組空氣彈簧的設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)用維護(hù)提供了有益參考。

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收稿日期：2024-08-18

作者簡(jiǎn)介：賀文錦（1992—），女，碩士，講師，研究方向：軌道交通運(yùn)輸與裝備。

基金項(xiàng)目：校級(jí)教科研項(xiàng)目“典型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架空氣彈簧工作原理與演示模型研究”（GDCP-ZX-2022-028-N1）