基于AMESim平台的轨道车辆空气弹簧系统气动力学仿真模型研究

整阀、差压阀等部件的作用［ １ 。
本 文基 于空气 动力 学 、流体 力学 和热力 学 的理 论 ，在 建立 空气 弹 簧 气 动力 学 微 分 方程 的基 础 上 ， 基 于 ＡＭＥ Ｓ ｉ ｍ 平 台建 立 空 气 弹 簧 系统 气 动 力 学 模 型 ，并将 其 引入 车辆 动力学 仿 真 中研 究空气 弹簧 的
果 对 比，验证了该模型能够很好反映实际空气 弹簧 的静 态和 动态特性 。仿 真计算 结果表 明 ：该模型解 决 了常规
车辆动力学模型不能模拟空气弹簧刚度变化和高度 调整 阀在 有些 工况下会 打开 的问题 ，从 而提高 了车 辆动力学
仿 真的计算精度 。
关键词 ：空气弹簧 ；刚度 ；气动力学 ；车辆动力学 ；ＡＭＥ Ｓ ｉ ｍ
Ｍａ ｙ， ２ ０１ ３
基 于 ＡＭＥ Ｓ ｉ ｍ 平 台 的轨 道 车 辆 空气 弹 簧 系统 气 动 力 学 仿 真模 型研 究
戚 壮 ，李 芾 ，黄运华 ，虞大联
６ １ ０ ０ ３ １ ； ２ ６ ６ １ １ １ ） （ １ ．西南交通大学 机械工程学 院 ，四川 成都
作者简介 ：戚
壮 （ １ ９ ８ ８ 一） ，男 ，河北 石家庄人 ，博 士研究生 。
８ ０
中
国
铁
道
科
学
第 ３ ４ 卷
如图 １ 所示 。 图 中：ｍ 为半 车体 的质 量 ；Ｄ 为两 侧 空气 弹簧 的横 向跨 距 。由图看 出 ：橡 胶气囊 、附 加 空气 室和节 流孔组 成空气 弹簧 ，高度 调整 阀和差 压 阀与 空气 弹簧组成 空气 弹簧 系统 。橡 胶气囊 与 附 加 空气 室之 间的节流 孔 ，起 到一 定 的阻尼作 用 。差 压 阀连接 两侧 空气 弹簧 的附加 空气室 ，当两侧 空气 弹 簧压差 超 出预定范 围后 ，差压 阀 自动打开 ，两侧 附 加空气 室连 通 ，使 气体从 高压 侧流 向低压侧 。高 度 调整 阀的作 用是 ，当车体 高度 超过 预定值 时 ，高 度 调整 阀使 气 囊 向 大 气 排 气 ，降 低 车 体 高 度 ，反 之 ，高度 调 整 阀使 风 源 向气 囊 充 气 ，提 升 车体 高 度 。高 度调 整阀具有 一定 范 围的无感 区 ，当车体 高 度 变化 在此无 感 区范 围以 内时 ，高度 调整 阀不会 作 用 。此 外 ，高 度 调 整 阀 还 具 有 一 定 的 动 作 延 迟
第３ ４ 卷 ， 第３ 期 ２ ０ １ ３年 ５月
文章编号 ：１ ０ ０ １ － ４ ６ ３ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ３ － ０ ０ ７ ９ — ０ ８
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＲＡＩ Ｌ Ｗ ＡＹ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ３
２ ．南车青 岛四方机 车车辆股 份有 限公 司 国家工程实验室 ，山东 青岛 摘
要 ：基于热力学 、流体力学和空气 动力学 理论 ，建 立包括橡 胶气囊 、附加空气 室 、节流孔 、差压 阀和
高度调整阀的空气弹簧系统气动力学微分方程组 。在此基 础上 ，基于 ＡＭＥ Ｓ ｉ ｍ平 台建立轨道 车辆 的空气弹簧 系 统气动力学仿真模型 ，并以某动车组为例进行 空气弹簧 系统 的静 、动刚度 仿真计 算 。将仿 真计算结果 与实测结
着其制造技术的提高 ， 越来越广泛地应用在现代高 速列 车和 地铁 车辆 上作 为二 系悬挂 装 置 。
０ｄ ａ 与 Ｎｉ ｓ ｈ ｉ ｍｕ ｒ ａ建 立 了适 用 于 更 宽 频 域 的
了空气弹簧的流体结构，以此有限元型来分析其
动力学 特性 ，但该 有 限元模 型计 算量 大 ，很 难 与车 辆 多体 动力 学模 型进 行 动态 联 合仿 真 计 算［ ９ － １ ｏ ］ 。张 广 世 和沈钢 基 于 Ｓ Ｉ ＭＵＬ Ｉ ＮＫ 建 立 了带 有管 路 的空 气 弹簧 动力 学模 型 ，但 该模 型 中并没 有考虑 高度 调
“ Ｎｉ ｓ ｈ ｉ ｍｕ ｒ ａ 模型” ＿ １ ］ ，但 是 该模 型并 未 考虑 空 气 管 路 内空气 质 量 的 惯 性 效 应 。Ｂ ｅ ｒ ｇ定 义 了 空 气 弹 簧 三 维 模 型 ，并 且 考 虑 了 其 内 部 空 气 的 共 振 ［ ２ ］ 。 Ｑｕ ａ ｇ ｌ ｉ ａ Ｅ ，Ｎｉ ｅ ｔ ｏ Ｅ ］ 以及 Ｄ ｏ ｃ ｑ ｕ ｉ ｅ ｒ Ｅ ］ 根 据 流 体 力 学 和热 动力 学 方 程 对 橡 胶 气 囊 和 空 气 室 分 别 进 行 建 模 ，但 这 些模 型没 有考 虑橡 胶气囊 与 附加 空气 室之 间 的管路 和节 流 孔 对 空气 运 动 的影 响 。Ｂ ｒ ｕ ｎ ｉ 在 最 近的一 篇综 述文 献 ［ ６ 中对 以往 的空气 弹 簧动力 学 模 型进行 了总结 和评 价 。 自 ２ Ｏ世纪 ９ Ｏ 年 代 中期 ，我 国开 始在 轨道 车辆 上推 广使 用空气 弹 簧 ，但 目前 国 内对 于轨 道车 辆空 气弹 簧 的动态建 模 与仿真 的研 究 还 比较 少 。孔 军从应 用 的角度 系统 地介 绍 了空气 弹 簧 在我 国轨道 车辆 中 的应 用 与 发 展 ＿ ７ ］ 。李 芾 等 基 于热力 学 及流 体力 学理论 ，建立 了空气 弹簧 物理 模
特性。
１ 空 气 弹 簧 系 统 的气 动 力 学微 分 方
程 组
轨道 车 辆 的二 系悬 挂装 置一 般 由 ２个构 架上 的 ４ 个 空气 弹簧 组成 。每个 构架 上 的 ２个 空气 弹簧 由
型的统一数学表达式，并对影响空气弹簧特性的主
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ６ — ３ ０ ；修订 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ２ — ０ ９
差压阀连接 ，可作 为 １ 个空气弹簧系统进行研究 ，
基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目 （ ５ ０ ８ ２ １ ０ ６ ３ ） ；国家 “ 八六三”计划项 目 （ ２ ０ ０ ８ ＡＡ０ ３ ０ ７ ０ ６ ） ；中央高校基本科研业务费专项 资金资
助项 目 （ Ｓ ＷＪ ＴＵ１ ２ Ｃ ＸＯ ４ １ ）
中 图 分 类 号 ：Ｕ２ ７ ０ ． ３ ３ １ 文献 标 识 码 ：Ａ
空气 弹 簧 具有 质 量 轻 、噪声 小 、刚度 非 线 性 、 高度 可调 、 自振频 率恒 定 、 自带 阻尼 等优 点 ，且随
要 因 素 进 行 了 分 析［ ８ ］ 。 刘 增 华 和 陈 鼎 应 用 Ａ Ｂ ＡＱＵＳ软件 通过 三 维 非线 性 有 限元 细致 地 建 立