空气弹簧在轨道车辆上的应用

空气弹簧在轨道车辆上的应用
摘要：空气弹簧的主要特性是自重小、内摩擦小、非线性刚度好，同时还有
非常高的隔震与抗高频振动效果，所以被大量的应用到地铁、轻轨客车等车辆中。

本文从空气弹簧悬挂系统结构与特性出发进行分析，了解我国轨道客车转向架的
发展，同时研究分析空气弹簧在轨道车辆上的应用。

关键词：轨道车辆；空气弹簧；应用
随着我国高速铁路、轨道交通基础设施广泛建设，规模与速度时刻保持高速
发展。

高速铁路与城市轨道交通车辆的高速发展，对于车辆装备要求较高，同时
对于安全运行方面也有更高的要求，铁路旅客列车与城轨车辆大量的应用空气弹
簧作为悬挂系统，其可以提升车辆运行安全性与稳定性，所以被大量使用，极大
促进我国轨道列车领域的发展。

1空气弹簧的工作原理及作用
1.1空气弹簧系统工作原理
空气弹簧的结构是设计是在密封性的橡胶囊中冲入压缩气体，然后形成一定
的刚度，其刚度会因为负载变化而形成弹性体。

空气弹簧结构可见图1所示。

（1）空气弹簧本体；（2）附加空气室；（3）高度控制阀；（4）回转杆；（5）调节杆
图1转向架空气弹簧系统结构图
要想保证车身高度不会因为载荷变化而变化，车体与转向架之间设置有高度
控制阀装置，根据车辆运行情况调节弹簧高度。

回转杆利用旋转的方式控制空气
弹簧充气阀与排气阀的开启，可以让压缩空气及时冲入到弹簧或者空气弹簧内部
气体直接导入到附加气室内，让车辆负载变化的情况下高度依然保持恒定。

1.2空气弹簧的作用与特点
空气弹簧因为负载的持续作用，导致内部气体被压缩，形成反力而出现弹性
恢复力。

和普通金属弹簧对比分析，空气弹簧的优势就是减振、降噪，且可以在
较大荷载的运行条件下降低弹簧刚度，所以是航空、汽车、轨道车辆的重要组成
部分，对于经济与社会发展影响巨大。

下面分析空气弹簧的作用与特点：
（1）重量轻。

空气弹簧的首要特性就是自重要比刚性弹簧销，所以安装到
轨道车辆中，达到轻量化的要求，结构组成更加的简单。

（2）具有非线性特性。

传统应用的螺旋钢弹簧刚度性能是恒定的，而空气
弹簧与之不同，刚度会因为荷载的增加而增加，所以非线性特性明显。

1.3空气弹簧悬挂特性
（1）高度恒定。

因为高度调节阀的使用，可以控制空气弹簧的进气与排气，让车体在不同荷载条件下轨道面高度是恒定的，这对于通过高站台上下乘客的轨
道车辆运行极为重要。

从地铁车辆运行情况分析，高峰时满载，其二系悬挂荷载
比空车时高约50kN，如果二系悬挂使用高度无法调整的刚性弹簧，那么空车车体
距离轨道面高度将会比满载时高出0.2m左右，导致车厢与站台的间隙过大，乘
客上下车安全性减低。

通过使用空气弹簧，让空车、重车的车体高度一致，保证
乘客的生命安全。

（2）固有频率低且恒定。

振动系统的悬挂刚度越小，承载质量也会较高，
所以振动系统固有频率较低。

轨道车辆的正常运行过程中，轮对于轨道随机不平
顺激励之下振动能力大约为15～20Hz，一系悬挂的作用下让振动能力转化为5～
10Hz。

要想减小构架传输到车体振动的情况，需要让二系悬挂的自振频率较低，
而空气弹簧刚度较低可以达到这一标准。

空气弹簧悬挂系统固有频率在1Hz左右，
与低通滤波器相似，隔绝构架的高频振动，让轨道车辆的稳定性合格。

此外，空
气弹簧还会因为荷载的变化而变化，车载较大的情况下，空气弹簧内部压力升高，刚度也会提升，确保在不同载荷之下其固有频率是恒定的，所以能够保证车辆运
行的稳定性与安全性。

（3）降噪。

空气弹簧传输介质为气体，而刚性弹簧的传输介质是金属，正
是因为气体与橡胶弹簧可以吸收高频振动，所以噪声比较低。

因为二系悬挂距离
车厢内部的距离较小，所以空气弹簧降噪效果明显，安全性较高。

2空气弹簧在轨道车辆上的应用
我国于二十世纪的50年代开始自主研发空气弹簧系统，同时在1958年成功
研发出空气弹簧并且应用到“东风号”铁路客车上。

在进入到60年代中期，约
束膜式空气弹簧被大量的应用到铁路车辆上，这种弹簧结构形式可以有效的改进
横向振动特性，其内、外套筒与外层橡胶是接触的状态，容易导致胶囊被大量的
磨损，缩短使用寿命，所以没有广泛的使用。

直到发展到90年代，自由膜式空
气弹簧的研发成功，让空气弹簧研发和应用进入到全新阶段，也极大的促进了我
国铁路列车与轨道列车领域的发展。

空气弹簧应用到轨道列车上主要精力下述几个发展阶段：
第一阶段：合理应用空气弹簧垂直非线性刚度性能，保证轨道车辆垂直稳定
性合格。

第二阶段：充分利用空气弹簧的垂向与横向刚度特点，去除二系悬挂部分结构，实现车辆减重。

第三阶段：充分发挥出空气弹簧刚性特点，移除摇枕，让二系悬挂结构有效
简化，和减振器联合应用，可以彻底的解决转向架性能，保证运行达到稳定性的
标准。

在我国自主研发的209HS型转向架中，技术人员选择应用摇动台+摇枕+空气
弹簧的二系悬挂结构，该结构形式充分利用空气弹簧的低垂向刚度特点，让车辆
运行中空气弹簧横向位移尽量的减小，且纵向、扭转位移量非常小，所以空气弹簧水平刚度性能要求较低，满足正常运行要求。

此后，自由膜空气弹簧横向特性在不断的提升，并未设置有摇动台结构，206KP型准高速车辆转向架中应用摇枕+空气弹簧的二系悬挂结构。

该结构形式把空气弹簧设置到构架上，保证结构性能满足要求，且对于纵向刚度方面要求并不高。

随着科学技术的发展，空气弹簧技术有了很大的发展，我国自主研发的CRH
系列高速动车组二系悬挂都应用空气弹簧悬挂系统。

在高速动车组的成功应用，说明我国的空气弹簧技术水平较高，完全满足各种条件下的应用需要，极大的促进轨道列车领域的发展。

3结语
我国轨道车辆应用空气弹簧技术较之世界其他国家相对较晚，但是技术研发速度快，已经取得了很高的成绩。

当前我国自主研发的空气弹簧被大量应用到高速列车、城市轨道交通车辆中，大幅提升车辆运行的安全性、稳定性，未来还要自主研发空气弹簧技术，促进我国轨道装备制造水平全面提升，为社会发展做出必要贡献。

参考文献：
[1]莫荣利,陈灿辉,陈文海,等.轨道车辆用空气弹簧阻尼特性研究与应用[J].铁道机车车辆,2010,30(002):30-32.
[2]莫荣利,丁玮彦,李生新,等.空气弹簧在青藏铁路车辆上的应用与改进[J].机车电传动,2010,2010(003):55-56.
作者简介：张忠牮（1987-05），男，汉族，籍贯：吉农，学历：本科，研究方向：城轨车辆制造与调试技术。