轨道车辆空气弹簧悬挂系统应用与研究

轨道车辆空气弹簧悬挂系统应用与研究
李芾;戚壮
【摘要】概述空气弹簧悬挂系统的结构与特性,重点介绍橡胶气囊、应急橡胶弹簧、附加空气室、高度调整阀与差压阀等空气弹簧悬挂系统的主要元件;对空气弹簧悬
挂系统在国外轨道车辆上的应用情况进行综述,并通过我国轨道客车转向架的发展
研究空气弹簧悬挂系统对轨道车辆动力学性能的意义;最后归纳近年来空气弹簧悬
挂系统的研究方法,讨论其未来的应用前景与研究方向.
【期刊名称】《中国铁路》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】6页(P42-47)
【关键词】轨道车辆;空气弹簧;悬挂系统;应用
【作者】李芾;戚壮
【作者单位】西南交通大学机车车辆工程系,四川成都,610031;西南交通大学机车
车辆工程系,四川成都,610031
【正文语种】中文
近年来，我国高速铁路、城市轨道交通建设的规模和速度一直保持世界领先[1]。

高速铁路与城市轨道交通的发展无疑对车辆装备的运行安全与品质提出了更高要求，铁路旅客列车与城轨车辆广泛采用空气弹簧作为其二系悬挂装置。

空气弹簧悬挂系统直接影响车辆的曲线通过安全性、运行平稳性等动力学品质，是轨道车辆转向架
的关键技术之一[2]。

1 空气弹簧悬挂系统结构特性
轨道车辆转向架采用的空气弹簧悬挂系统结构见图1，该系统主要包括橡胶气囊、附加空气室、节流孔（阀）、应急橡胶弹簧、高度调整阀及差压阀。

1.1 主要元件及作用
（1）橡胶气囊。

橡胶气囊内部密封一定量的空气，利用气体的可压缩性与橡胶弹性起到缓冲减振的作用。

根据橡胶气囊的形状，可将空气弹簧分为囊式、约束膜式和自由膜式三类，其中自由膜式空气弹簧由于其横移量大、刚度可调、寿命高等优点被广泛应用于现代轨道车辆上。

自由膜式空气弹簧又可分为小曲囊结构和大曲囊结构（见图2、图3）。

小曲囊式空气弹簧一般采用自密封式结构，具有安装空间小、承载能力强的特点，多应用于日系动车组和地铁车辆上；大曲囊式空气弹簧一般采用机械密封式结构，具有刚度较低、位移能力较大的特点，多应用于欧系动车组上。

图1 空气弹簧悬挂系统示意
图2 小曲囊空气弹簧
图3 大曲囊空气弹簧
（2）应急橡胶弹簧。

应急橡胶弹簧安装于橡胶气囊下部，以保证空气弹簧失气后车辆的运行安全性。

轨道车辆常用的应急橡胶弹簧有叠层橡胶堆和锥形橡胶堆。

叠层橡胶堆由多层水平方向的橡胶与金属垫硫化而成，当橡胶堆受垂向与水平方向载荷时，橡胶分别处于压缩与剪切状态，因此其具有较大的垂向刚度与较小的水平刚度，常与小曲囊橡胶气囊配合使用，以降低二系悬挂整体横向刚度；锥形橡胶堆的橡胶与金属叠层通常与水平方向呈一定夹角，使橡胶在垂向与水平载荷下均处于压缩与剪切状态，因此其具有较小的垂向刚度与较大的水平刚度，常与大曲囊橡胶气囊配合使用。

此外，还有一种叠层橡胶堆内置辅助锥形橡胶堆的应急橡胶弹簧（见
图4）[3]，这种组合式应急弹簧结合了上述两种应急弹簧的优点，不仅同时降低
了垂向与水平刚度，还可保证上盖板与磨耗板接触时空气弹簧仍具有较高柔性。

图4 组合式应急橡胶弹簧
（3）附加空气室。

空气弹簧的内容积越大，其静挠度越大，故在橡胶气囊外接一附加空气室，可显著降低空气弹簧的垂向刚度。

但空气弹簧的刚度并非与附加空气室的容积呈线性关系，且并非附加空气室容积越大车辆平稳性越好。

研究结果表明，当附加空气室容积大于一定数值后，空气弹簧垂向刚度下降趋势变缓，且对车辆垂向平稳性优化作用不再明显。

因此，附加空气室的容积一般设定为50～70 L。

附
加空气室与橡胶气囊一般通过节流孔（阀）连接。

当气体流经节流孔（阀）时，气体与管壁的摩擦会产生阻尼效应，起到减振作用。

车辆水平振动对空气弹簧内容积影响不大，由空气弹簧横向变位产生的橡胶气囊与附加空气室间的气体交换较少，节流孔（阀）不能提供有效的横向阻尼。

因此，车体与构架间一般均需安装横向油压减振器。

（4）高度调整阀。

高度调整阀的三个端口分别与空气弹簧、列车风管与大气相连，可对空气弹簧进行充气或排气，以保证空气弹簧的工作高度。

高度调整阀一般安装在车体上，其高度调整杆与构架相连，以检测车体与构架间的相对垂向距离（见图5）。

高度调整阀主要具备两个特性：不敏感区特性与时间延迟特性。

高度调整阀的不敏感区一般为10 mm左右，当空气弹簧高度在此区间变化时，高度调整阀不作用；高度调整阀的时间延迟一般为（3±1）s，即当空气弹簧高度持续超出不敏
感区3 s左右后，高度调整阀才开始对空气弹簧进行充气或排气作用，其延时机构一般由缓冲弹簧和阻尼器构成。

高度调整阀的这两种特性不但使空气弹簧在不同静态载荷下具有恒定高度，而且能够保证车辆正常运行中不发生频繁进、排气作用。

图5 高度调整阀工作原理示意
（5）差压阀。

对于四点支撑模式的空气弹簧悬挂系统，转向架两侧空气弹簧间需
要安装差压阀，其工作原理见图6。

差压阀的阈值一般为（150±20）kPa，当两
侧空气弹簧的内压力差超过其阈值时，差压阀打开，以均衡两侧空气弹簧的内压力，降低轮重减载率，保证车体不会因过大的侧滚角而发生倾覆。

在两点支撑模式中，转向架两侧空气弹簧直接相连，虽然保证了其两侧始终具有一致的内压力，但这种支撑模式无法抑制车体的侧滚运动，需在转向架与车体间安装抗侧滚扭杆。

研究表明，这两种支撑模式均能保证车辆的动力学性能，但需在考虑安全可靠性与制造成本的前提下进行合理设计[4]。

图6 差压阀工作原理示意
1.2 空气弹簧悬挂特性
（1）高度恒定。

由于高度调整阀对空气弹簧的进、排气作用，可使车体在不同载荷下距轨面高度保持不变，这对通过高站台上下乘客的轨道车辆尤为重要。

就地铁车辆来说，其高峰满载时对二系悬挂的载荷比空车时高约50 kN，若二系悬挂采
用高度不可调的钢弹簧，则空车车体距轨面高度将会比满载时高出约0.2 m，增加了车厢与站台的间隙，影响乘客上下车安全。

因此，城轨车辆的二系悬挂广泛采用空气弹簧，以维持空重车的车体高度。

（2）固有频率低且恒定。

对于一个振动系统来说，悬挂刚度越小，承载质量越高，振动系统的固有频率越低。

轨道车辆运行过程中，轮对在轨道随机不平顺激励下的振动能量主要集中在15～20 Hz，经过一系悬挂，构架的振动能量主要集中在5～10 Hz。

为了降低构架传递至车体的振动，必须要求二系悬挂具有较低的自振频率，而空气弹簧的低刚度特性正好满足了这一要求。

空气弹簧悬挂系统固有频率约为1 Hz，相当于一个低通滤波器，有效隔离了构架的高频振动，保证了轨道车辆的运
行平稳性。

此外，空气弹簧的内压随车体载荷的变化而变化，当车体质量变大时，空气弹簧的内压随之升高，使空气弹簧的刚度也随之升高，从而保证了车辆在不同载荷下具有相同的固有频率。

因此，空气弹簧这种固有频率低且恒定的特性对于高
速列车尤其重要。

（3）降噪。

空气弹簧和钢弹簧分别利用气体和金属作为振动的传播介质，空气弹簧气囊中的气体及应急橡胶弹簧均可有效吸收高频振动，降低噪声。

由于二系悬挂距车厢内部较近，空气弹簧这种优异的降噪特性无疑会在很大程度上提高乘客舒适度。

（4）横向刚度低，位移量大。

空气弹簧优异的横向特性是无摇枕转向架出现的重要原因。

由于轨道客车需要具备较低的横向自振频率与良好的曲线通过性能，要求其二系悬挂横向需具有较低的刚度值与较大的位移量。

自由膜式空气弹簧不但横向刚度值较低，而且容许的横向位移量较大（为60～120 mm）。

使得安装空气弹
簧的轨道客车转向架取消了摇动台装置，并进一步取消了摇枕，简化了转向架结构，降低了车辆自身质量。

因此，应用空气弹簧悬挂系统的无摇枕转向架是现代高速旅客列车、高速货车及城轨车辆的发展趋势。

2 空气弹簧悬挂系统发展现状
2.1 国外的发展与应用
最原始的空气弹簧为活塞-气缸式空气弹簧，随着橡胶工业的发展，应用广泛的橡
胶-帘线式空气弹簧问世，并于1947年最早应用于美国普尔曼车上。

2.1.1 日本
20世纪50年代，日本最早开始了空气弹簧在轨道车辆领域的研究，并于70年代将空气弹簧大规模应用于新干线及其他高速铁路客车上。

最初，由于空气弹簧的横向刚度过大，新干线100系、200系的DT200型转向架仍安装了摇动台机构。

随着空气弹簧横向刚度的减小和横向位移量的提高，高速转向架逐渐取消了摇动台和摇枕结构，大大减轻了转向架质量，提升了整车的动力学性能[5]。

受安装空间的
限制，新干线系列高速动车组一般采用小曲囊式空气弹簧（见图7），这种空气弹簧可以通过设计裙板形状调整空气弹簧的水平刚度，达到空气弹簧各向异性的要求。

此外，日系高速动车组多采用四点支撑模式，转向架两侧空气弹簧通过差压阀相互隔离，并通常会在转向架侧梁安装空气弹簧支承梁，增加两侧空气弹簧的横向跨距。

这种结构提高了空气弹簧悬挂系统抑制车体侧滚的能力，省略了抗侧滚扭杆装置。

图7 新干线高速动车组转向架
2.1.2 法国
法国于20世纪70年代初开始试制约束膜式空气弹簧，并于1983年将大曲囊式
空气弹簧成功运用于巴黎—里昂的TGV高速列车上[6]。

TGV高速列车多采用Jacobs铰接式转向架，其相邻两车端部共同坐落在一个转向架上，空气弹簧同时
承载前后两车的载荷（见图8）。

该种结构减小了整列车转向架的数量，但增加了空气弹簧的载荷。

TGV-V150列车的574.8 km/h世界纪录验证了空气弹簧悬挂
系统对高速列车安全性与稳定性的重要作用。

图8 TGV高速列车铰接式转向架
2.1.3 德国
德国第一代ICE高速列车二系悬挂均采用钢弹簧。

为了进一步提高ICE列车的动
力学性能，在试验型ICE高速列车中运用了高柔大曲囊式空气弹簧，并于1988年5月以406 km/h的速度创造了当时的世界纪录。

20世纪90年代初，德国对
MD530转向架进行了改进，使用空气弹簧+摇枕的结构替代原有钢弹簧结构[7]，并应用于新研制的ICE-2高速动车组，此后ICE-3高速动车组均采用无摇枕结构
的空气弹簧悬挂转向架（见图9）。

图9 ICE-3高速动车组转向架
此外，瑞典X2000摆式列车和西班牙TANGO、AVE高速列车均采用空气弹簧悬挂系统。

2.2 国内的发展与应用
我国于20世纪50年代末开始自主研制空气弹簧，并于1958年首次将空气弹簧
应用于试制的“东风号”铁路客车上。

60年代中后期，约束膜式空气弹簧开始在
我国铁道车辆上应用[8]，这类空气弹簧虽可在一定程度上改善车辆的横向振动特性，但其内、外套筒和外层橡胶经常处于接触状态，胶囊磨损严重，使用寿命偏低，未得到进一步的应用。

直至90年代初期，自由膜式空气弹簧的应用又掀起了使用空气弹簧的热潮[9]。

应用于准高速双层客车的209HS型转向架采用了摇动台+摇枕+空气弹簧的二系悬挂结构（见图10），这种悬挂结构主要利用空气弹簧的低
垂向刚度，车辆运行时空气弹簧的横向位移很小，且基本没有纵向和扭转位移，因此对空气弹簧的水平刚度要求较低。

图10 209HS型准高速客车转向架
此后，随着自由膜式空气弹簧横向特性的提高，取消了摇动台结构，206KP型准
高速客车转向架采用了摇枕+空气弹簧的二系悬挂结构（见图11）。

这种悬挂结
构将空气弹簧直接安装在构架上，同时利用空气弹簧的垂向、横向刚度，但对空气弹簧的纵向刚度没有要求。

图11 206KP型准高速客车转向架
随着空气弹簧横向特性进一步提高及高速车辆要求转向架质量进一步降低，我国又研制出了无心盘、无旁承、无摇枕的“三无”转向架[10]，SW-220K型高速客车
转向架即属于这种类型（见图12）。

这种悬挂结构不但要求空气弹簧具有较低的
垂向、水平刚度，而且要求空气弹簧具有大横向位移和扭转变形的能力。

“三无”转向架在结构上大大简化，降低了车辆自重，进一步提高了车辆的动力学性能。

图12 SW-220K型高速客车转向架
随着空气弹簧研制技术的不断成熟，我国自主研制的CRH系列高速动车组二系悬挂全部采用空气弹簧悬挂系统，其中CRH380A型高速动车组于2010年9月28
日以416.6 km/h的速度刷新了当时正常运营编组列车最高试验速度的世界纪录。

CRH380A型高速动车组拖车转向架（见图13）运用了四点支撑模式的空气弹簧
悬挂系统，并安装了抗侧滚扭杆，大大提高了整车的动力学性能与运行可靠性。

3 空气弹簧悬挂系统研究现状
3.1 空气弹簧自身特性研究
图13 CRH380A型高速动车组拖车转向架
空气弹簧以橡胶层、尼龙帘线、金属上下盖板为主体，内部封装压缩气体，因此其自身刚度具有很强的非线性特性，目前国内主要通过试验或非线性有限元计算对空气弹簧自身刚度特性进行研究。

空气弹簧特性试验中使用的垂向与水平试验台见图14。

首先对空气弹簧上表面加载一定垂向载荷并固定，接着对其底座施加垂向或水平振动激励，通过测试空气弹簧上表面的反作用力得到空气弹簧的振动特性曲线。

随着近年来有限元技术的发展，空气弹簧特性也常通过ABAQUS、ANSYS等非线性有限元工具进行分析。

模型中考虑了橡胶特性、流固耦合、帘线布置、裙板接触等非线性因素，因此其具有较高的计算精度，能够准确反映空气弹簧的实际特性。

经过国内外学者多年研究，发现了空气弹簧自身特性与其主要结构参数的关系（见表1）。

通过研究结果可知，空气弹簧的垂向、横向刚度特性受不同结构参数的影响不尽相同，因此可通过合理的结构参数设计得到特性较为理想的空气弹簧。

图14 空气弹簧试验台
表1 空气弹簧特性与主要结构参数的变化关系注：↗、↘与→分别代表增加、减小和不变三种变化趋势。

垂向刚度↗ ↘ ↗ ↗ ↗ →横向刚度↗ → ↗ ↗ ↘ ↗3.2 空气弹簧动力学模型研究
建立空气弹簧动力学模型主要有两种方法：一种以流体力学、热力学为基础，推导空气弹簧内部气体的流动微分方程，从而计算出空气弹簧形变与支反力的关系[11-12]；另一种以试验或有限元计算结果为基础，通过拟合、插值等数学方法得到简洁的空气弹簧特性计算公式，并进一步应用于车辆动力学计算[13]。

在空气弹簧动力学模型的研究中，空气弹簧悬挂系统一般以SIMULINK、AMESim平台进行建模，车辆一般以SIMPACK、ADAMS等多体动力学仿真软件进行建模。

在车辆动力学模型中计算车体与转向架的相对位移与相对速度，作为外部激励输入至空气弹簧动力学模型；在空气弹簧动力学模型中，通过气体流动微分方程或拟合曲线计算空气弹簧的反作用力，并输出至车辆动力学模型，以此实现联合仿真计算。

3.3 其他研究方向
由于空气弹簧的高度、节流孔径均可调节，因此可在轨道车辆二系悬挂中增加主动控制或半主动控制机构，进一步优化车辆动力学性能。

空气弹簧运用环境严酷，载荷复杂多变且维护周期较长，研究适用于空气弹簧的橡胶材料对其性能的提升具有重要意义。

此外，对空气弹簧悬挂系统的可靠性、耐久性进行研究，也可对延长空气弹簧使用寿命、保障轨道车辆运行安全起到积极作用。

4 结论与展望
我国轨道车辆用空气弹簧的应用与研究虽起步较晚，但发展较快。

目前，我国高速列车、准高速客车与城轨车辆基本都安装了国产空气弹簧，经多年现场实际运用，车辆的安全性与平稳性都得到了很好保证。

随着我国铁路和城轨交通的快速发展，需进一步提升空气弹簧的研发能力，提高我国轨道装备的制造水平。

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