现代轨道交通车辆转向架用空气弹簧悬挂技术

1、概述

现代轨道交通车辆不断地朝着高速化、轻量化以及低噪音方向发展，空气弹簧悬挂系统具有诸多钢制螺旋弹簧不具备的优点，因此在干线高速铁道车辆转向架和城市轨道交通车辆转向架中均日益广泛地采用空气弹簧作为二系悬挂装置。与空气弹簧相比，钢弹簧由于具有线性刚度特性，使其在轨道交通车辆上的应用受到限制，这主要有两方面的原因：一，在高速轨道交通领域刚弹簧不能够大幅度提高车辆悬挂系统静挠度以降低车体的自振频率，尤其是车辆的载客量较大时；二，城市轨道交通车辆的载客量大而且要求地板高度在不同载客量时基本不变，钢弹簧不具备这种特性。总之，空气弹簧悬挂的采用可以显著提高车辆系统的运行平稳性，大大简化转向架的结构，使转向架实现轻量化和易于维护。一般来讲，轨道交通车辆对空气弹簧的采用可以分为三个阶段：

图-1 B型城市轨道交通车辆动车无摇枕转向架

⑴利用空气弹簧的垂向特性，提高车辆系统的垂向运行平稳性；

⑵空气弹簧的垂向和横向特性并用，取消转向架二系悬挂装置中的摇动台，简化转向架结构；

⑶充分利用大变位（包括扭转）、低横向刚度空气弹簧的三维特性（图-1，图-2），取消摇枕，彻底实现转向架二系悬挂装置的轻量化，同时使抗蛇行运动减振器的采用成为可能，可更好地协调转向架蛇行运动稳定性和良好的曲线通过性能之间的矛盾。

图-2 利用空气弹簧三维特性的城轨无摇征转向架二系悬挂装置

2、空气弹簧悬挂系统的构成

空气弹簧悬挂的整个系统如图-3所示，主要由空气弹簧本体、附加空气室、高度控制装置、差压阀和节流孔(阀)等组成。该系统的工作原理为：车辆静载荷增加时，空气弹簧1被压缩使空气弹簧工作高度降低，这样高度控制阀2随车体下降，由于高度调整连杆3的长度固定，此时高度调整杠杆4

图-3 空气弹簧悬挂系统

1.空气弹簧

2.高度控制阀

3.高度调整连杆

4. 高度调整杠杆

5.列车风源

6.排气口

7.节流孔(阀)

8. 附加空气室

9.差压阀

发生转动打开高度控制阀的进气机构，压力空气由列车风源5通过高度控制阀的进气机构进入空气弹簧1和附加空气室8，直到高度调整杠杆回到水平位置即空气弹簧恢复其原来的工作高度；车辆静载荷减小时，空气弹簧1伸长使空气弹簧的工作高度增大，高度控制阀2随车体上升，同样由于高度调整连杆3的长度固定，高度调整杠杆4发生反向转动打开高度控

制阀的排气机构，压力空气由空气弹簧1和附加空气室8通过高度控制阀的排气机构经排气口6排入大气，直到高度调整杠杆回到水平位置。

2.1 空气弹簧和附加空气室

2.1.1 空气弹簧

空气弹簧悬挂系统具有理想的反S形非线性刚度特性，在正常工作范围内刚度很低，而振幅较大时其刚度具有陡增的特点，可以限制车体发生过大的位移。空气弹簧还能够有效地吸收高频振动和隔离噪音，并且由于自动高度控制阀的采用使空气弹簧悬挂可以保持地板高度不随车辆静载荷的变化而发生变化（除一系悬挂和车轮磨耗外）即空气弹簧具有恒定的工作高度。此外，更为重要的是，随着空气弹簧技术的不断进步，尤其是低横向刚度、大扭转变形空气弹簧的实用化，使得无摇枕转向架的研制成为可能。在无摇枕转向架中，利用高柔性空气弹簧低横向刚度和允许大扭转变形的特点，取消了传统转向架二系悬挂结构中的摇动台和摇枕装置而采用空气弹簧直接支承车体，使转向架的结构大为简化，减轻转向架的重量800～1000kg，实现了轻量化，同时提高了转向架的易维护性和安全可靠性。相同条件下，决定空气弹簧刚度特性的主要因素是橡胶囊的形状、材质、帘线角以及上盖和下座的几何参数等。此外，所采用的金属叠层橡胶辅助弹簧的形式对空气弹簧系统的性能也有重要影响。一般对于采用空气弹簧悬挂的车辆要求车辆垂向和横向的低频自振频率不大于1Hz。评价空气弹簧性能的主要参数有：

⑴有效直径，约450～640mm。

⑵垂直静/动刚度，垂直静刚度一般为0.3～0.4MN/m。

⑶水平静/动刚度，水平静刚度一般为0.15～0.2MN/m。

⑷最大允许的垂向位移，±30mm。

⑸最大允许的横向位移，±60～120mm。

⑹工作高度，约200～300mm。

2.1.2 附加空气室

附加空气室的作用在于能够显著降低空气弹簧的垂向刚度，但当附加空气室的容积达到一定数值后（一般为60～70L）刚度变化不再明显。对于有摇枕转向架一般是利用摇枕的内腔作为空气弹簧的附加空气室。无摇枕转向架有两种情况：一种是利用转向架构架侧梁和（或）横梁内腔；另一种是在车体上设置单独的空气弹簧附加空气室。这两种情况各有利弊，应根据不同的设计条件加以选择。

2.2 高度控制阀和差压阀

2.2.1 高度控制阀

正是由于自动高度控制阀的采用才使得空气弹簧具有许多优点。车体高度控制是通过高度控制阀控制空气弹簧充、放气来实现的。一般城市轨道交通车辆要求载荷变化时车辆地板高度调整的时间不超过车站停车时间，地板面高度的变化范围为±10mm。高度阀只能用来补偿乘客重量的变化，而不能用于补偿车轮和转向架零件的磨损，高度阀应不受车辆振动和轨道冲击的影响。高度控制阀的主要技术性能指标有(杠杆长度140mm，温度20℃，主风缸压力5kg/cm2)：

⑴截止频率，一般为1Hz；

⑵无感带，9～11mm；

⑶动作延迟时间，3±1s；

⑷空气流量：40S以下(40L风缸，压力由5kg/cm2下降到2kg/cm2)。

2.2.2 差压阀

差压阀安装在同一转向架左右空气弹簧的连接管路中间，在任何一侧的空气弹簧出现异常时作为安全装置而起作用，连通左右空气弹簧，防止车体过大倾斜。压差阀的动作压力一般有1kg/cm2、1.2kg/cm2、1.5kg/cm2三种。压差阀动作压力的选择应综合考虑多方面的因素，在条件允许的情况下尽可能选择较小值，以减小车辆在过渡曲线上的对角压差，提高车辆的抗脱轨安全性。

2.3 抗侧滚扭杆

空气弹簧的采用，一方面大大提高了车辆悬挂系统的静挠度，降低了车辆在垂向和横向的自振频率使运行平稳性提高；同时，由于垂向静挠度的增加降低了车辆系统的抗侧滚刚度，致使车辆在通过道岔和曲线时的侧滚角增大，车辆乘坐舒适度下降。抗侧滚扭杆的作用就是：在不增加车辆的垂向和横向悬挂刚度的前提下，提高车辆的抗侧滚刚度，以限制车辆在较大线路不平顺时的侧滚角，保证车辆在动态情况下不超出允许的车辆限界并提高乘坐舒适度。可见，抗侧滚扭杆的实质就是一个扭力弹簧，它不约束车体的浮沉和横摆运动，但在车体发生侧滚时可产生较大的复原力矩，提高车辆抗倾覆稳定性。抗侧滚扭杆的刚度值一般为2～3MN•m/rad。抗侧滚扭杆装置必须具有合理的设计和安装结构，否则会对车辆在直线上的运行平稳性产生不利影响。

提高车辆抗倾覆稳定性的另一种方法是增加空气弹簧的横向跨距和提高空气弹簧上支承面的高度，但这要受到车辆宽度和地板高度的限制，并要考虑对车辆曲线通过性能的影响。此方法在日本采用较多。