轨道车辆空气弹簧悬挂系统应用与研究_李芾

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
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
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（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。
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锥形橡胶堆
研究与探讨
磨耗板 下盖板
叠层橡胶堆
底座 节流孔
图2 小曲囊空气弹簧
图4 组合式应急橡胶弹簧
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。
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）。
车体 y
高度调整阀
z 橡胶气囊
高度调整阀
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。
风源 构架
附加空气室
应急橡胶弹簧 附加空气室 差压阀
风源 构架
图1 空气弹簧悬挂系统示意
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（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。
差压阀
连
连
接
接
左 侧
p left
右 侧
空
空
气
气
弹 簧
p right
弹 簧
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。
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。
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。
（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。
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
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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。
（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
车体 无感区
列车风管 连接空气弹簧
高度调整杆
高度调整阀
Hale Waihona Puke Baidu构架
连接大气
延时机构
图5 高度调整阀工作原理示意
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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。
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轨道车辆空气弹簧悬挂系统 应用与研究
李芾：西南交通大学机车车辆工程系，教授，博士研究生导师，四川 成都，610031 戚壮：西南交通大学机车车辆工程系，博士研究生，四川 成都，610031
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。 关键词：轨道车辆；空气弹簧；悬挂系统； 应用
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]。
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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。
（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]。