城市軌道交通車輛空氣懸掛系統仿真分析

潘麗莎

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510310）

城市軌道車輛具有停車頻繁、車輛載荷變化大等特點。為了確保城市軌道車輛的正常運行，每個車輛都配有一定容積的總風缸，而且總風缸壓力急劇下降時，還通過兩臺空壓機向空氣懸掛系統供風。

如果空壓機流量、總風缸容積和高度閥流量特性的匹配不合理，就容易出現總風缸壓力急劇下降等現象，最終導致車輛緊急制動等嚴重后果，因此對空氣懸掛和儲風單元的匹配關系研究非常重要。

1 空氣彈簧充風原理

在實際運營過程中，車廂內的乘客分布不均勻，在乘客集中區域的空氣彈簧壓縮量大，而乘客稀少區域的空氣彈簧壓縮量會比較小，容易導致車體的傾斜。

為了保持設定的車體高度，在車體和轉向架之間安裝懸掛控制裝置——充排風高度閥。高度閥安裝示意圖如圖1所示。當車輛載荷增加時，車體相對于轉向架向下運動，高度閥的杠桿繞著驅動軸向上旋轉，向空氣彈簧充風，使空氣彈簧壓力增加，抬高車體高度。

車輛載荷從空載（AW0）變成超載（AW3）狀態時，高度閥的開口度最大，因此總風缸經過高度閥向空氣彈簧快速充風，但是由于空氣彈簧的特性，車體并不能馬上向上移動。

高度閥以最大開口度向空氣彈簧充風一定時間，并空氣彈簧壓力上升到一定值后，車體才向上移動，但是空氣彈簧壓力和車輛載荷平衡之前不會關閉高度閥，因此車體向上移動一定距離后停止下來。此時，高度閥開口度較小，空氣彈簧壓力的上升速度較慢。在高度閥開口度較小的情況下，總風缸繼續向空氣彈簧充風。

當空氣彈簧壓力接近于車輛載荷時，車體再次向上移動，因此高度閥開口度逐漸減小，以緩慢的速度向空氣彈簧充風，直到空氣彈簧壓力和車輛載荷平衡為止。

圖1 高度閥安裝示意圖

2 仿真模型的建立

2.1 高度閥模型

高度閥用于鐵道車輛，根據載荷空氣彈簧進行充風和排風，以調節車體高度。

高度閥內部結構如圖2所示。如果車輛處于設定高度，高度閥就處于所謂的中立位，這時空氣彈簧既不充風，也不排風。進氣口V2和排氣口V3都處于關閉狀態。

車輛載荷增加時，車體開始下沉。當空氣彈簧壓縮時，驅動軸5通過杠桿機構旋轉，使得偏心銷拉動活塞3向左運動打開進氣口V2。從總風缸來的壓縮空氣V進入上閥頭2，從而打開止回閥V1。壓縮空氣V的通道受到活塞頸和閥體內孔之間微小間隙的節流作用，然后才到達L口進入空氣彈簧。

當杠桿4偏轉增加時，活塞3進一步向左運動。車體升高到設定位置后，杠桿返回到水平位置，高度閥再次處于中立位，止回閥V1和V2關閉。

圖2 高度閥內部結構圖

根據高度閥內部結構，基于AMESim氣動系統仿真軟件，建立高度閥仿真模型（如圖3所示）［1］。圖中，L為與空氣彈簧的接口，V為與總風缸的接口，S為高度閥開口度變化信號接口。

圖3 高度閥仿真模型

2.2 空氣懸掛及儲風系統模型

城市軌道車輛空氣懸掛及儲風系統氣路如圖4所示。當車輛載荷由AW0變成AW3時，總風缸（B1和B2）的壓縮空氣經過高度閥L1向空氣彈簧L3和附加氣室L2充風。

此時，如果總風缸壓力降至750kPa時，將啟動1臺空壓機，如果總風缸壓力繼續降至680kPa時，將啟動第2臺空壓機。

圖4 城市軌道車輛空氣懸掛及儲風系統

一輛車的空氣懸掛及儲風系統仿真模型如圖5所示［2］。模型中的兩臺空壓機流量為相當于一輛車的流量，而且根據總風缸壓力先后啟動兩臺空壓機。為了簡化模型，用一個高度閥同時向兩個空氣彈簧充風。

圖5 空氣懸掛及儲風系統仿真模型

3 空氣懸掛及儲風系統仿真分析

以廣州地鐵3號線空氣懸掛及儲風系統為例，對車輛載荷由AW0變成AW3的過程進行仿真分析。車輛參數如表1和表2所示。

表1 通用參數［3］

表2 空氣彈簧參數

實際運營過程中，每站的車輛載荷變化規律如圖6所示。在AW3狀態下，0～9s內，高度閥一直保持4 mm的最大開度。當空氣彈簧壓力達到一定值時，車體向上移動，并在9～11s內高度閥開度降到2.9mm。

11～54s內，高度閥一直保持2.9mm的開口度，并從54s開始逐漸減少，直至空氣彈簧壓力與車輛載荷平衡為止。

圖6 車輛載荷變化曲線

仿真結果如圖7和圖8所示。圖8中，空氣彈簧充風流量為一個空氣彈簧流量，而空壓機輸出流量為一輛車的流量。

由圖7可知，A點處的總風缸壓力降至750kPa，因此啟動第一臺空壓機。由圖8可知，雖然第一臺空壓機向總風缸供風，但是空氣彈簧充風流量大于空壓機輸出流量，因此總風缸壓力一直下降。當總風缸壓力下降至B點（680kPa）時，將啟動第二臺空壓機。

圖7 空氣彈簧、總風缸壓力及空壓機啟動狀態

圖7中，0～9s內，高度閥保持最大開口度，因此空氣彈簧壓力從270kPa迅速上升至396kPa；9～54s內，空氣彈簧壓力上升至520kPa；54～65s內，由于高度閥處于慢充階段，因此空氣彈簧壓力緩慢上升至650 kPa，與車輛載荷AW3平衡，車體保持水平狀態。由圖8可知，在這個階段，空壓機輸出流量大于空氣彈簧充風流量，因此總風缸壓力開始緩慢上升。

圖8 流量曲線

4 結束語

基于AMESim氣動系統仿真平臺建立了高度閥模型和空氣懸掛及儲風系統模型，并結合廣州地鐵3號線技術條件，對車輛載荷由AW0變成AW3的過程進行了仿真分析。仿真分析結果符合車輛的實際運行情況，為空壓機選型和風缸容積的設計提供了理論依據。

［1］王 瑜，林 立，姜建勝.基于AMESim液壓盤式剎車系統建模與仿真研究［J］.石油機械，2008，36（9）：31-35.

［2］付永領.AMESim系統建模和仿真—從入門到精通［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［3］廣州地鐵3號線車輛技術規格書［R］.