車輛空氣彈簧失效對動力學性能的影響分析

劉洪陽 王壽辰 官賀 周通

摘 要：在高速動車組中，通常使用空氣彈簧作為輔助懸掛系統(tǒng)。空氣彈簧極大地抑制了從車架到車身的高幅度振動，從而使車輛乘坐感受更加良好。但是，空氣彈簧也是車輛懸架系統(tǒng)中最容易損壞的部件。如果車輛高速行駛，空氣彈簧破損會造成危險。在本文中，我們分析了空氣彈簧破裂后的車輛行駛性能以及諸如車輛出軌系數(shù)和輪軌側向力等安全因素。結果表明，在空氣彈簧上直線行駛的車輛的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性大大降低，并且在彎道行駛時存在脫軌的風險。

關鍵詞：軌道車輛;空氣彈簧失效;平穩(wěn)性;安全性

目前，高速動車組一般采用空氣彈簧裝置進行二次懸掛，主要由空氣彈簧體，附加氣室，高度調(diào)節(jié)閥和壓差閥組成。空氣彈簧裝置極大地提高了車輛的能動性，提高了車輛的乘坐舒適性，并易于維持和修理。空氣彈簧不僅支撐車身，而且還從車輪和導軌中分離并衰減了動態(tài)激勵，因此該組件的故障嚴重影響了車輛系統(tǒng)的安全性能。

空氣彈簧故障有幾種類型，例如氣門故障，高度調(diào)節(jié)氣門故障和橡膠囊破裂。其中，最為常見的損壞是橡皮囊破裂。橡膠氣囊中的氣體立即完全消失，應急橡膠堆支撐車身。整個過程很短。影響車身和結構變化的剛度，嚴重影響安全性能。因此，有必要分析空氣彈簧制動器對車輛動態(tài)性能的影響。

空氣彈簧是非金屬彈性元件，可將壓縮空氣添加到柔性密封橡膠氣囊中，并通過壓縮空氣運行。內(nèi)部空氣壓縮的反作用力增加了彈性恢復力，有效壓縮面積隨變形而增加。它具有反作用力，并具有緩沖，減振和降噪功能。空氣彈簧可以同時承受三向載荷，橫向和縱向剛度低，并且可以承受較大的扭轉變形。合理確定從空氣彈簧體到附加氣室的節(jié)流孔的尺寸，在振動過程中獲得必要的車輛阻尼，獲得所需的振動阻尼，并用復雜的結構和相對較早的結構代替垂直液壓。

為了確保車輛的安全運行，在空氣彈簧下方安裝了一個橡膠墊。如果空氣彈簧出現(xiàn)故障，則車身將由橡膠堆棧支撐。差壓閥安裝在兩個空氣彈簧之間。如果轉向架側的空氣彈簧發(fā)生故障，則另一側的空氣彈簧會通過差壓閥排出壓縮空氣，從而防止車身傾斜，從而確保車輛的安全運行。車輛操作的平穩(wěn)性降低。通過為車輛的正常運行狀態(tài)和空氣彈簧的故障狀態(tài)建立動態(tài)模型，我們分析和比較了車輛的動態(tài)性能并提出了一些建議。

1 動力學模型

該模型是三段式車輛編組模型，主要由剛體（例如車體，車架，輪對和牽引裝置）組成。空氣彈簧失效后應急反應堆接觸表面的非線性和粘彈性非線性特征。為了模擬車輛的實際路線，將激勵頻譜應用于軌跡線，并考慮垂直和水平激勵。

2 動力學性能影響分析

通過比較兩個模型的線性條件下的臨界速度和脫軌系數(shù)指標，分析正常和故障空氣彈簧條件下車輛動態(tài)性能的差異。

3 對臨界速度的影響

兩個模型的所有參數(shù)都是固定的，車輛以不同的速度行駛，并且比較了兩個模型的臨界速度。空氣彈簧故障后，車輛的臨界速度為490 km/h。在先前的研究中，在正常操作條件下，這種類型的車輛在以600 km/h的速度行駛時沒有不穩(wěn)定。因此，可以認為，在空氣彈簧故障之后，B模型的不穩(wěn)定性與現(xiàn)有的車輛收斂類型不同，屬于間歇性振動收斂。這主要是因為在空氣彈簧離開空氣之后，并且輔助系統(tǒng)的側面飽和會引起摩擦，減弱轉向架橫向振動的能力以及抑制轉向架橫向振動的能力。運動是不足夠的。在模型A中，車輪的側向力隨速度線性增加，而在模型B中，車輪的側向力顯著變化。這是由于緊急橡膠堆開始工作的轉向架中的空氣彈簧故障所致。在低速范圍內(nèi)，應急彈簧橡膠疊層的粘附力可以抑制車架的晃動，但是粘附力不足以抑制速度的增加。結構的晃動，接觸面開始打滑車輪側向力的側向力它開始迅速增長。速度提高后，您可能會面臨脫軌的風險。在低速范圍內(nèi)，B型一對1位方向盤的脫軌系數(shù)的增加不明顯，但在320 km/h之后開始急劇增加。

4 頂蓋與橡膠樁之間的摩擦系數(shù)

頂蓋材料為Q235A，摩擦塊材料為超級聚合物聚乙烯。負載為40 kN時，空氣彈簧蓋和橡膠疊層之間的摩擦系數(shù)。70 kN在無空氣條件下測試（未涂硅脂）。空載時40 kN時的摩擦系數(shù)γ=0.081≤0.1。負載為70 kN時的摩擦系數(shù)r=0.143.2。

5 個轉向架的結構

輪對軸箱裝置采用橡膠彈簧定位裝置，不僅提供了垂直剛度，而且還提供了車輛行駛時所需的車輪的縱向和橫向位置剛度。橡膠彈簧的使用使單系列懸架結構簡單，易于維護和拆卸，適應管線，經(jīng)濟實用。轉向架框架由每個軸箱中的兩個橡膠彈簧支撐，除了彈簧功能外，它還可以阻止高頻振動并充當垂直減震器，從而提高了車輛操作過程中的乘坐舒適性。

6 結論

（1）空氣彈簧故障后，車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性與蛇形不穩(wěn)定性的形式有所不同，蛇形不穩(wěn)定性是一種間歇性振動，主要是由于空氣彈簧故障后輔助懸架系統(tǒng)的作用。力變?yōu)檎郴佑|力，飽和橫向力為滑動摩擦力，對橫向振動的阻尼能力不足，并且對橫向運動缺乏約束。（2）空氣彈簧故障后最直接的影響是車輛穩(wěn)定性明顯下降，這主要是由于應急橡膠反應堆對結構的減振作用不足。（3）空氣彈簧發(fā)生故障后，車輛可以確保低速范圍內(nèi)車輛的安全運行。然而，在高速下，緊急橡膠堆的接觸表面的摩擦不能充分限制框架的擺動或橫向。接觸面的滑動使車輪作用在側面。力和脫軌系數(shù)急劇增加，車輛的安全性能急劇下降。

參考文獻：

[1]李景峰.跨座式單軌車輛空氣彈簧失效對行車安全性能的影響研究[J].電力機車與城軌車輛，2018（03）：37-38.

[2]楊航.高速拖車懸掛系統(tǒng)參數(shù)對其動力學性能的影響[J].機車電傳動，2017（09）：19-20.

[3]李浩淼.空氣彈簧附加氣室對車體振動行為的影響研究[J].東北大學學報，2019（03）：12-14.

[4]趙志文.空氣彈簧氣室載荷對焊接構架疲勞強度影響[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2017（11）：17-18.

作者簡介：劉洪陽（1997-），男，遼寧喀左人，本科，研究方向：車輛工程。