空氣彈簧在鐵道車輛上的應用及發展趨勢探究

田清帥，張波

（青島博銳智遠減振科技有限公司，山東 青島 266112）

0 引言

鐵道車輛空氣彈簧是決定車輛運行品質的重要因素之一。鐵道車輛列車在運行過程中，會被動接受來自于輪軌界面的各種振動，這種初始振動由軌道不平順激起，最終傳遞至車體，影響乘坐舒適性。如何盡可能地降低車體振動，一直是業內的重點研究方向。

鐵道車輛中央懸掛系統，其一個主要作用就是衰減因線路不平順以及車輪缺陷等原因引起的車輛振動及沖擊，使得車體具有良好的乘坐舒適性。目前，空氣彈簧系統中央懸掛裝置已經在我國客車車輛上普遍運用，來自輪軌界面的振動，經過兩級衰減最終傳遞至車體：首先通過軸箱懸掛系統由輪對傳遞至構架，再通過中央懸掛系統（主要是空氣彈簧）進一步由構架傳遞至車體。本文總結了空氣彈簧在我國鐵道車輛上的應用，研究空氣彈簧實現的振動衰減作用，并探討了其未來發展趨勢。

1 空氣彈簧在軌道車輛上的應用

空氣彈簧具有工作高度自保持、剛度非線性、自振頻率不變、高頻振動的吸收及隔音性好等諸多優點，自1947年在美國鐵路普爾曼車輛上首次采用以來，便愈來愈廣泛的被應用。日本、美國、英國及法國在空氣彈簧研究初期做了比較廣泛的工作，取得了一定的理論研究及實際運用成果[2]。

我國采用空氣彈簧來代替鋼彈簧，最先是由第一機械工業部汽車研究所于1957年開始進行試驗研究工作，并且首先裝在汽車上試用。1958年，開始研究在鐵道車輛上試驗裝用空氣彈簧。裝用空氣彈簧后，車輛的振動性能有了顯著改善[3]。上世紀五六十年代，采用空氣彈簧的著眼點主要是改善車輛的垂向振動性能，至于橫向振動問題仍然是靠搖動臺機構來解決，這個階段可以說是我國在鐵道車輛上采用空氣彈簧的第一個階段。

為了簡化轉向架的結構，同時進一步提高車輛的運行品質，自上世紀60年代中葉開始，國內開始對新型膜式空氣彈簧型式進行研究，我國在鐵道車輛上采用空氣彈簧進入第二個階段，進一步改善了空氣彈簧的性能，尤其是橫向彈性性能。至20世紀末，國內在空氣彈簧的試驗研究和實踐運用方面有了很大的進展，并且取得了較大成效。通過在我國鐵路客車用空氣彈簧開發過程中進行的大量的技術和試驗研究，空氣彈簧產品廣泛用于提速列車。但需要承認的是，此時國產空氣彈簧不管是整體研究水平還是實際裝用率上與國際還存在不小差距[1]。

進入21世紀以后，國內部分進口鐵路車輛進入檢修周期，原型空氣彈簧需要更換，但出于因其價格高迫切需要國內產品來代替進口產品。另一方面，按照鐵道部動車組技術引進及消化吸收的總體安排，作為技術受讓方，通過與國外伙伴的合作，在消化吸收國外先進技術的基礎上，國產產品種類及品質均實現了質的飛躍。可以說目前國產產品整體技術指標已經可以比肩國際同行，并且在寬溫域、全速度等級、復雜路況適用等特有技術指標上具備獨特優勢。

2 空氣彈簧的振動衰減作用

空氣彈簧裝用于構架和車體之間，將來自于構架的振動衰減后傳遞至車體。本文針對某型地鐵架構，在充分結合車體振動加速度的基礎上，完成對相關數據的測量，從而全面地了解和把握空氣彈簧對振動衰弱所產生的影響。

2.1 幅值分析

從縱向維度、橫向維度、垂向維度三個方向出發，通過對車體以及構架的實際加速度講解采集和匯總，得出如表1所示的車輛各部件加速度。

表1 車輛各部件加速度（單位：g）

從表1中的數據可以看出，與車體及構架的縱向加速度和橫向加速度相比，其垂向加速度要相對較高。以垂向加速度為例，當構架垂向加速度達到了14.26g，車體最大垂向加速度僅為0.82g左右。由此可以看出，振動在經中央懸掛系統從構架傳遞至車體的過程中，出現了超過1個數量級的衰減，振動衰減作用明顯。

需要注意的是，對于鐵道車輛而言，其中央懸掛系統作為一個綜合系統，主要由空氣彈簧、減振器、彈性節點等多種部件組成。在這些部件中，空氣彈簧是中央懸掛系統的核心部件，在垂向振動的衰減方面發揮了主要作用，其工作狀態直接影響了該系統的運行性能。

2.2 頻譜分析

能夠表征車輛振動的參數除了振動加速度幅值和峰值以外，還有加速度頻譜。通過利用加速度譜，可以間接性地了解和把握車輛系統減振效果。車體加速度頻次圖、架構加速度頻次圖分別如圖1、圖2所示，這兩個圖形象、直觀地反映出了系統振動和衰減特性。

從圖1、圖2可以看出，無論是車體還是構架，其振動加速度小幅值所對應的頻次往往較高，振動加速度大幅值所對應頻次往往較低，這完全符滿足系統振動相關標準和要求。但也有例外，車體垂向加速度和縱向加速度幅值與其頻次之間并沒有呈現出明顯的線性關系，出現這一現象的原因是加速度譜分級存在差異化[4]。

圖1 車體加速度頻次圖

圖2 架構加速度頻次圖

3 空氣彈簧的未來發展趨勢

經過幾十年的研究與應用，基于當前概念的空氣彈簧發展已經相對成熟，其基本結構也已經定型。目前業內主攻方向還是針對橡膠材料本身，比如提升的壽命耐久性及防火性能等方面。

要談未來發展趨勢，需要跳出當前空氣彈簧的既有應用場景，結合實際運用需求對其提出一些合理化發展建議。作為空氣彈簧行業從業人員，對于空氣彈簧未來發展趨勢，筆者主要有三方面的想法：

一是主動性空氣彈簧的研究。目前空氣彈簧的動作指令都是被動式的接受，只有車輛已經表現出不符合預期的狀態以后，空氣彈簧才能接收到指令進行相應自身狀態調整，使車輛恢復到預期狀態。例如，空氣彈簧一個重要的優點就是可以維持車輛的工作高度不變，這是通過高度控制閥來控制的。當車體出現下沉或者上升后，與車體連接的高度控制閥跟隨車體一起出現下沉或上升，之后能做出相應動作控制空氣彈簧的充排氣，將車體再恢復到初始的高度狀態[5]。而主動式空氣彈簧，就是在車體在出現下沉或上升之前，主動感知到這種即將出現的變化，主動做出動作來提前避免這種情況的出現。

二是水平剛度不對稱空氣彈簧的研究。目前空氣彈簧大都為軸對稱結構，其在各個方向上的水平剛度是一致的。但鑒于車輛結構及動力學改善等原因，有時候需要空氣彈簧在水平面不同方向上提供不同的橫向剛度。

三是大數據智能空氣彈簧研究。當前空氣彈簧從數據反饋功能方面功能不足，相對孤立。如果空氣彈簧能夠實時監測自身參數并反饋到車輛系統上進行大數據分析與串聯，則不僅能對改善車輛運行品質提供數據支撐，更能在車輛故障診斷方面提供積極作用。

4 結語

綜上所述，通過將空氣彈簧科學應用于鐵道車輛中，可以起到衰減鐵道車輛振動的作用，提高了鐵道車輛運行的平穩性、可靠性和安全性，可以避免因車輛振動幅度過大而給內部零件造成不同程度的破壞，完全符合鐵道車輛運行相關標準和要求。因此，空氣彈簧值得被進一步推廣和應用于鐵道車輛中。