氣囊簾線參數對自由膜式空氣彈簧靜態性能影響程度的研究

劉加健，劉志國，曹江勇，來慶存

（青島博銳智遠減振科技有限公司，山東 青島 266031）

空氣彈簧是一種在柔性密閉容器中充入壓縮空氣并利用空氣的壓縮彈性進行工作的非金屬彈性元件，在鐵道車輛和汽車的減震、緩沖和高頻隔震等方面起著不可替代的作用[1]。空氣彈簧按研究和使用的時間順序分類，大致分為囊式、約束膜式和自由膜式空氣彈簧，其中，自由膜式空氣彈簧沒有約束群（或外筒），氣囊可以按其勢能最小的形狀自由伸張[2-3]，具有使用壽命長、質量較小、安裝高度低、可減小車輛地板面距軌面高度的特點，在無搖動臺結構的鐵道車輛轉向架上應用廣泛[4]，因此，自由膜式空氣彈簧具有重要的研究價值。

空氣彈簧的靜態性能是空氣彈簧設計及應用的重要參數，而氣囊作為空氣彈簧的主要受力部件，氣囊的幾何結構和特性對空氣彈簧的靜態性能具有重要影響；簾布層作為氣囊的骨架材料，其簾線材質、角度、密度及其層數對氣囊的變形、應力及剛度具有較大影響，從而直接影響空氣彈簧的靜態性能[5-6]。目前，氣囊簾線對自由膜式空氣彈簧靜態性能影響的研究主要集中在確定單個影響因子的影響規律上，而未對各個因子對其靜態性能影響程度進行分析，導致自由膜式空氣彈簧性能調整的針對性較低。

正交試驗是進行多因子試驗的一種科學方法，利用規格化的正交表格，對多因子試驗進行整體設計、統計比較、綜合分析，用數理統計方法對試驗結果進行處理，得出科學結論[7-8]。同時，可以通過極差分析各因子的影響程度大小，為優化試驗提供指導[9]。

本工作以正交試驗方法研究氣囊簾線材質、簾線角度和簾線膨脹比對自由膜式空氣彈簧水平靜態剛度、垂向靜態剛度和載荷內壓的影響程度，從而可以更有針對性地為調整自由膜式空氣彈簧的靜態性能提供指導。

1 自由膜式空氣彈簧氣囊的基本結構及特點

自由膜式空氣彈簧可分為大曲囊式和小曲囊式結構，本試驗選取大曲囊式空氣彈簧進行研究，所用氣囊主要由鋼絲圈、外層膠、簾布層和內層膠組成，簾布層主要起到承受載荷的作用，氣囊的基本結構如圖1所示。

2 實驗

2.1 試驗方案設計

2.1.1 單因子試驗

分別研究氣囊簾線材質（A）、簾線角度（B）和簾線膨脹比（C）3個因子對不同載荷下自由膜式空氣彈簧的水平靜態剛度、垂向靜態剛度和載荷內壓的影響，載荷選取80，90，100，110，120 kN，具體試驗方案見表1。

表1 單因子試驗方案Tab.1 Single factor test schemes

2.1.2 正交試驗

（1）正交試驗表選擇

選擇L4（23）正交表進行正交試驗設計。

（2）因子與水平確定

根據選取的L4（23）正交表，考察氣囊簾線材質（A）、簾線角度（B）和簾線膨脹比（C）對不同載荷下自由膜式空氣彈簧的水平靜態剛度、垂向靜態剛度和載荷內壓的影響。其中，簾線材質選擇尼龍和聚酯，分別記為A1和A2；簾線角度選擇8°和12°，分別記為B1和B2；簾線膨脹比選擇1.60和1.75，分別記為C1和C2，詳見表2；結合上述因子的取值，制定出4個正交試驗方案，詳見表3；載荷選取80，90，100，110，120 kN。

表2 因子與水平表Tab.2 Factor and level table

表3 正交試驗方案Tab.3 Orthogonal experimental schemes

2.2 測試性能

自由膜式空氣彈簧的水平靜態剛度、垂向靜態剛度和載荷內壓按照TB/T 2841—2019《鐵道車輛空氣彈簧》[10]要求執行。

（1）水平靜態剛度。在（265±2）mm安裝高度下，分別測量80，90，100，110，120 kN載荷工況下空氣彈簧的水平靜態剛度。

（2）垂向靜態剛度。在（265±2）mm安裝高度下，在附加氣室95 L的情況下，分別測80，90，100，110，120 kN載荷工況下空氣彈簧的垂向靜態剛度。

（3）載荷內壓。在（265±2）mm安裝高度下，分別測80，90，100，110，120 kN載荷工況下空氣彈簧的載荷內壓。

3 結果與討論

3.1 單因子試驗

3.1.1 氣囊簾線材質對空氣彈簧靜態性能的影響

按照方案1和2進行試驗，考察氣囊簾線材質對不同載荷下自由膜式空氣彈簧水平靜態剛度、垂向靜態剛度和載荷內壓的影響，結果見圖2。

從圖2可以看出，在不同載荷下，與尼龍簾線空氣彈簧相比，聚酯簾線空氣彈簧的水平靜態剛度和載荷內壓較大，垂向靜態剛度略小，這是因為自由膜式空氣彈簧的水平靜態剛度與氣囊本身特性有直接關系[2-3]。聚酯簾線定伸應力大，變形小，穩定性好[11]，導致氣囊抵抗橫向變形的能力強，表現為聚酯簾線空氣彈簧的水平靜態剛度大。水平靜態剛度增大，空氣彈簧的最大外徑減小，從而相同載荷下空氣彈簧的內壓增大。此外，與空氣彈簧的水平靜態剛度相比，空氣彈簧的垂向靜態剛度和載荷內壓對簾線材質變化的敏感度較低。這是因為自由膜式空氣彈簧的垂向靜態剛度與氣囊本身特性無直接關系[2-3]，簾線的變化是通過影響空氣彈簧幾何形狀而影響垂向靜態剛度的，因此，垂向剛度的變化相對較小；簾線材質變化后，空氣彈簧的最大外徑的變化相對較小，從而載荷內壓的變化較小。

3.1.2 氣囊簾線角度對空氣彈簧靜態性能的影響

按照方案1，3和4進行試驗，考察氣囊簾線角度對不同載荷下自由膜式空氣彈簧水平靜態剛度、垂向靜態剛度和載荷內壓的影響，結果見圖3。

從圖3可以看出，在不同載荷下，空氣彈簧的水平靜態剛度和載荷內壓隨簾線角度的增大而增大，垂向靜態剛度隨簾線角度增大而呈減小趨勢，這是因為簾線角度增大，氣囊抵抗橫向變形的能力增強所致。此外，與空氣彈簧水平靜態剛度的變化相比，空氣彈簧的垂向靜態剛度和載荷內壓的變化較小。

3.1.3 氣囊簾線膨脹比對空氣彈簧靜態性能的影響

按照方案4和5進行試驗，考察氣囊簾線膨脹比對不同載荷下自由膜式空氣彈簧水平靜態剛度、垂向靜態剛度和載荷內壓的影響，結果見圖4。

由圖4可以看出，在相同載荷下，簾線膨脹比大，空氣彈簧的水平靜態剛度大，垂向靜態剛度小，載荷內壓略大，這是因為簾線膨脹比大，簾線角度大，氣囊抵抗橫向變形的能力強。此外，與空氣彈簧的水平靜態剛度相比，空氣彈簧的垂向靜態剛度和載荷內壓對簾線膨脹比變化的敏感度較低。

3.2 正交試驗

基于單因子試驗的分析可以看出，氣囊簾線材質、簾線角度和簾線膨脹比對自由膜式空氣彈簧靜態性能均有一定影響，但影響程度不同，而單因子試驗難以比較這3個因子的影響程度大小。因此，本試驗通過正交試驗的極差分析，考察氣囊簾線材質、簾線角度和簾線膨脹比對空氣彈簧靜態性能的影響。

按照正交試驗方案分別考察不同載荷下自由膜式空氣彈簧的水平靜態剛度、垂向靜態剛度和載荷內壓，試驗結果見表4，極差分析結果見表5。

表4 正交試驗結果Tab.4 Orthogonal test results

由表5可以看出，在5種載荷下，3個因子對水平靜態剛度影響的極差大小順序為C，A，B，對垂向靜態剛度影響的極差大小順序為B，A，C，對載荷內壓影響的極差大小順序為A，B，C。極差大小反映了因子水平改變對試驗結果的影響大小，極差越大，說明該因子對試驗結果的影響越大[12-17]，因此，通過極差大小順序可以得出，簾線膨脹比對水平靜態剛度的影響最大，簾線角度對垂向靜態剛度的影響最大，簾線材質對載荷內壓的影響最大。

表5 正交試驗極差分析結果Tab.5 Orthogonal test range analysis results

4 結論

（1）在相同載荷下，與尼龍簾線氣囊相比，聚酯簾線氣囊自由膜式空氣彈簧的水平靜態剛度和載荷內壓較大，垂向靜態剛度較小；與空氣彈簧的水平靜態剛度相比，空氣彈簧的垂向靜態剛度和載荷內壓對氣囊簾線材質變化的敏感度較低。正交試驗表明，雖然載荷內壓對簾線材質變化的敏

感度較低，但在3個因子中，簾線材質對載荷內壓的影響程度最大。

（2）自由膜式空氣彈簧的水平靜態剛度和載荷內壓隨氣囊簾線角度的增大而增大，垂向靜態剛度隨簾線角度增大呈減小趨勢；與空氣彈簧的水平靜態剛度相比，空氣彈簧的垂向靜態剛度和載荷內壓對簾線角度變化的敏感度較低。正交試驗表明，雖然空氣彈簧的垂向靜態剛度對簾線角度變化的敏感度較低，但在3個因子中，簾線角度對垂向靜態剛度的影響程度最大。

（3）氣囊簾線膨脹比越大，自由膜式空氣彈簧的水平靜態剛度越大，垂向靜態剛度越小，載荷內壓略大。正交試驗表明，雖然簾線材質、簾線角度和簾線膨脹比對空氣彈簧水平靜態剛度的影響均顯著，但3個因子中，簾線膨脹比對水平靜態剛度的影響程度最大。