呂鳳梅，趙建秋，李 明，景建輝，邵 楠

（1 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035；2 河北機(jī)車技師學(xué)院，河北唐山063035）

空氣彈簧是一種在柔性密閉的橡膠氣囊中加入壓縮空氣、利用空氣的可壓縮性進(jìn)行工作的非金屬彈性元件，彈性恢復(fù)力由內(nèi)部空氣壓縮的反力和隨著變形有效受壓面積增加的反力共同提供，具有緩沖、減振及降低噪聲等功能。空氣彈簧可以同時(shí)承受3個(gè)方向的載荷，具有低橫向和垂向剛度和能承受大扭轉(zhuǎn)變形。合理地確定由空氣彈簧本體到附加空氣室之間節(jié)流孔的大小，獲得車輛在振動(dòng)過程中所需要的阻尼，使振動(dòng)得到必要的衰減，能代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工要求比較精密的垂直油壓減振器。

為確保車輛運(yùn)行的安全性，在空氣彈簧下部設(shè)置橡膠堆，當(dāng)空氣彈簧失效時(shí)，車體支撐于橡膠堆上；在兩空氣彈簧間設(shè)置差壓閥，當(dāng)轉(zhuǎn)向架一側(cè)空氣彈簧失效，另一側(cè)空氣彈簧可通過差壓閥將壓力空氣排出，防止由此而引起車體傾斜，從而保證了車輛的安全運(yùn)行，當(dāng)然車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性會(huì)有所下降［1］。通過對車輛正常工況和空氣彈簧失效工況建立動(dòng)力學(xué)模型，分析了車輛動(dòng)力學(xué)性能并進(jìn)行對比，提出一些建議。

1 SYS540 H4型空氣彈簧技術(shù)參數(shù)

1.1 橡膠堆剛度

（1）橡膠堆垂向剛度

垂向壓縮載荷為F z＝85 k N和F z＝5 k N時(shí)的撓度分別為8.21 mm和0.51 mm，其差值為7.7 mm，得出橡膠堆垂向剛度約為10 390 N／mm。

（2）橡膠堆橫向剛度

在進(jìn)行橫向靜特性試驗(yàn)時(shí)，用兩夾板和中間隔板將兩個(gè)橡膠堆連接壓緊，預(yù)緊力為F z＝88 k N，在中間隔板部位，對兩橡膠堆橫向加載0～20 k N，得到橡膠堆在F z＝88 k N時(shí)的橫向載荷—位移曲線，從而計(jì)算出兩個(gè)橡膠堆并聯(lián)時(shí)的總剛度值K，每一個(gè)橡膠堆的剛度值即為K／2。繪出橡膠堆橫向載荷—位移曲線，可得橡膠堆橫向剛度為：在垂向預(yù)緊載荷F z＝88 k N時(shí)，兩個(gè)橡膠堆并聯(lián)的總橫向剛度2 140 N／mm，每個(gè)橡膠堆的橫向剛度為1 070 N／mm。

1.2 空氣彈簧垂向、橫向剛度

空氣彈簧的垂向和橫向靜剛度值（表1）是在附加室45 d m3，標(biāo)準(zhǔn)高200 mm情況下測得。

表1 空氣彈簧靜剛度值

1.3 上蓋板與橡膠堆之間摩擦系數(shù)

上蓋板材料Q235 A，摩擦塊材料為超高分子聚乙烯，試驗(yàn)計(jì)算無氣狀態(tài)下，載荷為40 k N、70 k N時(shí)空氣彈簧上蓋與橡膠堆之間的摩擦系數(shù)（未涂硅脂）?？蛰d40 k N下，摩擦系數(shù)γ＝0.081≤0.1。載荷70 k N下，摩擦系數(shù)γ＝0.143。

2 動(dòng)力學(xué)模型

2.1 轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)

該轉(zhuǎn)向架為米軌動(dòng)車轉(zhuǎn)向架。輪對軸箱裝置采用橡膠彈簧定位裝置，其不僅能夠提供垂向剛度，而且能夠提供車輛運(yùn)行時(shí)所需要的輪對縱向和橫向定位剛度。橡膠彈簧的運(yùn)用使得一系懸掛結(jié)構(gòu)簡單，易于維修和拆裝，對線路具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架支承在每個(gè)軸箱的2個(gè)橡膠彈簧上，橡膠彈簧除了具有彈簧的功能外，還有利于隔離高頻振動(dòng)，起到垂向減振器的作用，從而提高了車輛運(yùn)行中乘坐的舒適度。每轉(zhuǎn)向架安裝2套帶可變節(jié)流閥的空氣彈簧，空氣彈簧支承車體的總重并提供車體與轉(zhuǎn)向架間的橫向位移和回轉(zhuǎn)位移。空氣彈簧采用疊層的輔助橡膠彈簧來維持在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)垂向剛度并達(dá)到要求的性能。在空氣彈簧膠囊破損的情況下，車體由輔助橡膠彈簧支承。轉(zhuǎn)向架和車體間左右側(cè)還安裝兩個(gè)橫向減振器，保證車體的運(yùn)行平穩(wěn)性，為限制車體運(yùn)行過程中產(chǎn)生過大的橫向位移，牽引中心銷和構(gòu)架間安裝橫向彈性止檔。牽引方式為 Z形拉桿牽引［2］。

2.2 動(dòng)力學(xué)模型的建立

鐵道車輛是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，不但有各部件之間的相互作用力和相對運(yùn)動(dòng)，而且還有輪軌間的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為。因此，理論計(jì)算分析模型只能根據(jù)研究的主要目的和要求，對一些次要因素進(jìn)行相應(yīng)的假定或簡化，而在對動(dòng)力學(xué)性能影響較大的主要因素方面盡可能做出符合實(shí)際情況的模擬。根據(jù)所計(jì)算車輛及轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，作如下假定［3－4］：

（1）輪對、軸箱、構(gòu)架、電機(jī)、齒輪箱、車體等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小得多，視為剛體，即忽略各部件的彈性變形；

（2）單輛車動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，不考慮車輛與其他車輛連掛的作用，只考慮單一車輛的運(yùn)動(dòng)；

（3）假定車輛勻速運(yùn)行。

動(dòng)車有電機(jī)和齒輪箱，在建立模型時(shí)把電機(jī)和齒輪箱都考慮為剛體，把質(zhì)量分配到輪對和構(gòu)架上。模型的自由度總計(jì)50個(gè)，其中非獨(dú)立自由度數(shù)為8個(gè)。根據(jù)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在研究中還考慮以下非線性因素：

（1）輪軌非線性接觸幾何關(guān)系

車輪踏面和軌面間具有非線性輪軌接觸幾何關(guān)系。

（2）輪軌非線性蠕滑

輪軌間的蠕滑力由Kal ker簡化非線性蠕滑理論計(jì)算，然后可通過迭代計(jì)算得到鋼軌作用于輪對上的橫向力和搖頭力矩。

（3）懸掛非線性和空氣彈簧失效模型

圖1 SYS540H4型空氣彈簧

牽引中心銷和構(gòu)架之間設(shè)置有橫向止檔。當(dāng)空氣彈簧失效時(shí)，上蓋板與下蓋板之間有一個(gè)相當(dāng)于橫向止檔銷（如圖1），止檔間隙為5 mm，位移和力的特性曲線如圖2。當(dāng)在直線上時(shí)橫向位移比較小時(shí)，由它們之間的摩擦力和橡膠堆剛度保持車輛的橫向平穩(wěn)性，當(dāng)位移較大時(shí)剛度由橡膠堆提供。失效模型中單獨(dú)加了左右兩個(gè)體作為下蓋板，這兩個(gè)體為剛體，質(zhì)量不能太大，盡可能接近于下蓋板質(zhì)量即可。在上蓋板和下蓋板之間建立摩擦力、橫向止檔力和它們之間的垂向力，通過垂向力求得摩擦力。在下蓋板和構(gòu)架之間建立橡膠堆剛度力元。

圖2 橡膠堆橫向止檔特性曲線

3 正常工況和空氣彈簧失效工況的動(dòng)力學(xué)性能

在原始參數(shù)條件下，正常工況下該車空、重車的蛇行失穩(wěn)臨界速度分別為243 km／h和263 km／h，能夠滿足最高運(yùn)行速度100 km／h的要求。車輛在以美國Ⅴ級和III級為激擾的線路上運(yùn)行時(shí)，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性如圖3、圖4所示。其中，Wy為橫向平穩(wěn)性指標(biāo)；Wz為垂向平穩(wěn)性指標(biāo)；A W0為空車工況；A W3為重車工況。平穩(wěn)性指標(biāo)小于3.0，在III級譜小于90 km／h運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)性能達(dá)到合格，運(yùn)行速度小于70 km／h平穩(wěn)性能良好。車輛在以美國Ⅴ級和Ⅲ級為激擾的線路上運(yùn)行時(shí)，車輛曲線通過能力如表4所示，在規(guī)定的速度下都能滿足安全性要求，其中，輪軌橫向力為Q（k N）、輪軸橫向力為H（k N）、脫軌系數(shù)為Q／P、輪重減載率為ΔP／P、傾覆系數(shù)D。

圖3 平穩(wěn)性指標(biāo)（Ⅴ級譜）

圖4 平穩(wěn)性指標(biāo)（Ⅲ級譜）

當(dāng)空氣彈簧失效時(shí)，車體直接壓在空氣彈簧的橡膠堆上。通過仿真，計(jì)算了車輛的直線運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性、曲線通過時(shí)的安全性。通過圖5、圖6可以看出：空氣彈簧失效時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)變壞，特別是垂向平穩(wěn)性指標(biāo)；直線上運(yùn)行安全性變差（表2、表3），在Ⅴ級線路譜上，運(yùn)行速度不能超出60 km／h；在Ⅲ級線路譜上，空車時(shí)不能超出30 km／h，重車不能超出50 km／h。曲線通過能力明顯變差（表5），特別是在Ⅲ級線路譜上，要降到很低的速度運(yùn)行（計(jì)算結(jié)果最低15 km／h），一般是輪重減載率超標(biāo)。分析原因主要由于失效空氣彈簧橡膠堆的橫向和垂向剛度較大，在較差的線路上輪軌之間產(chǎn)生較大的橫向和垂向沖擊，導(dǎo)致各項(xiàng)指標(biāo)偏高。由于篇幅限制，各種工況指標(biāo)不一一列出。

圖5 空氣彈簧失效時(shí)平穩(wěn)性指標(biāo)（Ⅴ級譜）

圖6 空氣彈簧失效時(shí)平穩(wěn)性指標(biāo)（Ⅲ級譜）

表2 空氣彈簧失效時(shí)直線安全性（Ⅴ級譜）

表3 空氣彈簧失效時(shí)直線安全性（Ⅲ級譜）

表4 動(dòng)車曲線通過限速計(jì)算結(jié)果（Ⅲ級譜）

表5 空氣彈簧失效時(shí)曲線通過限速計(jì)算結(jié)果（Ⅲ級譜）

4 空氣彈簧失效橡膠堆剛度對動(dòng)力學(xué)性能的影響

圖7是動(dòng)車空車空氣彈簧失效時(shí)橡膠堆橫向和垂向剛度對平穩(wěn)性的影響，線路為美國III級譜。橫向和垂向剛度取同一數(shù)值，可以看出隨著橫向和垂向剛度的增大平穩(wěn)性指標(biāo)增大。

圖7 橡膠堆橫向和垂向剛度對平穩(wěn)性影響

經(jīng)仿真計(jì)算得出當(dāng)空氣彈簧失效時(shí)輪重減載率容易超標(biāo)，分析得出橡膠堆垂向剛度對安全性的輪重減載率指標(biāo)影響較大，圖8是動(dòng)車空車空氣彈簧失效時(shí)過800 m曲線時(shí)橡膠堆垂向剛度對輪重減載率的影響，可以看出隨著垂向剛度的增大輪重減載率增大。計(jì)算時(shí)取橡膠堆橫向剛度為1.0 MN／m。

圖8 橡膠堆垂向剛度對減載率影響

5 結(jié)束語

應(yīng)用動(dòng)力學(xué)軟件，對該車建立了動(dòng)力學(xué)模型，包括正常工況和空氣彈簧失效工況的動(dòng)力學(xué)模型。通過分析得出，當(dāng)空氣彈簧失效時(shí)，車輛的動(dòng)力學(xué)性能變差，特別是在比較差的線路上要降到很低的速度才能安全運(yùn)行，分析原因是由于空氣彈簧失效時(shí)車體壓在橡膠堆上，橡膠堆橫向和垂向剛度都特別大，使得線路不平順比較大時(shí)對輪軌產(chǎn)生較大的沖擊。隨著橡膠堆剛度變小平穩(wěn)性和曲線通過性能會(huì)有所改善。在條件允許的范圍內(nèi)可以應(yīng)用橡膠堆剛度較小的空氣彈簧來提高失效時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能。

［1］劉增華.鐵道車輛空氣彈簧動(dòng)力學(xué)特性及其主動(dòng)控制研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2007.

［2］嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，1999.

［3］王福天.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國鐵道出版社，1996.

［4］任尊松.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.