方 松

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師 江蘇 南京 210031）

1 引言

空氣彈簧誕生于1950年代，是現(xiàn)代鐵道車輛必不可少的減震裝置之一，它是一種由橡膠、網(wǎng)線貼合成的曲形膠囊。膠囊兩端部用兩塊鋼板相連接，形成一個壓縮空氣室。空氣彈簧的工作原理是在密閉的壓力缸內(nèi)充入惰性氣體或者油氣混合物，使腔體內(nèi)的壓力高于大氣壓的幾倍或者幾十倍，利用活塞桿的橫截面積小于活塞的橫截面積從而產(chǎn)生的壓力差來實(shí)現(xiàn)活塞桿的運(yùn)動?？諝鈴椈杀绕胀◤椈捎兄茱@著的優(yōu)點(diǎn)：速度相對緩慢、動態(tài)力變化不大、容易控制；缺點(diǎn)是相對體積沒有螺旋彈簧小，成本高、壽命相對短?？諝鈴椈蓱{借其卓越的優(yōu)勢已被廣泛應(yīng)用于城軌車輛的二系懸掛系統(tǒng)中?？諝鈴椈删哂休^理想的非線性彈性特性，加裝高度調(diào)節(jié)裝置后，車身高度不隨載荷增減而變化，彈簧剛度可設(shè)計得較低，乘坐舒適性好，使列車在運(yùn)行中具有很高的平穩(wěn)性，同時又能大幅降低噪聲，對建設(shè)綠色城市也起到了促進(jìn)作用。

然而空氣彈簧從某些方面來說也是脆弱的，在列車運(yùn)營過程中受外界一些不利因素往往會加速空氣彈簧的磨損和老化，從而大大縮短空氣彈簧系統(tǒng)的使用壽命，為此我們應(yīng)加強(qiáng)對城軌車輛空氣彈簧的故障分析，深入研究空氣彈簧可能出現(xiàn)的故障，切實(shí)做好預(yù)防和保養(yǎng)工作，盡量延長空氣彈簧使用壽命。

2 空氣彈簧的分類及特征

自空氣彈簧誕生以來，國內(nèi)外的眾多專家學(xué)者對其結(jié)構(gòu)、原理、特性等方面進(jìn)行了眾多深入研究分析，也獲得了不同程度的成果。

2.1 空氣彈簧的分類 空氣彈簧分類一般有三種分法：按空氣彈簧的結(jié)構(gòu)類型分類、聯(lián)接方式分類、密封形式分類。

1）按結(jié)構(gòu)類型分類的空氣彈簧：一般可分為囊式、膜式、混合式；而其中的膜式空氣彈簧又可分為自由膜式和約束膜式；至于混合式空氣彈簧一般是囊式和膜式的混合體。

2）按聯(lián)接方式分類空氣彈簧：一般可分為固定式法蘭聯(lián)接型、活套式法蘭聯(lián)接型、非法蘭聯(lián)接自密封型。

3）按密封形式分類空氣彈簧：一般可分為LHF型、JBF型、GF型、HF型、ZF型五種結(jié)構(gòu)形式。

2.2 空氣彈簧的特征

1）剛度特性。所謂的剛度特性就是指空氣彈

簧受力后產(chǎn)生形變或恢復(fù)，這種特性稱之為剛度特性。而空氣彈簧的形變量往往又和其氣壓、有效受力面積、氣體溫度、氣流速度等因素有關(guān)，此外，空氣彈簧剛度特性的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在上述種種不定因素，光是對其分析導(dǎo)出的公式進(jìn)行計算就足以體現(xiàn)其復(fù)雜性。

2）頻率特性?？諝鈴椈傻念l率特性是指空氣彈簧在受到外力時，其內(nèi)部產(chǎn)生振動，這種現(xiàn)象賦予了空氣彈簧一種特性，稱之為頻率特性。這種特性也叫空氣彈簧的固有頻率，它與彈簧內(nèi)部的氣壓以及彈簧的有效面積變化率等因素有關(guān)，對其的研究也是比較復(fù)雜的。

3）阻尼特性?？諝鈴椈傻淖枘崽匦耘c其主氣室和附加氣室的空氣流通而導(dǎo)致的壓力差密切相關(guān)，當(dāng)空氣彈簧產(chǎn)生形變時，其主風(fēng)室和副風(fēng)室之間便有了壓力差，從而產(chǎn)生空氣流通，阻尼也隨之出現(xiàn)。產(chǎn)生的阻尼會吸收空氣彈簧的部分振動能量，起到減振作用。

4）垂向特性。當(dāng)空氣彈簧受到垂直方向的外力時，空氣彈簧的膠囊體便開始在垂直方向上壓縮或伸長，我們把空氣彈簧的這種現(xiàn)象稱之為垂向特性。當(dāng)然，我們也可以逐步研究空氣彈簧在各個位移量下其膠囊體的形變程度，然后將所得的點(diǎn)數(shù)據(jù)用曲線繪制成圖：空氣彈簧的垂向位移—載荷變化規(guī)律圖?？諝鈴椈纱瓜蛱匦缘睦脤τ谔嵘龣C(jī)車車輛減震效果和列車運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性起到非常重要的作用。

3 空氣彈簧漏風(fēng)故障

空氣彈簧在減震方面有眾多優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代公路和軌道交通車輛以及工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而在應(yīng)用過程中，空氣彈簧系統(tǒng)在外界因素（如：溫度，濕度，酸堿度，壓力等）和內(nèi)在因素（如：磨耗，破損等）的雙重影響下，會產(chǎn)生一些故障，直接威脅到空氣彈簧的使用壽命，因此有必要對空氣彈簧的常見故障進(jìn)行系統(tǒng)分析。

城軌車輛對其空氣彈簧的密封性要求很高，常見的密封形式有螺釘緊固式和壓力自封式兩種。前者是用螺釘或鋼環(huán)將蓋板和氣囊密封端面固定以密封；后者是利用氣囊內(nèi)部氣壓直接與蓋板壓合形成密封。由于后者密封方式不但能減輕空氣彈簧的重量而且還能減少安裝體積，非常方便，所以后者密封方式被廣泛應(yīng)用于城軌交通?？諝鈴椈傻拿芊夥矫嫒绻霈F(xiàn)問題往往會導(dǎo)致空氣彈簧出現(xiàn)漏風(fēng)故障，嚴(yán)重影響行車安全。造成空氣彈簧漏風(fēng)主要為：空氣彈簧產(chǎn)生位移導(dǎo)致漏風(fēng)、空氣彈簧密封性問題導(dǎo)致漏風(fēng)和氣囊破損導(dǎo)致漏風(fēng)。

3.1 空氣彈簧產(chǎn)生位移 城軌車輛在運(yùn)行中過彎道、上下坡時轉(zhuǎn)向架的相關(guān)部件產(chǎn)生橫向或縱向位移，使得空氣彈簧和上下蓋板之間產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致漏風(fēng)故障。

1）橫向位移：當(dāng)空氣彈簧兩端高度不一致時，列車的車體就會發(fā)生傾斜，在傾斜狀態(tài)下列車過彎道，其空氣彈簧就會受到橫向離心力。在離心力的作用下空氣彈簧的上蓋板和氣囊產(chǎn)生相對運(yùn)動趨勢，因而便有了摩擦力，時間長了蓋板和氣囊就會產(chǎn)生間隙。更嚴(yán)重的是當(dāng)橫向位移產(chǎn)生后，會使得旁承水平面變成斜面，加劇了車體的傾斜，隨著位移量的逐漸增大，漏風(fēng)現(xiàn)象會越趨嚴(yán)重。

2）縱向位移：牽引拉桿連接的是空氣彈簧上的搖枕和構(gòu)架，其對列車的縱向位移有定位作用。當(dāng)列車兩個空氣彈簧存在相對高度差時，會導(dǎo)致?lián)u枕不正位，若牽引拉桿緊固太緊，搖枕將不易復(fù)位，久之產(chǎn)生縱向傾斜，加劇了空氣彈簧的不正位，出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。

3.2 空氣彈簧密封性故障

1）空氣彈簧上蓋板和氣囊貼合處的橡膠發(fā)生老化從而導(dǎo)致密封性能下降，運(yùn)行中再受到?jīng)_擊，密封部脫落漏氣。（如圖1所示）

圖1 密封部脫落

2）空氣彈簧上蓋板和底座的密封部和中間的氣囊是硫化橡膠粘接的，當(dāng)它們之間的粘合強(qiáng)度因?yàn)槟承┮蛩亟档蜁r，也會導(dǎo)致空氣彈簧漏氣。（如圖2所示）

圖2 蓋板粘合處脫落

3.3 空氣彈簧氣囊破損 簡言之，空氣彈簧是由上蓋板，底座，橡膠氣囊三部分組成的，三者中，氣囊是最脆弱的，當(dāng)氣囊受到外力沖擊，劃破，刺穿，磨損，腐蝕都會直接導(dǎo)致空氣彈簧結(jié)構(gòu)的破壞產(chǎn)生漏風(fēng)現(xiàn)象。（如圖3所示）

圖3 氣囊破損

4 空氣彈簧膠囊故障

膠囊部分是空氣彈簧最脆弱的部分，因而它最容易受到傷害，下面重點(diǎn)分析空氣彈簧膠囊部分的常見故障。

4.1 氣囊裂紋 城軌空氣彈簧的氣囊由于長時間暴露在大氣中，不僅受到灰塵，各種有機(jī)物污染還經(jīng)常與各種酸，堿物質(zhì)接觸，慢慢地氣囊外部的胎面會被腐蝕，從而導(dǎo)致橡膠囊所能承載的氣壓大大降低。當(dāng)充入正常工作氣壓時，氣囊就有可能無法承受相應(yīng)的壓力產(chǎn)生裂紋。（如圖4所示）

圖4 氣囊裂紋

4.2 鼓泡磨損

1）鼓泡：空氣彈簧氣囊在制造過程中,內(nèi)外層橡膠與簾線層粘合不良,在列車運(yùn)行過程中，會有部分空氣進(jìn)入并停滯在內(nèi)外層橡膠與簾線層之間從而產(chǎn)生氣囊表面局部鼓泡現(xiàn)象,鼓泡易使膠囊破損，所以發(fā)現(xiàn)氣囊有鼓泡則要考慮更換新氣囊。

2）磨損：城軌車輛在運(yùn)行過程中，特別是過彎道時，氣囊會與上蓋板和底座之間的接觸部分發(fā)生相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生滑動摩擦。久而久之磨損的創(chuàng)面危及到氣囊的簾線層，當(dāng)簾線層被破壞后，氣囊?guī)捉鼒髲U，這時就要重新?lián)Q氣胎。為此列車在庫內(nèi)一定要注意檢查該部分，發(fā)現(xiàn)氣囊簾線層破損則應(yīng)及時更換氣囊。（如圖5所示）

圖5 簾線層磨損

4.3 龜裂老化 由于城軌車輛空氣彈簧氣囊是橡膠制成的，受溫度影響較大，夏季列車在高溫下持續(xù)作業(yè)，橡膠氣囊受熱軟化；冬季受低溫影響，橡膠氣囊收縮變硬，日積月累氣囊就會逐漸老化變得脆弱，失去彈性。這時如果突然遇到載客突然增大或者充入的風(fēng)壓過大就有可能造成氣囊被壓下彈不起來或者氣囊直接被氣流沖破產(chǎn)生龜裂。（如圖6所示）

圖6 氣囊龜裂老化

5 結(jié)束語

空氣彈簧在應(yīng)用過程中，由于受到各種外界因素（如：溫度，濕度，酸堿度，壓力等）和內(nèi)在因素（如：磨耗，破損等）的雙重影響，難免會產(chǎn)生各式各樣的故障，從而直接威脅到空氣彈簧的使用壽命。本文總結(jié)分析了空氣彈簧常見的漏風(fēng)故障和膠囊故障。對造成空氣彈簧漏風(fēng)故障的三大原因：空氣彈簧產(chǎn)生位移導(dǎo)致漏風(fēng)、空氣彈簧密封性問題導(dǎo)致漏風(fēng)和氣囊破損導(dǎo)致漏風(fēng)進(jìn)行了敘述，描述了故障產(chǎn)生的現(xiàn)象并分析其原因。以期能夠提前做好預(yù)防和保養(yǎng)工作，盡量延長空氣彈簧的使用壽命。