軌道交通車輛轉向架用空氣彈簧

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.軌道交通車輛轉向架用空氣彈簧作者：陸海英出自：時代新材1 概述現代軌道交通車輛不斷地朝著高速化、輕量化以及低噪音方向發(fā)展，空氣彈簧懸掛系統具諸多鋼制螺旋彈簧不具備的優(yōu)點，因此在干線高速鐵道車輛轉向架和城市軌道交通車輛轉向架中均日益廣泛地采用空氣彈簧作為二系懸掛裝置。與空氣彈簧相比，鋼彈簧由于具有線性剛度特性，使其在軌道交通車輛上的應用受到限制，這主要有兩方面的原因：一，在高速軌道交通領域剛彈簧不能夠大幅度提高車輛懸掛系統靜撓度以降低車體的自振頻率，尤其是車輛的載客量較大時；二，城市軌道交通車輛的載客量大而且要求地板高度在不同載客量時基本不變，鋼彈簧不具備這種特性?？傊?，空氣彈簧懸掛的采用可以顯著提高車輛系統的運行平穩(wěn)性，大大簡化轉向架的結構，使轉向架實現輕量化和易于維護。一般來講，軌道交通車輛對空氣彈簧的采用可以分為三個階段：圖-1 B型城市軌道交通車輛動車無搖枕轉向架 利用空氣彈簧的垂向特性，提高車輛系統的垂向運行平穩(wěn)性；空氣彈簧的垂向和橫向特性并用，取消轉向架二系懸掛裝置中的搖動臺，簡化轉向架結構；充分利用大變位（包括扭轉）、低橫向剛度空氣彈簧的三維特性（圖-1，圖-2），取消搖枕，徹底實現轉向架二系懸掛裝置的輕量化，同時使抗蛇行運動減振器的采用成為可能，可更好地協調轉向架蛇行運動穩(wěn)定性和良好的曲線通過性能之間的矛盾。 圖-2 利用空氣彈簧三維特性的城軌無搖征轉向架二系懸掛裝置 2 空氣彈簧懸掛系統的構成空氣彈簧懸掛的整個系統如圖-3所示，主要由空氣彈簧本體、附加空氣室、高度控制裝置、差壓閥和節(jié)流孔(閥)等組成。該系統的工作原理為：車輛靜載荷增加時，空氣彈簧1被壓縮使空氣彈簧工作高度降低，這樣高度控制閥2隨車體下降，由于高度調整連桿3的長度固定，此時高度調整杠桿4 圖-3 空氣彈簧懸掛系統1.空氣彈簧 2.高度控制閥 3.高度調整連桿 4. 高度調整杠桿5.列車風源 6.排氣口 7.節(jié)流孔(閥) 8. 附加空氣室 9.差壓閥 發(fā)生轉動打開高度控制閥的進氣機構，壓力空氣由列車風源5通過高度控制閥的進氣機構進入空氣彈簧1和附加空氣室8，直到高度調整杠桿回到水平位置即空氣彈簧恢復其原來的工作高度；車輛靜載荷減小時，空氣彈簧1伸長使空氣彈簧的工作高度增大，高度控制閥2隨車體上升，同樣由于高度調整連桿3的長度固定，高度調整杠桿4發(fā)生反向轉動打開高度控制閥的排氣機構，壓力空氣由空氣彈簧1和附加空氣室8通過高度控制閥的排氣機構經排氣口6排入大氣，直到高度調整杠桿回到水平位置。2.1 空氣彈簧和附加空氣室2.1.1 空氣彈簧空氣彈簧懸掛系統具有理想的反S形非線性剛度特性，在正常工作范圍內剛度很低，而振幅較大時其剛度具有陡增的特點，可以限制車體發(fā)生過大的位移?？諝鈴椈蛇€能夠有效地吸收高頻振動和隔離噪音，并且由于自動高度控制閥的采用使空氣彈簧懸掛可以保持地板高度不隨車輛靜載荷的變化而發(fā)生變化（除一系懸掛和車輪磨耗外）即空氣彈簧具有恒定的工作高度。此外，更為重要的是，隨著空氣彈簧技術的不斷進步，尤其是低橫向剛度、大扭轉變形空氣彈簧的實用化，使得無搖枕轉向架的研制成為可能。在無搖枕轉向架中，利用高柔性空氣彈簧低橫向剛度和允許大扭轉變形的特點，取消了傳統轉向架二系懸掛結構中的搖動臺和搖枕裝置而采用空氣彈簧直接支承車體，使轉向架的結構大為簡化，減輕轉向架的重量8001000kg，實現了輕量化，同時提高了轉向架的易維護性和安全可靠性。相同條件下，決定空氣彈簧剛度特性的主要因素是橡膠囊的形狀、材質、簾線角以及上蓋和下座的幾何參數等。此外，所采用的金屬疊層橡膠輔助彈簧的形式對空氣彈簧系統的性能也有重要影響。一般對于采用空氣彈簧懸掛的車輛要求車輛垂向和橫向的低頻自振頻率不大于1Hz。評價空氣彈簧性能的主要參數有：有效直徑，約450640mm。垂直靜/動剛度，垂直靜剛度一般為0.30.4MN/m。水平靜/動剛度，水平靜剛度一般為0.150.2MN/m。最大允許的垂向位移，30mm。最大允許的橫向位移，60120mm。工作高度，約200300mm。2.1.2 附加空氣室附加空氣室的作用在于能夠顯著降低空氣彈簧的垂向剛度，但當附加空氣室的容積達到一定數值后（一般為6070L）剛度變化不再明顯。對于有搖枕轉向架一般是利用搖枕的內腔作為空氣彈簧的附加空氣室。無搖枕轉向架有兩種情況：一種是利用轉向架構架側梁和（或）橫梁內腔；另一種是在車體上設置單獨的空氣彈簧附加空氣室。這兩種情況各有利弊，應根據不同的設計條件加以選擇。2.2 高度控制閥和差壓閥2.2.1 高度控制閥正是由于自動高度控制閥的采用才使得空氣彈簧具有許多優(yōu)點。車體高度控制是通過高度控制閥控制空氣彈簧充、放氣來實現的。一般城市軌道交通車輛要求載荷變化時車輛地板高度調整的時間不超過車站停車時間，地板面高度的變化范圍為10mm。高度閥只能用來補償乘客重量的變化，而不能用于補償車輪和轉向架零件的磨損，高度閥應不受車輛振動和軌道沖擊的影響。高度控制閥的主要技術性能指標有(杠桿長度140mm，溫度20，主風缸壓力5kg/cm2)：截止頻率，一般為1Hz；無感帶，911mm；動作延遲時間，31s；空氣流量：40S以下(40L風缸，壓力由5kg/cm2下降到2kg/cm2)。2.2.2 差壓閥差壓閥安裝在同一轉向架左右空氣彈簧的連接管路中間，在任何一側的空氣彈簧出現異常時作為安全裝置而起作用，連通左右空氣彈簧，防止車體過大傾斜。壓差閥的動作壓力一般有1kg/cm2、1.2kg/cm2、1.5kg/cm2三種。壓差閥動作壓力的選擇應綜合考慮多方面的因素，在條件允許的情況下盡可能選擇較小值，以減小車輛在過渡曲線上的對角壓差，提高車輛的抗脫軌安全性。2.3 抗側滾扭桿空氣彈簧的采用，一方面大大提高了車輛懸掛系統的靜撓度，降低了車輛在垂向和橫向的自振頻率使運行平穩(wěn)性提高；同時，由于垂向靜撓度的增加降低了車輛系統的抗側滾剛度，致使車輛在通過道岔和曲線時的側滾角增大，車輛乘坐舒適度下降?？箓葷L扭桿的作用就是：在不增加車輛的垂向和橫向懸掛剛度的前提下，提高車輛的抗側滾剛度，以限制車輛在較大線路不平順時的側滾角，保證車輛在動態(tài)情況下不超出允許的車輛限界并提高乘坐舒適度。可見，抗側滾扭桿的實質就是一個扭力彈簧，它不約束車體的浮沉和橫擺運動，但在車體發(fā)生側滾時可產生較大的復原力矩，提高車輛抗傾覆穩(wěn)定性?？箓葷L扭桿的剛度值一般為23MNm/rad?？箓葷L扭桿裝置必須具有合理的設計和安裝結構，否則會對車輛在直線上的運行平穩(wěn)性產生不利影響。提高車輛抗傾覆穩(wěn)定性的另一種方法是增加空氣彈簧的橫向跨距和提高空氣彈簧上支承面的高度，但這要受到車輛寬度和地板高度的限制，并要考慮對車輛曲線通過性能的影響。此方法在日本采用較多。2.4 節(jié)流孔和節(jié)流閥采用空氣彈簧的另外一個好處是可以在空氣彈簧本體和附加空氣室之間設置適宜大小的固定節(jié)流孔或可變阻尼節(jié)流閥代替二系垂向油壓減振器。固定節(jié)流孔結構簡單，幾乎不增加空氣彈簧的成本，但減振效果不好，一般用于速度較低的車輛。固定節(jié)流孔的直徑一般為13mm左右?？勺冏枘峁?jié)流閥由于能夠依據振動速度的變化而改變節(jié)流孔的開度，因此無論是在低頻振動范圍還是高頻振動范圍均具有良好的減振效果。采用可變阻尼節(jié)流閥的空氣彈簧不僅可使車輛垂向的高、低頻振動均有適宜的阻尼，并且對車體側滾的低頻振動也有良好的衰減效果。當然，是采用節(jié)流閥還是油壓減振器提供垂向阻尼與空氣彈簧結構及工作特性有關。歐洲多采用垂直油壓減振器，而日本多采用節(jié)流閥?？諝鈴椈蓱覓煜到y的橫向阻尼由橫向油壓減振器提供。在有搖枕轉向架中，多由支重旁承提供回轉阻尼提高車輛蛇行運動的臨界速度；在無搖枕轉向架中，一般當車輛的運營速度達到120Km/h以上時，都通過在車體和轉向架構架之間安裝抗蛇行油壓減振器來保證蛇行運動的臨界速度。3 轉向架二系懸掛裝置對空氣彈簧性能的要求可以說空氣彈簧技術的進步推動了轉向架技術的進步，也可以說轉向架高速化和輕量化的發(fā)展要求促使空氣彈簧的性能不斷提高，二者相互作用。綜觀國內外典型的轉向架，空氣彈簧二系懸掛的結構有三種基本形式：搖動臺式、有搖枕式和無搖枕式。這三種形式既是依次進步的，也是共同并存的，三者對空氣彈簧性能的要求有很大的區(qū)別。3.1 有搖動臺和搖枕裝置的轉向架這種轉向架的二系懸掛裝置（圖-4）主要由搖枕吊桿1、彈簧托梁2、空氣彈簧3、搖枕4、抗側滾扭桿5、高度控制閥6、差壓閥7、可變節(jié)流閥8、橫向油壓減振器9、支重旁承10、橫向止擋11、牽引拉桿12、和中心銷13等組成。此結構中主要是利用空氣彈簧低的垂向剛度而二系懸掛低的橫向剛度主要有搖枕吊桿裝置提供，對空氣彈簧的縱向剛度沒有要求。車輛運行中空氣彈簧的橫向位移很小，基本沒有縱向和扭轉位移。典型的轉向架有209PK、209HS、BT10和CW-2等。圖-4 有搖動臺和搖枕裝置的轉向架1.搖枕吊桿 2.彈簧托梁 3.空氣彈簧 4.搖枕 5.抗側滾扭桿 6.高度控制閥 7.差壓閥8.可變節(jié)流閥 9.橫向油壓減振器 10.支重旁承 11.橫向止擋 12.牽引拉桿 13.中心銷 209PK轉向架為銷孔結構的長吊桿，結構中存在磨耗，但安全可靠。209HS轉向架為帶彈性接點的長吊桿，無磨耗，同時由于碗形疊層橡膠堆的采用進一步降低了搖動臺的橫向剛度即增加了吊桿的有效長度。CW-2轉向架采用剛性凹凸擺塊式長吊桿，與209系列轉向架不同的是在搖枕和彈簧托梁之間設有橫向拉桿，這樣二系懸掛的橫向剛度就完全由搖動臺提供。支重旁承的作用除支持車體的重量外，還提供適宜轉向架相對車體的回轉摩擦阻力矩，以提高車輛的蛇行運動穩(wěn)定性。橫向止擋起彈性緩沖作用，限制車體過大的橫向位移。牽引拉桿的作用是傳遞車體和轉向架之間的縱向力。中心銷傳遞縱向力并為轉向架提供回轉中心。3.2 無搖動臺有搖枕裝置的轉向架轉向架的二系懸掛裝置（圖-5）主要由空氣彈簧1、搖枕2、抗側滾扭桿3、高度控制閥4、差壓閥5、可變節(jié)流閥6、橫向油壓減振器7、支重旁承8、橫向止擋9、牽引拉桿10、和中心銷11等組成。此結構中不但利用空氣彈簧低的垂向剛度而且利用空氣彈簧低的橫向剛度取消了搖動臺裝置，對空氣彈簧的縱向剛度沒有要求。車輛運行中空氣彈簧的橫向位移一般最大不超過60mm，基本沒有縱向和扭轉位移。此種轉向架有Y36P、DT200、206KP、SW160和DK3型地鐵客車轉向架等。空氣彈簧直接安裝在轉向架構架或搖枕上，利用空氣彈簧低的橫向剛度取消了搖枕吊桿、彈簧托梁等零部件，簡化了轉向架結構，減輕重量300kg左右。圖-5 無搖動臺有搖枕裝置的轉向架1.空氣彈簧 2.搖枕 3.抗側滾扭桿 4.高度控制閥 5.差壓閥 6.可變節(jié)流閥7.橫向油壓減振器 8.支重旁承 9.橫向止擋 10.牽引拉桿 11.中心銷3.3 無搖枕轉向架無搖枕轉向架的二系懸掛裝置（圖-6）主要由空氣彈簧1、抗側滾扭桿2、高度控制閥3、差壓閥4、可變節(jié)流閥5、橫向油壓減振器6、抗蛇行減振器7、橫向止擋8、牽引拉桿9、和牽引座10等組成。此結構中不但利用空氣彈簧低的垂向和橫向剛度，而且利用空氣彈簧允許大的橫向位移和扭轉變形的特點取消了搖枕。車輛運行中空氣彈簧的橫向位移一般最大不超過60mm，縱向位移（包括扭轉）最大可達110120mm。此種轉向架有法國TGV的Y237，ICE2的SGP400，日本新干線系列轉向架，我國上海、廣州進口的各型地鐵客車轉向架、國產CW-200型干線鐵路客車轉向架、CCDZ11型地鐵客車轉向架等。圖-6無搖枕轉向架1.空氣彈簧 2.抗側滾扭桿 3.高度控制閥 4.差壓閥 5.可變節(jié)流閥6.橫向油壓減振器 7.抗蛇行減振器 8.橫向止擋 9.牽引拉桿 10.牽引座“三無”結構（無心盤、無旁承、無搖枕）的轉向架采用高柔性空氣彈簧直接支承車體的結構，通過曲線時利用空氣彈簧的水平移動和扭轉變形代替有搖枕轉向架的中心銷和支重旁承摩擦副的回轉功能，大大簡化了轉向架結構，進一步減輕重量500700kg左右。除了高柔性空氣彈簧外，性能良好的抗蛇行運動減振器和附加剛度小的牽引裝置也是高速無搖枕轉向架的關鍵技術?？股咝羞\動減振器具有非線性阻尼特性，既能提高車輛的運動穩(wěn)定性又便于車輛的曲線通過。目前，無搖枕轉向架的牽引裝置主要有：單拉桿式、Z型拉桿式和疊層橡膠堆式等。結構極為簡單、重量輕且占用空間小的單拉桿式牽引裝置在日本應用較多，Z型拉桿式在歐洲應用較多。疊層橡膠堆式牽引裝置的垂向和橫向附加剛度大，一般多用于城市軌道交通車的轉向架。此外，為進一步改善高速無搖枕轉向架的橫向性能，日本新干線700系車輛轉向架二系懸掛中裝設了可調阻尼的橫向油壓減振器（半主動控制）和各向異性的空氣彈簧。ICE2中的SGP400轉向架安裝了DES回轉阻尼裝置和有源橫向彈性系統。4 無搖枕轉向架用高柔性空氣彈簧目前，國內外無搖枕轉向架常用的高柔性自由膜式空氣彈簧主要有兩種形式，一種是大曲囊式（圖-7）；另一種是小曲囊式（圖-8）。大曲囊式高柔性空氣彈簧的結構特點是大半徑橡膠囊加圓錐形疊層橡膠輔助彈簧，最大允許的橫向位移120mm，二系懸掛的垂向阻尼一般是另設垂直油壓減振器。小曲囊式高柔性空氣彈簧則是小半徑橡膠囊加平板形疊層橡膠輔助彈簧，最大允許的橫向位移110mm，二系懸掛的垂向阻尼一般是由空氣彈簧內部的可變節(jié)流閥提供。前者需要較大的安裝空間，工作高度在300mm左右，歐洲采用的較多；后者需要的安裝空間較小，工作高度在200mm左右，日本多采用此種形式。 圖-7大曲囊式高柔性空氣彈簧 圖-8小曲囊式高柔性空氣彈簧 這兩種形式在我國均有應用，“中原之星”號動力分散型電動車組動拖車轉向架和上海、廣州進口地鐵客車轉向架采用了前一種，而CW-200型高速客車轉向架、“先鋒”號動力分散型電動車組動拖車轉向架和CCDZ11地鐵客車轉向架采用了后一種。哪種形式更好只有通過大量的對比試驗加以確定，而且車輛動力學性能往往是取決于多種參數的相互匹配關系。另外，為改善高速列車的舒適性除采用車間鉸接結構、安裝車間減振器以及二系橫向可調阻尼油壓減振器等技術外，日本500系、700系和法國TGV高速列車中也使用了各向異性的高柔性空氣彈簧，以期用最小的成本達到改善車輛動力學性能的目的。對于無搖枕轉向架來說空氣彈簧的橫向特性不僅對車輛的橫向運行平穩(wěn)性有決定性的作用，而且對車輛蛇行運動穩(wěn)定性有重要影響，因此新型高柔性空氣彈簧的研制對此必須予以足夠的重視。5 結束語 高柔性空氣彈簧的出現使無搖枕轉向架的研制成為現實，轉向架二系懸掛裝置的結構得到簡化，大幅度減輕了重量，轉向架更易于維護。另外，由于搖枕吊桿等關鍵受力構件的減少和關系到轉向架性能穩(wěn)定的摩擦副的消除也使轉向架的安全可靠性提高。 無搖枕轉向架二系懸掛中用抗蛇行減振器代替有搖枕轉向架中支重旁承提供的摩擦回轉阻尼，使提高蛇行運動穩(wěn)定性和改善曲線通過性能之間的矛盾得到緩和，一定程度上提高了轉向架對線路友好性。 目前，空氣彈簧的橫向性能還有待于進一步提高，尤其是應盡快研制各向異性的高柔性空氣彈簧，以期在不過多增加成本的前提下提高無搖枕轉向架的橫向動力學性能。應對對空氣彈簧故障狀態(tài)的車輛運行安全性及其應急措施進行深入研究。我國現有的轉向架多用構架的側梁或（和）橫梁內腔作為附加空氣室，而焊接構架需要焊后整體熱處理，以消除焊接殘余應力，這樣，附加空氣室內表面的防腐處理成為一個問題。參考文獻1 嚴雋耄. 車輛工程. 北京: 中國鐵道出版社，1999. 2 王福天. 車輛系統動力學 . 北京: 中國鐵道出版社，1994. 3 宋紹南. 張衛(wèi)華，曾京等.250km/h高速客車動力學性能試驗研究.鐵道車輛，1998，36（5）：912.4 王煥章. 無搖枕轉向架的發(fā)展及研制.鐵道車輛，1999，37（7）：15.5 虞大聯. SW-160型轉向架的研制.鐵道車輛，1999，37（9）：49.