軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架用空氣彈簧.doc

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軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架用空氣彈簧 作者：陸海英　出自：時代新材　　 1 概述 現(xiàn)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(tǒng)具諸多鋼制螺旋彈簧不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此在干線高速鐵道車輛轉(zhuǎn)向架和城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)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(yīng)用受到限制，這主要有兩方面的原因：一，在高速軌道交通領(lǐng)域剛彈簧不能夠大幅度提高車輛懸掛系統(tǒng)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(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性，大大簡化轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向架實(shí)現(xiàn)輕量化和易于維護(hù)。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(zhuǎn)向架 ⑴利用空氣彈簧的垂向特性，提高車輛系統(tǒng)的垂向運(yùn)行平穩(wěn)性； ⑵空氣彈簧的垂向和橫向特性并用，取消轉(zhuǎn)向架二系懸掛裝置中的搖動臺，簡化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)； ⑶充分利用大變位（包括扭轉(zhuǎn)）、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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架二系懸掛裝置的輕量化，同時使抗蛇行運(yùn)動減振器的采用成為可能，可更好地協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)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(zhuǎn)向架二系懸掛裝置 2 空氣彈簧懸掛系統(tǒng)的構(gòu)成 空氣彈簧懸掛的整個系統(tǒng)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(tǒng)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(diào)整連桿3的長度固定，此時高度調(diào)整杠桿4 圖-3 空氣彈簧懸掛系統(tǒng) 1.空氣彈簧 2.高度控制閥 3.高度調(diào)整連桿 4. 高度調(diào)整杠桿 5.列車風(fēng)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(zhuǎn)動打開高度控制閥的進(jìn)氣機(jī)構(gòu)，壓力空氣由列車風(fēng)源5通過高度控制閥的進(jìn)氣機(jī)構(gòu)進(jìn)入空氣彈簧1和附加空氣室8，直到高度調(diào)整杠桿回到水平位置即空氣彈簧恢復(fù)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(diào)整連桿3的長度固定，高度調(diào)整杠桿4發(fā)生反向轉(zhuǎn)動打開高度控制閥的排氣機(jī)構(gòu)，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(jī)構(gòu)經(jīng)排氣口6排入大氣，直到高度調(diào)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(tǒng)具有理想的反S形非線性剛度特性，在正常工作范圍內(nèi)剛度很低，而振幅較大時其剛度具有陡增的特點(diǎn)，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(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是低橫向剛度、大扭轉(zhuǎn)變形空氣彈簧的實(shí)用化，使得無搖枕轉(zhuǎn)向架的研制成為可能。在無搖枕轉(zhuǎn)向架中，利用高柔性空氣彈簧低橫向剛度和允許大扭轉(zhuǎn)變形的特點(diǎn)，取消了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架二系懸掛結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)大為簡化，減輕轉(zhuǎn)向架的重量800～1000kg，實(shí)現(xiàn)了輕量化，同時提高了轉(zhuǎn)向架的易維護(hù)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(zhì)、簾線角以及上蓋和下座的幾何參數(shù)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(tǒng)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(shù)有： ⑴有效直徑，約450～640mm。 ⑵垂直靜/動剛度，垂直靜剛度一般為0.3～0.4MN/m。 ⑶水平靜/動剛度，水平靜剛度一般為0.15～0.2MN/m。 ⑷最大允許的垂向位移，30mm。 ⑸最大允許的橫向位移，60～120mm。 ⑹工作高度，約200～300mm。 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(dāng)附加空氣室的容積達(dá)到一定數(shù)值后（一般為60～70L）剛度變化不再明顯。對于有搖枕轉(zhuǎn)向架一般是利用搖枕的內(nèi)腔作為空氣彈簧的附加空氣室。無搖枕轉(zhuǎn)向架有兩種情況：一種是利用轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁和（或）橫梁內(nèi)腔；另一種是在車體上設(shè)置單獨(dú)的空氣彈簧附加空氣室。這兩種情況各有利弊，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)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(diào)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(bǔ)償乘客重量的變化，而不能用于補(bǔ)償車輪和轉(zhuǎn)向架零件的磨損，高度閥應(yīng)不受車輛振動和軌道沖擊的影響。高度控制閥的主要技術(shù)性能指標(biāo)有(杠桿長度140mm，溫度20℃，主風(fēng)缸壓力5kg/cm2)： ⑴截止頻率，一般為1Hz； ⑵無感帶，9～11mm； ⑶動作延遲時間，31s； ⑷空氣流量：40S以下(40L風(fēng)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(zhuǎn)向架左右空氣彈簧的連接管路中間，在任何一側(cè)的空氣彈簧出現(xiàn)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(yīng)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(cè)滾扭桿 空氣彈簧的采用，一方面大大提高了車輛懸掛系統(tǒng)的靜撓度，降低了車輛在垂向和橫向的自振頻率使運(yùn)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(tǒng)的抗側(cè)滾剛度，致使車輛在通過道岔和曲線時的側(cè)滾角增大，車輛乘坐舒適度下降?？箓?cè)滾扭桿的作用就是：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(cè)滾剛度，以限制車輛在較大線路不平順時的側(cè)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?？梢?，抗側(cè)滾扭桿的實(shí)質(zhì)就是一個扭力彈簧，它不約束車體的浮沉和橫擺運(yùn)動，但在車體發(fā)生側(cè)滾時可產(chǎn)生較大的復(fù)原力矩，提高車輛抗傾覆穩(wěn)定性?？箓?cè)滾扭桿的剛度值一般為2～3MN?m/rad?？箓?cè)滾扭桿裝置必須具有合理的設(shè)計和安裝結(jié)構(gòu)，否則會對車輛在直線上的運(yùn)行平穩(wěn)性產(chǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jù)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(cè)滾的低頻振動也有良好的衰減效果。當(dāng)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(jié)構(gòu)及工作特性有關(guān)。歐洲多采用垂直油壓減振器，而日本多采用節(jié)流閥。 空氣彈簧懸掛系統(tǒng)的橫向阻尼由橫向油壓減振器提供。在有搖枕轉(zhuǎn)向架中，多由支重旁承提供回轉(zhuǎn)阻尼提高車輛蛇行運(yùn)動的臨界速度；在無搖枕轉(zhuǎn)向架中，一般當(dāng)車輛的運(yùn)營速度達(dá)到120Km/h以上時，都通過在車體和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間安裝抗蛇行油壓減振器來保證蛇行運(yùn)動的臨界速度。 3 轉(zhuǎn)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(shù)的進(jìn)步推動了轉(zhuǎn)向架技術(shù)的進(jìn)步，也可以說轉(zhuǎn)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(nèi)外典型的轉(zhuǎn)向架，空氣彈簧二系懸掛的結(jié)構(gòu)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(jìn)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(zhuǎn)向架 這種轉(zhuǎn)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(cè)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(jié)構(gòu)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(yùn)行中空氣彈簧的橫向位移很小，基本沒有縱向和扭轉(zhuǎn)位移。典型的轉(zhuǎn)向架有209PK、209HS、BT10和CW-2等。 圖-4 有搖動臺和搖枕裝置的轉(zhuǎn)向架 1.搖枕吊桿 2.彈簧托梁 3.空氣彈簧 4.搖枕 5.抗側(cè)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(zhuǎn)向架為銷孔結(jié)構(gòu)的長吊桿，結(jié)構(gòu)中存在磨耗，但安全可靠。209HS轉(zhuǎn)向架為帶彈性接點(diǎn)的長吊桿，無磨耗，同時由于碗形疊層橡膠堆的采用進(jìn)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(zhuǎn)向架采用剛性凹凸擺塊式長吊桿，與209系列轉(zhuǎn)向架不同的是在搖枕和彈簧托梁之間設(shè)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(zhuǎn)向架相對車體的回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩，以提高車輛的蛇行運(yùn)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(zhuǎn)向架之間的縱向力。中心銷傳遞縱向力并為轉(zhuǎn)向架提供回轉(zhuǎn)中心。 3.2 無搖動臺有搖枕裝置的轉(zhuǎn)向架 轉(zhuǎn)向架的二系懸掛裝置（圖-5）主要由空氣彈簧1、搖枕2、抗側(cè)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(jié)構(gòu)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(yùn)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(zhuǎn)位移。此種轉(zhuǎn)向架有Y36P、DT200、206KP、SW—160和DK3型地鐵客車轉(zhuǎn)向架等。 空氣彈簧直接安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，減輕重量300kg左右。 圖-5 無搖動臺有搖枕裝置的轉(zhuǎn)向架 1.空氣彈簧 2.搖枕 3.抗側(cè)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(zhuǎn)向架 無搖枕轉(zhuǎn)向架的二系懸掛裝置（圖-6）主要由空氣彈簧1、抗側(cè)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變形的特點(diǎn)取消了搖枕。車輛運(yùn)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(zhuǎn)）最大可達(dá)110～120mm。此種轉(zhuǎn)向架有法國TGV的Y237，ICE2的SGP400，日本新干線系列轉(zhuǎn)向架，我國上海、廣州進(jìn)口的各型地鐵客車轉(zhuǎn)向架、國產(chǎn)CW-200型干線鐵路客車轉(zhuǎn)向架、CCDZ11型地鐵客車轉(zhuǎn)向架等。 圖-6無搖枕轉(zhuǎn)向架 1.空氣彈簧 2.抗側(cè)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(jié)構(gòu)（無心盤、無旁承、無搖枕）的轉(zhuǎn)向架采用高柔性空氣彈簧直接支承車體的結(jié)構(gòu)，通過曲線時利用空氣彈簧的水平移動和扭轉(zhuǎn)變形代替有搖枕轉(zhuǎn)向架的中心銷和支重旁承摩擦副的回轉(zhuǎn)功能，大大簡化了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減輕重量500～700kg左右。除了高柔性空氣彈簧外，性能良好的抗蛇行運(yùn)動減振器和附加剛度小的牽引裝置也是高速無搖枕轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵技術(shù)?？股咝羞\(yùn)動減振器具有非線性阻尼特性，既能提高車輛的運(yùn)動穩(wěn)定性又便于車輛的曲線通過。目前，無搖枕轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)用較多，Z型拉桿式在歐洲應(yīng)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(zhuǎn)向架。此外，為進(jìn)一步改善高速無搖枕轉(zhuǎn)向架的橫向性能，日本新干線700系車輛轉(zhuǎn)向架二系懸掛中裝設(shè)了可調(diào)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(zhuǎn)向架安裝了DES回轉(zhuǎn)阻尼裝置和有源橫向彈性系統(tǒng)。 4 無搖枕轉(zhuǎn)向架用高柔性空氣彈簧 目前，國內(nèi)外無搖枕轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(shè)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(nèi)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(yīng)用，“中原之星”號動力分散型電動車組動拖車轉(zhuǎn)向架和上海、廣州進(jìn)口地鐵客車轉(zhuǎn)向架采用了前一種，而CW-200型高速客車轉(zhuǎn)向架、“先鋒”號動力分散型電動車組動拖車轉(zhuǎn)向架和CCDZ11地鐵客車轉(zhuǎn)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(yàn)加以確定，而且車輛動力學(xué)性能往往是取決于多種參數(shù)的相互匹配關(guān)系。 另外，為改善高速列車的舒適性除采用車間鉸接結(jié)構(gòu)、安裝車間減振器以及二系橫向可調(diào)阻尼油壓減振器等技術(shù)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(dá)到改善車輛動力學(xué)性能的目的。對于無搖枕轉(zhuǎn)向架來說空氣彈簧的橫向特性不僅對車輛的橫向運(yùn)行平穩(wěn)性有決定性的作用，而且對車輛蛇行運(yùn)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(jié)束語 ⑴ 高柔性空氣彈簧的出現(xiàn)使無搖枕轉(zhuǎn)向架的研制成為現(xiàn)實(shí)，轉(zhuǎn)向架二系懸掛裝置的結(jié)構(gòu)得到簡化，大幅度減輕了重量，轉(zhuǎn)向架更易于維護(hù)。另外，由于搖枕吊桿等關(guān)鍵受力構(gòu)件的減少和關(guān)系到轉(zhuǎn)向架性能穩(wěn)定的摩擦副的消除也使轉(zhuǎn)向架的安全可靠性提高。 ⑵ 無搖枕轉(zhuǎn)向架二系懸掛中用抗蛇行減振器代替有搖枕轉(zhuǎn)向架中支重旁承提供的摩擦回轉(zhuǎn)阻尼，使提高蛇行運(yùn)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(zhuǎn)向架對線路友好性。 ⑶ 目前，空氣彈簧的橫向性能還有待于進(jìn)一步提高，尤其是應(yīng)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(zhuǎn)向架的橫向動力學(xué)性能。 ⑷應(yīng)對對空氣彈簧故障狀態(tài)的車輛運(yùn)行安全性及其應(yīng)急措施進(jìn)行深入研究。 ⑸我國現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向架多用構(gòu)架的側(cè)梁或（和）橫梁內(nèi)腔作為附加空氣室，而焊接構(gòu)架需要焊后整體熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力，這樣，附加空氣室內(nèi)表面的防腐處理成為一個問題。 參考文獻(xiàn) [1] 嚴(yán)雋耄. 車輛工程. 北京: 中國鐵道出版社，1999. 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