车辆空气弹簧失效对动力学性能的影响分析

摘 要：在高速动车组中，通常使用空气弹簧作为辅助悬挂系统。空气弹簧极大地抑制了从车架到车身的高幅度振动，从而使车辆乘坐感受更加良好。但是，空气弹簧也是车辆悬架系统中最容易损坏的部件。如果车辆高速行驶，空气弹簧破损会造成危险。在本文中，我们分析了空气弹簧破裂后的车辆行驶性能以及诸如车辆出轨系数和轮轨侧向力等安全因素。结果表明，在空气弹簧上直线行驶的车辆的平稳性和稳定性大大降低，并且在弯道行驶时存在脱轨的风险。

关键词：轨道车辆;空气弹簧失效;平稳性;安全性

目前，高速动车组一般采用空气弹簧装置进行二次悬挂，主要由空气弹簧体，附加气室，高度调节阀和压差阀组成。空气弹簧装置极大地提高了车辆的能动性，提高了车辆的乘坐舒适性，并易于维持和修理。空气弹簧不仅支撑车身，而且还从车轮和导轨中分离并衰减了动态激励，因此该组件的故障严重影响了车辆系统的安全性能。

空气弹簧故障有几种类型，例如气门故障，高度调节气门故障和橡胶囊破裂。其中，最为常见的损坏是橡皮囊破裂。橡胶气囊中的气体立即完全消失，应急橡胶堆支撑车身。整个过程很短。影响车身和结构变化的刚度，严重影响安全性能。因此，有必要分析空气弹簧制动器对车辆动态性能的影响。

空气弹簧是非金属弹性元件，可将压缩空气添加到柔性密封橡胶气囊中，并通过压缩空气运行。内部空气压缩的反作用力增加了弹性恢复力，有效压缩面积随变形而增加。它具有反作用力，并具有缓冲，减振和降噪功能。空气弹簧可以同时承受三向载荷，横向和纵向刚度低，并且可以承受较大的扭转变形。合理确定从空气弹簧体到附加气室的节流孔的尺寸，在振动过程中获得必要的车辆阻尼，获得所需的振动阻尼，并用复杂的结构和相对较早的结构代替垂直液压。

为了确保车辆的安全运行，在空气弹簧下方安装了一个橡胶垫。如果空气弹簧出现故障，则车身将由橡胶堆栈支撑。差压阀安装在两个空气弹簧之间。如果转向架侧的空气弹簧发生故障，则另一侧的空气弹簧会通过差压阀排出压缩空气，从而防止车身倾斜，从而确保车辆的安全运行。车辆操作的平稳性降低。通过为车辆的正常运行状态和空气弹簧的故障状态建立动态模型，我们分析和比较了车辆的动态性能并提出了一些建议。

1 动力学模型

该模型是三段式车辆编组模型，主要由刚体（例如车体，车架，轮对和牵引装置）组成。空气弹簧失效后应急反应堆接触表面的非线性和粘弹性非线性特征。为了模拟车辆的实际路线，将激励频谱应用于轨迹线，并考虑垂直和水平激励。

2 动力学性能影响分析

通过比较两个模型的线性条件下的临界速度和脱轨系数指标，分析正常和故障空气弹簧条件下车辆动态性能的差异。

3 对临界速度的影响

两个模型的所有参数都是固定的，车辆以不同的速度行驶，并且比较了两个模型的临界速度。空气弹簧故障后，车辆的临界速度为490 km/h。在先前的研究中，在正常操作条件下，这种类型的车辆在以600 km/h的速度行驶时没有不稳定。因此，可以认为，在空气弹簧故障之后，B模型的不稳定性与现有的车辆收敛类型不同，属于间歇性振动收敛。这主要是因为在空气弹簧离开空气之后，并且辅助系统的侧面饱和会引起摩擦，减弱转向架横向振动的能力以及抑制转向架横向振动的能力。运动是不足够的。在模型A中，车轮的侧向力随速度线性增加，而在模型B中，车轮的侧向力显着变化。这是由于紧急橡胶堆开始工作的转向架中的空气弹簧故障所致。在低速范围内，应急弹簧橡胶叠层的粘附力可以抑制车架的晃动，但是粘附力不足以抑制速度的增加。结构的晃动，接触面开始打滑车轮侧向力的侧向力它开始迅速增长。速度提高后，您可能会面临脱轨的风险。在低速范围内，B型一对1位方向盘的脱轨系数的增加不明显，但在320 km/h之后开始急剧增加。

4 顶盖与橡胶桩之间的摩擦系数

顶盖材料为Q235A，摩擦块材料为超级聚合物聚乙烯。负载为40 kN时，空气弹簧盖和橡胶叠层之间的摩擦系数。70 kN在无空气条件下测试（未涂硅脂）。空载时40 kN时的摩擦系数γ=0.081≤0.1。负载为70 kN时的摩擦系数r=0.143.2。

5 个转向架的结构

轮对轴箱装置采用橡胶弹簧定位装置，不仅提供了垂直刚度，而且还提供了车辆行驶时所需的车轮的纵向和横向位置刚度。橡胶弹簧的使用使单系列悬架结构简单，易于维护和拆卸，适应管线，经济实用。转向架框架由每个轴箱中的两个橡胶弹簧支撑，除了弹簧功能外，它还可以阻止高频振动并充当垂直减震器，从而提高了车辆操作过程中的乘坐舒适性。

6 结论

（1）空氣弹簧故障后，车辆系统的稳定性与蛇形不稳定性的形式有所不同，蛇形不稳定性是一种间歇性振动，主要是由于空气弹簧故障后辅助悬架系统的作用。力变为粘滑接触力，饱和横向力为滑动摩擦力，对横向振动的阻尼能力不足，并且对横向运动缺乏约束。（2）空气弹簧故障后最直接的影响是车辆稳定性明显下降，这主要是由于应急橡胶反应堆对结构的减振作用不足。（3）空气弹簧发生故障后，车辆可以确保低速范围内车辆的安全运行。然而，在高速下，紧急橡胶堆的接触表面的摩擦不能充分限制框架的摆动或横向。接触面的滑动使车轮作用在侧面。力和脱轨系数急剧增加，车辆的安全性能急剧下降。

参考文献：

[1]李景峰.跨座式单轨车辆空气弹簧失效对行车安全性能的影响研究[J].电力机车与城轨车辆，2018（03）：37-38.

[2]杨航.高速拖车悬挂系统参数对其动力学性能的影响[J].机车电传动，2017（09）：19-20.

[3]李浩淼.空气弹簧附加气室对车体振动行为的影响研究[J].东北大学学报，2019（03）：12-14.

[4]赵志文.空气弹簧气室载荷对焊接构架疲劳强度影响[J].现代城市轨道交通，2017（11）：17-18.

作者简介：刘洪阳（1997-），男，辽宁喀左人，本科，研究方向：车辆工程。