空气弹簧研究综述

空气弹簧研究综述
1.3 空气弹簧研究综述
1.3.1 国内外空气弹簧发展简史
空气弹簧的发展仅有五十多年的时间。

美国自1947年，在普尔曼车上首先采用空气弹簧，后来在意大利、英国、法国等许多欧洲国家对空气弹簧做了大量研究工作，装有空气弹簧的转向架相继出现。

1955年，日本国家铁路技术研究院机车车辆动力试验室，对在车辆上安装的空气弹簧进行了系统的研究，为设计空气弹簧提供了宝贵的基本数据；同时，对装有空气弹簧的车辆进行了一系列的试验工作。

目前，日本不仅在铁路客车上成功地装用了多种型式的空气弹簧，而且在货车上也予以采用。

在日本，装有空气弹簧的转向架，不仅数量多，而且型式多样。

空气弹簧绝大多数用于中央悬挂，轴箱弹簧为螺旋钢弹簧。

起初只安装三曲囊式空气弹簧，用以改善车辆的垂向振动性能，横向复原仍采用摇动台。

为了取消复杂、笨重的摇动台结构，于是研制出了约束膜式空气弹簧和自由膜式空气弹簧，这类空气弹簧不仅能承受垂向振动，而且可以利用其具有良好的横向刚度的优点来承受横向振动；同时，可以与牵引拉杆两端部的弹性元件共同作为横向复原装置。

牵引拉杆一端连接摇枕，另一端连接在构架（对心盘支重的转向架）上，或连接在车体（对旁承支重的转向架）上。

牵引拉杆两端弹性元件的横向复原力，对空气弹簧来说，是比较小的。

1957年，我国第一机械工业部汽车研究所，对空气弹簧做了大量的试验研究工作，并装在汽车上试用，积累了一些经验。

1958年，沈阳机车车辆厂在试制的“东风号”客车上，首先装用空气弹簧，即由天津车辆段和天津橡胶研究所共同研制出一种双曲囊式空气弹簧（图），其有效直径为460mm时，高度为184mm，最大外径为520mm。

这种空气弹簧曾先后在天津车辆段、北京车辆段，装在101型、201型和202型转向架上，以代替叠板弹簧。

实践证明：这种空气弹簧的垂向振动性能具有良好的运行品质。

但是，由于没有采用高度控制阀，在列车返段时，只好采用人工加气；同时，泄漏问题也没有得到很好的解决，所以没有继续应用。

1959年，四方机车车辆厂在新造低重心车辆的转向架上，1960年在新造双层客车的转向架上，又安装了双曲囊式空气弹簧。

但是由于车辆自重较大，空气弹簧的有效承压面积不够，同时受到列车管压力的限制，支承不了簧上重量，只好与螺旋钢弹簧联合使用，并设计了机械式高度控制阀，对空气弹簧的高度进行自动控制；同时，在垂向振动性能方面也取得了比只用钢弹簧更好的运行品质，受到旅客好评。

1965年，长春客车厂在试制DK1型转向架时，又对双曲囊式空气弹簧稍加改进，并设计了电磁式高度控制阀，采用无摇动台结构，在摇枕中下部和构架侧梁内侧之间加装横向复
km，因此，垂向振动性能原弹簧。

经过多次试验，由于地铁电动客车运行速度不超过80h
很好。

但由于采用横向复原螺旋钢弹簧，在车辆进出曲线和通过道岔时侧摆较大，横向振动性能仍不理想，横向复原弹簧安装也很不方便，故未扩大应用。

长春客车厂于同年在试制高速列车的CCKZ1型转向架上，安装了外筒锥角为40o，内筒为0o的约束膜式空气弹簧；四方机车车辆厂于同年也在同列高速客车的KZ2型转向架上安装了内外筒皆为0o的约束膜式空气弹簧，这两种转向架均采用旁承支重的无摇动台结构，用节流孔产主阻尼，代替垂直油
压减振器。

经过试验和实际运用证明：安装这种空气弹簧后，车辆无论在垂向振动性能方面，还是在横向振动性能方面，都获得了颇为良好的运行品质。

但由于利用列车管作为风源，机车难于供风等原因，这种空气弹簧也没有得到推广。

1968年，长春客车厂在地铁电动客车的DK2型转向架上安装了自由膜式空气弹簧，取得了较为理想的垂向振动性能和横向振动性能，并降低了空气弹簧的安装高度。

现在，这种空气弹簧已大批量地应用在地铁电动客车上，并逐渐推广应用到其他工业部门。

随着研究的深入，空气弹簧已被广泛应用于机械工业，如压力机、剪切机、压缩机、空气锤及纺织机械等。

如80年代，西安冶金建筑学院成功地将双曲囊式空气弹簧应用到MGZ—1型高效振动磨机上[8]。

空气弹簧的非线性硬特性保证了振动磨机在位移较大时不会出现与隔振弹簧脱离或产生冲击现象。

实践证明，空气弹簧作为隔振元件，使振动磨机噪音降低，过共振较为平稳、迅速，实测停机时间为10秒以下，这大大改善了机器的动力学特性。

在电子显微镜、激光仪器、集成电路等物理化学分析精密仪器和其他一些超精密加工中也应用了空气弹簧。

如哈尔滨工业大学超精密加工研究所研制的某超精密加工机床隔振系统采用了带辅助气室的空气弹簧作为隔振元件，其隔振系统的垂向有阻尼固有频率仅为1.8Hz，获得了较好的隔振效果[8]。

在国防工业上应用空气弹簧的也不少。

如某型导弹战车上就应用了空气弹簧。

1.3.2 研究现状与存在问题
要设计空气弹簧隔振装置，就需要有关空气弹簧的准确的数学模型。

最早的空气弹簧模型是建立在压缩空气气缸的非线性模型基础上的。

压缩空气气缸的模型首先是由Shearer[4]提出来的。

该模型包括压缩空气室的热焓方程，气室间节流孔的流量方程，以及承载活塞的运动方程。

Harris和Crede[5]最早提出了空气弹簧的线性模型。

该模型的线性特性是在假设小位移的情况下得出来的。

文献[6]从工程热力学的气体多变过程出发获得了空气弹簧在额定高度时的特性方程与空气弹簧刚度的近似表达式。

文中假设：(1)空气弹簧在变形前后，其橡胶膜的自由变形部分的径向断面保持为一圆弧；(2)认为载荷全部由帘线承受，内外橡胶层只是起密封作用；
(3)环向应变在轴向投影面内按与轴线的距离成正比地分布。

文献用材料力学理论解出了帘线的周向应力与应变、径向应力与应变，但对橡胶的强度，没有进行分析。

文献[7]用线性薄膜理论分析了空气弹簧的特性,认为载荷全部由橡胶囊承受,但气囊的微单元不承受弯矩、扭矩和剪力作用。

文献[8]用气体多变方程，推导了空气弹簧在额定高度时的刚度，认为空气弹簧刚度仅取决于内部气压。

文献同时用线性薄膜理论推导了弹簧的有效截面面积与曲囊半径的关系，对气囊进行了强度分析，认为径向应力大于周向应力。

文献[2]用不同分析方法对空气弹簧特性进行了分析，主要有图解法、解析法和实验法等。

图解法对空气弹簧进行分段图解分析，绘出弹簧在不同变形高度下的膜断面，确定相应的有效面积和容积。

此法是用于具有复杂形状约束裙和活塞的空气弹簧。

此法工作量大，比较复杂。

解析法仅解决了空气弹簧在额定高度时的刚度计算，没有涉及非额定高度时的弹性特性解析计算，没有给出空气弹簧在不同变形下的膜断面及形状尺寸。

实验法通过实验，做出了空气弹簧载荷——位移曲线，但对空气弹簧曲囊应变规律未作研究。

文献[3]讨论了回转体形空气弹簧的垂向、横向刚度计算公式。

该文引进两个几何参数
——内角和外角。

在膜断面内，橡胶囊自由圆弧与下座交点的切线与过圆弧中心铅垂线的夹角称为内角；自由圆弧与上盖交点的切线与过圆弧中心铅垂线的夹角称为外角。

并根据空气弹簧在振动过程中橡胶囊内、外角是否发生变化，分为四种情况。

文献详细推导了四种回转体形空气弹簧的刚度计算公式。

文献[9]采用最优化方法——复合形法求解空气弹簧的非线性方程组，得到空气弹簧在非平衡位置、不同载荷下的弹性特性，以及膜断面形状尺寸。

用一般壳体的非线性无矩理论，推出了轴对称回转壳的协调方程，由此得出空气弹簧的协调方程，同时用变分原理，推导出对称回转无矩壳的非线性平衡微分方程，得出空气弹簧的非线性平衡微分方程，给出空气弹簧的非线性控制方程。

将空气弹簧的非线性控制方程差分化，用复合形法解出非线性差分方程，得到法向位移及内力，从而描述了空气弹簧的形变特性。

空气弹簧的刚度不仅与气囊体内的空气压力、分子运动过程有关，还与气囊体的有效体积、有效承压面积等几何参数有关，因此各种形式的空气弹簧其刚度特性相差很大。

目前，国内还没有对非回转体形空气弹簧进行研究。

长方体形空气弹簧可根据需要进行设计，以获得理想的垂向和横向刚度比。

这就是长方体形空气弹簧较回转体形空气弹簧优越的地方。

笔者从理论和试验两方面，对长方体形囊式空气弹簧弹的形变规律、垂向刚度特性以及横向刚度特性进行了一些有建设性的探讨和研究。