CRH2动车组空气弹簧垂向力学性能分析
动车组空气弹簧系统的组成及其特性分析
动车组总体题目：动车组空气弹簧系统的组成及其性能分析姓名：谭兆利学号：EMU 2015007 成绩：二〇一五年一月摘要：铁路机车车辆上采用弹簧装置来缓冲冲击，使列车平稳运行，改善机车横向运动性能和曲线通过性能。
随着高速铁路的发展，传统的弹簧装置已经不能满足高速列车性能的要求，现在多采用圆弹簧、橡胶弹簧及空气弹簧。
圆弹簧和橡胶弹簧经常被用作一系悬挂，而空气弹簧则被广泛运用于二系悬挂。
本文主要介绍空气弹簧的组成及其各部件性能的分析。
关键字：空气弹簧；高度调整；差动阀1.系统组成。
主要有空气弹簧本体、附加空气室、高度控制阀、差压阀和滤尘器等组成（见图1）。
2.压力空气传递过程（见图1）压力空气由列车主风管1→T形支管2→截断塞门3→滤尘止回阀4→空气弹簧储风缸5→主管→连接软管6→高度控制阀7→附加空气室10和空气弹簧本体8。
3.高度调整阀工作原理。
为了保持车体距轨面的高度不变，在车体与转向架之间装有高度调整阀，以调节空气弹簧橡胶囊中的压缩空气，使车辆地板面不受车内乘客的多少和分布不均匀的影响，基本保持水平。
3.1调节过程（见图2）：在正常载荷位置，及H h =时，充气通路L V →和放气回路E L →均被关闭； 当车体载荷增加时，此时H h <，阀动作，使L V →通路开启，压缩空气向空气弹簧充气，直至地板上面上升到标定高度为止。
当车体载荷减少时，此时H h >，阀动作，使E L →通路开启，空气弹簧向大气排气，直至地版面下降到标定高度为止。
3.2高度调整阀装置结构。
不同动车组所使用的高度调整装置结构有所区别，这里以2CRH 和3CRH 动车组所采用的高度调整阀装置为例来加以说明。
2CRH 的结构如图3 所示。
该高度调整阀内使用的工作油特性如下：种类：硅油；黏度：25,/1023s m -℃；温度系数：0.6.；流动点：-50℃以下。
高度调整阀工作过程分进气过程和排气过程，具体如图4，图5当然，上述调整只是在静态时进行，不能影响车体与转向架间的正常震动。
CRH2型动车组转向架二系悬挂装置
CRH2型动车组转向架二系悬挂装置5.6.1结构布置及特点CRH2型动车组转向架二系悬挂装置主要由空气弹簧系统、牵引装置、横向减振器、抗蛇行减振器及横向缓冲橡胶止挡等零部件组成，如图5.22所示。
每辆车体及其以上所有重量通过4个空气弹簧传递给两个转向架，纵向力(牵引力或制动力)由单牵引拉杆传递，而横向力则由空气弹簧和横向缓冲橡胶止挡共同传递。
空气弹簧是车体与转向架之间的重要悬挂元件，主要作用除支承车体载荷外，还可以隔离转向架构架的振动，并在通过曲线过程中通过变位实现车体与转向架间的相对旋转和横移。
因此，空气弹簧是二系悬挂中的关键零部件，是影响车辆运行平稳性的关键因素。
5.6.2空气弹簧装置空气弹簧装置主要包括空气弹簧及其附属的高度调整阀、调整阀保温箱及差压阀等。
空气弹簧采用自由膜式气囊，与下部的叠层橡胶堆组成一体。
该空气弹簧的特点：(1)垂向变形由空气弹簧本体(即气囊)和其下面的叠层橡胶堆共同承担，确保垂向大变形量；(2)在水平方向，一方面利用叠层橡胶堆进一步降低刚性，另一方面通过改变气囊形状，可以产生一定的阻尼，以改善乘坐舒适性。
5.6.2.1工作原理一般空气弹簧装置由列车主风管、T形支管、截断塞门、滤尘止回阀、空气弹簧贮风缸、连接软管、高度控制阀、空气弹簧本体、差压阀和附加空气室等组成，空气弹簧系统工作原理(即压力空气传递过程)见图5.23。
压力空气由列车主风管1→高度阀截断塞门3→高度控制阀4→空气弹簧截断塞门2→空气弹簧5→节流阀8→附加空气室7。
5.6.2.2空气弹簧结构空气弹簧主要由橡胶气囊、上下盖板、橡胶堆等零部件组成，如图5.24所示。
空气弹簧采用上进气设计，压缩空气经过高度调整阀进人橡胶气囊和构架内腔形成的附加空气室，橡胶气囊和附加空气室间设直径为φ14mm的节流孔，空气通过节流孔时产生的节流效应构成二系悬挂的垂向阻尼。
当空气弹簧上盖板相对于底座产生垂向位移时，空气弹簧内的气体容积发生变化，引起压力的变化。
空气弹簧系统的结构和垂向特性研究
空气弹簧系统的结构和垂向特性研究作者：张配来源：《时代汽车》2020年第17期关键词：空气弹簧系统组成工作原理垂向特性1 引言随着我国动车组运行速度的提高，人们对列车运行安全性的要求也越来越高。
保障动车组行车安全的最关键技术为高速动车组转向架，其在列车运行中具有承载、导向、牵引、制动等作用，直接影响轮轨作用力与车辆的运行品质，而转向架的动力学性能直接取决于悬挂系统。
目前，动车组采用的悬挂系统由一系悬挂系统和二系悬挂系统组成，如图1 所示。
其中，一系悬挂系统由钢弹簧和油压减振器组成，初步隔离轮轨之前的高频振动传向转向架;二系悬挂由空气弹簧系统组成，阻止了高频振动由转向架传向车体，使乘客乘坐舒适性明显提高。
所以研究空气弹簧系统的结构特点和垂向特性尤为重要。
2 空气弹簧系统的组成空气弹簧系统由空气弹簧本体、附加空气室、高度控制阀和差压阀等组成，如图2所示。
两个空气弹簧分别坐落在构架左右两侧的侧梁上，对于无揺枕的转向架，构架的测梁或者横梁的部分密闭空腔用作附加空气室，扩大空气弹簧内容积。
高度控制阀安装在车体和转向架之间，主要是用来控制空气弹簧的高度，从而调整車体的高度。
它有三个通气孔，分别和空气弹簧、大气、列车管相通。
差压阀安装在两空气弹簧之间，当两空气弹簧的压差达到150Kpa 时，差压阀内部通道自动打开。
2.1 空气弹簧本体的结构空气弹簧本体由橡胶气囊和应急橡胶弹簧组成，橡胶气囊内的空气因为可压缩性可实现车体的减振效果，应急橡胶弹簧和实现车体的缓冲效果。
空气弹簧有三种结构类型：囊式、约束膜式、自由膜式。
囊式和约束膜式的性能较差，主要应用在低速列车上。
自由膜式的具有较低的垂向、横向、纵向刚度，并且具有较大的抗扭转变形能力，因此，国内动车主要采用自由膜式，自由模式的结构如图3 所示。
2.2 高度控制阀的结构高度控制阀一般由高度控制结构、进排气机构和延时机构等三部分组成，如图4 所示。
高度控制机构主要包括连杆套筒、连杆和主轴等组成，主要完成进排气的控制作用。
CRH2动车组轴箱弹簧疲劳试验方案研究_宁晓丹
[收稿日期]2008-06-14 [作者简介]宁晓丹(1983-),女,2006年大学毕业,硕士生,现主要从事车辆零部件的现代设计理论与方法方面的研究工作。
CRH2动车组轴箱弹簧疲劳试验方案研究宁晓丹,孙保卫,商跃进,王 红 (兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070)[摘要]在现有机车车辆圆柱螺旋弹簧试验标准的基础上,针对CR H2动车组轴箱弹簧的特点,利用疲劳理论确定了该弹簧的疲劳试验方案,即在弹簧表面质量完好的情况下,疲劳试验次数达到300万次后,弹簧未发生断裂,可判定其合格。
研究表明,该方案可以作为CRH 2动车组轴箱弹簧进行产品质量检验的疲劳试验依据。
[关键词]动车组;轴箱弹簧;疲劳试验;疲劳寿命[中图分类号]U 260 4[文献标识码]A [文章编号]1673-1409(2008)03-N 258-02随着铁路客车第6次大提速,动车组在我国许多线路上得到了广泛应用,这使得研究如何对其零部件进行试验评价的问题提到议事日程上来。
为此,笔者针对CRH 2动车组轴箱弹簧的疲劳试验方案进行可行性分析。
1 试验方案确定依据铁路车辆采用的圆柱压缩螺旋弹簧通常按TB/T 2211-1991进行疲劳试验。
按式(1)确定试验载荷P,达到规定的试验次数N 后,未发生断裂者,判定其为合格。
可见试验方案取决于动荷系数K 和试验次数N 。
P =(1 K ) P m(1)式中,P m 为作用于弹簧上的垂向静载荷;K 为动荷系数。
2 试验参数确定2 1 动荷系数确定表1 常数a 、b 、c 、d 的取值a 簧上簧下b c 簧上簧下d 货车客车1 53 50 050 4270 5691 653TB/T1335-1996 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 规定车辆零部件的动荷系数计算公式为:K dy =a +bV f j +dc f j (2)式中,V 为车辆构造速度;f j 为静挠度;a 、b 、c 、d 为常数,按表1取值。
高速动车组空气弹簧动力学特性及其故障模式
使用维护高速动车组空气弹簧动力学特性及其故障模式刘志贺(上海中车艾森迪海洋装备有限公司，上海201306)摘要:在我国高速铁路发展的过程中，动车的使用原来越广泛，其使用的安全性成为了当前中国铁路致力研究的问题。
在研究的过程中，空气弹簧悬挂系统成为了主要研究的装置之一，能够有效提高动车组的动力学性能，但是在应用中也显示出了一些问题。
据此，主要对其特性及故障模式下的运行展开探讨。
关键词:高速动车；空气弹簧动力学；故障模式随着我国经济的发展，高速铁路网日益的密集对高速列车运营的质量提出了更加严格的要求，人们出行次数的增加也对高速列车的舒适感提出了更高的要求。
在高速动车的运行装置中，在悬挂系统中应用空气弹簧能够有效提升动车运行的安全性和舒适性,研究其故障模式有利于进一步提升高速动车组的可靠性。
1高速动车组空气弹簧动力学特性空气弹簧是一种有弹性作用的非金属弹簧，它的弹性主要是通过在橡胶气囊里空气的可压缩性来实现的。
其应用在动车组的悬挂系统中，很大程度上提高了动车运行的质量,在实际使用中显示出了以下特性:(1)高度调整阀对空气弹簧进行充气和排气的工作，维持空气弹簧在工作时一定的高度，能够使高速动车组不管在什么载荷情况下都能保持车体和轨道面一定的距离。
(2)由于空气弹簧的垂向柔性较大，因此能够使高速动车的二系悬挂系统保持较低的固有频率，空气弹簧的作用类似于低通滤波器,能够隔离转向架较高频率的振动。
(3怪气弹簧具有垂向刚度,能够在载荷增加的时候也随之增加，帮助高速动车组在不同载荷的情况下都保持固有的频率，从而提升动车组的动力学性能。
(4：)空气弹簧的振动是以气体作为媒介的，气体对高频振动的吸收效果较好個此能减小动车运行的噪音，保证乘客乘坐动车的舒适感。
(5)空气弹簧在和附加空气室交换气体时产生的阻力能够在一定情况下代替垂向液压减振器，能够节省动车的结构空间，降低制造成本。
(6怪气弹簧X较低的水平刚度，保证了较大的横移量，因此在高速动车组的转向架中，可以取消摇动台装置,简化转向架的结构，减轻车辆自身的重量。
空气弹簧动力学特性参数分析
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09级CRH2动车组轮对与弹簧设计解析
12012年12月18日CAD/CA 设CRH2动车组轮对与轴箱弹簧 •iiaM吏:班级 学号 姓名车辆091XXX XXX随着列车速度的不断提高，对转向架性能的要求越来越高。
与传统转向架相比，保持高速运行稳定性、充分利用轮轨之间的粘着和减轻轮轨相互作用力是动车组转向架特有的任务和技术关键。
转向架可以说是铁道车辆上最重要的部件之一，它直接承载车体重量，保证车辆顺利通过曲线。
同时，转向架的各种参数也直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。
尤其是轮对装置，轴箱弹簧。
从而保证转向架的各个部分有足够的强度，稳定性。
本文将以CRH2动车轮对与轴箱弹簧研究对象，建立有限元模型。
并对产生结构进行分析。
其相关参数如表二。
CRH2型动车组转向架的丄要参数1、制造工艺过程修正下料7端部加热7锻尖7加热7卷绕7淬火7回 火7强化处理（喷丸、强压、渗碳）7磨平端面7试验或 验收。
2、用三段直线扫描法绘制轴箱外弹簧弹簧是由簧条圆绕三条首尾相连的直线扭转而成的，故其造型过程为：先绘制三条首尾相连的直线，再绘制簧条圆，然后利用扫描特征中的沿路径扭转命令依次创建弹簧基体，最 后利用拉伸切除特征创建支撑圈。
如图 1所示CRH2轴箱外簧。
其基本参数如表一所示灿 £阳".”一2：-1 •由窘•已 <? \ 0 pJ .. 0 r 4 踊豪 警彎I □ .-A 小釦常購悬鮒荃砂」 ,,0 ■ © L * * F ■■ b 衽酥'活 翌 I Sffl I ：-科］DimJtpert I 賊野黑 1 ginwiinn f'*T轴脚2•噸外«逊心_£秋!0 1>]3f5ffl WAJil*iz 合全fl$«晦而 &上豳itffi 番启般唯而 it .用点 畑辛1£③却 S 圖理ft 抽机（一 ）轴箱弹簧CAD/CAE分析、轴箱弹簧（外簧）的CAD/CA 分析项目内圈簧 外圈簧簧条直径/mm 26 41 簧ffl 直径/mm 143 220自由高度/mni 240256压紧高度/mm 153.4 180.4 总圈数/#效圈数64/4.4 4恥9旋向 左右弹性系数/kgf/niin 单35,52 91.51总127.03 横向弾性系数 /kgfymm 》 S 000 8 000 应力修正系数1.278 L286「嘴.# 氐<■-常・图1.1三段直线扫描法轴箱外簧UXLUA ——二、CAE分析1.受力分析：弹簧下端受到轴箱支撑面的支持力，上端受到簧上质量的压力，分析时可简化为一端固定，另一端受到向下压力作用。
CRH2动车组轮对与轴箱弹簧
CRH2动车组轮对与轴箱弹簧CAD/CAE设计一、轴箱弹簧的CAD/CAE设计（一）问题描绘2轴箱弹簧组构成参数：图轴箱弹簧组构成及参数1—外圈弹簧； 1—内圈弹簧；3—防雪罩2轴箱弹簧载荷在双圈弹簧中的载荷分派计算：CRH2动车组当定员数为 100 人时，定员重量为56t 。
则有：P v 56 1000 9.8 8 68600 N ；由载荷在双圈弹簧中的分派 P P P和内外圈弹簧中的变形相等条v 1 2件 P1 / k1 P2 / k2可得：P 49418 N , P19182 N1 2对 CRH2高速动车组，取动载荷系数k 0.25，则外簧和内簧的最大载荷分别为：P max1(1 k )P1 1.25 4941861772.5NP max 2 (1 k ) P21.25 1918223977.5NCRH2轴箱弹簧外簧圈建模过程如图2-1-1 所示：（二）轴箱弹簧组的CAD设计1.轴箱内弹簧的 CAD设计采纳三段直线扫描法：绘制三条首尾相连的直线→绘制簧条圆→利用扫描特点中的沿路径扭转命令挨次创立弹簧基体→利用拉伸切除特点创立支撑圈。
达成如下列图所示的部件造型：图内弹簧图外弹簧( 三）轴箱弹簧组的CAE设计1.轴箱外弹簧的 CAE设计刚度计算受力剖析弹簧下端遇到轴箱支撑面的支持力，上端施加 1mm的位移，计算支撑反力即可获得弹簧刚度的大小。
应力计算(1)前办理：基本思想：弹簧一端固定，此外一端施加单位位移，所得固定端支反力即为弹簧刚度。
定种类： CRH2轴箱外弹簧属于静态剖析画模型：调用以前成立好的轴箱外弹簧模型设属性：设弹簧资料为碳钢板分网格：共 13137 个节点， 6999 个单元。
以下列图所示 :图网格区分(2)求解：添拘束：在弹簧下端加固定几何体拘束；加载荷：在弹簧上端施加1mm的位移；图施加拘束与载荷查错误：载荷列表后进行检查；求结果：进行有限元剖析。
(3)后办理：列结果：列举拘束反力下结论：轴箱外弹簧的刚度为652N/mm。
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摘要：对crh2动车组空气弹簧非线性问题进行了分析，得到了材料非线性、几何非线性和状态非线性在仿真分析中的处理方法。
用abaqus有限元软件建立了空气弹簧的有限元模型。
计算了空气弹簧的垂向刚度，并分析了胶囊内气体初始内压、帘线角度和下座橡胶堆对垂向刚度的影响。
有限元计算结果显示，空气弹簧的垂向刚度随气体初始内压的增加而增加，随帘线角度的增大而减小。
关键词：有限元法；abaqus；空气弹簧；垂向刚度
空气弹簧属于具有自适应性弹性元件，刚度可随载荷的变化而适当调节[1]。
目前随着铁道车辆轻量化、高速化发展，空气弹簧发展与应用前景更为广阔了[2]。
我国的crh系列动车组也均采用了空气弹簧作为二系悬挂。
在以往的研究中往往将胶囊内的气体压力简单处理为胶囊内壁压力，本文在计算过程中采用空气单元模拟胶囊内空气。
研究以crh2动车组空气弹簧为研究对象，采用abaqus有限元软件分析其垂向刚度。
1 空气弹簧非线性成分分析
1.1 橡胶材料计算模型
空气弹簧的胶囊是空气弹簧的主要承载部件，是由交叉的多层帘线层和橡胶层组成的复合材料结构，是典型的非线性材料。
空气弹簧中的下座橡胶堆部分和胶囊部分都采用了橡胶材料。
在计算过程中假设空气弹簧系统中橡胶材料的体积是不可压缩的，并且在实际情况下胶囊和橡胶堆的橡胶材料实际变形不是很大，故可采用mooney-rivlin模型。
（1）
（2）
（3）
式中：c10，c01为超弹性材料参数；i1，i2为第1和第2应变常量；λ1，λ2，λ3为3个主拉伸方向的伸长量。
1.2 帘线的处理
研究空气弹簧胶囊铺层中的帘线层数为2层。
帘布层作为空气弹簧的主要承载部分，采用高强度的纤维尼龙材料。
在本文分析模型中，胶囊模型采用壳体单元，帘线层采用rebar单元，帘线层相对于胶囊子午线方向分别成8°和-8°布置，帘线层厚度为1mm，帘线横截面面积为1mm2，在壳体内的间距为3.5mm，rebar单元材料选取16mn钢，杨氏模量为0.21mpa，泊松比0.3。
1.3 气体单元
在动车组实际运行中，簧上质量的变化改变了胶囊的形状，进而改变了胶囊内部气体的压力，从而实现支反力和载荷的动态平衡，保证了乘坐舒适性。
在本文研究中，假设胶囊内的气体为理想气体，并且温度是恒定不变的，即等温变化。
由理想气体方程：
（4）
式中，p-气压，v-容积，n-摩尔数，r-气体常数，t-温度。
由于本文分析中没有考虑节流阀的作用，所以胶囊内的气体质量不会产生变化，从而有pv=常数。
图1是一个流体单元，四个节点与其它单元的节点共用，随着其它单元节点位置变化而变化。
因此在计算中，由边界节点的位移可以得到某个单元的体积变化？驻v。
为气囊内多有气体单元选取一个参考节点，就可以得到胶囊内气体的变化量？驻v=？驻v=■？驻ve。
[3]由式（4）就有：
（5）
式中，v0-初始橡胶容积。
1.4 接触问题
上下盖板和胶囊的接触对空气弹簧的力学性能有很大的影响，由于胶囊材料为超弹性材料，可以将上下盖板假设为刚体，因此就将胶囊与下盖板的接触问题转换成了壳单元与刚性曲面的接触问题。
在本文分析中，把刚性曲和壳体面定义为被动体和主动体。
用abaqus中的tie功能，将流体单元的节点和盖板刚性曲面的参考点固定，气囊上沿的一圈节点和上盖板刚性曲面的结点连接，下沿的一圈节点与下盖板刚性曲面的结点连接[4]。
2 空气弹簧的有限元模型
crh2空气弹簧的本体主要由胶囊、上下盖板、橡胶堆构成[5]，有效直径为528mm。
图2为crh2空气弹簧系统的三维模型。
图2 crh2空气弹簧本体的三维模型
在abaqus中建立空气弹簧的有限元模型。
胶囊内气体采用f3d4三维四节点流体单元。
橡胶超弹性材料计算参数为c10=0.42，c01=0.12，d1=0.00012。
橡胶堆部分采用三维八节点的实体单元，橡胶堆之间的钢板定义为钢材，离散模型如图3。
图3 空气弹簧系统有限元模型
本模型共定义了11364个节点，4692个c3d8rh三维八节点实体单元，5202个四节点s4r 壳单元，80个s3r三节点壳单元，3644个f3d4三维四节点流体单元。
在本文仿真分析过程中，第1步模拟对空气弹簧充气，约束住上盖板刚性曲面和橡胶堆底面，对f3d4流体单元加初始压力。
第2步利用与第一步计算所得反作用力方向相反，大小相同的垂向力来替代上盖板刚性曲面参考点的垂向位移约束。
第3步给上盖板钢体施加垂向位移，得出空气弹簧系统的垂向特性曲线。
3 分析结果
橡胶囊帘线角度为8°，垂向位移加载20mm，计算得出胶囊初始内压为200kpa，300kpa，400kpa，500kpa四种工况下垂向位移与载荷曲线。
图4为初始内压为200kpa，帘线角度为8°，加载位移20mm时的空气弹簧变形图。
图4 初始内压为200kpa空气弹簧的变形图
图5为初始内压分别为200kpa，300kpa，400kpa，500kpa，帘线角度为8°时，对应的垂向位移与垂向载荷曲线。
由图5可以看出，在相同的位移变化下，随着内压的增大载荷也增大，即随着内压的增大，空气弹簧的垂向刚度也增大。
计算初始内压为400kpa时，连线角度为4°、8°、12°、16°、20°、24°六种工况下弹簧刚度。
图6为刚度变化曲线。
表1为初始内压400kpa，帘线角度为8°时，有无下座橡胶堆对空气弹簧的垂向性能的影响。
从表中可以看出，橡胶堆对空气弹簧的垂向刚度的影响率达到了5.1%。
所以，下座撑橡胶堆能改善空气弹簧的品质，从而能提高动车组的舒适性。
表1 橡胶堆对空气弹簧垂向性能的影响
4 结束语
对crh2动车组空气弹簧中的各种非线性问题进行了分析，得出了他们在有限元分析中的处理方法。
运用大型有限元软件abaqus对空气弹簧垂向刚度和胶囊内压缩气体的初始压力、胶囊帘线角和下座橡胶堆的关系进行了分析。
结果显示，随着初始内压的增大，空气弹簧的垂向刚度也增大；气囊帘线角越大则垂向刚度越小；下座橡胶堆对垂向刚度影响率为5.1%。