轨道交通车辆转向架用空气弹簧资料
轨道交通车辆转向架用空气弹簧
作者：陆海英 出自：时代新材
1 概述
现代轨道交通车辆不断地朝着高速化、轻量化以及低噪音方向发展，空气弹簧悬挂系统具诸多钢制螺旋弹簧不具备的优点，因此在干线高速铁道车辆转向架和城市轨道交通车辆转向架中均日益广泛地采用空气弹簧作为二系悬挂装置。与空气弹簧相比，钢弹簧由于具有线性刚度特性，使其在轨道交通车辆上的应用受到限制，这主要有两方面的原因：一，在高速轨道交通领域刚弹簧不能够大幅度提高车辆悬挂系统静挠度以降低车体的自振频率，尤其是车辆的载客量较大时；二，城市轨道交通车辆的载客量大而且要求地板高度在不同载客量时基本不变，钢弹簧不具备这种特性。总之，空气弹簧悬挂的采用可以显著提高车辆系统的运行平稳性，大大简化转向架的结构，使转向架实现轻量化和易于维护。一般来讲，轨道交通车辆对空气弹簧的采用可以分为三个阶段：
图-1 B型城市轨道交通车辆动车无摇枕转向架
⑴利用空气弹簧的垂向特性，提高车辆系统的垂向运行平稳性；
⑵空气弹簧的垂向和横向特性并用，取消转向架二系悬挂装置中的摇动台，简化转向架结构；
⑶充分利用大变位（包括扭转）、低横向刚度空气弹簧的三维特性（图-1，图-2），取消摇枕，彻底实现转向架二系悬挂装置的轻量化，同时使抗蛇行运动减振器的采用成为可能，可更好地协调转向架蛇行运动稳定性和良好的曲线通过性能之间的矛盾。
图-2 利用空气弹簧三维特性的城轨
无摇征转向架二系悬挂装置
2 空气弹簧悬挂系统的构成
空气弹簧悬挂的整个系统如图-3所示，主要由空气弹簧本体、附加空气室、高度控制装置、差压阀和节流孔(阀)等组成。该系统的工作原理为：车辆静载荷增加时，空气弹簧1被压缩使空气弹簧工作高度降低，这样高度控制阀2随车体下降，由于高度调整连杆3的长度固定，此时高度调整杠杆4
图-3 空气弹簧悬挂系统
1.空气弹簧 2.高度控制阀 3.高度调整连杆 4. 高度调整杠杆
5.列车风源 6.排气口 7.节流孔(阀) 8. 附加空气室 9.差压阀
发生转动打开高度控制阀的进气机构，压力空气由列车风源5通过高度控制阀的进气机构进入空气弹簧1和附加空气室8，直到高度调整杠杆回到水平位置即空气弹簧恢复其原来的工作高度；车辆静载荷减小时，空气弹簧1伸长使空气弹簧的工作高度增大，高度控制阀2随车体上升，同样由于高度调整连杆3的长度固定，高度调整杠杆4发生反向转动打开高度控制阀的排气机构，压力空气由空气弹簧1和附加空气室8通过高度控制阀的排气机构经排气口6排入大气，直到高度调整杠杆回到水平位置。
2.1 空气弹簧和附加空气室
2.1.1 空气弹簧 空气弹簧悬挂系统具有理想的反S形非线性刚度特性，在正常工作范围内刚度很低，而振幅较大时其刚度具有陡增的特点，可以限制车体发生过大的位移。空气弹簧还能够有效地吸收高频振动和隔离噪音，并且由于自动高度控制阀的采用使空气弹簧悬挂可以保持地板高度不随车辆静载荷的变化而发生变化（除一系悬挂和车轮磨耗外）即空气弹簧具有恒定的工作高度。此外，更为重要的是，随着空气弹簧技术的不断进步，尤其是低横向刚度、大扭转变形空气弹簧的实用化，使得无摇枕转向架的研制成为可能。在无摇枕转向架中，利用高柔性空气弹簧低横向刚度和允许大扭转变形的特点，取消了传统转向架二系悬挂结构中的摇动台和摇枕装置而采用空气弹簧直接支承车体，使转向架的结构大为简化，减轻转向架的重量800～1000kg，实现了轻量化，同时提高了转向架的易维护性和安全可靠性。相同条件下，决定空气弹簧刚度特性的主要因素是橡胶囊的形状、材质、帘线角以及上盖和下座的几何参数等。此外，所采用的金属叠层橡胶辅助弹簧的形式对空气弹簧系统的性能也有重要影响。一般对于采用空气弹簧悬挂的车辆要求车辆垂向和横向的低频自振频率不大于1Hz。评价空气弹簧性能的主要参数有：
⑴有效直径，约450～640mm。
⑵垂直静/动刚度，垂直静刚度一般为0.3～0.4MN/m。
⑶水平静/动刚度，水平静刚度一般为0.15～0.2MN/m。
⑷最大允许的垂向位移，±30mm。
⑸最大允许的横向位移，±60～120mm。
⑹工作高度，约200～300mm。
2.1.2 附加空气室
附加空气室的作用在于能够显著降低空气弹簧的垂向刚度，但当附加空气室的容积达到一定数值后（一般为60～70L）刚度变化不再明显。对于有摇枕转向架一般是利用摇枕的内腔作为空气弹簧的附加空气室。无摇枕转向架有两种情况：一种是利用转向架构架侧梁和（或）横梁内腔；另一种是在车体上设置单独的空气弹簧附加空气室。这两种情况各有利弊，应根据不同的设计条件加以选择。
2.2 高度控制阀和差压阀
2.2.1 高度控制阀
正是由于自动高度控制阀的采用才使得空气弹簧具有许多优点。车体高度控制是通过高度控制阀控制空气弹簧充、放气来实现的。一般城市轨道交通车辆要求载荷变化时车辆地板高度调整的时间不超过车站停车时间，地板面高度的变化范围为±10mm。高度阀只能用来补偿乘客重量的变化，而不能用于补偿车轮和转向架零件的磨损，高度阀应不受车辆振动和轨道冲击的影响。高度控制阀的主要技术性能指标有(杠杆长度140mm，温度20℃，主风缸压力5kg/cm2)： ⑴截止频率，一般为1Hz；
⑵无感带，9～11mm；
⑶动作延迟时间，3±1s；
⑷空气流量：40S以下(40L风缸，压力由5kg/cm2下降到2kg/cm2)。
2.2.2 差压阀
差压阀安装在同一转向架左右空气弹簧的连接管路中间，在任何一侧的空气弹簧出现异常时作为安全装置而起作用，连通左右空气弹簧，防止车体过大倾斜。压差阀的动作压力一般有1kg/cm2、1.2kg/cm2、1.5kg/cm2三种。压差阀动作压力的选择应综合考虑多方面的因素，在条件允许的情况下尽可能选择较小值，以减小车辆在过渡曲线上的对角压差，提高车辆的抗脱轨安全性。
2.3 抗侧滚扭杆
空气弹簧的采用，一方面大大提高了车辆悬挂系统的静挠度，降低了车辆在垂向和横向的自振频率使运行平稳性提高；同时，由于垂向静挠度的增加降低了车辆系统的抗侧滚刚度，致使车辆在通过道岔和曲线时的侧滚角增大，车辆乘坐舒适度下降。抗侧滚扭杆的作用就是：在不增加车辆的垂向和横向悬挂刚度的前提下，提高车辆的抗侧滚刚度，以限制车辆在较大线路不平顺时的侧滚角，保证车辆在动态情况下不超出允许的车辆限界并提高乘坐舒适度。可见，抗侧滚扭杆的实质就是一个扭力弹簧，它不约束车体的浮沉和横摆运动，但在车体发生侧滚时可产生较大的复原力矩，提高车辆抗倾覆稳定性。抗侧滚扭杆的刚度值一般为2～3MN•m/rad。抗侧滚扭杆装置必须具有合理的设计和安装结构，否则会对车辆在直线上的运行平稳性产生不利影响。
提高车辆抗倾覆稳定性的另一种方法是增加空气弹簧的横向跨距和提高空气弹簧上支承面的高度，但这要受到车辆宽度和地板高度的限制，并要考虑对车辆曲线通过性能的影响。此方法在日本采用较多。
2.4 节流孔和节流阀
采用空气弹簧的另外一个好处是可以在空气弹簧本体和附加空气室之间设置适宜大小的固定节流孔或可变阻尼节流阀代替二系垂向油压减振器。固定节流孔结构简单，几乎不增加空气弹簧的成本，但减振效果不好，一般用于速度较低的车辆。固定节流孔的直径一般为13mm左右。可变阻尼节流阀由于能够依据振动速度的变化而改变节流孔的开度，因此无论是在低频振动范围还是高频振动范围均具有良好的减振效果。采用可变阻尼节流阀的空气弹簧不仅可使车辆垂向的高、低频振动均有适宜的阻尼，并且对车体侧滚的低频振动也有良好的衰减效果。当然，是采用节流阀还是油压减振器提供垂向阻尼与空气弹簧结构及工作特性有关。欧洲多采用垂直油压减振器，而日本多采用节流阀。
空气弹簧悬挂系统的横向阻尼由横向油压减振器提供。在有摇枕转向架中，多由支重旁承提供回转阻尼提高车辆蛇行运动的临界速度；在无摇枕转向架中，一般当车辆的运营速度达到120Km/h以上时，都通过在车体和转向架构架之间安装抗蛇行油压减振器来保证蛇行运动的临界速度。
3 转向架二系悬挂装置对空气弹簧性能的要求
可以说空气弹簧技术的进步推动了转向架技术的进步，也可以说转向架高速化和轻量化的发展要求促使空气弹簧的性能不断提高，二者相互作用。综观国内外典型的转向架，空气弹簧二系悬挂的结构有三种基本形式：摇动台式、有摇枕式和无摇枕式。这三种形式既是依次进步的，也是共同并存的，三者对空气弹簧性能的要求有很大的区别。
3.1 有摇动台和摇枕装置的转向架
这种转向架的二系悬挂装置（图-4）主要由摇枕吊杆1、弹簧托梁2、空气弹簧3、摇枕4、抗侧滚扭杆5、高度控制阀6、差压阀7、可变节流阀8、横向油压减振器9、支重旁承10、横向止挡11、牵引拉杆12、和中心销13等组成。此结构中主要是利用空气弹簧低的垂向刚度而二系悬挂低的横向刚度主要有摇枕吊杆装置提供，对空气弹簧的纵向刚度没有要求。车辆运行中空气弹簧的横向位移很小，基本没有纵向和扭转位移。典型的转向架有209PK、209HS、BT10和CW-2等。
图-4 有摇动台和摇枕装置的转向架
1.摇枕吊杆 2.弹簧托梁 3.空气弹簧 4.摇枕 5.抗侧滚扭杆 6.高度控制阀 7.差压阀
8.可变节流阀 9.横向油压减振器 10.支重旁承 11.横向止挡 12.牵引拉杆 13.中心销
209PK转向架为销孔结构的长吊杆，结构中存在磨耗，但安全可靠。209HS转向架为带弹性接点的长吊杆，无磨耗，同时由于碗形叠层橡胶堆的采用进一步降低了摇动台的横向刚度即增加了吊杆的有效长度。CW-2转向架采用刚性凹凸摆块式长吊杆，与209系列转向架不同的是在摇枕和弹簧托梁之间设有横向拉杆，这样二系悬挂的横向刚度就完全由摇动台提供。
支重旁承的作用除支持车体的重量外，还提供适宜转向架相对车体的回转摩擦阻力矩，以提高车辆的蛇行运动稳定性。横向止挡起弹性缓冲作用，限制车体过大的横向位移。牵引拉杆的作用是传递车体和转向架之间的纵向力。中心销传递纵向力并为转向架提供回转中心。
3.2 无摇动台有摇枕装置的转向架
转向架的二系悬挂装置（图-5）主要由空气弹簧1、摇枕2、抗侧滚扭杆3、高度控制阀4、差压阀5、可变节流阀6、横向油压减振器7、支重旁承8、横向止挡9、牵引拉杆10、和中心销11等组成。此结构中不但利用空气弹簧低的垂向刚度而且利用空气弹簧低的横向刚度取消了摇动台装置，对空气弹簧的纵向刚度没有要求。车辆运行中空气弹簧的横向位移一般最大不超过60mm，基本没有纵向和扭转位移。此种转向架有Y36P、DT200、206KP、SW—160和DK3型地铁客车转向架等。
空气弹簧直接安装在转向架构架或摇枕上，利用空气弹簧低的横向刚度取消了摇枕吊杆、弹簧托梁等零部件，简化了转向架结构，减轻重量300kg左右。
图-5 无摇动台有摇枕装置的转向架
1.空气弹簧 2.摇枕 3.抗侧滚扭杆 4.高度控制阀 5.差压阀 6.可变节流阀
7.横向油压减振器 8.支重旁承 9.横向止挡 10.牵引拉杆 11.中心销
3.3 无摇枕转向架
无摇枕转向架的二系悬挂装置（图-6）主要由空气弹簧1、抗侧滚扭杆2、高度控制阀3、差压阀4、可变节流阀5、横向油压减振器6、抗蛇行减振器7、横向止挡8、牵引拉杆9、和牵引座10等组成。此结构中不但利用空气弹簧低的垂向和横向刚度，而且利用空气弹簧允许大的横向位移和扭转变形的特点取消了摇枕。车辆运行中空气弹簧的横向位移一般最大不超过60mm，纵向位移（包括扭转）最大可达110～120mm。此种转向架有法国TGV的Y237，ICE2的SGP400，日本新干线系列转向架，我国上海、广州进口的各型地铁客车转向架、国产CW-200型干线铁路客车转向架、CCDZ11型地铁客车转向架等。
地铁车辆转向架一系弹簧接触及疲劳分析
地铁车辆转向架一系弹簧接触及疲劳分析
摘要:轨道车辆是城市轨道交通的重要组成部分，是城市公共交通的主要工具。一系弹簧是保证车辆正常运行的重要部件，也是车辆转向架中最重要的部件之一，其主要作用是传递列车在运行中产生的动力和载荷，并将这些动力和载荷均匀地分布到转向架各部件上。因此，一系弹簧的工作状态直接影响着车辆的稳定性和安全性。随着城市轨道交通的快速发展，地铁车辆对一系弹簧提出了更高的要求。一方面，地铁车辆运行速度快、负载大，对一系弹簧性能要求更高；另一方面，在实际运营中地铁车辆发生故障后，转向架一系弹簧常常发生损坏，导致地铁列车无法继续运行。因此，研究地铁车辆一系弹簧的疲劳强度及失效机理对保障轨道交通安全运行具有重要意义。
关键词:地铁车辆；转向架；一系弹簧；疲劳分析
目前国内对一系弹簧疲劳寿命研究主要集中在对弹簧疲劳强度的分析及设计方面，对于一系弹簧接触应力分析及疲劳寿命预测方面研究较少。针对这一问题，文章以北京地铁1号线车辆转向架为例，针对转向架一系弹簧进行有限元仿真分析及接触应力测试；建立多体动力学模型并进行仿真计算，通过试验验证仿真分析结果；根据计算结果和试验结果对转向架一系弹簧进行接触应力计算和疲劳寿命预测。研究成果可为我国地铁车辆转向架一系弹簧设计提供参考。
1.转向架一系弹簧有限元仿真
北京地铁1号线车辆转向架一系弹簧安装在转向架上，弹簧两端采用铰接的方式连接到牵引电机和轮对上。为分析转向架一系弹簧的工作状态，本文基于有限元分析软件Abaqus建立了转向架一系弹簧的三维模型。转向架一系弹簧在列车运行时起着支撑、导向、传递和缓冲的作用，其载荷工况与车辆运行工况息息相关。因此，在仿真计算中必须考虑车轮和构架的耦合作用，即轮轨力耦合。采用壳单元模拟弹簧，采用梁单元模拟轮轨接触。由于轮轨接触面积很小，且车轮与构架之间存在摩擦作用，因此模型中只考虑弹簧的弹性变形和轮轨间的摩擦力。该模型中弹簧的弹性模量为1930MPa，泊松比为0.3;而构架的弹性模量为1875MPa，泊松比为0.4。转向架一系弹簧在正常运行时承受着车轮与构架之间的作用载荷，该载荷包括车辆运行过程中产生的轮轨力、轮轴作用产生的轴向力以及轮对与构架间产生的摩擦力。其中轮轴作用产生的轴向力和摩擦作用产生的轴向力是转向架一系弹簧主要载荷来源。目前，国内地铁车辆在设计时采用轮轨粘着系数进行轮轨匹配计算。因此，转向架一系弹簧与轮轨之间所产生的接触应力主要由轮轨粘着系数引起。由于车轮和构架之间存在摩擦作用，因此在进行有限元分析时必须考虑摩擦力对计算结果的影响。轴向力与接触压力成正比。在进行一系弹簧接触应力仿真计算时必须考虑摩擦力对计算结果的影响。在仿真计算中采用非线性分析方法来模拟接触问题，即采用接触对分析方法来模拟弹簧与构架之间、构架与构架之间以及弹簧与构架之间接触关系。在进行仿真分析时采用Mises屈服准则，并按照GB50156-2001《金属材料弯曲疲劳试验》规定对弹簧进行等效应力、应力幅值及应力应变计算。
跨座式单轨车辆转向架结构对比
跨座式单轨车辆转向架结构对比
重庆中车长客轨道车辆有限公司 重庆 401133
摘要：对于城市轨道交通发展迅速的背景下，跨座式单轨车辆作为一种具有多种优势的轨道交通系统受到越来越多的关注和应用。本文从技术参数、结构设计和性能评价等方面对现在市场主流的三种类型的跨座式单轨车转向架进行详细的比较和分析。
关键字：跨座式单轨车辆；转向架
1概述
随着我国城市轨道发展迅速，城市轨道交通制式越来越多样化。其中跨座式单轨车辆是车辆跨行于梁轨合一的轨道梁上的轨道交通，其具有造价低、运量大、噪音小、爬坡能力强、观景视野大等特点，逐渐成为中小运量轨道交通系统的首选。
跨座式单轨作为轨道交通地铁以外多制式交通发展的主要建设方向之一，能够作为大型城市的联络线、中小城市主干线和旅游线，市场需求多样化，单轨全球市场应用广泛，并呈多制式发展。通过梳理单轨交通发展历程与趋势，分析单轨交通技术制式、架构与发展路线，将跨座式单轨车辆分为双轴跨座式单轨车辆、单轴跨座式单轨车辆和悬挂式单轨车辆三种类型。
（1）双轴跨座式单轨车辆
跨座式单轨车辆快速发展是在二战后，1952年，德国ALWEG（阿尔韦格）公司从事跨座式单轨车辆的设计，1957年建成科隆-菲林根试验线。1960年ALWEG公司的跨座式单轨专利被日立收购开发了双轴式单轨。双轴式技术路线以中车长客和日本日立为代表。 国外双轴单轨项目主要有美国、日本、巴西、马来西亚、新加坡和韩国等10多个已建设27条跨座式单轨交通线路，建设里程260多公里，应用较为广泛。均由日本日立公司提供。
目前国内，重庆已经建成了世界最大运量、最长里程（里程车超过100公里）的双轴单轨系统、综合技术水平国际领先的单轨交通系统。支持2-8辆编组型式，单车最大载客量不低于230人，最高运行速度80km/h，具有爬坡能力强、转弯半径小、振动噪音低、工程造价低等优点。
双轴跨座式单轨作为单轨系统的重要制式，获得了全球最大范围的市场应用，通车里程超200公里，车辆上线运营车辆数超1600辆。双轴跨座式单轨车辆具有较大的运输能力和速度，满足大运量和中小运量需求，适用于中长途客运线路和高峰时段的繁忙城市交通干线，尤其适合与现有交通网络相衔接的城市线路。
城市轨道交通车辆技术《总复习5 转向架》
总复习5 转向架
1.转向架的主要功能？
答：承载、牵引、缓冲、导向、制动。
2.转向架一般由哪几局部组成？
答：由轮对、轴箱、一系悬挂、二系悬挂、构架、制动装置和驱动装置。
3.车轴各局部名称？
答：轴身、齿轮座、轮座和防尘板座。
4.广州地铁一、二号线的车轮为〔整体辗钢轮〕。
5.车轮包括〔踏面〕、〔轮缘〕、〔轮辋〕、〔辐板〕和〔轮毂〕等局部。车轮和钢轨的接触面为〔踏面〕。踏面一侧突出的圆弧局部成为称为〔轮缘〕，轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止脱轨的重要局部。〔轮辋〕是踏面下，车轮最外的一圈。〔轮毂〕是轮与轴相互配合的局部。〔辐板〕是连接轮辋和轮毂的局部。
6.弹簧减震装置的主要功能：缓和和衰减车辆振动和冲击，使车辆运行平稳，提高列车乘坐舒适性。
7.弹簧减震装置主要组成：
垂向运动：一系层叠橡胶弹簧、二系空气弹簧、紧急弹簧、垂向减震器。
横向运动：一系人字金属橡胶弹簧、二系空气弹簧、紧急弹簧、横向减震器、横向止挡；
侧滚运动：抗侧滚扭力杆、二系空气弹簧；
弹性约束：齿轮箱吊杆球形橡胶关节、中心销复合弹簧、牵引杆橡胶关节。
8.弹簧的主要特性是挠度、刚度、柔度。挠度是指弹簧在外力作用下产生弹性变形的大小或弹性位移量。而弹簧产生单位挠度所需的力的大小，称为弹簧的刚度。反之，单位载荷下，弹簧产生的挠度称为弹簧的柔度。
9.广州地铁车辆悬挂系统采用〔两系悬挂〕，车体振动通过两次弹簧装置衰减。悬挂系统主要由一系弹簧和二系弹簧组成，一系弹簧位于〔轮对〕与〔构架〕之间，二系弹簧在〔车体〕和〔构架〕之间。
10.约束轮对与构架之间的相对运动的机构成为〔轴箱定位装置〕，铁路上的轴箱定位具有多种形式，如导柱式、转臂式等。地铁车辆普遍采用什么方式进行轴箱定位？
答：层叠式橡胶弹簧定位
11.二系弹簧位于转向架与车体之间，地铁客车采用空气弹簧作为二系弹簧，为了保证空气弹簧在完全泄气时二系弹簧仍具有一定悬挂作用和增大二系弹簧静挠度，空气弹簧下部还有一个〔紧急弹簧〕。一个转向架有〔两个〕空气弹簧，通过〔高度阀〕可以自动调节车体在不同载荷下的高度，保证车体高度根本稳定。
青藏车AM96型转向架用空气弹簧限界分析
设计制造 铁道车辆 第４６卷第５期２００８年５月 文章编号：１００２—７６０２（２００８）０５—００１２—０３ 青藏车ＡＭ ９ ６型转向架用空气弹簧限界分析 宋红光，王黎明 （青岛四方车辆研究所有限公司减振事业部，山东青岛２６６０３１） 摘 要：利用ＭＡＲＣ软件建立了空气弹簧计算模型，对青藏车ＡＭ９６型转向架用空气弹簧在变形范围内进行了限 界校核，形成了动态包络图，试制出样机后进行了限界试验，并通过装车运用进行了验证。 关键词：空气弹簧限界；干涉；动态包络曲线 中图分类号：Ｕ２７０．３３１ ，４ 文献标识码：Ｂ 随着车辆减振技术的不断提高，我国铁道车辆越 来越多地采用空气弹簧悬挂系统。空气弹簧以其高度 可控、隔振性能优越、阻尼可调、隔声降噪等诸多优点 而成为二系悬挂的首选。但是要求在设计空气弹簧时 严格确保空气弹簧与转向架各部件不发生干涉，以免 造成胶囊损坏，影响车辆安全运行。 １研制背景 ＡＭ９６型转向架是Ｂｏｍｂａｒｄｉｅｒ公司设计的、在国 际上获得广泛运用的成熟转向架。原型ＡＭ９６型转 向架运用到我国青藏车上后，经过一段时间的运用表 明，需要重新设计能够与青藏线运用机车供风条件相 匹配的空气弹簧。四方车辆研究所应铁道部和Ｂｏｒｎ— ｂａｒｄｉｅｒ公司的要求研发了有效面积较大的空气弹簧 以替代进口的原型空气弹簧。有效面积增加意味着空 气弹簧的结构尺寸比原型明显变大，而转向架的空间是 有限的，所以要校核限界干涉问题。本文利用ＭＡＲＣ 收稿日期：２００７—０９—２１；修订日期：２００８—０１—２２ 作者简介：宋红光（１９７９一），男，工程师。 ４结论 轨道不平顺在垂向和横向引起的激励载荷幅值较 大，而在纵向引起的激励载荷幅值较小。在不同的频 率点，轨道不平顺引起的激励载荷存在很大的差别。 参考文献： ［１］翟婉明．车辆一轨道耦合动力学（第三版）［Ｍ］，北京：科学出版 社，２００７． ［２］陈果，翟婉明，蔡成标，等，传统车辆模型与车辆一轨道耦合模 型的垂向随机振动响应分析及比较ＥＪ３，铁道学报，１９９９，２１（５）： ７Ｏ一７４． ［３］ 陈果，车辆一轨道耦合系统随机振动分析［Ｄ］．成都：西南交通 ・『２・ 软件对青藏车ＡＭ９６型转向架用空气弹簧的限界进 行了仿真计算，对空气弹簧在具有横向大位移时的限 界和动态包络曲线进行了分析，并通过试验和装车运 用进行了验证。 ２有限元模型的建立 模型的建立采用ＭＡＲＣ非线性分析软件，在建模 过程中，将胶囊帘线层定义为ｒｅｂａｒ单元，胶囊橡胶层 定义为８节点等参ＨＥＲＲＭＡＮＮ不可压缩单元，橡 胶单元与帘线层单元节点重合到一起组成胶囊模型。 上盖和底座均采用刚体模拟并与胶囊形成接触关系， 空气弹簧内气体通过定义ＣＡＶＩＴＩＥＳ腔体单元进行 加载。图１为空气弹簧离散模型，该模型共７ ５００个 单元、９ ３６０个节点。图２为空气弹簧的标准工作状 态。 空气弹簧介于车体与转向架之间，上盖连接于车 体，底座连接于转向架，车体相对于转向架在垂向、横 向和纵向有相对运动时，空气弹簧也随之产生相应变 形，纵向、横向变形大的情况下，有发生胶囊与转向架 及车体底部其他部件干涉的可能。 大学，２０００． 王开云，翟婉明，蔡成标．两种类型面的车辆与轨道耦合动力学 性能比较［Ｊ］，西南交通大学学报，２００２，３７（３）：２６Ｏ一２６４． 缪炳荣，肖守讷，金鼎昌．应用Ｓｉｍｐａｃｋ对复杂机车多体系统建模 与分析方法的研究［Ｊ］，机械科学与技术，２００６，２５（７）：８１３ｍ ８１６． 王开云，丁国富，翟婉明．机车车辆一轨道空间耦合动力学性能仿 真系统［Ｊ］，系统仿真学报，２００４，１６（１２）：２ ７３７—２ ７４０． 李 创，孙守光，任尊松．独立车轮转向架车辆曲线通过性能分析 ＥＪ］．北方交通大学学报，２００４，２７（５）：８６—８９， 刘宏友，曾 京．列车系统运行平稳性研究［Ｊ］．中国铁道科学， ２００４，２５（５）：２Ｏ一２５， （编辑：田玉坤）
空气弹簧转向架的开发
空气弹簧转向架的开发
１ 空气弹簧转向架的特点 目前世界上使用着结构、设计 各自不同的铁道车辆转向架，而称 得上现代高性能转向架的几乎都是 空气弹簧转向架。 空气弹簧可以认为是在活塞缸 内封入了压缩空气。空气弹簧用于 转向架二系弹簧，特点如下。 （１）能够设计小刚度的弹簧。 降低车辆垂向固有振动频率，提高 车辆的平稳性。 （２）与高度调整阀组合使用， 保持车体高度在一定范围之内。 （３）隔绝高频振动的性能优越。 ２空气弹簧的自衰减性 空气弹簧与附加空气室之间设 置节流孔，空气流动时就会产生阻 尼，空气弹簧起弹簧作用的同时能 够产生衰减作用。 空气通过节流孔的流量特性呈 非线性，如果减小节流孔直径、增 加流量阻尼，就能提高空气弹簧的 刚度。 空气弹簧转向架利用空气弹簧 本身衰减振动，通过运行振动试验， 确定节流孔直径的大小，并应用于 营业车辆上。 ３无摇枕转向架和空气弹簧的 横向弹簧特性 如图１ａ所示，摇枕利用了“摆” 的原理，缓和车辆的横向振动。从 车辆的平稳性考虑，设计时加长 摇枕吊杆长度，就能降低摆的固 有振动频率。 在如图１ ｂ所示的无摇枕转向 架中，空气弹簧具有相当于摇枕的 横向刚度。为了尽可能地减小车体 侧滚造成的横向变位，就要提高空 气弹簧支承面的高度，采取空气弹 簧直接支承车体底架下平面的结 构。由摇枕支承左右空气弹簧的下 平面，摇枕与构架横梁之间通过心 盘相互联结，心盘成为转向架的回 转中心。 这种无摇枕转向架，车体底架 下平面变成安装空气弹簧的宽大横 梁；不同的车辆，也有将空气弹簧 置入横梁内的结构。还设计了如图 １ｃ所示的空气弹簧转向架，它将左 右空气弹簧上平面用具有下心盘的 摇枕联结起来。 这两种转向架，前者称为空气 弹簧直接支承式，后者称为心盘支 承式。 以前的摇枕转向架进行了加长 吊杆长度的研究，由于转向架结构空 间的限制，要实现吊杆长度５００ ｍｍ 设计目标是很困难的。对此，在无摇 枕空气弹簧转向架中，通过减小空 气弹簧的横向刚度就能够实现这一 目标，所以，设计了使用低横向刚度 的３曲囊式空气弹簧转向架。 ４新型膜式空气弹簧 铁道车辆采用空气弹簧后，转 向架结构也从摇枕转向架变成结 构简单、重量轻的无摇枕转向架。 最初，日本新干线试验车辆遭遇到 了意想不到的、由于３曲囊式空气 弹簧的异常变形引起的车体偏移。 过去摇动台式转向架不能实现的 低横向刚度转向架，通过降低３曲 囊式空气弹簧的横向弹簧刚度得 以实现，但它却是造成这种现象的 起因。新型空气弹簧的设想，是用 称为外筒的圆形容器在圆周方向
地铁车辆空气弹簧常见故障处理
地铁车辆空气弹簧常见故障处理
摘 要
空气弹簧具有理想的非线性弹性特性。弹簧刚度可以设计得更低。列车运行时稳定性高，同时噪声可大幅度降低。在列车运行过程中，一些不利因素往往加速空气弹簧的磨损和老化，显著缩短空气弹簧系统的寿命。通过分析，总结了空气弹簧常见的叶片失效和胶囊失效。分析了各种故障现象的原因及故障的发生。这个问题是为了防止和解决这种故障。
关键词：城轨车辆；空气弹簧；常见故障；故障分析
1 第1章 引言
1.1 设计背景
随着我国经济的快速发展，我国已进入城市化和机动化快速发展阶段。城市轨道交通以其容量大、效率高、污染小的优点，迅速成为许多大城市解决交通问题的首选。我国已形成地铁、高架轻轨、城市高速铁路等多元化发展趋势。
我国城市轨道交通也进入了快速发展阶段。到目前为止，我国已有14个城市拥有城市轨道交通，并已投入运营。13个城市已开始规划和建设城市轨道交通。城市轨道交通里程超过1580公里，在建轨道交通里程达到1830公里左右。它是世界上城市轨道交通里程最大的国家，也是高速发展的趋势。它势不可挡。2010年，工信部宣布，我国城市轨道交通总投资将超过8000亿元，投资规模仅次于铁路和公路。工业和信息化部估计，到2015年，中国城市轨道交通车辆数量将增加到2万辆，达到2.6万辆。截至2009年底，中国共制造城市轨道交通车辆约3740辆。由此可见，随着城市轨道交通的发展和城市经济的发展，车辆设备的投资也在迅速增加。
1.2 设计的意义目的
城市轨道交通产业的加速发展缓解了城市的交通压力，促进了城市经济的发展。我国城市轨道交通的发展历史较短，经验不足，尚未建立起完全独立的城市轨道交通制造业。许多交通系统，如轨道交通车辆、通信信号和控制以及相关的维护设施，都是从不同的国家引进的。不同的规范标准可能会给施工管理留下问题和安全隐患。因此，研制和生产与轨道车辆配套的检修设备是十分必要的。
空气弹簧是地铁车辆振动和噪声控制的重要部件之一，与其他车辆弹性件相比，空气弹簧质量优越，内摩擦小，刚度和承载能力可调，对高频振动具有优良的抗振噪声能力。乘坐舒适性大大提高。随着国际工业技术的不断发展，设备振动、噪声控制和低频振动控制越来越重要。空气弹簧是交通运输行业中最好的防震降噪装置之一。
轨道车辆用空气弹簧阻尼特性研究与应用
第３ｏ卷第２期 ２０１０年４月 铁道机车车辆 ＲＡＩＬＷＡＹ Ｉ ＯＣＯＭＯＴＩＶＥ＆ＣＡＲ Ｖｏ１．３０ ＮＯ．２ Ａｐｒ． ２０１０
文章编号：１００８—７８４２（２０１０ Ｊ ０２—００３０—０３
轨道车辆用空气弹簧阻尼特性研究与应用
莫荣利，陈灿辉，陈文海，邹宇，郭红锋 （株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲４１２００７）
摘 要对轨道车辆用空气弹簧阻尼特性的基础理论和阻尼系数的测试方法进行了探讨，重点讨论了能量等效法 及其在空气弹簧系统阻尼测试上的应用。研究表明对于非线性系统，能量等效法是一种行之有效的测试方法。 关键词空气弹簧；阻尼系数；测试方法；非线性 中图分类号：Ｕ２７１．３３１ ４ 文献标志码：Ａ
随着轨道交通运输安全性、舒适性和高速化要求越 来越高，车辆及其转向架功能集成化和轻量化设计成为 当今的发展趋势。带有节流装置的空气弹簧不仅是车 辆悬挂系统中的弹性支撑元件，而且是悬挂系统中的减 振阻尼元件，是功能集成化和轻量化设计的典型应用。 空气弹簧的阻尼作用是通过安装在空气弹簧本体 与附加空气室之间的节流孔（阀）来实现的，如图１所 示。当空气弹簧变形时，两者之间将产生压力差。空气 弹簧在静态变形（或缓慢变形）过程，其压力差不大，但 在振动过程，其压力差较大。空气通过节流孔时由于流 程阻力而吸收振动能量，从而实现衰减振动的作用。
１一空气弹簧・２～节流孔；３一附加空气童。
图１ 有阻尼空气弹簧结构示意图
１ 空气弹簧阻尼的基础理论 １．１ 空气弹簧的力学模型
根据理想气体状态方程，在标准状态下，空气弹簧 和附加空气室的多变过程可以用以下方程式描述：
（户十Ｐ ）Ｖ１ 一（ 十Ｐ ＋ｄｐｉ）（Ｖ１一ｄ 十号） （１） ，
（户＋Ｐ ）Ｖｚ 一（Ｐ＋Ｐ ＋ｄｐ２）（Ｖ２一 ） （２） ， 对于微小变形，将上式展开成级数，并略去二阶以 上的微小量后整理可得：
Ｖ ７ｄｐ ＋ｍ（ｐ＋Ｐ ）ｑ—ｍ（ｐ＋ ）ｙｄＶ （３） Ｖ２ ７＇ｄｐｚ— （Ｐ＋Ｐ ）ｑ一０ （４）
空气弹簧在我国轨道车辆中的应用与发展
综述・述评 铁道车辆第４０卷第３期２００２年３月
文章编号：１００２—７６０２（２００２）０３ ０００５，０４ 空气弹簧在我国轨道车辆中的应用与发展
孔 军 （四方车辆研究所戒振技术公司，山东青岛２６６０３１） 摘要：＾Ｌ空气弹簧结构设计的角度，通过对６０年代以来，尤其是９０年代空气弹簧的应用情况分析，探讨了轨道车 辆空气弹鼍在令后发展过程中需注意的问题 关键词；空气弹簧；轨道车辆｛应用；发展 中圉分娄号：Ｕ２３７；Ｕ２７０．３３ 文献标识码：Ｂ
我国对轨道车辆用空气弹簧的研究始于１ ９５８年， ６０年代后期实现了设计上的突破，达到了实用化水 平。但由于种种条件的限制，９０年代以前，除地铣和双 层客车外，空气弹簧在我国轨道车辆上仍未得到广泛 的应用。９ｏ年代以后，随着改革开放的深入和国民经 济的飞速发展，我国铁路进入了高速化和全面提速的 新时期，给空气弹簧的广泛应用和发展提供了大好时 机 在此期问，四方车辆研究所依靠多年来在空气弹簧 研究方面的技术积累，逐渐发展成为国内最大的空气 弹簧研发和生产基地。到９０年代中后期，其空气弹簧 产品已形成了ＳＹＳ系列，广泛应用于国内各型准高 速，提速、高速铁路客车和动车组上 ；并且，随着近几 年我国城市轨道交通发展需求的日益增加，空气弹簧 在地铁、轻轨和磁悬浮列车上亦获得了更广泛的应 。本文从空气弹簧结构设计的角度，通过对６０年 代以来，尤其是９０年代空气弹簧的应用情况的分析， 探讨轨道车辆空气弹簧今后发展过程中需要注意的问 题。 １第１代自由膜式空气弹簧 第１代自由膜式空气弹簧中具有代表性的是 １ ９６８年研制的用于北京地铁转向架的空气弹簧，后来 经过设计上的局部改进，命名为ＳＹＳ５００型空气弹 簧 ，其结构如图１所示，由上盖、橡胶囊，橡胶缓冲块 和下座组成 主要特点是： （１）全压力自密封结构，组装和检修工艺简单，质 量轻； （２）安装高度低，可大大降低车辆地板面高度； （３）垂向和横向弹性特性易于控制和确定； （４）内部设置一个橡胶缓冲垫，在空气弹簧无气
西安地铁二号线车辆转向架结构模式分析
科技专诡 西安地铁二号线车辆转向架结构模式分析 江洪涛 西安市地下铁道有限责任公司运营分公司 陕西西安７１ ００１ ６ 【摘 要ｌ通过对西安地铁车辆转向架的结构模式的分析，总结出Ｂ 型地铁车辆转向架的主要特点，设计出轻量化、高性能、高可靠性的Ｂ型地 铁车辆转向架具有重要的意义。 【关键词】西安地铁；Ｂ型地铁车辆；转向架；结构模式 引言 转向架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。Ｂ型地铁车辆适用于客流量中等的大中型城市。 西安地铁车辆采用ＶＶＶＦ交流传动技术和轻量化耐候钢或不锈钢车体 的Ｂ型车，能满足西安轨道交通系统发展。 １ 西安地铁车辆转向架简介 西安地铁车辆转向架为轻量化、低噪声、无摇枕转向架。采用Ｈ型 钢板压型焊接构架，轴箱弹簧为无磨耗圆锥叠层橡胶弹簧，悬挂装置采 用空气弹簧直接支承车体的结构，制动装置采用单元式闸瓦踏面，单元 制动缸带停放制动功能，牵引电机横向架悬。 ２．西安地铁车辆转向架主要特点及技术参数 ２．１转向架主要特点 （１）转向架的综合性能符合规定的限界和线路条件。（２）转向架 具有适宜的运行稳定性和良好的曲线通过能力。（３）运行平稳性指标 在空载和满载之间的任何载荷条件及各种运营速度下，其垂向和横向平 稳性指标均小于或等于２．５。（４）转向架的安全性指标满足要求。（５）转 向架关键零部件的静强度、动强度符合有关国际标准要求。 ２．２转向架主要技术参数 最大运行速度８０ｋｍ／ｈ 转向架轴距２２００ｒａｍ 车轮直径 新轮８４０ｒａｍ 磨耗轮７７０ｒａｍ 轮对内侧距１３５３＋２／。一２ｍｍ 最大轴载荷１４ｔ 一系悬挂双圆锥，橡胶弹簧 二系悬挂空气悬挂 制动踏面制动 轴承１３０ｍｍ锥形轴承单元 ２．３主要动力学性能参数 １）横向和竖向平稳性指标ｗ≤２．５；２）脱轨系数Ｑ／Ｐ￣＜Ｉ．０（其中Ｑ 为轮轨横向力，Ｐ为单个车轮作用钢轨的竖向力），３）轮重减载率△Ｐ／ Ｐ≤０．６（其中为轮重减载量，ＡＰ为减载或载侧车轮平均轮重）；４）倾覆 系数Ｄ≤０．８ｌ ５）轴重≤１４ｔ时，轮重横向力Ｈ￣＜７５．１８ＫＮ ３，西安地铁车辆转向架主要结构部件 ３．１构架 构架分为动车用构架和拖车用构架，都属于Ｈ型钢板焊接构架。横 梁上设有齿轮箱、电机、牵引杆的安装座，侧梁上设有踏面单元制动器、 一系簧、二系簧等部件的安装座。构架采用了互换性设计，不同转向架 的构架在维修中可以互换。在额定载荷下，构架使用寿命为３Ｏ年。 ３．２轮对和轴箱装置 车轮采用全加工的辗钢整体车轮，通过过盈配合套装在车轴轮座 上。在轮毂部位有注油孔。在车轮的外侧，安装有降噪阻尼器。车轮的 断面形状、尺寸及车轮的制造均符合国家规定。滚动圆直径为８４０ｒａｍ， 轮辋宽度为１３５ｍｍ。轮对内侧距为１３５３＋２ｍｍ。车轮采用ＬＭ型磨耗型 踏面。 轴箱装置采用铸钢箱体、迷宫式防尘结构。轴箱轴承采用双列圆柱 滚子轴承。圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承都既能承受径向力，又能承受 轴向力。圆锥滚子轴承滚道可以承受轴向力，滚子和滚道之间主要是滚 动摩擦。圆柱滚子轴承靠滚子端面和挡边承受轴向力，滚子端面与挡边 之间的摩擦是滑动摩擦，摩擦力较大。 ３．３悬挂系统 转向架悬挂系统主要由一系悬挂和二系悬挂组成。 ３．３．１一系簧。轴箱和构架之间安装有一系悬挂系统，一系悬挂采用 具有适当的垂向和横向刚度的锥形金属橡胶弹簧，它—方面可以缓和来 自轨道的各种冲击和振动，提高列车的乘坐舒适性；另一方面可以对轴 箱进行弹性定位。 ３．３．２二系簧。二系悬挂采用四方所生产的大柔度空气弹簧，连接车 体和构架，由空气弹簧、二系横向油压减振器、自动高度调整阀、水平杠 杆、调整杆、压差阀、安全钢索、调整垫等组成。转向架两侧都有一个高 度阀，安装在车体底部，通过高度阀连杆与构架相连，可根据载客量自 动控制的本侧空气弹簧的充排气。空气弹簧底部是紧急弹簧，紧急弹簧 能有效增加空气弹簧的柔度和挠度，增加列车乘坐舒适性，在空气弹簧 爆裂时也能支撑列车继续运行，直至列车退出运营。 ３．４牵引装置 每台转向架设有一套牵引装置，负责车体与转向架之间的牵引、制 动力的传递。传递牵引、制动力的零部件是无间隙、无磨损、免维护的 柔性接触。在列车加速或减速时，不会造成列车冲击。完成转向架相对 于车体的回转运动。 ３．５基础制动装置 转向架基础制动装置采用单元式踏面制动，制动力优先由动车的 再生制动负担，每个转向架安装有四个单元制动缸。其中１／２的单元制 动缸带停放制动功能。停放制动力应保证列车在最大的超员情况下，停 放在最大坡道上不溜放。单元制动装置内均设有间隙自动调整器，当磨 耗使间隙大干某一规定值时，间隙调整器应能自动动作，保证间隙始终 在规定的范围内。与轴装盘形制动和轮装盘形制动相比，该转向架具有 较低的簧下质量，有利于减小轮轨之间的作用力。 ３．６齿轮传动装置 ３．６．１电机。动车转向架每根车轴有一个牵引电机，采用架悬式安 装，有效地减轻了簧下质量 电机为鼠笼式三相异步交流电机，由主逆 变器产生的变频变压三相交流电驱动，功率为１８０ＫＷ，具有维护简单、 故障率低等优点。牵引电机通过橡胶衬套安装在构架的电机安装座上， 与刚性安装方式相比，这样的弹性安装方式更有利于减缓电机传给构 架的振动，降低构架电机安装座受力。 ３．６．２齿轮箱。齿轮传动装置采用斜齿轮一级减速。为降低簧下质 量，齿轮箱材料采用高强度铸造铝合金。采用刚性可移式鼓形齿联轴器 或ＴＤ型挠性板式联轴器。采用铸造式齿轮箱，一端通过轴承安装于车 轴上，箱体的另一端通过吊杆弹性地吊装于构架的齿轮箱吊座上。牵引 电机牢固地安装在转向架构架的电机吊座上，电机轴与轮对平行。齿轮 箱安装架采用了强度较大的“Ｃ”型结构，它是一个独立于构架的部件， 通过螺栓安装在构架横梁的安装座上。如果齿轮箱安装架出现裂纹，更 换一个安装架即可。 ４．结论及建议 通过对西安地铁车辆转向架结构模式的分析，对Ｂ型地铁车辆的主 要特点总结如下： （１）转向架质量轻。（２）转向架采用无摇枕、天心盘，车体载重全 部由空气弹簧承载。（３）动车转向架牵引电机采用架悬式。（４）车轮采 用全加工ｓ形辐板整体辗钢车轮，具有较高的强度和韧性，抗轮缘磨耗 能力强。（５）车轴在动车车轴的传动齿轮侧轮坐采用喷钼处理。（６） 轴箱采用铝合金轴箱体，降低簧下质量。（７）采用三向刚度，能很好匹 配的锥型金属橡胶叠层弹簧作为一系弹簧，具有一定的径向导向作用。 （８）采用整体退火的焊接构架。（９）牵引装置采用无磨耗的中心销，Ｚ 字形拉杆牵引方式，黏着重量利用率高。 参考文献 ［１】严隽耄．车辆工程［Ｍ】．北京：中国铁道出版社，１ ９９９． ［２】西安地铁车辆合同文件．西安：２００９ 【５】陆海英．Ｂ型城市轨道交通车辆转向架设计研究，２００８ 【４］Ｚ福天．车辆系统动力学［Ｍ】．北京：中国铁道出版社，１ ９９４ 作者简介 江洪涛男（１ ９７０一），工程师，现在西安地铁从事地铰车辆及 工艺设备技术管理工作。
铁道车辆空气弹簧控制方式的研究
试验研究 铁道车辆 第５１卷第２期２０１３年２月
文章编号：１００２ ７６０２（２０１３）０２ ０００８—０４
铁道车辆空气弹簧控制方式的研究
赵旭东，胡定祥，包学海
（南车南京浦镇车辆有限公司技术中心，江苏南京２１００３１）
摘 要：高度调整阀和空气弹簧一起实现空气弹簧高度的自动调整，在实际运用中有的采用两点控制，有的采用四
量控制。本文通过对比分析，讨论２种控制方式的利弊，为实际运用提供参考。
关键词：高度阀；空气弹簧；两点控制；四点控制
中图分类号：Ｕ２７０．３３１ ．５ 文献标识码：Ｂ
目前，铁道车辆转向架二系悬挂通常分为有摇枕
结构和无摇枕结构，而无摇枕结构转向架通常采用空
气弹簧直接承载车体。空气弹簧需要通过与之配套使
用的高度调整阀（以下简称高度阀）来控制其高度。空
气弹簧的控制方式目前有３种，即两点控制、三点控制
和四点控制。目前运用最广的主要是两点控制和四点
控制。各车辆厂家较多采用自已常用的一种控制方
式。如阿尔斯通公司和庞巴迪公司常采用四点控制，
中国干线铁路和地铁车辆也较多地采用这种控制方
式；而西门子公司则较多地采用两点控制。本文将重
收稿日期：２０１２ ０５ Ｉ１；修订日期：２０Ｉ２ １１ ２６ 作者简介：赵旭东（１ ９７８），男，工程师。
列车遣厦，（ｋｍ・ｈ ）
图１０ 列车速度和倾覆风速的关系
力产生的恢复力矩（抗倾覆力矩）却也因此而降低，给
车辆的倾覆稳定性带来不利影响。事实上，对于高速
列车来讲，在列车总阻力中，气动阻力占了很大一部
分，而气动阻力仅与列车的外形设计和列车速度有关，
与车辆的重量并无直接关系。
（２）空气动力学倾覆力矩系数ｃＭ（口）。该系数是
判断列车倾覆稳定性的一个非常重要的参数。在高速
・ ・ 点对比分析两点控制和四点控制的优缺点，以及控制方
式与抗侧滚性能的关系，进而提出对选择高度阀控制方
式及设置抗侧滚扭杆装置的建议，为读者提供参考。