鐵道車輛空氣彈簧動(dòng)力學(xué)模型的研究.pdf

1、空氣彈簧是在柔性密閉容器中加入壓力空氣，利用空氣的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧。它具有優(yōu)良的彈性特性，并且可以通過高度閥的作用使車體在任何載荷下的高度保持不變，用在車輛懸掛裝置中可以大大改善車輛系統(tǒng)的動(dòng)力性能，提高旅客運(yùn)行舒適度。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?？諝鈶覓煜到y(tǒng)主要由以下幾部分組成：空氣彈簧、附加氣室、節(jié)流裝置、高度控制裝置以及差壓閥組成。若空氣彈簧橫向

2、跨距小，還包括抗側(cè)滾穩(wěn)定裝置，歐洲模式空氣懸掛系統(tǒng)一般采用油壓減振器而不采用節(jié)流裝置。 根據(jù)國家發(fā)改委交運(yùn)[2004]159號文《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，以及鐵道部關(guān)于跨越式發(fā)展的要求，未來15年將是我國鐵路高速化發(fā)展的一個(gè)重要時(shí)期，使鐵路運(yùn)輸能力能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要。空氣彈簧懸掛系統(tǒng)作為軌道車輛關(guān)鍵的舒適性設(shè)備，目前雖然已在我國160km/h鐵路客車上獲得了廣泛應(yīng)用，但在高速列車上的應(yīng)用尚有許多技術(shù)問題有待解決，急需研

3、制出可替代進(jìn)口產(chǎn)品的空氣彈簧懸掛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化目標(biāo)。四方車輛研究所圍繞軌道車輛用空氣彈簧懸掛系統(tǒng)已進(jìn)行了大量的研究工作，研制的SYS系列空氣彈簧產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于我國鐵路提速客車及城市軌道交通車輛，具備相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)。 在對裝用空氣彈簧的車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能分析時(shí)，受分析條件和手段的限制，一般把空氣彈簧處理成線性彈簧和線性阻尼的串、并聯(lián)組合，不能反映空氣彈簧真實(shí)的非線性特點(diǎn)，也不能反映空氣容積、壓力、溫度和節(jié)流孔阻尼值實(shí)際情況的變化，

4、直接導(dǎo)致了對車輛性能分析時(shí)的誤差。而現(xiàn)代鐵路技術(shù)需要高精度的車輛系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)仿真以及計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測量結(jié)果盡可能比較接近。因此車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的仿真結(jié)果的質(zhì)量越來越依賴于車輛部件模型的真實(shí)程度，這意味著非線性單元的線性化將不能保證獲得滿意的仿真結(jié)果，特別是在客車車輛系統(tǒng)中，空氣彈簧得到廣泛的應(yīng)用，更加復(fù)雜的空氣彈簧動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用將增加仿真結(jié)果的正確性。 本文首先建立了空氣懸掛系統(tǒng)的垂向、水平方向以及空氣彈簧無氣狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)模

5、型，對于垂向模型創(chuàng)造性地采用模塊化建模方式，建立了空氣彈簧本體、附加氣室、節(jié)流裝置、連接管路、高度閥、差壓閥等子模塊的力學(xué)方程和基于SIMULINK的仿真模型，在此基礎(chǔ)上討論了幾種典型非耦合空氣彈簧的模型特點(diǎn)，其中空氣彈簧-節(jié)流閥-附加氣室模型以及考慮緩沖彈簧預(yù)緊力、不感帶、飽和特性、單向阻尼特性以及流量非線性特性影響的高度閥模型均是首創(chuàng)，并首次建立了考慮漏泄的耦合空氣彈簧的SIMULINK仿真模型；水平方向的模型采用試驗(yàn)剛度；最后首次

6、研究了無氣狀態(tài)的空氣彈簧動(dòng)力學(xué)模型，垂向利用應(yīng)急彈簧的載荷一位移曲線進(jìn)行插值求得垂向作用力，而水平方向則建立了考慮動(dòng)態(tài)法向力變化的二維摩擦副模型。因此鐵道車輛空氣彈簧在應(yīng)用過程中的各種工作狀況在本文基本上都可找到對應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，這些動(dòng)力學(xué)模型的建立為下一步的整車垂向動(dòng)力學(xué)和通過曲線性能的分析奠定了基礎(chǔ)。 運(yùn)用基于SIMULINK所建立的整車垂向動(dòng)力學(xué)模型，探討了幾種非典型耦合動(dòng)力學(xué)模型中哪個(gè)模型更能真實(shí)反映空氣彈簧的作用，并將

7、幾個(gè)模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)臺的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得出固定節(jié)流孔的非線性模型3與實(shí)測結(jié)果基本一致，傳統(tǒng)的線性模型1和固定節(jié)流孔的線性化模型2均存在一定的誤差，因此這兩種線性模型無法替代模型3，更無法替代節(jié)流閥模型4和帶有連接管路的模型5。在實(shí)測路譜的激勵(lì)下這種誤差更為明顯，在高速下甚至可能得到錯(cuò)誤的結(jié)論，同時(shí)可以得出采用節(jié)流閥對于車輛性能的改進(jìn)具有重要的意義，因此本文研究的模型3、4、5對于提高整車垂向動(dòng)力學(xué)分析的精度具有現(xiàn)實(shí)意義。

8、 在車輛通過曲線性能的分析中，采用傳統(tǒng)的線性模型忽略了高度閥和差壓閥的影響，因此高度閥的控制方式與差壓閥的參數(shù)設(shè)置缺乏理論依據(jù)，只能借鑒國外的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或由供應(yīng)商來提供，而這些參數(shù)的設(shè)置對車輛的安全性卻有重要的影響，本文利用耦合空氣彈簧動(dòng)力學(xué)模型研究了空氣懸掛系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對整車曲線通過安全性能的影響。此外本文還首次研究了高度閥的控制方式、簧上載荷、空氣彈簧漏泄量、列車速度以及無氣狀態(tài)對整車通過曲線安全性能的影響，通過分析可以看出，若

9、采用傳統(tǒng)的線性模型將導(dǎo)致空氣彈簧動(dòng)行程、車體側(cè)滾角以及出口過渡曲線輪重減載率的增大。增加差壓閥壓差，具有增加懸掛抗側(cè)傾的作用，但導(dǎo)致入口過渡曲線的壓差系數(shù)和輪重減載率增加。高度閥的控制方式對整車通過曲線性能的影響較為復(fù)雜，較為理想的控制方式是前3點(diǎn)控制，該控制方式不僅可有效地降低空氣彈簧變形、車體的側(cè)滾角、對角壓差系數(shù)以及輪重減載率，而且也降低了空氣的消耗。空氣彈簧的漏泄量不大時(shí)對車輛的曲線通過性能影響不大，但當(dāng)漏泄量與高度閥的進(jìn)氣量接

10、近時(shí)，則惡化車輛曲線通過性能。在運(yùn)行速度達(dá)到平衡速度之前，隨著車輛運(yùn)行速度的降低，車輛輪重減載率逐漸增大，在運(yùn)行速度為Skm/h時(shí)，輪重減載率約為0.5，因此可以預(yù)測當(dāng)車輛在過渡曲線停車啟動(dòng)時(shí)，輪重減載率很高，可能極為接近允許值0.6，對車輛的安全造成較大的影響。若前后轉(zhuǎn)向架4個(gè)空氣彈簧均無氣或后轉(zhuǎn)向架空氣彈簧無氣時(shí)，輪重減載率均很大，接近所允許的最低值0.6，具有脫軌的危險(xiǎn)。前轉(zhuǎn)向架空氣彈簧無氣時(shí)，只是造成直線段的橡膠堆摩擦力矩較大，