基于永磁直驱城轨车辆的空气弹簧设计

梁小强，胡定祥，杨泽迎，张 丽，何斌斌，于 磊

(1.中唐空铁科技有限公司，四川 成都 610041；2.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031； 3.江苏中车数字科技有限公司，江苏 南京 210031；4.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

永磁直驱城轨车辆为最高运营速度80 km/h、轴重14 t的B型车城轨车辆[1]。为满足车辆使用性能技术要求[2]，其转向架采用无摇枕结构形式以适应小曲线的通过，故转向架二系悬挂系统采用大曲囊形式的空气弹簧，以满足车辆的运动稳定性、曲线通过安全性和运行平稳性。

1 空气弹簧结构

空气弹簧是转向架二系悬挂系统中最重要的一个部件，安装在车体和构架之间，传递着垂向力和横向力，平衡转向架和车体之间产生的相对运动。具有小横向刚度、大径向位移的空气弹簧能够代替传统客车转向架的摇动台和摇枕，有效简化二系悬挂系统的结构，实现转向架无摇动台和无摇枕结构设计，同时避免中央悬挂装置的磨耗[3]。

空气弹簧结构如图1所示，主要由上盖组成、扣环、胶囊、支撑座、摩擦块、橡胶堆等组成。

1.橡胶堆；2.胶囊；3.扣环；4.上盖组成；5.支撑座；6.摩擦块；7.定位销；8.安装座。图1 空气弹簧结构图

2 空气弹簧组成特点

空气弹簧组成特点[4]如下：

(1) 刚度小，当量挠度大。空气弹簧能大幅度地增加当量挠度，使弹簧悬挂装置设计得很柔软，如此可降低车辆的自振频率。

(2) 具有非线性特性。空气弹簧具有非线性特性，根据车辆振动性能的需要设计成具有比较理想的弹性特性曲线。在平衡位置低频振动幅度较小时，即正常运行时的振动刚度较低；若位移过大，压缩空气或充气使刚度显著增加，可限制车体的振幅。

(3) 刚度随载荷变化。空气弹簧刚度随载荷内压变化而变化，从而可保持空重车状态下车体自振频率几乎相等，使空重车不同状态的运行平稳性基本相同。

(4) 高度可调节。空气弹簧和高度阀装置并用，可使车体在不同静载荷下保持地板面距轨面的高度基本不变。

(5) 可充分利用其径向弹性。空气弹簧可同时承受三向载荷，具有较大的水平变位能力；利用空气弹簧的横向弹性特性，可以代替传统转向架的摇动台装置，从而简化结构，减轻自重。

(6) 能产生阻尼作用。若在空气弹簧本体和附加空气室之间设有适宜的节流孔，可以产生适宜的阻尼，以代替垂向液压减振器。

(7) 具有吸振和隔声功能。空气弹簧具有良好的吸收高频振动和隔声功能。

3 空气弹簧参数设计

空气弹簧主要技术参数有空气弹簧水平变形能力(扭转角度和最大水平位移)、载荷内压、刚度(横向刚度和垂向刚度)。

3.1 空气弹簧水平变形能力

3.1.1 扭转角度

车辆通过小曲线时，转向架会相对车体旋转和横移，车体与转向架的相对扭转角即为空气弹簧应能适应的扭转角度。空气弹簧扭转角度计算时主要考虑2种情况：其一为转向架在最小曲线半径上的径向位置并处于轨道中心线上，其二为前转向架或后转向架绕着角度增大方向发生前后轮对轮缘异向贴靠钢轨位置[5]。

3.1.1.1转向架处于轨道曲线径向位置的扭转角计算

假设前后转向架均处于轨道曲线的径向位置，并处于轨道中心线上，如图2所示，此时转向架相对车体的扭转角为α。则扭转角α为：

图2 转向架处于轨道曲线径向位置的扭转角

α=arcsin(L/R)

(1)

式中：L——车辆定距；

R——线路半径。

3.1.1.2轮轨间隙引起的扭转角计算

假设转向架处于前后轮对轮缘异向贴靠钢轨位置，如图3所示，此时转向架相对车体的扭转角为β。

图3 轮轨间隙引起的扭转角

此时，扭转角β为：

β=arcsin(d/2a)

(2)

轮轨间隙d为：

d=G+g+Ω1+Ω2+2ω-C-2τ

(3)

式中：2a——轴距；

G——名义轨距；

g——曲线轨距加宽；

Ω1——轨距公差的正值，不含轨距加宽；

Ω2——轮对内侧距公差负值的绝对值；

ω——轮缘最大磨耗量；

C——名义轮对内侧距；

τ——轮缘厚度。

3.1.1.3空气弹簧扭转角计算

由前文可得，空气弹簧扭转角φ为：

φ=α+β

(4)

永磁直驱转向架相对车体的扭转角计算参数如表1所示。

表1 永磁直驱转向架相对车体的扭转角计算参数

(1) 段内扭转角φ1计算如下：

d=G+g+Ω1+Ω2+2ω-C-2τ=64 (mm)

φ1=α+β=0.091 rad≈5.21°

(2) 正线扭转角φ2计算如下：

d=G+g+Ω1+Ω2+2ω-C-2τ=59 (mm)

φ2=α+β=0.056 3 rad≈3.23°

因此，空气弹簧扭转角φ在恶劣工况下约为5.21°。

3.1.2 空气弹簧水平位移

空气弹簧在极端工况(段内小曲线运行)下除需适应扭转角外，还应当具有一定的横向水平变形能力。空气弹簧水平位移产生条件主要有转向架相对车体扭转角φ、横向挡压并、车体相对转向架最大纵向位移，如图4所示。

S.空气弹簧水平位移；Y1.空气弹簧横向跨距之半；X1.相对转向架车体最大纵向位移(一般取纵向挡间隙)；d1.横向档间隙和压缩量。图4 空气弹簧水平位移与扭转角、横向位移、纵向位移的关系

永磁直驱转向架空气弹簧水平位移计算参数如表2所示。

表2 永磁直驱转向架空气弹簧水平位移计算参数(极限位置)

空气弹簧水平位移S计算如下：

≈104.6 mm

因此，空气弹簧在极端工况下的最大水平位移为104.6 mm。

3.2 空气弹簧载荷内压

为满足车辆的最大承载及设计冗余，永磁直驱转向架用空气弹簧最大承载载荷为120 kN。空气弹簧内压需求应与车辆总体技术条件相匹配，车辆制动系统列车总风管供风压力一般为750～900 kPa，结合空气弹簧厂商确定满足车辆需求的载荷内压，以及TB/T 2841—2010《铁道车辆空气弹簧》的压力载荷特性取值要求和最大水平位移下的压力需求，永磁直驱用空气弹簧最大载荷工况下的内压需求不超过650 kPa(运用气压值)，满足车辆总体供风条件，压力载荷特性见表3。

表3 压力载荷特性

3.3 空气弹簧刚度

通过对车辆系统进行蛇行运动稳定性、曲线通过性能和运行平稳性动力学计算分析，分别计算动拖车空载工况下空气弹簧横向刚度对平稳性的影响[6-8]，结果如图5、表4所示。

从图5和表4可以看出，垂向刚度基本不变的情况下，横向平稳性指标随着横向刚度的增加而增大，在0.2 MN/m范围内均小于2.5。为保证车辆运行平稳性及设计冗余性，动拖车空气弹簧空载工况(AW0)下横向刚度选取0.16 MN/m较为适宜，可保证平稳性指标仍有约40%的冗余。

表4 空气弹簧横向刚度对平稳性的影响(80 km/h)

图5 空气弹簧横向刚度对平稳性的影响(80 km/h)

空气弹簧垂向刚度对平稳性的影响如图6、表5所示。从图6和表5可以看出，横向刚度基本不变的情况下，垂向平稳性指标随着垂向刚度的增加而增大，在0.6 MN/m范围内均小于2.5。为保证车辆运行平稳性及设计冗余性，动拖车空气弹簧空载工况(AW0)下垂向刚度选取0.6 MN/m较为适宜，可保证平稳性指标仍有约60%的冗余。

表5 空气弹簧垂向刚度对平稳性的影响(80 km/h)

图6 空气弹簧垂向刚度对平稳性的影响(80 km/h)

由上述计算结果可以看出，平稳性指标满足标准GB/T 5599—2019中1级“优”，由此表明，设计满足车辆横向和垂向运行平稳性指标。

4 试验验证

根据产品型式试验报告及首件现场抽查审核鉴定，对空气弹簧刚度(横向刚度和垂向刚度)、最大水平位移下的外观、载荷内压等进行试验验证。

4.1 空气弹簧刚度

4.1.1 垂向刚度

动拖车空载工况(AW0)下垂向刚度试验相关数据见表6。由表6可知，在动拖车空载工况(AW0)下，空气弹簧的垂向刚度实测值为478 N/mm，满足设计要求。

表6 空气弹簧垂向刚度 N/mm

4.1.2 横向刚度

动拖车空载工况(AW0)下横向刚度试验相关数据见表7。

由表7可以看出，在动拖车空载工况(AW0)下，空气弹簧的横向刚度实测值为150 N/mm，满足设计要求。

表7 空气弹簧横向刚度 N/mm

4.2 最大水平位移下的外观

根据TB/T 2841—2010标准中的最大水平位移要求及前文空气弹簧水平位移计算，在不大于0.7AW0载荷工况下对空气弹簧施加±125 mm水平位移进行最大水平位移试验[9-10]。试验后，空气弹簧外观无异常，气囊表面无打褶、脱层及龟裂等现象。

4.3 载荷内压

在最大载荷工况(120 kN)下，空气弹簧的内压小于650 kPa，满足设计要求。

4.4 车辆性能验证

根据实际产品横向刚度150 N/mm、垂向刚度478 N/mm进行平稳性计算验证，横向平稳性指标为2.35，垂向平稳性指标为2.65，满足设计要求。

永磁直驱转向架设置有抗侧滚扭杆装置，空气弹簧刚度对车辆限界影响较小，由于篇幅有限，本文不作具体说明。

5 结论

本文基于永磁直驱车辆服役条件和结构参数，通过几何分析提出了空气弹簧变形量计算校核方法，通过仿真计算提出了空气弹簧悬挂刚度的参数范围，从而构建了空气弹簧设计方法。经过对车辆系统进行蛇行运动稳定性、曲线通过性能和运行平稳性动力学计算分析，以及对最终产品进行型式试验验证，结果表明，采用本文构建的设计方法所研发生产的空气弹簧，可以满足永磁直驱城轨车辆的需求。