城市轨道交通车辆空气悬挂系统仿真分析

潘丽莎

（广州市地下铁道总公司，广东广州510310）

城市轨道车辆具有停车频繁、车辆载荷变化大等特点。为了确保城市轨道车辆的正常运行，每个车辆都配有一定容积的总风缸，而且总风缸压力急剧下降时，还通过两台空压机向空气悬挂系统供风。

如果空压机流量、总风缸容积和高度阀流量特性的匹配不合理，就容易出现总风缸压力急剧下降等现象，最终导致车辆紧急制动等严重后果，因此对空气悬挂和储风单元的匹配关系研究非常重要。

1 空气弹簧充风原理

在实际运营过程中，车厢内的乘客分布不均匀，在乘客集中区域的空气弹簧压缩量大，而乘客稀少区域的空气弹簧压缩量会比较小，容易导致车体的倾斜。

为了保持设定的车体高度，在车体和转向架之间安装悬挂控制装置——充排风高度阀。高度阀安装示意图如图1所示。当车辆载荷增加时，车体相对于转向架向下运动，高度阀的杠杆绕着驱动轴向上旋转，向空气弹簧充风，使空气弹簧压力增加，抬高车体高度。

车辆载荷从空载（AW0）变成超载（AW3）状态时，高度阀的开口度最大，因此总风缸经过高度阀向空气弹簧快速充风，但是由于空气弹簧的特性，车体并不能马上向上移动。

高度阀以最大开口度向空气弹簧充风一定时间，并空气弹簧压力上升到一定值后，车体才向上移动，但是空气弹簧压力和车辆载荷平衡之前不会关闭高度阀，因此车体向上移动一定距离后停止下来。此时，高度阀开口度较小，空气弹簧压力的上升速度较慢。在高度阀开口度较小的情况下，总风缸继续向空气弹簧充风。

当空气弹簧压力接近于车辆载荷时，车体再次向上移动，因此高度阀开口度逐渐减小，以缓慢的速度向空气弹簧充风，直到空气弹簧压力和车辆载荷平衡为止。

图1 高度阀安装示意图

2 仿真模型的建立

2.1 高度阀模型

高度阀用于铁道车辆，根据载荷空气弹簧进行充风和排风，以调节车体高度。

高度阀内部结构如图2所示。如果车辆处于设定高度，高度阀就处于所谓的中立位，这时空气弹簧既不充风，也不排风。进气口V2和排气口V3都处于关闭状态。

车辆载荷增加时，车体开始下沉。当空气弹簧压缩时，驱动轴5通过杠杆机构旋转，使得偏心销拉动活塞3向左运动打开进气口V2。从总风缸来的压缩空气V进入上阀头2，从而打开止回阀V1。压缩空气V的通道受到活塞颈和阀体内孔之间微小间隙的节流作用，然后才到达L口进入空气弹簧。

当杠杆4偏转增加时，活塞3进一步向左运动。车体升高到设定位置后，杠杆返回到水平位置，高度阀再次处于中立位，止回阀V1和V2关闭。

图2 高度阀内部结构图

根据高度阀内部结构，基于AMESim气动系统仿真软件，建立高度阀仿真模型（如图3所示）［1］。图中，L为与空气弹簧的接口，V为与总风缸的接口，S为高度阀开口度变化信号接口。

图3 高度阀仿真模型

2.2 空气悬挂及储风系统模型

城市轨道车辆空气悬挂及储风系统气路如图4所示。当车辆载荷由AW0变成AW3时，总风缸（B1和B2）的压缩空气经过高度阀L1向空气弹簧L3和附加气室L2充风。

此时，如果总风缸压力降至750kPa时，将启动1台空压机，如果总风缸压力继续降至680kPa时，将启动第2台空压机。

图4 城市轨道车辆空气悬挂及储风系统

一辆车的空气悬挂及储风系统仿真模型如图5所示［2］。模型中的两台空压机流量为相当于一辆车的流量，而且根据总风缸压力先后启动两台空压机。为了简化模型，用一个高度阀同时向两个空气弹簧充风。

图5 空气悬挂及储风系统仿真模型

3 空气悬挂及储风系统仿真分析

以广州地铁3号线空气悬挂及储风系统为例，对车辆载荷由AW0变成AW3的过程进行仿真分析。车辆参数如表1和表2所示。

表1 通用参数［3］

表2 空气弹簧参数

实际运营过程中，每站的车辆载荷变化规律如图6所示。在AW3状态下，0～9s内，高度阀一直保持4 mm的最大开度。当空气弹簧压力达到一定值时，车体向上移动，并在9～11s内高度阀开度降到2.9mm。

11～54s内，高度阀一直保持2.9mm的开口度，并从54s开始逐渐减少，直至空气弹簧压力与车辆载荷平衡为止。

图6 车辆载荷变化曲线

仿真结果如图7和图8所示。图8中，空气弹簧充风流量为一个空气弹簧流量，而空压机输出流量为一辆车的流量。

由图7可知，A点处的总风缸压力降至750kPa，因此启动第一台空压机。由图8可知，虽然第一台空压机向总风缸供风，但是空气弹簧充风流量大于空压机输出流量，因此总风缸压力一直下降。当总风缸压力下降至B点（680kPa）时，将启动第二台空压机。

图7 空气弹簧、总风缸压力及空压机启动状态

图7中，0～9s内，高度阀保持最大开口度，因此空气弹簧压力从270kPa迅速上升至396kPa；9～54s内，空气弹簧压力上升至520kPa；54～65s内，由于高度阀处于慢充阶段，因此空气弹簧压力缓慢上升至650 kPa，与车辆载荷AW3平衡，车体保持水平状态。由图8可知，在这个阶段，空压机输出流量大于空气弹簧充风流量，因此总风缸压力开始缓慢上升。

图8 流量曲线

4 结束语

基于AMESim气动系统仿真平台建立了高度阀模型和空气悬挂及储风系统模型，并结合广州地铁3号线技术条件，对车辆载荷由AW0变成AW3的过程进行了仿真分析。仿真分析结果符合车辆的实际运行情况，为空压机选型和风缸容积的设计提供了理论依据。

［1］王 瑜，林 立，姜建胜.基于AMESim液压盘式刹车系统建模与仿真研究［J］.石油机械，2008，36（9）：31-35.

［2］付永领.AMESim系统建模和仿真—从入门到精通［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［3］广州地铁3号线车辆技术规格书［R］.