高速列车空气弹簧压力曲线的数值拟合

秦礼　张锋珍　陈经纬

摘要：文章根据空气弹簧的动态特性试验数据，通过曲线的一般方程，得到以载荷为自变量的关于空气弹簧载荷-压力的近似二次方程和五次方程，分别绘制了对应的曲线，分析了二次方程与实际差异较大的原因。根据近似五次方程进行列车空气弹簧的控制调试，调试结果良好，这对于控制高速列车制动风管中的压力带来方便。

关键词：高速列车；空气弹簧；压力曲线；数值拟合；动态特性试验 文献标识码：A

中图分类号：U270 文章编号：1009-2374（2017）05-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.074

现代轨道交通车辆不断地朝着高速化、轻量化以及低噪声方向发展。空气弹簧悬挂系统具有许多螺旋弹簧不具备的优点，因此干线高速铁道车辆和城市轨道交通车辆均日益广泛地采用空气弹簧作为二系悬挂装置。这主要有下面三个方面的原因：（1）空气弹簧均有非线性特性，刚度可以选择低值，降低了车辆的自振频率；（2）能够保持空、重车车体的自振频率几乎相等，在空、重车不同状态的运行平稳性接近；（3）空气弹簧和高度阀并用时，可按照车体的不同载荷保证车辆底板距离轨面的高度不变。但是，空气弹簧是与高度阀配合使用的，这样才能显示其优越性，同时控制好空气弹簧以及管路中的气压就显得非常关键。若控制气压不够好，空气弹簧的优越性就没法显示出来，同时车辆的舒适性也会下降。

1 空气弹簧系统控制

空气弹簧控制装置的整个系统如图1所示。空气弹簧所需要的压力空气由列车制动主管经溢流阀、截断塞门、进入贮风缸，再经高度阀进入枕梁，最后到达空气弹簧。溢流阀能够保证经过阀体的风压不能大于某一设定值。同时，当总风缸管的压力变低时，溢流阀的目的是优先向制动系统供风。截断塞门是安装在制动支管上，用于开通和关闭分配阀与列车管间压力空气通路的部件，正常作用时，总是处于开放位置，当制动机发生故障时，为了截断制动主管的压缩空气送风通路，这时才将其关闭，停止该制动机工作。高度阀的主要作用及要求是维持车体在不同静载荷作用均与轨面保持一定的高度；在直线上运行时，车辆在正常振动情况下不发生进、排气作用；在车辆通过曲线时，如果车体倾斜程度超过规定的数值后，转向架上的高度控制阀分别产生进、排气的不同作用，从而减少车辆的倾斜。安全阀的主要作用就是保证气室中的压力不能超过限定值。由于气室与空气弹簧是连通的，安全阀同时也保证了空气弹簧的内压。

2 空气弹簧压力曲线数值拟合

一般来说，空气弹簧厂家会提供空簧压力曲线，但是大多是通过描点得到的曲线。从空簧本身的特性来讲，空气弹簧压力曲线应该是光滑的一条曲线。理论上讲，对空气弹簧在不同载荷下测试的点越多，得到对应载荷下的空气弹簧内压值就越多，这些点反映的曲线就越准确。但是，实际测量过程中，由于受到众多因素的影响，测量值会有一定的误差，最后这些点就会围绕着理想曲线上下分布。由于空气弹簧的刚度呈非线性变化且连续，要计算出空气彈簧的实际载荷——压力曲线非常困难，但通过数值计算拟合逼近实际曲线的效果非常好，胡芳等在研究客车空气弹簧悬架过程中提出了用拟合的办法确定空气弹簧的变刚度。下面通过两组试验数据分别进行数值拟合，通过数值逼近的方法来研究某高速动车组转向架空气弹簧载荷——压力特性：

第一组试验数据中有3个测试点（表1），第二组试验数据有5个测试点（表2）。

根据动态特性的特点，采用曲线的一般方程表示载荷——压力曲线：

图2为n=2的载荷——压力曲线，图中的曲线有明显的下凹。测试点是三个点，且这三个点的间隔比较大，因为这样得到的曲线才能够较准确地反映非线性的整体特性。但是，由于测量点的间隔比较大，对于空气弹簧的区间特性反映得不够准确。图3是n=5时的载荷——压力曲线，其中该曲线对应的方程中，各系数均保留小数点后10位，其原因是自变量的取值比较大时对于该方程影响比较大（特别是自变量的取值大于100时，对于实际空气弹簧的影响非常明显）。图中曲线较好地反映了空气弹簧的非线性特性，这与已经研究发现的成果比较吻合。在某动车组装车后，按照n=2时的曲线控制空气弹簧压力，发现与实际载荷相差约0.2%，这是因为曲线下凹，即曲线反映的空气弹簧内压偏小。按照n=5的曲线控制空气弹簧压力，结果发现与实际很吻合。如果将n的取值增大，实际效果的改善并不明显。主要原因是实验数据太多，采用太高的幂次一方面不会显著提高精度，另一方面会使拟合刚度曲线光滑性变差，其实可能反映了过多的试验数据量化误差。

3 结语

（1）通过两组实验数据，将这些数据进行归纳，推导出一般的方程，通过验证的结果是令人满意的；（2）分析了二次曲线与实际曲线偏差较大的原因，同时指出了五次曲线与实际曲线比较吻合的原因。

参考文献

[1] 严隽耄.车辆工程（第三版）[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[2] 胡芳.非线性空气悬架模型的理论研究及实车试验[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2007，30（11）.

[3] 陈燎，等.空气弹簧动态特性拟合及空气悬架变刚度计算分析[J].机械工程，2010，46（4）.

作者简介：秦礼（1965-），男，中车唐山机车车辆有限公司转向架技术中心高级工程师，研究方向：轨道车辆转向架技术管理；张锋珍（1981-），男，中车唐山机车车辆有限公司转向架技术中心工程师，硕士，研究方向：轨道车辆转向架研发设计；陈经纬（1984-），男，中车唐山机车车辆有限公司转向架技术中心高级工程师，研究方向：轨道车辆转向架研发设计。

（责任编辑：王 波）