空气弹簧在铁道车辆上的应用及发展趋势探究

田清帅，张波

（青岛博锐智远减振科技有限公司，山东 青岛 266112）

0 引言

铁道车辆空气弹簧是决定车辆运行品质的重要因素之一。铁道车辆列车在运行过程中，会被动接受来自于轮轨界面的各种振动，这种初始振动由轨道不平顺激起，最终传递至车体，影响乘坐舒适性。如何尽可能地降低车体振动，一直是业内的重点研究方向。

铁道车辆中央悬挂系统，其一个主要作用就是衰减因线路不平顺以及车轮缺陷等原因引起的车辆振动及冲击，使得车体具有良好的乘坐舒适性。目前，空气弹簧系统中央悬挂装置已经在我国客车车辆上普遍运用，来自轮轨界面的振动，经过两级衰减最终传递至车体：首先通过轴箱悬挂系统由轮对传递至构架，再通过中央悬挂系统（主要是空气弹簧）进一步由构架传递至车体。本文总结了空气弹簧在我国铁道车辆上的应用，研究空气弹簧实现的振动衰减作用，并探讨了其未来发展趋势。

1 空气弹簧在轨道车辆上的应用

空气弹簧具有工作高度自保持、刚度非线性、自振频率不变、高频振动的吸收及隔音性好等诸多优点，自1947年在美国铁路普尔曼车辆上首次采用以来，便愈来愈广泛的被应用。日本、美国、英国及法国在空气弹簧研究初期做了比较广泛的工作，取得了一定的理论研究及实际运用成果[2]。

我国采用空气弹簧来代替钢弹簧，最先是由第一机械工业部汽车研究所于1957年开始进行试验研究工作，并且首先装在汽车上试用。1958年，开始研究在铁道车辆上试验装用空气弹簧。装用空气弹簧后，车辆的振动性能有了显著改善[3]。上世纪五六十年代，采用空气弹簧的着眼点主要是改善车辆的垂向振动性能，至于横向振动问题仍然是靠摇动台机构来解决，这个阶段可以说是我国在铁道车辆上采用空气弹簧的第一个阶段。

为了简化转向架的结构，同时进一步提高车辆的运行品质，自上世纪60年代中叶开始，国内开始对新型膜式空气弹簧型式进行研究，我国在铁道车辆上采用空气弹簧进入第二个阶段，进一步改善了空气弹簧的性能，尤其是横向弹性性能。至20世纪末，国内在空气弹簧的试验研究和实践运用方面有了很大的进展，并且取得了较大成效。通过在我国铁路客车用空气弹簧开发过程中进行的大量的技术和试验研究，空气弹簧产品广泛用于提速列车。但需要承认的是，此时国产空气弹簧不管是整体研究水平还是实际装用率上与国际还存在不小差距[1]。

进入21世纪以后，国内部分进口铁路车辆进入检修周期，原型空气弹簧需要更换，但出于因其价格高迫切需要国内产品来代替进口产品。另一方面，按照铁道部动车组技术引进及消化吸收的总体安排，作为技术受让方，通过与国外伙伴的合作，在消化吸收国外先进技术的基础上，国产产品种类及品质均实现了质的飞跃。可以说目前国产产品整体技术指标已经可以比肩国际同行，并且在宽温域、全速度等级、复杂路况适用等特有技术指标上具备独特优势。

2 空气弹簧的振动衰减作用

空气弹簧装用于构架和车体之间，将来自于构架的振动衰减后传递至车体。本文针对某型地铁架构，在充分结合车体振动加速度的基础上，完成对相关数据的测量，从而全面地了解和把握空气弹簧对振动衰弱所产生的影响。

2.1 幅值分析

从纵向维度、横向维度、垂向维度三个方向出发，通过对车体以及构架的实际加速度讲解采集和汇总，得出如表1所示的车辆各部件加速度。

表1 车辆各部件加速度（单位：g）

从表1中的数据可以看出，与车体及构架的纵向加速度和横向加速度相比，其垂向加速度要相对较高。以垂向加速度为例，当构架垂向加速度达到了14.26g，车体最大垂向加速度仅为0.82g左右。由此可以看出，振动在经中央悬挂系统从构架传递至车体的过程中，出现了超过1个数量级的衰减，振动衰减作用明显。

需要注意的是，对于铁道车辆而言，其中央悬挂系统作为一个综合系统，主要由空气弹簧、减振器、弹性节点等多种部件组成。在这些部件中，空气弹簧是中央悬挂系统的核心部件，在垂向振动的衰减方面发挥了主要作用，其工作状态直接影响了该系统的运行性能。

2.2 频谱分析

能够表征车辆振动的参数除了振动加速度幅值和峰值以外，还有加速度频谱。通过利用加速度谱，可以间接性地了解和把握车辆系统减振效果。车体加速度频次图、架构加速度频次图分别如图1、图2所示，这两个图形象、直观地反映出了系统振动和衰减特性。

从图1、图2可以看出，无论是车体还是构架，其振动加速度小幅值所对应的频次往往较高，振动加速度大幅值所对应频次往往较低，这完全符满足系统振动相关标准和要求。但也有例外，车体垂向加速度和纵向加速度幅值与其频次之间并没有呈现出明显的线性关系，出现这一现象的原因是加速度谱分级存在差异化[4]。

图1 车体加速度频次图

图2 架构加速度频次图

3 空气弹簧的未来发展趋势

经过几十年的研究与应用，基于当前概念的空气弹簧发展已经相对成熟，其基本结构也已经定型。目前业内主攻方向还是针对橡胶材料本身，比如提升的寿命耐久性及防火性能等方面。

要谈未来发展趋势，需要跳出当前空气弹簧的既有应用场景，结合实际运用需求对其提出一些合理化发展建议。作为空气弹簧行业从业人员，对于空气弹簧未来发展趋势，笔者主要有三方面的想法：

一是主动性空气弹簧的研究。目前空气弹簧的动作指令都是被动式的接受，只有车辆已经表现出不符合预期的状态以后，空气弹簧才能接收到指令进行相应自身状态调整，使车辆恢复到预期状态。例如，空气弹簧一个重要的优点就是可以维持车辆的工作高度不变，这是通过高度控制阀来控制的。当车体出现下沉或者上升后，与车体连接的高度控制阀跟随车体一起出现下沉或上升，之后能做出相应动作控制空气弹簧的充排气，将车体再恢复到初始的高度状态[5]。而主动式空气弹簧，就是在车体在出现下沉或上升之前，主动感知到这种即将出现的变化，主动做出动作来提前避免这种情况的出现。

二是水平刚度不对称空气弹簧的研究。目前空气弹簧大都为轴对称结构，其在各个方向上的水平刚度是一致的。但鉴于车辆结构及动力学改善等原因，有时候需要空气弹簧在水平面不同方向上提供不同的横向刚度。

三是大数据智能空气弹簧研究。当前空气弹簧从数据反馈功能方面功能不足，相对孤立。如果空气弹簧能够实时监测自身参数并反馈到车辆系统上进行大数据分析与串联，则不仅能对改善车辆运行品质提供数据支撑，更能在车辆故障诊断方面提供积极作用。

4 结语

综上所述，通过将空气弹簧科学应用于铁道车辆中，可以起到衰减铁道车辆振动的作用，提高了铁道车辆运行的平稳性、可靠性和安全性，可以避免因车辆振动幅度过大而给内部零件造成不同程度的破坏，完全符合铁道车辆运行相关标准和要求。因此，空气弹簧值得被进一步推广和应用于铁道车辆中。