动车组二系悬挂空气弹簧结构特点与运用分析

摘要 基于高速动车组蓬勃发展以及相关轨道车辆装备需求提升的背景，该文重点研究轨道车辆转向架二系悬挂空气弹簧装置。文中对动车组空气弹簧运用地位、工作原理、结构特点进行了细致分析总结，并选取部分典型CRH系列车型转向架空气弹簧为案例进行探讨，关注其结构特征与运用过程中重点故障类型，为后续新一代空气弹簧的设计、制造、运维提供有益参考。

关键词 动车组；二系悬挂；空气弹簧；结构特点；运用分析

中图分类号 U266 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）19-0007-04

0 引言

高铁是我国享誉世界的一张“金名片”，也是高质量服务于人民、促进轨道运输运量大幅增长的交通方式。当前，我国高速铁路建设仍处于蓬勃发展阶段，也是今后交通规划不变的主旋律。

回顾“十三五”阶段，展望“十四五”阶段，铁路建设规划始终是我国交通运输发展长期布局的重点方向。2020年，我国超额完成了2016年国家发布的《中长期铁路网规划》中2020年的目标，2021年，国内高铁营业里程超过4万公里。在国家政策推动下，我国高铁里程逐年增长，并且已成为亿万级流量的入口，覆盖人数快速增加。2021年，“十四五”交通规划进一步提出“十横十纵”铁路建设规划。交通运输部《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》指出，预计到2025年我国铁路与高速铁路运营里程将同比增长13%、32%，分别达到16.5万公里、5万公里[1]。

因此，动车组及电动列车拥有量仍将大幅增加，形成巨大的存量市场，带动高铁设备需求的提升。

1 空气弹簧的运用地位

高速铁路的高质量发展及规模扩展离不开相关技术的不断进步，高铁线路的成功运营是基于各专业领域（如土木、材料、车辆、信号等）的协同发展。其中，车辆各系统性能直接决定着列车运行过程中的安全性、稳定性与平稳性。同时，随着我国经济的发展与国民生活水平的提高，旅客对出行质量与乘车体验感均有更高期望，也激发着轨道交通客运车辆向着快捷、舒适方向不断进步。

高速列车运行过程中的动力学性能始终是研究人员所关注重点，也是当前普通旅客感受最直观的运营品质表征。其中，高速列车运行平稳性是在安全、稳定前提下的更高追求。此前，由我国高铁引领而风靡全球的“立硬币试验”就是检验平稳运营效果的良好手段。与日本新干线、法国TGV等高速轨道线路车辆相比，我国高铁展现出人惊叹的优秀试验结果。该优秀表现一方面源于高品质线路条件，例如超长无缝钢轨、一体化道床等；另一方面源于高速动车组车辆卓越的弹簧减振效果，而空气弹簧正是客运车辆弹簧减振装置中的典型代表元件。

空气弹簧这一概念的产生与最初的应用均源自美国，而其发展阶段主要新兴于德国、法国、日本等传统轨道交通领域发达国家。由于欧洲国家及日本在轨道交通领域研究兴趣浓厚，对于空气弹簧这一结构在当时有相对深入探究，研究结果表明空气弹簧具有适配于轨道交通车辆的特质，因此后续对空气弹簧结构、材料等方面进行了不断升级、完善，最终拓展至各型客运轨道车辆。我国轨道车辆弹簧减振发展过程和高速铁路发展相比具有相似之处，可总结为“起步晚、发展快”六个字。在空气弹簧研究前期，我国在理论深耕与制造实践中均有所欠缺，加上国外进口空气弹簧技术壁垒限制，导致前期国产化设计与运用受限颇多。但随着我国社会经济的不断发展，客运线路及车辆的不断升级改造，高速轨道车辆需求的不断增加，研究人+yAcyKTvr3TRIRHajtt2qgrOaoaxmw7Mo1mNHVLRQu0=员通过大量研究与技术革新，使得我国的空气弹簧形式、材料、性能等方面也在急速发展。我国空气弹簧在高速动车组方面应用已非常广泛，同时对于空气弹簧的实际运营经验也在近年得到了长足积累。

当前，我国高速动车组技术发展成果及发展趋势已为世界瞩目，不仅有最高运营速度达380 km/h的超高速列车、运行于青藏高原等极端线路条件的高寒高速动车组，更有自主研发、统一标准的统型标动列车以及跨国界运行串联起“一带一路”沿线各国的中欧班列。这一系列的客运车辆都对车辆系统中的弹簧减振装置提出了更高要求。目前，我国动车组车辆走行部普遍装备有空气弹簧作为二系悬挂。

空气弹簧之所以能够在轨道车辆发展过程中逐步取代传统摇枕、摇动台等结构，究其原因，主要是其独特的材料特性与结构特点使得空气弹簧具有适配于轨道车辆性能提升要求的突出优势。装备有空气弹簧作为悬挂装置的走行部，其动力学性能得到显著提升，间接影响车辆的轮轨作用力与稳定性和安全性，直接影响旅客的乘坐舒适性。

2 空气弹簧结构与工作原理

空气弹簧的本质是压缩空气和橡胶结构的结合体，根据不同橡胶结构承载方式，空气弹簧在发展过程中主要分为“囊式”与“膜式”两种，对于轨道交通车辆，特别是高速客运车辆，囊式空气弹簧虽然承载能力强，但由于其刚度大，且结构形式及力学性能对于轨道客运车辆适应性不佳，基本为膜式空气弹簧所取代。

膜式空气弹簧主要包括约束膜式与自由膜式[2]。前者由于橡胶结构被限制于金属套筒内，所以被称作“约束膜”，该结构虽然有利于提升空气弹簧垂向刚度调节性，不过在运用过程中由于不可避免的振动激扰，空气弹簧囊体会和金属筒壁不断摩擦，从而产生热量积累与较为严重的损伤。同时，该囊体损伤因为隐性产生于金属壁内，不易在日常检查中发觉并及时处理，所以部件更换率高，运用成本显著增加。随着空气弹簧技术的发展，“约束膜”式空气弹簧目前已基本淘汰，当前主流轨道客运车辆二系悬挂所用空气弹簧为自由膜式，基本外形如图1所示。

自由膜式空气弹簧取消了金属套筒结构，同时采用了自密封形式，结构简化，重量较轻，如图2所示。该形式空气弹簧主要由定位柱、上盖板、下盖板、气囊、应急橡胶弹簧（橡胶堆）、节流孔、附加气室等结构组成。定位柱起对于车体的定位作用，车体直接落于上盖板被空气弹簧承载。辅助气室与节流孔联合作用，控制压缩气体经阻尼孔以一定速率在气囊与辅助气室之间流通，提供良好减振效果。应急橡胶弹簧在正常运行时承担部分载荷，同时该结构主要针对紧急情况，例如气囊气体大幅泄漏甚至气囊爆炸，此时应急橡胶堆将弹性支承车体，保障车辆运行安全[3]。但此时应急橡胶堆所提供的三方向刚度性能较完整空气弹簧差，且存在一定程度车体倾斜，因此列车需及时降速运行。

空气弹簧的工作原理为通过控制橡胶囊内的压缩气体状态实现列车运行刚度需求。橡胶囊内充压缩空气形成刚度可调节的弹性支承体，且其刚度特性适配于高速客运列车动力学性能需求。同时，空气弹簧主体配合关键结构——高度调整阀使用，可以保证在空、重车状态下空簧高度基本一致。车辆在直线运行状态下，随簧上载荷的变化进行高度控制，同时不因车体正常振动发生充、排气作用；车辆过曲线时，离心力作用下车体侧向偏移，造成载荷不均，此时两侧高度调整阀将分别进行充、排气，从而减少车辆倾斜。具体工作逻辑如图3所示。

3 动车组空气弹簧案例与运用关注点

3.1 CRH1型动车组空气弹簧

CRH1型动车组采用了“故障导向安全”的设计理念，并基于第一代高铁CRH1技术，同时借鉴了CRH380D的设计，走行部采用无摇枕高速转向架，具有舒适度高、轮轨力低、低噪声、低振动等特点。其中二系悬挂空气弹簧组成如图4所示，包括上盖板、气囊（大曲面囊式结构）、磨耗板、辅助弹簧（锥型橡胶堆）、扣环、底板等结构。气囊与辅助弹簧串联，协同实现车辆垂、横向的柔性减振功能。辅助弹簧在紧急情况下提供支承功能，其锥型结构具有适宜的垂、横向刚度，保障安全的同时兼具运行平稳性。

1.上盖板；2.磨耗板；3.辅助弹簧；4.气囊；5.扣环；6.底板

3.2 CRH2型动车组空气弹簧

CRH2型动车组原型是日本川崎重工生产的E2-1000型新干线列车与700系新干线列车，通过技术引进、消化吸收和自主创新三个阶段发展，由中车青岛四方机车车辆股份有限公司制造。CRH2型动车组具有性价比高、故障率低、运用成本低的特点，在各高铁线路广泛使用。该车型使用自由膜式空气弹簧，结构组成如图5所示。其中，橡胶囊有效直径为528 mm，工作高度为200 mm，应急橡胶结构为硫化钢板层叠橡胶堆。转向架构架设计有空气弹簧支撑梁，空气弹簧通过导筒与横梁相通作为空气弹簧附加空气室[4]。

1.橡胶囊；2.上盖板；3.下盖板；4.底板；5.橡胶堆

3.3 CRH5型动车组空气弹簧

和谐号CRH5型电力动车组是中国铁路第六次大提速背景下引进国外技术改造的客运列车种类之一，主要服务于北部干线或区际铁路，构造速度250 km/h。CRH5型动车组转向架由中车长春轨道客车股份有限公司设计制造，中央悬挂采用空气弹簧系统[5]，当前中车四方车辆研究所有限公司与高速动车组平台对接，为CRH5型动车组提供空气弹簧。该型号空气弹簧结构组成如图6所示，主要包括底板、应急弹簧、橡胶囊、扣环、上盖板、摩擦块、密封圈等结构。应急弹簧同样采用锥型橡胶堆结构，具有较为适宜的刚度特点，满足特殊情况下运营需求。

3.4 空气弹簧运用关注点

随着动车组车辆运营时间、里程的不断积累，我国轨道车辆技术于运用维护方面已具备丰富经验。其中，转向架作为车辆系统核心结构，是多年运维中重点关注对象。因此，对于二系空气弹簧运行情况具有良好总结。下面基于上述CRH系列动车组转向架空气弹簧实际运用案例对其常见故障进行分析、总结。

3.4.1 漏气现象

空气弹簧气囊大幅漏气情况并不常见，日常运维过程中漏气现象主要发生在气囊上侧与上盖板自密封处，扣环与上盖板、扣环与橡胶囊处，漏气幅度缓慢，主要发生于气温较低环境内[5-6]。该现象产生原因主要为橡胶元件对于温度较为敏感，温度降低后发生“冷缩”，影响与上盖板间自密封性能或影响螺栓预紧力，造成一定泄漏现象。由于该泄露量通常较小，对运营性能影响较小，微型泄露可在记录后进行相应处理，反之大型泄露需及时降速运行并更换处理。

3.4.2 气囊裂纹

空气弹簧气囊外层出现裂纹与划痕。气囊外层橡胶主要为防护层，由于转向架位于车辆底架下方，环境条件相对较为恶劣，一方面由于异物侵入造成外层划伤，另一方面外层橡胶连接处由于表面清洁状态等原因影响其黏结强度，从而可能在应力循环状态下产生疲劳裂纹。通常情况下，当裂纹未扩展至空气弹簧内部帘线层时无须立即更换。

3.4.3 气囊鼓包

外层橡胶出现局部软鼓包现象，鼓包区域小，通常会随时间膨胀，同时鼓包内部为空气填充[6]。该现象形成原因是空气弹簧内部空气渗透进气囊外层橡胶与帘线层之间粘连欠紧密区域。由于气囊鼓包发展非常缓慢，且不影响车辆运营安全，在直径小于50 mm情况下可记录后继续关注，或实施穿刺后继续使用。

3.4.4 橡胶瘤

橡胶瘤多发于紧急橡胶堆（硫化钢板形式）结构，由于金属与橡胶表面清洁状态等原因影响二者黏结强度，造成橡胶材料与金属剥离，且在垂向载荷作用下挤压形成橡胶瘤结构[7]。该结构将影响紧急橡胶堆性能与尺寸参数，需及时进行更换处理。

4 结论

空气弹簧是当前我国高速轨道交通车辆二系悬挂装置普遍采用结构，具有显著的运用地位，其性能直接影响轨道车辆动力学性能，直观反馈于旅客乘车体验感。动车组空气弹簧结构性能随着轨道车辆需求不断进步完善，具有适配轨道交通车辆的典型特点，包括低刚度、非线性、内阻高、高度稳定等[8-9]。我国CRH系列高速动车组在空气弹簧的运用过程中一方面经过技术引进、创新发展等阶段目前已具备成熟技术储备，另一方面各运营单位在使用过程中积累了丰富的运用经验，为今后新一代动车组空气弹簧的设计、制造及运用维护提供了有益参考。

参考文献

[1]从政策看工程勘察设计行业发展新趋势[J].中国勘察设计，2023（1）：53-60.

[2]叶特.中国标准动车组用空气弹簧的研制[D].成都：西南交通大学，2018.

[3]潘彦君.高速车辆空气弹簧悬挂系统动力学及故障影响分析[D].兰州：兰州交通大学，2021.

[4]徐涛.CRH2动车组空气弹簧力学性能有限元分析[D].兰州：兰州交通大学，2014.

[5]王小虎，龚忠鑫，唐红连，等.CRH5型动车组用空气弹簧常见故障及分析[J].铁道车辆，2015（6）：38-40+6.

[6]范湘，周军，王亚平，等.某型动车组空气弹簧金属部件使用寿命分析[J].机械工程师，2023（10）：130-132.

[7]安庆国.CRH1型动车组空气弹簧常见故障分析与处理[J].电力机车与城轨车辆，2020（4）：82-84+90.

[8]石谨瑞，覃勇，何健.简述高速动车组空气弹簧特性及发展趋势[J].内燃机与配件，2017（20）：50-51.

[9]祝启峰.高速动车组二系悬挂空气弹簧的研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2018.

收稿日期：2024-08-18

作者简介：贺文锦（1992—），女，硕士，讲师，研究方向：轨道交通运输与装备。

基金项目：校级教科研项目“典型动车组转向架空气弹簧工作原理与演示模型研究”（GDCP-ZX-2022-028-N1）