CRH380BL高速列车空气弹簧

1摘要在普通机车车辆中，常常采用弹簧装置来缓冲冲击，使列车平稳运行，从而改善车辆横向运动性能和曲线通过性能。在高铁迅猛发展的今天，普通机车传统的弹簧装置已经无法满足CRH系列动车组的列车性能要求了，所以采用圆弹簧，橡胶弹簧以及空气弹簧。圆弹簧和橡胶弹簧常常用于一级悬挂系统中，而空气弹簧则主要应用于二级悬挂系统中。本文主要介绍的是CRH380BL动车组空气弹簧悬挂装置的分析与改进。关键词：二系悬挂装置空气弹簧设计改进2目录第1章空气弹簧简介...........................................11.1空气弹簧原理............................................11.2空气弹簧分类............................................11.3空气弹簧特点............................................21.4空气弹簧在CRH380BL的应用...............................3第2章CRH380BL空气弹簧的结构原理与结构分析...................52.1CRH380BL空气弹簧系统的工作原理..........................52.2空气弹簧系统的结构......................................52.2.1空气弹簧..........................................52.2.2高度阀............................................62.2.3差压阀............................................82.2.4抗测滚扭杆........................................82.2.5抗蛇行减振器.....................................112.2.6二系横向减振器...................................112.2.7二系垂向减振器...................................122.3CRH380BL整体转向架特点.................................12第3章日本空气弹簧系统........................................153.1日本新干线高速动车组二系悬挂空气弹簧技术...............153.1.1抗蛇行减振器.....................................163.1.2半有源悬挂和有源悬挂.............................16第4章CRH380BL空气弹簧的设计改进分析........................174.1空气弹簧的支撑方式.....................................174.2垂向减振器方式的选择...................................174.3空气弹簧气囊大小的选择.................................184.4存在问题...............................................204.5分析问题...............................................2034.6改进方案...............................................21参考文献.......................................................23致谢.........................................................2411第1章空气弹簧简介空气弹簧是一种在可伸缩的密闭容器中充以压缩空气，利用空气可压缩性实现其弹性作用。空气弹簧具有较理想的非线性弹性特性，加装高度调节装置后，车身高度不随载荷增减而变化，弹簧刚度值可以设计得较低，乘坐舒适性好。但空气弹簧悬架结构复杂、制造成本较高。1.1空气弹簧原理工作原理是在密闭的压力缸内充入惰性气体或者油气混合物，使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用活塞杆的截断面积小于活塞的截断面积从而产生的压力差来实现活塞杆的运动，由于原理上的根本不同，所以气弹簧比普通弹簧有着很显著的优点：速度相对缓慢、动态力变化不大（一般在1∶2以内）、容易控制；缺点是相对体积没有螺旋弹簧小，成本高、使用寿命相对较短。1.2空气弹簧分类空气弹簧按气囊的结构形式可以分成囊式、膜式和复合式三种。囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气组成。气囊的内层用气密性的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。气囊一般做成如图1所示的两节，但也有单节或三、四节的。节数越多，弹性越好，但密封性差，节和节之间围有钢制的腰环，使中间部分不致有径向扩张，并防止两节之间相互摩擦。气囊的上下盖板将气囊密闭。图1囊式空气弹簧图如图2膜式空气弹簧的密闭气囊由橡胶膜片和金属压制件组成。与囊式的相比，其弹性弹性曲线比较理想，因其刚度较囊式较小，车身自然振动频率较低；且尺寸较小，在车上便于布置，故多用于轿车上。2图2膜式空气弹簧图从结构上看，复合式空气弹簧，是介于囊式和膜式之间的一种型式，它综合了上述两种空气弹簧的优点，具有较低的弹簧刚度，但制造工艺复杂。空气弹簧的质量比任何弹簧的质量都小，且寿命较长，但高度尺寸较大，适用于在大型车辆上的布置，故近年来在大型客车上，尤其是高档豪华大客车上已经得到广泛的运用。1.3空气弹簧特点刚度小，当量静挠度大。空气弹簧能大幅度地增加当量静挠度，可使弹簧悬挂装置设计得很柔软，这样可降低车辆的自振频率。具有非线性特性。空气弹簧具有非线性特性，可以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，刚度显著增加，可限制车体的振动幅度。刚度随载荷变化。空气弹簧的刚度随载荷而变化，从而可基本保持空、重车时，车体自振频率几乎相等，使空、重车不同状态的运行平稳性几乎相同。高度可调节。空气弹簧和高度调节阀并用时，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。可充分利用和横向弹性。同一空气弹簧可以同时承受三维方向的载荷，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，从而简化节，减轻自重。能产生适宜阻尼。在空气弹簧本体与附加空气室之间设有适宜的节流孔，可3以产生适宜的阻尼，以代替垂向液压减振器。具有吸振和隔音性能。空气弹簧具有良好的吸收高频率振动和隔音的性能。空气弹簧的缺点：结构复杂，附件多，制造成本高，维修检修复杂。1.4空气弹簧在CRH380BL的应用空气弹簧广泛应用于商业汽车、巴士、轨道车辆、机器设备以及建筑物记作的自调节式空气悬挂。气弹簧又被称为支撑杆、调角器、气压棒、阻尼器等。在CRH380BL中所采用的是膜式空气弹簧中的自由膜式空气弹簧。在膜式空气弹簧中还可以分为约束膜式空气弹簧和自由膜式空气弹簧两种。约束膜式空气弹簧：在内、外筒将橡胶囊约束在内，如图3所示。图3约束膜式空气弹簧图特点：刚度小，振动频率低，可方便地通过调整约束裙（内、外筒）的形状来控制其弹性特性。但橡胶囊（膜）工作状况复杂，耐久性差。自由膜式空气弹簧：无内、外约束筒，如图4所示。图4自由膜式空气弹簧图特点：无约束膜橡胶囊变形的内、外筒，可减轻橡胶囊的磨耗，提高使用使用寿命；安装高度低，可明显降低车辆地板面距轨面的高度；具有良好的负载特4性，其弹簧特性可通过改变上盖板边缘的包角加以调整；重量轻。根据以上各种空气弹簧的夜店，在现代机车车辆上，自由膜式空气弹簧应用最广泛。我国引进并合作声场的告诉动车组CRH1、CRH2、CRH3和CRH5所采用的空气弹簧，尽管结构尺寸各不相同，但均属于自由膜式空气弹簧。另外，空气弹簧的橡胶囊由内、外橡胶层、帘线层和成型钢丝圈组成。其中：空气弹簧的载荷主要是由帘线承受，而帘线的材质对空气弹簧的耐压性和耐久性起着决定性作用，故采用高强度人造丝，维尼龙或卡普隆作为帘线。5第2章CRH380BL空气弹簧的结构原理与结构分析2.1CRH380BL空气弹簧系统的工作原理一般空气弹簧系统由列车主风管、T形支管、截断塞门、滤尘止回阀、空气弹簧贮风缸、连接软管、高度控制阀、空气弹簧本体、差压阀和附加空气室等组成，空气弹簧系统工作原理(即压力空气传递过程)，如图5所示。图5空气弹簧装置工作原理图1--列车主分管；2--空气弹簧截断塞门；3--高度阀截断塞门；4--高度控制阀；5--空气弹簧；6—差压阀；7—附加空气室；8—节流阀压力空气：列车主风管1→高度阀截断塞门3→高度控制阀4→空气弹簧截断塞门2→空气弹簧5→节流阀8→附加空气室7。空气弹簧系统式转向架构架与枕梁之间的悬挂装置。空气弹簧系统确保了车体与构架之间的距离保持不变。2.2空气弹簧系统的结构2.2.1空气弹簧弹簧悬挂装置的性能是影响车辆运行平直的重要因素之一。空气弹簧能使车辆获得良好的垂向和横向性能。如图6所示。空气弹簧由胶囊与橡胶堆组成，胶囊与橡胶堆串联工作，通过对两个部件的优化，可以获得较高的乘坐舒适性。在正常工况下（充气状态），橡胶堆有助于胶囊适应转向架的转动如果胶囊失效，6橡胶堆将独立工作，此时上盖的下表面与橡胶堆顶部的磨耗板接触，磨耗板采用特殊制造确保获得较低的摩擦系数（0.08-0.12）。该系统刚度小，可以使车辆获得较高的乘坐舒适性，悬挂系统仍然能够安全的进行工作，不会影响到列车车辆的运行安全性。图6空气弹簧图2.2.2高度阀高度阀的主要作用及要求是维持车体在不同静载荷作用时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。高度阀组成主要包括高度阀座、高度阀、水平杆、螺纹杆、调节环和下座等部件，如图7所示。图7高度阀图7高度控制阀的主体采用螺钉固定在高度阀座上，阀座与枕梁相连，而该阀的阀杆铰接在转向架构架上。高度阀在装修价上的位置，如图8所示。车辆高度阀调节车辆垂向位移的不敏感带约为±3mm，此时空气停止流通，避免空气的过度消耗。超出不敏感带之后，空气流通保证了悬挂系统的减振功能。空气悬挂设备的空气信号与旅客载荷成比例，并传送到制动控制单元，用以计算制动力。为了保持车体距离轨面的高度总是不变，在车体与转向架间装有高度调节阀，调节空气弹簧胶囊中的压缩空气（充气，放气或者保持压力）使车辆地板不受车内乘客的多少和分布不均的影响，始终保持水平。其调节原理如下图8：图8高度阀调节原理图在正常载荷位置，即h=H时，充气通路V→L和放气通路L→E均关闭。当车载荷增加时，此时hH，阀动作，使V→L通路开启，压缩空气向空气弹簧充气，直至地板面上升到指定高度（即h=H）为止。当车体载荷减小时，此时hH，阀动作，使L→E通路开启，空气弹簧向大气排气，直至地板面下降到标定高度（即h=H）为止。82.2.3差压阀每台转向架的两只空气弹簧都通过差压阀相连，如果一侧气囊突然破裂或破坏，差压阀将开通，使转向架的两只气囊保持压力平衡。这样可防止客车由于一只气囊充气而另一只气囊没有充气而向一边严重倾斜。差压阀工作原理如图9所示对比差压阀连接与气管连接的优势：在曲线上时，左右两只气囊必须保证一定的压差，否则车体将会发生倾斜。车体左右摇摆振动时，也必须保证一定的压差，否则将加剧摇摆。当车体的自重或载重左右两侧有偏差时，将造成车体倾斜。图9差压阀图2.2.4抗测滚扭杆抗测滚扭杆是一根弹性杆，他