CRH2型高速列车空气弹簧悬挂装置.docx

1、CRH2型高速列车空气弹簧悬挂装置摘 要随着高速动车组在我国铁路客运中所占比例不断增长，高速动车组的安全性和舒适性也越来越得到重视，而空气弹簧悬挂装置在这方面的作用是十分巨大的。分析和改进空气弹簧悬挂装置，将对我国铁路迈向高速时代，起到至关重要的作用。本毕业设计通过对国内外高速列车空气弹簧悬挂装置的介绍，分析了空气弹簧悬挂装置的各个部件及其作用。同时以CRH2300型动车组为对象，对其空气弹簧悬挂装置进分析，总结出优点与不足，最后提出优化改进方案。关键词：空气弹簧悬挂装置；分析；改进CRH2型高速列车空气弹簧悬挂装置分析与改进第1章 绪论1.1研究背景随着我国高速铁路的快速发展，高速动车组的运

2、营里程日益增加、开行密度不断提高，如何保障高速动车组在高运营强度下的行车安全与可靠性，已成为中国铁路的研究焦点。空气弹簧悬挂系统作为高速转向架的关键技术之一，在提高动车组动力学性能的同时，对其气动装置复杂、材料非线性、依靠气体流动减振等特点进行分析。鉴于此，本论文以国内高速动车组用空气弹簧为研究对象，对其结构进行分析与改进，以期为保障空气弹簧故障模式下高速动车组的运行安全提供一定的理论参考。1.2研究思路在对高速动车组空气弹簧悬挂装置的优化研究中，始终坚持以当前所了解到的动车组二系悬挂系统为基础，依据铁道部颁发的各类作业标准、规章，紧密结合现场实际情况，研究优化当前空气弹簧悬挂装置，并投入实践

3、检验，从实践中不断的修改完善研究的系统模型，真正使研究的内容和成果与现场实际的相一致，有相当高的价值。第2章 国外空气弹簧悬挂装置的分析2.1瑞典X2000型摆式列车瑞典X2000型摆式列车的拖车转向架二系悬挂由空气弹簧、上摇枕、下摇枕、和橡胶堆组成。空气弹簧置于车体与上摇枕之间，下摇枕通过橡胶堆座落在构架侧梁上。其动车转向架为无摇枕结构，空气弹簧直接座落在构架上，该弹簧具有非线性的特性，二系悬挂还设有垂向和横向减振器及抗侧滚扭杆。表1 X2000型拖车转向架技术参数项目技术参数项目技术参数最大轴重（KN）140总质量（t）8.3最高速度（Km/h）220一系悬挂人字形金属橡胶弹簧轴距（mm）

4、2900二系悬挂空气弹簧总长度（mm）4200垂向、横向阻尼液压减振器轮径(新/旧)（mm）880/820抗蛇形阻尼液压减振器车体支撑点高度（mm）1205制动装置轴装式盘型制动+磁轨制动2.2 德国第二代ICE客车德国第二代ICE客车采用新型转向架，在ICE3客车的动车转向架、拖车转向架都采用无摇枕转向架，均采用串有橡胶堆的空气弹簧作二系弹簧。 二系悬挂采用高挠螺旋钢弹簧。转向架每侧2根二系弹簧并联1个垂向液压减振器、1个横向液压减振器和1个抗蛇行减振器。二系弹簧两端装有圆形平橡胶垫。二系弹簧两端采用固定定位方式，具有较高的弹簧稳定性。橡胶垫主要作用是隔离高频振动。在弹簧受横向力时，橡胶垫不

5、能起降低弹簧剪切应力的作用。ICE二系高挠圆簧是一种在高应力状态下工作的弹簧，在工作高度下，应力为781MPa，运行时要承受着20%左右的垂向动负荷和转向架相对车体回转的横向变形载荷，极限工况下应力可达1118MPa。高应力的高挠圆簧的制造需要较复杂的工艺手段。二系采用具有横向特性软的高挠圆簧并联抗蛇行减振器，可以大大改善高速下的横向动力学性能及曲线通过性能。高挠圆簧的结构参数为：弹簧中径242mm，簧条直径46mm，有效工作圈数7，自由高度613.1mm，弹簧工作高444mm，当量摆杆长度404.9mm，当量摆频率0.78Hz。所采用的材料为51CrMoV4(DIN17221)。图1 ICE

6、客车转向架视图2.3 法国第二代TGVA列车法国第二代TGVA列车其拖车采用Y237型转向架，Y237型转向架中央弹簧为空气弹簧，直接座落在U型构架侧梁上。这种RS10二系悬挂装置在垂向和横向都具有很大的柔性。RS10空气弹簧上部设有一个大容量的筒形附加气室，空气弹簧的两侧装有专门的裙边，以使其横向刚度随位移增加而增大。1-承载框架；2-固定框架;3-弹性球形铰接部；4-抗侧滚减振器；5-二系高柔圆簧减振器；6-轴箱减振器；7-带滚轮连接器；8-抗蛇形减振器；9-弹性缓冲垫；10-二系横向减振器图2 TGVA型转向架铰接方式结构图2.4 日本300系、400系、500系、700系客车300系客

7、车转向架上采用大横向变位，小横向刚度自由膜式空气弹簧作二系悬挂，采用板式可变节流孔，加装抗蛇形减振器。空气弹簧下部设有一个四层橡胶堆，当空气弹簧无气时用来支承车体重量。空气弹簧标准工作高度为201mm，工作压力为0.37MPa，有效直径为500mm，最大横向变位可达100mm。400系客车采用无摇枕转向架形式，也采用自由膜式空气弹簧作二系悬挂，上盖板为铝合金，下部由一个四层橡胶堆支承，空气弹簧标准工作高度为190mm，工作压力为0.46MPa，气囊小半径为60mm，装有板式可变节流阀，最大横向变位可达100mm。500系试验列车空气弹簧采用自由膜式结构，两空气弹簧间距2600mm，有效直径为5

8、00mm，空气弹簧标准工作高度200mm，工作压力为0.39MPa，附加气室容积70L，与300系和400系的主要区别为：500系空气弹簧外侧有裙边，用以改善弹簧的横向特性，把可变节流孔改成固定节流孔，通流直径减小到13mm。700系主要采用了非线性空气弹簧，使空气弹簧特性在直线行车时较软，在曲线行车时较硬，从整体上改善了乘坐舒适性，同时进一步增大了两空气弹簧之间的距离，以提高车辆的抗侧滚能力。表2 日本新干线高速动车组空气弹簧主要参数列车系列300系400系500系700系车辆类型MTMTMT空气弹簧形式自由膜式自由膜式自由膜式自由膜式自由膜式自由膜式空 车压力（MPa）0.300.320.

9、420.390.410.36垂向刚度(N/mm)176186262225392363横向刚度（N/mm）163167160137260230220纵向刚度（N/mm）163167160137230220标定载重压力（MPa）0.370.370.460.390.440.44垂向刚度(N/mm)196196280245411411横向刚度（N/mm）172172182147270236236纵向刚度（N/mm）172172182147236236标准工作高度（mm）201201190200210210辅助空气室容积（L）63.563.560707070节流孔类型可变可变可变固定可变可变节流孔直径（

10、mm）13最大水平方向允许变位（mm）100100100110110110第3章 国内空气弹簧悬挂装置的分析3.1 CRH2型空气弹簧悬挂装置的组成CRH2型动车组转向架空气弹簧悬挂装置主要由空气弹簧系统、牵引装置、横向减振器、抗蛇形减振器及横向缓冲橡胶止挡等零部件组成。每辆车体及其以上所有重量通过4个空气弹簧传递给两个转向架，纵向力（牵引力或制动力）由牵引拉杆传递，而横向力则由空气弹簧和横向缓冲橡胶止挡共同传递。空气弹簧是车体与转向架之间的重要悬挂组件。主要作用除支承车体载荷外，还可以隔离转向架构架的振动，并通过曲线过程中通过变位实现车体与转向架间的相对旋转和横移。因此，空气弹簧是空气弹簧悬

11、挂装置中的关键零部件，是影响车辆平稳性的关键因素。3.1.1空气弹簧装置空气弹簧装置主要包括空气弹簧及其附属高度调整阀，调整阀保温箱及差压阀等。空气弹簧采用自由膜式气囊，与下部的迭层橡胶堆组成一体。1、空气弹簧的特点垂向变形由空气弹簧本体（即气囊）和其下部的迭层橡胶堆共同承担，确保垂向大变形量;水平方向，一方面利用迭层橡胶堆进一步降低刚性，另一方面通过改变气囊形状，可以产生一定的阻尼，以改善乘坐舒适性。2、空气弹簧的工作原理图3 空气弹簧装置工作原理压力由列车主风管1高度调节阀塞门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附加气室7。一般空气弹簧装置由列车主风管、T型支管、截断塞门、滤

12、尘止回阀、空气弹簧贮风缸、连接软管、高度调整阀、空气弹簧本体、差压阀和附加气室等组成，空气弹簧系统工作原理（即压力空气传递过程）见图3。3、空气弹簧结构空气弹簧主要由橡胶气囊、上下盖板、橡胶堆等零部件组成（见图4），空气弹簧采用上进气设计，压缩空气经过高度调整阀进入橡胶气囊和构架内腔形成的附加空气室，橡胶气囊和附加空气室间设直径为14mm的节流孔，空气通过节流孔时产生的节流效应构成二系悬挂的垂向阻尼。图4空气弹簧1：橡胶气囊 2：上盖板组成 3：橡胶堆 4:下盖板组成当空气弹簧上盖板相对于底座产生垂向位移时，空气弹簧内的气体容积发生变化，引起压力的变化，空气弹簧与附加气室之间产生的压差迫使气体

13、流过节流孔。由于气体流过节流孔时流通面积减小，节流孔对气体的流动产生阻碍作用。同时空气弹簧垂向变形时由于气囊形状的改变，引起气囊与上盖板和底座接触面积的改变，因此空气弹簧的垂向动态特性比较复杂。节流孔对气体流动的阻碍作用引起空气弹簧动态刚度和阻尼的变化，而且随激扰频率的改变而改变。动态刚度和阻尼的改变影响到车体振动的固有频率和衰减率，影响到车体振动的衰减特性，从而影响到车辆运行的舒适性。由于空气弹簧垂向动态特性规律具有一定的复杂性，因此节流阀参数对空气弹簧振动特性的影响有着非常重要的意义。CRH2型动车组空气弹簧节流孔为固定节流孔。橡胶气囊底部橡胶堆的作用是在车体与转向架产生大位移是补偿橡胶气

14、囊本身的变位不足，并且在空气弹簧橡胶气囊出现故障条件下仍具有一定的弹性，下盖板上贴有摩擦系数很小的滑块，一旦空气弹簧破损，允许上下盖板之间产生相对纵横向位移，起到应急弹簧的作用。(产品需要按照JISE4206进行规定的特性试验和其它型实验)(CRH2型动车组转向架空气弹簧的有效直径为525mm)3.1.2高度调节阀为保持车体距轨面的高度不变，在车体与转向架之间装有高度调节阀，调节空气弹簧橡胶囊中的压缩空气（充气、放气或保持压力）。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。图5 高度调节阀调节原理1.高度调节阀调节原理（见图5）在正常载荷位置，即h=H时，充气通路VL和放气通路

15、LE均关闭；当车体载荷增加时，此时hH，阀动作，使VL通路开启，压缩空气向空气弹簧充气，直至地板面上升到标定高度（即h=H）为止；当车体载荷减小时，此时hH，阀动作，使通路开启，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。注：h车体相对构架实际高度 H车体相对构架标定高度2.高度调整阀工作过程高度调整阀的工作过程分为进气过程和排气过程。（见图6、图7）图6 载荷增加进气过程图7 载荷减少排气过程上述调整只能在静态时进行，不能影响车体与转向架间的正常振动。高度调整阀必须要有如下特性：不带感（101mm）；空气流量2030s；时间延迟（31s）工作角度30。注：空气流量的测定引用

16、了JRISE411712005中的9.5“流量试验”。进气过程：将进气通路连接到压力保持在490kpa的气源上，将空气弹簧通路与在大气压下容量为40L的储气罐相连，把检测端从中立位置向进气方向快速移动20mm，测量储气罐内的压力升高到196kpa的所需时间。排气过程：将检测端置于中立位置把空气弹簧通路与容积40L，压力为490kpa的储气罐相连，将检测端向排气方向快速移动20mm，检测储气罐内的压力降至294kpa的所需时间。3.1.3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损坏，差压阀将开通，使转向架的两只气囊压力保持平衡。这样可以防止列车由于一只气囊充气而另一

17、只气囊没有充气而向一边严重倾斜。差压阀的工作原理（见图8）图8 差压阀的工作原理为什么要用差压阀而不是直接用一根气管将左右两只气囊连接起来呢？这是因为：1、在曲线上时，左右两只气囊必须保持一定的压差，否则车体将严重倾斜；2、车体左右摇摆振动时，也必须保持一定的压差否则将加剧摇摆；3、当车体的自重或载重左右两侧有偏差时，将造成车体倾斜。注：该差压阀的型号为DP5，其设定的压力差为（15020）KPa（1.5Kgf/cm2）。3.1.4横向悬挂装置横向悬挂装置提供车体和转向架之间横向上的弹性。中心销和转向架构架之间装有横向减振器用来为横向转向架运动减振，缓冲器为横向悬挂系统中的部件，同其它二系部件

18、一同用以吸收由轨道道床不规则性和横向加速度造成的横向力。为限制横向运动，转向架构架上装有止挡。通过更换调整垫，此止挡可相对转向架中心进行调节。3.1.5抗蛇形减振器抗蛇形减振器（图9）组成安装在横向构件与转向架之间，用来抑制转向架相对与车身的快速旋转运动，由于抗蛇形减振器具有与安全相关的功能，其配合是有冗余量的，例如在转向架每侧各有两个抗蛇形减振器。图9 抗蛇形减振器结构图3.1.6横向缓冲橡胶止挡横向缓冲橡胶止挡为横梁和转向架之间的固定止挡，并且限制纯粹横向运动和转向架旋转所造成的最大移动。横向缓冲橡胶止挡仅在紧急停车时才使用，正常运行时不使用。3.2 CRH2型空气弹簧悬挂装置的特点空气弹

19、簧具有非线性特征，可根据车辆振动性能的需要，设计出比较理想的特性曲线，在振动较小时刚度降低，在振动位移增加时刚度也随之增长。空气弹簧的刚度可以选择得很低，以降低车辆的自振频率，提高车辆的运行稳定性。空气弹簧可同时承受3个方向的载荷，从而可取代传统转向架的摇动台，简化了结构，减轻了质量。空气弹簧刚度随负载变化而变化，可保持空、重车时车体的自振频率几乎相等，从而使运行稳定性基本相同。空气弹簧和过度控制阀可使车体在不同静载荷下，保持车辆地板和轨面之间的高度基本不变。空气弹簧具有良好的吸收高频振动性能和隔声性能。空气弹簧的附件较多（如高度控制阀、差压阀等），增加了维修工作量，运用成本较高。第4章 优化

20、改进后的空气弹簧设计方案4.1二系悬挂系统设计高速转向架的二系悬挂系统多采用无摇枕的空气弹簧悬挂系统（见图10）。因为空气弹簧具有很多优点，它具有较大的当量弹簧挠度，自振频率和工作高度基本不随载荷变化，内部可设置节流孔提供等效阻尼等。但在选用空气弹簧时应注意以下几个问题（以CRH2300型为例）。图10 转向架的无摇枕空气弹簧悬挂系统4.1.1空气弹簧的支撑方式对于双向运行的列车，空气弹簧通常采用4点支撑和2点支撑。对于4点支撑来说，它是一种超静定约束，容易引起车体过大偏载，因此需要慎重设置高度控制阀和差压阀参数；对于2点支撑来说，车体偏载问题可以得到有效解决，但车体的侧滚角刚度不足，需要增设

21、抗侧滚扭杆，因此转向架结构会复杂一些，同时如果抗侧滚扭杆刚度选择不当，还会传递高频振动给车体。4.1.2垂向减振方式的选择利用空气弹簧内部的节流孔来取代垂向油压减振器，可简化转向架的结构，但节流孔阻尼抑制高频振动的效果好，而衰减低频振动的效果略显不足，而油压减振器的效果则相反。因此，对于高速列车在客运专线上高速运行时，采用适当直径的节流孔即可获得较好的减振效果，而当高速列车需要在既有线上以较低速度运行时，最好采用垂向油压减振器来衰减垂向振动。二系横向减振器对于衰减车辆横向振动功不可没，但并非横向减振器阻尼越大越好。高速转向架的横向阻尼不宜取得过大（横向阻尼过大，车辆系统临界速度和乘坐舒适度都会

22、下降），如果每个转向架安装2个横向减振器，每个横向减振器的阻尼选取2030KN*S/m。即可达到较好的效果。为了避免把过多的高频振动传给车体，二系横向减振器的接头刚度也不宜选取过大，二系横向减振器的接头刚度一般选取在10MN/m左右比较好。4.1.3空气弹簧气囊大小的选择油压车辆的横向和垂向平稳性跟空气弹簧的横向刚度和垂向刚度有很大关系，刚度越小，车辆系统的平稳性越好。而空气弹簧的横向刚度主要取决于气囊的大小和结构，垂向刚度不仅与气囊的大小有关，而且和附加气室的大小也有关系，增大气囊可以同时降低空气弹簧的横向和垂向刚度；此外，大气囊和小气囊空气弹簧对频率的响应是有区别的，在低频阶段，即使能把大

23、小气囊空气弹簧的刚度做成相等，但随着频率的提高，大小气囊空气弹簧的刚度差别会逐渐拉大图，因此大气囊空气弹簧隔离高频振动的效果要优于小气囊空气弹簧。所以，为了有效隔离高频振动，改善车辆系统的平稳性，应尽可能选择较大气囊的空气弹簧。4.1.4抗蛇形减振器的选择对于二系悬挂系统来说，抗蛇形减振器必不可少。为了提高高速列车的临界速度，同时又不过分降低其曲线通过性能，抗蛇形减振器的卸荷速度dv和卸荷力dF必须精心设计，增大抗蛇形减振器的卸荷力dF而减小卸荷速度dv不仅能提高车辆运动稳定性，也能提高车辆系统的平稳性，当然对曲线通过性能会有一定的恶化作用。根据理论分析和运营经验来看，高速转向架抗蛇形减振器卸

24、荷速度dv取在0.0010.01m/s左右，而卸荷力dF取值在10KN以上比较合适。从以往的测试结果可以看出，仿真结果和台架试验结果都显示出当转向架抗蛇形减振器失效一个时，在高速阶段的横向平稳性会严重恶化，实际上此时已经出现蛇形失稳。因此，在运营过程中要时常监控抗蛇形减振器的工作状态，必要时可对转向架的抗蛇形减振器采取冗余设计。4.2存在的问题1.空气弹簧悬挂装置的附件较多，不便于维修，增加了工作量，增大了成本。2.随着技术的发展，高速列车会越来越快，这样垂向油压减振器的作用（主要是用于列车在低速阶段衰减垂向振动）会越来越小，节流阀完全可以替代它。3.CRH2型车采用了2点支撑的空气弹簧，增设

25、了抗侧滚扭杆，使得空气弹簧更加复杂。4.3改进方案图12为CRH2型车转向架结构图，为了减小维修工作量，节约成本，在不影响列车正常运行的情况下，可以去除垂向油压减振器（即图11中一系悬挂），用节流阀代替之，这样也可以有效的隔离高频振动。图11 CRH2型车转向架结构设置抗侧滚扭杆装置是为了弥补车辆侧滚角刚度不足，而增大空气弹簧气囊大小可以有效增大侧滚角刚度，增大空气弹簧气囊的大小，用来代替抗侧滚扭杆的一部分作用，使得车体运行更加平稳。从图12可知，气囊原半径为55mm,将其增大至60mm，既不影响其原有的结构，又增大了侧滚角刚度，可以使车辆行驶更加的平稳。图12 空气弹簧气囊尺寸参 考 文 献

26、1张曙光.高速列车设计方法研究M.中国铁道出版社.2009.2张曙光.CRH2型动车组M.中国铁道出版社.2008.3郑州铁路局.高速铁路动车组M.中国铁路出版社.2012.4董锡明.高速动车组工作原理与结构特点M.中国铁道出版社.2007.5王焕章.无摇枕转向架的发展及研制M.铁道车辆出版社.1999.致 谢经过了几个月的努力，我终于完成了论文的写作。我首先要感谢我的论文指导老师。老师对我论文的研究方向做出了指导性的意见和建议，在论文撰写过程中及时对我遇到的困难和疑惑给予悉心指点，提出了许多有益的改进性意见，投入了大量的心血和精力。在这里我对老师对我的帮助和关怀表示诚挚的谢意!从开始接到论文

27、题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从一无所知开始，一步步的学习，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，都会让我兴奋好一段时间。我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处。但是这次做论文的经历使我终身受益。我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。在这里再次感谢所有授我以业的老师，没有这些年知识的积淀，我没有这么大的动力和信心完成这篇论文。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正，使我及时完善论文的不足之处。谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅的各位老师表示衷心的感谢。