【文章內容簡介】 整車垂向動力學模型，探討了幾種非典型耦合動力學 模型中哪個模型更能真實反映空氣彈簧的作用，并將幾個模型的仿真結果與試驗臺的實測結果進行了對比分析，得出固定節(jié)流孔的非線性模型 3 與實測結果基本一致，傳統(tǒng)的線性模型 1和固定節(jié)流孔的線性化模型 2均存在一定的誤差，因此這兩種線性模型無法替代模型 3，更無法替代節(jié)流閥模型 4和帶有連接管路的模型 5。在實測路譜的激勵下這種誤差更為明顯，在高速下甚至可能得到錯誤的結論，同時可以得出采用節(jié)流閥對于車輛性能的改進具有重要的意義，因此本文研究的模型 5對于提高整車垂向動力學分析的精度具有現(xiàn)實意義。 在車輛通過曲線性能的分 析中，采用傳統(tǒng)的線性模型忽略了高度閥和差壓閥的影響，因此高度閥的控制方式與差壓閥的參數(shù)設置缺乏理論依據(jù)，只能借鑒國外的設計經(jīng)驗或由供應商來提供，而這些參數(shù)的設置對車輛的安全性卻有重要的影響，本文利用耦合空氣彈簧動力學模型研究了空氣懸掛系統(tǒng)參數(shù)設置對整車曲線通過安全性能的影響。此外本文還首次研究了高度閥的控制方式、簧上載荷、空氣彈簧漏泄量、列車速度以及無氣狀態(tài)對整車通過曲線安全性能的影響，通過分析可以看出，若采用傳統(tǒng)的線性模型將導致空氣彈簧動行程、車體側滾角以及出口過渡曲線輪重減載率的增大。增加差壓閥壓差，具 有增加懸掛抗側傾的作用，但導致入口過渡曲線的壓差系數(shù)和輪重減載率增加。高度閥的控制方式對整車通過曲線性能的影響較為復雜，較為理想的控制方式是前 3點控制，該控制方式不僅可有效地降低空氣彈簧變形、車體的側滾角、對角壓差系數(shù)以及輪重減載率，而且也降低了空氣的消耗?？諝鈴椈傻穆┬沽坎淮髸r對車輛的曲線通過性能影響不大，但當漏泄量與高度閥的進氣量接近時，則惡化車輛曲線通過性能。在運行速度達到平衡速度之前，隨著車輛運行速度的降低，車輛輪重減載率逐漸增大，在運行速度為 Skm/h 時，輪重減載率約為 ，因此可以預測當車輛在 過渡曲線停車啟動時，輪重減載率很高，可能極為接近允許值 ，對車輛的安全造成較大的影響。若前后轉向架 4個空氣彈簧均無氣或后轉向架空氣彈簧無氣時，輪重減載率均很大，接近所允許的最低值 ，具有脫軌的危險。前轉向架空氣彈簧無氣時，只是造成直線段的橡膠堆摩擦力矩較大，對車輛通過曲線性能影響不大。文章提出了較為理想的方案：將前后轉向架的空氣彈簧通過一連接管路連接起來，保證車輛單側空氣彈簧的壓力相等，從而降低對角壓差系數(shù)，達到降低輪重減載率的目的，從而大大提高了車輛通過曲線的性能。 空氣彈簧是在柔性密閉容器中加入 壓力空氣，利用空氣的可壓縮性實現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧。它具有優(yōu)良的彈性特性，并且可以通過高度閥的作用使車體在任何載荷下的高度保持不變，用在車輛懸掛裝置中可以大大改善車輛系統(tǒng)的動力性能，提高旅客運行舒適度。因此在干線高速鐵道車輛轉向架和城市軌道交通車輛轉向架中均日益廣泛地采用空氣彈簧作為二系懸掛裝置?？諝鈶覓煜到y(tǒng)主要由以下幾部分組成：空氣彈簧、附加氣室、節(jié)流裝置、高度控制裝置以及差壓閥組成。若空氣彈簧橫向跨距小，還包括抗側滾穩(wěn)定裝置，歐洲模式空氣懸掛系統(tǒng)一般采用油壓減振器而不采用節(jié)流裝置。 根據(jù)國家發(fā) 改委交運 [2020]159 號文《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，以及鐵道部關于跨越式發(fā)展的要求，未來 15 年將是我國鐵路高速化發(fā)展的一個重要時期，使鐵路運輸能力能夠滿足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要?？諝鈴椈蓱覓煜到y(tǒng)作為軌道車輛關鍵的舒適性設備，目前雖然已在我國 160km/h 鐵路客車上獲得了廣泛應用，但在高速列車上的應用尚有許多技術問題有待解決，急需研制出可替代進口產品的空氣彈簧懸掛系統(tǒng)，實現(xiàn)國產化目標。四方車輛研究所圍繞軌道車輛用空氣彈簧懸掛系統(tǒng)已進行了大量的研究工作，研制的 SYS 系列空氣彈簧產品已廣泛應用于我國鐵路提速客車 及城市軌道交通車輛，具備相當?shù)幕A。 在對裝用空氣彈簧的車輛進行動力學性能分析時，受分析條件和手段的限制，一般把空氣彈簧處理成線性彈簧和線性阻尼的串、并聯(lián)組合，不能反映空氣彈簧真實的非線性特點，也不能反映空氣容積、壓力、溫度和節(jié)流孔阻尼值實際情況的變化，直接導致了對車輛性能分析時的誤差。而現(xiàn)代鐵路技術需要高精度的車輛系統(tǒng)的多體動力學仿真以及計算結果和試驗測量結果盡可能比較接近。因此車輛系統(tǒng)動力學的仿真結果的質量越來越依賴于車輛部件模型的真實程度，這意味著非線性單元的線性化將不能保證獲得滿意的仿真結果，特 別是在客車車輛系統(tǒng)中，空氣彈簧得到廣泛的應用，更加復雜的空氣彈簧動力學模型的應用將增加仿真結果的正確性。 本文首先建立了空氣懸掛系統(tǒng)的垂向、水平方向以及空氣彈簧無氣狀態(tài)的動力學模型，對于垂向模型創(chuàng)造性地采用模塊化建模方式，建立了空氣彈簧本體、附加氣室、節(jié)流裝置、連接管路、高度閥、差壓閥等子模塊的力學方程和基于 SIMULINK 的仿真模型，在此基礎上討論了幾種典型非耦合空氣彈簧的模型特點，其中空氣彈簧 節(jié)流閥 附加氣室模型以及考慮緩沖彈簧預緊力、不感帶、飽和特性、單向阻尼特性以及流量非線性特性影響的高度閥模 型均是首創(chuàng)，并首次建立了考慮漏泄的耦合空氣彈簧的SIMULINK 仿真模型；水平方向的模型采用試驗剛度；最后首次研究了無氣狀態(tài)的空氣彈簧動力學模型，垂向利用應急彈簧的載荷一位移曲線進行插值求得垂向作用力，而水平方向則建立了考慮動態(tài)法向力變化的二維摩擦副模型。因此鐵道車輛空氣彈簧在應用過程中的各種工作狀況在本文基本上都可找到對應的動力學模型，這些動力學模型的建立為下一步的整車垂向動力學和通過曲線性能的分析奠定了基礎。 運用基于 SIMULINK 所建立的整車垂向動力學模型，探討了幾種非典型耦合動力學模型中哪個模 型更能真實反映空氣彈簧的作用，并將幾個模型的仿真結果與試驗臺的實測結果進行了對比分析，得出固定節(jié)流孔的非線性模型 3 與實測結果基本一致，傳統(tǒng)的線性模型 1和固定節(jié)流孔的線性化模型 2均存在一定的誤差，因此這兩種線性模型無法替代模型 3，更無法替代節(jié)流閥模型 4和帶有連接管路的模型 5。在實測路譜的激勵下這種誤差更為明顯，在高速下甚至可能得到錯誤的結論，同時可以得出采用節(jié)流閥對于車輛性能的改進具有重要的意義，因此本文研究的模型 5對于提高整車垂向動力學分析的精度具有現(xiàn)實意義。 在車輛通過曲線性能的分析中，采用傳 統(tǒng)的線性模型忽略了高度閥和差壓閥的影響，因此高度閥的控制方式與差壓閥的參數(shù)設置缺乏理論依據(jù)，只能借鑒國外的設計經(jīng)驗或由供應商來提供，而這些參數(shù)的設置對車輛的安全性卻有重要的影響，本文利用耦合空氣彈簧動力學模型研究了空氣懸掛系統(tǒng)參數(shù)設置對整車曲線通過安全性能的影響。此外本文還首次研究了高度閥的控制方式、簧上載荷、空氣彈簧漏泄量、列車速度以及無氣狀態(tài)對整車通過曲線安全性能的影響，通過分析可以看出，若采用傳統(tǒng)的線性模型將導致空氣彈簧動行程、車體側滾角以及出口過渡曲線輪重減載率的增大。增加差壓閥壓差，具有增加懸掛抗側傾的作用，但導致入口過渡曲線的壓差系數(shù)和輪重減載率增加。高度閥的控制方式對整車通過曲線性能的影響較為復雜，較為理想的控制方式是前 3點控制，該控制方式不僅可有效地降低空氣彈簧變形、車體的側滾角、對角壓差系數(shù)以及輪重減載率，而且也降低了空氣的消耗。空氣彈簧的漏泄量不大時對車輛的曲線通過性能影響不大，但當漏泄量與高度閥的進氣量接近時，則惡化車輛曲線通過性能。在運行速度達到平衡速度之前，隨著車輛運行速度的降低，車輛輪重減載率逐漸增大，在運行速度為 Skm/h 時，輪重減載率約為 ，因此可以預測當車輛在過渡曲線停車 啟動時，輪重減載率很高，可能極為接近允許值 ，對車輛的安全造成較大的影響。若前后轉向架 4個空氣彈簧均無氣或后轉向架空氣彈簧無氣時，輪重減載率均很大，接近所允許的最低值 ，具有脫軌的危險。前轉向架空氣彈簧無氣時，只是造成直線段的橡膠堆摩擦力矩較大，對車輛通過曲線性能影響不大。文章提出了較為理想的方案：將前后轉向架的空氣彈簧通過一連接管路連接起來，保證車輛單側空氣彈簧的壓力相等，從而降低對角壓差系數(shù)，達到降低輪重減載率的目的，從而大大提高了車輛通過曲線的性能。 空氣彈簧是在柔性密閉容器中加入壓力空氣，利 用空氣的可壓縮性實現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧。它具有優(yōu)良的彈性特性，并且可以通過高度閥的作用使車體在任何載荷下的高度保持不變，用在車輛懸掛裝置中可以大大改善車輛系統(tǒng)的動力性能，提高旅客運行舒適度。因此在干線高速鐵道車輛轉向架和城市軌道交通車輛轉向架中均日益廣泛地采用空氣彈簧作為二系懸掛裝置?？諝鈶覓煜到y(tǒng)主要由以下幾部分組成：空氣彈簧、附加氣室、節(jié)流裝置、高度控制裝置以及差壓閥組成。若空氣彈簧橫向跨距小，還包括抗側滾穩(wěn)定裝置，歐洲模式空氣懸掛系統(tǒng)一般采用油壓減振器而不采用節(jié)流裝置。 根據(jù)國家發(fā)改委交運 [2020]159 號文《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，以及鐵道部關于跨越式發(fā)展的要求，未來 15 年將是我國鐵路高速化發(fā)展的一個重要時期，使鐵路運輸能力能夠滿足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要?？諝鈴椈蓱覓煜到y(tǒng)作為軌道車輛關鍵的舒適性設備，目前雖然已在我國 160km/h 鐵路客車上獲得了廣泛應用，但在高速列車上的應用尚有許多技術問題有待解決，急需研制出可替代進口產品的空氣彈簧懸掛系統(tǒng)，實現(xiàn)國產化目標。四方車輛研究所圍繞軌道車輛用空氣彈簧懸掛系統(tǒng)已進行了大量的研究工作，研制的 SYS 系列空氣彈簧產品已廣泛應用于我國鐵路提速客車及城市軌道交 通車輛，具備相當?shù)幕A。 在對裝用空氣彈簧的車輛進行動力學性能分析時，受分析條件和手段的限制，一般把空氣彈簧處理成線性彈簧和線性阻尼的串、并聯(lián)組合，不能反映空氣彈簧真實的非線性特點，也不能反映空氣容積、壓力、溫度和節(jié)流孔阻尼值實際情況的變化，直接導致了對車輛性能分析時的誤差。而現(xiàn)代鐵路技術需要高精度的車輛系統(tǒng)的多體動力學仿真以及計算結果和試驗測量結果盡可能比較接近。因此車輛系統(tǒng)動力學的仿真結果的質量越來越依賴于車輛部件模型的真實程度，這意味著非線性單元的線性化將不能保證獲得滿意的仿真結果，特別是在客車車 輛系統(tǒng)中，空氣彈簧得到廣泛的應用，更加復雜的空氣彈簧動力學模型的應用將增加仿真結果的正確性。 本文首先建立了空氣懸掛系統(tǒng)的垂向、水平方向以及空氣彈簧無氣狀態(tài)的動力學模型，對于垂向模型創(chuàng)造性地采用模塊化建模方式，建立了空氣彈簧本體、附加氣室、節(jié)流裝置、連接管路、高度閥、差壓閥等子模塊的力學方程和基于 SIMULINK 的仿真模型，在此基礎上討論了幾種典型非耦合空氣彈簧的模型特點，其中空氣彈簧 節(jié)流閥 附加氣室模型以及考慮緩沖彈簧預緊力、不感帶、飽和特性、單向阻尼特性以及流量非線性特性影響的高度閥模型均是首創(chuàng)， 并首次建立了考慮漏泄的耦合空氣彈簧的SIMULINK 仿真模型；水平方向的模型采用試驗剛度；最后首次研究了無氣狀態(tài)的空氣彈簧動力學模型，垂向利用應急彈簧的載荷一位移曲線進行插值求得垂向作用力，而水平方向則建立了考慮動態(tài)法向力變化的二維摩擦副模型。因此鐵道車輛空氣彈簧在應用過程中的各種工作狀況在本文基本上都可找到對應的動力學模型，這些動力學模型的建立為下一步的整車垂向動力學和通過曲線性能的分析奠定了基礎。 運用基于 SIMULINK 所建立的整車垂向動力學模型，探討了幾種非典型耦合動力學模型中哪個模型更能真實反 映空氣彈簧的作用，并將幾個模型的仿真結果與試驗臺的實測結果進行了對比分析，得出固定節(jié)流孔的非線性模型 3 與實測結果基本一致，傳統(tǒng)的線性模型 1和固定節(jié)流孔的線性化模型 2均存在一定的誤差，因此這兩種線性模型無法替代模型 3，更無法替代節(jié)流閥模型 4和帶有連接管路的模型 5。在實測路譜的激勵下這種誤差更為明顯，在高速下甚至可能得到錯誤的結論，同時可以得出采用節(jié)流閥對于車輛性能的改進具有重要的意義，因此本文研究的模型 5對于提高整車垂向動力學分析的精度具有現(xiàn)實意義。 在車輛通過曲線性能的分析中，采用傳統(tǒng)的線性模型 忽略了高度閥和差壓閥的影響，因此高度閥的控制方式與差壓閥的參數(shù)設置缺乏理論依據(jù)，只能借鑒國外的設計經(jīng)驗或由供應商來提供，而這些參數(shù)的設置對車輛的安全性卻有重要的影響，本文利用耦合空氣彈簧動力學模型研究了空氣懸掛系統(tǒng)參數(shù)設置對整車曲線通過安全性能的影響。此外本文還首次研究了高度閥的控制方式、簧上載荷、空氣彈簧漏泄量、列車速度以及無氣狀態(tài)對整車通過曲線安全性能的影響，通過分析可以看出，若采用傳統(tǒng)的線性模型將導致空氣彈簧動行程、車體側滾角以及出口過渡曲線輪重減載率的增大。增加差壓閥壓差，具有增加懸掛抗側傾的作用， 但導致入口過渡曲線的壓差系數(shù)和輪重減載率增加。高度閥的控制方式對整車通過曲線性能的影響較為復雜，較為理想的控制方式是前 3點控制，該控制方式不僅可有效地降低空氣彈簧變形、車體的側滾角、對角壓差系數(shù)以及輪重減載率，而且也降低了空氣的消耗。空氣彈簧的漏泄量不大時對