铁道车辆空气弹簧漏气故障分析

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1、万方数据试验研究铁道车辆第53卷第9期2015年9月文章编号：1002—7602【2015)09—0001—04铁道车辆空气弹簧漏气故障分析刘丽，张卫华，梅桂明，吴娜(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031)摘要：结合整车的动力学仿真，建立了空气弹簧漏气过程的力学模型，模拟了空气弹簧突然漏气工况下车辆动力学性能的变化，分析了空气弹簧漏气条件下车辆的稳定性、直线平稳性以及曲线通过安全性。计算结果表明，空气弹簧突然漏气导致二系悬挂刚度剧变，引起轮轨垂向力先减小后增大，轮重减栽率、脱轨系数等增大直至超

2、限，但对轮轨横向力影响不大。关键词：空气弹簧；漏气；动力学仿真；黏滑模型；运行安全性中图分类号：U270．331文献标志码：B空气弹簧在运用过程中失效会对车辆安全性、平稳性产生极大影响。空气弹簧系统失效形式包括阀门故障、充气故障、高度调节故障和胶囊破裂等[1。3]，其中空气弹簧胶囊破裂是最常见的故障形式之一。目前对空气弹簧故障过程的研究还很少，在进行空气弹簧故障工况研究时，一般只考虑车辆悬挂系统故障之后的性能，而没有考虑故障发生过程中的性能变化，直接采用应急弹簧替代空气弹簧进行仿真。如文献[4—6]对空气弹簧故障

3、工况进行过程分析的文献亦相对较少。本文在进行空气弹簧漏气工况仿真时，采用黏滑接触一弹簧力元模型模拟空气弹簧漏气失效。考虑空气弹簧漏气位置不同可能对车辆动力学性能影响的不同，分析3种漏气模型。图1(a)为前转向架采用空气弹簧漏气模型，后转向架采用正常空气弹簧模型(简称模型1)；图1(b)为前转向架采用正常空气弹簧模型，后转向架采用空气弹簧漏气模型(简称模型2)；图1(c)为整车空气弹簧均采用漏气模型(简称模型3)。1空气弹簧漏气过程的动力学模型1．1空气弹簧漏气过程分析空气弹簧本体下面串联了一个应急弹簧，当空气弹簧

4、在车辆行驶中发生意外漏气时，该弹簧能起到弹性定位作用，车体能安全落在应急弹簧上。车体与空气弹簧上盖板相连，再通过串联应急弹簧坐落在构架上。假设当列车运行到时刻t。时空气弹簧发生意外漏气，漏气过程时长为t。，二系悬挂会瞬间失去支撑作用，收稿日期：2014-12-26；修订日期：2015-0608基金项目：国家自然科学基金资助项目(u1234208)作者简介：刘丽(1979一)．女，博士研究生。31(a)前转向架空气弹簧漏气42丁——————————一(b)后转向架空气弹簧漏气4(c)整车空气弹簧■气图l空气弹簧漏气

5、工况二系悬挂刚度由正常刚度呈指数函数衰减至0，在漏气瞬间，由于突然失去垂向压力，构架受到来自车体的垂向冲击，导致二系纵向和横向定位作用大大减弱，同时在车体的重力作用下，上盖板随车体向下运动，最终与下支承座接触，二系悬挂刚度突然由0升至应急弹簧刚度。若转向架左侧空气弹簧发生破裂，由于差压阀的关系，左右空气弹簧相互连通，会导致两侧的空气弹簧出现同样的漏气过程，且右侧空气弹簧漏气过程延迟r。上盖板与下支承座接触后，应急弹簧代替空气弹簧支撑车体重量，同时提供纵向和横向悬挂刚度，可能产生3种后果：垂向脱离、纵向和横向相对滑

6、动。在上盖板与下支承座不发生错动时，二系悬挂相当于应急弹簧替代空气弹簧提供悬挂刚度；当上盖板与下支承座发生错动时，车辆二系悬挂时应急弹簧与·7‘万方数据铁道车辆第53卷第9期2015年9月上盖板之间的摩擦共同起定位作用。由于空气弹簧工作时上下盖板之间距离不过0．035m，远小于车辆定距(18m)，因此不必考虑空气弹簧漏气造成车体姿态变化。1．2刚度衰变模型空气弹簧漏气过程中，二系悬挂刚度K。。：呈指数函数衰减至0，当上盖板与下支承座接触时二系悬挂垂向刚度变成应急弹簧垂向刚度K。：，二系悬挂垂向刚度变化规律如图2所

7、示，横向刚度和纵向刚度变化规律与垂向相同。K．K图2二系悬挂垂向刚度变化规律1．3黏滑接触力元当空气弹簧上盖板与下支承座接触后，垂向可能产生脱离，其摩擦因数很低，只有0．1，应急弹簧切向刚度却很高，因此在纵向和横向会产生相对滑动，具有“干摩擦”力学特点。二系悬挂由弹簧力元变为黏滑接触力元，为非线性接触力元。横向和纵向为摩擦与弹簧一阻尼串联的黏滑力元模型，如图3所示。在空气弹簧漏气后横向发生非常明显的强非线性黏滑振动，上盖板与下支承座在黏着与滑动状态之间来回转换，在黏着摩擦状态下表现为弹簧力元特性，而在滑动摩擦状态

8、下，由于摩擦因数只有0．1，表现为干摩擦属性。·2·乍体cb。．应急弹簧垂向阻尼；K岫．应急弹簧横向刚度；C岫．应急弹簧横向阻尼；岸．上盖板与下支承座之间摩擦面的摩擦因数。图3黏滑接触模型2转向架空气弹簧漏气过程仿真2．1黏滑接触漏气故障模型运动分析建立空气弹簧漏气过程故障工况仿真模型，即黏滑接触模型，来模拟空气弹簧漏气后的故障状态，结合车辆动力学仿真模型，对空气弹簧漏气