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高馬特經典案例--空氣彈簧的剛度特性測驗
資訊來源：高馬特空氣彈簧 所屬分類：經典案例 發(fā)布時間：2014-04-13 09:23:11 點擊次數：（）
高馬特經典案例--空氣彈簧的剛度特性測驗
一 前言
空氣彈簧是軌道車輛振動控制的關鍵部件之一，尤其對高頻振動有很好的隔振消聲能力。具有質量輕、內摩擦小，剛度和承載能力可調等優(yōu)點，因此性能優(yōu)于一般的隔振器。隨著我國鐵路的大面積提速，對車輛運行的穩(wěn)定性和乘坐舒適性要求的提高，我國鐵道車輛用空氣彈簧的設計開發(fā)水平取得了巨大的突破，結構設計日趨先進合理，種類也日益豐富，已廣泛應用于鐵路客車、地鐵、輕軌和動車組上。剛度是表征空氣彈簧性能的重要參數。靜剛度反映空氣彈簧在靜態(tài)條件下，承受作用力的能力，在一定變形條件下靜剛度值越大，其承受載荷越大。位移、載荷和內壓是影響空氣彈簧靜剛度的主要試驗因素。因此，不同試驗方法得到的靜剛度的試驗結果不同。目前國內空氣彈簧產品性能試驗的標準有GB/T13061-1991《汽車懸架用空氣彈簧試驗方法》和TB/T2841-2005《鐵道車輛用空氣彈簧試驗方法》。高馬特技術人員通過參考和借鑒國內外空氣彈簧產品的各種試驗方法，總結了目前鐵道車輛用空氣彈簧靜剛度的試驗方法，并對各種試驗方法對靜剛度的影響進行了探討。
二 試驗部分
膜式空氣彈簧的結構：膜式空氣彈簧的結構是在蓋板和底座之間放置一圓柱形橡膠氣囊，通過氣囊撓曲變形實現整體伸縮，因此，在其正常工作范圍內，彈簧剛度變化要比囊式小，同時也可通過改變底座形狀的方法，控制其有效面積變化率，以獲得比較理想的彈性特性。膜式空氣彈簧有效面積的變化率也比囊式彈簧小，因此，膜式空氣彈簧在輔助氣室較小的情況下，也可得到較低的自振頻率。根據橡膠氣囊止口與接口的連接方式又可分為約束膜式和自由膜式。約束膜式空氣彈簧密封一般用螺栓夾緊密封；自由膜式空氣彈簧采用氣囊內的壓力自封。底座多為深拉鋼板成型或輕質鑄鋼，并且表面鍍鉻處理，減小氣囊與底座之間的摩擦。
試驗環(huán)境：性能試驗要求的標準溫度為(5~35)℃。由于空氣彈簧進行試驗時，需充入一定壓強的空氣，室溫變化氣囊內壓強會隨著溫度的變化而變化，為保證氣囊內壓強變化盡量不受溫度變化的影響及產品試驗性能的穩(wěn)定，建議空氣彈簧試驗過程中環(huán)境溫度應保持在標準溫度為（23±2）℃下進行。在不具備條件的實驗室進行實驗，應記錄試驗過程中環(huán)境溫度的變化，以便了解氣囊內溫度變化對性能的影響。為保證橡膠氣囊性能的穩(wěn)定，產品試樣應在硫化后經過24h以上才能進行性能試驗，產品試樣試驗前應在試驗室標準溫度為（23±2）℃下停放16h以上。
試驗設備：FCS5110多通道協調試驗機或專用火車空氣彈簧試驗機，空氣彈簧坐在附加氣室上。
三、高馬特技術人員討論結果如下
伸張試驗：將空氣彈簧安放在多通道協調試驗機或專用火車空氣彈簧試驗機上，使它保持在設計標準高度狀態(tài)，并充入壓縮空氣使之達到標準載荷或內壓，斷開氣源，靜置15分鐘以上，讓氣囊充分變形，并確認無明顯壓降后才能開始試驗。在較大行程內緩慢地伸縮或橫向位移五次，測量過程中氣囊的外徑極限值，檢查過程中氣囊有無異常變形和漏氣現象。伸張試驗的目的是確保空氣彈簧在垂向拉壓和橫向偏置時是穩(wěn)定的并且不會出現負剛度。所以為保證試驗過程中溫度的平穩(wěn)性，減少溫度變化對試驗結果的影響，建議采用10mm/min的試驗速度。
垂向靜剛度試驗：剛度是表征空氣彈簧性能的重要參數，垂向靜剛度反映了空氣彈簧在靜態(tài)條件下，承受垂向作用力的能力，在一定變形條件下垂向靜剛度值越大，其承受垂向載荷越大。位移、載荷和內壓是影響空氣彈簧垂向靜剛度的主要試驗因素。研究表明，垂向靜剛度隨載荷和內壓的增加而逐漸增大，隨位移的增加而逐漸減小。垂向靜剛度測試的試驗過程為：將空氣彈簧安放到多通道協調試驗機或專用火車空氣彈簧試驗機上，使其保持設計標準高度，充入壓縮空氣使之達到標準載荷，確認沒有壓力降低后，切斷壓縮空氣的供、排氣，由標準高度向下壓縮到規(guī)定位移為止，隨后再回到設計標準高度，向上拉伸空氣彈簧，拉伸到規(guī)定位移為止，再壓縮到設計標準高度。以10mm/min的試驗速度進行加載，如此一個載荷、內壓、位移關系循環(huán)。記錄載荷-位移曲線、內壓-變形曲線。重復試驗5次，取后2次試驗結果的平均值。
空氣彈簧垂向靜剛度按公式：
計算： Kvs = (F+1 - F-1)/2δ1……
式中：Kvs——空氣彈簧的垂向靜剛度，N/mm；
F+1——當空氣彈簧壓縮δ時的載荷，N；
F-1 ——當空氣彈簧伸張δ時的載荷，N；
δ1 ——空氣彈簧自標準高度的垂直位 移（壓縮、伸張），mm。
具體有兩種試驗方法：一種是在規(guī)定位置上停止30s后，再進行下一步試驗的間歇式試驗方法。另一種是連續(xù)試驗方法，并沒有在規(guī)定位置上停留。研究表明，前者的試驗剛度值顯著低于后者。
試驗結果表明，在其位置上保持30s的結果為311.0N/mm，而加載和卸載過程連續(xù)的結果為365.4N/mm，前者明顯小于后者。所以，在試驗過程中一定注意試驗方法的選取。
水平靜剛度試驗：水平靜剛度試驗是測定空氣彈簧水平方向靜態(tài)情況下的特性參數。試驗方法是將空氣彈簧安放到多通道協調試驗機或專用火車空氣彈簧試驗機上，保持在中立位置（水平位移為零、設計標準高度狀態(tài)），充入壓縮空氣使垂向載荷為標準載荷，確認沒有壓力降低后，切斷壓縮空氣的供、排氣，記錄此時的空氣彈簧載荷和內壓。由中立位置向水平方向移至盡可能大的位置，再回到中立位置，然后再向水平方向的另一側位移至盡可能大的位置，再回到中立位置。在位移過程中，每位移10mm位置上停止30s后，測定該位置的空氣彈簧水平載荷。重復試驗5次，取后2次試驗結果的平均值。水平靜剛度按公式計算如下：
Khs=(F’+1 - F’-1)/2δ’
式中： Khs ——空氣彈簧的水平靜剛度，N/mm；
F’+1——當水平位移δ’時的空氣彈 簧水平反力N；
F’-1——當水平反向位移δ’時的空 氣彈簧水平反力N；
δ’——自中立位置的水平位移（左、右），mm。
垂向動剛度試驗：空氣彈簧是在動態(tài)條件下使用的，所以必須檢查其動態(tài)性能。垂向動剛度試驗有簡諧振動和受迫振動兩種方法，下面介紹受迫振動方法。試驗前按照垂向靜剛度試驗要求安裝好，在空氣彈簧的上面予以規(guī)定振幅，頻率為0.5Hz～4.0 Hz范圍進行受迫振動。在各種振幅和頻率下進行動態(tài)試驗，觀察試驗曲線直到該狀態(tài)曲線穩(wěn)定重復性好，記錄空氣彈簧的載荷-位移曲線。動剛度的計算方法主要有以下2種：
1）積分法。Kd = (Fmax – Fmin)/(δmax –δmin) (ps:F是載荷 δ是位移)
式中：Kd——動剛度，N/mm；
Fmax，N；
Fmin，N；
δmax，mm；
δmin，mm。
2）相關法。Kd = Famp /δamp
式中：Kd——動剛度，N/cm；
Famp——規(guī)定振幅下的載荷幅值，N；
δamp——規(guī)定振幅，cm；
積分法包括了所有干擾數據，適用于非線性或干擾影響嚴重的情況。而相關法沒有考慮干擾影響，只考慮基本頻率，所以適用于干擾影響可以忽略或在高頻、低振幅的情況下。
空氣彈簧的載荷與位移極限點并不重合。根據積分法得到 Kd =(9320 – 8260)/15 = 706.7 N/mm；根據相關法得到Kd =（9249 – 8325）/15 = 616 N/mm。 可見2種方法的計算結果偏差超過10%。目前， 國內軟件的動剛度計算一般采用相關法。所以 GB/T13061-1991《汽車懸架用空氣彈簧試驗方法》和TB/T2841-2005《鐵道車輛用空氣彈簧 試驗方法》都根據公式計算動剛度：
KHd = (F”+1-F”-1)/2δ” （5）
式中：KHd——空氣彈簧垂向動剛度，N/mm；
F”+1——當垂向峰值位移δ”時空氣彈簧垂向載荷，N；
F”-1——當垂向谷值位移δ”時空氣彈簧垂向載荷，N；
δ”——垂向振幅（拉、壓位移），mm。
但是，由于空氣彈簧為非線性減振器，必 須考慮粘彈性對產品性能的影響，所以，建議采用積分法進行計算。
水平動剛度試驗：按照水平靜剛度試驗要求安裝好，將空氣彈簧自中立位置作水平振幅10mm的受迫振動。振動頻率由0.5Hz至1.5Hz范圍，在各種振幅和頻率下進行動態(tài)試驗，觀察試驗曲線直到該狀態(tài)曲線穩(wěn)定重復性好，記錄空氣彈簧的載荷-位移曲線。水平動剛度的計算方法可以參考上述垂向動剛度的計算方法。目前國內標準仍按公式（6）計算：
KHd= (F”+1-F”-1)/2δ” （6）
式中：KHd——空氣彈簧水平動剛度，N/cm；
F”+1——當水平位移δ”時空氣彈簧水 平反力、N；
F”-1——當向相反一側位移δ”時空氣 彈簧的水平反力，N；
δ”——自中立位置的水平位移（左、 右各10mm），cm。
由于國內鐵道車輛用空氣彈簧的研制工作還處于初級階段，對于動剛度還沒有明確的技術要求。但是對于非線性減振器，動態(tài)性能完全不同于靜態(tài)性能，并且能夠更加真實的反映實際運行過程中的產品狀況，所以，僅僅考察產品的靜剛度是不夠的，必須進行產品的動剛度性能研究。
四 結論
目前，國內空氣彈簧的試驗方法主要參考日本的JIS標準，與國際上的試驗方法還存在一定差距。所以，為了保證檢測結果的準確性和一致性，必須對試驗方法進行研究和分析?？傊?，隨著我國軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，各主要干線的不斷提速，空氣彈簧的應用必將更加廣泛，空氣彈簧試驗方法的研究必將更加深入細致。
五、參考文獻
1 張振淼，城市軌道交通車輛，中國鐵道出版社，1998，北京
2 嚴雋耄，車輛工程，中國鐵道出版社，北京，1992。
高馬特空氣彈簧測試
