跨座式单轨车辆空气弹簧失效对行车安全性能的影响研究

颉玉杰 黄琴

摘 要：随着跨座式单轨系统在我国建设的全面推进，极大地推动了相关地方的经济和社会发展，其对于整个国家的运行效率都有非常大的促进作用。在动车提速的同时，其安全风险也会因此增加，安全运营问题也成为行车最重要的因素之一，引起社会各界高度关注。一些有严重安全隐患的细节被深入挖掘，并采取各种技术和管理方式进行避免，以有效提升行车安全。该文深入探讨了跨座式单轨车辆空气弹簧失效对行车安全性能的影响，有一定借鉴价值。

关键词：跨座式单轨 空气弹簧失效 行车安全性能

中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（a）-00-02

跨座式单轨设计大多用于城市轻轨建设，重庆轻轨全国闻名，轻轨以其快捷、安全、稳定的性能得到社会各界的充分认可，而确保跨座式单轨动车组行车安全是最重要内容，引起相关技术保障和运营企业的高度重视。就轻轨车辆的运用过程来说，因为空气弹簧发生失效问题导致行车安全性能受到严重影响。要克服这种安全问题发生，就必须对其产生机理和安全问题的具体表现进行系统分析，将其影响因素加以深入研究，以有效解决。

1 跨座式单轨车辆空气弹簧失效问题概述

对于跨座式单轨动车来说，在高速运行状态下，车体会因为外界一些微小的影响而形成高频振动，这不但影响乘车的舒适度，同时也对行车安全构成了一定的威胁。为了有效降低高频振动影响，空气弹簧系统被引入跨座式单轨动车系统，形成必要的减振作用，提高列车行驶安全性能，降低安全风险。空气弹簧系统属于二系悬挂系统，能够有效降低来自车体架构的各种高频振动，并显著提升乘车的舒适程度。但也因此空气弹簧要承担所有的振动消减功能，对该部件自身的作用力也是非常显著的，空气弹簧成为整个动车系统中非常易损的部件，并很可能在行车过程中发生损坏造成失效的问题。其最严重的危害在于动车高速运行过程中，如果空气弹簧突然破损，而此时的行车安全将会受到严重的威胁，甚至有可能导致车辆脱轨等如此严重的安全事故问题。而造成造成车辆脱轨最直接的外力因素是轮轨横力的影响，当这种作用力达到一定的危险程度，就可能导致列车出轨问题。基于此，加大相关方面的深入研究，尤其是空气弹簧失效情况下的行车安全性能影响问题的研究，可以为采取系统的应对方法奠定坚实的技术保障基础。

2 跨座式单轨车辆空气弹簧失效对行车安全性能的影响

2.1 空气弹簧失效分析

目前在我国跨座式单轨动车组中用于减震目的的主要设备装置大多利用空气弹簧系统，这些空气弹簧系统由4个主要的部件构成，分别是空气弹簧主体、差压阀、高度调节阀、附加气室。这些部件各性能的发挥统一推动了空气弹簧系统总体性能的根本保障，使得车辆的动力学性能得到非常显著的提升，乘车舒适度得以明显提高，其他設备的检修维护也有很大的改善。空气弹簧发生的故障问题包括很多种，任何该系统构成部件发生问题都会导致整个系统的性能受到影响，甚至发生最后的失效问题。

具体来说，常见的故障问题有高度调节阀故障、其他阀门故障和橡胶囊发生破裂问题等，而这些故障中，最为普遍和常见的故障问题是橡胶囊破裂，该故障会造成橡胶囊中的原有气体在很短的时间里被释放，作为应急措施，橡胶堆会形成对车体的支撑作用，防止车体因不平衡而造成车体的倾斜，在高速运行状态下发生脱轨问题。

2.2 动力学模型分析

针对空气弹簧失效前后的动力学反差性能，可以分别建立动力学模型，对比前后的反差情况，以分析整个过程中的系统受力情况，分析其整个作用机理，并获得最终的脱轨系数、临界速度和列车的平稳性能指标等。对动车模型进行动力学分析，分析的主要部分包括车体、轮对、动力牵引部分等，这些部分都可以看作是刚体构成，在进行模拟仿真时要切实考虑轮轨的非线性接触问题，并要充分分析空气弹簧失效后的橡胶应急堆与各部分所接触各面处的非线性特性。为有效模拟过程中的真实情况，需要在线路中添加一些激励因素，并充分考虑横向与垂向方向的影响情况。并基于此对其性能影响情况进行深入的分析，以进一步得到其具体影响的过程和作用效果。

（1）对脱轨系数的影响。

在模型建立和模拟过程中，轮轴的横向力会随着列车的速度增大而呈现线性的递增，当空气弹簧失效时，该横向力会发生较大的变化。造成这一现象的根本原因是应急橡胶堆的作用发挥。如果此时速度还处于较低的范围，橡胶堆的黏着作用力会对列车架构的摇摆行为形成抑制作用。但如果速度比较高，这种情况下，橡胶堆的黏着作用无法完全限制摇摆，其脱轨危险直线上升，脱轨系数处于较高的水平。此时，列车开始出现接触面的滑移问题，轮轴上面的横向作用力会迅速提升，速度越大其脱轨系数越高，标志着脱轨的风险也越来越大。其速度超过约320km/h后，随着速度进一步升高，其脱轨危险也会显著地进一步升高。

（2）对临界速度的影响。

通过两种模型的对比，空气弹簧发生失效后，列车的临界速度模拟数据为490km/h，如果列车速度超过该运行速度，如果空气弹簧失效，其发生危险的可能性会急剧上升。反之，当空气弹簧失效后，列车的安全临界速度将会大幅下降，并对列车的稳定运行造成严重的影响。这种失稳特征与收敛类型有本质上的差异性，造成这一现象的主要原因来自悬挂系统在空气弹簧失效后发生的作用机制变化，由悬挂系统变为橡胶堆的黏着作用机制，横向作用力变为了滑动摩擦力，转向架在处理横向振动减震和控制能力被严重降低，导致临界速度的根本变化。

2.3 空气弹簧失效对轻轨动车组安全性能影响

当轻轨动车组的空气弹簧系统在高速运行过程中发生较严重的失效问题，跨座单轨动车组的运行稳定性将会严重降低，与蛇行失稳形式不同，该失稳模式是典型的间歇性振动，是因为空气弹簧失效后的作用力由悬挂式转为橡胶堆的黏着作用力导致。随着列车稳定运行的临界速度直线下降，其轮轨间的横向作用力也会持续急剧增加，这使得列车发生脱轨问题的可能性持续增大，而列车的脱轨系数也呈现急剧上升的状态下。

为此，必须加强对跨座式单轨车辆的空气弹簧加强检查，及时发现暴露出的各种隐患问题，保证一些关键部件始终保持安全可用性。同时，对车速进行适当控制，使得整个运行中处于相对平稳的状态，这也是一种必要的调整措施。当车速处于临界速度下时，其脱轨危险发生的概率会非常低。通过模拟发现，其临界速度一般都在490km/h以上，即便发生空气弹簧失效问题，其速度也要超过320km/h时，才会存在较大的脱轨风险。

3 结语

综上所述，跨座式单轨在高速运行过程中，会引发车体的高频振动，为有效限制这些不必要的振动问题，空气弹簧系统被引入到跨座式单轨动车系统。但如果这些易损的空气弹簧在动车行驶过程中发生破损问题，将会对高速运行的车体产生严重破坏性。对其运动失效机制进行相关研究，是解决这一问题的基础和前提。随着相关技术和材料应用性能的逐渐提升，将会对整个系统的运行状态产生新的影响，并最终推动跨座式单轨整体安全性能和应用质量的全面提升。

参考文献

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2020-12-26