摘要：本文介绍了铁路货车试验台空气弹簧承载系统的主要技术参数、结构和原理，针对主要承载部件气弹簧杆进行了静力计算，校核了其结构强度与刚度；进行屈曲分析校核纵向弯曲强度，分析构件稳定性；进行模态分析，通过系统固有频率的计算能够有效避免共振危害的发生。给出了空气弹簧承载系统调试试验方法，检验空气弹簧支撑系统的承载力，刚度及充排气控制系统的各项性能指标是否满足技术要求。
关键词：空气弹簧；模态分析；试验方法；技术参数
空气弹簧支承系统主要是对货车车体疲劳试验工况中的车体和纵向加载杆起静态承载作用，在车体进行试验时与车体加载作动器随动，空气弹簧系统不进行充排气动作。空气弹簧承载系统主要作用是利用空气弹簧的承载能力支撑车体静载荷，并使车体在疲劳试验时保持一定的工作高度，通过作动器实现对车体的各向激振加载动作，空气弹簧系统在试验过程中与作动器随动。
空气弹簧支承系统主要分为8套垂向支承空气弹簧系统，每个模拟摇枕装4套空气弹簧系统，2套纵向加载杆支承空气弹簧系统。由于8套空气弹簧系统要求充气到一定高度，并且保持高度一致，因此，还需要一套控制系统，对空气弹簧系统的充排气以及高度进行控制。
1 空气弹簧系统设计
1.1 技术要求
1.空气弹簧要求采用三曲囊式空气弹簧。
2.每个空气弹簧承载能力在10-25t（随被试车辆质量不同而不同）。
3.充气压力不超过1MPa。
4.空气弹簧在设计工作高度时，行程应能达到±75mm。
5.空气弹簧系统的固有频率要求≤1Hz。
1.2 主要结构及参数
根据技术要求，设计了空气弹簧的结构形式及具体尺寸，图1所示。空气弹簧承载系统的总成结构实体如图2所示。空气弹簧承载系统的安装状态如图3。
图1空气弹簧结构
图2空气弹簧系统三维实体
图3空气弹簧承载系统安装结构示意图
根据初步计算分析，空气弹簧的有效直径选620mm，其基本技术参数如表1和表2：
表1刚度特性参数
（设计高度H=340 本表数据为无附加气室计算数据 误差：±20%）
表2承载力特性参数
（无附加气室 误差：±20%）
1.3 控制系统设计
空气弹簧承载系统主要起静态承载作用，在车体疲劳试验时模拟摇枕升至作动器中间位高度时，空气弹簧系统需要缓慢充气到完全承载车体及载重的重量。因此控制系统主要控制空气弹簧的充排气。控制系统设计方案原理图如图4所示：
图4空气弹簧充排气控制系统原理图
2 空气弹簧杆有限元分析计算
2.1 结构强度与刚度分析
气弹簧杆是空气弹簧系统中重要的元件，在试验中起到主要的承载作用。因此在设计后必须进行强度和刚度分析计算分析。采用HyperMesh进行网格划分，在其连接孔处建立刚性单元并加载其最大载荷为250KN的压力，采用OptiStruct结构分析软件对其进行静强度和刚度分析计算。计算结果表明，在其最大载荷工况下的应力值为106.5MPa小于材料的许用应力值，其最大位移为0.56mm与气弹簧杆总长之比为0.04%，均满足要求。
图5 应力云图
图6 位移云图
2.2 屈曲分析
当结构所受的载荷达到某一值时，若增加一微小的增量，则结构的平衡位形将发生很大的改变，这种现象称为结构屈曲或结构失稳。当气弹簧杆的轴向力达到和超过一定的限度即临界载荷时就会出现失稳，使构件失效，最终导致相关的装置发生坍塌，由于突发失效具有突发性，常常带来灾难性的后果。气弹簧杆作为关键承载部件，主要承受轴向载荷，特别是当杆直径与杆的计算长度之比＞10时，必须校核活塞杆的纵向弯曲强度。
在静力学分析基础上进行气弹簧杆的稳定性分析，根据弹性力学可知，在求解计算中运用式
求解特征值。其中：
为刚度矩阵；
为屈曲载荷系数，即特征值；
为几何刚度矩阵；
为屈曲模态即特征向量。由气弹簧杆稳定性分析结果图7和图8可以看出，杆的最低阶即一阶模态的失稳因子为6.281，根据失稳载荷等于气弹簧杆所受实际载荷与失稳因子乘积的关系，说明失稳载荷大于杆所受实际载荷，所以气弹簧杆结构在实际极限载荷下不发生失稳情况，满足稳定性要求。
图7 气弹簧杆一阶稳定性分析
图8气弹簧杆二阶稳定性分析
2.3 模态分析
气弹簧杆作为试验台的主要受力构件，在运动中极易发生共振现象，为了有效的避免共振现象的发生，对气弹簧杆进行自由模态分析，计算其固有频率具有重要意义。
进行模态分析解计算，模态数设置为4，为了清晰显示发生共振后的变形，提取了1阶模态和2阶模态振型，如图9和图10所示。
图9 一阶模态振型
图10 二阶模态振型
由图9可以看出，通过对气簧杆1阶模态的固有频率进行计算，其结果为117.1Hz，图10显示2阶模态的固有频率为117.7Hz。试验台在工作中的频率为不大于30Hz，因此在试验过程中不会发生共振现象。
3 试验方法
3.1空气弹簧特性试验
3.1.1空气弹簧气密性试验
将空气弹簧保持在标准高度，充入常用最高压力的压缩空气，待压力稳定后保压15min，测量压力的下降量不得超过0.02MPa；或放入水槽中保压10min，不得有连续气泡产生。
3.1.2空气弹簧垂向刚度试验
将空气弹簧与试验工装组装完毕，安装到空气弹簧性能试验台上。将空气弹簧保持在标准高度，分别充入0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa气压，测量各气压值下的空气弹簧垂向载荷以及空气弹簧在频率为0.02Hz，振幅为±30mm的垂向静刚度。
3.2充排气控制系统性能测试
根据技术要求对充排气控制系统进行系统接线，利用测试工装模拟实际使用工况。主要对充排气控制系统进行如下性能测试：
a.充气试验。对6组空气弹簧进行充气试验，根据设定压力进行充气试验。
b.排气试验。对6组空气弹簧进行排气试验，根据设定压力进行排气试验。
c.压力自动补偿试验。分别对6组空气弹簧进行排气，系统自动进行压力补偿。
d.泄漏报警试验。分别对6组空气弹簧进行完全排气，系统应进行泄漏报警。
3.3空气弹簧支承系统性能测试
3.3.1气密性试验
空气弹簧按照要求安装完毕并连接好气路，将空气弹簧保持在标准工作高度（应保证此高度不随内压的增加而变化），充入0.5MPa压缩空气，待压力稳定后保压15min，测量压力的下降量不得超过0.02MPa；或在空气弹簧胶囊与上盖、斜座气室接触部位涂抹肥皂水并观察，不得有气泡产生。
3.3.2控制系统功能测试
a.充气试验
分别对6组空气弹簧进行“单动-手动”、“单动-自动”充气试验及对全部空簧进行“联动-手动”、“联动-自动”充气试验。自动充气试验需根据需要设定压力控制值及充排气差值及高限报警值等参数。
b.排气试验
分别对6组空气弹簧进行“单动-手动”、“单动-自动”排气试验及对全部空簧进行“联动-手动”、“联动-自动”排气试验。自动排气试验需根据需要设定压力控制值及充排气差值及高限报警值等参数。
c.压力自动补偿试验
在自动状态下，对其中一路空气弹簧进行手动排气（排少量空气），验证系统压力自动补偿功能。
d.泄漏报警试验
在自动状态下，对其中一路空气弹簧进行手动排气（持续排气），验证系统压力泄漏报警功能。
3.3.3动态跟随性测试
空气弹簧保持在标准工作高度（3B620A空簧高度为340mm，3B400A空簧高度为285mm），向空气弹簧内充入常用工作气压0.5MPa（压力控制值0.5MPa，充排气差值均为0.05MPa），作动器上下运动±75mm，循环5次后，检查空气弹簧是否有异常情况；充排气控制系统运转是否正常，空气弹簧内压是否保持在设定压力范围内。
4 结语
空气弹簧支撑系统是货车疲劳与振动试验台的关键组成部分，本文对其进行了较为系统的设计、分析和试验，得到如下结论：
（1）根据试验台的实际情况和技术参数要求设计了空气弹簧的结构形式和具体尺寸，满足了试验过程中气弹簧系统的刚度特性和承载力特性要求。同时设计了空气弹簧系统充排气控制系统方案原理图。
（2）针对空气弹簧支撑系统的主要轴向载荷承受部件气弹簧杆分别进行了强度与刚度分析、屈曲分析和模态分析。强度与刚度分析均满足其材料属性的要求，屈曲分析实现了气弹簧杆的纵向弯曲强度校核。模态分析通过计算系统的固有频率来避免共振现象的发生。
（3）为了验证空气弹簧是否达到设计要求，给出了空气弹簧气密性和垂向刚度试验方法和试验要求。同时为了保证空气弹簧支撑系统的可靠性，也给出了其气密性试验、控制系统功能测试试验和动态跟随性测试试验方法和试验要求。
所提方法及上述结论对于试验台的建设、空气弹簧的研发与分析、整体支撑系统的试验分析具有重要工程价值。
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作者简介：赵春雷（1985-），男，工程师。
论文作者:赵春雷,赵尚超,李向伟,张强,孙雪伟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：弹簧论文; 空气论文; 系统论文; 刚度论文; 载荷论文; 压力论文; 试验台论文; 《基层建设》2018年第30期论文;