緒論

現在普遍存在于市面上的空氣彈簧實際誕生于19世紀中葉。曾有記載表明：1847

年JohnLewis就申請了空氣彈簧的發明專利。由此看來空氣彈簧早就現世，可為什么空

彈簧在之前的使用范圍較小呢？其原因就是當時的空氣彈簧還不夠完善，存在著很多缺

陷，比如：密封性問題、結構問題、原材料問題等，這些相關問題的存在導致了空氣彈

簧在商業上的應用幾乎沒有市場。當時越來越多的人都在這些問題上進行了大量的研究,

直到在上世紀中葉，隨著合成人造像膠的出現，才使空氣彈簧在個個領域都得到了真正

的應用。而我國初步接觸空彈簧的研究是在1957年，而且還局限于車輛用的空彈簧，其

他方面上用的空彈簧基本沒有涉及。上世紀80年代初長春汽車研究所又再一次對空氣彈

簧的懸架進行了研究，并為專門為國內的幾家車輛廠設計了合適的空氣彈簧懸架。進入

90年代后，大專院校、各大汽車廠、國內空氣彈簧專家、國內空氣彈簧相關研究所等都

陸續開始了對空氣彈篝的研究與開發。有研究人士將5種客車底盤的空氣彈簧懸掛系統

雖具備諸多優勢，但多部件構成的復雜性導致了其易發生故障，如空氣彈簧泄漏失氣、

高度調整閥失效、節流孔堵塞等。在車輛高速運行時，空氣彈簧一旦發生故障，將會對

高速動車組的行車安全構成威脅。空氣彈簧的泄漏是一個動態過程，其發生將導致空氣

彈簧工作高度降低，同時引起高度調整閥對其進行充氣；若充氣不足，還將導致轉向架

兩側空氣彈簧壓差過大，差壓閥打開等一系列連鎖效應。目前，對空氣彈簧泄漏過程動

態分析的相關研究尚較少，對高速動車組行車安全提供的理論支持不足，且鮮有在空氣

彈簧發生故障后保障行車安全的有效方案。本研究首先建立空氣彈簧系統的三維氣動模

型，后基于該模型對空氣彈簧的故障模式進行深入分析，并結合高速動車組的整車動力

學模型對空氣彈簧故障狀態下高速動車組的行車安全作出理論評估，最后對進一步改善

高速動車組的運行安全性提出優化方案。

鋼板彈簧懸架替換為空氣氣彈簧懸架。經過眾多人的參與、研究、開發，空氣彈簧

的應用已不單單局限于在車輛上的使用了，還可以應用在各大工業設備、機車等地方。

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2空氣彈簧的工作原理

2.1空氣彈簧工作原理

空氣彈簧工作時，內腔充入壓縮空氣（工作壓力＜0.7MPo）,形成一個壓縮空氣柱。隨

著振動載荷量的增加，彈簧的高度降低，內腔容積變小，彈簧的剛度增加，內腔空氣柱

的有效承載面積加大，此時彈簧的承載能力增加。當振動載荷量減小時，彈簧的高度升

高，內腔容積增大，彈簧的剛度減小，內腔空氣柱的有效承載面積減小，此時彈簧的承

載能力減小。這樣，空氣彈簧在有效的行程內，空氣彈簧的高度，內腔容積、承載能力

隨著振動載荷的遞增與減小發生了平穩的柔性傳遞。振幅與震動載荷的高效控制，還可

以用增、減充氣量的方法，調整彈簧的剛度和承載力的大小，還可以附設輔助氣室，實現

自控調節。

空氣彈簧在無約束的情況下，嚴禁充氣，必須受懸架或其它結構的約束。

在安裝、工作時嚴禁與尖銳物體碰撞，充氣壓力和空氣彈簧的沖程高度不要高于產

品資料所推薦的壓力值和沖程高度。不當的使用或過分的充壓，可能會導致氣囊爆炸，

從而造成財產損壞或嚴重的人身傷害。

2.2空氣彈簧端封形式選擇及總裝配結構

2.2.1彈簧高度、承載能力和彈簧剛度的選擇

設計時，可彼此獨立地，范圍相當廣泛地選擇彈簧高度，承載能力和彈簧剛度，可獲

得極其柔軟的彈簧特性。

彈簧高度：使用高度控制閥，可根據使用要求適當控制空氣彈簧的高度，在簧上載

荷變化的情況下保持一定高度。

2.2.2固有的振動頻率較低

空氣彈簧與附加空氣室相連，可是空氣彈簧受的固有振動頻率降低。在任何載荷的

作用下，空氣彈簧都可以保持較低而近乎相等的振動頻率。

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2.2.3能隔絕圖頻振動及隔首效果好

空氣彈簧是由空氣和橡膠構成的，內部摩擦小，不會因彈簧本身振動而影響隔絕高

頻振動的能力。止匕外，空氣彈簧沒有金屬間的接觸，隔音防音效果也很好。

2.2.4使用壽命較長

空氣彈簧的耐變勞性能優于金屬彈簧許多倍。對于用車輛空氣彈簧懸掛系統中的彈

簧進行數多實驗，鋼板彈簧僅振動數十萬次就折斷了，而空氣彈簧則在板幅40mm。頻

率條件下振動500萬次后仍未破壞。

2.2.5制造及安裝

空氣彈簧相對成本低廉，安裝、更換方便，維護保養簡單，不需經常檢修，無須加

油。

2.2.6本體結構

空氣彈簧的本體結構柔軟，因此具有軸向、橫向和旋轉向的綜合隔振作用。如圖2-1o

圖2-1空氣彈簧本體結構

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3空氣彈簧的特點與結構組成

3.1空氣彈簧的特點

毫無疑問，活在這個時代的人是幸福的，時代的發展讓我們共享了科技的成果，生

活蒸汽機時代的人永遠無法想象如今的高鐵速度，更無法現象高鐵的平穩程度能夠達到

立硬幣而八分鐘不倒。當然，高鐵的平穩也少不了氣囊避震的一份功勞！高鐵能夠達到

的水平，其實我們日常接觸得大客車，上下班班車，公交車等也都可以實現，雖然目前

在我國氣囊避震系統在大客車中的普及程度并不高，但是它的優點卻也是非常吸引的，

相信隨著生活質量的不斷提高，已經普及。

3.1.1減少油的損耗

空氣彈簧與傳統鋼制彈簧相比，明顯的優點就是重量比較輕，這對于降低的重量有

著非常直接的關系，車身越重，耗油越多，在空氣彈簧和鋼制彈簧之間，長期省下來的

重量油耗，都會轉化為車輛運行的里程。另一方面，空氣懸架系統配合其特有的智能控

制系統，能夠根據路況對車身的高度進行預判調整，全方位自由控制車身高度，減少車

輛應迎風、上坡而造成的油耗損失。

3.1.2平穩安逸

空氣彈簧的水平剛度較低，容許的橫移量較大，這直接導致了高速動車組轉向架取

消了搖動臺裝置，簡化了轉向架結構，降低了車輛自重。以上特性使得空氣彈簧懸掛系

統廣泛應用于現代高速動車組上，但是，由于該懸掛系統結構較復雜、對氣密性要求較

高、橡膠材料耐天候性較差等原因，其仍具有維護成本高、易發生故障、易遭人為破壞

等劣勢。因此，對空氣彈簧懸掛系統的故障模式進行深入研究，將對保障高速列車的運

行安全具有重要意義。

3.1.3減少車輛的故障率

客車由于載荷的跨度較大，有時候還有偏載的情況，結合路面，交通情況等，影響

傳統鋼制彈簧的震動傳導率的因素較多，多種頻率，多種振幅的環境下，對客車整個車

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體的破壞能力都是非常強的。空氣彈簧保障的不是乘客的舒適，同時保障的也是客車零

部件的舒適，減少客車的損壞率，不僅降低了客車公司的運營成本，更重要的是保障了

公司的口碑及人員的安全。

3.2空氣彈簧的結構組成

3.2.1應急橡膠彈簧

高速動車組常用的應急橡膠彈簧主要為錐形橡膠堆和疊層橡膠堆。這兩類橡膠堆的

基本結構均由多層橡膠與增強層硫化而成，增強層一般為金屬，起到良好的散熱作用。

錐形橡膠堆的橡膠層和增強層與水平方向呈一定的夾角，當其受垂向載荷時，橡膠層同

時處于壓縮和剪切狀態，由于橡膠的剪切剛度一般遠小于其壓縮剛度，故該類橡膠堆具

有較小的垂向剛度，但其水平剛度通常較大，為空氣彈簧整體貢獻的水平位移較小。因

此，錐形橡膠堆一般與大曲囊式橡膠氣囊配合使用。疊層橡膠堆的橡膠層和增強層與水

平方向平行，當其受垂向與水平載荷時，橡膠層分別處于壓縮與剪切狀態，故該類橡膠

堆垂向剛度較大，但其水平剛度較小，能夠為空氣彈簧整體貢獻較大的水平位移。因此,

疊層橡膠堆一般與小曲囊式橡膠氣囊配合使用，以實現整體較低的水平剛度以及較大的

橫移量。止匕外，為了結合上述兩種應急橡膠彈簧的優點，設計了一種在疊層橡膠堆內增

加錐形橡膠堆的組合式應急橡膠彈簧。這種組合式應急橡膠彈簧不僅同時降低了其自身

的垂向與水平剛度，還保證了上蓋板與磨耗板接觸時空氣彈簧仍具有較高的柔性，這對

在空氣彈簧失氣后保障車輛的運行安全性具有重要作用，如圖3-lo

圖3-1組合式應急橡膠彈簧

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3.2.2橡膠氣囊

對應用于軌道車輛的空氣彈簧來說，按橡膠氣囊的形狀可分為囊式、約束膜式和自

由膜式三類。囊式與約束膜式空氣彈簧由于其磨耗高、壽命短、性能差在高速列車上應

用較少；而自由膜式空氣彈簧則憑借其橫移量大、剛度易調、壽命高等優點被廣泛應用

于現代高速列車上。自由膜式空氣彈簧又可分為大曲囊式和小曲囊式兩類。大曲囊式空

氣彈簧，其氣囊上子口直徑大于空氣彈簧的有效直徑，一般采用機械密封式結構。該類

空氣彈簧通過較長的氣囊弧面獲得了較大的內容積，故其垂向、水平剛度較低，橫向位

移能力大，多應用于歐系高速列車上，如圖3-2。

(a)實物圖(b)—維圖

圖3-2大曲囊式空氣彈簧

3.3壓力空氣傳遞過程

壓力空氣由列車主風管1一高度閥排風塞門3—高度控制閥4—空氣彈簧排風塞門2

一空氣彈簧5—節流閥8—附加空氣室7

圖3-3空氣彈簧裝置工作原理

1—列車主管；2—排風塞門(空氣彈簧)；3一排風塞門(高度閥)；4—高度控制閥;

5—空氣彈簧；6—差壓閥；7—附加空氣室；8—節流閥

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4空氣彈簧的故障分析

空氣彈簧是在柔性密閉容器中充入壓力空氣，利用空氣的可壓縮性實現彈性作用的

一種充氣式橡膠彈簧，因此對氣密性要求高。空氣彈簧的密封方式一般有螺釘緊固式和

壓力自封式兩種，前者是利用螺釘將金屬扣環、膠囊密封部、上蓋板緊固在一起加以密

封；后者是利用膠囊內部的空氣壓力將膠囊的密封面與蓋板壓緊以密封。由于壓力自封

式結構具有尺寸小、重量輕、安裝方便等優點，所以動車轉向架廣泛采用了這種密封方

式的空氣彈簧。

動車轉向架空氣彈簧系統主要由空氣彈簧、高度控制閥、差壓閥、附加氣室組成。

高度控制閥是空氣彈簧系統中一個極其重要的部件，主要是在車輛載荷發生變化時，自

動調整空氣彈簧內的氣壓與之相適應，以維持車體高度不發生變化。差壓閥主要起保證

安全的作用，當一個轉向架兩側空氣彈簧的壓力差較大，或者是一側彈簧出現破裂時，

差壓閥自動溝通左右兩側的空氣彈簧，避免車體產生過大的傾斜，防止脫軌，以保證車

輛平穩、安全運行。

空氣彈簧漏風在運用過程中，由于氣候條件、線路狀況（尤其是小半徑曲線）以及

空氣彈簧系統部件和空氣彈簧本身質量等綜合因素影響，空氣彈簧可能出現漏風現象。

上蓋與膠囊之間漏風。對于壓力自封式空氣彈簧，在運用一個A3修程后，上蓋和膠囊密封

部位的橡膠存在壓縮永久變形與橡膠老化現象，在突然受到較大的橫向沖擊時，上蓋與膠

囊密封部會出現配合錯位而發生漏風現象。特別是在冬季氣溫降低時，橡膠材料性能進

一步變差，更容易出現漏風故障。除空氣彈簧本身的因素外，運用條件復雜，運用和檢修

過程中的操作不當也是造成上蓋與膠囊間漏風的主要因素。

上蓋.下座密封部脫膠誦風：上蓋或下座密封部為一層硫化橡膠，硫化面清潔度不夠或

粘結劑的涂刷不均勻時，會使此處橡膠粘結強度較差,在運用一段時間可能會出現脫膠或

膠層變形，產生漏風現象。另外,上蓋、下座、膠囊的密封部有缺膠.夾渣，損傷等缺陷也會

引起漏風。

在車輛運用中若空氣彈簧系統出現輕微漏風，在不影響制動時（列車管壓力＞550kp）,

可不作處理，一次運行至終點：若空氣彈簧意外破裂，穿孔或漏風嚴重時，在始發站須做

甩車處理，在通過站須切斷故障空氣彈簧所在轉向架的兩個空氣彈簧的風源，時速120km

以下一次運行至終點。在檢修時，若發現上蓋與膠囊輕微漏風，可將空氣彈簧內空氣排

掉，然后重新充風，漏風故障一般可消除。對于在運用中反復輕微漏風和嚴重漏風的空氣

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彈簧應分解檢查,必要時更換故障部件或整體更換。

節流閥生銹和脫落由于部分車輛的集便器單向閥故障，在總風管無風壓時，冷水逆

流總風管，或者機車風源和檢修時庫內風源的不干燥，空氣彈簧內部易形成大量積水，

節流閥在設計時雖采取了防銹處理，但因長時間浸在水中，也會出現生銹甚至銹死。還

有部分節流閥采用螺釘緊固，在振動過程中螺釘容易松動，閥座與閥套松動脫開，使節

流閥脫落，嚴重時還會損傷空氣彈簧其他相關部件。

節流閥是不可修件，一旦出現損壞或銹死時應更換新品，對于出現節流閥故障的空

氣彈簧還應檢查其他相關部件，是否出現損傷，必要時更換。

5CRH5型動車組空氣彈簧的故障處理

CRH5型動車組轉向架二系懸掛采用空氣彈簧懸掛系統。圖5-1為空氣彈簧結構圖。

圖5TCRH5型動車組用空氣彈簧結構圖

1-底板；2-應急彈簧；3-膠囊；4-扣環；5-上蓋；6-支撐座；7-摩擦塊；8-9.0型封圈

CRH5型動車組用空氣彈簧主要部件為膠囊和應急彈簧，正常狀態下膠囊和應急彈

簧共同作用，各自提供合適的剛度和變位能力，以保證列車能夠高速平穩地運行。無氣

情況下空氣彈簧上蓋和摩擦塊接觸，依靠上蓋和摩擦塊之間較低的摩擦因數實現列車過

曲線時車體和轉向架之間的相對扭轉；垂向則有錐形應急彈簧提供較小的垂向剛度，保

證列車能夠以一定速度安全運行到檢修站段。

自2007年4月動車組開行至今，最早上線運營的CRH5型動車組裝用的空氣彈簧已

經有12年的運用歷史，并且經過了三級修、四級修等修程。在運用和檢修過程中陸續發

現并解決了一系列空氣彈簧出現的故障。本文將針對空氣彈簧常見故障，分析各故障產

生的原因，給出處理措施，并評估各故障對列車運行品質的影響。希望能對后續的動車

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組用空氣彈簧的檢修、維護、設計和制造提供參考。

5.1膠囊鼓包

1.故障描述：

2010年5月12H,CRH5017A動車組18萬km二級修時，發現501704車4位空氣

彈簧膠囊鼓包（圖7）,鼓包面積（長X寬）約22X12mm,高約4nlm。

圖5-2空氣彈簧鼓包

2.原因分析：

膠囊鼓包表現為膠囊外層膠與內部簾線剝離，隨著內部的壓力空氣逐漸滲透，經過

長時間的積累，在膠囊剝離的外層膠與簾布之間積攢形成氣腔而表現為鼓包。造成膠囊

外層膠與內部簾線剝離的原因主要是在成型過程中外層膠與簾線之間沒有壓實，存在空

氣殘留，致使外層膠與簾線層在硫化時產生粘接缺陷。

3.處理措施：

根據多年的運用經驗，單純的膠囊外層膠鼓包并不會對空氣彈簧的功能造成影響，

更不會影響到行車安全。但需要對鼓包處做好標記，定期跟蹤，若發現鼓包擴展很快，

建議將空氣彈簧更換。

4.影響評估：

工作人員對出現鼓包現象的空氣彈簧進行了各項試驗，結果顯示其符合既定的技術

要求，對車輛運行品質無任何影響。另外，由于外層膠只起到保護內部簾線的作用，因

此只要鼓包處外層膠未出現破損或大面積迅速擴展就不會失去對內部簾線的保護作用，

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從而不會影響車輛運行安全。

5.2應急彈簧鼓包

1.故障描述：

2010年5月12H,CRH5017A動車組18萬km二級修時發現有應急彈簧鼓包。

2.原因分析：

應急彈簧中的橡膠和金屬是通過膠黏劑在硫化時粘接在一起的，如果橡膠和金屬件

之間粘接不良就會出現脫膠現象。若脫膠出現在金屬件的端部，當應急彈簧受力時;金

屬件失去了對橡膠的約束作用，橡膠就會凸出表面，形成鼓包。

3.處理措施：

如果鼓包較小，則應對該應急彈簧密切關注。如果發現鼓包不隨運用時間擴大，可

以暫時不進行處理；如果發現鼓包不斷擴大或者鼓包長度超過30mm,凸起高度超過

10mm,則應立即更換該空氣彈簧。

4.影響評估:

應急彈簧鼓包是由于金屬和橡膠之間局部的粘接不良造成的，這種粘接不良面積一

般不會很大，不會使應急彈簧喪失功能，因此不會對車輛運行安全造成影響。

5.3膠囊裂口

1.故障描述:

2011年3月180,CRH5023A動車組入庫常規檢查時發現膠囊存在縱向裂

圖5-3空氣彈簧膠囊縱向裂紋原因分析

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2.原因分析：

膠囊成型時外層膠纏繞在一個成型機頭上，最終會有一個搭接頭。如果搭接頭在搭

接時受到污染或者出現里面的空氣未完全排出等情況就會造成該處粘接不牢，在運用初

期就會表現出沿膠囊縱向的裂紋。

3.處理措施：

根據《鐵路動車組運用維修規程》“第九章限度表一CRH5型動車組一、二級檢修

限度表”中有關空氣彈簧膠囊破裂的限度要求（即深度W1mm、長度W30mm）,裂紋深度、

長度超出限度的空氣彈簧需要更換。另外，該類故障易呈現出批量性，因此應對出現該

故障的空氣彈簧批次定期關注和檢查。

4.影響評估：

根據試驗結果，產品爆破強度符合要求，且爆破點不在裂紋處，因此該膠囊裂紋對

產品爆破強度無影響，也就不會影響到車輛的安全。

5.4膠囊穿孔

1.故障描述：

2010年6月4日，CRH5058動車組505802車3位空氣彈簧漏風，詳細檢查發現空

氣彈簧膠囊外側左下方有針孔大小的穿孔。

2.原因分析：

將膠囊穿孔處割開進行化學成分分析發現，穿孔處有一定數量的雜質，是導致膠囊

穿孔的主要原因，可能是在膠囊成型過程中意外混入的，屬于極個別現象。

3.處理措施：

立即更換該空氣彈簧。

4.影響評估:

供應商對該空氣彈簧按照TB/T2841—2010《鐵道車輛空氣彈簧》進行了氣密性試

驗，結果顯示泄漏量為8kPa,小于標準要求的10kPa,因此不會對車輛的運行安全造成

影響。

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5.5氣密性不良

1.故障描述：

2010年12月14日，CRH5022動車組和CRH5031動車組重聯從哈爾濱出發，出發

前發現CRH5022動車組部分空氣彈簧存在漏風問題，泄漏點為扣環與上蓋之間、扣環與

膠囊之間，列車管壓力不足7bar；運行至沈陽時，漏風有所減緩，列車管壓力升至7bar

以上；運行至北京