动车组空气弹簧的工作原理及故障分析

绪论

现在普遍存在于市面上的空气弹簧实际诞生于19世纪中叶。曾有记载表明：1847

年JohnLewis就申请了空气弹簧的发明专利。由此看来空气弹簧早就现世，可为什么空

弹簧在之前的使用范围较小呢？其原因就是当时的空气弹簧还不够完善，存在着很多缺

陷，比如：密封性问题、结构问题、原材料问题等，这些相关问题的存在导致了空气弹

簧在商业上的应用几乎没有市场。当时越来越多的人都在这些问题上进行了大量的研究,

直到在上世纪中叶，随着合成人造像胶的出现，才使空气弹簧在个个领域都得到了真正

的应用。而我国初步接触空弹簧的研究是在1957年，而且还局限于车辆用的空弹簧，其

他方面上用的空弹簧基本没有涉及。上世纪80年代初长春汽车研究所又再一次对空气弹

簧的悬架进行了研究，并为专门为国内的几家车辆厂设计了合适的空气弹簧悬架。进入

90年代后，大专院校、各大汽车厂、国内空气弹簧专家、国内空气弹簧相关研究所等都

陆续开始了对空气弹篝的研究与开发。有研究人士将5种客车底盘的空气弹簧悬挂系统

虽具备诸多优势，但多部件构成的复杂性导致了其易发生故障，如空气弹簧泄漏失气、

高度调整阀失效、节流孔堵塞等。在车辆高速运行时，空气弹簧一旦发生故障，将会对

高速动车组的行车安全构成威胁。空气弹簧的泄漏是一个动态过程，其发生将导致空气

弹簧工作高度降低，同时引起高度调整阀对其进行充气；若充气不足，还将导致转向架

两侧空气弹簧压差过大，差压阀打开等一系列连锁效应。目前，对空气弹簧泄漏过程动

态分析的相关研究尚较少，对高速动车组行车安全提供的理论支持不足，且鲜有在空气

弹簧发生故障后保障行车安全的有效方案。本研究首先建立空气弹簧系统的三维气动模

型，后基于该模型对空气弹簧的故障模式进行深入分析，并结合高速动车组的整车动力

学模型对空气弹簧故障状态下高速动车组的行车安全作出理论评估，最后对进一步改善

高速动车组的运行安全性提出优化方案。

钢板弹簧悬架替换为空气气弹簧悬架。经过众多人的参与、研究、开发，空气弹簧

的应用已不单单局限于在车辆上的使用了，还可以应用在各大工业设备、机车等地方。

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2空气弹簧的工作原理

2.1空气弹簧工作原理

空气弹簧工作时，内腔充入压缩空气（工作压力＜0.7MPo）,形成一个压缩空气柱。随

着振动载荷量的增加，弹簧的高度降低，内腔容积变小，弹簧的刚度增加，内腔空气柱

的有效承载面积加大，此时弹簧的承载能力增加。当振动载荷量减小时，弹簧的高度升

高，内腔容积增大，弹簧的刚度减小，内腔空气柱的有效承载面积减小，此时弹簧的承

载能力减小。这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度，内腔容积、承载能力

随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递。振幅与震动载荷的高效控制，还可

以用增、减充气量的方法，调整弹簧的刚度和承载力的大小，还可以附设辅助气室，实现

自控调节。

空气弹簧在无约束的情况下，严禁充气，必须受悬架或其它结构的约束。

在安装、工作时严禁与尖锐物体碰撞，充气压力和空气弹簧的冲程高度不要高于产

品资料所推荐的压力值和冲程高度。不当的使用或过分的充压，可能会导致气囊爆炸，

从而造成财产损坏或严重的人身伤害。

2.2空气弹簧端封形式选择及总装配结构

2.2.1弹簧高度、承载能力和弹簧刚度的选择

设计时，可彼此独立地，范围相当广泛地选择弹簧高度，承载能力和弹簧刚度，可获

得极其柔软的弹簧特性。

弹簧高度：使用高度控制阀，可根据使用要求适当控制空气弹簧的高度，在簧上载

荷变化的情况下保持一定高度。

2.2.2固有的振动频率较低

空气弹簧与附加空气室相连，可是空气弹簧受的固有振动频率降低。在任何载荷的

作用下，空气弹簧都可以保持较低而近乎相等的振动频率。

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2.2.3能隔绝图频振动及隔首效果好

空气弹簧是由空气和橡胶构成的，内部摩擦小，不会因弹簧本身振动而影响隔绝高

频振动的能力。止匕外，空气弹簧没有金属间的接触，隔音防音效果也很好。

2.2.4使用寿命较长

空气弹簧的耐变劳性能优于金属弹簧许多倍。对于用车辆空气弹簧悬挂系统中的弹

簧进行数多实验，钢板弹簧仅振动数十万次就折断了，而空气弹簧则在板幅40mm。频

率条件下振动500万次后仍未破坏。

2.2.5制造及安装

空气弹簧相对成本低廉，安装、更换方便，维护保养简单，不需经常检修，无须加

油。

2.2.6本体结构

空气弹簧的本体结构柔软，因此具有轴向、横向和旋转向的综合隔振作用。如图2-1o

图2-1空气弹簧本体结构

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3空气弹簧的特点与结构组成

3.1空气弹簧的特点

毫无疑问，活在这个时代的人是幸福的，时代的发展让我们共享了科技的成果，生

活蒸汽机时代的人永远无法想象如今的高铁速度，更无法现象高铁的平稳程度能够达到

立硬币而八分钟不倒。当然，高铁的平稳也少不了气囊避震的一份功劳！高铁能够达到

的水平，其实我们日常接触得大客车，上下班班车，公交车等也都可以实现，虽然目前

在我国气囊避震系统在大客车中的普及程度并不高，但是它的优点却也是非常吸引的，

相信随着生活质量的不断提高，已经普及。

3.1.1减少油的损耗

空气弹簧与传统钢制弹簧相比，明显的优点就是重量比较轻，这对于降低的重量有

着非常直接的关系，车身越重，耗油越多，在空气弹簧和钢制弹簧之间，长期省下来的

重量油耗，都会转化为车辆运行的里程。另一方面，空气悬架系统配合其特有的智能控

制系统，能够根据路况对车身的高度进行预判调整，全方位自由控制车身高度，减少车

辆应迎风、上坡而造成的油耗损失。

3.1.2平稳安逸

空气弹簧的水平刚度较低，容许的横移量较大，这直接导致了高速动车组转向架取

消了摇动台装置，简化了转向架结构，降低了车辆自重。以上特性使得空气弹簧悬挂系

统广泛应用于现代高速动车组上，但是，由于该悬挂系统结构较复杂、对气密性要求较

高、橡胶材料耐天候性较差等原因，其仍具有维护成本高、易发生故障、易遭人为破坏

等劣势。因此，对空气弹簧悬挂系统的故障模式进行深入研究，将对保障高速列车的运

行安全具有重要意义。

3.1.3减少车辆的故障率

客车由于载荷的跨度较大，有时候还有偏载的情况，结合路面，交通情况等，影响

传统钢制弹簧的震动传导率的因素较多，多种频率，多种振幅的环境下，对客车整个车

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体的破坏能力都是非常强的。空气弹簧保障的不是乘客的舒适，同时保障的也是客车零

部件的舒适，减少客车的损坏率，不仅降低了客车公司的运营成本，更重要的是保障了

公司的口碑及人员的安全。

3.2空气弹簧的结构组成

3.2.1应急橡胶弹簧

高速动车组常用的应急橡胶弹簧主要为锥形橡胶堆和叠层橡胶堆。这两类橡胶堆的

基本结构均由多层橡胶与增强层硫化而成，增强层一般为金属，起到良好的散热作用。

锥形橡胶堆的橡胶层和增强层与水平方向呈一定的夹角，当其受垂向载荷时，橡胶层同

时处于压缩和剪切状态，由于橡胶的剪切刚度一般远小于其压缩刚度，故该类橡胶堆具

有较小的垂向刚度，但其水平刚度通常较大，为空气弹簧整体贡献的水平位移较小。因

此，锥形橡胶堆一般与大曲囊式橡胶气囊配合使用。叠层橡胶堆的橡胶层和增强层与水

平方向平行，当其受垂向与水平载荷时，橡胶层分别处于压缩与剪切状态，故该类橡胶

堆垂向刚度较大，但其水平刚度较小，能够为空气弹簧整体贡献较大的水平位移。因此,

叠层橡胶堆一般与小曲囊式橡胶气囊配合使用，以实现整体较低的水平刚度以及较大的

横移量。止匕外，为了结合上述两种应急橡胶弹簧的优点，设计了一种在叠层橡胶堆内增

加锥形橡胶堆的组合式应急橡胶弹簧。这种组合式应急橡胶弹簧不仅同时降低了其自身

的垂向与水平刚度，还保证了上盖板与磨耗板接触时空气弹簧仍具有较高的柔性，这对

在空气弹簧失气后保障车辆的运行安全性具有重要作用，如图3-lo

图3-1组合式应急橡胶弹簧

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3.2.2橡胶气囊

对应用于轨道车辆的空气弹簧来说，按橡胶气囊的形状可分为囊式、约束膜式和自

由膜式三类。囊式与约束膜式空气弹簧由于其磨耗高、寿命短、性能差在高速列车上应

用较少；而自由膜式空气弹簧则凭借其横移量大、刚度易调、寿命高等优点被广泛应用

于现代高速列车上。自由膜式空气弹簧又可分为大曲囊式和小曲囊式两类。大曲囊式空

气弹簧，其气囊上子口直径大于空气弹簧的有效直径，一般采用机械密封式结构。该类

空气弹簧通过较长的气囊弧面获得了较大的内容积，故其垂向、水平刚度较低，横向位

移能力大，多应用于欧系高速列车上，如图3-2。

(a)实物图(b)—维图

图3-2大曲囊式空气弹簧

3.3压力空气传递过程

压力空气由列车主风管1一高度阀排风塞门3—高度控制阀4—空气弹簧排风塞门2

一空气弹簧5—节流阀8—附加空气室7

图3-3空气弹簧装置工作原理

1—列车主管；2—排风塞门(空气弹簧)；3一排风塞门(高度阀)；4—高度控制阀;

5—空气弹簧；6—差压阀；7—附加空气室；8—节流阀

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4空气弹簧的故障分析

空气弹簧是在柔性密闭容器中充入压力空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的

一种充气式橡胶弹簧，因此对气密性要求高。空气弹簧的密封方式一般有螺钉紧固式和

压力自封式两种，前者是利用螺钉将金属扣环、胶囊密封部、上盖板紧固在一起加以密

封；后者是利用胶囊内部的空气压力将胶囊的密封面与盖板压紧以密封。由于压力自封

式结构具有尺寸小、重量轻、安装方便等优点，所以动车转向架广泛采用了这种密封方

式的空气弹簧。

动车转向架空气弹簧系统主要由空气弹簧、高度控制阀、差压阀、附加气室组成。

高度控制阀是空气弹簧系统中一个极其重要的部件，主要是在车辆载荷发生变化时，自

动调整空气弹簧内的气压与之相适应，以维持车体高度不发生变化。差压阀主要起保证

安全的作用，当一个转向架两侧空气弹簧的压力差较大，或者是一侧弹簧出现破裂时，

差压阀自动沟通左右两侧的空气弹簧，避免车体产生过大的倾斜，防止脱轨，以保证车

辆平稳、安全运行。

空气弹簧漏风在运用过程中，由于气候条件、线路状况（尤其是小半径曲线）以及

空气弹簧系统部件和空气弹簧本身质量等综合因素影响，空气弹簧可能出现漏风现象。

上盖与胶囊之间漏风。对于压力自封式空气弹簧，在运用一个A3修程后，上盖和胶囊密封

部位的橡胶存在压缩永久变形与橡胶老化现象，在突然受到较大的横向冲击时，上盖与胶

囊密封部会出现配合错位而发生漏风现象。特别是在冬季气温降低时，橡胶材料性能进

一步变差，更容易出现漏风故障。除空气弹簧本身的因素外，运用条件复杂，运用和检修

过程中的操作不当也是造成上盖与胶囊间漏风的主要因素。

上盖.下座密封部脱胶诵风：上盖或下座密封部为一层硫化橡胶，硫化面清洁度不够或

粘结剂的涂刷不均匀时，会使此处橡胶粘结强度较差,在运用一段时间可能会出现脱胶或

胶层变形，产生漏风现象。另外,上盖、下座、胶囊的密封部有缺胶.夹渣，损伤等缺陷也会

引起漏风。

在车辆运用中若空气弹簧系统出现轻微漏风，在不影响制动时（列车管压力＞550kp）,

可不作处理，一次运行至终点：若空气弹簧意外破裂，穿孔或漏风严重时，在始发站须做

甩车处理，在通过站须切断故障空气弹簧所在转向架的两个空气弹簧的风源，时速120km

以下一次运行至终点。在检修时，若发现上盖与胶囊轻微漏风，可将空气弹簧内空气排

掉，然后重新充风，漏风故障一般可消除。对于在运用中反复轻微漏风和严重漏风的空气

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弹簧应分解检查,必要时更换故障部件或整体更换。

节流阀生锈和脱落由于部分车辆的集便器单向阀故障，在总风管无风压时，冷水逆

流总风管，或者机车风源和检修时库内风源的不干燥，空气弹簧内部易形成大量积水，

节流阀在设计时虽采取了防锈处理，但因长时间浸在水中，也会出现生锈甚至锈死。还

有部分节流阀采用螺钉紧固，在振动过程中螺钉容易松动，阀座与阀套松动脱开，使节

流阀脱落，严重时还会损伤空气弹簧其他相关部件。

节流阀是不可修件，一旦出现损坏或锈死时应更换新品，对于出现节流阀故障的空

气弹簧还应检查其他相关部件，是否出现损伤，必要时更换。

5CRH5型动车组空气弹簧的故障处理

CRH5型动车组转向架二系悬挂采用空气弹簧悬挂系统。图5-1为空气弹簧结构图。

图5TCRH5型动车组用空气弹簧结构图

1-底板；2-应急弹簧；3-胶囊；4-扣环；5-上盖；6-支撑座；7-摩擦块；8-9.0型封圈

CRH5型动车组用空气弹簧主要部件为胶囊和应急弹簧，正常状态下胶囊和应急弹

簧共同作用，各自提供合适的刚度和变位能力，以保证列车能够高速平稳地运行。无气

情况下空气弹簧上盖和摩擦块接触，依靠上盖和摩擦块之间较低的摩擦因数实现列车过

曲线时车体和转向架之间的相对扭转；垂向则有锥形应急弹簧提供较小的垂向刚度，保

证列车能够以一定速度安全运行到检修站段。

自2007年4月动车组开行至今，最早上线运营的CRH5型动车组装用的空气弹簧已

经有12年的运用历史，并且经过了三级修、四级修等修程。在运用和检修过程中陆续发

现并解决了一系列空气弹簧出现的故障。本文将针对空气弹簧常见故障，分析各故障产

生的原因，给出处理措施，并评估各故障对列车运行品质的影响。希望能对后续的动车

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组用空气弹簧的检修、维护、设计和制造提供参考。

5.1胶囊鼓包

1.故障描述：

2010年5月12H,CRH5017A动车组18万km二级修时，发现501704车4位空气

弹簧胶囊鼓包（图7）,鼓包面积（长X宽）约22X12mm,高约4nlm。

图5-2空气弹簧鼓包

2.原因分析：

胶囊鼓包表现为胶囊外层胶与内部帘线剥离，随着内部的压力空气逐渐渗透，经过

长时间的积累，在胶囊剥离的外层胶与帘布之间积攒形成气腔而表现为鼓包。造成胶囊

外层胶与内部帘线剥离的原因主要是在成型过程中外层胶与帘线之间没有压实，存在空

气残留，致使外层胶与帘线层在硫化时产生粘接缺陷。

3.处理措施：

根据多年的运用经验，单纯的胶囊外层胶鼓包并不会对空气弹簧的功能造成影响，

更不会影响到行车安全。但需要对鼓包处做好标记，定期跟踪，若发现鼓包扩展很快，

建议将空气弹簧更换。

4.影响评估：

工作人员对出现鼓包现象的空气弹簧进行了各项试验，结果显示其符合既定的技术

要求，对车辆运行品质无任何影响。另外，由于外层胶只起到保护内部帘线的作用，因

此只要鼓包处外层胶未出现破损或大面积迅速扩展就不会失去对内部帘线的保护作用，

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从而不会影响车辆运行安全。

5.2应急弹簧鼓包

1.故障描述：

2010年5月12H,CRH5017A动车组18万km二级修时发现有应急弹簧鼓包。

2.原因分析：

应急弹簧中的橡胶和金属是通过胶黏剂在硫化时粘接在一起的，如果橡胶和金属件

之间粘接不良就会出现脱胶现象。若脱胶出现在金属件的端部，当应急弹簧受力时;金

属件失去了对橡胶的约束作用，橡胶就会凸出表面，形成鼓包。

3.处理措施：

如果鼓包较小，则应对该应急弹簧密切关注。如果发现鼓包不随运用时间扩大，可

以暂时不进行处理；如果发现鼓包不断扩大或者鼓包长度超过30mm,凸起高度超过

10mm,则应立即更换该空气弹簧。

4.影响评估:

应急弹簧鼓包是由于金属和橡胶之间局部的粘接不良造成的，这种粘接不良面积一

般不会很大，不会使应急弹簧丧失功能，因此不会对车辆运行安全造成影响。

5.3胶囊裂口

1.故障描述:

2011年3月180,CRH5023A动车组入库常规检查时发现胶囊存在纵向裂

图5-3空气弹簧胶囊纵向裂纹原因分析

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2.原因分析：

胶囊成型时外层胶缠绕在一个成型机头上，最终会有一个搭接头。如果搭接头在搭

接时受到污染或者出现里面的空气未完全排出等情况就会造成该处粘接不牢，在运用初

期就会表现出沿胶囊纵向的裂纹。

3.处理措施：

根据《铁路动车组运用维修规程》“第九章限度表一CRH5型动车组一、二级检修

限度表”中有关空气弹簧胶囊破裂的限度要求（即深度W1mm、长度W30mm）,裂纹深度、

长度超出限度的空气弹簧需要更换。另外，该类故障易呈现出批量性，因此应对出现该

故障的空气弹簧批次定期关注和检查。

4.影响评估：

根据试验结果，产品爆破强度符合要求，且爆破点不在裂纹处，因此该胶囊裂纹对

产品爆破强度无影响，也就不会影响到车辆的安全。

5.4胶囊穿孔

1.故障描述：

2010年6月4日，CRH5058动车组505802车3位空气弹簧漏风，详细检查发现空

气弹簧胶囊外侧左下方有针孔大小的穿孔。

2.原因分析：

将胶囊穿孔处割开进行化学成分分析发现，穿孔处有一定数量的杂质，是导致胶囊

穿孔的主要原因，可能是在胶囊成型过程中意外混入的，属于极个别现象。

3.处理措施：

立即更换该空气弹簧。

4.影响评估:

供应商对该空气弹簧按照TB/T2841—2010《铁道车辆空气弹簧》进行了气密性试

验，结果显示泄漏量为8kPa,小于标准要求的10kPa,因此不会对车辆的运行安全造成

影响。

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5.5气密性不良

1.故障描述：

2010年12月14日，CRH5022动车组和CRH5031动车组重联从哈尔滨出发，出发

前发现CRH5022动车组部分空气弹簧存在漏风问题，泄漏点为扣环与上盖之间、扣环与

胶囊之间，列车管压力不足7bar；运行至沈阳时，漏风有所减缓，列车管压力升至7bar

以上；运行至北京