方 松

（南京铁道职业技术学院，讲师 江苏 南京 210031）

1 引言

空气弹簧诞生于1950年代，是现代铁道车辆必不可少的减震装置之一，它是一种由橡胶、网线贴合成的曲形胶囊。胶囊两端部用两块钢板相连接，形成一个压缩空气室。空气弹簧的工作原理是在密闭的压力缸内充入惰性气体或者油气混合物，使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用活塞杆的横截面积小于活塞的横截面积从而产生的压力差来实现活塞杆的运动。空气弹簧比普通弹簧有着很显著的优点：速度相对缓慢、动态力变化不大、容易控制；缺点是相对体积没有螺旋弹簧小，成本高、寿命相对短。空气弹簧凭借其卓越的优势已被广泛应用于城轨车辆的二系悬挂系统中。空气弹簧具有较理想的非线性弹性特性，加装高度调节装置后，车身高度不随载荷增减而变化，弹簧刚度可设计得较低，乘坐舒适性好，使列车在运行中具有很高的平稳性，同时又能大幅降低噪声，对建设绿色城市也起到了促进作用。

然而空气弹簧从某些方面来说也是脆弱的，在列车运营过程中受外界一些不利因素往往会加速空气弹簧的磨损和老化，从而大大缩短空气弹簧系统的使用寿命，为此我们应加强对城轨车辆空气弹簧的故障分析，深入研究空气弹簧可能出现的故障，切实做好预防和保养工作，尽量延长空气弹簧使用寿命。

2 空气弹簧的分类及特征

自空气弹簧诞生以来，国内外的众多专家学者对其结构、原理、特性等方面进行了众多深入研究分析，也获得了不同程度的成果。

2.1 空气弹簧的分类 空气弹簧分类一般有三种分法：按空气弹簧的结构类型分类、联接方式分类、密封形式分类。

1）按结构类型分类的空气弹簧：一般可分为囊式、膜式、混合式；而其中的膜式空气弹簧又可分为自由膜式和约束膜式；至于混合式空气弹簧一般是囊式和膜式的混合体。

2）按联接方式分类空气弹簧：一般可分为固定式法兰联接型、活套式法兰联接型、非法兰联接自密封型。

3）按密封形式分类空气弹簧：一般可分为LHF型、JBF型、GF型、HF型、ZF型五种结构形式。

2.2 空气弹簧的特征

1）刚度特性。所谓的刚度特性就是指空气弹

簧受力后产生形变或恢复，这种特性称之为刚度特性。而空气弹簧的形变量往往又和其气压、有效受力面积、气体温度、气流速度等因素有关，此外，空气弹簧刚度特性的复杂性不仅体现在上述种种不定因素，光是对其分析导出的公式进行计算就足以体现其复杂性。

2）频率特性。空气弹簧的频率特性是指空气弹簧在受到外力时，其内部产生振动，这种现象赋予了空气弹簧一种特性，称之为频率特性。这种特性也叫空气弹簧的固有频率，它与弹簧内部的气压以及弹簧的有效面积变化率等因素有关，对其的研究也是比较复杂的。

3）阻尼特性。空气弹簧的阻尼特性与其主气室和附加气室的空气流通而导致的压力差密切相关，当空气弹簧产生形变时，其主风室和副风室之间便有了压力差，从而产生空气流通，阻尼也随之出现。产生的阻尼会吸收空气弹簧的部分振动能量，起到减振作用。

4）垂向特性。当空气弹簧受到垂直方向的外力时，空气弹簧的胶囊体便开始在垂直方向上压缩或伸长，我们把空气弹簧的这种现象称之为垂向特性。当然，我们也可以逐步研究空气弹簧在各个位移量下其胶囊体的形变程度，然后将所得的点数据用曲线绘制成图：空气弹簧的垂向位移—载荷变化规律图。空气弹簧垂向特性的利用对于提升机车车辆减震效果和列车运行平稳性、安全性起到非常重要的作用。

3 空气弹簧漏风故障

空气弹簧在减震方面有众多优点，因而在现代公路和轨道交通车辆以及工业机械等领域获得广泛应用。然而在应用过程中，空气弹簧系统在外界因素（如：温度，湿度，酸碱度，压力等）和内在因素（如：磨耗，破损等）的双重影响下，会产生一些故障，直接威胁到空气弹簧的使用寿命，因此有必要对空气弹簧的常见故障进行系统分析。

城轨车辆对其空气弹簧的密封性要求很高，常见的密封形式有螺钉紧固式和压力自封式两种。前者是用螺钉或钢环将盖板和气囊密封端面固定以密封；后者是利用气囊内部气压直接与盖板压合形成密封。由于后者密封方式不但能减轻空气弹簧的重量而且还能减少安装体积，非常方便，所以后者密封方式被广泛应用于城轨交通。空气弹簧的密封方面如果出现问题往往会导致空气弹簧出现漏风故障，严重影响行车安全。造成空气弹簧漏风主要为：空气弹簧产生位移导致漏风、空气弹簧密封性问题导致漏风和气囊破损导致漏风。

3.1 空气弹簧产生位移 城轨车辆在运行中过弯道、上下坡时转向架的相关部件产生横向或纵向位移，使得空气弹簧和上下盖板之间产生摩擦而产生间隙，导致漏风故障。

1）横向位移：当空气弹簧两端高度不一致时，列车的车体就会发生倾斜，在倾斜状态下列车过弯道，其空气弹簧就会受到横向离心力。在离心力的作用下空气弹簧的上盖板和气囊产生相对运动趋势，因而便有了摩擦力，时间长了盖板和气囊就会产生间隙。更严重的是当横向位移产生后，会使得旁承水平面变成斜面，加剧了车体的倾斜，随着位移量的逐渐增大，漏风现象会越趋严重。

2）纵向位移：牵引拉杆连接的是空气弹簧上的摇枕和构架，其对列车的纵向位移有定位作用。当列车两个空气弹簧存在相对高度差时，会导致摇枕不正位，若牵引拉杆紧固太紧，摇枕将不易复位，久之产生纵向倾斜，加剧了空气弹簧的不正位，出现漏风现象。

3.2 空气弹簧密封性故障

1）空气弹簧上盖板和气囊贴合处的橡胶发生老化从而导致密封性能下降，运行中再受到冲击，密封部脱落漏气。（如图1所示）

图1 密封部脱落

2）空气弹簧上盖板和底座的密封部和中间的气囊是硫化橡胶粘接的，当它们之间的粘合强度因为某些因素降低时，也会导致空气弹簧漏气。（如图2所示）

图2 盖板粘合处脱落

3.3 空气弹簧气囊破损 简言之，空气弹簧是由上盖板，底座，橡胶气囊三部分组成的，三者中，气囊是最脆弱的，当气囊受到外力冲击，划破，刺穿，磨损，腐蚀都会直接导致空气弹簧结构的破坏产生漏风现象。（如图3所示）

图3 气囊破损

4 空气弹簧胶囊故障

胶囊部分是空气弹簧最脆弱的部分，因而它最容易受到伤害，下面重点分析空气弹簧胶囊部分的常见故障。

4.1 气囊裂纹 城轨空气弹簧的气囊由于长时间暴露在大气中，不仅受到灰尘，各种有机物污染还经常与各种酸，碱物质接触，慢慢地气囊外部的胎面会被腐蚀，从而导致橡胶囊所能承载的气压大大降低。当充入正常工作气压时，气囊就有可能无法承受相应的压力产生裂纹。（如图4所示）

图4 气囊裂纹

4.2 鼓泡磨损

1）鼓泡：空气弹簧气囊在制造过程中,内外层橡胶与帘线层粘合不良,在列车运行过程中，会有部分空气进入并停滞在内外层橡胶与帘线层之间从而产生气囊表面局部鼓泡现象,鼓泡易使胶囊破损，所以发现气囊有鼓泡则要考虑更换新气囊。

2）磨损：城轨车辆在运行过程中，特别是过弯道时，气囊会与上盖板和底座之间的接触部分发生相对运动，从而产生滑动摩擦。久而久之磨损的创面危及到气囊的帘线层，当帘线层被破坏后，气囊几近报废，这时就要重新换气胎。为此列车在库内一定要注意检查该部分，发现气囊帘线层破损则应及时更换气囊。（如图5所示）

图5 帘线层磨损

4.3 龟裂老化 由于城轨车辆空气弹簧气囊是橡胶制成的，受温度影响较大，夏季列车在高温下持续作业，橡胶气囊受热软化；冬季受低温影响，橡胶气囊收缩变硬，日积月累气囊就会逐渐老化变得脆弱，失去弹性。这时如果突然遇到载客突然增大或者充入的风压过大就有可能造成气囊被压下弹不起来或者气囊直接被气流冲破产生龟裂。（如图6所示）

图6 气囊龟裂老化

5 结束语

空气弹簧在应用过程中，由于受到各种外界因素（如：温度，湿度，酸碱度，压力等）和内在因素（如：磨耗，破损等）的双重影响，难免会产生各式各样的故障，从而直接威胁到空气弹簧的使用寿命。本文总结分析了空气弹簧常见的漏风故障和胶囊故障。对造成空气弹簧漏风故障的三大原因：空气弹簧产生位移导致漏风、空气弹簧密封性问题导致漏风和气囊破损导致漏风进行了叙述，描述了故障产生的现象并分析其原因。以期能够提前做好预防和保养工作，尽量延长空气弹簧的使用寿命。