隨著我國(guó)鐵路的大面積提速，對(duì)車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性和乘坐舒適性要求的提高，我國(guó)鐵道車輛用空氣彈簧的設(shè)計(jì)開發(fā)水平取得了巨大的突破，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日趨先進(jìn)合理，種類也日益豐富，已廣泛應(yīng)用于鐵路客車、地鐵、輕軌和動(dòng)車組上?？諝鈴椈墒擒壍儡囕v振動(dòng)控制的關(guān)鍵部件之一，尤其對(duì)高頻振動(dòng)有很好的隔振消聲能力。具有質(zhì)量輕，內(nèi)摩擦小，剛度和承載能力可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此，性能優(yōu)于一般的隔振器。
剛度是表征空氣彈簧性能的重要參數(shù)。靜剛度反映空氣彈簧在靜態(tài)條件下，承受作用力的能力，在一定變形條件下靜剛度值越大，其承受載荷越大。位移、載荷和內(nèi)壓是影響空氣彈簧靜剛度的主要試驗(yàn)因素[2]。因此，不同試驗(yàn)方法得到的靜剛度的試驗(yàn)結(jié)果不同。目前國(guó)內(nèi)空氣彈簧產(chǎn)品性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T13061-1991《汽車懸架用空氣彈簧試驗(yàn)方法》和TB/T2841-2005《鐵道車輛用空氣彈簧試驗(yàn)方法》。本文通過(guò)參考和借鑒國(guó)內(nèi)外空氣彈簧產(chǎn)品的各種試驗(yàn)方法，總結(jié)了目前鐵道車輛用空氣彈簧靜剛度的試驗(yàn)方法，并對(duì)各種試驗(yàn)方法對(duì)靜剛度的影響進(jìn)行了探討。
二 試驗(yàn)部分
2.1 膜式空氣彈簧的結(jié)構(gòu)
膜式空氣彈簧的結(jié)構(gòu)是在蓋板和底座之間放置一圓柱形橡膠氣囊，通過(guò)氣囊撓曲變形實(shí)現(xiàn)整體伸縮，因此，在其正常工作范圍內(nèi)，彈簧剛度變化要比囊式小，同時(shí)也可通過(guò)改變底座形狀的方法，控制其有效面積變化率，以獲得比較理想的彈性特性[2]。膜式空氣彈簧有效面積的變化率也比囊式彈簧小，因此，膜式空氣彈簧在輔助氣室較小的情況下，也可得到較低的自振頻率。根據(jù)橡膠氣囊止口與接口的連接方式又可分為約束膜式和自由膜式。約束膜式空氣彈簧密封一般用螺栓夾緊密封；自由膜式空氣彈簧采用氣囊內(nèi)的壓力自封。底座多為深拉鋼板成型或輕質(zhì)鑄鋼，并且表面鍍鉻處理，減小氣囊與底座之間的摩擦。
2.2 試驗(yàn)環(huán)境
性能試驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)溫度為(5~35)℃。由于空氣彈簧進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需充入一定壓強(qiáng)的空氣，室溫變化氣囊內(nèi)壓強(qiáng)會(huì)隨著溫度的變化而變化，為保證氣囊內(nèi)壓強(qiáng)變化盡量不受溫度變化的影響及產(chǎn)品試驗(yàn)性能的穩(wěn)定，建議空氣彈簧試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度應(yīng)保持在標(biāo)準(zhǔn)溫度為（23±2）℃下進(jìn)行。在不具備條件的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，應(yīng)記錄試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度的變化，以便了解氣囊內(nèi)溫度變化對(duì)性能的影響。為保證橡膠氣囊性能的穩(wěn)定，產(chǎn)品試樣應(yīng)在硫化后經(jīng)過(guò)24h 以上才能進(jìn)行性能試驗(yàn)，產(chǎn)品試樣試驗(yàn)前應(yīng)在試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)溫度為（23±2）℃下停放16h 以上。
2.3 試驗(yàn)設(shè)備
FCS5110 多通道協(xié)調(diào)試驗(yàn)機(jī)（北京佛力公司）或?qū)Ｓ没疖嚳諝鈴椈稍囼?yàn)機(jī)，空氣彈簧坐在附加氣室上。
三、結(jié)果與討論
3.1 伸張?jiān)囼?yàn)
將空氣彈簧安放在多通道協(xié)調(diào)試驗(yàn)機(jī)或?qū)Ｓ没疖嚳諝鈴椈稍囼?yàn)機(jī)上，使它保持在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高度狀態(tài)，并充入壓縮空氣使之達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)載荷或內(nèi)壓，斷開氣源，靜置15 分鐘以上，讓氣囊充分變形，并確認(rèn)無(wú)明顯壓降后才能開始試驗(yàn)。在最大行程內(nèi)緩慢地伸縮或橫向位移五次，測(cè)量過(guò)程中氣囊的最大外徑，檢查過(guò)程中氣囊有無(wú)異常變形和漏氣現(xiàn)象。
伸張?jiān)囼?yàn)的目的是確?？諝鈴椈稍诖瓜蚶瓑汉蜋M向偏置時(shí)是穩(wěn)定的并且不會(huì)出現(xiàn)負(fù)剛度。所以為保證試驗(yàn)過(guò)程中溫度的平穩(wěn)性，減少溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，建議采用10mm/min 的試驗(yàn)速度。
3.2 垂向靜剛度試驗(yàn)
剛度是表征空氣彈簧性能的重要參數(shù)，垂向靜剛度反映了空氣彈簧在靜態(tài)條件下，承受垂向作用力的能力，在一定變形條件下垂向靜剛度值越大，其承受垂向載荷越大。位移、載荷和內(nèi)壓是影響空氣彈簧垂向靜剛度的主要試驗(yàn)因素。研究表明，垂向靜剛度隨載荷和內(nèi)壓的增加而逐漸增大，隨位移的增加而逐漸減小。
垂向靜剛度測(cè)試的試驗(yàn)過(guò)程為：將空氣彈簧安放到多通道協(xié)調(diào)試驗(yàn)機(jī)或?qū)Ｓ没疖嚳諝鈴椈稍囼?yàn)機(jī)上，使其保持設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高度，充入壓縮空氣使之達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)載荷，確認(rèn)沒有壓力降低后，切斷壓縮空氣的供、排氣，由標(biāo)準(zhǔn)高度向下壓縮到規(guī)定位移為止，隨后再回到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高度，向上拉伸空氣彈簧，拉伸到規(guī)定位移為止，再壓縮到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高度。以10mm/min 的試驗(yàn)速度進(jìn)行加載，如此一個(gè)載荷、內(nèi)壓、位移關(guān)系循環(huán)。記錄載荷-位移曲線、內(nèi)壓-變形曲線。重復(fù)試驗(yàn)5 次，取后2 次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。
空氣彈簧垂向靜剛度按公式（3）計(jì)算：
Kvs = (F+1-F_1)/2δ1…… (3)
式中：Kvs——空氣彈簧的垂向靜剛度，N/mm；
F+1——當(dāng)空氣彈簧壓縮δ時(shí)的載荷，N；
F-1 ——當(dāng)空氣彈簧伸張δ時(shí)的載荷，N；
δ1 ——空氣彈簧自標(biāo)準(zhǔn)高度的垂直位移（壓縮、伸張），mm。
具體有兩種試驗(yàn)方法，一種是在規(guī)定位置上停止30s 后，再進(jìn)行下一步試驗(yàn)的間歇式試驗(yàn)方法。另一種是連續(xù)試驗(yàn)方法，并沒有在規(guī)定位置上停留。研究表明，前者的試驗(yàn)剛度值顯著低于后者。
某種規(guī)格的空氣彈簧的載荷-位移曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，在其位置上保持30s 的結(jié)果為311.0N/mm，而加載和卸載過(guò)程連續(xù)的結(jié)果為365.4N/mm，前者明顯小于后者。所以，在試驗(yàn)過(guò)程中一定注意試驗(yàn)方法的選取。
3.3 水平靜剛度試驗(yàn)
水平靜剛度試驗(yàn)是測(cè)定空氣彈簧水平方向靜態(tài)情況下的特性參數(shù)。試驗(yàn)方法是將空氣彈簧安放到多通道協(xié)調(diào)試驗(yàn)機(jī)或?qū)Ｓ没疖嚳諝鈴椈稍囼?yàn)機(jī)上，保持在中立位置（水平位移為零、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高度狀態(tài)），充入壓縮空氣使垂向載荷為標(biāo)準(zhǔn)載荷，確認(rèn)沒有壓力降低后，切斷壓縮空氣的供、排氣，記錄此時(shí)的空氣彈簧載荷和內(nèi)壓。由中立位置向水平方向移至最大可能的位置，再回到中立位置，然后再向水平方向的另一側(cè)位移至最大可能的位置，再回到中立位置。在位移過(guò)程中，每位移10mm 位置上停止30s 后，測(cè)定該位置的空氣彈簧水平載荷。重復(fù)試驗(yàn)5 次，取后2 次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。水平靜剛度按公式（4）計(jì)算。
Khs=(F’+1 - F’-1)/2δ’ （4）
式中： Khs ——空氣彈簧的水平靜剛度，N/mm；
F’+1——當(dāng)水平位移δ’時(shí)的空氣彈簧水平反力N；
F’_1——當(dāng)水平反向位移δ’時(shí)的空氣彈簧水平反力N；
δ’——自中立位置的水平位移（左、右），mm。
3.4 垂向動(dòng)剛度試驗(yàn)
空氣彈簧是在動(dòng)態(tài)條件下使用的，所以必須檢查其動(dòng)態(tài)性能。垂向動(dòng)剛度試驗(yàn)有簡(jiǎn)諧振動(dòng)和受迫振動(dòng)兩種方法，下面介紹受迫振動(dòng)方法。試驗(yàn)前按照垂向靜剛度試驗(yàn)要求安裝好，在空氣彈簧的上面予以規(guī)定振幅，頻率為0.5Hz～4.0 Hz 范圍進(jìn)行受迫振動(dòng)。在各種振幅和頻率下進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)曲線直到該狀態(tài)曲線穩(wěn)定重復(fù)性好，記錄空氣彈簧的載荷-位移曲線。
動(dòng)剛度的計(jì)算方法主要有2 種：
（1）積分法。
Kd = (Fmax – Fmin)/(δmax –δmin)
式中：Kd——?jiǎng)觿偠龋?/SPAN>N/mm；
Fmax——最大載荷，N；
Fmin——最小載荷，N；
δmax——最大位移，mm；
δmin——最小位移，mm。
（2）相關(guān)法。
Kd = Famp /δamp
式中：Kd——?jiǎng)觿偠龋?/SPAN>N/cm；
Famp——規(guī)定振幅下的載荷幅值，N；
δamp——規(guī)定振幅，cm；
積分法包括了所有干擾數(shù)據(jù)，適用于非線性或干擾影響嚴(yán)重的情況。而相關(guān)法沒有考慮干擾影響，只考慮基本頻率，所以適用于干擾影響可以忽略或在高頻、低振幅的情況下。
載荷最大點(diǎn)與位移最大點(diǎn)并不重合，同理載荷最小點(diǎn)與位移最小點(diǎn)也不重合。根據(jù)積分法得到Kd =(9320 – 8260)/15 = 706.7 N/mm；根據(jù)相關(guān)法得到Kd =（9249 – 8325）/15 = 616 N/mm。
可見2 種方法的計(jì)算結(jié)果偏差超過(guò)10%。目前，國(guó)內(nèi)軟件的動(dòng)剛度計(jì)算一般采用相關(guān)法。所以GB/T13061-1991《汽車懸架用空氣彈簧試驗(yàn)方法》和TB/T2841-2005《鐵道車輛用空氣彈簧試驗(yàn)方法》都根據(jù)公式（5）計(jì)算動(dòng)剛度：
KHd = (F”+1-F”-1)/2δ” （5）
式中：KHd——空氣彈簧垂向動(dòng)剛度，N/mm；
F”+1——當(dāng)垂向峰值位移δ”時(shí)空氣彈簧垂向載荷，N；
F”-1——當(dāng)垂向谷值位移δ”時(shí)空氣彈簧垂向載荷，N；
δ”——垂向振幅（拉、壓位移），mm。
但是，由于空氣彈簧為非線性減振器，必須考慮粘彈性對(duì)產(chǎn)品性能的影響，所以，建議采用積分法進(jìn)行計(jì)算。
3.5 水平動(dòng)剛度試驗(yàn)
按照水平靜剛度試驗(yàn)要求安裝好，將空氣彈簧自中立位置作水平振幅10mm 的受迫振動(dòng)。振動(dòng)頻率由0.5Hz 至1.5Hz 范圍，在各種振幅和頻率下進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)曲線直到該狀態(tài)曲線穩(wěn)定重復(fù)性好，記錄空氣彈簧的載荷-位移曲線。水平動(dòng)剛度的計(jì)算方法可以參考上述垂向動(dòng)剛度的計(jì)算方法。目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)仍按公式（6）計(jì)算：
KHd= (F”+1-F”-1)/2δ” （6）
式中：KHd——空氣彈簧水平動(dòng)剛度，N/cm；
F”+1——當(dāng)水平位移δ”時(shí)空氣彈簧水平反力、N；
F”-1——當(dāng)向相反一側(cè)位移δ”時(shí)空氣彈簧的水平反力，N；
δ”——自中立位置的水平位移（左、右各10mm），cm。
由于國(guó)內(nèi)鐵道車輛用空氣彈簧的研制工作還處于初級(jí)階段，對(duì)于動(dòng)剛度還沒有明確的技術(shù)要求。但是對(duì)于非線性減振器，動(dòng)態(tài)性能完全不同于靜態(tài)性能，并且能夠更加真實(shí)的反映實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的產(chǎn)品狀況，所以，僅僅考察產(chǎn)品的靜剛度是不夠的，必須進(jìn)行產(chǎn)品的動(dòng)剛度性能研究。
四 結(jié)論
目前，國(guó)內(nèi)空氣彈簧的試驗(yàn)方法主要參考日本的JIS 標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)際上的試驗(yàn)方法還存在一定差距。所以，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，必須對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行研究和分析?？傊?，隨著我國(guó)軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，各主要干線的不斷提速，空氣彈簧的應(yīng)用必將更加廣泛，空氣彈簧試驗(yàn)方法的研究必將更加深入細(xì)致。
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