随着我国高速铁路网的进一步完善,保持长期安全稳定的运营品质已成为现阶段面临的重大课题。空气弹簧悬挂系统作为高速转向架关键技术之一,其非线性特性和故障模式对车辆运行安全性和平稳性有重要影响。因此,建立准确的空气弹簧非线性模型,分析其对车辆动力学的影响具有重要的理论意义和工程实用价值。基于热力学和流体力学理论,应用AMESim建立包含橡胶气囊、附加气室及节流孔等元件的空气弹簧垂向非线性模型。依据相关标准对该模型进行仿真计算,并通过试验数据验证空气弹簧模型的正确性。将其嵌入车辆动力学模型中建立整车耦合模型,并与常规模型进行仿真对比,结果表明整车耦合模型能够更准确的体现车辆运行特性。基于空气弹簧非线性模型和整车耦合模型分别研究结构参数对自身非线性特性和车辆动力学性能的影响。结果表明,动态阻尼随橡胶气囊容积和附加气室容积的增大而增大,随节流孔直径的增大而减小;动态刚度随橡胶气囊容积的增大而增大,随附加气室容积和节流孔直径的增大而减小,当两者结构参数大于一定值时,动态刚度趋于稳定;车辆垂向平稳性随橡胶气囊容积、附加气室容积和节流孔直径的增大而减小;当附加气室容积和节流孔直径大于一定值时,车辆垂向平稳性趋于稳定。建议增加橡胶气囊容积并选择适当的附加气室容积和节流孔直径。进一步通过遗传算法对空气弹簧结构参数进行优化,结果表明,优化后的结构参数显著改善了车辆的运行平稳性及曲线通过性能。基于整车耦合模型分析4点支撑和2点支撑的空气弹簧在泄漏时各气动元件的时域响应规律,研究不同支撑方式下的故障模式对车辆动力学性能的影响。结果表明,空气弹簧泄漏会导致各气动元件的连锁反应;4点支撑下的车辆动力学性能指标一般在泄漏面积为15mm2左右时达到峰值,泄漏面积大于40mm2后,动力学性能指标逐渐趋于平稳;2点支撑下的车辆动力学性能指标一般在泄漏面积为10mm2左右时达到峰值,而后逐渐趋于平稳;车辆通过曲线时空气弹簧发生泄漏,4点支撑下的车辆垂向动力学性能优于2点支撑;差压阀失效后发生泄漏,脱轨系数和轮重减载率指标相比正常工况时明显增大;高度阀失效后发生泄漏,4点支撑下的车辆垂向动力学性能优于2点支撑,且泄漏侧高度阀失效时的动力学性能优于正常侧高度阀失效时;节流孔堵塞后发生泄漏,4点支撑下的车辆横向和垂向平稳性指标分别比2点支撑下高出约2%和11%。