楊漢嵩，谷明輝，凌愷夫，劉建秀

（1.黃河科技學(xué)院，碩士、講師，河南 鄭州，450063；2.重慶大學(xué)，在讀博士，重慶 401331；3.株洲玻璃廠，高級工程師，湖南 株洲 412000；4.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，教授，河南 鄭州 450002）

我國目前的運(yùn)輸還是以鐵路為主，而高速列車的出現(xiàn)對鐵路部門提出了更高的要求，既要速度又要舒適，這對高速列車各部件提出的要求更高。高速列車的減振器是降低振動(dòng)的主要部件，用于吸收和緩解軌道不平順引起的振動(dòng)和沖擊，其性能直接影響列車的平穩(wěn)性和舒適性。彈簧阻尼閥是實(shí)現(xiàn)阻尼力調(diào)整的關(guān)鍵部件，優(yōu)化其設(shè)計(jì)參數(shù)對提高減振器的工作特性及運(yùn)行可靠性有明顯影響。目前國內(nèi)研究人員的研究集中在減振器的數(shù)學(xué)模型的建立和仿真上，以及參數(shù)識(shí)別試驗(yàn)修正和參數(shù)敏感性分析上，丁問司等論述了高速列車橫向半主動(dòng)懸掛控制的方法，給出了用于實(shí)現(xiàn)此控制方法的半主動(dòng)減振器的結(jié)構(gòu)和工作原理，但是對主動(dòng)控制的液壓減振器的研究少見報(bào)道［1］。本文就主動(dòng)懸掛的液壓減振器進(jìn)行介紹。

1 減振器的發(fā)展趨勢

目前高速列車都采用半懸掛系統(tǒng)。半懸掛是以減振器拉伸，活塞向上位移，上腔體積減少，壓力增大，活塞單項(xiàng)閥關(guān)閉，低速時(shí)，上腔壓力相對較小，上腔液壓油經(jīng)調(diào)節(jié)單元流入下腔；高速時(shí)，隨著上腔壓力的逐漸升高，各閥門按調(diào)節(jié)單元一次打開，起到調(diào)節(jié)阻尼、壓力和安全保護(hù)作用，同時(shí)下腔體積增大，壓力減小，底閥打開，油包向下腔供油，補(bǔ)充下腔體積變化。減振器壓縮過程中，活塞向下移動(dòng)，下腔體積減小，壓力增大，底閥單向閥關(guān)閉，低速時(shí)，上腔壓力較小，上腔液壓油經(jīng)調(diào)節(jié)單元流入油包；高速時(shí)，上腔壓力逐漸升高，各閥門按調(diào)節(jié)單元先后打開，同時(shí)由于底閥關(guān)閉，上腔流出的油液直接排入油包。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、工作可靠。但它有一定的局限性，即只能按位移的大小來確定阻尼力，彈簧變形是唯一的指標(biāo)，因而不能按路況預(yù)測隨時(shí)改變阻尼，且有漏油、示功圖不平滑的缺點(diǎn)。所以在列車高速時(shí)由于車輛有蛇擺和左右振動(dòng)，乘坐時(shí)會(huì)有頭暈和晃動(dòng)的感覺。為此，需要設(shè)計(jì)一些比較敏感和柔和的連接減振系統(tǒng)，以滿足旅客舒適性要求。

可變阻尼就是以路況和速度采集器為先導(dǎo)，把信息及時(shí)傳給控制部分，操作改變阻尼力的大小和方向，利用電磁閥控制截流口的大小，改變橫向阻尼力，減少車體的振動(dòng)，尤其是在曲線行駛和蛇形行駛時(shí)效果更好，從而增加了高速列車的運(yùn)行平穩(wěn)性，是減振趨勢的發(fā)展方向。

2 可變阻尼減振器的基本理論

減振器的工作原理是通過振動(dòng)時(shí)活塞產(chǎn)生的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把機(jī)械動(dòng)能的全部或一部分轉(zhuǎn)化為液體熱能進(jìn)行釋放，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、釋放和衰減的過程。

2.1 阻尼力 阻尼力是阻尼閥產(chǎn)生的壓力差作用在活塞上下2個(gè)不同面積上。其拉伸、壓縮時(shí)所產(chǎn)生的阻尼力，與壓力差及活塞上下作用的面積存在函數(shù)關(guān)系，滿足帕斯卡定理，阻尼力與速度曲線基本滿足直線關(guān)系，阻尼力與位移的關(guān)系，呈橢圓形示功圖。阻尼力主要由粘性阻尼力和庫倫阻尼力2個(gè)部分組成［2］，用數(shù)學(xué)公式表示為

式中：第一項(xiàng)為粘性阻尼力，第二項(xiàng)為庫侖阻尼力；

u為磁流變阻尼器運(yùn)動(dòng)速度；

sgn為信號(hào)函數(shù)；

h為平均板間隙；

l為長度；

b為寬度；

Ap為活塞有效作用面積；

η為磁流變的塑性黏度；

τ為臨界剪切屈服應(yīng)力。

2.2 庫侖阻尼力 在（1）式中，第一項(xiàng)只與油的黏度和幾何參數(shù)有關(guān)。即

而第二項(xiàng)是隨流體壓力的變化而變化，是可變減振器可調(diào)的部分。即

這對于一定的流體壓力而言F2可看作不變庫侖摩擦力。設(shè)參數(shù)

K是將活塞看作簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞速度最大，由流體流變而產(chǎn)生的庫侖阻尼力與流體流動(dòng)而產(chǎn)生的粘性阻尼力的比，簡稱可調(diào)系數(shù)；um為減振器活塞與缸體運(yùn)動(dòng)的最大相對速度。對式（4）中各項(xiàng)的量綱進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，由于η粘性系數(shù)通常為0.1～0.3 Pas，而τy卻為 5～95 k Pa，所以 F2大于 Fm。這說明減振器工作時(shí)，如果流體性能足夠好，其阻尼力將主要由流體壓力產(chǎn)生的庫侖阻尼力提供。

3 可變阻尼減振器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 減振器及可變阻尼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.1.1 減振器結(jié)構(gòu) 減振器由油缸、活塞、活塞桿、電磁閥及油路等組成。

3.1.2 可變阻尼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 可變阻尼減振器相對于半懸掛系統(tǒng)減速器來說，以其改變加入油路的連接系統(tǒng)和加入電磁閥為優(yōu)勢，外加道路識(shí)別器，充分考慮各種可變參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。即利用路況傳感器采集信息并在油路中安裝電磁節(jié)流閥，控制高速列車的蛇擺和橫向振動(dòng)，且自動(dòng)反饋信息給處理器，實(shí)行阻尼力大小的控制?？勺冏枘釡p振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 可變阻尼減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 減振系統(tǒng)的工作流程 在每一個(gè)液壓減振器旁裝電液比例閥，以控制減振器，由處理系統(tǒng)控制電液比例閥；線路工況識(shí)別探測器采集信息給處理系統(tǒng)，減振阻尼力大小由電液比例閥控制。當(dāng)車體運(yùn)行時(shí)，線路工況識(shí)別探測器隨時(shí)對高速列車運(yùn)行前方30～50 m地方的線路工況進(jìn)行判別（包括軌道接口、線路坡度及曲線半徑、岔道型號(hào)），并將所檢測的高速列車振動(dòng)位移識(shí)別信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送入處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)將經(jīng)過識(shí)別和處理的電壓信號(hào)送入電液比例閥，從而調(diào)節(jié)阻尼通道的大小，使減振剛性增大或縮小，達(dá)到有效減振的目的。各高速列車所經(jīng)過某一工況的時(shí)間不同，但每節(jié)高速列車的長度是一定的，所以對于第n節(jié)高速列車，可以通過處理系統(tǒng)延時(shí)處理，將信號(hào)依次傳到第n節(jié)高速列車的第n個(gè)電液比例閥，并控制第n個(gè)減振器，這樣就可完全實(shí)現(xiàn)高速列車及整高速列車的安全操作和平穩(wěn)運(yùn)行。

4 減振系統(tǒng)的連接及操縱

減振器與監(jiān)測系統(tǒng)相連，由監(jiān)測系統(tǒng)控制減振器的操作，而減振器的兩端則連接到高速列車上，司機(jī)在控制臺(tái)上只需要改變級位即可，其他的工作都由速度線路控制系統(tǒng)完成?？刂葡到y(tǒng)由駕駛臺(tái)接口、DSP處理器和DSP的接口三部分組成，駕駛臺(tái)和PLC（可編程邏輯控制器）都是對數(shù)字I//O量進(jìn)行操作，I/O量使用4～20 mA或0～10 V信號(hào)；而DSP平臺(tái)的數(shù)字I//O量都為3.3～5 V。因此，必須在I/O接口實(shí)現(xiàn)4～20 mA，或0～10 V信號(hào)與3.3VI/O量之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；檢測系統(tǒng)接受上傳高速列車的速度與位置信息。減振系統(tǒng)的連接和操作，如圖2所示。

圖2 減振系統(tǒng)的連接和操作

5 結(jié)束語

在SS8型機(jī)車上對主動(dòng)懸掛可變阻尼液壓減振器進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果表明，在直道、彎道、道岔和坡道上時(shí)，主動(dòng)控制根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)阻尼大小。當(dāng)減振器和振動(dòng)油缸受力不低于2 t時(shí)，平均油壓10 MPa，有效行程為20 mm，最大行程40 mm，而在半主動(dòng)控制時(shí)的有效行程是160 mm。這是因?yàn)橹鲃?dòng)控制依據(jù)線路工況識(shí)別器提前檢測、識(shí)別高速列車運(yùn)行前方的線路狀況，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的模塊處理，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)整個(gè)高速列車液壓減振器的阻尼力，完成主動(dòng)控制整個(gè)高速列車振動(dòng)過程的結(jié)果。

由于主動(dòng)控制減振器充分利用了電磁閥的可變調(diào)節(jié)功能，又將傳統(tǒng)的液壓減振器液壓油體內(nèi)循環(huán)改變?yōu)橥ㄟ^比例閥的體外循環(huán)，并增加路況識(shí)別器采集信號(hào)。其結(jié)構(gòu)簡單、安全、可靠，安裝和維修方便，使各種線路運(yùn)行的振動(dòng)全面得到有效控制，提高了乘坐的舒適度。在做示功圖試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)行程為50 mm，速度為0.3 m/s，電壓為5 v和10 v時(shí)，示功圖都比較光滑，說明具有良好的應(yīng)用前景。但其耐久性還需要長時(shí)間的多次試驗(yàn)，所以在制作過程中還需要不斷對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便使產(chǎn)品的性能更加完善。在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)雖然沒發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象，但是，還需要作一些間隙與壓力的試驗(yàn)測試，這將有助于減振器的不斷改進(jìn)和提高。

［1］凌愷夫.高速列車機(jī)車截錐螺旋壓縮彈簧減振設(shè)計(jì)與研究［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23（4）：23-27.

［2］.SPENCER B F Jr.Pheonmenological model of a mgnetorhe?ological damper［J］Jorunal of Engineering Mechanics，1996，3：10-15.