馮 揚，池茂儒，高紅星，周 橙

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

動車組空氣彈簧節(jié)流孔直徑優(yōu)化研究

馮 揚，池茂儒，高紅星，周 橙

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

為研究鐵道車輛二系垂向阻尼裝置由減振器變?yōu)楣?jié)流孔帶來的改變，基于某高速動車組動力學試驗和該動車組所用空氣彈簧動態(tài)特性試驗，建立其動力學模型。從車體垂向平穩(wěn)性、振動加速度角度分析節(jié)流孔直徑選型。結果表明：空氣彈簧節(jié)流孔不僅能影響垂向阻尼，同時也影響垂向剛度；分析垂向平穩(wěn)性時可以考慮選擇0.7 Hz激振頻率下空氣彈簧剛度和阻尼特性等效其非線性特性；變減振器為節(jié)流孔后，節(jié)流孔能有效減小垂向振動加速度均方根值；在列車運行速度高于150 km/h時，建議減振器阻尼范圍為10 Ns/mm至20 Ns/mm，節(jié)流孔直徑范圍為12 mm至16 mm；比較兩種阻尼裝置，建議選擇節(jié)流孔提供阻尼。

振動與波；空氣彈簧；節(jié)流孔直徑；動力學試驗；空氣彈簧試驗；垂向平穩(wěn)性

高速鐵路與城市軌道交通是目前鐵路發(fā)展的大趨勢，截止2015年底我國高速鐵路實際運營里程已達1.9萬公里。現(xiàn)階段高速鐵路提供二系垂向阻尼的裝置主要有兩種，一種是減振器，另一種是節(jié)流孔。車輛設計中減振器選型關鍵是阻尼值，節(jié)流孔選型關鍵是直徑。某高速動車組采用減振器提供垂向阻尼，文中主要研究該車型采用節(jié)流孔提供垂向阻尼時，節(jié)流孔直徑選型問題。

空氣彈簧非線性特性主要為幅變特性、頻變特性。鄭明軍等對于空氣彈簧特性進行理論分析與試驗，表明空氣彈簧特性為一族非線性曲線[1]；高紅星等對空氣彈簧幅變特性、頻變特性通過試驗展開研究提出空氣彈簧物理模型[7–8]。但進行列車動力學分析時對空氣彈簧主要關心頻率與垂向平穩(wěn)性影響研究較少。文中基于實測動力學線路試驗，分析影響車體垂向振動的最大頻率，通過空氣彈簧動態(tài)特性試驗，測試該頻率下不同直徑節(jié)流孔的垂向剛度、阻尼，建立整車動力學模型，研究最優(yōu)節(jié)流孔直徑，具體原理如圖1所示。

1 動力學線路試驗

圖1 原理圖

針對某既有鐵路線路的某高速動車組列車進行動力學試驗，測量該動車組7車枕梁垂向振動加速度。列車運行速度為350 km/h，選取勻速段進行分析。為分析車體垂向平穩(wěn)性的敏感頻率，對測量數(shù)據(jù)進行20 Hz低通濾波后作FFT變換，結果如圖2(a)所示。

圖2(a)為時域信號進行低通20 Hz濾波后頻譜圖，0.74 Hz時加速度幅值為0.037 02 m/s2，0.64 Hz時加速度幅值為0.035 5 m/s2。這兩個頻率對應頻譜圖中最大的兩個峰值，可知列車垂向振動在350 km/h時對0.74 Hz和0.64 Hz非常敏感。為了定量分析該頻率影響，現(xiàn)對時域信號進行帶通0.6 Hz～0.8 Hz濾波，與20 Hz低通濾波后時域信號對比見圖2(b)。其中進行20 Hz低通濾波后最大加速度幅值為0.452 m/s2；進行0.6 Hz～0.8 Hz帶通濾波后最大加速度幅值為0.18 m/s2，占20 Hz低通濾波幅值的39.83%。

為了分析該頻率對車體垂向平穩(wěn)性的影響，分別計算進行20 Hz低通濾波后垂向平穩(wěn)性和進行0.6 Hz～0.8 Hz帶通濾波后垂向平穩(wěn)性，見圖2(c)，其中20 Hz低通濾波對應的瞬態(tài)平穩(wěn)性最大值為2.26；而0.6 Hz～0.8 Hz帶通濾波后瞬態(tài)平穩(wěn)性最大值為1.95，占前者的86.3%。

由圖2分析可知該列車速度為350 km/h時，對垂向振動影響最大的頻率為0.6 Hz～0.8 Hz，因此研究空氣彈簧對列車垂向振動影響時，應重點分析該頻段。

2 空氣彈簧試驗

為了研究0.6 Hz～0.8 Hz下空氣彈簧動態(tài)特性，對該車型選用的空氣彈簧進行試驗。

2.1 試驗設備

試驗采用1/4垂向試驗臺，如圖3所示，通過可移動配重實現(xiàn)實際運行時單個空氣彈簧所受載荷；空氣彈簧為第2節(jié)動力學試驗列車所用空氣彈簧；在膠囊本體上方安裝串聯(lián)橡膠堆；空氣彈簧下方為液壓作動器，用以實現(xiàn)實際振動；空氣彈簧阻尼通過阻尼孔實現(xiàn)，在實際空氣彈簧中空氣彈簧本體和附加氣室之間存在阻尼孔，連接管路采用內(nèi)置鋼圈的橡膠管制成，用以連接附加氣室和空氣彈簧本體；附加氣室為一個可以主動控制空氣容量且氣密性完好的鋼桶。

圖2 車體垂向振動分析

圖3 空氣彈簧試驗臺

空氣彈簧具體參數(shù)如表1所示。

表1 空氣彈簧參數(shù)表

2.2 垂向動態(tài)特性試驗

空氣彈簧非線性動態(tài)特性可以通過其幅變特性、頻變特性體現(xiàn)。此時空氣彈簧的剛度和阻尼不能用線性元件剛度、阻尼來描述[6]。在頻變特性中空氣彈簧在低頻區(qū)域和高頻區(qū)域變化比較平緩，而在中頻區(qū)域變化梯度比較大?？梢酝ㄟ^試驗測試其動態(tài)剛度、阻尼等。

基于第2節(jié)分析結果，該列車對于0.6 Hz～0.8 Hz非常敏感，因此加載頻率選為0.7 Hz。試驗中為了測試不同節(jié)流孔直徑對于空氣彈簧剛度和阻尼的影響，節(jié)流孔大小不隨激振頻率和幅值變化。其值分別為10.2 mm、12 mm、13.94 mm、16.1 8mm、18.2 mm、20.1 mm、24 mm。

力與位移曲線、力與速度曲線試驗結果如圖4、圖5所示。

圖4 0.7 Hz時不同直徑節(jié)流孔力與位移曲線

圖5 0.7 Hz時不同直徑節(jié)流孔力與速度曲線

由圖4可知0.7 Hz時節(jié)流孔直徑對空氣彈簧垂向剛度有一定影響，隨著節(jié)流孔直徑減小，垂向剛度增加，這是由于節(jié)流孔的存在使得附加氣室與空氣彈簧本體之間存在滯后效應，在激振幅值較小時空氣彈簧本體與附加氣室之間氣體交換少，節(jié)流孔上下兩端壓差小，都接近與無節(jié)流孔剛度值，從而剛度值變化小。在同等頻率下，激振幅值增大時，空氣彈簧本體與附加氣室之間氣體交換多，此時滯后效應造成空氣彈簧本體內(nèi)壓急劇增加，從而導致剛度增大。因此節(jié)流孔直徑越小，滯后效應越明顯，即剛度值也越大。

由圖5可知0.7 Hz時節(jié)流孔直徑對空氣彈簧垂向阻尼值有一定影響，相同激振速度條件下節(jié)流孔直徑越小阻尼越大，對于同一節(jié)流孔，激振速度越大，阻尼值越大。因此，在空氣彈簧動力學仿真中既要考慮節(jié)流孔對垂向阻尼的影響，也要考慮節(jié)流孔對垂向剛度影響。

3 整車動力學仿真分析

3.1 整車動力學建模

該動力學試驗列車整車動力學參數(shù)見表2。在多體動力學仿真軟件Simpack中，分別建立兩種不同二系懸掛類型的整車動力學模型。模型一中由減振器提供阻尼；模型二中由為節(jié)流孔提供阻尼。模型中包括車體、構架、輪對、軸箱、一系懸掛、二系懸掛、牽引裝置等，如圖6所示。

表2 車輛部分參數(shù)表

圖6 整車動力學模型

在Simpack中空氣彈簧剛度和阻尼通?？梢缘刃橐粋€固定剛度值和固定阻尼值。在Simpack中Input Function命令可以輸入特性曲線，即將垂向動態(tài)特性試驗測試的力與位移曲線、力與速度曲線作為輸入，施加武廣譜，仿真列車在直線區(qū)間運行時動力學性能。其中對模型一主要分析減振器提供的垂向阻尼，對模型二分析節(jié)流孔提供的垂向阻尼，其具體參數(shù)如表3所示。仿真速度為100 km/h、200 km/h與350 km/h。

3.2 加速度均方根分析

分析減振器提供阻尼時不同減振器阻尼對車體振動的影響。由圖7(a)可知，不同阻尼值工況下車體垂向加速度均方根變化規(guī)律一致。隨著運行速度的增大，阻尼值對于垂向加速度均方根影響增大，其中當阻尼值在10 Ns/mm到20 Ns/mm之間時，垂向加速度均方根較小，為阻尼值合理取值范圍，在15 Ns/mm時有最小值0.078 82 m/s2。

表3 計算工況參數(shù)表

由圖7(b)可知，不同節(jié)流孔直徑工況下，車體垂向加速度均方根變化規(guī)律基本一致，但不同速度級工況下，數(shù)值有差異。隨著速度增加，節(jié)流孔對于車體垂向加速度的影響逐漸增大。在不同速度級工況下并不是節(jié)流孔直徑越小，車體垂向加速度均方根越小，而是在節(jié)流孔直徑為13.94 mm時最小。

3.3 車體垂向平穩(wěn)性分析

分析模型一垂向平穩(wěn)性。由圖8(a)可知，減振器阻尼有其合理范圍，過大或過小的阻尼都會惡化車體垂向平穩(wěn)性。不同速度工況下垂向阻尼最佳范圍有所不同，在速度為100 km/h時，垂向減振器阻尼最佳范圍為10 Ns/mm到30 Ns/mm，而速度為150 km/h到400 km/h時，減振器阻尼最佳范圍為10 Ns/mm到20 Ns/mm。

對試驗中不同節(jié)流孔直徑對于模型二垂向平穩(wěn)性的影響分析如圖8(b)所示。

由圖8(b)可知，在不同速度級工況下車體垂向平穩(wěn)性變化規(guī)律基本一致。在速度為350 km/h時，節(jié)流孔直徑在12 mm到16 mm之間垂向平穩(wěn)性變化較小，且在14 mm時平穩(wěn)性最小；在速度為100 km/h時節(jié)流孔直徑10 mm時垂向平穩(wěn)性最小。動車組列車運行速度為350 km/h時，節(jié)流孔直徑在12 mm到16 mm之間比較合理。

3.4 兩種阻尼裝置對比

通過加速度均方根與垂向平穩(wěn)性對比確定減振器與節(jié)流孔最優(yōu)參數(shù)。現(xiàn)分析車體以350 km/h運行時減振器阻尼為15 Ns/mm與節(jié)流孔直徑為13.94 mm對車體振動的影響，如圖9所示。

圖7 垂向振動加速度分析

圖8 垂向平穩(wěn)性分析

圖9 兩種阻尼裝置對比

由圖9(a)可知，選用節(jié)流孔直徑13.94 mm與減振器15 Ns/mm，車體垂向振動時域信號無明顯區(qū)別。由圖9(b)可知，選用13.94 mm節(jié)流孔時主頻加速度幅值為0.31 m/s2，選用15 Ns/mm減振器時主頻加速度幅值0.51 m/s2。因此，滿足平穩(wěn)性與加速度均方根最優(yōu)要求時，節(jié)流孔抑制主頻加速度幅值能力強于減振器。

4 結語

(1)在空氣彈簧節(jié)流孔直徑研究中，可以用在車體垂向振動最大頻率下的幅變特性來分析車體振動，文中所研究空氣彈簧頻率為0.7 Hz。

(2)二系垂向阻尼選擇時，減振器與節(jié)流孔通過合理選型都可以獲得良好的車體垂向平穩(wěn)性。合理的垂向減振器阻尼范圍是10 Ns/mm到20 Ns/mm，合理的節(jié)流孔直徑范圍是12 mm到16 mm。

(3)節(jié)流孔與減振器在同時優(yōu)化到最低垂向平穩(wěn)性時，節(jié)流孔抑制主頻加速度幅值的能力強于減振器，建議選擇節(jié)流孔作為二系垂向阻尼裝置。

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Optimization ofAir Spring Orifice Diameter in EMU

FENG Yang,CHI Mao-ru,GAO Hong-xing,ZHOU Cheng
(State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

In order to study the dynamic performance change of the secondary suspension systems of the vehicles due to the replacement of damper by orifice,the dynamic model of an EMU is established based on the dynamic test of the EMU and the dynamic characteristic test of its air springs.The vertical stability and vibration acceleration are analyzed to select the orifice diameter of the air spring.Results show that the orifice diameter of the air spring has the influence on both vertical damping and vertical stiffness of the air spring.When analyzing the vertical stability,the stiffness and damping under 0.7 Hz excitation frequency can be selected to equivalently replace the non-linear characteristic of the air spring.After the vertical damper is replaced by the orifice,the RMS(Root Mean Square)of the vertical vibration can be effectively reduced.When the speed of the train exceeds 150 km/h,the advisable damping range of the vertical damper is 10 Ns/mm-20 Ns/mm,and the advisable orifice diameter is 12 mm-16 mm.After comparing the two damping ways,the orifice damping method is recommended.

vibration and wave;air spring;orifice diameter;dynamic experiment;air spring experiment;vertical stability

TH113.1

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.038

1006-1355(2017)04-0192-05

2017-02-22

國家自然科學基金資助項目（51475388）；高鐵聯(lián)合基金資助項目（U1334206）

馮揚（1991－），男，陜西省寶雞市人，碩士研究生，研究方向為車輛系統(tǒng)動力學。

E-mail:swjtufy@163.com

池茂儒（1973－），男，四川省通江市人，研究員，博士研究生導師，研究方向為車輛系統(tǒng)動力學。