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(西南交通大學(xué)機車車輛工程系， 四川成都 610031)

引言

液壓減振器是軌道機車車輛懸掛系統(tǒng)中重要的組成部分，在車輛的不同位置上都安裝有各類型的液壓減振器來降低振動，以保證車輛安全、平穩(wěn)的運行[1]。減振器工作時，活塞在油缸中往復(fù)運動，油液在缸中流動時經(jīng)阻尼閥而產(chǎn)生減振阻力。減振器被壓縮時，活塞向下運動，一部分油液經(jīng)流通閥從活塞下部流到活塞上部，一部分油液經(jīng)壓縮閥壓入儲油腔；減振器拉伸時，活塞向上運動，一部分油液經(jīng)復(fù)原閥從活塞上部流到活塞下部，一部分油液通過補償閥從儲油腔流入工作缸。儲油腔的設(shè)置是為了儲存由于活塞上下腔工作面積不一致所導(dǎo)致的壓縮過程中工作缸中多出來的油液。

在活塞拉伸過程中，若補油孔過小或儲油腔內(nèi)背壓不足，油液不能以足夠快的速度從一個工作腔流到另一個工作腔，就會產(chǎn)生真空從而產(chǎn)生蒸汽，就是所謂的氣穴現(xiàn)象[2-3]，會引起流量不穩(wěn)，噪聲驟增。對于多數(shù)液壓減振器，儲油腔內(nèi)既有油液，也有空氣，在儲油腔內(nèi)很容易產(chǎn)生乳化(油液和空氣混合而成乳狀物)現(xiàn)象[4]。乳化了的油氣混合體進(jìn)入工作缸后就會降低阻尼作用，此外，停車后工作缸中乳化物油氣分離，一部分空氣留在活塞下腔，活塞再次振動時，就必須先要穿過下面的空氣層，嚴(yán)重影響減振阻尼效果。為解決上述問題，科尼的水平安裝減振器在儲油腔外增設(shè)空氣包，空氣包上部充有空氣，下部為油液，并與儲油腔油液相通，使得減振器內(nèi)儲油腔的液面低于氣包內(nèi)的油液面，阻止空氣經(jīng)底閥進(jìn)入油缸內(nèi)部；迪斯潘減振器在儲油腔中安裝環(huán)形的密封橡膠氣囊，消除了空氣與油液的直接接觸，可安裝于任意方向使用[5]。

丁腈橡膠(Nitrile Butadiene Rubber，NBR)是丁二烯與丙烯腈兩種單體經(jīng)自由基引發(fā)乳液聚合制得的無規(guī)共聚物，廣泛應(yīng)用于耐油密封制品[6]。采用在儲油腔內(nèi)放置發(fā)泡NBR氣帶的方法來避免空穴現(xiàn)象和乳化現(xiàn)象，與上述方法相比結(jié)構(gòu)簡單，裝配簡便，減振器可以橫向、縱向安裝使用。本研究就某型號發(fā)泡NBR氣帶作為研究對象，先對其壓力-體積變化進(jìn)行測試，得出其變化規(guī)律，進(jìn)一步對安裝有該氣帶的減振器進(jìn)行仿真與實驗測試，為采用發(fā)泡橡膠氣帶的液壓減振器提供一種設(shè)計方法。

1 發(fā)泡NBR氣帶特性測試

1.1 試驗臺及其原理

為測試發(fā)泡NBR壓力-體積變化規(guī)律，在實驗室建立手動加載試驗臺架，試驗臺原理如圖1所示?；钊潭ㄔ谂_架頂部，由安裝在下部的液壓千斤頂對工作缸施加壓力，壓縮工作缸內(nèi)浸油的發(fā)泡NBR。通過測量不同壓力下的壓縮高度，計算出發(fā)泡橡膠的體積，加載壓力通過接在進(jìn)油管上的壓力傳感器輸出折算得到，進(jìn)而得到發(fā)泡NBR的壓力-體積變化規(guī)律。

圖1 試驗臺架原理圖

試驗臺架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 發(fā)泡NBR測試實驗

分別剪取直徑為54.1， 51.5， 50.0 mm， 厚度為

表1 試驗臺架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.5 mm的發(fā)泡NBR各四片，放入工作缸內(nèi)，并向工作缸內(nèi)加入20 mL專用減振器油液，操作手動液壓泵，由液壓千斤頂向工作缸底部施加壓力，記錄、分析壓力傳感器與工作缸高度實驗數(shù)據(jù)，繪制出發(fā)泡NBR所受壓力與體積之間的變化關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 發(fā)泡NBR壓力-體積曲線

由圖2可知，不同體積的發(fā)泡NBR在其他條件相同的情況下所受壓力不相同，反映在實際的液壓減振器中，即發(fā)泡NBR氣帶的體積與背壓的提供有直接關(guān)系。在其他條件相同的情況下，儲油腔內(nèi)放置的發(fā)泡NBR越多(即體積越大)，儲油腔提供的背壓就越小。

2 發(fā)泡NBR氣帶特性回歸分析

2.1 回歸曲線方程的計算

回歸分析是處理變量之間相關(guān)關(guān)系的一種數(shù)理統(tǒng)計方法[7]，即應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得出符合事物內(nèi)部規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

觀察發(fā)泡橡膠的壓力-體積曲線，曲線接近冪函數(shù)，故取函數(shù)類型為：

y=axb

(1)

式中，y—— 發(fā)泡橡膠所受壓力，MPa

x—— 發(fā)泡橡膠體積，mm3

a，b—— 待定系數(shù)

對等式(1)兩邊取對數(shù)，令：

y′=lny,x′=lnx,b0=lna

則式(1)即為:

(2)

t=1,2,…，N

(3)

應(yīng)用最小二乘法求解回歸系數(shù)，令：

則式(3)的矩陣形式為:

Y-Xb=V′

(4)

b=(XTX)-1XTY

(5)

解之得b0,b:

(6)

(7)

用列表的方法將實驗測得的數(shù)據(jù)橡膠體積xt(mm3)和壓力yt(MPa)代入上述公式，求出圖2中三條曲線的回歸方程。

(1)D=54.1 mm,y=11284.12x-1.11

即：pV1.11=11284.12

(2)D=51.5 mm,y=17143.44x-1.16

即：pV1.16=17143.44

(3)D=50.0 mm,y=11798.02x-1.13

即：pV1.13=11798.02

2.2 回歸曲線方程的效果精度

相關(guān)指數(shù)R2通常作為判斷曲線回歸方程與觀測數(shù)據(jù)的擬合效果好壞的指標(biāo)，即:

(8)

其中，R也稱相關(guān)系數(shù)，R2(或R)越大，越接近于1，則表明所配曲線的效果越好。根據(jù)式(8)分別計算三條曲線的相關(guān)指數(shù)，得到結(jié)果為0.958，0.954和0.875。故采用實驗(1)D=54.1 mm得到的實驗結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 測試曲線與擬合函數(shù)對比

3 裝有發(fā)泡NBR氣帶的減振器仿真與測試

3.1 減振器仿真

根據(jù)減振器的工作原理，并結(jié)合減振器試驗臺架的安裝方式、文獻(xiàn)資料[8-10]及發(fā)泡橡膠的實驗特性，以某廠ZX102897001型號減振器為對象，在AMESim中建立其仿真模型，如圖4所示。

圖4 液壓減振器AMESim仿真模型

模型由減振器活塞閥總成、底閥總成、工作缸、裝有發(fā)泡NBR氣帶儲油腔及激勵信號等部分組成。活塞總成包括6個相同的單向閥(3個一組，反向安裝，分別模擬復(fù)原閥和流通閥)及2個常通節(jié)流孔，底閥總成包括壓縮閥和補償閥。

在傳統(tǒng)的減振器仿真當(dāng)中，通常用蓄能器元件模擬儲油腔中的油液及氣體，蓄能器中氣體受壓縮時的體積變化規(guī)律遵循氣體多變過程方程pVn=常數(shù)(n為多變指數(shù)，取1.0～1.4)。根據(jù)前面的發(fā)泡NBR測試實驗結(jié)果分析，NBR壓力-體積變化規(guī)律與理想氣體受壓縮時變化規(guī)律相似，也符合pVn=常數(shù)。按照NBR氣帶回歸分析結(jié)果，將多變指數(shù)n取為1.11，即可較好的模擬發(fā)泡NBR氣帶在減振器工作時的變化狀況。

3.2 減振器試驗測試

將帶有發(fā)泡NBR氣帶的減振器橫向安裝于減振器試驗臺架上，仿真與實際測試都依據(jù)TB/T 1491-2015，采用正弦激勵的方式，具體參數(shù)如表2所示。

表2 激勵函數(shù)參數(shù)表

仿真得到不同頻率激勵下試驗速度分別為0.1， 0.3, 0.5 m/s時減振器的示功圖如圖5a所示；利用減振器特性試驗臺測試得到測試速度為0.1, 0.3 m/s時的減振器示功圖如圖5b所示。

從圖5可以看出，仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果吻合良好，從而證明了用蓄能器模型模擬NBR氣帶的正確性；減振器示功圖形狀接近橢圓形，沒有明顯異常，說明該種發(fā)泡橡膠氣帶可以取代氣腔，應(yīng)用于液壓減振器中。

4 結(jié)論

本研究通過對發(fā)泡橡膠的試驗測試、回歸分析和減振器建模仿真與測試，研究發(fā)泡橡膠氣帶變形規(guī)律及在減振器中的運用，得出以下結(jié)論：

(1) 發(fā)泡橡膠壓力-體積變化規(guī)律與多變指數(shù)為1.11時的理想氣體變化規(guī)律相似；

(2) 發(fā)泡橡膠氣帶可取代液壓減振器氣腔，防止氣穴現(xiàn)象和乳化現(xiàn)象的產(chǎn)生；

圖5 減振器示功圖

(3) 發(fā)泡橡膠的體積大小與儲油缸背壓的提供有直接關(guān)系。發(fā)泡橡膠放置體積不宜過大，否則儲油缸背壓較小，活塞振動時可能出現(xiàn)空行程，影響減振阻尼作用。

本研究對液壓減振器氣帶設(shè)計及相關(guān)實驗仿真有一定的參考價值。