戚 壯，王曉雷，莫榮利，葉 特，陳清化

(1．石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043；2．中國(guó)中車(chē) 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司， 湖南 株洲 412000)

近年來(lái)，空氣彈簧由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于高速動(dòng)車(chē)組上[1-3]?？諝鈴椈赡軌蜉^好的滿(mǎn)足二系懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的各種要求，緩解振動(dòng)并提高旅客乘坐的舒適度，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究分析并應(yīng)用于不同領(lǐng)域[4-5]。隨著高速列車(chē)的提速與快速發(fā)展，空氣彈簧的非線(xiàn)性特性成為了學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。因此建立空氣彈簧非線(xiàn)性模型，對(duì)空氣彈簧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

空氣彈簧結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛性特性影響因素多，改善空氣彈簧的垂向性能一直是研究的重點(diǎn)[6-7]。為了探究空氣彈簧動(dòng)力學(xué)特性，文獻(xiàn)[8]利用氣體熱力學(xué)和流體力學(xué)方程推導(dǎo)了空氣彈簧-連接管路-附加空氣室的空氣彈簧動(dòng)力學(xué)模型，并分析了連接管路長(zhǎng)度、管徑大小及管內(nèi)氣體質(zhì)量對(duì)懸掛性能的影響。文獻(xiàn)[9]基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論，結(jié)合三階Ogden應(yīng)變能密度函數(shù)推導(dǎo)出模型，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合參數(shù)，得出對(duì)空氣彈簧疲勞壽命的預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[10]基于自行編寫(xiě)的空氣彈簧動(dòng)態(tài)特性仿真軟件ASDS建立TPL-ASN模型，并對(duì)某高速動(dòng)車(chē)組空氣彈簧進(jìn)行不同激勵(lì)振幅和頻率下的動(dòng)態(tài)特性仿真分析，將仿真計(jì)算的動(dòng)剛度、阻尼比與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，反映出空氣彈簧的非線(xiàn)性特性。但上述研究均沒(méi)有考慮空氣彈簧在承載過(guò)程中由于橡膠氣囊本身具有的黏彈性和伸縮性所形成的黏彈性力的影響。文獻(xiàn)[11]考慮了橡膠氣囊力學(xué)特性，采用摩擦模型和分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)Kelvin-Voigt模型對(duì)橡膠氣囊進(jìn)行建模，描述了橡膠氣囊的振幅相關(guān)性和頻率相關(guān)性，但是其僅基于一階泰勒展開(kāi)和割線(xiàn)法在平衡點(diǎn)附近建立了空氣彈簧系統(tǒng)的線(xiàn)性模型，基于數(shù)學(xué)方法對(duì)空氣彈簧參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，沒(méi)有與整車(chē)的模型進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算。

因此，本文提出利用氣動(dòng)熱力學(xué)理論對(duì)空氣彈簧的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，結(jié)合有限元平臺(tái)對(duì)空氣彈簧重要參數(shù)進(jìn)行分析，并建立氣動(dòng)熱力學(xué)模型。采用分?jǐn)?shù)階微積分理論探究氣囊橡膠材料的黏彈性阻尼特性，建立橡膠氣囊的分?jǐn)?shù)階控制器，優(yōu)化了氣動(dòng)熱力學(xué)模型。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)用最小二乘法對(duì)該模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)對(duì)氣動(dòng)熱力學(xué)模型進(jìn)行修正。大量試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分?jǐn)?shù)階修正的氣動(dòng)熱力學(xué)模型的有效性，并分析了空氣彈簧的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。最后，將空氣彈簧模型植入U(xiǎn)M動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行與整車(chē)模型的聯(lián)合仿真，能夠?yàn)榭諝鈴椈上到y(tǒng)在整車(chē)動(dòng)力學(xué)性能影響的研究提供有效的方法。

1 建立空氣彈簧系統(tǒng)氣動(dòng)熱力學(xué)模型

空氣彈簧氣動(dòng)熱力學(xué)模型的探究需要對(duì)空氣彈簧主氣室、附加氣室和節(jié)流阻尼孔分別建模，主氣室代表橡膠氣囊內(nèi)部的壓縮空氣，附加氣室影響空氣彈簧的動(dòng)態(tài)性能，節(jié)流孔徑的有效面積限制氣體的流動(dòng)速率?；谝陨细鹘M成部分，在Simulink中建立空氣彈簧系統(tǒng)模型。

1.1 空氣彈簧主氣室與附加氣室子模型

空氣彈簧主氣室在振動(dòng)過(guò)程中接近于工程熱力學(xué)中的絕熱過(guò)程，故滿(mǎn)足理想氣體的絕熱過(guò)程方程式。

(1)

式中：n為多變指數(shù)，等溫過(guò)程下n一般取1，絕熱過(guò)程下n一般取1.4。

方程兩端對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到微分方程為

(2)

空氣彈簧的氣囊容積主要與空氣彈簧工作高度h有關(guān)，此外還受到空氣彈簧內(nèi)部壓力的改變而導(dǎo)致容積徑向發(fā)生彈性變形?；谶@兩種因素的影響，可得

(3)

式中：h為空氣彈簧高度，h=h(t)；kv為空氣彈簧的體積受到氣囊內(nèi)部壓力變化產(chǎn)生的體積變化率。

空氣彈簧有效面積Se不僅與空氣彈簧工作高度h有關(guān)，而且還與壓強(qiáng)的變化率相關(guān)。

(4)

式中：Se為有效面積，是垂向力F與空氣彈簧氣室相對(duì)壓強(qiáng)P的比值，N/Pa；ks為空氣彈簧的有效面積受到氣囊內(nèi)部壓力變化產(chǎn)生的有效面積變化率。

基于空氣彈簧主氣室動(dòng)力學(xué)方程，分析附加氣室動(dòng)力學(xué)方程，由于附加氣室容積Vt一定，因此有

(5)

基于以上理論，在Simulink中建立空氣彈簧主氣室與附加氣室子模型如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可知，輸入端為空氣彈簧下蓋板的激勵(lì)信號(hào)、流入主氣室和附加氣室的氣體質(zhì)量流量和初始載荷力的變化量，輸出端為空氣彈簧的垂向力、主氣室與附加氣室壓強(qiáng)等參數(shù)。

圖1 空氣彈簧主氣室氣動(dòng)熱力學(xué)模型

圖2 空氣彈簧附加氣室氣動(dòng)熱力學(xué)模型

1.2 空氣彈簧節(jié)流孔子模型

節(jié)流孔是空氣彈簧產(chǎn)生阻尼的重要元件，發(fā)揮著限制和阻礙氣體流通的作用，依據(jù)流體力學(xué)理論，氣體流動(dòng)過(guò)程時(shí)的流量變化依賴(lài)于兩氣室之間的體積和壓力差，經(jīng)流的氣體在節(jié)流孔處產(chǎn)生了流體摩擦力和慣性力，導(dǎo)致實(shí)際流通面積S小于理論設(shè)置的流通面積S0，流經(jīng)節(jié)流孔的氣體質(zhì)量流量變化Q可表示為[12]

(6)

(7)

基于以上理論建立的節(jié)流孔子模型見(jiàn)圖3。由圖3可知，將節(jié)流孔兩端的壓強(qiáng)作為輸入，經(jīng)過(guò)式(6)、式(7)計(jì)算可以得出輸出端主氣室與附加氣室的氣體質(zhì)量流量。

圖3 空氣彈簧節(jié)流孔模型

1.3 分?jǐn)?shù)階理論在空氣彈簧橡膠氣囊中的應(yīng)用

空氣彈簧氣動(dòng)模型沒(méi)有考慮橡膠氣囊材料的阻尼特性，然而空氣彈簧在工作頻率范圍內(nèi)，橡膠氣囊黏彈性產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)會(huì)影響空氣彈簧的動(dòng)態(tài)特性，而分?jǐn)?shù)階理論對(duì)研究橡膠材料的黏彈性提供了很好的建模方法，已經(jīng)被證明是描述橡膠材料黏彈性性質(zhì)的有力證據(jù)[14]。因此，本文采用分?jǐn)?shù)階微積分對(duì)橡膠氣囊的黏彈力進(jìn)行分析并建模，以此來(lái)修正氣動(dòng)熱力學(xué)模型與工程實(shí)際空氣彈簧之間的一些差異。

根據(jù)常用的Grünwald-Letnikov分?jǐn)?shù)階定義，將分?jǐn)?shù)微積分寫(xiě)成[15]

(8)

式中：α為分?jǐn)?shù)階的階數(shù)。式(8)表明分?jǐn)?shù)階微積分一個(gè)點(diǎn)的積分是由整個(gè)時(shí)間的歷史決定的，分?jǐn)?shù)階微積分具有記憶性。因此Grünwald滿(mǎn)足以下遞推公式[16]

(9)

利用以上Grünwald-Letnikov 分?jǐn)?shù)階定義，將橡膠氣囊的黏彈力與位移的關(guān)系表示為[17]

(10)

式中：Fvis(t)為黏彈力；α為空氣彈簧工作位移x(t)對(duì)時(shí)間的階數(shù)；C為分?jǐn)?shù)階的阻尼系數(shù)。

但是，上述的分?jǐn)?shù)階微積分定義較為復(fù)雜，難以進(jìn)行建模分析，考慮到空氣彈簧受到頻率的響應(yīng)是在一定范圍內(nèi)，可以采用Oustaloup傳遞函數(shù)的方法，將含有整數(shù)階零點(diǎn)與極點(diǎn)生成的折線(xiàn)去近似逼近分?jǐn)?shù)階微積分的直線(xiàn)特性，見(jiàn)圖4，使其頻域響應(yīng)很好的逼近原始的分?jǐn)?shù)階模型[18]。

圖4 Oustaloup濾波器近似解與分?jǐn)?shù)階微積分解示意圖

該傳遞函數(shù)可以表示為

(11)

(12)

(13)

基于G(s)傳遞函數(shù)，建立分?jǐn)?shù)階修正的氣動(dòng)熱力學(xué)模型見(jiàn)圖5，激勵(lì)信號(hào)作為輸入，橡膠氣囊黏彈性力Fvis作為輸出，設(shè)置分?jǐn)?shù)階微積分的階數(shù)α與黏彈性阻尼系數(shù)C來(lái)表征空氣彈簧黏彈性力。

圖5 分?jǐn)?shù)階模型應(yīng)用在空氣彈簧系統(tǒng)模型

2 空氣彈簧模型參數(shù)的確立

2.1 基于有限元分析下的空氣彈簧參數(shù)確定

空氣彈簧氣動(dòng)模型在建立過(guò)程時(shí)需要確定一些流體參數(shù)，有限元算法作為一種有效的數(shù)值算法，能夠?qū)?fù)雜的幾何體進(jìn)行單元簡(jiǎn)化，經(jīng)過(guò)建模分析計(jì)算得出結(jié)果。根據(jù)株洲時(shí)代新材料公司提供的某型號(hào)空氣彈簧尺寸圖，建立有限元模型，得到云圖見(jiàn)圖6，得出空氣彈簧有效面積和加載位移、壓強(qiáng)以及空氣彈簧體積和位移、壓強(qiáng)之間的關(guān)系，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出函數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖7、圖8，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖6 空氣彈簧模型

圖7 空氣彈簧有效面積與位移和壓強(qiáng)關(guān)系

圖8 空氣彈簧體積與位移和壓強(qiáng)之間關(guān)系

表1 空氣彈簧模型參數(shù)

2.2 橡膠氣囊分?jǐn)?shù)階微積分參數(shù)的辨識(shí)

分?jǐn)?shù)階模型參數(shù)的辨識(shí)建立在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，選擇一組原有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)空氣彈簧橡膠氣囊的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。氣動(dòng)熱力學(xué)模型的回滯曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9(a)可知，靜態(tài)加載下氣動(dòng)熱力學(xué)模型已經(jīng)能夠較好的反映出空氣彈簧的剛度和阻尼特性，這是由于靜態(tài)加載下的頻率極低，試驗(yàn)過(guò)程橡膠氣囊產(chǎn)生的黏彈力成分可以忽略不計(jì)，因此與尚未考慮橡膠氣囊黏彈性的氣動(dòng)熱力學(xué)模型相匹配。但是，在動(dòng)態(tài)加載下，橡膠氣囊的黏彈力已經(jīng)不能忽略，此時(shí)動(dòng)態(tài)回滯曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)在剛度和阻尼上均有較大差異，見(jiàn)圖9(b)。

圖9 動(dòng)態(tài)與靜態(tài)下氣動(dòng)熱力學(xué)模型仿真與試驗(yàn)對(duì)比

分?jǐn)?shù)階模型的建立就是為了修正空氣彈簧氣動(dòng)熱力學(xué)模型與試驗(yàn)結(jié)果存在的差異，為了獲取分?jǐn)?shù)階模型參數(shù)，首先需要獲得分?jǐn)?shù)階模型的階數(shù)α和分?jǐn)?shù)階阻尼系數(shù)C的一般規(guī)律。采取控制變量法，讓系數(shù)C的值保持不變，通過(guò)大量仿真計(jì)算，得到分?jǐn)?shù)階階數(shù)α和回滯環(huán)剛度k、回滯環(huán)面積S之間的函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖10(a)。由圖10(a)可知，隨著α的增大，剛度先減小后增大，面積持續(xù)增大。同理，控制階數(shù)α保持不變，依次增大系數(shù)C進(jìn)行仿真計(jì)算，得到系數(shù)C和回滯環(huán)剛度k、回滯環(huán)面積S之間的函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖10(b)。由圖10(b)可知，隨著C的增大，剛度逐漸減小，面積幾乎呈線(xiàn)性增加。

圖10 分?jǐn)?shù)階參數(shù)的一般規(guī)律

在獲得了分?jǐn)?shù)階微積分一般規(guī)律后，對(duì)分?jǐn)?shù)階模型的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的辨識(shí)。選擇一組空氣彈簧垂向動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，見(jiàn)圖11(a)，采用最小二乘法對(duì)該參數(shù)進(jìn)行循環(huán)辨識(shí)，最終獲得分?jǐn)?shù)階階數(shù)α和分?jǐn)?shù)階阻尼系數(shù)C，將α和C的值輸入分?jǐn)?shù)階模型中，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)熱力學(xué)模型的修正作用，其結(jié)果見(jiàn)圖11(b)。由圖11(b)可知，經(jīng)過(guò)修正后的空氣彈簧氣動(dòng)熱力學(xué)模型與試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合較好，證明了該辨識(shí)參數(shù)方法的有效性，并且驗(yàn)證了對(duì)考慮橡膠氣囊黏彈性力建模的必要性。

圖11 空氣彈簧氣動(dòng)熱力學(xué)模型修正方法與修正結(jié)果顯示

3 分?jǐn)?shù)階修正的空氣彈簧氣動(dòng)熱力學(xué)模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證分?jǐn)?shù)階修正的空氣彈簧氣動(dòng)熱力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，對(duì)空氣彈簧的動(dòng)靜特性進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)參照TB/T 2841—2010《鐵道車(chē)輛空氣彈簧》[19]。將某型號(hào)的膜式空氣彈簧本體倒立放置在自由振動(dòng)臺(tái)的中心位置，調(diào)整空氣彈簧的高度為326 mm，并且固定上蓋板，使得空氣彈簧能隨著振動(dòng)臺(tái)的激振進(jìn)行振動(dòng)。靜態(tài)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是在JYC-027二維電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)裝置包括數(shù)據(jù)采集器、位移傳感器、MPM4760主氣室壓強(qiáng)傳感器、MPM4760附加氣室壓強(qiáng)傳感器、力傳感器、空氣彈簧本體、附加氣室、節(jié)流阻尼孔、空氣壓縮機(jī)、干燥過(guò)濾器、壓力表以及開(kāi)關(guān)閥等。在空氣彈簧上蓋板的垂直方向放置質(zhì)量一定的配重塊，其上方放置位移傳感器，用來(lái)檢測(cè)主氣室所施加的位移信號(hào)。空氣彈簧的下蓋板固定在試驗(yàn)臺(tái)上，放置力傳感器，用來(lái)檢測(cè)主氣室所施加的反作用力。兩個(gè)壓強(qiáng)傳感器分別檢測(cè)空氣彈簧主氣室和附加氣室的壓力變化信號(hào)，最終通過(guò)MTS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集、處理。

空氣彈簧的剛度和阻尼采用了圖12的計(jì)算方法。由圖12可知，回滯曲線(xiàn)的剛度K由最高點(diǎn)與最低點(diǎn)坐標(biāo)得出；垂向振動(dòng)進(jìn)程中消耗的能量為回滯曲線(xiàn)的面積S。

圖12 空氣彈簧剛度與阻尼的計(jì)算方法

3.1 垂向靜態(tài)特性探究

按照試驗(yàn)工況對(duì)該模型進(jìn)行同等狀態(tài)下仿真分析，得出初始?xì)饽覊簭?qiáng)與載荷關(guān)系的試驗(yàn)、仿真對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖13。由圖13(a)可知，氣囊初始?jí)簭?qiáng)的增大會(huì)提高其承受載荷的能力，隨著充入內(nèi)壓的依次增大，垂向載荷也逐漸增大，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算吻合較好。

圖13 空氣彈簧靜態(tài)特性仿真圖與仿真試驗(yàn)對(duì)比圖

為了探究靜態(tài)狀況下空氣彈簧氣囊中氣體分子的壓縮程度是否影響空氣彈簧在不同工況下的剛度變化，調(diào)整初始內(nèi)壓為470、630、700 kPa，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得出相應(yīng)的載荷、位移曲線(xiàn)，并將得出的數(shù)據(jù)擬合為相應(yīng)的載荷、位移的二次函數(shù)。垂向力F對(duì)位移X求導(dǎo)得出剛度、位移的一次函數(shù)見(jiàn)圖13(b)。由圖13(b)可知，空氣彈簧氣囊在承受載荷時(shí)的靜態(tài)剛度隨著初始?jí)簭?qiáng)的增加而變大；同一初始?jí)簭?qiáng)下，靜剛度會(huì)隨著空氣彈簧壓縮位移的增加而增大；隨著初始?jí)簭?qiáng)的增大，靜剛度的變化率(剛度位移曲線(xiàn)的斜率)增加，這表明當(dāng)氣囊內(nèi)部氣體壓縮程度變大時(shí)，其產(chǎn)生的單位位移下的作用力(剛度)變化率增大，體現(xiàn)了空氣彈簧可變剛度的優(yōu)點(diǎn)。

調(diào)整模型參數(shù)與試驗(yàn)工況完全一致，仿真得出載荷為95、126、140 kN，振幅為10 mm的靜態(tài)三角波激勵(lì)下的空氣彈簧剛度回滯曲線(xiàn)，見(jiàn)圖14。由圖14(a)～圖14(c)可知，空氣彈簧靜態(tài)剛度回滯曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合度較高，且能夠較好地反映出回滯曲線(xiàn)兩端的“尖角效應(yīng)”，其誤差不超過(guò)5%，表明該模型能夠準(zhǔn)確地模擬不同載荷下的空氣彈簧靜剛度特性。由圖14(d)可知，隨著壓強(qiáng)的增加，靜剛度增大；且空氣彈簧的靜剛度不僅與壓強(qiáng)有關(guān)，還與附加氣室的體積大小有關(guān)，體積越大，靜剛度越小。

圖14 空氣彈簧靜態(tài)剛度回滯仿真曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比圖

3.2 垂向動(dòng)態(tài)特性探究

空氣彈簧垂向動(dòng)態(tài)剛度與阻尼特性不僅與加載振幅的大小有關(guān)，還與不同的頻率有關(guān)。因此，基于仿真計(jì)算，將振幅為5、10 mm、頻率為1 Hz的正弦激勵(lì)下的空氣彈簧動(dòng)剛度曲線(xiàn)的規(guī)律整理見(jiàn)圖15。由圖15可知，分?jǐn)?shù)階修正的氣動(dòng)熱力學(xué)模型仿真出的載荷位移曲線(xiàn)與試驗(yàn)特性曲線(xiàn)基本吻合，表明該模型能較好地描繪出動(dòng)剛度特性，動(dòng)剛度大小與試驗(yàn)結(jié)果基本相同，誤差在2%以?xún)?nèi)，體現(xiàn)了模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)回滯曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果可知，由于試驗(yàn)過(guò)程中位移、力傳感器布置在振動(dòng)臺(tái)上隨著激擾一起振動(dòng)過(guò)程中存在一些實(shí)際誤差和摩擦，導(dǎo)致載荷、位移回滯曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)在幾何上有所差別，但通過(guò)計(jì)算得出兩者的包絡(luò)面積在數(shù)值上基本相等，可以得出此模型能夠較好地反映空氣彈簧的阻尼特性。

空氣彈簧的頻變特性采用頻率為0.5～5 Hz的正弦波激勵(lì)，振幅設(shè)置為5、10 mm，試驗(yàn)研究和仿真研究總結(jié)出頻變特性的規(guī)律如圖17所示。由圖17可知，該空氣彈簧模型能較好地模擬出不同激振頻率與振幅下的空氣彈簧動(dòng)剛度與阻尼特性，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，試驗(yàn)和仿真結(jié)果誤差在10%以?xún)?nèi)。

由圖16(a)可知，在0.5～5 Hz頻率范圍內(nèi)，振幅越大，動(dòng)剛度整體上越大，在頻率0.5～3.5 Hz范圍內(nèi)，頻變特性受到的影響程度較大，隨著頻率的增加，動(dòng)剛度明顯增大。在頻率3.5～5 Hz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，動(dòng)剛度逐漸減小并逐漸趨于水平。由此可知，分?jǐn)?shù)階修正的空氣彈簧氣動(dòng)熱力學(xué)模型能夠較好地描述空氣彈簧頻變的非線(xiàn)性特性。

圖16 不同激振頻率與振幅下動(dòng)剛度與阻尼特性仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖16(b)可知，分?jǐn)?shù)階修正的空氣彈簧模型產(chǎn)生的阻尼大小與激振幅值和頻率有較大的關(guān)聯(lián)性，阻尼的波峰與波谷會(huì)隨著振幅的變化而改變。在2 Hz以前，振幅越大，阻尼越大。振幅為5 mm時(shí)，在0.1～1.4 Hz范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，阻尼先減小后增大，在0.5 Hz附近和1.2 Hz附近呈現(xiàn)波谷與波峰值；振幅為10 mm時(shí)，在0.1～1 Hz范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，阻尼先減小后增大，在0.3、1 Hz附近呈現(xiàn)波谷與波峰值，由此可以得出，隨著振幅的改變，阻尼特性曲線(xiàn)有一定的滯后性。在2 Hz以后，隨著頻率的變化阻尼大幅度降低，最終趨于穩(wěn)定變小的狀態(tài)，并且受到振幅變化的影響不再明顯。

4 整車(chē)模型與空氣彈簧系統(tǒng)聯(lián)合仿真

運(yùn)用多種方法對(duì)空氣彈簧的各項(xiàng)參數(shù)和垂向特性進(jìn)行研究，考慮到車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型是車(chē)輛動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)，而單一頻率的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)難以模擬車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的不平順激勵(lì)的隨機(jī)性，因此基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真思想，將Simulink中建立的空氣彈簧系統(tǒng)模型植入到UM多體動(dòng)力學(xué)軟件中建立的整車(chē)模型中，進(jìn)一步分析整車(chē)模型下的空氣彈簧模型對(duì)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。

4.1 UM與Simulink聯(lián)合仿真方法

將Simulink中建立的空氣彈簧模型經(jīng)編譯、加載的方式生成Dynamic-Loaded Library(DLL)形式，導(dǎo)入U(xiǎn)M環(huán)境中的整車(chē)模型中，以此來(lái)設(shè)置車(chē)輛系統(tǒng)與控制方案之間的連接，將空氣彈簧模型的位移變量作為輸入信號(hào)，垂向支反力變量作為輸出信號(hào)。車(chē)輛系統(tǒng)以動(dòng)車(chē)組拖車(chē)的單節(jié)車(chē)為研究對(duì)象，在UM多體動(dòng)力學(xué)軟件中建立車(chē)輛系統(tǒng)的多剛度拖車(chē)模型，將車(chē)體、構(gòu)架和輪對(duì)考慮為6個(gè)自由度的剛體，令其能夠在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭運(yùn)動(dòng)。二系將抗蛇行減震器、橫向減震器、橫向止擋和抗側(cè)滾扭桿均考慮為非線(xiàn)性力元，以FASTSIM理論計(jì)算蠕滑力。

4.2 聯(lián)合仿真下對(duì)整車(chē)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的影響

整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型聯(lián)合仿真計(jì)算中，軌道激勵(lì)采用京津高速鐵路軌道譜，車(chē)輛運(yùn)行速度單位設(shè)置為km/h。為了探究氣動(dòng)力學(xué)模型、分?jǐn)?shù)階修正后的空氣彈簧模型分別與整車(chē)聯(lián)合仿真計(jì)算中的時(shí)域、頻域響應(yīng)范圍與差異，對(duì)構(gòu)架和車(chē)體之間的相對(duì)位移變量進(jìn)行研究分析，對(duì)比兩種模型在相同時(shí)間歷程下受到構(gòu)架激勵(lì)的位移變化時(shí)域曲線(xiàn)，見(jiàn)圖17(a)，兩種空氣彈簧模型受到的激振幅值多數(shù)集中在5 mm左右，雖然兩種模型在時(shí)域上有所不同，但是不能確定激振信號(hào)的特征曲線(xiàn)，因此將該激振的時(shí)間歷程進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)后得到頻域特性，如圖17(b)所示。由圖17(b)可知，氣動(dòng)熱力學(xué)模型在激振頻率為1.2 Hz左右較為集中，分?jǐn)?shù)階修正模型在激振1.5 Hz左右較為集中，此差異可能是由于橡膠氣囊的黏彈性阻尼在不同頻率響應(yīng)下提供的阻尼力不同，進(jìn)而體現(xiàn)在分?jǐn)?shù)階修正模型產(chǎn)生的滯后性上，而且，分?jǐn)?shù)階修正模型在高頻振動(dòng)下幅度特性低于氣動(dòng)熱力學(xué)模型，表明該模型能夠更好地抑制高頻振動(dòng)下的幅值大小。

圖17 空氣彈簧激振的時(shí)域與頻域分析

為了探究聯(lián)合仿真計(jì)算下車(chē)輛的平穩(wěn)性變化，調(diào)整車(chē)輛以一定的運(yùn)行速度通過(guò)直線(xiàn)，軌道激勵(lì)依然采用京津高速鐵路軌道譜，在車(chē)輛二系懸掛空氣彈簧支撐的車(chē)體上設(shè)置加速度計(jì)，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算輸出相應(yīng)的垂向加速度值，依據(jù)GB/T 5599—1985《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，車(chē)輛的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)W的表達(dá)式為[20]

(14)

式中：Az為車(chē)體的垂向振動(dòng)加速度；f為振動(dòng)頻率；F(f)為與振動(dòng)頻率相關(guān)的修正系數(shù)。

氣動(dòng)熱力學(xué)模型與分?jǐn)?shù)階修正模型在不同速度級(jí)下的車(chē)輛垂向運(yùn)行平穩(wěn)性以及最大加速度分析見(jiàn)圖18，采用兩種不同模型與整車(chē)聯(lián)合仿真時(shí)，車(chē)體的垂向平穩(wěn)性Sperling指標(biāo)與最大加速度值隨著車(chē)輛的運(yùn)行速度增加而非線(xiàn)性增大，且在數(shù)值上均有較大的差異，分?jǐn)?shù)階修正模型的平穩(wěn)性指標(biāo)、最大加速度值均低于氣動(dòng)熱力學(xué)模型的指標(biāo)與加速度值，其中平穩(wěn)性指標(biāo)相差最大約為7%，最大加速度值相差最大約為14%。依據(jù)GB/T 5599—1985《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中車(chē)體舒適度與加速度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，劃分為優(yōu)、良、合格3個(gè)等級(jí)，平穩(wěn)性指標(biāo)越小，車(chē)體舒適度越好；最大加速度值越小，評(píng)價(jià)度越優(yōu)良。因此，若采用分?jǐn)?shù)階修正的空氣彈簧模型建模能夠在一定程度上改良車(chē)體的垂向平穩(wěn)性與舒適度，能夠更好地應(yīng)用于高速動(dòng)車(chē)組的二系懸掛系統(tǒng)。

圖18 兩種空氣彈簧模型下的直線(xiàn)運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)

5 結(jié)論

(1)基于工程熱力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)，在Simulink中建立帶有附加氣室的空氣彈簧模型，利用有限元平臺(tái)分析相關(guān)氣動(dòng)參數(shù)的值，為建立氣動(dòng)熱力學(xué)模型提供了參數(shù)支持。

(2)由于動(dòng)態(tài)加載下空氣彈簧氣動(dòng)熱力學(xué)模型不能很好的反映出剛度與阻尼特性，引入了分?jǐn)?shù)階微積分理論對(duì)橡膠氣囊本體材料進(jìn)行研究，考慮橡膠材料間的黏彈性力，建立分?jǐn)?shù)階微積分模塊，有效改善了氣動(dòng)熱力學(xué)模型?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)對(duì)分?jǐn)?shù)階模塊的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和辨識(shí)，最終建立優(yōu)化后的空氣彈簧模型。

(3)為探究空氣彈簧的振幅相關(guān)性，將分?jǐn)?shù)階修正后的模型調(diào)整與試驗(yàn)工況一致，分析不同載荷下空氣彈簧的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)剛度和阻尼特性。載荷位移曲線(xiàn)表明：試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果吻合程度良好，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，并且得到振幅與載荷變化對(duì)空氣彈簧剛度的關(guān)聯(lián)性；為探究頻率相關(guān)性，分析了空氣彈簧的加載頻率為0.5∶5 Hz下與試驗(yàn)與仿真對(duì)比結(jié)果，較好反映出不同頻率下的空氣彈簧剛度特性。通過(guò)探究阻尼相關(guān)性的結(jié)果表明：不同頻率與振幅范圍內(nèi)阻尼特性有所不同，頻率增大，阻尼先減小后增大再減小至趨于平穩(wěn)。

(4)整車(chē)的聯(lián)合仿真能夠?qū)⒖諝鈴椈上到y(tǒng)模型與車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，通過(guò)探究車(chē)輛垂向平穩(wěn)性的影響表明：在軌道不平順的激勵(lì)下，空氣彈簧橡膠氣囊的黏彈性力起到了一定的作用，兩種模型對(duì)軌道譜的激勵(lì)敏感程度也略有不同，盡管兩種模型均滿(mǎn)足車(chē)輛動(dòng)力學(xué)中關(guān)于垂向平穩(wěn)性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，但其平穩(wěn)性指標(biāo)和最大加速度值均體現(xiàn)了差異性，分?jǐn)?shù)階修正的空氣彈簧模型能夠降低平穩(wěn)性指標(biāo)和最大加速度值，更有利于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的安全性計(jì)算。