馮顯錕 苗青健 彭 雪 王 越 孫麒鈞 周韶澤

（大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028）

0 研究背景

軌道車輛減振器作為懸掛部分的重要元件，可以吸收和減緩軌道不平順等引起的振動和沖擊。其性能的好壞直接影響鐵道車輛的平穩(wěn)性、舒適性、車輛部件的使用壽命和行車安全性。1908 年，法國的 M.Handallle 將內(nèi)腔分為2 個部分并充入油液，這是為了充分利用油液的阻尼作用，使其研制的液壓減振器達到衰減振動的目的。20 世紀30 年代的搖臂式減振器雖然具有成本低、壽命長和質(zhì)量輕等突出優(yōu)點，但其顯著缺點是在高速工況下充油不及時而導(dǎo)致減振器工作特性發(fā)生畸變[1]。20 世紀50 年代的充氣式減振器克服了搖臂式減振器的缺點，質(zhì)量顯著減輕，性能更好，但其制造精度要求和成本較高。與國外相比，我國對于液壓減振器的研究起步較晚，但是國內(nèi)學(xué)者在圍繞著液壓減振器的建模、仿真、實驗和部分關(guān)鍵部件（閥系、孔隙）的參數(shù)特性進行了卓有成效的研究。隨著我國高鐵的快速發(fā)展，現(xiàn)代高速列車速度已達 350 km/h，并有向400 km/h 以上推進的趨勢。保證列車運行的安全性及舒適性，這就對減振器性能的設(shè)計提出了更高的要求。我國鐵道車輛液壓減振器主要市場主要被國外品牌所占領(lǐng)。究其原因主要是國產(chǎn)減振器性能和質(zhì)量與國外生產(chǎn)的減振器相比有很大的差距，國產(chǎn)減振器在列車上普遍出現(xiàn)的問題較多，難以滿足列車運行時的性能要求。因此，有必要對減振器進行深入的研究從而實現(xiàn)減振器真正國產(chǎn)化[2]。

1 設(shè)計原理

1.1 設(shè)計思路

隨著軌道車輛減振器不斷地應(yīng)用發(fā)展和推廣，傳統(tǒng)的液壓式減振器（圖1）和充氣式減振器（圖2）已經(jīng)不能完全滿足軌道車輛的需求。匹配良好的減振器是衡量軌道車輛運行穩(wěn)定性優(yōu)劣的重要標志之一。在通過不平鋼軌時，車輪和車身的相對速度要比通過平直路面時大得多。即減振器在復(fù)原行程時，須提供比較大的阻尼力，但是壓縮行程需要的阻尼力相對較弱，這是系統(tǒng)動力學(xué)對減振器阻尼設(shè)計提出的最基本的要求。

圖1 液壓減振器示意圖

圖2 充氣式減振器示意圖

當車輪與車身的相對運動速度過大時，減振器可以自動加大通流面積，以便使阻尼力始終保持在一定的限度之內(nèi)，避免車身承受過大的沖擊載荷。液壓減振器的外特性具有非線性的變化趨勢，一般采用分段設(shè)計的方法，分別對減振器的低速特性、中速特性和高速特性進行設(shè)計，以滿足減振器在不同速度點下對阻尼力的要求。復(fù)原行程時活塞向上運動遠離工作缸，連桿不斷從工作缸內(nèi)抽出，因此從活塞上腔流入活塞下腔的減振油不能完全補充活塞下腔因活塞上移而形成的空間，其余部份的減振油就由貯液筒經(jīng)底閥分總成的補償閥流入工作缸下腔，以使工作缸下腔充滿減振油。復(fù)原行程時，我們根據(jù)不同速度點下復(fù)原阻力的設(shè)定值，可以計算出在不同復(fù)原阻尼力值下活塞閥分總成的通流面積，從而為設(shè)計活塞閥分總成各零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)，液壓減振器復(fù)原行程油液流動方向如圖3 所示。

圖3 液壓減振器復(fù)原行程油液流動方向

現(xiàn)如今，大部分軌道車輛所采取的減振器僅能滿足對于車輛顛簸的緩振，但對乘客的舒適度影響較大，由于軌道車輛在行駛過程中經(jīng)常遇到鋼軌不平直的情況，因此車體會產(chǎn)生橫向移動，懸架減振器通常安裝限位結(jié)構(gòu)，以防止部件之間的剛性沖擊[3]。目前減振器主要采用的是機械限位緩沖結(jié)構(gòu)，常見的限位緩沖結(jié)構(gòu)是內(nèi)置聚氨酯材料。然而，這種結(jié)構(gòu)部件的材料容易老化。由于緩沖墊只能通過限位緩沖墊的彈性變形來起到一定的緩沖作用，因此緩沖墊變形小，緩沖效果差，導(dǎo)致限位功能降低或消失，影響減振器的使用性能。

所謂緩沖限位，是指伸縮彈簧壓縮到一定行程時，會使作用力從彈簧平穩(wěn)過渡，然后利用其高分子材料的阻尼作用，將振動能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，從而減少車內(nèi)振動，提高乘坐舒適性[4]。此外，軌道車輛中的噪聲水平與零件的共振頻率和軌道噪聲頻率有關(guān)。伸縮彈簧的共振頻率（一般為50 Hz～70 Hz）與道路噪聲的頻率（一般為15 Hz～20 Hz）相差甚遠，因此可以顯著降低軌道車輛中的噪聲，為乘客提供更安靜、更舒適的環(huán)境。裝有內(nèi)部液壓限制緩沖結(jié)構(gòu)的軌道車輛減振器具有比內(nèi)置聚氨酯材料限制緩沖結(jié)構(gòu)的減振器更好的減振功能，可以將限制沖擊能量轉(zhuǎn)換為不可逆轉(zhuǎn)的熱，釋放到大氣中，減少振動能量。

在物理結(jié)構(gòu)中，阻尼器的阻尼效果是由一系列固定節(jié)氣門和可變節(jié)氣門孔共同作用產(chǎn)生的，根據(jù)液壓限制緩沖結(jié)構(gòu)的工作原理，在限制緩沖結(jié)構(gòu)中，普通通孔的節(jié)氣門區(qū)域較小，可變節(jié)氣門孔的節(jié)氣門區(qū)域較大，兩者的液壓系統(tǒng)相同。等效液壓系統(tǒng)簡化模型如圖4 所示。相關(guān)分析表明，緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的附加阻尼力也與活塞的運動速度有關(guān)。鐵路車輛發(fā)生大輪跳躍時，活塞接觸限制結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生額外的制動力，迅速增加阻尼器的阻尼力，使振動衰減更快，減少車架和懸架之間的沖擊，提高軌道車輛的緩沖性能和乘客的乘坐感。

圖4 等效液壓系統(tǒng)簡化模型

為了能夠具有傳統(tǒng)減振器的優(yōu)良性能的同時，消除其存在的負面因素，以下性能成為主要突破點：優(yōu)異的黏溫性能是減振器油的重要工作性能，減振器油的黏度隨著溫度的升高和降低而升高和降低。如果黏度變化太大，油通過小孔的阻力也會有增有減，使減振非常不穩(wěn)定。減振衰減大，就要求減振器油具有良好的黏溫性能。低溫機動性好，由于車輛的地理機動性大，所以放在室外的情況很多，考慮到北方冬季天氣寒冷，要求減振器的機油傾點低于-40 ℃；優(yōu)異的極壓和抗磨損性能，能在減振器工作時有效潤滑，保護減振器所有的工作部件，延長其使用壽命?？寡趸阅軓?，路況不好時，減振器油運動劇烈，此時行駛速度慢，減振器油溫會升到150 ℃，油溫會有升有降，氧化條件也比較苛刻。實際操作中，減振器損壞時往往需要更換減振器，很少拆下減振器換油，所以要求減振器油使用壽命長。良好的耐腐蝕性和防銹性。與減振器接觸的金屬有鋼、銅、鉻、粉末冶金、鋅和鋁合金。減振器油接觸的金屬材料不可以腐蝕生銹。橡膠相容性好。防止密封材料與油品性能不匹配，導(dǎo)致老化漏油。優(yōu)異的抗泡沫和抗乳化性能。油乳化會導(dǎo)致阻尼特性降低，也是造成節(jié)流閥和卸荷閥損壞的主要原因。油中的空氣也是乳化的前提。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻研究法

該研究采用了文獻研究法，即根據(jù)軌道交通車輛使用減振裝置的課題，通過查閱相關(guān)國內(nèi)外期刊、會議報告和學(xué)術(shù)論文等渠道來獲取國內(nèi)外關(guān)于軌道車輛減振器問題的現(xiàn)階段研究內(nèi)容與研究成果，從而全面地、正確地了解關(guān)于軌道車輛減振器相關(guān)問題。并且對該問題的研究內(nèi)容和研究成果進行了全面分析，了解現(xiàn)如今每種方法存在的優(yōu)缺點，對其劣勢進行討論與思考，在前人研究的基礎(chǔ)上進行擴展延伸以得到該項目的創(chuàng)新點及完善點，從而形成了該文所述的軌道交通車輛用減振裝置。

1.2.2 定性研究法

該研究采用了定性研究法，即對研究對象—軌道交通車輛用減振裝置進行“質(zhì)”的方面的分析。運用歸納和演繹、分析與綜合以及抽象和概括等方法，對資料所述的液壓減振器及充氣減振器的優(yōu)缺點進行思維加工，從而能夠去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里、由淺入深，達到認識事物本質(zhì)、揭示內(nèi)在規(guī)律的目的，結(jié)合該方法研究出復(fù)合式軌道交通車輛用減振裝置。

1.2.3 描述性研究法

該研究所采用的是描述性研究法，即對國內(nèi)外現(xiàn)如今關(guān)于軌道交通車輛用減振裝置所闡述的現(xiàn)象、規(guī)律和理論進行揭示、敘述及解釋，并在解釋中定向的提出問題、揭示弊端、描述現(xiàn)象從而介紹本作所提出的項目觀點，并提供理論依據(jù)，達到闡釋本作所述軌道交通車輛用減振裝置的目的。

2 創(chuàng)新特色

軌道交通車輛用減振裝置如圖 5、圖6 所示，其構(gòu)成包括底部支撐架、頂部連接架、固定筒和伸縮彈簧，所述底部支撐架下側(cè)面設(shè)置了車輪，且底部支撐架上側(cè)面設(shè)置了液壓伸縮桿，同時液壓伸縮桿下側(cè)面通過第一連接螺絲與底部支撐架相連接。頂部連接架設(shè)置在液壓伸縮桿上側(cè)面，且頂部連接架下側(cè)面通過第二連接螺絲與液壓伸縮桿上側(cè)面相連接，固定筒設(shè)置在底部支撐架上側(cè)面，且固定筒內(nèi)部設(shè)置了彈簧軸，同時彈簧軸上側(cè)面設(shè)置了支撐塊，支撐塊上側(cè)面設(shè)置有支撐桿，且支撐桿貫穿固定筒上側(cè)面。固定筒的內(nèi)徑大于彈簧軸的直徑[5]。伸縮彈簧設(shè)置在支撐塊的上側(cè)面，且伸縮彈簧分別設(shè)置在支撐桿左右兩側(cè)，同時支撐桿上側(cè)面設(shè)置了固定塊，固定塊上側(cè)面設(shè)置了連接板，且連接板分別設(shè)置在頂部連接架前后兩側(cè)，同時連接板通過固定螺桿與頂部連接架相連接。該裝置設(shè)置2 組伸縮彈簧。在軌道交通車輛上安裝該減振裝置，當軌道交通車輛遇到顛簸時，彈簧軸會進行伸縮緩沖，通過2 組伸縮彈簧對2 個支撐塊回升時起到緩沖限位作用，導(dǎo)致2 個支撐塊不容易出現(xiàn)快速上升的情況，從而使軌道交通車輛上的乘客不會感覺到較大顛簸感，出現(xiàn)不舒適的情況[6]。

圖5 裝置結(jié)構(gòu)圖

圖6 裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置的工作原理如下。在使用該軌道交通車輛用減振裝置時，通過讓支撐桿和上側(cè)連接板卡合在底部支撐架下側(cè)，再使用固定螺桿貫穿連接板，與頂部連接架相連接，使連接板與底部支撐架相連接。連接完成后，再使用第一連接螺絲將液壓伸縮桿下端與底部支撐架相連接，同時使用第二連接螺絲將液壓伸縮桿上端與頂部連接架相連接。連接完成后，便可使用。在軌道交通車輛行駛過程中遇到顛簸振動時，通過支撐桿下端支撐塊在固定筒內(nèi)部向下移動，此時彈簧軸開始調(diào)節(jié)，頂部連接架得到緩沖，且在彈簧軸進行伸展時，支撐塊向上移動，通過伸縮彈簧的緩沖作用，使支撐塊向上移動時得到緩沖，同時通過液壓伸縮桿的加固減振作用，使該軌道交通車輛的減振緩沖效果更好，乘坐該軌道交通車輛的乘客不會感覺到較大的顛簸感。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該軌道交通車輛使用減振裝置的優(yōu)點有以下2 點：1）軌道交通車輛上安裝該減振裝置設(shè)置了2組伸縮彈簧，在軌道交通車輛遇到顛簸時，彈簧軸會進行伸縮緩沖，通過2 組伸縮彈簧對2 個支撐塊回升時起到緩沖限位的作用，使2 個支撐塊不會出現(xiàn)快速上升的情況，從而使軌道交通車輛上的乘客不會感到較強的顛簸感或出現(xiàn)傾倒的情況。2）該裝置設(shè)置了2 組液壓伸縮桿，在軌道交通車輛行駛途中遇到較大幅度的晃動時，通過2 組液壓伸縮桿的伸縮緩沖作用，對軌道交通車輛進行振動緩沖，2 組液壓伸縮桿能夠起到很好的減振緩沖作用，從而起到保護作用[7]。

3 結(jié)語

該文分別采用了文獻研究法、定性研究法和描述性研究法進行研究分析，并對現(xiàn)有的幾種典型的減振結(jié)構(gòu)進行對比分析，在此基礎(chǔ)上進行了結(jié)構(gòu)和功能上的創(chuàng)新，通過研究使車輛運行時更平穩(wěn)安全。

該文研究的軌道交通車輛所用的減振裝置，很好地解決了目前軌道交通車輛上減振系統(tǒng)的缺點，彌補了技術(shù)上的缺陷，提高了減振效果，進一步提高了乘客乘坐車輛的舒適感和軌道車輛的使用壽命。