劉志遠(yuǎn), 張紅濤, 徐騰養(yǎng), 郭兆團(tuán)

(1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通系, 河南 鄭州 450000; 2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院,河南 鄭州 450052;3.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

1 引 言

鐵道車輛通過懸掛系統(tǒng)緩和來自鋼軌的振動(dòng)沖擊,提高車輛運(yùn)行性能,延長(zhǎng)車輛和軌道使用壽命。車輛懸掛系統(tǒng)包括一系懸掛(也稱軸箱懸掛)和二系懸掛(也稱中央懸掛),一系懸掛安裝在輪對(duì)和構(gòu)架之間,二系懸掛安裝在構(gòu)架和車體之間[1]。一系懸掛系統(tǒng)包括一系垂向懸掛阻尼(也稱一系垂向減振器,以下簡(jiǎn)稱一系阻尼)、一系轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)、軸箱彈簧等,二系懸掛主要包括二系垂向阻尼、二系橫向阻尼、二系縱向、二系空簧、抗側(cè)滾扭桿、牽引拉桿等。列車一般有2個(gè)轉(zhuǎn)向架,一個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝有4個(gè)一系阻尼。

本文以一系阻尼為研究對(duì)象,從三維角度分析了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理,并仿真分析了其失效1個(gè)和失效2個(gè)(每個(gè)轉(zhuǎn)向架各一個(gè))一系阻尼及全部一系阻尼失效對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。考慮到一系阻尼主要作用就是吸收輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架之間的垂向振動(dòng),主要包括轉(zhuǎn)向架浮沉和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng),即主要影響車輛的平穩(wěn)性和舒適性,對(duì)車輛穩(wěn)定性即蛇行臨界速度和安全性即列車曲線通過性能影響較小,故本研究更多傾向于對(duì)運(yùn)行品質(zhì)影響。

對(duì)于阻尼懸掛系統(tǒng)的研究,M?d?lina D等[2]研究了一系懸掛阻尼對(duì)車輛舒適性的影響；Sun W J等[3]對(duì)地鐵一系懸掛鋼簧失效對(duì)車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)影響進(jìn)行了研究；Ruichen Wang等[4]分析了鐵道車輛一系懸掛使用能量可再生阻尼器的可行性；黃先富等[5]分析了地鐵一系垂向減振器失效的原因;楊亮亮等[6]分析了一系垂向減振器與車輛穩(wěn)定性及平穩(wěn)性之間的關(guān)系;文獻(xiàn)[7,8]等分析了一系垂向減振器與動(dòng)力學(xué)性能之間的關(guān)系;周長(zhǎng)城等[9]對(duì)高速列車一系懸掛減振器阻尼匹配問題進(jìn)行了分析;劉彬等[10]對(duì)減振器參數(shù)設(shè)計(jì)及特性進(jìn)行了分析；白洋等[11]對(duì)懸掛系統(tǒng)初始位姿識(shí)別方法進(jìn)行了研究；胡敏等[12]對(duì)一系垂向阻尼系統(tǒng)傾斜角度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響進(jìn)行了研究。

本文基于三維軟件SolidWorks從結(jié)構(gòu)上分析了一系阻尼發(fā)生失效的潛在因素,并基于動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK仿真分析了一系阻尼發(fā)生故障后對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。

2 列車一系阻尼結(jié)構(gòu)原理及常見故障

2.1 一系阻尼結(jié)構(gòu)

列車一系阻尼結(jié)構(gòu)如圖1所示,其結(jié)構(gòu)為閥片式結(jié)構(gòu),即通過控制閥片數(shù)量及厚度來控制其阻尼力大小。主要包括連接環(huán)總成1、球鉸總成2、保護(hù)罩3、活塞及活塞桿總成4、外缸總成5、底閥總成6、壓力缸7、導(dǎo)向蓋8、O型圈靜密封9、骨架密封總成(動(dòng)密封)10組成。其中,活塞及活塞桿總成4、底閥總成6設(shè)置有閥片式阻尼閥。拉伸阻尼僅由活塞拉伸阻尼閥控制,閥片數(shù)量越多和閥片厚度越厚,拉伸阻尼力越大。壓縮阻尼由活塞壓縮阻尼閥和底閥阻尼閥共同控制,活塞或底閥上閥片數(shù)量越多,數(shù)量越厚,壓縮阻尼力越大。O型圈靜密封8、骨架密封總成(動(dòng)密封)9分別阻止油液從儲(chǔ)油缸和活塞桿處泄露。

圖1 列車一系阻尼工程結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Engineering structure figure of primary damping of train

2.2 一系阻尼原理

一系阻尼為雙向流動(dòng)結(jié)構(gòu),即油液可以從拉伸流向壓縮,也可由壓縮流向拉伸,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 一系阻尼原理圖Fig.2 Schematic diagram of primary damping

其拉伸原理為:當(dāng)活塞桿拉伸時(shí),拉伸Ⅰ腔油液受壓縮,在壓強(qiáng)作用下,Ⅰ腔油液通過活塞拉伸閥流動(dòng)Ⅱ腔,如圖3箭頭1流向,油液從Ⅰ腔頂開閥片流向Ⅱ腔,頂開閥片過程產(chǎn)生拉伸阻尼力。同時(shí),由于一部分活塞桿已經(jīng)移除一系阻尼內(nèi)部,不再占據(jù)壓力缸體積,故儲(chǔ)油Ⅲ腔油液通過底閥總成上單向回油裝置,頂開單向閥片,向壓縮Ⅱ腔補(bǔ)油,回油過程如圖4箭頭1流向。其壓縮原理為:當(dāng)活塞桿壓縮時(shí),壓縮Ⅱ腔油液受壓縮,Ⅱ腔一部分油液通過壓縮閥頂開閥片,流向Ⅰ腔,同時(shí),由于活塞桿壓縮過程占據(jù)了壓力缸一部分體積,另一部分油液通過底閥阻尼閥流向儲(chǔ)油Ⅲ腔,油液頂開活塞壓縮閥和底閥上閥片過程產(chǎn)生阻尼力。壓縮過程活塞油液流動(dòng)過程如圖3所示,底閥油液流動(dòng)過程如圖4所示。

圖3 活塞油液流動(dòng)方向Fig.3 Oil flow direction of piston

圖4 底閥油液流方向Fig.4 Oil flow direction of bottom valve

2.3 一系阻尼常見故障

綜合結(jié)構(gòu)分析,一系阻尼常見故障主要由以下幾種因素引起:

1) 動(dòng)密封失效,即油液從活塞桿處泄露;

2) 靜密封失效,油液從儲(chǔ)油缸處產(chǎn)生泄露;

3) 油液產(chǎn)生乳化現(xiàn)象,運(yùn)動(dòng)粘度急劇下降;

4) 球鉸總成的橡膠部分和金屬部分硫化脫落,導(dǎo)致減振器失效。

3 列車動(dòng)力學(xué)模型分析

該列車轉(zhuǎn)向架采用無搖枕結(jié)構(gòu),主要包括構(gòu)架、輪對(duì)、軸箱懸掛裝置、中央懸掛裝置、制動(dòng)和牽引裝置。軸箱懸掛裝置包括轉(zhuǎn)臂定位、軸箱鋼彈簧和一系垂向懸掛阻尼;中央懸掛裝置采用空氣彈簧,并安裝了二系橫向、抗蛇行減振器、抗側(cè)滾扭桿,中央懸掛裝置還設(shè)有由間隙和橡膠塊提供的非線性橫向止檔。制動(dòng)為軸盤制動(dòng),牽引裝置采用單拉桿牽引。

列車組是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng),不但有各部件之間的相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng),而且還有輪軌之間的相互作用關(guān)系。因此,理論計(jì)算分析模型只能根據(jù)研究的主要目的和要求,對(duì)一些次要因素進(jìn)行相應(yīng)的假定或簡(jiǎn)化,而在對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響較大的主要因素上盡可能作出符合實(shí)際情況的模擬。為了更好地模擬該列車的運(yùn)行性能,建模時(shí)考慮了將車輛橫向運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)耦合起來的數(shù)學(xué)模型。定義列車前進(jìn)方向的第一個(gè)輪對(duì)為一位輪對(duì)。坐標(biāo)系的取法如下:列車前進(jìn)方向?yàn)閤軸;y軸平行于軌道平面指向右方;z軸垂直軌道平面向下。車輛動(dòng)力學(xué)模型由3節(jié)車組成,每節(jié)車由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)、2個(gè)牽引拉桿和8個(gè)轉(zhuǎn)臂組成。其中,車體、構(gòu)架、牽引拉桿、輪對(duì)取 6 個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭,轉(zhuǎn)臂取1個(gè)自由度,即點(diǎn)頭。故每節(jié)車共有62個(gè)自由度,每列車共186個(gè)自由度。

根據(jù)第2節(jié)分析的一系阻尼存在的潛在失效原因,基于動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了我國(guó)某高速列車動(dòng)力學(xué)模型,如圖5所示,仿真分析了一系阻尼發(fā)生故障后對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響,其動(dòng)力學(xué)模型詳見圖5所示,車輛基本參數(shù)詳見表1所示。

圖5 列車動(dòng)力學(xué)模型Fig.5 Dynamic model of train

4 一系阻尼失效對(duì)運(yùn)行品質(zhì)影響

一系阻尼主要作用是衰減車輪傳遞給轉(zhuǎn)向架的垂向運(yùn)動(dòng),包括轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭和浮塵運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)力學(xué)角度考慮,其性能主要影響車輛運(yùn)行品質(zhì),即列車平穩(wěn)性和乘坐舒適性,對(duì)車輛穩(wěn)定性即蛇行臨界速度、車輛安全性即曲線通過性能影響較小,故本文只對(duì)運(yùn)行品質(zhì)影響展開詳細(xì)研究。

列車運(yùn)行品質(zhì)主要考察其平穩(wěn)性(包括橫向及垂向平穩(wěn)性)和舒適性,即考察車輛的直線運(yùn)行性能以及乘客對(duì)舒適性的感受。其中,平穩(wěn)性或舒適性指標(biāo)值越大,說明平穩(wěn)性或舒適性越差。本文平穩(wěn)性和舒適性計(jì)算方法為先讓列車在一段理想的軌道譜上運(yùn)行,然后在一段無限長(zhǎng)的實(shí)測(cè)不平順的軌道譜上(本文選取武廣線實(shí)測(cè)線路譜)運(yùn)行,待列車運(yùn)行一段距離后開始采集車體振動(dòng)加速度。

4.1 一系阻尼失效對(duì)列車橫向平穩(wěn)性影響

本文研究對(duì)象為3編組列車,分析了每輛車失效1個(gè)一系阻尼、每輛車失效2個(gè)一系阻尼(每個(gè)轉(zhuǎn)向架各1個(gè),下同)、每輛車一系阻尼全部失效后頭車、中間車及尾車。

圖6～圖8分別表示速度100～400 km/h,每輛車失效1個(gè)一系阻尼、每輛車失效2個(gè)一系阻尼、每輛車一系阻尼全部失效后對(duì)頭車、中間車、尾車橫向平穩(wěn)性影響。從圖6～圖8可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)車輛失效1個(gè)、2個(gè)或全部一系阻尼時(shí),其橫向平穩(wěn)性變化均不大。

圖6 一系阻尼失效對(duì)頭車橫向平穩(wěn)性影響Fig.6 Primary damping failure influence on lateral stability of head car

圖7 一系阻尼失效對(duì)中間車橫向平穩(wěn)性影響Fig.7 Primary damping failure influence on lateral stability of middle car

圖8 一系阻尼失效對(duì)尾車橫向平穩(wěn)性影響Fig.8 Primary damping failure influence on lateral stability of tail car

4.2 一系阻尼失效對(duì)列車垂向平穩(wěn)性影響

圖9～圖11分別表示速度100～400 km/h,一系阻尼失效1個(gè)、2個(gè)及全部失效對(duì)頭車、中間車、尾車垂向平穩(wěn)性影響。從圖9～圖11可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)一系阻尼失效1個(gè)、2個(gè)時(shí),其垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化不是很大。當(dāng)每輛車一系阻尼全部失效后,車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有所增加,即垂向平穩(wěn)性能有所惡化。其中,在速度100～400 km/h內(nèi),失效1個(gè)或2個(gè)一系阻尼,其垂向平穩(wěn)性惡化均小于5%。當(dāng)全部一系阻尼失效后,其垂向平穩(wěn)性惡化最高可達(dá)25%。

圖9 一系阻尼失效對(duì)頭車垂向平穩(wěn)性影響Fig.9 Primary damping failure influence on vertical stability of head car

圖10 一系阻尼失效對(duì)中間車垂向平穩(wěn)性影響Fig.10 Primary damping failure influence on vertical stability of middle car

圖11 一系阻尼失效對(duì)尾車垂向平穩(wěn)性影響Fig.11 Primary damping failure influence on vertical stability of tail car

4.3 一系阻尼失效對(duì)乘坐舒適性影響

圖12～圖14分別表示速度100～400 km/h內(nèi),一系阻尼失效1個(gè)、2個(gè)及全部失效對(duì)頭車、中間車、尾車乘坐舒適性影響。從圖12～圖14可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)一系阻尼失效1個(gè)、2個(gè)時(shí),乘客乘坐舒適性指標(biāo)有輕微惡化。當(dāng)每輛車一系阻尼全部失效后,舒適性指標(biāo)均急劇增加,即舒適性急劇惡化。其中,在速度100～400 km/h,失效1個(gè)或2個(gè)一系阻尼,乘坐舒適性惡化不超過15%。當(dāng)全部一系阻尼失效后,舒適性惡化最高可達(dá)186%。

圖12 一系阻尼失效對(duì)頭車舒適性影響Fig.12 Primary damping failure influence on safety of head car

圖13 一系阻尼失效對(duì)頭車舒適性影響Fig.13 Primary damping failure influence on safety of middle car

圖14 一系阻尼失效對(duì)尾車舒適性影響Fig.14 Primary damping failure influence on safety of tail car

5 結(jié) 論

本文對(duì)某高速動(dòng)車組懸掛進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí),以一系阻尼結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)點(diǎn),分析了一系阻尼潛在失效的因素,并仿真研究了一系阻尼在失效1個(gè)、2個(gè)及全部失效情況下,對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響,這對(duì)后期一系阻尼故障處理提供了一定幫助,具有一定工程應(yīng)用意義。通過研究,得到以下結(jié)論:

1) 一系阻尼存在多種因素使得減振器發(fā)生失效故障,主要因素包括骨架動(dòng)密封失效、O型圈靜密封失效、油液乳化等導(dǎo)致減振器失效。

2) 當(dāng)一系阻尼失效1個(gè)、2個(gè)或全部失效后,列車橫向平穩(wěn)性變化受影響較小,這是由于一系阻尼垂向布置所致,其主要作用為衰減車輛垂向振動(dòng)。

3) 當(dāng)一系阻尼失效1個(gè)或2個(gè)時(shí),其垂向平穩(wěn)性惡化不超過5%,即影響較小,當(dāng)全部失效后,垂向平穩(wěn)性惡化最高可達(dá)25%,即有較大影響。

4) 當(dāng)一系阻尼失效1個(gè)或2個(gè)時(shí),舒適性惡化不超過15%,即對(duì)舒適性有一定影響。當(dāng)全部失效后,舒適性惡化最高可達(dá)186%,即對(duì)舒適性存在極大影響。

基于本文研究,建議減振器廠家在對(duì)減振器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該基于導(dǎo)致減振器失效較多的因素進(jìn)行考慮,在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地避免發(fā)生。也建議地鐵公司或路局在日常檢修或者廠修過程中,要注意對(duì)一系阻尼的維護(hù)。

當(dāng)一系阻尼全部失效后,雖不會(huì)嚴(yán)重影響行車安全,但其會(huì)影響車輛平穩(wěn)性和舒適性,同時(shí)轉(zhuǎn)向架上其他電器元件也會(huì)因振動(dòng)劇烈而縮短壽命。與此同時(shí),也為后續(xù)研究人員提供參考,一系阻尼主要衰減轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭和浮塵運(yùn)動(dòng),即只能提供垂向阻尼,只能影響車輛平穩(wěn)性及舒適性,對(duì)橫向平穩(wěn)性及抗側(cè)滾基本沒有太大影響,是否可以研發(fā)一種垂向多功能阻尼器既可以提供垂向阻尼,還可以提供抗側(cè)滾剛度,這樣不僅可以取消抗側(cè)滾扭桿,還可以節(jié)省空間，節(jié)約成本。