時(shí) 蕾，張龍華，吳興文，徐傳波，郭兆團(tuán)

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車(chē)車(chē)輛學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.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)

0 引 言

鐵道車(chē)輛油壓減振器作為車(chē)輛系統(tǒng)重要懸掛部件之一，其主要作用就是吸收振動(dòng)能量，衰減車(chē)輛振動(dòng)，提高車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能。油壓減振器工作介質(zhì)為耐磨抗壓液壓油，利用分子之間吸引力做負(fù)功產(chǎn)生阻尼力，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，一部分被油液吸收，一部分通過(guò)熱傳遞耗散出去。油溫直接影響減振器的阻尼特性，間接影響車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，故減振器溫變特性是高寒動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)研發(fā)所關(guān)心的問(wèn)題之一。也有不少學(xué)者對(duì)鐵道車(chē)輛油壓減振器的阻尼特性展開(kāi)研究，如文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[4]研究了減振器的的動(dòng)態(tài)特性；文獻(xiàn)[5]綜述了汽車(chē)減振器的溫升帶來(lái)的弊端；文獻(xiàn)[6]基于MATLAB對(duì)減振器黏溫特性展開(kāi)了研究；文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9]對(duì)減振器溫變特性展開(kāi)了相關(guān)研究；文獻(xiàn)[10]對(duì)高鐵減振器低溫特性進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[11]研究了液壓阻尼孔的寬溫度范圍對(duì)其流動(dòng)特性影響；文獻(xiàn)[12]研究了雙筒液壓減振器動(dòng)態(tài)特性。

筆者主要選取了兩種鐵道車(chē)輛常用的不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)減振器進(jìn)行研究(一種為螺旋彈簧控制阻尼結(jié)構(gòu)，另一種為閥片控制阻尼結(jié)構(gòu))，從結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)，分析了溫度和頻率對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)油壓減振器阻尼特性和動(dòng)態(tài)特性的影響。

減振器動(dòng)態(tài)特性不僅具有幅變特性，還具有頻變特性，如果再加上溫度影響，又具有一定溫變特性。且減振器在實(shí)際工作過(guò)程中，其幅值和頻率也是在時(shí)刻變化的，因此，筆者并未局限于靜態(tài)特性研究，選用了兩種不同結(jié)構(gòu)的常用減振器，綜合考慮了溫度對(duì)其動(dòng)態(tài)剛度及動(dòng)態(tài)阻尼的影響。另外，從理論和試驗(yàn)角度分析了油液溫度對(duì)減振器本身的影響之后，通過(guò)SIMPACK建立高速車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析了油液溫度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，這為后期高寒動(dòng)車(chē)組的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。

1 油壓減振器結(jié)構(gòu)和原理

1.1 閥片控制型結(jié)構(gòu)及原理

圖1為閥片控制型減振器結(jié)構(gòu)，其主要由球鉸總成、活塞桿總成、骨架密封、活塞總成、底閥總成、外缸總成等組成。其工作原理如下：

1球鉸總成;2活塞桿總成;3骨架密封;4活塞總成;5底閥總成;6外缸總成

1)當(dāng)減振器拉伸時(shí)，Ⅱ腔油液將拉伸面閥片頂開(kāi)流入Ⅰ腔，油液頂開(kāi)閥片的過(guò)程產(chǎn)生阻尼力。閥片總厚度越厚，油液越難頂開(kāi)閥片，阻尼則就越大。同時(shí)，由于減振器產(chǎn)生拉伸動(dòng)作，桿部分體積不再占據(jù)內(nèi)缸空間，使得儲(chǔ)油缸中的壓強(qiáng)大于壓力缸Ⅰ腔，在壓強(qiáng)作用下，Ⅲ腔油液補(bǔ)入到Ⅰ腔，完成一個(gè)拉伸循環(huán)，油液流向如圖2中實(shí)線箭頭方向。

圖2 閥片控制型減振器拉伸和壓縮原理

2)當(dāng)減振器向右壓縮時(shí)，Ⅰ腔油液受壓縮，Ⅰ腔一部分油液頂開(kāi)壓縮面的閥片流向Ⅱ腔。同時(shí)，由于桿又占據(jù)了壓力缸一部分體積，另一部分油液頂開(kāi)底閥上的閥片流向Ⅲ腔，完成一個(gè)壓縮循環(huán)。油液頂開(kāi)壓縮面的閥片和頂開(kāi)底閥上的閥片過(guò)程產(chǎn)生阻尼力，壓縮阻尼力大小由活塞壓縮面閥片總厚度及底閥面上閥片總厚度同時(shí)決定。

1.2 彈簧控制型結(jié)構(gòu)及原理

圖3為彈簧控制型減振器剖視結(jié)構(gòu)，其主要由球鉸總成、外缸總成、活塞及活塞桿總成、導(dǎo)向蓋總成、保護(hù)罩總成、底閥總成組成。其工作原理為：

1球鉸總成；2外缸總成；3活塞及活塞桿總成；4導(dǎo)向蓋總成；5保護(hù)罩總成；6底閥總成

1)當(dāng)減振器拉伸時(shí)，Ⅱ腔油液在壓強(qiáng)作用下，擠壓彈簧，通過(guò)拉伸阻尼閥流向Ⅰ腔。由于活塞桿有一部分移出壓力缸，不再占據(jù)壓力缸體積，導(dǎo)致壓力缸Ⅰ腔內(nèi)壓強(qiáng)小于儲(chǔ)油缸Ⅲ腔，儲(chǔ)油缸Ⅲ腔油液在壓強(qiáng)作用下頂開(kāi)單向閥流入Ⅰ腔，來(lái)彌補(bǔ)體積的缺失，從而完成一個(gè)拉伸循環(huán)，拉伸油液流動(dòng)方向如圖4中實(shí)線箭頭方向。阻尼力大小由彈簧預(yù)緊力控制，彈簧預(yù)緊力越大，油液越難頂開(kāi)彈簧，阻尼則越大，故拉伸阻尼力大小由拉伸阻尼閥彈簧預(yù)緊力控制。

圖4 彈簧控制型減振器拉伸和壓縮原理

2)當(dāng)減振器壓縮時(shí)，壓縮腔Ⅰ腔油液在壓強(qiáng)作用下，一部分油液通過(guò)壓縮阻尼閥(與拉伸阻尼閥結(jié)構(gòu)一樣，呈相反布置)流入Ⅱ腔，由于活塞桿占據(jù)了壓力缸一部分體積，另一部分油液通過(guò)底閥上的阻尼閥流入儲(chǔ)油缸Ⅲ腔。油液流經(jīng)壓縮阻尼閥和底閥阻尼閥產(chǎn)生阻尼力，壓縮力大小由二者共同控制。

2 油壓減振器動(dòng)態(tài)特性理論計(jì)算

隨著高速列車(chē)的逐漸發(fā)展，僅僅關(guān)注減振器的靜態(tài)特性已經(jīng)不能滿(mǎn)足高速動(dòng)車(chē)組對(duì)減振器的要求，尤其對(duì)抗蛇行減振器的要求。后期應(yīng)當(dāng)多關(guān)注其動(dòng)態(tài)阻尼特性，這一動(dòng)態(tài)特性是隨著減振器幅值、頻率變化而變化的，具有一定幅變特性和頻變特性。

減振器動(dòng)態(tài)模型可以簡(jiǎn)化為一個(gè)阻尼單元和一個(gè)剛度單元的串聯(lián)，如圖5。

圖5 減振器動(dòng)態(tài)特性計(jì)算模型

對(duì)活塞進(jìn)行受力分析：

(1)

式中：m為活塞單元質(zhì)量；k為球鉸總成等串聯(lián)剛度；c為減振器阻尼；x為減振器受到的振動(dòng)位移激擾；ω為激擾頻率；A為激擾位移。

由于活塞質(zhì)量較輕，慣性可以忽略不計(jì)，故式(1)可以簡(jiǎn)化為：

(2)

對(duì)式(2)進(jìn)行求解得：

(3)

其中相位角φ：

(4)

由式(3)可得減振器阻尼力F:

(5)

由式(5)可知減振器阻尼力幅值如式(6)：

(6)

由式(6)可得減振器動(dòng)態(tài)剛度k：

(7)

由式(3)可知，減振器振動(dòng)位移幅值為：

(8)

對(duì)式(7)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得：

(9)

因振動(dòng)位移幅值A(chǔ)0和振動(dòng)位移A均為已知，故相位角φ可通過(guò)式(9)求取得到。

由式(4)可得：

(10)

通過(guò)式(7)、式(9)、式(10)可以求得減振器的相位角、動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼。

3 油壓減振器溫變及頻變特性試驗(yàn)研究

為了研究鐵道車(chē)輛油壓減振器外界環(huán)境溫度對(duì)其本身阻尼特性以及動(dòng)態(tài)特性的影響，選取了閥片控制阻尼型和螺旋彈簧控制阻尼型兩種典型結(jié)構(gòu)在某減振器性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。將這兩種結(jié)構(gòu)減振器分別置于-40、-10、0、20、70 ℃環(huán)境中，待24 h以后再進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)完成后，減振器動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼由式(7)、式(10)進(jìn)行求取(可由MATLAB進(jìn)行批量處理)。

3.1 彈簧控制型減振器試驗(yàn)研究

圖6為彈簧控制型減振器在幅值為0.8 mm、頻率為0.5 Hz下的示功圖，圖7為幅值為1.5 mm下動(dòng)態(tài)阻尼隨溫度、頻率變化情況，圖8為幅值為1.5 mm下動(dòng)態(tài)剛度隨溫度、頻率變化情況。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著油液溫度的升高，減振器吸收的能量(即橢圓面積)越來(lái)越小。這是因?yàn)闇p振器原理為利用油液分子之間吸引力做負(fù)功，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為油液內(nèi)能。油液黏度越大，分子間吸引力就越大。當(dāng)幅值和頻率相同情況下，黏度大的油液吸收的能量要比黏度小的油液多。隨著溫度增加，油液動(dòng)力黏度逐漸減小，故導(dǎo)致減振器吸收的能量逐漸減小。且-40～0 ℃ 橢圓面積差比0～70 ℃ 面積差還要大，這說(shuō)明低溫對(duì)減振器阻尼特性影響要大于高溫。這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)，隨著溫度升高，油液動(dòng)力黏度下降速度要大于高溫。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，減振器動(dòng)態(tài)阻尼逐漸減小，這也是由油液黏度隨溫度升高而下降所導(dǎo)致。-40～0 ℃ 動(dòng)態(tài)阻尼減小速度要大于0～70 ℃動(dòng)態(tài)阻尼減小速度，這也說(shuō)明低溫對(duì)動(dòng)態(tài)阻尼影響要大于高溫，這是由于相對(duì)于高溫，油液黏度在低溫時(shí)下降更快。隨著頻率增加，動(dòng)態(tài)阻尼呈先增加后減小趨勢(shì)，這是因?yàn)橐婚_(kāi)始減振器振動(dòng)速度小，力比較小，力值大小無(wú)法頂開(kāi)彈簧，油液全部從阻尼閥上的“常通孔”流走，減振器沒(méi)有“卸荷”。隨著頻率增加，阻尼力值越來(lái)越大，力值大小足夠頂開(kāi)彈簧，油液全從阻尼孔流走，減振器達(dá)到“卸荷”狀態(tài)，阻尼力逐漸減小。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度增加，動(dòng)態(tài)剛度逐漸減小。且-40～0 ℃動(dòng)態(tài)剛度減小速度要大于0～70 ℃動(dòng)態(tài)剛度減小速度，這說(shuō)明低溫對(duì)動(dòng)態(tài)阻尼影響要大于高溫。動(dòng)態(tài)剛度的溫變特性也是由油液黏度特性所致。隨著頻率增加，動(dòng)態(tài)剛度呈先增加后逐漸保持不變趨勢(shì)，也是因?yàn)闇p振器一開(kāi)始沒(méi)有處于卸荷狀態(tài)，隨著頻率增加，減振器逐漸達(dá)到卸荷狀態(tài)。

圖6 0.8 mm幅值、0.5 Hz頻率工況下不同環(huán)境溫度對(duì)彈簧控制型減振器示功圖的影響

圖7 1.5 mm幅值下不同環(huán)境溫度對(duì)彈簧控制型減振器動(dòng)態(tài)阻尼的影響

圖8 1.5 mm幅值下不同環(huán)境溫度對(duì)彈簧控制型減振器動(dòng)態(tài)剛度的影響

3.2 閥片控制型減振器試驗(yàn)研究

圖9為幅值為1 mm、頻率為1 Hz工況下減振器示功圖隨溫度變化的情況。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，減振器吸收的能量隨著溫度的升高逐漸減小，且低溫對(duì)其阻尼特性影響同樣大于高溫。從圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，閥片控制型減振器溫變特性及頻變特性與彈簧控制型減振器相同，唯一不同的是彈簧控制型低溫和高溫的溫變特性差別要比閥片控制型減振器大。這是由油液對(duì)溫度的敏感程度引起的，說(shuō)明彈簧控制阻尼型所選用的油液對(duì)溫度更加敏感。同時(shí)，這也說(shuō)明了，在高寒地區(qū)，需要選用對(duì)環(huán)境溫度相對(duì)不敏感的油液，否則減振器的高低溫性能相差太大，會(huì)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能造成一定影響。

圖9 1 mm幅值、1 Hz頻率工況下不同環(huán)境溫度對(duì)閥片控制型減振器示功圖的影響

圖10 0.5 mm幅值下不同環(huán)境溫度對(duì)閥片控制型減振器動(dòng)態(tài)剛度的影響

圖11 1 mm幅值下不同環(huán)境溫度對(duì)閥片控制型減振器動(dòng)態(tài)阻尼的影響

4 油液溫度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

為了研究抗蛇行減振器油液溫度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響，建立了我國(guó)某高速車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析了油液溫度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型如圖12。針對(duì)抗蛇行減振器油液溫度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，筆者只選取穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行研究，其中安全性只選取脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)。

圖12 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

圖13表示油壓溫度對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響，圖14、圖15分別表示油液溫度對(duì)車(chē)輛脫軌系數(shù)、輪重減載率的影響。從圖13可以發(fā)現(xiàn)，隨著油液溫度升高，車(chē)輛蛇行臨界速度逐漸減小，且低溫(小于0 ℃)對(duì)穩(wěn)定性影響明顯大于高溫(大于0 ℃)。油液溫度對(duì)脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)的影響較小，均遠(yuǎn)小于極限值0.8。

圖13 油液溫度對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響

圖14 油液溫度對(duì)脫軌系數(shù)的影響

圖15 油液溫度對(duì)輪重減載率的影響

5 結(jié) 論

筆者主要以鐵道車(chē)輛常用的兩種減振器結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，不同于以往局限于僅對(duì)減振器靜態(tài)特性進(jìn)行研究?；跍p振器自身結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性理論計(jì)算，綜合分析了環(huán)境溫度對(duì)兩種典型結(jié)構(gòu)減振器動(dòng)態(tài)特性的影響；基于動(dòng)力學(xué)軟件建立了SIMPACK模型，仿真分析了油液溫度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論：

1)隨著溫度的升高，兩種結(jié)構(gòu)減振器吸收的能量、動(dòng)態(tài)阻尼、動(dòng)態(tài)剛度均逐漸減小，這均是由油液動(dòng)力黏度隨著溫度增加而減小所致。

2)隨著頻率增加，兩種結(jié)構(gòu)減振器動(dòng)態(tài)剛度呈先增加后逐漸保持不變趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)阻尼呈先增加后減小趨勢(shì)。這均因?yàn)橐婚_(kāi)始頻率小，減振器未處于卸荷狀態(tài)，阻尼力值不足以頂開(kāi)彈簧或者閥片，油液從常通孔流走，隨著頻率逐漸增加，阻尼力值逐漸增加，當(dāng)阻尼力值大到可以頂開(kāi)閥片或者彈簧時(shí)，減振器就處于卸荷狀態(tài)了。

3)抗蛇行減振器油液溫度主要對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性有較大影響，對(duì)脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)安全性影響較小。

4)低溫對(duì)減振器動(dòng)態(tài)阻尼、動(dòng)態(tài)剛度、阻尼特性及車(chē)輛穩(wěn)定性影響大于高溫。