王學(xué)龍，張軍

（大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028）

0 引言

隨著我國(guó)改革不斷深入和經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)發(fā)展，以多樣化、高時(shí)效為特征的重載運(yùn)輸需求急劇增長(zhǎng)。目前，在有限的重載線路上，重載貨車行車密度已接近極限，為保障貨運(yùn)量和貨運(yùn)效率，開放更加長(zhǎng)大的列車成為必然選擇。但是隨著列車長(zhǎng)度和質(zhì)量的不斷增加，列車受到的縱向沖動(dòng)更為劇烈，受載情況更為復(fù)雜，導(dǎo)致列車在制動(dòng)和牽引過程中問題頻發(fā)，多次出現(xiàn)車鉤斷裂事故，嚴(yán)重危及行車安全。因此，對(duì)緩沖器性能進(jìn)行研究刻不容緩。

Tanasoiu等[1]通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，對(duì)緩沖器的靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了相應(yīng)的研究。Olshevskiy等[2]對(duì)原有摩擦式緩沖器的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)，利用數(shù)值模擬技術(shù)建立了調(diào)車沖擊仿真模型，并研究了不同工況對(duì)緩沖器特性參數(shù)的影響。龍銘等[3]以HM-1型、MT-2型緩沖器為研究對(duì)象，采用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件仿真了不同沖擊速度的沖擊試驗(yàn)，并分析了緩沖器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。楊俊杰等[4]利用緩沖器數(shù)學(xué)模型對(duì)MT-2型摩擦式緩沖器和DFC-E100彈性體式緩沖器的特性進(jìn)行了對(duì)比分析，并給出緩沖器最大阻抗力、緩沖器行程及初始?jí)毫Φ汝P(guān)鍵參數(shù)的確定方法。魏偉等[5]通過大量緩沖器試驗(yàn)結(jié)果，反求緩沖器的剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)，獲得緩沖器阻抗表達(dá)式，從而能夠應(yīng)用到列車縱向動(dòng)力學(xué)計(jì)算當(dāng)中。朱紅偉等[6]基于MT-2型緩沖器，通過改變緩沖器局部特性曲線，分析了在快捷貨車緊急制動(dòng)和調(diào)車沖擊工況下緩沖器特性對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響。張軍等[7]通過對(duì)HM-1型重載列車緩沖器進(jìn)行力學(xué)分析，建立了HM-1型緩沖器模型，開發(fā)出界面式HM-1型緩沖器仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，為緩沖器緩沖機(jī)理及列車縱向沖動(dòng)機(jī)理研究提供有效的工具。

本文通過MT-2型緩沖器的落錘試驗(yàn)，得到了緩沖器壓縮量及壓縮速度與緩沖器阻抗特性之間的關(guān)系，進(jìn)而建立緩沖器阻抗特性數(shù)據(jù)庫(kù)，利用二維曲面模型對(duì)緩沖器特性進(jìn)行描述，為縱向動(dòng)力學(xué)的研究提供了新的途徑。

1 緩沖器工作原理

緩沖器是鉤緩裝置的重要組成部分，其性能直接影響著車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性。緩沖器在工作過程中借助彈性元件來起到緩和車輛沖擊的作用，同時(shí)在彈性元件壓縮變形的過程中利用阻尼和摩擦來消耗和吸收車輛之間產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，從而達(dá)到避免列車結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸貨物遭受損壞、提高列車運(yùn)行安全平穩(wěn)性的目的。以MT-2型緩沖器為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MT-2型緩沖器立體結(jié)構(gòu)圖

緩沖器的工作過程分為壓縮和回彈兩個(gè)過程，其中可分為4個(gè)階段：第1階段，緩沖器開始?jí)嚎s時(shí)，前從動(dòng)板頂?shù)街行男▔K，但未頂?shù)絼?dòng)板；第2階段，緩沖器繼續(xù)壓縮，前從動(dòng)板頂?shù)絼?dòng)板并和中心楔塊一起壓縮；第3階段，緩沖器壓縮量達(dá)到最大行程，彈簧座頂?shù)叫▔K一起回彈，但未碰到動(dòng)板；第4階段，緩沖器繼續(xù)回彈，彈簧座頂?shù)絼?dòng)板并和楔塊一起回彈。

2 落錘試驗(yàn)

本落錘試驗(yàn)在12 t錘重的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，沖擊高度從12.77 mm（近似為0）到353.57 mm（緩沖器最大容量）。沖擊結(jié)果的緩沖器壓縮量-阻抗曲線如圖2所示。

圖2 MT-2型緩沖器落錘試驗(yàn)曲線

從圖2中可以看出，MT-2型緩沖器的落錘試驗(yàn)特性曲線有以下特點(diǎn)：1）在加載段，阻抗力隨壓縮量的增大而呈波浪式增大；2）隨著落錘高度的不斷增加，該緩沖器的最大壓縮量和最大阻抗力也隨之增大；3）當(dāng)該緩沖器的壓縮量即將達(dá)到最大行程時(shí)，其阻抗力在短時(shí)間內(nèi)急劇衰減；4）該緩沖器在落錘試驗(yàn)的整個(gè)過程中其壓縮量和阻抗并未形成一條封閉的曲線。

3 建立緩沖器速度力學(xué)模型

在對(duì)MT-2型緩沖器進(jìn)行落錘試驗(yàn)時(shí)，以落錘的下落方向?yàn)檎较?，采用整體法對(duì)緩沖器進(jìn)行受力分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略落錘在下落過程中受到的空氣阻力及外部干擾，得出落錘試驗(yàn)力學(xué)微分方程為

式中：m為落錘質(zhì)量，kg；x¨為緩沖器壓縮加速度，m/s2；g為重力加速度，m/s2；Fg為緩沖器阻抗力，kN。

落錘與緩沖器接觸的瞬間速度為v0，然后由動(dòng)力學(xué)公式推導(dǎo)出緩沖器壓縮速度計(jì)算公式為

式中：v為緩沖器壓縮速度，m/s；v0為自由落體結(jié)束時(shí)的落錘速度，m/s；x為緩沖器壓縮位移，m。

緩沖器在加載過程中阻抗力隨壓縮量變化的趨勢(shì)較為復(fù)雜，并且由于落錘沒有完全卸載，所以未形成封閉曲線。加載段壓縮速度整體會(huì)呈現(xiàn)先增至峰值、再減小到0的變化趨勢(shì)，由于達(dá)到峰值時(shí)間較短，同時(shí)考慮到模型簡(jiǎn)化，假設(shè)壓縮速度直接達(dá)到最大值，壓縮速度的假設(shè)用自由落體公式進(jìn)行矯正，在壓縮量未達(dá)到最大且用自由落體公式無法矯正時(shí)，壓縮速度按線性假設(shè)至最大壓縮量對(duì)應(yīng)為0，以錘高150.28 mm為例，如圖3所示。

圖3 緩沖器實(shí)測(cè)阻抗、壓縮量與假設(shè)壓縮速度

由于落錘試驗(yàn)并沒有完全卸載，故卸載段均按照沖擊試驗(yàn)的卸載曲線進(jìn)行假設(shè)，按沖擊試驗(yàn)卸載回彈段的平均斜率線性修正[8]。將緩沖器的落錘實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為壓縮和回彈2個(gè)過程分別處理。將壓縮過程的壓縮量分成86段，每段間隔1 mm；壓縮速度分成6段，每段間隔0.5 m/s。將回彈過程的壓縮量也分成86段，每段間隔1 mm；回彈時(shí)，壓縮速度分成0～1.5 m/s共5段。壓縮量和壓縮速度的等值線相互交叉構(gòu)成了網(wǎng)格，網(wǎng)格相交處構(gòu)成了結(jié)點(diǎn)。每個(gè)阻抗數(shù)據(jù)，根據(jù)壓縮量和壓縮速度建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

MT-2型緩沖器的阻抗特性數(shù)據(jù)庫(kù)的加載段和卸載段數(shù)據(jù)以圖像形式表示，如圖4 和圖5所示。

圖4 加載段緩沖器阻抗特性

圖5 卸載段緩沖器阻抗特性

從圖4 中加載段緩沖器阻抗特性網(wǎng)格曲面中依然可以較清晰地看出，緩沖器的3 個(gè)加載區(qū)段，在相同的壓縮量下，阻抗隨壓縮速度的降低而略微升高。阻抗特性數(shù)據(jù)庫(kù)可隨著新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的加入而不斷擴(kuò)容至足夠龐大，曲面尖峰也會(huì)得到相應(yīng)的平滑。從圖5中卸載段緩沖器阻抗特性網(wǎng)格曲面中可以看出，隨著壓縮量和壓縮速度的增加，緩沖器在卸載時(shí)阻抗值呈現(xiàn)出先驟減、后逐漸平穩(wěn)降至0。

4 模型有效性驗(yàn)證

應(yīng)用Fortran語言開發(fā)MT-2型緩沖器力學(xué)特性數(shù)據(jù)庫(kù)模型的程序，建立利用落錘試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的程序?qū)崿F(xiàn)方法。將壓縮量與壓縮速度作為輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)格化數(shù)據(jù)庫(kù)模型對(duì)落錘試驗(yàn)的仿真。當(dāng)外部程序需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算緩沖器的阻抗時(shí)，主程序讀取壓縮量和壓縮速度2個(gè)參數(shù)，子程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中線性插值出該輸入量所對(duì)應(yīng)的阻抗力并反饋給主程序，其流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

不同落錘高度下落錘試驗(yàn)與緩沖器速度模型仿真曲線對(duì)比如圖7所示。

圖7 緩沖器落錘仿真曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比

從仿真預(yù)試驗(yàn)對(duì)比的定量結(jié)果來看，在不同落錘高度下，緩沖器的最大行程和最大阻抗值大致相同，緩沖器模型的仿真結(jié)果均較好地模擬了試驗(yàn)曲線。將基于速度特性的緩沖器模型仿真結(jié)果最大阻抗和最大壓縮量與落錘試驗(yàn)最大阻抗與最大壓縮量進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 緩沖器模型阻抗與壓縮量極值的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表1可知：緩沖器模型的車輛落錘試驗(yàn)仿真結(jié)果的最大阻抗與落錘試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果相差2.23%～13.83%；仿真與試驗(yàn)緩沖器最大壓縮量相差0.42%～4.11%。由此可見，仿真結(jié)果很好地描述了落錘試驗(yàn)緩沖器阻抗及壓縮量極值的規(guī)律性。

5 結(jié)論

1）將緩沖器落錘試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)阻抗與壓縮量及壓縮速度的定量關(guān)系歸納并建立緩沖器阻抗特性數(shù)據(jù)庫(kù)的方法是可行的。

2）緩沖器模型的落錘試驗(yàn)仿真結(jié)果的最大阻抗與落錘試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果誤差小于14%，仿真與試驗(yàn)緩沖器最大壓縮量誤差小于5%。

3）依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的二維曲面形式的緩沖器模型能夠較好地反映落錘試驗(yàn)特性曲線的所有特點(diǎn)，可以真實(shí)地模擬緩沖器的動(dòng)態(tài)特性。