機(jī)車車輛油壓減振器性能試驗(yàn)臺(tái)精度及功能分析

于兆華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京100081）

機(jī)車車輛油壓減振器（以下簡(jiǎn)稱減振器）作為轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，能夠吸收和緩沖各種沖擊、振動(dòng)、提高機(jī)車車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適度，特別是隨著列車運(yùn)行速度提高，油壓減振器的作用就更加重要，目前鐵路上運(yùn)用的和諧系列機(jī)車及CRH系列動(dòng)車組上使用的減振器，種類和數(shù)量相比以前的普通機(jī)車及客車均有明顯的提高。

減振器性能的可靠和穩(wěn)定，需要通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)來(lái)檢驗(yàn)，目前油壓減振器性能試驗(yàn)臺(tái)領(lǐng)域較為混亂：A企業(yè)生產(chǎn)的試驗(yàn)臺(tái)檢驗(yàn)合格的減振器在B企業(yè)的試驗(yàn)臺(tái)檢驗(yàn)，結(jié)果為不合格；C企業(yè)生產(chǎn)的試驗(yàn)臺(tái)能夠檢驗(yàn)垂向減振器、橫向減振器、抗蛇行減振器等，而D企業(yè)生產(chǎn)的試驗(yàn)臺(tái)只能檢測(cè)某一類減振器或者某類減振器中的某些型號(hào)減振器等問(wèn)題的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。因此，若能夠提出一套完善的試驗(yàn)臺(tái)精度指標(biāo)及功能指標(biāo)，規(guī)范油壓減振器性能試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)保證減振器的穩(wěn)定質(zhì)量，具有十分重要的意義。

1 性能試驗(yàn)臺(tái)精度要求現(xiàn)狀

目前機(jī)車車輛油壓減振器性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和制造，能夠依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是TB／T 2229-2004《機(jī)車車輛油壓減振器試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)條件》，除該標(biāo)準(zhǔn)外，油壓減振器性能試驗(yàn)臺(tái)還依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 13802：2005《鐵路應(yīng)用-彈簧單元-液壓減振器》，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是減振器標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)對(duì)油壓減振器性能試驗(yàn)臺(tái)的精度也有要求。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是目前減振器性能試驗(yàn)臺(tái)所能夠依據(jù)的檢驗(yàn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

（1）TB／T 2229-2004對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的要求

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試阻尼力范圍宜為0～30kN；

試驗(yàn)速度調(diào)整范圍宜為0.01～0.5m／s；

載荷的測(cè)試誤差不大于名義值的±1%；

位移測(cè)試誤差不大于±1mm；

速度測(cè)試誤差不大于名義值的±5%。

（2）EN 13802：2005對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的要求

載荷的測(cè)試誤差不大于±250N；

位移測(cè)試誤差不大于±1mm；

速度測(cè)試誤差不大于名義值的±5%；

頻率測(cè)試誤差不大于±0.01Hz。

試驗(yàn)臺(tái)激勵(lì)方式為諧波振動(dòng)，試驗(yàn)速度與試驗(yàn)位移應(yīng)滿足v=v0sinωt的要求。

由于TB／T 2229-2004是依據(jù)當(dāng)時(shí)在鐵路系統(tǒng)內(nèi)部使用較為廣泛的J95型油壓減振器試驗(yàn)臺(tái)制定的，隨著這些年試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)的進(jìn)步和減振器性能要求的提高，出現(xiàn)了許多新型試驗(yàn)臺(tái)，如液壓伺服式試驗(yàn)臺(tái)、伺服電機(jī)式試驗(yàn)臺(tái)等。上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于減振器的精度要求，均無(wú)法很好的滿足減振器性能測(cè)試要求。

2 性能試驗(yàn)臺(tái)精度及量程要求的提升建議

（1）性能試驗(yàn)臺(tái)載荷精度及阻尼力要求

油壓減振器性能試驗(yàn)臺(tái)的最大阻尼力及載荷精度應(yīng)該能夠涵蓋目前鐵路上使用的主型減振器測(cè)試需求。目前鐵路上使用的主要減振器種類主要有垂向減振器、橫向減振器、抗蛇行減振器等。筆者匯總減振器的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主型減振器性能參數(shù)表

從表1可以看出，目前主型減振器的名義阻尼力范圍跨度較大，試驗(yàn)臺(tái)的載荷精度若按照“誤差不大于±250N”，則精度嚴(yán)重不滿足小阻尼力減振器的測(cè)試需求。如果"載荷的測(cè)試誤差不大于名義值的±1%"，就要求試驗(yàn)臺(tái)需要根據(jù)不同的減振器選配量程和精度合適的載荷傳感器，這樣能夠保證減振器測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

減振器性能試驗(yàn)臺(tái)目前基本上都是按照最大阻尼30kN設(shè)計(jì)，從表1看，應(yīng)該能夠滿足主型減振器的測(cè)試需求。但這種設(shè)計(jì)面臨這樣一個(gè)問(wèn)題，目前和諧系列機(jī)車以及CRH型動(dòng)車組用減振器，對(duì)減振器的性能測(cè)試，不僅考核減振器的常溫性能，也要考核減振器的高溫性能和低溫性能。低溫性能測(cè)試時(shí)，名義阻尼力在20kN以上的減振器，阻尼力常有可能達(dá)到30kN甚至到40kN，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)減振器性能試驗(yàn)臺(tái)都滿足不了大阻尼減振器的低溫測(cè)試需求。因此建議減振器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)企業(yè)設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，將試驗(yàn)臺(tái)的最大阻尼測(cè)試能力提高到50kN。

（2）性能試驗(yàn)臺(tái)位移、速度要求

減振器性能測(cè)試原理是使試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生一定速度的正弦激勵(lì)，帶動(dòng)隨同試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的減振器產(chǎn)生阻尼力，在這個(gè)測(cè)試過(guò)程中，試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)速度是影響阻尼力唯一直接因素。試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)速度表達(dá)方式為v=v0sinωt=v0sin（2πf），式中v為正弦激勵(lì)的瞬時(shí)速度；v0為正弦激勵(lì)的最大速度；ω為圓頻率；f為頻率。對(duì)于目前廣泛使用的試驗(yàn)臺(tái)來(lái)說(shuō)（無(wú)論是機(jī)械式試驗(yàn)臺(tái)還是液壓伺服式試驗(yàn)臺(tái)，無(wú)論是開環(huán)控制試驗(yàn)臺(tái)還是閉環(huán)式試驗(yàn)臺(tái)），速度參數(shù)是一個(gè)換算物理量，無(wú)法直接進(jìn)行控制，是由公式v=A′=（A0cosωt）′=2πfA0sin（2πf）進(jìn)行換算得出的，式中A和A0是正弦激勵(lì)的瞬時(shí)位移和最大位移。實(shí)際上目前對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的速度精度控制，都是通過(guò)對(duì)位移精度控制得到的。但試驗(yàn)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)TB／T 2229-2004以及減振器標(biāo)準(zhǔn)EN 13802：2005對(duì)試驗(yàn)臺(tái)位移和速度的精度要求，都無(wú)法很好的滿足減振器測(cè)試需要。以目前鐵路主型和諧機(jī)車和動(dòng)車組用減振器測(cè)試為例，垂向減振器以及橫向減振器測(cè)試時(shí)位移振幅要求基本上是25mm，抗蛇行減振器測(cè)試振幅要求為12.5mm，若位移公差要求±1mm，則試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際位移誤差見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)臺(tái)位移誤差表

由于速度是通過(guò)位移函數(shù)求導(dǎo)得到的，假定試驗(yàn)臺(tái)的頻率固定不變，則位移的偏差也就是速度的偏差，從表2可以看出，若試驗(yàn)時(shí)采用最大位移為12.5mm進(jìn)行減振器測(cè)試，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，兩試驗(yàn)臺(tái)的最大速度誤差最大將達(dá)到16%，若采用最大位移25 mm試驗(yàn)，兩試驗(yàn)臺(tái)的最大速度偏差將達(dá)到8%。對(duì)于同一個(gè)減振器，其阻尼力和試驗(yàn)速度成正比，這也導(dǎo)致同一個(gè)減振器，在兩個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試，可能出現(xiàn)的結(jié)果偏差最大為16%和8%。在減振器標(biāo)準(zhǔn)TB／T 1491-2004中，對(duì)減振器阻尼力的公差要求是（F+15%-10%為名義阻尼力），兩臺(tái)設(shè)備對(duì)同一減振器測(cè)試，出現(xiàn)不同判定結(jié)果的幾率很大。

筆者認(rèn)為試驗(yàn)臺(tái)的位移精度按照載荷的精度要求，控制位移精度為名義值的±1%更為合理。

3 性能試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)具有的功能分析

減振器性能試驗(yàn)臺(tái)是為減振器性能測(cè)試服務(wù)的，因此試驗(yàn)臺(tái)能夠具備豐富的測(cè)試功能及輔助功能，不僅能夠提高測(cè)試效率，更重要的是能夠提高試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和為研發(fā)提供有力保障。筆者認(rèn)為性能試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)具備如下功能：

（1）便捷的標(biāo)定和傳感器管理窗口

減振器性能試驗(yàn)臺(tái)作為檢驗(yàn)設(shè)備，必然要按照國(guó)家相關(guān)程序和要求進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。然而作為特殊的檢驗(yàn)設(shè)備，為了更好的滿足測(cè)試精度需求，需要配置不同的載荷傳感器以便于提高試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試精度，如果試驗(yàn)臺(tái)具有便捷的標(biāo)定和傳感器管理窗口，則可以提高試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定效率，同時(shí)便于傳感器的更換管理。

（2）測(cè)試參數(shù)自檢驗(yàn)?zāi)芰?/p>

對(duì)于減振器性能試驗(yàn)臺(tái)來(lái)說(shuō)，最主要的參數(shù)有兩個(gè)，即載荷參數(shù)（即阻尼力）和速度參數(shù)（速度參數(shù)通過(guò)位移參數(shù)間接得到），測(cè)試過(guò)程中，確保采集得到的載荷參數(shù)和速度參數(shù)真實(shí)可靠是保證測(cè)量結(jié)果正確的關(guān)鍵因素。

對(duì)于載荷參數(shù)，目前主要的控制手段是通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定表征其動(dòng)態(tài)性能，從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，這種手段對(duì)減振器性能測(cè)試影響不大；

而對(duì)于速度參數(shù)，一方面該參數(shù)是通過(guò)控制位移間接得到，位移滿足正弦激勵(lì)的要求，但速度并不一定完全符合正弦激勵(lì)要求（見(jiàn)圖1及圖2）。從圖1位移曲線看，似乎減振器性能試驗(yàn)臺(tái)的輸出激勵(lì)符合要求，但通過(guò)對(duì)采集得到的位移數(shù)據(jù)分析，轉(zhuǎn)換為速度曲線（圖2）可以看出，試驗(yàn)臺(tái)的速度激勵(lì)最大為0.41m／s，根本不滿足0.5m／s測(cè)試速度要求，并且激勵(lì)曲線也不滿足正弦曲線要求。

圖1 性能試驗(yàn)位移曲線

圖2 性能試驗(yàn)速度曲線

另一方面受試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)影響（見(jiàn)圖3），試驗(yàn)臺(tái)上安裝的位移傳感器測(cè)量得到的位移L1不僅包含減振器實(shí)際位移L2，也包含測(cè)試過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)本身的位移變形ΔL，ΔL=L1-L2。ΔL受試驗(yàn)臺(tái)本身剛度影響較大，如圖3所示，立柱的剛度、端梁1和端梁2的剛度、夾頭的剛度以及被試的油壓減振器的阻尼力大小都對(duì)ΔL有直接的影響，筆者曾經(jīng)對(duì)某一試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行過(guò)實(shí)際測(cè)試，實(shí)際測(cè)試結(jié)果如下：采用26.5kN阻尼力的抗蛇行減振器，測(cè)試得到L1的變化量是24.9mm，在抗蛇行減振器接頭的固定端與活動(dòng)端中間安裝位移傳感器，測(cè)試減振器的實(shí)際位移變化L2，得到L2的實(shí)際結(jié)果是22.7 mm。則ΔL=24.9mm-22.7mm=2.2mm。

若試驗(yàn)臺(tái)能夠在性能測(cè)試過(guò)程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的載荷參數(shù)以及速度參數(shù)狀態(tài)，并自檢該參數(shù)是否滿足測(cè)試需求，對(duì)測(cè)試結(jié)果有十分重要的意義。

（3）多速度點(diǎn)測(cè)試能力

鐵路行業(yè)目前現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)為TB／T 1491-2004，在該標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)減振器的多速度點(diǎn)性能做出明確要求，但隨著和諧機(jī)車以及CRH動(dòng)車組的引進(jìn)，目前鐵路行業(yè)對(duì)減振器的多速度點(diǎn)性能有了明確要求，對(duì)和諧機(jī)車以及動(dòng)車組用減振器的性能測(cè)試，目前最低要求是測(cè)試兩個(gè)速度點(diǎn)下的阻尼性能，較多的能夠達(dá)到4個(gè)速度點(diǎn)。因此試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足多速度點(diǎn)測(cè)試，是現(xiàn)在試驗(yàn)臺(tái)必備的功能之一。

圖3 減振器試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

（4）任意角度測(cè)試能力

傳統(tǒng)減振器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行減振器性能測(cè)試，一般都是進(jìn)行垂向測(cè)試和水平測(cè)試。減振器在實(shí)際裝車運(yùn)用時(shí)，減振器安裝狀態(tài)并不全是垂向安裝或者水平安裝，而是相對(duì)于垂直方向和水平方向都有一定角度，為了更真實(shí)的測(cè)試減振器在工作時(shí)的性能，現(xiàn)在許多減振器的技術(shù)條件要求對(duì)減振器進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，模擬減振器的實(shí)際裝車狀態(tài)，相對(duì)于垂直方向或水平方向具有一定的角度進(jìn)行測(cè)試。而目前大多數(shù)減振器性能試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了一個(gè)試驗(yàn)位置或者兩個(gè)試驗(yàn)位置（即只能夠垂向測(cè)試或者水平測(cè)試），無(wú)法實(shí)現(xiàn)減振器任意角度性能測(cè)試。

（5）高低溫環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰?/p>

高低溫環(huán)境下的阻尼性能也是目前減振器性能測(cè)試的指標(biāo)之一，國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)在高低溫環(huán)境下直接測(cè)量減振器性能的試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)于減振器高低溫環(huán)境下的阻尼性能測(cè)試，都是通過(guò)將減振器放置到高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱中24小時(shí)或者以上，然后將減振器迅速?gòu)沫h(huán)境試驗(yàn)箱中取出，安裝到減振器性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行高低溫環(huán)境下的性能測(cè)試。這種方法是目前不具備直接試驗(yàn)條件下的折衷辦法，但不同的操作者受限于環(huán)境條件，安裝熟練程度以及對(duì)試驗(yàn)的理解不同，會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。

4 結(jié)束語(yǔ)

油壓減振器性能試驗(yàn)臺(tái)本身質(zhì)量對(duì)減振器的性能測(cè)試結(jié)果有直接的影響，設(shè)計(jì)者、使用者都需要考慮試驗(yàn)臺(tái)的精度、量程范圍、功能是否滿足減振器性能測(cè)試的需求，并在過(guò)程中對(duì)減振器試驗(yàn)臺(tái)的有效性進(jìn)行確認(rèn)。使用精度、功能滿足要求的機(jī)車車輛油壓減振器性能試驗(yàn)臺(tái)，是確保得到減振器性能試驗(yàn)準(zhǔn)確結(jié)果的有效手段。