鐵道車輛新型液氣緩沖器建模與仿真分析

李偉剛，張鎖懷，吳一凡

(1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710021;2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，上海201418)

目前，我國列車運行速度日益提高，高速運行的列車一旦發(fā)生事故，就會帶來嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。緩沖器作為列車的第一級吸能裝置，它可以用來傳遞牽引力、緩和和削減由于列車在啟動、制動以及調(diào)車時車輛之間相互碰撞而引起的沖擊和振動，從而可以減輕車輛對貨物的破壞性、提高列車運行的平穩(wěn)性和安全性［1］。

液氣緩沖器利用壓縮油液使其流過阻尼孔來實現(xiàn)對列車沖擊能量的緩沖、吸收和衰減，并且利用惰性氣體作為復(fù)位元件實現(xiàn)復(fù)位功能［2］。液氣緩沖器具有緩沖容量大、性能穩(wěn)定、便于調(diào)整等優(yōu)點，并且利用惰性氣體代替原來的鋼彈簧，不但消除了彈簧的疲勞現(xiàn)象，還實現(xiàn)了無損耗工作，減少了維修量，提高了使用壽命［3］。我國用于鐵道車輛的液氣緩沖器技術(shù)還不夠成熟，目前僅在從法國阿爾斯通公司引進(jìn)的CRH5動車組上裝配了液氣緩沖器［4］。

1 新型液氣緩沖器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

目前，鐵道車輛上應(yīng)用的液氣緩沖器主要有德國的OLED液氣緩沖器和CRHS動車組上應(yīng)用的液氣緩沖器。這兩種緩沖器均采用阻尼棒和節(jié)流阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣一旦液氣緩沖器的阻尼棒和阻尼環(huán)對中性不好，就可能導(dǎo)致緩沖器不能達(dá)到預(yù)期效果，甚至失效［5］。節(jié)流阻尼孔和阻尼環(huán)縫是新型液氣緩沖器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，也是影響液氣緩沖器特性曲線的主要因素。理想的液氣緩沖器阻抗力、位移曲線如圖1所示，曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積就代表緩沖器的容量，容量一定的情況下，曲線越接近矩形阻抗力越小，緩沖效果越好［6］。

圖1 液氣緩沖器理想緩沖曲線

因此，設(shè)計的新型液氣緩沖器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，主要由撞頭、油腔、氣腔、活塞桿、氣液隔離活塞、阻尼閥、油缸等組成。新型液氣緩沖器的油腔中充滿了液壓油，氣腔中充滿了氮氣，當(dāng)液氣緩沖器的撞頭受到?jīng)_擊作用時，活塞桿向右移動，擠壓油腔a中的液壓油，使其通過阻尼孔流入油腔b中，當(dāng)油腔a中的壓力大于阻尼閥的彈簧預(yù)緊力時，阻尼閥開啟，油液同時也通過阻尼閥旁的斜孔流入油腔b中，此時阻尼閥芯向左移動，與活塞壁行程環(huán)形縫隙，斜孔流入的液壓油通過環(huán)形縫隙，油腔b中的液壓油推動液氣隔離活塞向左移動，壓縮氣體，氣體壓強(qiáng)升高，油液溫度升高，大部分沖擊動能轉(zhuǎn)化為熱能并且通過活塞及缸體散發(fā)大氣中，緩沖結(jié)束后，氣腔中的壓縮氣體推動液氣隔離活塞向右移動，液壓油通過阻尼孔、單向閥流回到油腔a中，從而整個緩沖過程完成。

圖2 液氣緩沖器結(jié)構(gòu)簡圖及力學(xué)模型

2 液氣緩沖器的動力學(xué)模型

液氣緩沖器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，影響其動力學(xué)特性的因素很多，需要建立精確的數(shù)學(xué)模型加以描述，但是液氣緩沖器的工作原理是一樣，所以可以簡化為如圖2所示的動力學(xué)計算模型［7］，為了便于計算，并在計算精確度影響不大的前提下，做了如下假設(shè):

(1)由于緩沖過程時間很短，認(rèn)為緩沖過程是絕熱過程;

(2)不計油液重量以及活塞與缸體、氣液隔離活塞與活塞桿之間的泄漏;

(3)假定氣液隔離活塞兩側(cè)壓強(qiáng)相等。

(4)因為沖擊物體質(zhì)量遠(yuǎn)大于活塞桿質(zhì)量，所以近似認(rèn)為活塞桿初速度與沖擊物體的速度相同。

根據(jù)圖2所示，可以得到活塞桿的力學(xué)平衡方程

式中:M為沖擊物體質(zhì)量;m為活塞桿質(zhì)量;v為活塞桿速度;Ff為活塞桿與缸體摩擦力;Fp油液阻尼力;Ac為阻尼閥處腔體左右兩端面積差;p21為阻尼閥芯處的油液壓力。

阻尼閥的力學(xué)平衡方程

式中:mb為阻尼閥芯質(zhì)量;xf為阻尼閥芯位移;AF為阻尼閥大端面積;Af為阻尼閥小端面積;Ft為作用在閥芯上的彈簧力。

式中:x0為彈簧的預(yù)壓縮量;k為彈簧勁度系數(shù)。

式中:l為緩沖器的最大行程;x為活塞桿的位移;K為油液體積模量。

阻尼閥上阻尼孔的流量方程為

式中:n1為阻尼孔個數(shù);d1為阻尼孔直徑;l1為阻尼孔長度;μ為油液運動黏度。

斜阻尼孔的流量方程為

式中:n2為斜阻尼孔個數(shù);Cq為流量系數(shù);A2為斜阻尼孔孔通流面積;ρ為油液密度。

阻尼環(huán)縫流量方程為

式中:d為阻尼閥縫隙直徑;l2為阻尼閥縫隙長度;δ為阻尼閥縫隙寬度;v1為油液相對于缸體的速度。

緩沖過程為絕熱過程，氣體的理想狀態(tài)方程為

式中:p0為氣體初始壓強(qiáng);V0為氣體初始體積;n為氣體多變指數(shù)，氮氣是雙原子氣體，n=1.40～1.41［8］。

補(bǔ)充氣體方程:

當(dāng)緩沖器卸載時，要打開單向閥必須存在力平衡方程:

其中:Ax為單向閥前端有效作用面積;Ac為單向閥后端有效作用面積;pc為打開單向閥所需的基本壓力，Pa。

3 特性分析

3.1 靜態(tài)特性

液氣緩沖器的特性可以分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性，沖擊速度對液氣緩沖器的阻抗力有較大影響，快速沖擊和緩慢壓縮所表現(xiàn)出的緩沖特性有很大差異。所謂靜態(tài)特性是指列車在平穩(wěn)運行過程中，車輛之間的相對速度較小，緩沖器受到緩慢壓縮表現(xiàn)出的特性，其特性曲線一般比較光滑［3］。圖3是根據(jù)上述所建立的動力學(xué)模型，利用Matlab編程建立仿真模型，采用四階龍格庫塔數(shù)值方法模擬出緩沖器壓縮速率為5 mm/s和10 mm/s時的準(zhǔn)靜態(tài)特性曲線，液氣緩沖器氮氣初始壓強(qiáng)為1 MPa。當(dāng)液氣緩沖器氮氣壓強(qiáng)為3 MPa時，模擬計算了壓縮速率為5 mm/s和10 mm/s的準(zhǔn)靜態(tài)曲線，如圖4所示。

圖3 靜態(tài)特性曲線 (氣體初始壓強(qiáng)1 MPa)

圖4 靜態(tài)特性曲線 (氣 體初始壓強(qiáng)3 MPa)

通過對不同壓縮速率和不同初始壓強(qiáng)模擬的對比，可以看出:當(dāng)氣體初始壓強(qiáng)相同時，液氣緩沖器壓縮速率越大，阻抗力越大，靜態(tài)特性曲線包圍的面積越大，即緩沖容量越大;當(dāng)液氣緩沖器壓縮速率相同時，氣體初始壓強(qiáng)越大，阻抗力越大;在氣體初始壓強(qiáng)為3 MPa時，液氣緩沖器初始阻抗力在140 kN左右，最大阻抗力在550 kN左右，緩沖容量為13.6 kJ能夠滿足列車穩(wěn)態(tài)運行需要［3］。

3.2 動態(tài)特性

新型液氣緩沖器在準(zhǔn)靜態(tài)模擬時，由于壓縮速率比較緩慢，氣缸內(nèi)壓力相對較低，阻尼閥沒有開啟或者沒有完全開啟，而列車在調(diào)車作業(yè)、或者受到碰撞時，緩沖器瞬間受到較大的沖擊力，阻尼閥會迅速開啟，所以新型液氣緩沖器的準(zhǔn)靜態(tài)特性和動態(tài)特性存在比較大的差異。液氣緩沖器的動力學(xué)特性對列車的縱向動力學(xué)性能起著決定性作用，而液氣緩沖器的動力學(xué)特性體現(xiàn)在其緩沖特性曲線上。假設(shè)沖擊物質(zhì)量為20 t，緩沖器的活塞、氣缸質(zhì)量相對于沖擊質(zhì)量來說太小，可以忽略不計。當(dāng)液氣緩沖器的氣體初始壓強(qiáng)為6 MPa，沖擊速度分別為3，4，5 m/s時，得到如圖5所示的動態(tài)特性曲線。從圖5中可以看到隨著沖擊速度的增加，液氣緩沖器的最大最抗力和緩沖行程也隨之增加。當(dāng)液氣緩沖器的氣體初始壓強(qiáng)為3 MPa，沖擊速度分別為3，4，5 m/s時，得到如圖6所示的動態(tài)特性曲線。從模擬特性曲線中可以看到，當(dāng)氣體壓強(qiáng)減小，受到同樣的沖擊作用時，液氣緩沖器的最大阻抗力明顯降低，但是緩沖行程卻增加了。

圖5 動態(tài)特性曲線 (氣體初始壓強(qiáng)6 MPa

圖6 動態(tài)特性曲線 (氣 體初始壓強(qiáng)3 MPa)

3.3 性能分析

通過對液氣緩沖器的動態(tài)特性模擬，得到了如表1所示的液氣緩沖器性能參數(shù)。從表中可以看出當(dāng)沖擊速度為3 m/s時，若氣體初壓力為3 MPa，緩沖器的最大阻抗力為1 060.8 kN，實際容量為81.22 kJ，若氣體初壓力為6 MPa，緩沖器的最大阻抗力為1 199.2 kN，實際容量為80.69 kJ，可以很好的滿足列車在制動及平穩(wěn)運行過程中，緩沖器對列車能量吸收的要求。當(dāng)沖擊速度為5 m/s時，氣體初壓力為6 MPa，最大阻抗力為1 836.3 kN，實際吸收能量為221.89 kJ，能夠滿足列車在調(diào)車工況、緊急制動中的需求，液氣緩沖器的特性曲線和性能參數(shù)表明它與彈簧緩沖器、橡膠緩沖器有較大差異，傳統(tǒng)緩沖器在沖擊速度達(dá)到5 m/s時，最大阻抗力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了車輛結(jié)構(gòu)所允許的強(qiáng)度范圍，并且容量也不能滿足需求［8］。

表1 液氣緩沖器性能參數(shù)

當(dāng)氣體初壓力相同時，隨著沖擊速度的增大，液氣緩沖器的最大阻抗力和緩沖行程也有不同程度的增加，緩沖器的容量也隨之增加，這就可以保證當(dāng)列車發(fā)生碰撞時，緩沖器可以盡可能多的吸收能量。當(dāng)沖擊速度相同時，隨著氣體初壓力的增加，液氣緩沖器的最大阻抗力也增大，緩沖行程卻在減小。因此在實際使用時，在不超過車輛強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整氣體初壓力，可以更好的發(fā)揮緩沖器的性能。當(dāng)然，理想的液氣緩沖器曲線應(yīng)該如圖1所示，但這在實際中由于油液黏度變化、油壓形成時間等因素的影響很難實現(xiàn)。液氣緩沖器能夠以較小的阻抗力獲得較大的緩沖容量，因此它可以對提高調(diào)車作業(yè)效率及列車提速提供有力保障。

4 結(jié)論

通過對現(xiàn)有鐵道車輛液氣緩沖器的結(jié)構(gòu)研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型液氣緩沖器并且建立了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型。對新型液氣緩沖器進(jìn)行了靜態(tài)、動態(tài)仿真并對性能參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明:這種新型液氣緩沖器可以以較低的阻抗力獲得較大的緩沖容量，能適應(yīng)5 m/s左右的沖擊速度，對提高調(diào)車作業(yè)效率、列車運行速度具有重要意義。

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