高速列車減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響分析

吳建斌　李人憲　段艷文

西南交通大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031

高速列車減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響分析

吳建斌李人憲段艷文

西南交通大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031

減振器內(nèi)部流道尺寸、節(jié)流閥的開啟時(shí)刻、開閥速度和最大開度等參數(shù)是影響減振器性能的關(guān)鍵。為了研究相關(guān)參數(shù)對(duì)減振器阻尼特性的影響規(guī)律，以高速列車某型二系垂向減振器為研究對(duì)象，利用外部臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量和內(nèi)部流場(chǎng)三維動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算相結(jié)合的方法獲得了不同參數(shù)下阻尼力的變化曲線，得到了常通孔尺寸、節(jié)流閥開閥時(shí)刻、開閥速度和最大開度對(duì)阻尼特性曲線的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上計(jì)算分析了減振器在不同運(yùn)動(dòng)速度下的外特性，獲得了減振器運(yùn)動(dòng)速度與節(jié)流閥開啟情況的關(guān)系，可為高速列車減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

高速列車；液壓減振器；仿真分析；節(jié)流閥

0 前 言

高速列車減振器的動(dòng)力學(xué)性能主要由示功特性（F-S特性）和速度特性（F-V特性）表達(dá)。而液壓減振器動(dòng)力學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)是靠油液流動(dòng)阻力產(chǎn)生的，減振器內(nèi)部流道尺寸、節(jié)流閥開閥規(guī)律、活塞運(yùn)動(dòng)速度和油液溫度等參數(shù)是影響減振器性能的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)研究人員圍繞減振器的試驗(yàn)分析、數(shù)學(xué)模型的建立和仿真、參數(shù)化設(shè)計(jì)等方面也曾做了一些研究［2］，但是減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)如何影響其示功圖的形狀，如何影響其速度特性，還不十分清楚，從而使高速列車液壓減振器的設(shè)計(jì)帶有一定的盲目性。本文擬通過對(duì)某型垂向減振器內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行三維仿真分析，研究相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)減振器性能的影響規(guī)律，為減振器的設(shè)計(jì)提供一種快速有效的方法。

1 液壓減振器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

某型高速列車垂向液壓減振器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由壓力缸、密封裝置、活塞、底閥等部件組成?；钊嫌?個(gè)阻尼節(jié)流閥（以下簡(jiǎn)稱節(jié)流閥），減振器的壓縮和拉伸過程分別由2個(gè)節(jié)流閥（見圖2）來控制。這兩組節(jié)流閥根據(jù)工作過程分別定義為壓縮節(jié)流閥和拉伸節(jié)流閥。節(jié)流閥由心閥、調(diào)節(jié)螺母、閥彈簧組成。調(diào)節(jié)螺母用于調(diào)節(jié)彈簧壓縮量兼導(dǎo)向作用，油液壓力和彈簧作用力共同控制心閥的位移量。心閥上有常通孔和節(jié)流孔，常通孔一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，節(jié)流孔在心閥移動(dòng)到某一位置時(shí)開啟。減振器拉伸運(yùn)動(dòng)時(shí)（活塞左移），上腔油液體積減小，壓力增大，心閥在油壓作用下使彈簧壓縮，節(jié)流閥孔開啟，活塞上腔的一部分油液經(jīng)節(jié)流閥孔流入下腔。隨著油壓增大，心閥位移增大使彈簧壓縮量增大，節(jié)流孔的開啟面積增大，流入下腔的油量增多，此時(shí)減振器的阻尼力也增大。常通孔的流動(dòng)阻力與節(jié)流閥孔的流動(dòng)阻力共同影響減振器阻尼力的大小。壓縮過程中節(jié)流閥開啟過程和拉伸時(shí)一樣，一部分油液經(jīng)節(jié)流閥流向上腔，另一部分油液經(jīng)底閥上的卸荷閥流入儲(chǔ)油缸。另一方面，由于活塞運(yùn)動(dòng)速度不同，油液流經(jīng)常通孔和節(jié)流閥孔時(shí)的節(jié)流效果也將不同，因此活塞運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)影響減振器的阻尼特性［3］。

圖1　某垂向液壓減振器的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the hydraulic damper

圖2　節(jié)流閥的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the throttle valve

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型

減振器內(nèi)部是油液的封閉流場(chǎng)，隨著活塞與活塞桿的運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)各部分空間尺寸發(fā)生變化。為仿真減振器內(nèi)部時(shí)時(shí)變化的流場(chǎng)空間，采用移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來實(shí)現(xiàn)減振器動(dòng)態(tài)流場(chǎng)。圖3為某垂向減振器的內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算模型。流場(chǎng)分為兩部分：工作缸及活塞區(qū)域網(wǎng)格設(shè)定為動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域，儲(chǔ)油缸及底閥區(qū)域設(shè)定為固定區(qū)域。

圖3　減振器整體流場(chǎng)幾何模型Fig.3 Model of damper’s flow field

圖4為節(jié)流閥區(qū)域局部網(wǎng)格圖。

圖4　節(jié)流閥網(wǎng)格Fig.4 Grid of throttle valve

2.2 基本假設(shè)及計(jì)算參數(shù)設(shè)定

減振器的內(nèi)部流場(chǎng)非常復(fù)雜，因此對(duì)減振器流場(chǎng)的分析是基于以下一些假設(shè)：

1.1.3 對(duì)γ-氨基丁酸（GABA）的作用 GABA是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，其受體是治療焦慮癥藥物的重要靶點(diǎn)[14]。Lee等[15]指出人參皂苷Rc可增強(qiáng)GABA受體A（GABAA）介導(dǎo)的離子通道電流，調(diào)節(jié)GABA通道活性。Choi等[16]用雙電極電壓鉗技術(shù)考察人參皂苷對(duì)人類重組GABAA在爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人參皂苷Rc可以有效增強(qiáng)GABA誘導(dǎo)的內(nèi)向峰電流，對(duì)GABA的作用既有劑量依賴性又有可逆性。

（1）油液為不可壓縮流體。

（2）油液在減振器的一個(gè)工作循環(huán)過程中溫度不變。

（3）忽略缸內(nèi)壓力變化引起減振器剛性構(gòu)件的變形。

（4）忽略減振器各元件之間的摩擦力影響。

（5）不考慮漏油和氣穴現(xiàn)象。

減振器實(shí)際工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)為隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，但減振器在試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試時(shí)的外部激勵(lì)為余弦運(yùn)動(dòng)，計(jì)算中模擬的就是這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［4］。計(jì)算中給減振器加載與臺(tái)架試驗(yàn)相同的余弦運(yùn)動(dòng)v=Acos（2At/S），式中A為余弦速度幅值，S為振動(dòng)幅值。此外，油液流經(jīng)常通孔和節(jié)流孔時(shí)存在強(qiáng)烈的節(jié)流效應(yīng)，流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，計(jì)算中采用k-ε兩方程標(biāo)準(zhǔn)紊流模型進(jìn)行分析。計(jì)算加載的工況和油液參數(shù)如表1和表2所示。

表1　計(jì)算加載工況Tab.1 The parameters setting during calculation

圖5　試驗(yàn)工況下的阻尼特性曲線Fig.5 The damping force curve under the test condition

3 減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)阻尼特性的影響

本文研究的減振器在20℃下臺(tái)架試驗(yàn)得到的阻尼特性如圖5所示，試驗(yàn)加載余弦速度幅值為0.1m/s。根據(jù)曲線的變化規(guī)律將每1/4周期的阻尼特性曲線分成三段（見圖5）。第一段對(duì)應(yīng)節(jié)流閥開閥前的阻尼特性，此時(shí)油液只經(jīng)常通孔流出，阻尼特性應(yīng)該只與常通孔尺寸相關(guān)。第二段為節(jié)流閥開啟階段，減振器阻尼特性取決于開閥規(guī)律；第三段阻尼力的變化基本上趨于穩(wěn)定，節(jié)流閥的開啟過程基本結(jié)束，阻尼力的極值應(yīng)該取決于節(jié)流閥的最大開度。由此可以做出以下預(yù)測(cè)：影響減振器阻尼特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是常通孔的尺寸、節(jié)流閥的開閥時(shí)刻、節(jié)流閥的開閥速度和最大開度。

3.1 常通孔尺寸的影響

采用不同的常通孔尺寸可計(jì)算獲得不同斜率的阻尼特性曲線（見圖6），長(zhǎng)通孔尺寸越小，阻尼特性曲線變化越陡。經(jīng)反復(fù)計(jì)算，當(dāng)常通孔直徑為0.9mm時(shí)，計(jì)算阻尼特性曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的第一段基本一致，實(shí)際測(cè)繪所得的常通孔尺寸為0.92mm，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真的正確性。計(jì)算結(jié)果也說明常通孔的尺寸影響第一段阻尼特性曲線的走勢(shì)。

圖6　常通孔尺寸對(duì)阻尼特性斜率的影響Fig.6 The influence of normal’s size

3.2 開閥速度的影響

示功圖試驗(yàn)曲線與節(jié)流閥開閥前計(jì)算曲線的脫離點(diǎn)（見圖6），就應(yīng)該是節(jié)流閥的開閥時(shí)刻，但節(jié)流閥以什么速度開啟仍然是未知的。為獲得節(jié)流閥的開啟規(guī)律，我們?cè)诜抡嬗?jì)算中利用自編控制程序改變節(jié)流閥的開閥時(shí)刻及開閥速度，以獲得開閥速度對(duì)阻尼特性曲線的影響規(guī)律。不同的開閥速度條件下計(jì)算阻尼特性曲線如圖7所示。

圖7　節(jié)流閥開閥速度對(duì)阻尼特性的影響Fig.7 The influence of throttle’s speed

開閥速度過小時(shí)，節(jié)流閥的卸荷速度太慢，不足以抵消因活塞速度增大引起的阻尼力增大，相應(yīng)段的阻尼力值偏大，曲線局部突起，開閥速度越小，突起區(qū)域越大。開閥速度太大時(shí)，節(jié)流閥的卸荷速度過快，若要保持阻尼特性曲線走勢(shì)必須停止開閥以減緩阻尼力的下降趨勢(shì)，直到阻尼力值（由于活塞運(yùn)動(dòng)）進(jìn)一步增大后再繼續(xù)開閥，此時(shí)節(jié)流閥的開閥過程就出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的現(xiàn)象，阻尼力值也呈上下波動(dòng)（見圖8）。

圖8　不同開閥速度下節(jié)流閥開度的變化曲線Fig.8 The curve of throttle’s shiftindifferent speeds

計(jì)算結(jié)果說明，節(jié)流閥的開閥速度必須與減振器活塞的運(yùn)動(dòng)速度相“匹配”，才有可能實(shí)現(xiàn)所希望的減振器阻尼特性。

3.3 節(jié)流閥最大開度的影響

節(jié)流閥的最大開度會(huì)影響減振器阻尼力的最大值。節(jié)流閥采用不同最大開度的計(jì)算結(jié)果如圖9所示。節(jié)流閥的最大開度越小，阻尼力最大值越大，阻尼特性曲線水平段整體上移。對(duì)于所分析的減振器，當(dāng)節(jié)流閥的最大開度為0.1645mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)曲線基本一致。

圖9　閥門開度對(duì)阻尼特性幅值的影響Fig.9 The influence of valve’s shift on damping force

4 活塞運(yùn)動(dòng)速度對(duì)阻尼特性的影響

減振器的阻尼特性不僅僅與內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，還與活塞（桿）的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)。不同活塞運(yùn)動(dòng)速度條件下，減振器將呈現(xiàn)不同的阻尼特性。因此，還必須研究活塞運(yùn)動(dòng)速度對(duì)阻尼特性的影響，即減振器的速度特性?；钊诓煌嘞宜俣认碌淖枘崽匦郧€和速度特性曲線如圖10、11、12所示?；钊\(yùn)動(dòng)速度越大，產(chǎn)生的阻尼力越大，開閥前阻尼特性曲線的變化越陡，阻尼力消耗的功也越多（曲線包圍的面積）。

圖10　余弦速度幅值為0.1m/s的外特性曲線Fig.10 The damping force curve when speed cosine is 0.1m/s

圖11　余弦速度幅值為0.3m/s的外特性曲線Fig.11 The damping force curve when speed cosine is 0.3m/s

圖12　余弦速度幅值為0.5m/s的外特性曲線Fig.12 The damping force curve when speed cosine is 0.5m/s

節(jié)流閥的開啟取決于油液的壓力和閥彈簧的剛度，活塞運(yùn)動(dòng)速度的變化會(huì)影響油腔內(nèi)油液的壓力變化規(guī)律，從而影響節(jié)流閥的開啟規(guī)律［5］。圖13為不同余弦速度下節(jié)流閥開度隨位移的變化曲線，表3列出了不同余弦速度下節(jié)流閥的開閥阻尼力和閥門開度。計(jì)算結(jié)果表明，活塞運(yùn)動(dòng)速度增大，節(jié)流閥的開啟時(shí)刻會(huì)提前，最大開度會(huì)增大，但是開閥阻尼力基本相同。說明節(jié)流閥的開閥速度快慢主要由彈簧剛度決定，開閥阻尼力大小與彈簧預(yù)緊力有關(guān)，閥門開度則由彈簧壓縮量決定。

圖13　不同余弦速度下節(jié)流閥開度曲線Fig.13 Throttle’s shift curves of different speed cosines

表3　不同速度下節(jié)流閥的開啟狀態(tài)Tab.3 The throttle’s conditions at different speeds

5 結(jié) 論

（1）通過試驗(yàn)加仿真分析方法，得到了減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)減振器阻尼特性的影響規(guī)律：①常通孔尺寸的大小影響節(jié)流閥開啟前阻尼特性第一段曲線的（走勢(shì)）斜率，常通孔尺寸越小，曲線斜率越大；②節(jié)流閥的開閥速度影響阻尼特性曲線第二段變化趨勢(shì)：開閥速度太小，阻尼力值將會(huì)大于設(shè)計(jì)值；開閥速度太大，節(jié)流閥的開啟會(huì)出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)現(xiàn)象，相應(yīng)的阻尼力也產(chǎn)生波動(dòng)。開閥速度的合理選擇決定了阻尼特性曲線的變化；③節(jié)流閥的最大開度影響減振器阻尼力的最大值，最大開度越小，阻尼力最大值越大，阻尼特性曲線整體上移。

（2）減振器速度特性的計(jì)算分析表明：活塞運(yùn)動(dòng)速度越大，阻尼力幅值越大，開閥前阻尼特性曲線的變化越陡，阻尼力消耗功也越多（示功圖曲線包圍的面積）；隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度的增大，節(jié)流閥的最大開度增大，節(jié)流閥開啟時(shí)刻提前，節(jié)流閥的開閥速度也發(fā)生變化。

（3）節(jié)流閥的開啟時(shí)刻和開閥速度快慢取決于心閥內(nèi)部的彈簧剛度，要實(shí)現(xiàn)所希望的節(jié)流閥開啟時(shí)刻和開啟速度，彈簧剛度與減振器內(nèi)部阻尼力之間的匹配關(guān)系是必須了解清楚的環(huán)節(jié)，也是我們后續(xù)工作須認(rèn)真研究的課題。

［1］ 楊國(guó)楨，王福天. 機(jī)車車輛液壓減振器［M］. 北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

［2］ 丁問司，巫輝燕. 鐵道車輛油壓減振器三維流場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011, （6）：130-137.

［3］ 梁志杰，于蘭英，陳留等.SS8機(jī)車一系垂向減振器仿真系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2002, （3）：24-27

［4］ 丁問司, 葉永玖. 基于 AMESIM 的列車液壓減振器建模與仿真［J］. 機(jī)床與液壓, 2009, 37（9）：213-215.

［5］ 呂振華，伍卓安，李世民. 減振器節(jié)流閥非線性節(jié)流特性的有限元模擬分析［J］. 機(jī)械強(qiáng)度, 2003, 25（6）: 614-620

（中文編輯：劉娉婷）

Impaction of High-speed Train Damper’s Structure Parameters on Its Performance

WU Jian-bin LI Ren-xian DUAN Yan-wen
School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

Damper’s performance mainly depends on the factors including inner passageway’s size, throttle’s opening time, moving speed and maximum shift etc. In order to know how these factors influence it, an analysis model was established based on a second-vertical damper of the high-speed train. The variation curves of damping force were obtained during the calculation process by altering damper’s structure parameters, through combining the bench test and 3D dynamic simulation of damper’s inner flow field .Therefore, it became clear how these factors, including normal hole’s size, throttle’s movement speed and maximum shift, influenced the damping characteristic curves. On this basis, a further study on damper’s external characteristic under different cosine velocities was done. The relationship betweenpiston’s movement and throttle’s opening condition then was acquired. The conclusions acquired may provide a useful reference for the structure design of high-speed train damper.

High-speed train, hydraulic damper, simulation analysis throttle

U260.34+2

A

1672-4747（2015）03-0070-06

10.3969/j.issn.1672-4747.2015.03.012

2014-12-02.

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20100184110002）。

吳建斌（1990-），男，福建莆田人，西南交通大學(xué)碩士研究生。