軌道車輛液壓減振器低頻阻尼特性試驗研究

孫海杰，杜嘉鑫,楊禮康，葉麗玲，葉萬權(quán)

(1.浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023；2.浙江華昌液壓機械有限公司，杭州 311305)

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.05.009

2017-02-16

國家自然科學(xué)基金項目(51175474)

楊禮康(1971— )，男，山西省聞喜人，教授，博士，主要從事機電系統(tǒng)主、被動振動控制及車輛懸掛系統(tǒng)設(shè)計研究。E-mail:104019@zust.edu.cn。

軌道車輛液壓減振器低頻阻尼特性試驗研究

孫海杰1，杜嘉鑫1,楊禮康1，葉麗玲2，葉萬權(quán)1

(1.浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023；2.浙江華昌液壓機械有限公司，杭州 311305)

在軌道車輛液壓減振器開發(fā)過程中，通常會存在由于減振器泄漏等原因,導(dǎo)致其在低頻階段阻尼力值過低而無法滿足技術(shù)要求的情況。為了研究減振器在低頻階段泄漏產(chǎn)生的原因及其對阻尼力值的影響力程度，通過改變導(dǎo)向套與活塞桿間隙、活塞表面與閥片貼合度及支撐環(huán)形式等的試驗對比，研究其對減振器泄漏程度所造成的低頻階段阻尼力值的變化。試驗結(jié)果表明，導(dǎo)向套與活塞桿間隙、活塞表面與閥片貼合度對減振器低頻阻尼特性有較大的影響，而受活塞支撐環(huán)的影響相對較小，導(dǎo)向套與活塞桿間隙主要作用于液壓減振器的復(fù)原行程內(nèi)。

液壓減振器；低頻泄漏；低頻階段阻尼力值；試驗對比分析

目前，雙筒式液壓減振器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軌道車輛轉(zhuǎn)向架減振系統(tǒng)中，其作用主要是將從軌道上傳來的隨機振動能通過內(nèi)部節(jié)流孔的阻尼作用消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，起到減弱振動的作用，從而達到減小車輛振動、緩和輪軌作用力，提高車輛的穩(wěn)定性和舒適性的作用[1-6]。

國內(nèi)軌道交通引進了國外多種車輛技術(shù)，減振器也存在不同的品牌和結(jié)構(gòu)類型。而減振器設(shè)計的主要技術(shù)條件包括安裝傾斜角度、安裝尺寸、最大拉伸長度、最小壓縮長度、工作行程、阻尼特性、橡膠節(jié)點特性等參數(shù)，只有在滿足以上條件的情況下，減振器才能良好地匹配其在車輛上的使用要求。其中，因減振器的阻尼特性由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，在外部安裝條件相同時，只需根據(jù)阻尼特性要求調(diào)整內(nèi)部閥系組合[7-9]，即可匹配不同車型的轉(zhuǎn)向架使用要求，也就形成性能各異、內(nèi)部結(jié)構(gòu)相近的減振器系列，以滿足不同車型的減振器國產(chǎn)化要求。而在實際的減振器開發(fā)過程中，經(jīng)常會遇到低頻階段阻尼力值太低，導(dǎo)致其無法滿足技術(shù)條件的情況。這是由于減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在不合理的因素所致，其中，節(jié)流運動的過程中產(chǎn)生不可忽略的泄漏是常見因素。但實際泄漏產(chǎn)生的原因通常比較復(fù)雜，筆者選擇了導(dǎo)向套與活塞桿間隙、活塞表面與閥片貼合度及支撐環(huán)形式這3個比較顯著的影響因素來進行研究。通過設(shè)定不同程度的這些影響因素形成一系列對比試驗[10-13]，分析其在低頻階段的阻尼特性變化情況。其目的在于，找出這些影響因素在低頻階段液壓減振器阻尼特性合理范圍，從而為在減振器的實際開發(fā)中解決這個常見的液壓減振器低頻阻尼特性偏小的難題提供參考，幫助研發(fā)人員較快地開發(fā)出匹配車輛使用要求的合格減振器。

1 減振器阻尼特性

1—上吊耳；2—防塵罩；3—導(dǎo)向套；4—伸張閥；5—活塞；6—無桿腔；7—壓縮閥；8—下吊耳；9—補償閥；10—儲油缸；11—流通閥；12—活塞桿。圖1 液壓減振器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the hydraulic shock absorber

1.1 減振器結(jié)構(gòu)與工作原理

減振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，減振器的上吊耳與車身相連，下吊耳與車輪相連。當(dāng)軌道上有隨機振動傳來時，使活塞和減振器缸體作相對運動，當(dāng)減振器處于壓縮行程時，壓縮閥和流通閥開啟，減振器內(nèi)部油液從無桿腔向有桿腔和儲油缸流動；當(dāng)減振器處于復(fù)原行程時，伸張閥和補償閥開啟，油液從有桿腔和儲油缸向無桿腔流動。當(dāng)油液流動經(jīng)過節(jié)流閥系時，發(fā)生節(jié)流作用，產(chǎn)生阻尼力，從而削減了車身和車輪之間的相對運動，起到了減震的作用[14-16]。本研究中的二系垂向液壓減振器主要用于城市地鐵軌道車輛轉(zhuǎn)向架中，減震器垂直于軌道平面安裝，允許傾斜角度為±15°。

減振器泄漏原因比較復(fù)雜，包括液壓油液及其流動、氣穴、摩擦和密封圈結(jié)構(gòu)等多方面。目前，對減振器泄漏的機理還不是很清楚，尚缺乏有效的方法和措施[17]。以下將通過研究減振器密封結(jié)構(gòu)的幾個關(guān)鍵因素來對減振器泄漏進行分析和討論。

1—復(fù)合襯套；2—油封；3—活塞桿；4—導(dǎo)向座。圖2 減振器導(dǎo)向套與活塞桿Fig.2 Guide and piston rod of shock absorber

1.2.1 導(dǎo)向套間隙

減振器導(dǎo)向套和活塞桿之間的配合如圖2所示，減振器泄漏分為內(nèi)部泄漏和外部泄漏，減振器的外泄漏主要指流經(jīng)導(dǎo)向套，并經(jīng)過密封圈流向外部的泄漏；減振器的內(nèi)泄漏主要指流經(jīng)導(dǎo)向套，進入儲油缸的泄漏。

復(fù)原行程中，在額定壓力和額定溫度的條件下，導(dǎo)向套泄漏油液量[17]為:

式中：d為活塞桿直徑；δd,e為導(dǎo)向套與活塞桿間隙以及偏心率；μt為油液在一定壓力p與一定溫度下的動力黏度。

圖3 開口與閉口活塞支撐環(huán)Fig.3 Opened and closed piston support ring

1.2.2 活塞表面與閥片貼合度

減振器活塞材料通常為粉末冶金件，它與金屬閥片之間的貼合程度并不高，在活塞壓縮和復(fù)原運動中，油液都可能經(jīng)過活塞表面與閥片的間隙在有桿腔和無桿腔之間流動。

1.2.3 活塞支撐環(huán)形式

大學(xué)生創(chuàng)業(yè)基地的發(fā)展要重視與資本市場進行對接，才能讓有市場前景的大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項目得到成長和持續(xù)發(fā)展，這些大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項目的成功將會促進其他學(xué)生創(chuàng)業(yè)意向的提升，對大學(xué)生創(chuàng)業(yè)發(fā)揮引領(lǐng)和示范作用，這也是大學(xué)生創(chuàng)業(yè)教育環(huán)節(jié)中一個重要環(huán)節(jié)。然而與資本市場的對接在大部分湖北省屬高校的創(chuàng)業(yè)教育中并沒有得到充分體現(xiàn)，這種情況希望能夠引起學(xué)校的重視，學(xué)?？梢灾鲃优c各種風(fēng)險投資公司進行接觸，雙方可以建立起常態(tài)化的聯(lián)系。

活塞支撐環(huán)的形式主要有開口與閉口2種類型，如圖3所示。

圖4 減振器試驗臺系統(tǒng)Fig.4 Test bench system of shock absorber

2 對比試驗及結(jié)果

試驗臺系統(tǒng)如圖4所示，主要包括阻尼試驗臺、電液伺服控制器、PC端及控制軟件三部分，被測件是為杭州地鐵4號線所開發(fā)的軌道車輛二系垂向液壓減振器樣機，試驗條件是對減振器施以振幅50 mm，頻率為0.239 Hz的正弦激勵。該條件為軌道車輛液壓減振器的技術(shù)條件中規(guī)定的在低頻階段的測試點。

2.1 導(dǎo)向套配合間隙試驗分析

試驗中，使用與活塞桿間隙分別為0.03、0.05、0.08 mm的導(dǎo)向套，在上述試驗條件下，得到不同導(dǎo)向套間隙的減振器工作情況，如圖5所示，其阻尼特性變化情況見表1。

圖5 不同導(dǎo)向套間隙的減振器示功圖Fig.5 Indicator diagram of shock absorber with different guide sleeve gaps

表1減振器低頻阻尼特性變化情況

Table1Damping characteristics of shock absorber in low frequency

導(dǎo)向套與活塞桿間隙/mm最大拉伸力/N最大壓縮力/N0．081825．73432．90．051980．93420．70．032036．63489．6

由圖5可知，隨著導(dǎo)向套間隙減小，減振器復(fù)原力和壓縮力均有增大的趨勢；表1顯示，最大拉伸力隨著導(dǎo)向套間隙變小顯著變大，而最大壓縮力總體變大幅度較小。所以，減小導(dǎo)向套間隙可以起到優(yōu)化減振器由于低頻泄漏導(dǎo)致阻尼值偏低的情況，并且，其主要作用于減振器的復(fù)原行程內(nèi)，對壓縮行程內(nèi)的最大壓縮力影響幾乎可以忽略。

2.2 活塞表面與閥片貼合度試驗分析

試驗時活塞粉末冶金件分別采用打磨面與復(fù)原閥片接觸面、未打磨、活塞雙面打磨3種類型，打磨前后的粗糙度分別為0.8和0.4，在所定試驗條件下，得到活塞表面光滑度不同的減振器工作情況，如圖6所示，其阻尼特性變化情況見表2。

圖6 活塞表面光滑度不同的減振器示功圖Fig.6 Indicator diagram of shock absorber with different piston surface smoothness

表2減振器低頻阻尼特性變化情況

Table2Damping characteristics of shock absorber in low frequency N

活塞表面類型最大拉伸力最大壓縮力未打磨1998．53345．9復(fù)原面打磨2100．23360．1活塞雙面打磨2426．93514．5

從圖6對比活塞表面未打磨和雙面打磨，可以明顯看到減振器阻尼力的變化。從表2可知，復(fù)原面打磨優(yōu)化了減振器的拉伸力，而壓縮力沒有明顯的變化；雙面打磨使減振器的拉伸力和壓縮力均有明顯的改善。所以，提高活塞表面與閥片貼合度可以有效優(yōu)化減振器低頻泄漏導(dǎo)致的阻尼力偏低的情況，并且，復(fù)原面和壓縮面打磨分別影響了減振器的拉伸力和壓縮力。

2.3 不同支撐環(huán)形式試驗分析

試驗時活塞支撐環(huán)分別采用開口與閉口2種，在標(biāo)準試驗條件下，得到支撐環(huán)形式不同的減振器工作情況，如圖7所示,其阻尼特性變化情況見表3。

圖7 支撐環(huán)形式不同的減振器示功圖Fig.7 Indicator diagram of shock absorber with different support rings

表3減振器低頻阻尼特性變化情況

Table3Damping characteristics of shock absorber in low frequency N

支撐環(huán)形式最大拉伸力最大壓縮力開口1676．62797．2閉口1721．22821．2

圖7表明選用不同形式的支撐環(huán)使得減振器低頻階段阻尼力有較小的變化，表3表明其阻尼力優(yōu)化表現(xiàn)在復(fù)原行程和壓縮行程均有50 N左右的變化。

3 結(jié) 論

筆者通過試驗對比分析導(dǎo)向套與活塞桿間隙、活塞表面與閥片貼合度及活塞支撐環(huán)形式對軌道車輛液壓減振器在低頻階段泄漏的影響，試驗結(jié)果表明，導(dǎo)向套與活塞桿間隙、活塞表面與閥片貼合度對減振器低頻阻尼特性有較大的影響，受活塞支撐環(huán)的影響相對較小。同時，各影響因素對液壓減振器在復(fù)原行程階段和壓縮行程階段的阻尼特性有不同的規(guī)律：1)導(dǎo)向套與活塞桿間隙主要作用于液壓減振器的復(fù)原行程內(nèi)，間隙越小，復(fù)原力越大。2)活塞粉末冶金件與復(fù)原閥片接觸面打磨，可以提高液壓減振器的復(fù)原力；活塞雙面打磨，可以同時提高液壓減振器的復(fù)原力和壓縮力，并且效果相對于單面打磨更加明顯。

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Experimentalresearchonlowfrequencydampingcharacteristicsofhydraulicshockabsorbersforrailvehicles

SUN Haijie1, DU Jiaxin1, YANG Likang1, YE Liling2, YE Wanquan1

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023,Zhejiang, China;2.Zhejiang Huachang Hydraulic Machinery Co. Ltd,Hangzhou 311305, Zhejiang,China)

In the development process of hydraulic shock absorbers for rail vehicle, there usually exists a situation that the damping force value is too low to meet the technical requirement due to the leakage of the shock absorber. In order to explore the causes of the shock absorber’s leakage at the low frequency stage and their influence on the damping force values, the article proposes the experimental comparison of changing the gap between the guide sleeve and the piston rod, the fit between the piston surface and the valve plate, and the support ring form to study how different leakage levels of the shock absorber affect the damping force values at the low frequency stage. The experimental results show that the gap between the guide sleeve and the piston rod, which mainly functions in the rebound stroke of the hydraulic shock absorber, the fit between the piston surface and the valve plate have great influences on low frequency damping characteristics of the shock absorber while effect of the piston support ring is dwarfed, the guide sleeve and piston rod gap.

hydraulic shock absorber; leakage of low frequency; low frequency damping; experimental comparative analysis

U463.335.1

A

1671-8798(2017)05-0371-05