油溫對(duì)抗蛇行減振器特性和動(dòng)力學(xué)性能的影響

徐騰養(yǎng)， 池茂儒, 朱海燕,3， 郭兆團(tuán)， 程賢棟

(1.浙江盾安軌道交通設(shè)備有限公司 紹興,311800) (2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都，610031)(3.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 南昌，330013)

油溫對(duì)抗蛇行減振器特性和動(dòng)力學(xué)性能的影響

徐騰養(yǎng)1,2， 池茂儒2, 朱海燕2,3， 郭兆團(tuán)2， 程賢棟2

(1.浙江盾安軌道交通設(shè)備有限公司 紹興,311800) (2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都，610031)(3.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 南昌，330013)

為了研究抗蛇行減振器油液溫度對(duì)其動(dòng)態(tài)特性和整車動(dòng)力學(xué)性能的影響，對(duì)我國(guó)某高速動(dòng)車組抗蛇行減振器進(jìn)行了試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)仿真分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，減振器吸收的能量、減振器動(dòng)態(tài)阻尼及動(dòng)態(tài)剛度隨油液溫度的降低而增加；而當(dāng)油液溫度超出抗蛇行減振器油液正常工作范圍時(shí)，減振器吸收的能量、減振器動(dòng)態(tài)阻尼及動(dòng)態(tài)剛度隨油液溫度降低而降低。仿真結(jié)果表明，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，蛇行臨界速度隨油液溫度的降低而增大，而當(dāng)油液溫度超出正常工作溫度范圍時(shí)，蛇行臨界速度隨溫度降低而降低，油液溫度對(duì)車輛平穩(wěn)性、安全性影響并不明顯。

抗蛇行減振器； 油液溫度； 動(dòng)態(tài)特性； 整車動(dòng)力學(xué)性能

引 言

抗蛇行減振器內(nèi)部油液有一個(gè)正常工作溫度范圍，當(dāng)油液溫度不在正常工作溫度范圍內(nèi)時(shí)，抗蛇行減振器則無(wú)法正常工作。在某些高寒地區(qū)，外界溫度可能會(huì)低于油液正常工作溫度范圍，由此會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。例如：油液溫度大致為多少時(shí)減振器才無(wú)法正常工作；減振器處于非正常工作狀態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)特性是如何變化的；減振器工作多長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)正常工作狀態(tài)；油液溫度又是如何影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的。這些問(wèn)題具有重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，也是俄羅斯高鐵非常關(guān)注的問(wèn)題之一。目前，國(guó)內(nèi)外還缺乏對(duì)高速列車抗蛇行減振器溫變特性的研究。文獻(xiàn)[1]綜述了溫升對(duì)液壓減振器的危害，并提出了相關(guān)解決措施。文獻(xiàn)[2]結(jié)合Matlab仿真分析了鐵道車輛油壓減振器溫升對(duì)車體及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架垂向的影響。文獻(xiàn)[3]對(duì)溫升對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]對(duì)高溫時(shí)的油液溫度對(duì)減振器阻尼特性的影響進(jìn)行了研究。但是以上研究均未詳細(xì)分析油液溫度對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)[5-9]對(duì)汽車液壓減振器黏溫特性進(jìn)行了研究與展望。筆者研究了油液溫度對(duì)抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性和車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，不僅對(duì)高溫和低溫情況分別進(jìn)行分析，還分析了超出油液正常工作溫度范圍的情況。首先，基于臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)我國(guó)某高速動(dòng)車組抗蛇行減振器(卸荷力為7 500 N，卸荷速度為0.01 m/s，阻尼系數(shù)為750(kN·s)/m)進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)；其次，對(duì)比分析了減振器在不同溫度下吸收的能量、動(dòng)態(tài)剛度及動(dòng)態(tài)阻尼，從而得到了油液溫度對(duì)抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性影響結(jié)果；最后，基于動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了該高速列車的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，分析了油液溫度對(duì)該高速列車蛇行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性及安全性能的影響。

1 油液溫度對(duì)抗蛇行減振器阻尼特性的影響

為研究高速列車抗蛇行減振器溫變特性，在西南交通大學(xué)軌道交通國(guó)家實(shí)驗(yàn)室減振器試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)我國(guó)某高速列車抗蛇行減振器進(jìn)行了試驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T1491-2004 機(jī)車車輛油壓減振器技術(shù)條件[10]。為了使油液溫度與環(huán)境溫度一致，試驗(yàn)所用減振器應(yīng)置于與試驗(yàn)環(huán)境相同的溫度中至少24 h。本次試驗(yàn)主要研究不同油液溫度對(duì)減振器阻尼特性影響，每次試驗(yàn)前，均已將減振器放置高低溫變溫箱中擱置36 h。在進(jìn)行高低溫試驗(yàn)時(shí)，為避免變溫箱以外環(huán)境溫度對(duì)減振器的影響，整個(gè)試驗(yàn)均在變溫箱中進(jìn)行。減振器高低溫試驗(yàn)臺(tái)三維圖如圖1所示，其中，該試驗(yàn)臺(tái)水平方向進(jìn)行抗蛇行減振器及二系橫向減振器試驗(yàn)，垂向方向進(jìn)行一系垂向和二系垂向減振器試驗(yàn)。

圖1 減振器高低溫試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Damper heterothermic test bed

圖2 幅值為0.5 mm、頻率為1 Hz、不同溫度下減振器示功圖對(duì)比Fig.2 The comparison of indicator diagram of various temperature as amplitude is 0.5mm and frequency is 1Hz

圖3 幅值為2 mm、頻率為10 Hz、不同溫度下減振器示功圖對(duì)比Fig.3 The comparison of indicator diagram of various temperature as amplitude is 2 mm and frequency is 10 Hz

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到同幅值同頻率不同溫度下示功圖面積，如圖2、圖3表示。由圖可知：在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，示功圖圍成的面積(減振器吸收的能量)越大；當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍，示功圖面積開始減小。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度已超出減振器油液正常工作溫度范圍，若溫度過(guò)低，減振器油液被“凍結(jié)”，油液黏性增大。減振器受拉伸時(shí)，需要油液對(duì)壓縮腔進(jìn)行補(bǔ)油，但由于低溫導(dǎo)致油液黏性過(guò)大，油液通過(guò)單向閥向壓縮腔補(bǔ)油的時(shí)間延長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充壓縮腔油液，導(dǎo)致壓縮腔油液局部不足。減振器受壓縮時(shí)，由于油液不足，就會(huì)出現(xiàn)示功圖中的異常狀態(tài)。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著幅值與頻率的增加，不同溫度的示功圖面積差會(huì)越來(lái)越小，即油液溫度對(duì)減振器阻尼特性影響會(huì)越來(lái)越小。

低溫對(duì)減振器阻尼特性影響明顯大于高溫，如圖4所示。高溫時(shí)，減振器示功圖面積變化相對(duì)不明顯，這是由油液的動(dòng)力黏度決定的；低溫時(shí)，溫度對(duì)油液動(dòng)力黏度影響遠(yuǎn)大于高溫。因此，若溫度變化幅度相同，低溫時(shí)的示功圖相比高溫時(shí)的示功圖面積相差更大，即低溫對(duì)減振器阻尼特性影響大于高溫。

圖4 溫度與油液動(dòng)力黏度關(guān)系Fig.4 The relationship between temperature and dynamic viscosity

2 油溫對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性的影響

圖5 不同溫度下頻率與動(dòng)態(tài)剛度的關(guān)系(幅值為0.5 mm)Fig.5 The relationship between frequency and dynamic stiffness as various temperature(amplitude is 0.5 mm)

圖6 不同溫度下頻率與動(dòng)態(tài)阻尼的關(guān)系(幅值為1.5 mm)Fig.6 The relationship between frequency and dynamic damping as various temperature(amplitude is 1.5 mm)

圖7 不同溫度下，頻率與動(dòng)態(tài)阻尼關(guān)系(幅值為1 mm)Fig.7 The relationship between frequency and dynamic damping as various temperature(amplitude is 1mm)

減振器激勵(lì)幅值為0.5 mm時(shí)，動(dòng)態(tài)剛度在不同溫度下隨頻率變化的情況如圖5所示。由圖可知，減振器動(dòng)態(tài)剛度均隨頻率增加呈現(xiàn)先增加后保持不變的趨勢(shì)。這是因?yàn)轭l率較低時(shí)，振動(dòng)速度小于卸荷速度，減振器未發(fā)生卸荷，動(dòng)態(tài)剛度隨著頻率增加而增加；而頻率較高時(shí)，卸荷閥開啟，動(dòng)態(tài)剛度增長(zhǎng)緩慢，逐漸趨于不變。減振器激勵(lì)幅值分別為2和1 mm時(shí)，動(dòng)態(tài)阻尼在不同溫度下隨頻率變化的情況如圖6、圖7所示。由圖6可知，減振器動(dòng)態(tài)阻尼隨頻率增加呈先增加后減小趨勢(shì),這也是因?yàn)轭l率較低時(shí)，減振器未發(fā)生卸荷，動(dòng)態(tài)阻尼隨著頻率增加而增加；頻率較高時(shí)，卸荷閥開啟，動(dòng)態(tài)阻尼隨著頻率增加而逐漸減小。由圖7可知，頻率較低時(shí)(小于1 Hz)，減振器動(dòng)態(tài)阻尼有一小段先減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)闇p振器動(dòng)態(tài)阻尼的計(jì)算是按照歐標(biāo)EN 13802:2013 鐵路應(yīng)用-懸掛元件-油壓減振器[11]來(lái)進(jìn)行的。根據(jù)相位角計(jì)算公式，相位角隨活塞位移幅值的減小而減小。當(dāng)振動(dòng)頻率和激勵(lì)幅值均較小時(shí)，由于試驗(yàn)誤差會(huì)導(dǎo)致活塞激勵(lì)位移幅值偏小，從而使得相位角也偏小。根據(jù)動(dòng)態(tài)阻尼的計(jì)算公式，動(dòng)態(tài)阻尼與相位角的正切值成反比，相位角減小，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)阻尼偏大，所以在低幅低頻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)開始一小段下降的趨勢(shì)，此時(shí)應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)計(jì)算方法以及試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改善。另外，從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度越高，動(dòng)態(tài)剛度幅值對(duì)應(yīng)的頻率越大，即在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度越低，減振器越快達(dá)到卸荷速度，越早出現(xiàn)卸荷情況。對(duì)比圖6和圖7，圖6中頻率為1 Hz時(shí)，動(dòng)態(tài)阻尼就開始呈下降趨勢(shì)；而圖7中頻率為2 Hz時(shí)，動(dòng)態(tài)阻尼才開始下降。這是因?yàn)闇p振器激勵(lì)幅值越大，卸荷閥越早開啟，減振器越早達(dá)到卸荷狀態(tài)。

圖8 不同頻率下溫度與動(dòng)態(tài)剛度的關(guān)系(幅值為1 mm)Fig.8 The relationship between temperature and dynamic stiffness as various frequency(amplitude is 1 mm)

圖9 不同頻率下溫度與動(dòng)態(tài)阻尼的關(guān)系(幅值為1 mm)Fig.9 The relationship between temperature and dynamic damping as various frequency(amplitude is 1 mm)

減振器激勵(lì)幅值為1 mm時(shí)，油液溫度在不同頻率下對(duì)動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼的影響如圖8、圖9所示。從圖8和圖9中可以發(fā)現(xiàn)，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，減振器的動(dòng)態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)阻尼反而減?。划?dāng)油液溫度低于正常工作溫度范圍，動(dòng)態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)阻尼隨著溫度升高有所升高。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼均隨著溫度的升高而總體呈斜率減小式非線性降低。這說(shuō)明低溫時(shí)溫度對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性影響要大于高溫時(shí)的影響，這也是由于低溫時(shí)溫度對(duì)油液動(dòng)力黏度影響大于高溫時(shí)溫度對(duì)動(dòng)力黏度影響引起的。

3 油溫對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能的影響

為研究油液溫度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，筆者采用動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立我國(guó)某高速列車整車動(dòng)力學(xué)模型，如圖10所示。該高速列車車輪半徑為0.46 m，名義滾動(dòng)圓間距之半為0.746 5 m，鋼軌軌面為China60，軌底坡為1/40。使用的車輪踏面名義等效錐度為0.25，軌道激擾為武廣線，計(jì)算安全性時(shí)曲線半徑為7 000 m，直線長(zhǎng)度為300 m， 緩和曲線長(zhǎng)度為500 m，圓曲線長(zhǎng)度為500 m，超高為0.18 m。

圖10 高速列車動(dòng)力學(xué)模型Fig.10 Dynamic model of high-speed vehicle

3.1 油液溫度對(duì)車輛蛇行穩(wěn)定性的影響

油液溫度對(duì)車輛蛇行穩(wěn)定性影響如圖11所示。由圖可知，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度越高，蛇行臨界速度越低，-40℃的臨界速度遠(yuǎn)大于60℃的臨界速度，這說(shuō)明油液溫度對(duì)車輛蛇形穩(wěn)定性影響非常大。若油液溫度超過(guò)正常工作溫度范圍，油液的蛇行臨界速度將急劇下降。低溫時(shí)溫度對(duì)臨界速度的影響遠(yuǎn)大于高溫時(shí)。

圖11 溫度與臨界速度的關(guān)系Fig.11 The relationship between temperature and critical speed

3.2 油液溫度對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響

筆者采用3級(jí)線路軌道譜對(duì)車輛系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算，軌道具有4個(gè)方向的不平順。為了較為完全地反映車輛的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算時(shí)先讓車輛在一段無(wú)激擾直線軌道上運(yùn)行，然后在一段足夠長(zhǎng)的不平順軌道上運(yùn)行，車體加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)的采樣從車輛運(yùn)行一段距離后開始進(jìn)行。圖12～圖15表示油液溫度對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響。將各溫度下的橫向平穩(wěn)性與常溫20℃下的橫向平穩(wěn)性進(jìn)行對(duì)比：低速時(shí)(小于200 km/h)，不同溫度對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性及車體橫向振動(dòng)最大加速度影響與常溫時(shí)相差并不明顯；高速時(shí)(大于200 km/h、小于500 km/h)，低溫時(shí)的橫向平穩(wěn)性能略優(yōu)于常溫時(shí)的橫向平穩(wěn)性；而高溫時(shí)的橫向平穩(wěn)性能略差于常溫時(shí)的橫向平穩(wěn)性。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB5599-85和《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》，不同溫度下的橫向平穩(wěn)性均在合格范圍內(nèi)。油液溫度對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性影響相對(duì)于其對(duì)蛇行穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是非常小的，油液溫度對(duì)車輛垂向平穩(wěn)性以及車體垂向振動(dòng)最大加速度幾乎沒(méi)有影響。

綜上，低溫時(shí)的平穩(wěn)性總體要優(yōu)于高溫時(shí)的平穩(wěn)性，但均在合格范圍內(nèi)，且相對(duì)于油液溫度對(duì)蛇行穩(wěn)定性影響來(lái)說(shuō)非常小。

圖12 不同溫度下橫向平穩(wěn)性對(duì)比Fig.12 The comparison of lateral stability as various temperature

圖13 不同溫度下垂向平穩(wěn)性對(duì)比Fig.13 The comparison of vertical stability as various temperature

圖14 不同溫度下車體橫向最大加速度對(duì)比Fig.14 The comparison of lateral maximum accelerate as various temperature

圖15 不同溫度下車體垂向最大加速度對(duì)比Fig.15 The comparison of vertical maximum accelerate as various temperature

3.3 油液溫度對(duì)車輛安全性的影響

筆者計(jì)算了該動(dòng)車組以不同速度通過(guò)不同曲線的安全性指標(biāo)，計(jì)算中考慮軌道的隨機(jī)不平順激擾(3級(jí)線路軌道譜)。圖16～圖18表示油液溫度對(duì)車輛安全性影響，從圖中大致可以看出，脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力隨著溫度變化有輕微的變化，表明油液溫度對(duì)車輛安全性影響整體不是很明顯，低溫時(shí)安全性能稍微優(yōu)于高溫時(shí)安全性能。

圖16 不同溫度下脫軌系數(shù)對(duì)比Fig.16 The comparison of derailment coefficient as various temperature

圖17 不同溫度下輪重減載率對(duì)比Fig.17 The comparison of wheel unloading rate as various temperature

圖18 不同溫度下輪軸橫向力對(duì)比Fig.18 The comparison of lateral wheelset force as various temperature

4 結(jié) 論

1) 在減振器油液正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度越低，油液動(dòng)力黏度越大，減振器吸收的能量、動(dòng)態(tài)剛度及動(dòng)態(tài)阻尼越大。當(dāng)外界溫度超過(guò)油液正常工作溫度范圍時(shí)，溫度越低，減振器吸收的能量、動(dòng)態(tài)剛度及動(dòng)態(tài)阻尼越少。

2) 低溫時(shí)油液溫度對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性影響大于高溫時(shí)油液溫度對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性影響。

3) 隨著減振器頻率、幅值的增加，油液溫度對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性影響有所下降。

4) 油液溫度越低，越早達(dá)到卸荷狀態(tài)。

5) 油液溫度對(duì)車輛蛇行穩(wěn)定性影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)車輛平穩(wěn)性以及安全性影響，且低溫時(shí)臨界速度遠(yuǎn)大于高溫時(shí)臨界速度，低溫時(shí)溫度對(duì)臨界速度的影響也遠(yuǎn)大于高溫時(shí)溫度對(duì)臨界速度的影響。

6) 低速時(shí)，油液溫度對(duì)橫向平穩(wěn)性影響不是很明顯。高速情況下，低溫時(shí)橫向平穩(wěn)性要優(yōu)于高溫時(shí)橫向平穩(wěn)性能?？傮w來(lái)說(shuō)，油液溫度對(duì)車輛平穩(wěn)性能影響不是很大。

7) 在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，低溫時(shí)安全性能稍微優(yōu)于高溫時(shí)安全性能，但不是很明顯。

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2016-12-19

TH703.63； U292.91+4

徐騰養(yǎng),男，1992年10月生，碩士生。主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。曾發(fā)表《抗蛇行減振器內(nèi)部油液溫度對(duì)其動(dòng)態(tài)特性影響研究》(《機(jī)車電傳動(dòng)》2016年第6期)等論文。

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