抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性分析以及對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響研究

崔澤安，徐騰養(yǎng)，鄔平波

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抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性分析以及對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響研究

崔澤安，徐騰養(yǎng)，鄔平波

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

基于SIMPACK建立某高速列車動(dòng)力學(xué)模型，主要從橡膠節(jié)點(diǎn)剛度、卸荷速度、卸荷力等方面分析了抗蛇行減振器對(duì)列車的動(dòng)力學(xué)性能影響，并對(duì)各性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)角度研究了油液溫度對(duì)減振器阻尼特性影響。分析結(jié)果表明：油溫對(duì)減振器阻尼特性影響很大；隨著卸荷速度的增加，車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能有所惡化；隨著卸荷力的增加，車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能有所改善；橡膠節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響與卸荷速度選取值有關(guān)。對(duì)橡膠節(jié)點(diǎn)剛度優(yōu)化選取在5～10 MN/m范圍內(nèi)變動(dòng)，卸荷速度選取為0.01 m/s，卸荷力選取為12 kN，此時(shí)，車輛動(dòng)力學(xué)性能可以達(dá)到最優(yōu)范圍。

SIMPACK；橡膠節(jié)點(diǎn)剛度；卸荷速度；卸荷力；動(dòng)力學(xué)性能；油溫；阻尼特性

本文以抗蛇行減振器自身的阻尼特性以及對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能帶來的影響為出發(fā)點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)角度分析研究了溫度對(duì)阻尼特性帶來的影響。再?gòu)膭?dòng)力學(xué)仿真角度分析了抗蛇行減振器節(jié)點(diǎn)剛度、卸荷速度、卸荷力對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響，并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選擇，使動(dòng)力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)化。

很多學(xué)者對(duì)抗蛇行減振器進(jìn)行了研究。楊東曉[1]對(duì)抗蛇行減振器MAXWELL模型進(jìn)行了研究；徐騰養(yǎng)[2-4]對(duì)抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)性能、溫變特性及溫變特性對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響進(jìn)行研究；楊亮亮[5-6]研究了抗蛇行減振器安裝剛度對(duì)彈性構(gòu)架動(dòng)力學(xué)性能的影響以及一系垂向減振器對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響，曾京[7]研究了減振器橡膠節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響。

本文研究了橡膠節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)蛇行穩(wěn)定性的影響。本文的創(chuàng)新在于從油液溫度角度分析了其對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性影響，然后從橡膠節(jié)點(diǎn)剛度、卸荷速度、卸荷力等方面入手，尋找它們之間的最佳匹配關(guān)系，對(duì)抗蛇行減振器性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。何遠(yuǎn)[8]也曾研究過抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對(duì)高速動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，但是文中未考慮抗蛇行減振器卸荷力、卸荷速度和剛度之間的匹配關(guān)系。

1 油溫對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性影響

為驗(yàn)證油溫對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性的影響，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)上研究我國(guó)某高速列車抗蛇行減振器，其卸荷速度0.01 m/s，卸荷力7500 N，阻尼系數(shù)750 kN·s/m。從圖1可以看出，溫度越高，減振器吸收的能量越少，這是因?yàn)殡S著溫度增加，油液粘性減小，導(dǎo)致流量損失加大，吸收的能量就相對(duì)減少。從圖2可以看出，溫度越高，減振器吸收的能量越少，溫度越低，這一現(xiàn)象越明顯。動(dòng)態(tài)阻尼隨著頻率的增加先增加后減小，隨著溫度減小，動(dòng)態(tài)阻尼越來越大，且溫度越低，增加越快。頻率越低，溫升對(duì)動(dòng)態(tài)阻尼影響越明顯。動(dòng)態(tài)剛度隨著頻率的增加，先增加后逐漸趨于穩(wěn)定，隨著溫度減小，動(dòng)態(tài)剛度越來越大，且溫度越低，增加越快。油液溫度對(duì)動(dòng)態(tài)阻尼的影響大于對(duì)動(dòng)態(tài)剛度的影響。

圖1 不同溫度下F－S 圖

圖2 不同溫度對(duì)動(dòng)態(tài)阻尼、動(dòng)態(tài)剛度的影響

2 抗蛇行減振器對(duì)車輛蛇行穩(wěn)定性影響

橡膠節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)抗蛇行減振器阻尼性能有著重要影響，橡膠節(jié)點(diǎn)剛度越大，吸收的能量越多。另一方面，其對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能也有一定影響。節(jié)點(diǎn)剛度過大，高頻振動(dòng)不能被有效吸收，減振器容易別勁或者偏磨；節(jié)點(diǎn)剛度過小，過多的緩沖行程會(huì)使減振器有效減振行程縮短，減振效果大大減弱[9]。另外，節(jié)點(diǎn)剛度過大或過小，車輛蛇行穩(wěn)定性、安全性、平穩(wěn)性以及乘坐舒適性都沒有達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

減振器設(shè)置卸荷區(qū)域主要是為了防止減振器內(nèi)部油液壓力過大導(dǎo)致?lián)p壞減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低密封裝置壽命和產(chǎn)生油液泄露，其卸荷速度、卸荷力均不宜過大或過小，否則無法使車輛動(dòng)力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。為研究抗蛇行減振器對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，基于SIMPACK建立我國(guó)某高速列車動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 高速列車動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

從圖4（a）可以看出，橡膠節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)蛇行臨界速度的影響總體呈先增大后減小再逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)剛度過小時(shí)，橡膠緩沖了不少位移，使得減振器有效減振行程減小，影響了蛇行穩(wěn)定性，使得蛇行臨界速度偏低；當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度過大時(shí)，會(huì)傳遞高頻振動(dòng)至車體，蛇行穩(wěn)定性變差，也影響了蛇行臨界速度。只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度在中間某個(gè)最佳范圍時(shí)，才既有效地吸收了振動(dòng)能量，又隔離了高頻振動(dòng)，此時(shí)，臨界速度達(dá)到最佳。臨界速度最終逐漸趨于穩(wěn)定是因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)剛度大到一定程度時(shí)，傳遞了更多高頻振動(dòng)，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)蛇行臨界速度影響逐漸不明顯，這與曾京[7]、黃彩虹[10]分析的結(jié)果相一致。從圖中可以得到，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度在5～10 MN/m范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，蛇行臨界速度比較大。隨著卸荷速度的增加，蛇行臨界速度逐漸減小，最終逐漸趨于水平穩(wěn)定。當(dāng)卸荷速度從0.001 m/s增加到0.005 m/s時(shí)，臨界速度下降非常明顯，而之后卸荷速度再增加，臨界速度下降變化逐漸減弱，這說明卸荷速度在非常微小時(shí)，其微小變化對(duì)臨界速度影響非常明顯。隨著卸荷力增加，蛇行臨界速度逐漸增加，最后趨于水平，這說明卸荷力只有在一定范圍內(nèi)才能提高蛇行臨界速度，超過這一范圍，甚至?xí)档蜕咝信R界速度，與卜繼玲[11]對(duì)機(jī)車蛇行穩(wěn)定性分析相一致。綜合三者對(duì)蛇行臨界速度的影響，此高速列車橡膠節(jié)點(diǎn)剛度值可以選取在5～10 MN/m范圍內(nèi)，臨界速度可以優(yōu)選為0.01 m/s，卸荷力可以優(yōu)選為12 kN，此時(shí)臨界速度可以達(dá)到最優(yōu)范圍。

3 減振器對(duì)車輛安全性影響

從圖4（b）～（e）可以看出，隨著卸荷速度的增加，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率以及磨耗指數(shù)均逐漸增加，表明車輛安全性有所惡化；隨著卸荷力的增加，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率以及磨耗指數(shù)均逐漸減小，表示車輛安全性逐漸改善；橡膠節(jié)點(diǎn)對(duì)輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率以及磨耗指數(shù)的影響與卸荷速度的取值有關(guān)，當(dāng)卸荷速度不大于0.01 m/s時(shí)，橡膠節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)車輛安全性影響不明顯。當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度取值5～10 MN/m、卸荷速度0.01 m/s、卸荷力12 kN時(shí)，不僅可以使蛇行臨界速度達(dá)到最優(yōu)范圍，還可以使安全性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

4 減振器對(duì)車輛平穩(wěn)性以及乘坐舒適性影響

從圖5可以看出，隨著卸荷速度的增加，橫向、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適性均有所惡化；隨著卸荷力的增加，橫向、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適性均有所改善，但是當(dāng)卸荷力一直增加時(shí)，車輛平穩(wěn)性指標(biāo)以及乘坐舒適性會(huì)出現(xiàn)略微回升現(xiàn)象，說明平穩(wěn)性以及舒適性開始變差，這是因?yàn)樾逗闪^大，構(gòu)架會(huì)傳遞大的振動(dòng)至車體，從而影響了蛇行穩(wěn)定性，使得橫向、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適性變差，另一方面，卸荷力過大還會(huì)損壞減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)；橡膠節(jié)點(diǎn)剛度過大或者過小都會(huì)導(dǎo)致平穩(wěn)性以及乘坐舒適性指標(biāo)變大，表明橡膠節(jié)點(diǎn)剛度過大或者過小均會(huì)使平穩(wěn)性以及舒適性變差，從圖中可以看出，橡膠節(jié)點(diǎn)剛度變化范圍在5～15 MN/m內(nèi)時(shí)，車輛平穩(wěn)性以及乘坐舒適性較好。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度范圍取5～10 MN/m、卸荷速度0.01 m/s、卸荷力12 kN時(shí)，不僅可以使蛇行臨界速度、安全性能達(dá)到最優(yōu)范圍，還可以使平穩(wěn)性以及乘坐舒適性達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1）溫度升高，減振器吸收的能量減少，溫度越低，影響越明顯。動(dòng)態(tài)阻尼隨著頻率的增加先增加后減小，頻率越低，影響越明顯。動(dòng)態(tài)剛度隨著頻率的增加先增加后逐漸趨于穩(wěn)定。動(dòng)態(tài)阻尼和動(dòng)態(tài)剛度都隨著溫度的減小而增加，且溫度越低，增加越快，溫度對(duì)動(dòng)態(tài)阻尼的影響大于對(duì)動(dòng)態(tài)剛度的。

（2）橡膠節(jié)點(diǎn)剛度存在一個(gè)最佳范圍；節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、磨耗指數(shù)、橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響，都與卸荷速度的取值有關(guān)，最終橡膠節(jié)點(diǎn)剛度值優(yōu)選在5～10 MN/m范圍內(nèi)。

（3）隨著卸荷速度的增加，車輛動(dòng)力學(xué)性能整體呈惡化趨勢(shì)，卸荷速度越小，其改變引起的蛇行臨界速度變化越明顯，但卸荷速度不宜過大或過小，最終卸荷速度優(yōu)選為0.01 m/s。

（4）隨著卸荷力的增加，車輛動(dòng)力學(xué)性能整體呈改善趨勢(shì)，但卸荷力不宜過大或過小，最終卸荷力優(yōu)化為12 kN。

圖5 橡膠節(jié)點(diǎn)剛度、卸荷速度、卸荷力對(duì)車輛平穩(wěn)性和乘坐舒適性的影響

[1]張振先，楊東曉，池茂儒. 抗蛇行減振器的模型研究[J]. 機(jī)械，2015，42（7）：1-4.

[2]徐騰養(yǎng)，池茂儒，李濤，等. 抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)性能研究[J].機(jī)械，2016，43（8）：1-5.

[3]徐騰養(yǎng)，池茂儒，田向陽，等. 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[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2016（6）：43-46.

[4]徐騰養(yǎng)，池茂儒，朱海燕，等. 油溫對(duì)抗蛇行減振器特性和動(dòng)力學(xué)性能影響[J]. 振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2017，37（6）：1094-1099.

[5]楊亮亮. 抗蛇行減振器安裝剛度對(duì)彈性構(gòu)架車輛動(dòng)力學(xué)性能影響[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2012（4）：15-18.

[6]楊亮亮，傅茂海，張尚敬. 一系垂向減振器對(duì)高速列車運(yùn)行穩(wěn)定性和平穩(wěn)性的影響[J]. 鐵道車輛，2013，51（1）：1-4.

[7]曾京，鄔平波. 減振器橡膠節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鐵道客車系統(tǒng)臨界速度的影響[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，29（2）：94-97.

[8]何遠(yuǎn)，王勇. 抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對(duì)高速動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2015（3）：26-29.

[9]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.

[10]黃彩虹，梁樹林，周殿買. 抗蛇行減振器對(duì)車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[C]. 合肥：第八屆中國(guó)智能交通年會(huì)優(yōu)秀論文集，2013.

[11]卜繼玲，樊友權(quán). 抗蛇行減振器對(duì)機(jī)車運(yùn)行品質(zhì)的影響[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，27（6）：6-8.

The Analysis of Resistance Features of Yaw Damper and the Influence of Yaw Damper on Vehicle Dynamic Performance of High-Speed Trains

CUI Zean，XU Tengyang，WU Pingbo

( State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The dynamic model of one high-speed train of our country is built based on SIMPACK in the article, the influence of yaw damper on stability, safety, stationarity and comfort of vehicles are analyzed from rubber joint stiffness, unloading speed, unloading force to optimize performance parameter. Meanwhile, the influence of oil temperature on resistance features of yaw damper is investigated based on experiment It could concluded that oil temperature has great influence on resistance features of yaw damper. Vehicle dynamic performance deteriorates with the increasing of unloading speed; With the increasing of unloading force, vehicle dynamic performance improves. The effect of rubber joint stiffness on vehicle dynamic performance related to unloading force. In the article, In order to optimize vehicle dynamic performance, rubber joint stiffness is optimized within 5~10 MN/m, unloading force is 0.01m/s, unloading force is 12 kN.

SIMPACK；rubber joint stiffness；unloading speed；unloading force；vehicle dynamic performance; oil temperature；resistance features

U292.91+4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.001

1006－0316 (2018) 02－0001－05

2017－02－22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAG12B01-17）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51475388）；高鐵聯(lián)合基金（U1334206）；鐵路總公司項(xiàng)目（2014J004-A）

崔澤安（1992－），男，四川南充人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。