一種軌道交通車輛用減振裝置研究

馮顯錕 苗青健 彭 雪 王 越 孫麒鈞 周韶澤

（大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028）

0 研究背景

軌道車輛減振器作為懸掛部分的重要元件，可以吸收和減緩軌道不平順等引起的振動(dòng)和沖擊。其性能的好壞直接影響鐵道車輛的平穩(wěn)性、舒適性、車輛部件的使用壽命和行車安全性。1908 年，法國(guó)的 M.Handallle 將內(nèi)腔分為2 個(gè)部分并充入油液，這是為了充分利用油液的阻尼作用，使其研制的液壓減振器達(dá)到衰減振動(dòng)的目的。20 世紀(jì)30 年代的搖臂式減振器雖然具有成本低、壽命長(zhǎng)和質(zhì)量輕等突出優(yōu)點(diǎn)，但其顯著缺點(diǎn)是在高速工況下充油不及時(shí)而導(dǎo)致減振器工作特性發(fā)生畸變[1]。20 世紀(jì)50 年代的充氣式減振器克服了搖臂式減振器的缺點(diǎn)，質(zhì)量顯著減輕，性能更好，但其制造精度要求和成本較高。與國(guó)外相比，我國(guó)對(duì)于液壓減振器的研究起步較晚，但是國(guó)內(nèi)學(xué)者在圍繞著液壓減振器的建模、仿真、實(shí)驗(yàn)和部分關(guān)鍵部件（閥系、孔隙）的參數(shù)特性進(jìn)行了卓有成效的研究。隨著我國(guó)高鐵的快速發(fā)展，現(xiàn)代高速列車速度已達(dá) 350 km/h，并有向400 km/h 以上推進(jìn)的趨勢(shì)。保證列車運(yùn)行的安全性及舒適性，這就對(duì)減振器性能的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。我國(guó)鐵道車輛液壓減振器主要市場(chǎng)主要被國(guó)外品牌所占領(lǐng)。究其原因主要是國(guó)產(chǎn)減振器性能和質(zhì)量與國(guó)外生產(chǎn)的減振器相比有很大的差距，國(guó)產(chǎn)減振器在列車上普遍出現(xiàn)的問(wèn)題較多，難以滿足列車運(yùn)行時(shí)的性能要求。因此，有必要對(duì)減振器進(jìn)行深入的研究從而實(shí)現(xiàn)減振器真正國(guó)產(chǎn)化[2]。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

隨著軌道車輛減振器不斷地應(yīng)用發(fā)展和推廣，傳統(tǒng)的液壓式減振器（圖1）和充氣式減振器（圖2）已經(jīng)不能完全滿足軌道車輛的需求。匹配良好的減振器是衡量軌道車輛運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一。在通過(guò)不平鋼軌時(shí)，車輪和車身的相對(duì)速度要比通過(guò)平直路面時(shí)大得多。即減振器在復(fù)原行程時(shí)，須提供比較大的阻尼力，但是壓縮行程需要的阻尼力相對(duì)較弱，這是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)減振器阻尼設(shè)計(jì)提出的最基本的要求。

圖1 液壓減振器示意圖

圖2 充氣式減振器示意圖

當(dāng)車輪與車身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大時(shí)，減振器可以自動(dòng)加大通流面積，以便使阻尼力始終保持在一定的限度之內(nèi)，避免車身承受過(guò)大的沖擊載荷。液壓減振器的外特性具有非線性的變化趨勢(shì)，一般采用分段設(shè)計(jì)的方法，分別對(duì)減振器的低速特性、中速特性和高速特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足減振器在不同速度點(diǎn)下對(duì)阻尼力的要求。復(fù)原行程時(shí)活塞向上運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)離工作缸，連桿不斷從工作缸內(nèi)抽出，因此從活塞上腔流入活塞下腔的減振油不能完全補(bǔ)充活塞下腔因活塞上移而形成的空間，其余部份的減振油就由貯液筒經(jīng)底閥分總成的補(bǔ)償閥流入工作缸下腔，以使工作缸下腔充滿減振油。復(fù)原行程時(shí)，我們根據(jù)不同速度點(diǎn)下復(fù)原阻力的設(shè)定值，可以計(jì)算出在不同復(fù)原阻尼力值下活塞閥分總成的通流面積，從而為設(shè)計(jì)活塞閥分總成各零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)，液壓減振器復(fù)原行程油液流動(dòng)方向如圖3 所示。

圖3 液壓減振器復(fù)原行程油液流動(dòng)方向

現(xiàn)如今，大部分軌道車輛所采取的減振器僅能滿足對(duì)于車輛顛簸的緩振，但對(duì)乘客的舒適度影響較大，由于軌道車輛在行駛過(guò)程中經(jīng)常遇到鋼軌不平直的情況，因此車體會(huì)產(chǎn)生橫向移動(dòng)，懸架減振器通常安裝限位結(jié)構(gòu)，以防止部件之間的剛性沖擊[3]。目前減振器主要采用的是機(jī)械限位緩沖結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的限位緩沖結(jié)構(gòu)是內(nèi)置聚氨酯材料。然而，這種結(jié)構(gòu)部件的材料容易老化。由于緩沖墊只能通過(guò)限位緩沖墊的彈性變形來(lái)起到一定的緩沖作用，因此緩沖墊變形小，緩沖效果差，導(dǎo)致限位功能降低或消失，影響減振器的使用性能。

所謂緩沖限位，是指伸縮彈簧壓縮到一定行程時(shí)，會(huì)使作用力從彈簧平穩(wěn)過(guò)渡，然后利用其高分子材料的阻尼作用，將振動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，從而減少車內(nèi)振動(dòng)，提高乘坐舒適性[4]。此外，軌道車輛中的噪聲水平與零件的共振頻率和軌道噪聲頻率有關(guān)。伸縮彈簧的共振頻率（一般為50 Hz～70 Hz）與道路噪聲的頻率（一般為15 Hz～20 Hz）相差甚遠(yuǎn)，因此可以顯著降低軌道車輛中的噪聲，為乘客提供更安靜、更舒適的環(huán)境。裝有內(nèi)部液壓限制緩沖結(jié)構(gòu)的軌道車輛減振器具有比內(nèi)置聚氨酯材料限制緩沖結(jié)構(gòu)的減振器更好的減振功能，可以將限制沖擊能量轉(zhuǎn)換為不可逆轉(zhuǎn)的熱，釋放到大氣中，減少振動(dòng)能量。

在物理結(jié)構(gòu)中，阻尼器的阻尼效果是由一系列固定節(jié)氣門和可變節(jié)氣門孔共同作用產(chǎn)生的，根據(jù)液壓限制緩沖結(jié)構(gòu)的工作原理，在限制緩沖結(jié)構(gòu)中，普通通孔的節(jié)氣門區(qū)域較小，可變節(jié)氣門孔的節(jié)氣門區(qū)域較大，兩者的液壓系統(tǒng)相同。等效液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖4 所示。相關(guān)分析表明，緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的附加阻尼力也與活塞的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。鐵路車輛發(fā)生大輪跳躍時(shí)，活塞接觸限制結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的制動(dòng)力，迅速增加阻尼器的阻尼力，使振動(dòng)衰減更快，減少車架和懸架之間的沖擊，提高軌道車輛的緩沖性能和乘客的乘坐感。

圖4 等效液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

為了能夠具有傳統(tǒng)減振器的優(yōu)良性能的同時(shí)，消除其存在的負(fù)面因素，以下性能成為主要突破點(diǎn)：優(yōu)異的黏溫性能是減振器油的重要工作性能，減振器油的黏度隨著溫度的升高和降低而升高和降低。如果黏度變化太大，油通過(guò)小孔的阻力也會(huì)有增有減，使減振非常不穩(wěn)定。減振衰減大，就要求減振器油具有良好的黏溫性能。低溫機(jī)動(dòng)性好，由于車輛的地理機(jī)動(dòng)性大，所以放在室外的情況很多，考慮到北方冬季天氣寒冷，要求減振器的機(jī)油傾點(diǎn)低于-40 ℃；優(yōu)異的極壓和抗磨損性能，能在減振器工作時(shí)有效潤(rùn)滑，保護(hù)減振器所有的工作部件，延長(zhǎng)其使用壽命?？寡趸阅軓?qiáng)，路況不好時(shí)，減振器油運(yùn)動(dòng)劇烈，此時(shí)行駛速度慢，減振器油溫會(huì)升到150 ℃，油溫會(huì)有升有降，氧化條件也比較苛刻。實(shí)際操作中，減振器損壞時(shí)往往需要更換減振器，很少拆下減振器換油，所以要求減振器油使用壽命長(zhǎng)。良好的耐腐蝕性和防銹性。與減振器接觸的金屬有鋼、銅、鉻、粉末冶金、鋅和鋁合金。減振器油接觸的金屬材料不可以腐蝕生銹。橡膠相容性好。防止密封材料與油品性能不匹配，導(dǎo)致老化漏油。優(yōu)異的抗泡沫和抗乳化性能。油乳化會(huì)導(dǎo)致阻尼特性降低，也是造成節(jié)流閥和卸荷閥損壞的主要原因。油中的空氣也是乳化的前提。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)研究法

該研究采用了文獻(xiàn)研究法，即根據(jù)軌道交通車輛使用減振裝置的課題，通過(guò)查閱相關(guān)國(guó)內(nèi)外期刊、會(huì)議報(bào)告和學(xué)術(shù)論文等渠道來(lái)獲取國(guó)內(nèi)外關(guān)于軌道車輛減振器問(wèn)題的現(xiàn)階段研究?jī)?nèi)容與研究成果，從而全面地、正確地了解關(guān)于軌道車輛減振器相關(guān)問(wèn)題。并且對(duì)該問(wèn)題的研究?jī)?nèi)容和研究成果進(jìn)行了全面分析，了解現(xiàn)如今每種方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其劣勢(shì)進(jìn)行討論與思考，在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展延伸以得到該項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)及完善點(diǎn)，從而形成了該文所述的軌道交通車輛用減振裝置。

1.2.2 定性研究法

該研究采用了定性研究法，即對(duì)研究對(duì)象—軌道交通車輛用減振裝置進(jìn)行“質(zhì)”的方面的分析。運(yùn)用歸納和演繹、分析與綜合以及抽象和概括等方法，對(duì)資料所述的液壓減振器及充氣減振器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行思維加工，從而能夠去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里、由淺入深，達(dá)到認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)、揭示內(nèi)在規(guī)律的目的，結(jié)合該方法研究出復(fù)合式軌道交通車輛用減振裝置。

1.2.3 描述性研究法

該研究所采用的是描述性研究法，即對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)如今關(guān)于軌道交通車輛用減振裝置所闡述的現(xiàn)象、規(guī)律和理論進(jìn)行揭示、敘述及解釋，并在解釋中定向的提出問(wèn)題、揭示弊端、描述現(xiàn)象從而介紹本作所提出的項(xiàng)目觀點(diǎn)，并提供理論依據(jù)，達(dá)到闡釋本作所述軌道交通車輛用減振裝置的目的。

2 創(chuàng)新特色

軌道交通車輛用減振裝置如圖 5、圖6 所示，其構(gòu)成包括底部支撐架、頂部連接架、固定筒和伸縮彈簧，所述底部支撐架下側(cè)面設(shè)置了車輪，且底部支撐架上側(cè)面設(shè)置了液壓伸縮桿，同時(shí)液壓伸縮桿下側(cè)面通過(guò)第一連接螺絲與底部支撐架相連接。頂部連接架設(shè)置在液壓伸縮桿上側(cè)面，且頂部連接架下側(cè)面通過(guò)第二連接螺絲與液壓伸縮桿上側(cè)面相連接，固定筒設(shè)置在底部支撐架上側(cè)面，且固定筒內(nèi)部設(shè)置了彈簧軸，同時(shí)彈簧軸上側(cè)面設(shè)置了支撐塊，支撐塊上側(cè)面設(shè)置有支撐桿，且支撐桿貫穿固定筒上側(cè)面。固定筒的內(nèi)徑大于彈簧軸的直徑[5]。伸縮彈簧設(shè)置在支撐塊的上側(cè)面，且伸縮彈簧分別設(shè)置在支撐桿左右兩側(cè)，同時(shí)支撐桿上側(cè)面設(shè)置了固定塊，固定塊上側(cè)面設(shè)置了連接板，且連接板分別設(shè)置在頂部連接架前后兩側(cè)，同時(shí)連接板通過(guò)固定螺桿與頂部連接架相連接。該裝置設(shè)置2 組伸縮彈簧。在軌道交通車輛上安裝該減振裝置，當(dāng)軌道交通車輛遇到顛簸時(shí)，彈簧軸會(huì)進(jìn)行伸縮緩沖，通過(guò)2 組伸縮彈簧對(duì)2 個(gè)支撐塊回升時(shí)起到緩沖限位作用，導(dǎo)致2 個(gè)支撐塊不容易出現(xiàn)快速上升的情況，從而使軌道交通車輛上的乘客不會(huì)感覺(jué)到較大顛簸感，出現(xiàn)不舒適的情況[6]。

圖5 裝置結(jié)構(gòu)圖

圖6 裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置的工作原理如下。在使用該軌道交通車輛用減振裝置時(shí)，通過(guò)讓支撐桿和上側(cè)連接板卡合在底部支撐架下側(cè)，再使用固定螺桿貫穿連接板，與頂部連接架相連接，使連接板與底部支撐架相連接。連接完成后，再使用第一連接螺絲將液壓伸縮桿下端與底部支撐架相連接，同時(shí)使用第二連接螺絲將液壓伸縮桿上端與頂部連接架相連接。連接完成后，便可使用。在軌道交通車輛行駛過(guò)程中遇到顛簸振動(dòng)時(shí)，通過(guò)支撐桿下端支撐塊在固定筒內(nèi)部向下移動(dòng)，此時(shí)彈簧軸開(kāi)始調(diào)節(jié)，頂部連接架得到緩沖，且在彈簧軸進(jìn)行伸展時(shí)，支撐塊向上移動(dòng)，通過(guò)伸縮彈簧的緩沖作用，使支撐塊向上移動(dòng)時(shí)得到緩沖，同時(shí)通過(guò)液壓伸縮桿的加固減振作用，使該軌道交通車輛的減振緩沖效果更好，乘坐該軌道交通車輛的乘客不會(huì)感覺(jué)到較大的顛簸感。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該軌道交通車輛使用減振裝置的優(yōu)點(diǎn)有以下2 點(diǎn)：1）軌道交通車輛上安裝該減振裝置設(shè)置了2組伸縮彈簧，在軌道交通車輛遇到顛簸時(shí)，彈簧軸會(huì)進(jìn)行伸縮緩沖，通過(guò)2 組伸縮彈簧對(duì)2 個(gè)支撐塊回升時(shí)起到緩沖限位的作用，使2 個(gè)支撐塊不會(huì)出現(xiàn)快速上升的情況，從而使軌道交通車輛上的乘客不會(huì)感到較強(qiáng)的顛簸感或出現(xiàn)傾倒的情況。2）該裝置設(shè)置了2 組液壓伸縮桿，在軌道交通車輛行駛途中遇到較大幅度的晃動(dòng)時(shí)，通過(guò)2 組液壓伸縮桿的伸縮緩沖作用，對(duì)軌道交通車輛進(jìn)行振動(dòng)緩沖，2 組液壓伸縮桿能夠起到很好的減振緩沖作用，從而起到保護(hù)作用[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

該文分別采用了文獻(xiàn)研究法、定性研究法和描述性研究法進(jìn)行研究分析，并對(duì)現(xiàn)有的幾種典型的減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和功能上的創(chuàng)新，通過(guò)研究使車輛運(yùn)行時(shí)更平穩(wěn)安全。

該文研究的軌道交通車輛所用的減振裝置，很好地解決了目前軌道交通車輛上減振系統(tǒng)的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了技術(shù)上的缺陷，提高了減振效果，進(jìn)一步提高了乘客乘坐車輛的舒適感和軌道車輛的使用壽命。