油壓減振器失效對單軌車輛運行穩(wěn)定性的影響

聶小芮

摘要：為了研究油壓減振器失效對跨座式單軌車輛運行平穩(wěn)性的影響，分析了單軌車輛減振器失效機理，建立了跨座式單軌車輛非線性多體動力學(xué)模型，分別計算并比較了不同數(shù)量油壓減振器失效時跨座式單軌車輛車體縱橫向加速度大小。結(jié)果表明：不同數(shù)量的油壓減振器失效均會使單軌車輛運行穩(wěn)定性降低。

關(guān)鍵詞：油壓減振器;失效;跨座式單軌;運行穩(wěn)定性

中圖分類號：U232;U270.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0031-02

0? 引言

油壓減振器是跨座式單軌車輛中央懸掛系統(tǒng)的必不可少的重要組成部分，與空氣彈簧、牽引橡膠堆、縱橫向止擋等一起傳遞載荷、衰減振動，其安裝在車體與構(gòu)架之間，為車輛提供二級減振，保證了單軌車輛的運行安全性和乘坐舒適性[1]。單軌車輛運行時，一旦懸掛系統(tǒng)出現(xiàn)故障，其整車的動力學(xué)性能將發(fā)生改變，大大降低了單軌車輛行車安全性和舒適性。

現(xiàn)有諸多研究主要集中在地鐵或高鐵車輛減振器失效對整車動力學(xué)性能的影響，對于單軌車輛的減振器失效對其運行穩(wěn)定性的影響方面研究較少。而由于單軌車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)緊湊，每個轉(zhuǎn)向架僅有2個油壓減振器呈45°對稱斜裝于車體和轉(zhuǎn)向架之間。若油壓減振器失效，將對單軌車輛運行平穩(wěn)性造成不可忽視的影響[2]。因此，本文以重慶軌道交通2號線單軌車輛為研究對象，采用多體動力學(xué)軟件建立跨座式單軌車輛非線性動力學(xué)模型及減振器動力學(xué)模型，分析不同位置及數(shù)量的油壓減振器失效對單軌車輛的運行穩(wěn)定性的影響并探究其規(guī)律。

1? 單軌車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型

1.1 減振器結(jié)構(gòu)及失效機理

跨座式單軌車輛油壓減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于單軌車輛油壓減振器，可能導(dǎo)致其失效的原因主要有兩個方面[3]。從摩擦與磨損的方面分析，其失效因素主要有工作缸內(nèi)壁與活塞反復(fù)摩擦導(dǎo)致工作缸出現(xiàn)嚴(yán)重磨損與劃痕;導(dǎo)向蓋出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和破損;活塞桿嚴(yán)重磨損，鍍鉻層脫落以及外部撞擊出現(xiàn)變形等。從密封和工作原理的方面來看，其失效因素主要是丁腈橡膠材質(zhì)的密封圈強度較低，在帶有一定壓力的油液的沖擊作用下逐漸老化，失去原有的密封作用，減振器隨即失去減振功能。本文考慮在減振器失效時，其減振功能完全喪失，阻尼為零，在此條件下，對跨座式單軌車輛運行穩(wěn)定性進行仿真分析。

1.2 整車模型

以重慶軌道交通2號線跨座式單軌車輛為研究對象，基于多體動力學(xué)理論，采用UM多體動力學(xué)軟件建立其動力學(xué)模型。該單軌車輛模型主要由1個車體、2個轉(zhuǎn)向架組成，車體和轉(zhuǎn)向架之間安裝有空氣彈簧、油壓減振器、橫向止擋等衰減車體與轉(zhuǎn)向架之間的振動。每個轉(zhuǎn)向架上均設(shè)置有2對走行輪輪對、2對導(dǎo)向輪輪對及1對穩(wěn)定輪輪對，走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪均采用橡膠輪胎，在傳遞整車動力的同時起到一系懸掛的作用，整車不設(shè)一系懸掛，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

該單軌車輛系統(tǒng)由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對等18個剛體組成，車體、轉(zhuǎn)向架各取6個自由度，即伸縮、橫移、浮沉、側(cè)滾、點頭、搖頭，輪胎取1個繞軸轉(zhuǎn)動的點頭自由度，整個車輛系統(tǒng)共38個自由度，垂向橫向具有強耦合作用，如表1所示。

對于該單軌車輛的多剛體系統(tǒng)，可以列出各剛體微分方程的矩陣形式如下：

2? 減振器失效對運行平穩(wěn)性的影響

2.1 車輛運行平穩(wěn)性評價指標(biāo)

目前國內(nèi)外還沒有建立跨座式單軌車輛運行平穩(wěn)性評價指標(biāo)，因此，本文采用鐵道車輛的Sprling舒適度指標(biāo)來評價單軌車輛的運行平穩(wěn)性，其計算公式如下[5]：

式中：W為平穩(wěn)性指標(biāo);A為車體振動加速度，g;f為振動頻率，Hz;F（f）為頻率修正系數(shù)。

2.2 減振器失效對橫向平穩(wěn)性的影響

在右轉(zhuǎn)彎時，左側(cè)減振器失效對平穩(wěn)性影響較大，因此考慮減振器的幾種失效工況如表2所示。

根據(jù)以上四種仿真工況，可以得到跨座式單軌車輛不同數(shù)量的減振器失效時車體的橫向加速度如圖3所示。

由圖3可以看出，在0～5秒、12～22秒和32～35秒時，車輛減振器失效對單軌車輛橫向穩(wěn)定性影響不大。這是由于當(dāng)二系油壓減振器失效時，穩(wěn)定輪和導(dǎo)向輪承擔(dān)一系懸掛的作用，在直線段和穩(wěn)定曲線段車體的受力較為平衡，其產(chǎn)生的阻尼力可以衰減由軌道不平順?biāo)a(chǎn)生和離心力所產(chǎn)生的車輛橫向振動。但在5～12秒及22～32秒，車輛處于過渡曲線段，整車受力變化較大，此時，當(dāng)減振器完全失效時，整車的橫向加速度波動最大，并在24秒左右達到峰值，其橫向加速度幾乎達到正常工況下的2倍。仿真結(jié)果表明，減振器失效幾乎不影響車輛在直線段和穩(wěn)定曲線段的橫向穩(wěn)定性，但是在進入穩(wěn)定曲線段和駛出穩(wěn)定曲線段時，減振器完全失效時對車輛橫向穩(wěn)定性的影響較大。

2.3 減振器失效對垂向平穩(wěn)性的影響

在不同數(shù)量減振器失效的工況下，跨座式單軌車輛車體的縱向加速度變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可以看出，單軌車輛垂向加速度隨著減振器失效數(shù)量的增多依次增高，當(dāng)所有減振器均失效時，車輛運行到24s左右，縱向加速度達到峰值，達到正常工況的3倍。需要指出的是，當(dāng)車輛未進入曲線段時，減振器失效工況與正常工況下的車輛縱向加速度變化相差不大，進入曲線段之后，在軌道的超高的作用下，車輛的縱向加速度變化增大。減振器失效工況下，車輛走行輪的一系減振作用無法及時衰減車輛的振動。特別是當(dāng)減振器完全失效，車輛處于工況四時，至仿真結(jié)束35秒，車輛垂向加速度仍未收斂至初始直線段狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，單軌車輛減振器失效會顯著增加車輛的縱向加速度，車輛的縱向加速度會隨著單軌車輛減振器失效的數(shù)量的增多而增加。

2.4 減振器失效對曲線通過性的影響

跨座式單軌車輛的曲線通過性能可以采用車身側(cè)傾角來表征，在不同數(shù)量減振器失效工況下，仿真得到的單軌車輛的車身側(cè)傾角如圖5所示。

由圖5可以看出，減振器失效對跨座式單軌車輛車身側(cè)傾角整體變化趨勢幾乎沒有影響，僅當(dāng)減振器全部失效時，在過渡曲線段車身側(cè)傾角的波動較正常工況下的大。仿真結(jié)果表明，油壓減振器失效對于車身側(cè)傾角的影響很小，當(dāng)減振器失效時不會明顯降低單軌車輛的曲線通過性能。

3? 結(jié)論

通過仿真分析，我們可以得到：每輛車失效1個、2個或3個減振器時，對單軌車輛橫向平穩(wěn)性影響不大，當(dāng)減振器全部失效時，車輛通過過渡曲線段的橫向加速度顯著增加。每輛車失效1個或2個減振器時，單軌車輛的縱向加速度變化不大，每輛車失效3個以上減振器時縱向加速度顯著增加。

參考文獻：

[1]杜子學(xué)，曹丹婷.跨座式單軌車輛空氣彈簧失效對行車安全性能的影響研究[J].機車電傳動，2016（05）：76-80.

[2]時蕾，宋慧娟.高速列車抗蛇行減振器故障分析[J].中國工程機械學(xué)報，2019，17（04）：350-355.

[3]蔣益平，池茂儒，朱海燕.不同位置橫向減振器失效對地鐵車輛動力學(xué)性能影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（10）：210-215.

[4]喬志.跨座式單軌交通車輛—軌道梁耦合系統(tǒng)動力問題研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2016.

[5]趙樹恩，劉淅，杜子學(xué)，等.側(cè)向風(fēng)作用下跨座式單軌車輛運行平穩(wěn)性研究[J].科技導(dǎo)報，2014，32（22）：42-46.