高速動車組動力學性能與一系垂向減振器故障關(guān)系研究

劉志遠，徐騰養(yǎng)，杜召彬，郭兆團，徐小毛

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學院城市軌道交通系，河南鄭州450000；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031；3.鄭州職業(yè)技術(shù)學院軟件工程系，河南鄭州450000）

一系垂向減振器一般垂直安裝于轉(zhuǎn)向架軸箱與構(gòu)架之間，一般一個轉(zhuǎn)向架安裝4 個一系垂向減振器，主要作用是衰減輪對與軸箱之間的振動，尤其是衰減轉(zhuǎn)向架的點頭運動。轉(zhuǎn)向架點頭運動如果不加以衰減吸收，會造成輪對增減載劇烈，增大車輛脫軌風險，并且安裝于構(gòu)架上的設(shè)備也會因為過度劇烈振動而使得壽命大大減少。同時，車輛運行平穩(wěn)性能也會下降，乘客乘坐舒適性也會受到影響［1］。因此，一系垂向減振器在車輛懸掛系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用。

由于減振器不僅關(guān)系到乘坐舒適性，還涉及行車安全，如抗蛇行減振器，故國內(nèi)外有不少學者對減振器展開研究。黃先富等［2］以我國某地鐵城市一次實際一系垂向減振器故障為例，分析了此次一系垂向減振器失效的原因，并提出了相關(guān)整改措施。楊亮亮等［3］分析了一系垂向減振器與車輛穩(wěn)定性及平穩(wěn)性之間的關(guān)系。南嶺等［4］、徐傳波等［5］分析了一系垂向減振器與動力學性能之間的關(guān)系。徐騰養(yǎng)等［6］、歐紅波［7］、黃彩虹等［8］、汪群生等［9］也分別以抗蛇行減振器為例，從不同角度分析了抗蛇行減振器與車輛動力學性能之間的關(guān)系。本文以我國某高速動車組為例，對該動車組用一系垂向減振器結(jié)構(gòu)及原理進行分析，從結(jié)構(gòu)上分析了一系垂向減振器可能存在發(fā)生故障的原因，并基于動力學軟件SIMPACK 仿真分析了一系垂向減振器基于這些因素導致全部失效、對車輛動力學性能產(chǎn)生的影響。

1 一系垂向減振器結(jié)構(gòu)分析

該高速動車組一系垂向減振器為雙向流動式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 該高速車輛一系垂向減振器結(jié)構(gòu)Fig.1 Primary damper structure of the high-speed vehicle

圖1 中，底閥總成、活塞總成上安裝有阻尼閥，油液流經(jīng)阻尼閥小孔，油液分子吸引力做負工產(chǎn)生阻尼力，即“小孔節(jié)流”。氣囊總成內(nèi)部充滿空氣，主要是為了阻止空氣和油液直接接觸，避免油液產(chǎn)生乳化現(xiàn)象。導向蓋總成上具有多層動密封和靜密封，主要作用是使減振器沿軸向進行拉伸和壓縮，動密封主要作用是防止減振器在存在相對運動的活塞桿處漏油，靜密封主要作用是防止油液從外缸處漏油。球鉸總成主要作用為緩沖，另外，在外界壓力作用下，當減振器產(chǎn)生偏離軸向運動時，球鉸總成的橡膠部分也可以吸收該部分偏離，減少減振器活塞與內(nèi)缸之間的磨損。

該一系垂向減振器拉伸原理：當活塞桿向右拉伸，圖1 中II 腔油液受壓縮，油液在外界壓力下，經(jīng)活塞總成流向I腔；由于活塞桿右移，其一部分體積離開減振器腔體，在壓強作用下，使得III 腔內(nèi)的油液經(jīng)底閥總成補向I 腔內(nèi)，以免造成油液局部空層現(xiàn)象。由于III 腔內(nèi)一部分油液補向了I 腔，氣囊總成內(nèi)部含有空氣，在壓強作用下，氣囊膨脹以彌補III內(nèi)油液的缺失。其壓縮原理為：當活塞桿向左壓縮時，I 腔內(nèi)油液受壓縮，I 腔內(nèi)一部分油液經(jīng)底閥總成流向III 腔，一部分經(jīng)活塞總成流向II 腔。由于III 腔內(nèi)油液增加，在壓強作用下，氣囊總成內(nèi)部空氣被壓縮，氣囊體積減小。

基于上述結(jié)構(gòu)及原理分析，以下幾種情況可能造成減振器發(fā)生故障：①導向蓋與活塞桿之間動密封磨損嚴重，油液從活塞桿處泄露，導致減振器失效；②外缸處O 型圈靜密封老化失效或損傷，油液從外缸處泄露，導致減振器失效；③氣囊破裂，空氣進入高壓缸，油液嚴重乳化，導致減振器失效；④底閥總成上回油裝置發(fā)生故障，導致減振器失效；⑤球鉸總成的橡膠部分和金屬部分硫化脫落，導致減振器失效。

2 一系垂向減振器失效對車輛穩(wěn)定性影響

本文從結(jié)構(gòu)上分析了一系垂向減振器存在的潛在失效原因，基于動力學軟件SIMPACK 建立了我國某高速列車動力學模型，如圖2 所示，仿真分析了一系垂向減振器全部發(fā)生故障后對車輛動力學性能影響。

圖2 該高速車輛動力學模型Fig.2 Dynamic model of the high-speed vehicle

該高速列車在車輛正常情況下和一系垂向減振器全部失效情況下的車輛蛇行臨界速度如圖3和圖4 所示。從圖3 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)，2 種工況下的蛇行臨界速度均為425 km/h，這說明一系垂向減振器對車輛穩(wěn)定性影響不大。

圖3 車輛正常情況下臨界速度Fig.3 Vehicle critical speed of under normal conditions

圖4 一系垂向減振器失效工況下臨界速度Fig.4 Critical velocity of primary damper under failure conditions

3 一系垂向減振器失效對車輛平穩(wěn)性影響

圖5~圖7 分別表示一系垂向減振器全部失效后，對車輛橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適性的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當一系垂向減振器全部失效后，橫向平穩(wěn)性有輕微變差，垂向平穩(wěn)性和乘坐舒適性有大幅度變差。這說明了一系垂向減振器對橫向平穩(wěn)性影響較小，對垂向平穩(wěn)性及乘坐舒適性影響較大。

圖5 一系垂向減振器失效對車輛橫向平穩(wěn)性影響Fig.5 Effect of the failure of primary damper on vehicle lateral stationarity

圖6 一系垂向減振器失效對車輛垂向平穩(wěn)性影響Fig.6 Effect of the failure of primary damper on vehicle vertical stationarity

圖7 一系垂向減振器失效對乘坐舒適性影響Fig.7 Effect of the failure of primary damper on riding comfort

4 一系垂向減振器全部失效對車輛安全性影響

圖8~圖11 分別表示一系垂向減振器全部失效后，對車輛輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全性指標影響。圖中可以發(fā)現(xiàn)，一系垂向減振器全部失效后，輪軸橫向力變化不大，輪軌垂向力、輪重減載率相對有一定變差，脫軌系數(shù)也略有增加。

圖8 一系垂向減振器失效對輪軸橫向力影響Fig.8 Effect of the failure of primary damper on wheel/axle lateral force

圖9 一系垂向減振器失效對輪軌垂向力影響Fig.9 Effect of the failure of primary damper on wheel rail vertical force

圖10 一系垂向減振器失效對脫軌系數(shù)影響Fig.10 Effect of the failure of primary damper on derailment coefficient

圖11 一系垂向減振器失效對輪重減載率影響Fig.11 Effect of the failure of primary damper on wheel load reduction rate

5 結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)上分析了我國某高速動車組一系垂向減振器結(jié)構(gòu)和原理，從結(jié)構(gòu)上分析了一系垂向減振器潛在失效的因素，并基于動力學軟件SIMPACK 建立了我國某高速動車組模型，研究了一系垂向減振器在全部失效情況下，對車輛穩(wěn)定性、平穩(wěn)性及舒適性、安全性等動力學指標影響。具體結(jié)論如下：①一系垂向減振器存在多種因素使得減振器發(fā)生失效故障，主要因素還是動密封失效、靜密封失效導致減振器產(chǎn)生漏油，因此，在一系減振器設(shè)計過程中，在密封設(shè)計以及密封材料選型上應(yīng)當加以注意，選擇耐磨性好、跟隨性好、耐高溫的材料。②當一系垂向減振器全部失效后，車輛穩(wěn)定性變化基本沒太大變化，即一系垂向減振器對車輛穩(wěn)定性影響不大。③當一系垂向減振器全部失效后，車輛垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適性有顯著變差，對車輛橫向平穩(wěn)性影響較小。④當一系垂向減振器全部失效后，車輛安全性也有輕微變差，主要對輪軌垂向力、輪重減載率有一定影響。