某型抗蛇行減振器力學(xué)特性試驗(yàn)研究

文敬涵，曾京

某型抗蛇行減振器力學(xué)特性試驗(yàn)研究

文敬涵，曾京

（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）

針對(duì)應(yīng)用于我國(guó)動(dòng)車組上的某型抗蛇行減振器，利用減振器性能試驗(yàn)臺(tái)，在常溫環(huán)境條件下進(jìn)行泄漏試驗(yàn)和力學(xué)特性試驗(yàn)。通過泄漏試驗(yàn)檢驗(yàn)抗蛇行減振器密封性能。力學(xué)特性試驗(yàn)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)；靜態(tài)特性試驗(yàn)驗(yàn)證抗蛇行減振器靜態(tài)特性包括阻尼力－速度和阻尼力－位移特性；動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)測(cè)試抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，輸出不同幅值及不同頻率下減振器的動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼。減振器試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)結(jié)束后均無(wú)漏油現(xiàn)象，滿足技術(shù)要求。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明了抗蛇行減振器力學(xué)特性研究的重要性。

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組；抗蛇行減振器；力學(xué)特性試驗(yàn)

為避免車輛發(fā)生周期蛇行運(yùn)動(dòng)從而引發(fā)車輪與鋼軌碰撞，高速動(dòng)車組安裝有二系縱向減振器，也稱作抗蛇行減振器。由于抗蛇行減振器在抑制車輛蛇行運(yùn)動(dòng)、提高車輛臨界速度及乘坐舒適度方面發(fā)揮著重要作用，現(xiàn)已成為高速列車的關(guān)鍵懸掛元件之一。研究抗蛇行減振器的力學(xué)特性，首先可以檢驗(yàn)其是否符合標(biāo)準(zhǔn)，以確保其安裝后車輛的安全性；其次對(duì)車輛的參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定幫助意義；最后對(duì)于改善車輛的動(dòng)力學(xué)性能具有重要的經(jīng)濟(jì)和安全意義。

有關(guān)抗蛇行減振器的研究很多。秦震等[1]研究了減振器特性參數(shù)對(duì)高速動(dòng)車組臨界速度的影響；曾京等[2]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；韓辰辰等[3]研究了低溫狀態(tài)對(duì)抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性的影響；崔澤安等[4]建立高速列車動(dòng)力學(xué)模型，從各個(gè)方面分析抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；朱海燕等[5]分析了新、舊抗蛇行減振器在不同安裝長(zhǎng)度時(shí)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性差異等。

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室搭建有減振器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)為Damper測(cè)試模塊，控制系統(tǒng)為MTS（Mechanical Test and Simulation，機(jī)械試驗(yàn)與模擬），驅(qū)動(dòng)裝置為液壓伺服驅(qū)動(dòng)裝置。本次試驗(yàn)所采用的對(duì)象是動(dòng)車組上使用的某型抗蛇行減振器，試驗(yàn)按照TB/T 1491－2015[6]、EN13802-2013[7]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定進(jìn)行。將被試驗(yàn)減振器放置于與試驗(yàn)溫度相同的常規(guī)大氣壓環(huán)境（17～23℃）里至少24 h。減振器特性試驗(yàn)包括動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)及靜態(tài)特性試驗(yàn)。靜態(tài)特性試驗(yàn)可驗(yàn)證抗蛇行減振器是否合格；動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于仿真。

圖1 減振器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

液壓伺服系統(tǒng)采用全套美國(guó)進(jìn)口的MTS液壓站、伺服激振控制器、10 t作動(dòng)器，滿足各種減振器性能試驗(yàn)的加載需要。作動(dòng)器內(nèi)部安裝了力和位移作動(dòng)器，可測(cè)得減振器的阻尼力和激勵(lì)位移的時(shí)間歷程，并輸出到MTS系統(tǒng)中相應(yīng)的采集模塊[5]，減振器的靜態(tài)特性數(shù)據(jù)輸出后可直接輸入到origin中，可直接得到靜態(tài)特性曲線。動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)無(wú)法直接輸出，需要輸出測(cè)試得到的文本，導(dǎo)入編好的MATLAB程序中處理得到該減振器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，最后在origin中進(jìn)行繪制，即可得到動(dòng)態(tài)特性曲線。

1 抗蛇行減振器泄露試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該抗蛇行減振器密封性能，首先進(jìn)行泄露試驗(yàn)。調(diào)節(jié)減振器為車輛上的實(shí)際安裝位置；調(diào)節(jié)減振器長(zhǎng)度為名義長(zhǎng)度；試驗(yàn)行程為工作行程的75%；速度采用減振器名義速度；運(yùn)行20個(gè)完整周期后拆下減振器防塵罩，檢查有無(wú)油液滲漏。并且減振器在阻尼性能試驗(yàn)后需橫放24 h，觀察是否有油液泄露。經(jīng)試驗(yàn)，該減振器密封良好無(wú)泄漏。

2 抗蛇行減振器靜態(tài)特性試驗(yàn)

當(dāng)減振器的結(jié)構(gòu)剛度和液體剛度產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)影響被忽略，所表現(xiàn)出的特性被稱為減振器的靜態(tài)阻尼特性。靜態(tài)阻尼特性是在減振器做低頻、大幅值運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行5個(gè)周期的完整循環(huán)，采集第4和第5周期數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，試驗(yàn)工況設(shè)定為25 mm，加載速度取0.005 m/s、0.01 m/s、0.015 m/s、0.02 m/s、0.025 m/s、0.03 m/s、0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s。

根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，在名義速度下，阻尼不對(duì)稱率須小于10%，減振器示功圖曲線連續(xù)有規(guī)律，沒有振蕩、跳躍等突然改變。該減振器靜態(tài)特性數(shù)據(jù)如表1所示?？梢娎炝Γ瓑嚎s力不對(duì)稱率均小于10%，符合要求。

表1 抗蛇行減振器靜態(tài)特性數(shù)據(jù)

抗蛇行減振器靜態(tài)阻尼特性示功圖如圖2所示。當(dāng)振動(dòng)速度較小時(shí)，減振器示功圖是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)橢圓；隨著速度的增加，示功圖面積增大，減振器的阻尼力幅值當(dāng)速度增大到一定程度后，阻尼力幅值趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)檎駝?dòng)速度較大時(shí)，減振器阻尼力達(dá)到卸荷力，速度增加阻尼力最大值只有微小增加。

圖2 抗蛇行減振器靜態(tài)阻尼特性示功圖

抗蛇行減振器靜態(tài)阻尼特性曲線如圖3所示。首先將生產(chǎn)時(shí)廠家提供的試驗(yàn)曲線與試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得結(jié)果所繪制的曲線進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩條曲線高度重合，證明試驗(yàn)臺(tái)以及本試驗(yàn)的可靠性。其次從曲線中可以看出，靜態(tài)特性具有分段性。當(dāng)振動(dòng)速度接近零時(shí)，曲線的斜率非常大；而當(dāng)振動(dòng)速度絕對(duì)值變大（＞0.005 m/s）后，靜態(tài)阻尼特性曲線變得平緩，此時(shí)減振器卸荷閥已經(jīng)開啟。

3 抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

抗蛇行減振器在實(shí)際的工作狀態(tài)下，除了靜態(tài)特性外，還會(huì)表現(xiàn)出較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)考慮抗蛇行減振器橡膠接頭剛度和液體剛度影響時(shí)，這種特性稱為動(dòng)態(tài)阻尼特性。將抗蛇行減振器安裝在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，激勵(lì)幅值分別為0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、4 mm，在各個(gè)激勵(lì)幅值下，在頻率0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、3 Hz、4 Hz、5 Hz、6 Hz、7 Hz、8 Hz、9 Hz、10 Hz處均設(shè)置一個(gè)工況。在各動(dòng)態(tài)試驗(yàn)工況下運(yùn)行5個(gè)完整循環(huán)，采集后3個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)，得出動(dòng)態(tài)剛度和阻尼隨頻率的變化規(guī)律。

圖3 抗蛇行減振器靜態(tài)阻尼特性曲線

3.1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)示功圖分析

不同激勵(lì)幅值下的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)示功圖（-）如圖4所示。可以看出，減振器動(dòng)態(tài)特性示功圖為一偏轉(zhuǎn)橢圓；試驗(yàn)過程中由于誤差的存在，示功圖并沒有表現(xiàn)出完美的對(duì)稱性，但規(guī)律性依舊存在。在相同激勵(lì)幅值下，激勵(lì)頻率變大的過程中示功圖的面積也在不斷變大；同時(shí)相位角變大，示功圖的偏轉(zhuǎn)程度加劇。當(dāng)激勵(lì)頻率增大到一定程度后，減振器發(fā)生卸荷，幅值平穩(wěn)不再變化，偏轉(zhuǎn)橢圓的偏轉(zhuǎn)程度也不再變化。

不同激勵(lì)頻率下的示功圖如圖5所示，可以看出，和圖4規(guī)律類似，在相同激勵(lì)頻率下，激勵(lì)幅值增大，示功圖面積不斷增加；但幅值的改變不會(huì)影響偏轉(zhuǎn)角度[9]。

3.2 動(dòng)態(tài)阻尼特性試驗(yàn)研究

該減振器的動(dòng)態(tài)阻尼試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可以看出動(dòng)態(tài)阻尼值變化范圍很大，說(shuō)明其受到激勵(lì)頻率和激勵(lì)幅值很大的影響。

將表2數(shù)據(jù)繪制為曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，在低頻區(qū)域，減振器處于非卸荷狀態(tài)，頻率稍微變大后，阻尼曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；隨著頻率繼續(xù)增大，阻尼力增大，抗蛇行減振器的卸荷閥雖然依舊未開啟，但其他溢流閥開啟，使動(dòng)態(tài)阻尼增加速率變慢，直至阻尼值呈現(xiàn)出慢慢減小的現(xiàn)象。在高頻區(qū)域，卸荷閥開啟，阻尼力達(dá)到卸荷力，由于動(dòng)態(tài)阻尼反比于激勵(lì)頻率[10]，所以頻率增加、動(dòng)態(tài)阻尼減小。激勵(lì)幅值越大，隨著頻率的增大，阻尼力越快達(dá)到卸荷力。因此，動(dòng)態(tài)阻尼峰值所對(duì)應(yīng)的頻率隨著幅值增加，向左移動(dòng)；當(dāng)激勵(lì)幅值達(dá)到一定程度后（＞1.50 mm），動(dòng)態(tài)阻尼曲線隨頻率增大而減小，不再有上升趨勢(shì)。在激勵(lì)幅值較小的工況中（＜1.00 mm），當(dāng)激勵(lì)頻率達(dá)到最大時(shí)，不同于高激勵(lì)幅值工況，減振器的卸荷閥依舊未開啟，動(dòng)態(tài)阻尼沒有到大幅減小的階段。

動(dòng)態(tài)阻尼隨幅值變化的特性曲線如圖7所示。在幅值較小時(shí)，減振器卸荷閥未打開，振幅增加、動(dòng)態(tài)阻尼增大。隨著幅值慢慢變大，此時(shí)卸荷閥還未開啟，但其他溢流閥已經(jīng)開啟，動(dòng)態(tài)阻尼增加速率開始變得緩慢，而后開始減?。辉诟叻祬^(qū)域，減振器卸荷閥開啟，而動(dòng)態(tài)阻尼反比于激勵(lì)幅值的平方[10]，所以動(dòng)態(tài)阻尼隨著振幅增加不斷下降。在激勵(lì)頻率越低的工況中，減振器卸荷越晚，甚至激勵(lì)幅值增長(zhǎng)到最大時(shí)，減振器依舊沒有工作在卸荷區(qū)域，因此在高幅值區(qū)域，激勵(lì)頻率越低的工況下動(dòng)態(tài)阻尼值越大；在各個(gè)工況下，動(dòng)態(tài)阻尼的峰值所對(duì)應(yīng)的幅值隨著頻率增加，向左移動(dòng)。

3.3 動(dòng)態(tài)剛度特性試驗(yàn)研究

該減振器的動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可以看出，其受到激勵(lì)頻率和激勵(lì)幅值很大影響。

表2 抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)阻尼試驗(yàn)結(jié)果

圖6 抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)阻尼頻變特性曲線

圖7 抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)阻尼幅變特性曲線

表3 抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)態(tài)剛度隨激勵(lì)頻率變化的特性曲線如圖8所示。抗蛇行減振器處于激勵(lì)低頻區(qū)域時(shí)，減振器處于非卸荷狀態(tài)，阻尼力較小，此時(shí)動(dòng)態(tài)剛度隨頻率的增大而增大；頻率增大到一定程度后，減振器卸荷閥開啟，動(dòng)態(tài)剛度隨頻率的增大而緩慢增長(zhǎng)，直至趨于穩(wěn)定不變。激勵(lì)幅值越高，減振器越容易出現(xiàn)卸荷現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)剛度越快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)幅值較高時(shí)（＞1.5 mm）減振器卸荷早，幅值過低時(shí)（0.25 mm）激勵(lì)速度小，兩種情況下減振器動(dòng)態(tài)剛度都較小，反而在激勵(lì)幅值較小時(shí)（＜1.0 mm）可以達(dá)到較高的動(dòng)態(tài)剛度。

圖8 抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)剛度頻變特性曲線

動(dòng)態(tài)剛度隨激勵(lì)幅值變化的特性曲線如圖9所示。和動(dòng)態(tài)阻尼類似，低幅值時(shí)，抗蛇行減振器工作在非卸荷區(qū)域，動(dòng)態(tài)剛度隨幅值的增大而增大。高幅值區(qū)域，減振器卸荷閥開啟，阻尼力幅值趨于穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)剛度隨幅值的增大而減小。和動(dòng)態(tài)阻尼一樣，動(dòng)態(tài)剛度的峰值所對(duì)應(yīng)的幅值隨著頻率的增加，向左移動(dòng)。當(dāng)頻率較小時(shí)（＜1 Hz），直至幅值增大到最大，激勵(lì)速度依舊較低，減振器工作在非卸荷區(qū)域，沒有表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)特性，因此在高幅值區(qū)域動(dòng)態(tài)剛度沒有降低，始終維持在較低水平。

4 結(jié)論

通過搭建抗蛇行減振器力學(xué)特性試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。得到以下結(jié)論：

（1）該型抗蛇行減振器無(wú)泄漏且試驗(yàn)指標(biāo)均在限值范圍內(nèi)，滿足技術(shù)要求；

（2）減振器的靜態(tài)特性受激勵(lì)幅值與激勵(lì)頻率影響較小，因?yàn)槠浞磻?yīng)的是減振器內(nèi)部的固有特性，可以用來(lái)證明試驗(yàn)的可靠性；

（3）動(dòng)態(tài)特性的表現(xiàn)要比靜態(tài)特性復(fù)雜，激勵(lì)頻率與激勵(lì)幅值對(duì)其影響非常大；

（4）靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都是抗蛇行減振器的重要特性，設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考量。

圖9 抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)剛度幅變特性曲線

[1]秦震，周素霞，孫晨龍，等. 減振器特性參數(shù)對(duì)高速動(dòng)車組臨界速度的影響研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53（6）：138-144.

[2]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（2）：94-98.

[3]韓辰辰，曾京，石懷龍，等. 關(guān)于低溫狀態(tài)下高速動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性的研究[J]. 機(jī)械，2019，46（7）：6-10，54.

[4]崔澤安，徐騰養(yǎng)，鄔平波. 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[J]. 機(jī)械，2018，45（2）：1-5.

[5]朱海燕，徐騰養(yǎng)，池茂儒. 高速列車抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2018（6）：12-17.

[6]國(guó)家鐵路局. 機(jī)車車輛油壓減振器：TB/T 1491－2015[S]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2016.

[7]歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì). 鐵路應(yīng)用－彈簧單元－液壓減振器：BS EN13802-2013[S]. 2013.

[8]歐紅波. 抗蛇行減振器特性試驗(yàn)及對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2016.

[9]楊東曉. 鐵道車輛抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2015.

Characteristics Experiment Research on Mechanical Performance of an Anti-Yaw Damper

WEN Jinghan，ZENG Jing

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

Through the mechanical properties test of anti-yaw dampers produced by a certain company and used in the EMUS of our country, the leakage test and mechanical characteristic test were carried out by using the anti-yaw damper performance test rig under normal temperature environment. Check the sealing performance of anti-yaw damper by leakage test; Mechanical properties test is divided into static and dynamic properties test. Static characteristics of the anti-yaw damper are verified by static characteristics test, including damping force- velocity and damping force-displacement characteristics. The dynamic characteristic test tests the dynamic characteristic parameters of the anti-yaw damper, outputs the dynamic stiffness and dynamic damping at different amplitudes and frequencies. There is no oil leakage during and after the test, which meets the technical requirements. The test results show that the anti-yaw damper has obvious amplitude and frequency variation characteristics, the impact must be considered when designing.

standard EMUS；anti-yaw damper；characteristics experiment on mechanical performance

U260.331+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.09.001

1006-0316 (2022) 09-0001-06

2022-03-01

國(guó)家自然科學(xué)基金：高速列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)耦合振動(dòng)機(jī)理與主動(dòng)減振技術(shù)研究（U1934202）

文敬涵（1998－），女，遼寧鞍山人，碩士，主要研究方向?yàn)樯咝羞\(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，E-mail：18742542070@163.com；曾京（1963－），男，湖南漣源人，博士，教授，主要研究方向?yàn)楦咚倭熊囅到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)、車輛系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)，E-mail：zeng@swjtu.edu.cn。