抗蛇行減振器溫變/頻變特性與車輛動力學(xué)性能關(guān)系

時 蕾，張龍華，吳興文，徐傳波，郭兆團(tuán)

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗室，四川 成都 610031)

0 引 言

鐵道車輛油壓減振器作為車輛系統(tǒng)重要懸掛部件之一，其主要作用就是吸收振動能量，衰減車輛振動，提高車輛動力學(xué)性能。油壓減振器工作介質(zhì)為耐磨抗壓液壓油，利用分子之間吸引力做負(fù)功產(chǎn)生阻尼力，將振動機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，一部分被油液吸收，一部分通過熱傳遞耗散出去。油溫直接影響減振器的阻尼特性，間接影響車輛動力學(xué)性能，故減振器溫變特性是高寒動車組設(shè)計研發(fā)所關(guān)心的問題之一。也有不少學(xué)者對鐵道車輛油壓減振器的阻尼特性展開研究，如文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[4]研究了減振器的的動態(tài)特性；文獻(xiàn)[5]綜述了汽車減振器的溫升帶來的弊端；文獻(xiàn)[6]基于MATLAB對減振器黏溫特性展開了研究；文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9]對減振器溫變特性展開了相關(guān)研究；文獻(xiàn)[10]對高鐵減振器低溫特性進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[11]研究了液壓阻尼孔的寬溫度范圍對其流動特性影響；文獻(xiàn)[12]研究了雙筒液壓減振器動態(tài)特性。

筆者主要選取了兩種鐵道車輛常用的不同類型結(jié)構(gòu)減振器進(jìn)行研究(一種為螺旋彈簧控制阻尼結(jié)構(gòu)，另一種為閥片控制阻尼結(jié)構(gòu))，從結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)，分析了溫度和頻率對這兩種結(jié)構(gòu)油壓減振器阻尼特性和動態(tài)特性的影響。

減振器動態(tài)特性不僅具有幅變特性，還具有頻變特性，如果再加上溫度影響，又具有一定溫變特性。且減振器在實(shí)際工作過程中，其幅值和頻率也是在時刻變化的，因此，筆者并未局限于靜態(tài)特性研究，選用了兩種不同結(jié)構(gòu)的常用減振器，綜合考慮了溫度對其動態(tài)剛度及動態(tài)阻尼的影響。另外，從理論和試驗角度分析了油液溫度對減振器本身的影響之后，通過SIMPACK建立高速車輛動力學(xué)模型，仿真分析了油液溫度對車輛動力學(xué)性能的影響，這為后期高寒動車組的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。

1 油壓減振器結(jié)構(gòu)和原理

1.1 閥片控制型結(jié)構(gòu)及原理

圖1為閥片控制型減振器結(jié)構(gòu)，其主要由球鉸總成、活塞桿總成、骨架密封、活塞總成、底閥總成、外缸總成等組成。其工作原理如下：

1球鉸總成;2活塞桿總成;3骨架密封;4活塞總成;5底閥總成;6外缸總成

1)當(dāng)減振器拉伸時，Ⅱ腔油液將拉伸面閥片頂開流入Ⅰ腔，油液頂開閥片的過程產(chǎn)生阻尼力。閥片總厚度越厚，油液越難頂開閥片，阻尼則就越大。同時，由于減振器產(chǎn)生拉伸動作，桿部分體積不再占據(jù)內(nèi)缸空間，使得儲油缸中的壓強(qiáng)大于壓力缸Ⅰ腔，在壓強(qiáng)作用下，Ⅲ腔油液補(bǔ)入到Ⅰ腔，完成一個拉伸循環(huán)，油液流向如圖2中實(shí)線箭頭方向。

圖2 閥片控制型減振器拉伸和壓縮原理

2)當(dāng)減振器向右壓縮時，Ⅰ腔油液受壓縮，Ⅰ腔一部分油液頂開壓縮面的閥片流向Ⅱ腔。同時，由于桿又占據(jù)了壓力缸一部分體積，另一部分油液頂開底閥上的閥片流向Ⅲ腔，完成一個壓縮循環(huán)。油液頂開壓縮面的閥片和頂開底閥上的閥片過程產(chǎn)生阻尼力，壓縮阻尼力大小由活塞壓縮面閥片總厚度及底閥面上閥片總厚度同時決定。

1.2 彈簧控制型結(jié)構(gòu)及原理

圖3為彈簧控制型減振器剖視結(jié)構(gòu)，其主要由球鉸總成、外缸總成、活塞及活塞桿總成、導(dǎo)向蓋總成、保護(hù)罩總成、底閥總成組成。其工作原理為：

1球鉸總成；2外缸總成；3活塞及活塞桿總成；4導(dǎo)向蓋總成；5保護(hù)罩總成；6底閥總成

1)當(dāng)減振器拉伸時，Ⅱ腔油液在壓強(qiáng)作用下，擠壓彈簧，通過拉伸阻尼閥流向Ⅰ腔。由于活塞桿有一部分移出壓力缸，不再占據(jù)壓力缸體積，導(dǎo)致壓力缸Ⅰ腔內(nèi)壓強(qiáng)小于儲油缸Ⅲ腔，儲油缸Ⅲ腔油液在壓強(qiáng)作用下頂開單向閥流入Ⅰ腔，來彌補(bǔ)體積的缺失，從而完成一個拉伸循環(huán)，拉伸油液流動方向如圖4中實(shí)線箭頭方向。阻尼力大小由彈簧預(yù)緊力控制，彈簧預(yù)緊力越大，油液越難頂開彈簧，阻尼則越大，故拉伸阻尼力大小由拉伸阻尼閥彈簧預(yù)緊力控制。

圖4 彈簧控制型減振器拉伸和壓縮原理

2)當(dāng)減振器壓縮時，壓縮腔Ⅰ腔油液在壓強(qiáng)作用下，一部分油液通過壓縮阻尼閥(與拉伸阻尼閥結(jié)構(gòu)一樣，呈相反布置)流入Ⅱ腔，由于活塞桿占據(jù)了壓力缸一部分體積，另一部分油液通過底閥上的阻尼閥流入儲油缸Ⅲ腔。油液流經(jīng)壓縮阻尼閥和底閥阻尼閥產(chǎn)生阻尼力，壓縮力大小由二者共同控制。

2 油壓減振器動態(tài)特性理論計算

隨著高速列車的逐漸發(fā)展，僅僅關(guān)注減振器的靜態(tài)特性已經(jīng)不能滿足高速動車組對減振器的要求，尤其對抗蛇行減振器的要求。后期應(yīng)當(dāng)多關(guān)注其動態(tài)阻尼特性，這一動態(tài)特性是隨著減振器幅值、頻率變化而變化的，具有一定幅變特性和頻變特性。

減振器動態(tài)模型可以簡化為一個阻尼單元和一個剛度單元的串聯(lián)，如圖5。

圖5 減振器動態(tài)特性計算模型

對活塞進(jìn)行受力分析：

(1)

式中：m為活塞單元質(zhì)量；k為球鉸總成等串聯(lián)剛度；c為減振器阻尼；x為減振器受到的振動位移激擾；ω為激擾頻率；A為激擾位移。

由于活塞質(zhì)量較輕，慣性可以忽略不計，故式(1)可以簡化為：

(2)

對式(2)進(jìn)行求解得：

(3)

其中相位角φ：

(4)

由式(3)可得減振器阻尼力F:

(5)

由式(5)可知減振器阻尼力幅值如式(6)：

(6)

由式(6)可得減振器動態(tài)剛度k：

(7)

由式(3)可知，減振器振動位移幅值為：

(8)

對式(7)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得：

(9)

因振動位移幅值A(chǔ)0和振動位移A均為已知，故相位角φ可通過式(9)求取得到。

由式(4)可得：

(10)

通過式(7)、式(9)、式(10)可以求得減振器的相位角、動態(tài)剛度和動態(tài)阻尼。

3 油壓減振器溫變及頻變特性試驗研究

為了研究鐵道車輛油壓減振器外界環(huán)境溫度對其本身阻尼特性以及動態(tài)特性的影響，選取了閥片控制阻尼型和螺旋彈簧控制阻尼型兩種典型結(jié)構(gòu)在某減振器性能試驗臺上進(jìn)行試驗。將這兩種結(jié)構(gòu)減振器分別置于-40、-10、0、20、70 ℃環(huán)境中，待24 h以后再進(jìn)行試驗。

試驗完成后，減振器動態(tài)剛度和動態(tài)阻尼由式(7)、式(10)進(jìn)行求取(可由MATLAB進(jìn)行批量處理)。

3.1 彈簧控制型減振器試驗研究

圖6為彈簧控制型減振器在幅值為0.8 mm、頻率為0.5 Hz下的示功圖，圖7為幅值為1.5 mm下動態(tài)阻尼隨溫度、頻率變化情況，圖8為幅值為1.5 mm下動態(tài)剛度隨溫度、頻率變化情況。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著油液溫度的升高，減振器吸收的能量(即橢圓面積)越來越小。這是因為減振器原理為利用油液分子之間吸引力做負(fù)功，將振動能轉(zhuǎn)化為油液內(nèi)能。油液黏度越大，分子間吸引力就越大。當(dāng)幅值和頻率相同情況下，黏度大的油液吸收的能量要比黏度小的油液多。隨著溫度增加，油液動力黏度逐漸減小，故導(dǎo)致減振器吸收的能量逐漸減小。且-40～0 ℃ 橢圓面積差比0～70 ℃ 面積差還要大，這說明低溫對減振器阻尼特性影響要大于高溫。這是因為低溫時，隨著溫度升高，油液動力黏度下降速度要大于高溫。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，減振器動態(tài)阻尼逐漸減小，這也是由油液黏度隨溫度升高而下降所導(dǎo)致。-40～0 ℃ 動態(tài)阻尼減小速度要大于0～70 ℃動態(tài)阻尼減小速度，這也說明低溫對動態(tài)阻尼影響要大于高溫，這是由于相對于高溫，油液黏度在低溫時下降更快。隨著頻率增加，動態(tài)阻尼呈先增加后減小趨勢，這是因為一開始減振器振動速度小，力比較小，力值大小無法頂開彈簧，油液全部從阻尼閥上的“常通孔”流走，減振器沒有“卸荷”。隨著頻率增加，阻尼力值越來越大，力值大小足夠頂開彈簧，油液全從阻尼孔流走，減振器達(dá)到“卸荷”狀態(tài)，阻尼力逐漸減小。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度增加，動態(tài)剛度逐漸減小。且-40～0 ℃動態(tài)剛度減小速度要大于0～70 ℃動態(tài)剛度減小速度，這說明低溫對動態(tài)阻尼影響要大于高溫。動態(tài)剛度的溫變特性也是由油液黏度特性所致。隨著頻率增加，動態(tài)剛度呈先增加后逐漸保持不變趨勢，也是因為減振器一開始沒有處于卸荷狀態(tài)，隨著頻率增加，減振器逐漸達(dá)到卸荷狀態(tài)。

圖6 0.8 mm幅值、0.5 Hz頻率工況下不同環(huán)境溫度對彈簧控制型減振器示功圖的影響

圖7 1.5 mm幅值下不同環(huán)境溫度對彈簧控制型減振器動態(tài)阻尼的影響

圖8 1.5 mm幅值下不同環(huán)境溫度對彈簧控制型減振器動態(tài)剛度的影響

3.2 閥片控制型減振器試驗研究

圖9為幅值為1 mm、頻率為1 Hz工況下減振器示功圖隨溫度變化的情況。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，減振器吸收的能量隨著溫度的升高逐漸減小，且低溫對其阻尼特性影響同樣大于高溫。從圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，閥片控制型減振器溫變特性及頻變特性與彈簧控制型減振器相同，唯一不同的是彈簧控制型低溫和高溫的溫變特性差別要比閥片控制型減振器大。這是由油液對溫度的敏感程度引起的，說明彈簧控制阻尼型所選用的油液對溫度更加敏感。同時，這也說明了，在高寒地區(qū)，需要選用對環(huán)境溫度相對不敏感的油液，否則減振器的高低溫性能相差太大，會對車輛動力學(xué)性能造成一定影響。

圖9 1 mm幅值、1 Hz頻率工況下不同環(huán)境溫度對閥片控制型減振器示功圖的影響

圖10 0.5 mm幅值下不同環(huán)境溫度對閥片控制型減振器動態(tài)剛度的影響

圖11 1 mm幅值下不同環(huán)境溫度對閥片控制型減振器動態(tài)阻尼的影響

4 油液溫度對車輛動力學(xué)性能的影響

為了研究抗蛇行減振器油液溫度對車輛動力學(xué)的影響，建立了我國某高速車輛動力學(xué)模型，仿真分析了油液溫度對車輛動力學(xué)的影響，車輛動力學(xué)模型如圖12。針對抗蛇行減振器油液溫度對車輛動力學(xué)性能的影響，筆者只選取穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行研究，其中安全性只選取脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)。

圖12 車輛動力學(xué)模型

圖13表示油壓溫度對車輛穩(wěn)定性的影響，圖14、圖15分別表示油液溫度對車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率的影響。從圖13可以發(fā)現(xiàn)，隨著油液溫度升高，車輛蛇行臨界速度逐漸減小，且低溫(小于0 ℃)對穩(wěn)定性影響明顯大于高溫(大于0 ℃)。油液溫度對脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)的影響較小，均遠(yuǎn)小于極限值0.8。

圖13 油液溫度對車輛穩(wěn)定性的影響

圖14 油液溫度對脫軌系數(shù)的影響

圖15 油液溫度對輪重減載率的影響

5 結(jié) 論

筆者主要以鐵道車輛常用的兩種減振器結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，不同于以往局限于僅對減振器靜態(tài)特性進(jìn)行研究?；跍p振器自身結(jié)構(gòu)及動態(tài)特性理論計算，綜合分析了環(huán)境溫度對兩種典型結(jié)構(gòu)減振器動態(tài)特性的影響；基于動力學(xué)軟件建立了SIMPACK模型，仿真分析了油液溫度對車輛動力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論：

1)隨著溫度的升高，兩種結(jié)構(gòu)減振器吸收的能量、動態(tài)阻尼、動態(tài)剛度均逐漸減小，這均是由油液動力黏度隨著溫度增加而減小所致。

2)隨著頻率增加，兩種結(jié)構(gòu)減振器動態(tài)剛度呈先增加后逐漸保持不變趨勢，動態(tài)阻尼呈先增加后減小趨勢。這均因為一開始頻率小，減振器未處于卸荷狀態(tài)，阻尼力值不足以頂開彈簧或者閥片，油液從常通孔流走，隨著頻率逐漸增加，阻尼力值逐漸增加，當(dāng)阻尼力值大到可以頂開閥片或者彈簧時，減振器就處于卸荷狀態(tài)了。

3)抗蛇行減振器油液溫度主要對車輛穩(wěn)定性有較大影響，對脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)安全性影響較小。

4)低溫對減振器動態(tài)阻尼、動態(tài)剛度、阻尼特性及車輛穩(wěn)定性影響大于高溫。