抗蛇行減振器低溫動(dòng)態(tài)特性對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

陳仕祺，池茂儒，代亮成

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展，城市人口的迅速增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通的建設(shè)步伐也隨之加速，運(yùn)行速度等級(jí)更高、承載能力更大的地鐵車(chē)輛成為必然。在我國(guó)北方，很多地鐵車(chē)輛都運(yùn)行于高寒地區(qū)，一年之中承受溫差可達(dá)80～90 ℃。高寒地區(qū)的低溫環(huán)境會(huì)使得轉(zhuǎn)向架輪軌接觸關(guān)系和懸掛系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生很大變化，這對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能提出了更高的要求［1］?？股咝袦p振器作為車(chē)輛關(guān)鍵懸掛元件之一，對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能具有重要的影響［2-4］。隨著運(yùn)行速度的提高，很多速度120、140 km/h的地鐵車(chē)輛均出現(xiàn)了蛇行穩(wěn)定性余量不足的問(wèn)題，也需要安裝抗蛇行減振器。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于懸掛元件在低溫環(huán)境下的性能研究較少，絕大多數(shù)對(duì)減振器性能的研究集中在常溫環(huán)境，著重研究溫升對(duì)減振器特性的影響。徐騰養(yǎng)等［5］研究了油液溫度對(duì)抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性和蛇行穩(wěn)定性的影響。郭孔輝等［6］提出了建立減振器熱—機(jī)耦合模型的思路和技術(shù)路線。吳國(guó)祥等［7］結(jié)合MATLAB 仿真分析了減振器溫升對(duì)車(chē)體及構(gòu)架垂向力的影響，對(duì)轉(zhuǎn)向架振動(dòng)水平與乘坐舒適性有較大影響。滕萬(wàn)秀等［8］基于懸掛元件低溫試驗(yàn)結(jié)果，建立高寒動(dòng)車(chē)組非線性動(dòng)力學(xué)仿真模型，為低溫環(huán)境下的高速動(dòng)車(chē)組懸掛參數(shù)使用范圍和動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)提供參考。門(mén)見(jiàn)強(qiáng)等［9］基于哈大線高速動(dòng)車(chē)組的跟蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了常溫、低溫以及故障工況下的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能。以上低溫環(huán)境的研究均未發(fā)現(xiàn)極限低溫下減振器的異?，F(xiàn)象，也并未研究極限低溫下減振器“無(wú)力”特性對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響。

王文林等［10］進(jìn)行了低溫環(huán)境下減振器的不帶節(jié)點(diǎn)靜態(tài)特性試驗(yàn)，指出了減振器在極限低溫下的示功圖缺陷，分析了減振器低溫靜態(tài)特性。靜態(tài)阻尼特性是指減振器在做低頻、大幅值運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出的阻尼特性［11］，只能反映減振器內(nèi)部阻尼閥的開(kāi)啟情況，不能反映減振器內(nèi)部油液的動(dòng)態(tài)特性，并且所做試驗(yàn)用減振器并未壓制橡膠節(jié)點(diǎn)，也無(wú)法反映串聯(lián)的節(jié)點(diǎn)橡膠剛度對(duì)減振器系統(tǒng)的影響。抗蛇行減振器的實(shí)際工作過(guò)程中多處于高頻、小幅值的狀態(tài)，行程多在1 mm 以?xún)?nèi)［12］。此時(shí)減振器內(nèi)部的油液及氣泡存在的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不可忽略，且減振器兩端橡膠節(jié)點(diǎn)也給系統(tǒng)的串聯(lián)剛度帶來(lái)很大的影響。因此，為了給車(chē)輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算提供準(zhǔn)確的參數(shù)輸入，進(jìn)而完整掌握抗蛇行減振器低溫特性對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響，對(duì)抗蛇行減振器在低溫下的動(dòng)態(tài)特性研究十分必要。

文中首先對(duì)抗蛇行減振器進(jìn)行低溫環(huán)境下的帶橡膠節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，分析抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)阻尼以及力—速曲線隨溫度的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上建立低溫環(huán)境下的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，研究抗蛇行減振器低溫動(dòng)態(tài)特性對(duì)地鐵車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。

1 抗蛇行減振器低溫動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

為了研究抗蛇行減振器在低溫環(huán)境下的動(dòng)態(tài)特性，在牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)。按照TB/T 1491—2015《機(jī)車(chē)車(chē)輛油壓減振器技術(shù)條件》［13］規(guī)定，將排氣完成的減振器在設(shè)置為相應(yīng)試驗(yàn)溫度的高低溫箱中保存24 h 以上，試驗(yàn)前不再進(jìn)行排氣。從高低溫箱取出后的5 min 內(nèi)完成試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備采用的是懸掛元件性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)SPTB100（如圖1 所示）和可程式高低溫箱（如圖2 所示）。分別在20、0、-20、-30、-35、-40 ℃進(jìn)行了試驗(yàn)，激勵(lì)幅值為0.5～3 mm，頻率為0.5～10 Hz。

圖1 懸掛元件性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)SPTB100

圖2 可程式高低溫試驗(yàn)箱

2 低溫環(huán)境抗蛇行減振器示功圖分析

通過(guò)對(duì)抗蛇行減振器進(jìn)行低溫環(huán)境動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，得到不同溫度下抗蛇行減振器示功圖曲線如圖3 所示。

圖3 低溫環(huán)境下減振器示功圖

對(duì)比激勵(lì)幅值為±0.5 mm 時(shí)不同溫度下抗蛇行減振器的示功圖可以看出，在20 ℃和0 ℃時(shí)，減振器的阻尼力變化不大，處于正常工作狀態(tài)。隨著溫度降低，阻尼力明顯增加，在-30 ℃時(shí)達(dá)到最大，在-35 ℃時(shí)阻尼力不再顯著增加，而溫度降至-40 ℃時(shí)，阻尼力驟減，幾乎不再提供阻尼力，出現(xiàn)“無(wú)力”現(xiàn)象。

出現(xiàn)這一現(xiàn)象的機(jī)理是：隨著溫度降低，油液的黏度不斷增加，減振器用液壓油的主要性能參數(shù)見(jiàn)表1，該液壓油黏度隨溫度變化的曲線如圖4所示。在減振器正常工作溫度區(qū)間內(nèi)，動(dòng)力黏度隨溫度變化不大，而超過(guò)-20 ℃后，油液動(dòng)力黏度隨溫度的降低呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在-30 ℃之前，黏度的增加導(dǎo)致阻尼力隨之增大；在-30 ℃之后，溫度繼續(xù)降低，黏度的急劇增加，使得油液流動(dòng)性持續(xù)變差，油液無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充拉伸腔/壓縮腔油液，導(dǎo)致拉伸腔/壓縮腔油液局部不足，在拉伸和壓縮過(guò)程中形成一定的空氣層，從而使得拉伸或壓縮過(guò)程中阻尼力明顯降低。在-35 ℃時(shí)，空行程的影響已經(jīng)存在，阻尼力相較于-30 ℃并沒(méi)有繼續(xù)增長(zhǎng)，而在-40 ℃時(shí)，空行程的存在已經(jīng)嚴(yán)重影響了減振器的拉伸和壓縮運(yùn)行，進(jìn)而出現(xiàn)了“無(wú)力”現(xiàn)象。

表1 減振器用液壓油主要參數(shù)表

圖4 減振器液壓油運(yùn)動(dòng)黏度的溫變特性

在幅值為2 mm時(shí)，可以更清楚地看到空行程的存在，-40 ℃激勵(lì)幅值2 mm 時(shí)減振器示功圖如圖5 所示。在-30 ℃時(shí)，阻尼力的最大值可以達(dá)到9 kN，而在-40 ℃時(shí)，在-1～1 mm的行程范圍內(nèi)，阻尼力均不超過(guò)1.5 kN；但是隨著繼續(xù)拉伸/壓縮，超過(guò)空氣層的范圍后，開(kāi)始拉伸/壓縮液壓油，阻尼力開(kāi)始急劇增加。進(jìn)一步驗(yàn)證了空行程的存在，且空行程只出現(xiàn)在極限低溫（-40 ℃）、小幅值動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中。這一現(xiàn)象和拉伸腔/壓縮腔存在氣泡有些相似，需要說(shuō)明的是，進(jìn)行低溫試驗(yàn)前，減振器已經(jīng)排凈壓力缸內(nèi)的空氣，在其他溫度的試驗(yàn)也不存在這一現(xiàn)象。低溫試驗(yàn)結(jié)束后，將減振器在常溫（20 ℃）下放置24 h后，重新進(jìn)行試驗(yàn)，性能恢復(fù)正常，可以確定空行程的產(chǎn)生是由于低溫導(dǎo)致，且在溫度上升后可以恢復(fù)正常。

圖5 -40 ℃激勵(lì)幅值2 mm 時(shí)減振器示功圖

3 低溫環(huán)境下減振器的動(dòng)態(tài)特性分析

3.1 動(dòng)態(tài)特性計(jì)算方法

在車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真中通常用Maxwell 模型來(lái)模擬減振器的力學(xué)特性。Maxwell 模型是一種將減振器抽象為剛度和阻尼串聯(lián)的簡(jiǎn)化模型，其中的剛度單元包含橡膠節(jié)點(diǎn)剛度和油液剛度。目前普遍采用歐洲液壓減振器標(biāo)準(zhǔn)［14］（EN 13802）計(jì)算減振器動(dòng)態(tài)特性。該算法基于Maxwell 模型推導(dǎo)而來(lái)，針對(duì)拉伸/壓縮位移曲線基本對(duì)稱(chēng)的減振器效果較好，要求示功圖必須規(guī)則均勻。

EN 13802 算法關(guān)于相位角φ的計(jì)算公式為式（1）～式（3）：

式中：Fe和Fc分別為一般取示功圖中拉伸力和壓縮力的極大值；d0為位移振幅；Cd為動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)；ω為激勵(lì)圓頻率。從公式（2）中可以看出，當(dāng)示功圖出現(xiàn)振動(dòng)、跳躍、缺陷時(shí)，并不能很好地反映動(dòng)態(tài)阻尼的實(shí)際情況，而在低溫環(huán)境下，由于“無(wú)力”現(xiàn)象的存在，減振器示功圖發(fā)生明顯變形，中間出現(xiàn)了空行程，此時(shí)采用EN 13802的方法計(jì)算動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)是不準(zhǔn)確的。

因此，計(jì)算低溫環(huán)境下的動(dòng)態(tài)特性，需要采用更為準(zhǔn)確的方法。面積法是利用液壓減振器做功消耗振動(dòng)能量的原理，在示功圖中，減振器耗散能量W即圍成區(qū)域的面積A，為式（4）～式（5）：

式中：S(t)為簡(jiǎn)諧激勵(lì)；ω為激勵(lì)圓頻率；F(t)為阻尼力；Cd為動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)；Smax為振動(dòng)幅值。

由式（5）可得，動(dòng)態(tài)阻尼率Cd為式（6）：

如圖6 所示，將減振器在-40 ℃在2 mm 振幅時(shí)得到的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用EN 13802 方法計(jì)算拉伸、壓縮和平均阻尼系數(shù)，并與采用面積法得到的等效阻尼系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以看出采用EN 13802 算法得到的拉伸、壓縮和平均阻尼系數(shù)均相差不大，明顯大于面積法求得的等效阻尼系數(shù)，面積法可以更準(zhǔn)確地反映此時(shí)的實(shí)際情況，因此文中的動(dòng)態(tài)阻尼計(jì)算均采用面積法。

圖6 -40 ℃激勵(lì)幅值2 mm 阻尼系數(shù)計(jì)算方法對(duì)比

3.2 動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼特性分析

根據(jù)抗蛇行減振器低溫特性試驗(yàn)結(jié)果，采用面積法計(jì)算等效動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)，采用EN 13802 方法計(jì)算平均動(dòng)態(tài)剛度，得到低溫環(huán)境下減振器的動(dòng)態(tài)阻尼和動(dòng)態(tài)剛度特性如圖7 所示。

圖7 1 mm 動(dòng)態(tài)阻尼和動(dòng)態(tài)剛度隨溫度變化曲線

由圖7（a）可見(jiàn)，在0 ℃時(shí)，減振器的動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)變化不大，處于正常工作狀態(tài)。而隨著溫度進(jìn)一步降低，減振器的阻尼力大幅增加，可以看到-20 ℃時(shí)，動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)不斷增加，在-35 ℃時(shí)達(dá)到最大，激振頻率為1 Hz 時(shí)增幅高達(dá)514.7%。而溫度繼續(xù)下降至-40 ℃時(shí)，由于空行程的存在，動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)急劇降低，相較于常溫工況降幅高達(dá)85.6%，說(shuō)明“無(wú)力”現(xiàn)象已經(jīng)導(dǎo)致減振器處于異常狀態(tài)，減振器消耗振動(dòng)能量的能力大幅降低。

由圖7（b）可見(jiàn)，在0 ℃時(shí)，減振器的動(dòng)態(tài)剛度變化不大。隨著溫度的進(jìn)一步降低，減振器的動(dòng)態(tài)剛度也隨之增加，在低頻（0.5～1 Hz）工況下-35 ℃時(shí)動(dòng)態(tài)剛度達(dá)到最大，在2～10 Hz 頻率下-30 ℃時(shí)動(dòng)態(tài)剛度達(dá)到最大值，在10 Hz 時(shí)相較于常溫的增幅高達(dá)42.9%。溫度下降至-40 ℃時(shí)，由于“無(wú)力”現(xiàn)象的存在，動(dòng)態(tài)剛度出現(xiàn)急劇下降，在10 Hz 時(shí)相較于常溫的降幅達(dá)78.4%。

需要指出的是，文中所做試驗(yàn)采用的是帶兩端橡膠節(jié)點(diǎn)的安裝方式，因此得到的動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼特性為包含橡膠節(jié)點(diǎn)的串聯(lián)系統(tǒng)特性。在低溫環(huán)境下，橡膠節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼會(huì)隨著溫度的降低而顯著增加［15］，因此系統(tǒng)的剛度和阻尼的增加是內(nèi)部油液和橡膠節(jié)點(diǎn)的復(fù)合作用?！盁o(wú)力”現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，空行程的存在使得系統(tǒng)串聯(lián)剛度和阻尼均大幅下降，此時(shí)對(duì)于串聯(lián)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，油液的空行程影響遠(yuǎn)大于兩端橡膠節(jié)點(diǎn)的剛度和阻尼增加的影響，起決定性作用。

3.3 抗蛇行減振器力—速曲線分析

根據(jù)抗蛇行減振器低溫特性試驗(yàn)結(jié)果，得到低溫環(huán)境下抗蛇行減振器的最大阻尼力—速度曲線，如圖8 所示。

圖8 低溫環(huán)境下抗蛇行減振器最大阻尼力—速度曲線

由圖8（a）可知，在激勵(lì)振幅為3 mm時(shí)，空行程的影響并不明顯。隨著溫度的降低，卸荷力變化不大，而卸荷速度明顯減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是減振器在低溫情況下，油液黏度增大，導(dǎo)致阻尼系數(shù)增加，而卸荷力由阻尼閥決定，不會(huì)有明顯變化，從而導(dǎo)致減振器卸荷速度的減小，卸荷點(diǎn)提前，更快地達(dá)到卸荷力，更早地出現(xiàn)卸荷狀態(tài)。

由圖8（b）可知，在激勵(lì)振幅較小時(shí)，在-40 ℃之前，隨著溫度的降低，減振器的阻尼力逐漸增加，在-35 ℃達(dá)到最大，相較于常溫增幅高達(dá)39.5%。而當(dāng)溫度下降到-40 ℃時(shí)，減振器的阻尼力急劇減小，出現(xiàn)了“無(wú)力”現(xiàn)象，阻尼力下降至0.6 kN，幾乎處于失效狀態(tài)。

這說(shuō)明“無(wú)力”現(xiàn)象在-40 ℃極限低溫環(huán)境、小幅值、小振動(dòng)速度的情況下會(huì)對(duì)減振器力—速曲線造成明顯影響，當(dāng)溫度高于-40 ℃時(shí)，油液可以正常流動(dòng)，減振器會(huì)更快進(jìn)入卸荷狀態(tài)。

4 抗蛇行減振器低溫動(dòng)態(tài)特性對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響

4.1 參數(shù)提取

抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)剛度原始值為10 MN/m，結(jié)合減振器低溫動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，確定抗蛇行減振器模型的動(dòng)態(tài)剛度在0、-20、-30、-35、-40 ℃環(huán)境下的增幅分別為：5%、10%、43%、19%、-79%。

通常進(jìn)行車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算時(shí)，只根據(jù)減振器的靜態(tài)特性輸入卸荷速度點(diǎn)，對(duì)減振器卸荷前的軟特性進(jìn)行了線性化處理，而試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的低溫環(huán)境下由于過(guò)油不暢導(dǎo)致的“無(wú)力”現(xiàn)象恰好發(fā)生在卸荷速度之前。并且“無(wú)力”現(xiàn)象的空行程較小，只對(duì)小幅值工況下影響顯著，如果采用傳統(tǒng)的力—速曲線輸入方式，不能表征在卸荷前減振器的非線性特征以及“無(wú)力”現(xiàn)象。

因此，為了準(zhǔn)確反映抗蛇行減振器在低溫環(huán)境下的動(dòng)態(tài)特性，并為低溫環(huán)境下車(chē)輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算提供準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)，對(duì)于減振器卸荷前的力—速曲線參數(shù)的選取需要綜合考慮卸荷前后、小幅值和大幅值對(duì)應(yīng)的力—速曲線。選取幅值為0.5 mm 和1 mm的部分力—速曲線作為卸荷前的輸入，選取幅值為2 mm 和3 mm的部分力—速曲線作為卸荷后的輸入。最終的力—速曲線輸入如圖9 所示，這樣可以表征減振器在小幅值 “無(wú)力”現(xiàn)象的同時(shí)，也能體現(xiàn)在低溫下隨著振幅增加，超出空行程范圍后，阻尼力會(huì)大幅增加的特性。

圖9 抗蛇行減振器力—速曲線輸入

在低溫環(huán)境下，除抗蛇行減振器以外，還有一系列懸掛元件的性能會(huì)受環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化，包括空氣彈簧、轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)以及其他液壓減振器等。其中抗蛇行減振器對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能有顯著影響，因此文中以速度140 km/h的A 型城軌車(chē)輛為研究對(duì)象，建立其車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型如圖10所示，該模型采用CN60 鋼軌和LM 踏面，除抗蛇行減振器外，其他懸掛元件參數(shù)保持不變。以此來(lái)研究低溫環(huán)境下抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響。

圖10 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

4.2 對(duì)車(chē)輛臨界速度的影響

車(chē)輛系統(tǒng)的蛇行穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的固有屬性，是決定車(chē)輛能否高速運(yùn)行的關(guān)鍵因素，為了保證車(chē)輛在所有速度下都不發(fā)生蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象，文中計(jì)算了非線性臨界速度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該轉(zhuǎn)向架車(chē)輛應(yīng)能實(shí)現(xiàn)140 km/h的最高運(yùn)行速度，考慮25%的安全裕量，所評(píng)估車(chē)輛的臨界速度不能低于180 km/h。計(jì)算不同溫度下車(chē)輛的臨界速度，如圖11 所示。

圖11 低溫環(huán)境下車(chē)輛臨界速度

從圖11 中可以看出，隨著溫度的降低，車(chē)輛的臨界速度不斷增加，在-30 ℃達(dá)到367.5 km/h，在-40 ℃時(shí)出現(xiàn)大幅下降，相比較于常溫狀態(tài)下降了31.4%，臨界速度只有207.5 km/h。而經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)抗蛇行減振器失效時(shí)，車(chē)輛的臨界速度為187.5 km/h，這說(shuō)明當(dāng)減振器處于“無(wú)力”現(xiàn)象時(shí)，抗蛇行減振器幾乎處于失效狀態(tài)，對(duì)車(chē)輛的穩(wěn)定性造成極大影響。

4.3 對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響

車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性主要是針對(duì)客車(chē)上旅客的乘坐舒適度、貨車(chē)上裝運(yùn)貨物的完整性而制定的評(píng)價(jià)車(chē)體隨機(jī)振動(dòng)的指標(biāo)，評(píng)價(jià)車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)主要參考車(chē)體上規(guī)定位置的振動(dòng)加速度。為了反映車(chē)輛的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在仿真時(shí)，施加了美國(guó)五級(jí)譜軌道激勵(lì)，計(jì)算車(chē)輛在直線上以20～180 km/h 運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)，提取前后轉(zhuǎn)向架中心位置上方橫向1 mm 處地板面的加速度值，對(duì)抗蛇行減振器低溫動(dòng)態(tài)特性影響下的車(chē)體平穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖12 所示。

圖12 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨溫度變化曲線

由圖12 可得，隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的增加，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸增大。在常溫下180 km/h 速度范圍內(nèi)平穩(wěn)性指標(biāo)沒(méi)超過(guò)GB/T 5599—2019［16］規(guī)定的限度2.5。在-20 ℃之前，各溫度下的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)變化不大。隨著溫度繼續(xù)降低，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸減小，-30 ℃時(shí)，各速度下的橫向平穩(wěn)性達(dá)到最好。在-35 ℃時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有所上升，當(dāng)溫度降低至-40 ℃時(shí)，各速度下的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)急劇上升，在140 km/h 時(shí)就超出了限度，180 km/h 時(shí)已經(jīng)達(dá)到3.12，這說(shuō)明“無(wú)力”現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛橫向平穩(wěn)性惡化。

4.4 對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響

車(chē)輛的曲線通過(guò)能力關(guān)乎車(chē)輛的運(yùn)行安全性，為了研究低溫下抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響，取線路曲線半徑R500 m、曲線超高90 mm、運(yùn)行速度20～80 km/h 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖13 所示。

圖13 車(chē)輛曲線通過(guò)性能指標(biāo)

從圖13 可以看出，在曲線限速范圍內(nèi)，各項(xiàng)安全性指標(biāo)均隨著溫度的降低而增大，-30 ℃時(shí)達(dá)到最大。隨后，各項(xiàng)安全性指標(biāo)均有所減小。雖然在限速范圍內(nèi)，各項(xiàng)指標(biāo)均未超過(guò)UIC 518 及GB/T 5599—2019 規(guī)定的限定值。但是-30 ℃時(shí)車(chē)輛的輪軸橫向力、磨耗指數(shù)、脫軌系數(shù)明顯惡化，相較于常溫下的增幅分別為41.1%、45.4%和31.6%。這說(shuō)明隨著溫度的降低，車(chē)輛的曲線通過(guò)性能明顯變差。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)抗蛇行減振器低溫動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，隨著溫度降低，阻尼力明顯增加，在-30 ℃時(shí)阻尼力達(dá)到最大，在-35 ℃時(shí)阻尼力不再顯著增加，而溫度降至-40 ℃時(shí)，阻尼力驟減，幾乎不再提供阻尼力，出現(xiàn)“無(wú)力”現(xiàn)象。

（2）“無(wú)力”現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是：當(dāng)溫度低于-30 ℃，油液黏度急劇增加，流動(dòng)性變差，無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充拉伸腔/壓縮腔油液，導(dǎo)致拉伸腔和壓縮腔油液局部不足，在拉伸和壓縮過(guò)程中形成一定的空氣層，從而使得拉伸或壓縮過(guò)程中阻尼力明顯降低。在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中空行程的長(zhǎng)度約為±1 mm，所以當(dāng)減振器處于小幅值、小振動(dòng)速度的情況時(shí)，會(huì)對(duì)減振器動(dòng)態(tài)特性造成明顯影響，動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼出現(xiàn)急劇下降，減振器已處于異常狀態(tài)，減振耗能的能力大幅降低。

（3）在低溫環(huán)境下，隨著溫度的降低，車(chē)輛的蛇行穩(wěn)定性和橫向平穩(wěn)性變好，臨界速度不斷增加，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸減??；車(chē)輛的曲線通過(guò)性能變差，車(chē)輛的部分安全性指標(biāo)明顯變差。在-30 ℃時(shí)，車(chē)輛的非線性臨界速度達(dá)到367.5 km/h，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)也達(dá)到最佳，但是車(chē)輛的輪軸橫向力、磨耗指數(shù)、脫軌系數(shù)明顯惡化。當(dāng)溫度降低至-40 ℃時(shí)，“無(wú)力”現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致車(chē)輛的臨界速度大幅下降，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)急劇上升，抗蛇行減振器幾乎處于失效狀態(tài)，對(duì)車(chē)輛的穩(wěn)定性和橫向平穩(wěn)性造成極大影響。因此，需要特別注意低溫下抗蛇行減振器的參數(shù)設(shè)置和油液選型。