基于重載貨車緩沖器速度特性的力學(xué)模型研究

王學(xué)龍，張軍

（大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028）

0 引言

隨著我國(guó)改革不斷深入和經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)發(fā)展，以多樣化、高時(shí)效為特征的重載運(yùn)輸需求急劇增長(zhǎng)。目前，在有限的重載線路上，重載貨車行車密度已接近極限，為保障貨運(yùn)量和貨運(yùn)效率，開(kāi)放更加長(zhǎng)大的列車成為必然選擇。但是隨著列車長(zhǎng)度和質(zhì)量的不斷增加，列車受到的縱向沖動(dòng)更為劇烈，受載情況更為復(fù)雜，導(dǎo)致列車在制動(dòng)和牽引過(guò)程中問(wèn)題頻發(fā)，多次出現(xiàn)車鉤斷裂事故，嚴(yán)重危及行車安全。因此，對(duì)緩沖器性能進(jìn)行研究刻不容緩。

Tanasoiu等[1]通過(guò)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，對(duì)緩沖器的靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了相應(yīng)的研究。Olshevskiy等[2]對(duì)原有摩擦式緩沖器的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)，利用數(shù)值模擬技術(shù)建立了調(diào)車沖擊仿真模型，并研究了不同工況對(duì)緩沖器特性參數(shù)的影響。龍銘等[3]以HM-1型、MT-2型緩沖器為研究對(duì)象，采用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件仿真了不同沖擊速度的沖擊試驗(yàn)，并分析了緩沖器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。楊俊杰等[4]利用緩沖器數(shù)學(xué)模型對(duì)MT-2型摩擦式緩沖器和DFC-E100彈性體式緩沖器的特性進(jìn)行了對(duì)比分析，并給出緩沖器最大阻抗力、緩沖器行程及初始?jí)毫Φ汝P(guān)鍵參數(shù)的確定方法。魏偉等[5]通過(guò)大量緩沖器試驗(yàn)結(jié)果，反求緩沖器的剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)，獲得緩沖器阻抗表達(dá)式，從而能夠應(yīng)用到列車縱向動(dòng)力學(xué)計(jì)算當(dāng)中。朱紅偉等[6]基于MT-2型緩沖器，通過(guò)改變緩沖器局部特性曲線，分析了在快捷貨車緊急制動(dòng)和調(diào)車沖擊工況下緩沖器特性對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響。張軍等[7]通過(guò)對(duì)HM-1型重載列車緩沖器進(jìn)行力學(xué)分析，建立了HM-1型緩沖器模型，開(kāi)發(fā)出界面式HM-1型緩沖器仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，為緩沖器緩沖機(jī)理及列車縱向沖動(dòng)機(jī)理研究提供有效的工具。

本文通過(guò)MT-2型緩沖器的落錘試驗(yàn)，得到了緩沖器壓縮量及壓縮速度與緩沖器阻抗特性之間的關(guān)系，進(jìn)而建立緩沖器阻抗特性數(shù)據(jù)庫(kù)，利用二維曲面模型對(duì)緩沖器特性進(jìn)行描述，為縱向動(dòng)力學(xué)的研究提供了新的途徑。

1 緩沖器工作原理

緩沖器是鉤緩裝置的重要組成部分，其性能直接影響著車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性。緩沖器在工作過(guò)程中借助彈性元件來(lái)起到緩和車輛沖擊的作用，同時(shí)在彈性元件壓縮變形的過(guò)程中利用阻尼和摩擦來(lái)消耗和吸收車輛之間產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，從而達(dá)到避免列車結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸貨物遭受損壞、提高列車運(yùn)行安全平穩(wěn)性的目的。以MT-2型緩沖器為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MT-2型緩沖器立體結(jié)構(gòu)圖

緩沖器的工作過(guò)程分為壓縮和回彈兩個(gè)過(guò)程，其中可分為4個(gè)階段：第1階段，緩沖器開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)，前從動(dòng)板頂?shù)街行男▔K，但未頂?shù)絼?dòng)板；第2階段，緩沖器繼續(xù)壓縮，前從動(dòng)板頂?shù)絼?dòng)板并和中心楔塊一起壓縮；第3階段，緩沖器壓縮量達(dá)到最大行程，彈簧座頂?shù)叫▔K一起回彈，但未碰到動(dòng)板；第4階段，緩沖器繼續(xù)回彈，彈簧座頂?shù)絼?dòng)板并和楔塊一起回彈。

2 落錘試驗(yàn)

本落錘試驗(yàn)在12 t錘重的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，沖擊高度從12.77 mm（近似為0）到353.57 mm（緩沖器最大容量）。沖擊結(jié)果的緩沖器壓縮量-阻抗曲線如圖2所示。

圖2 MT-2型緩沖器落錘試驗(yàn)曲線

從圖2中可以看出，MT-2型緩沖器的落錘試驗(yàn)特性曲線有以下特點(diǎn)：1）在加載段，阻抗力隨壓縮量的增大而呈波浪式增大；2）隨著落錘高度的不斷增加，該緩沖器的最大壓縮量和最大阻抗力也隨之增大；3）當(dāng)該緩沖器的壓縮量即將達(dá)到最大行程時(shí)，其阻抗力在短時(shí)間內(nèi)急劇衰減；4）該緩沖器在落錘試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中其壓縮量和阻抗并未形成一條封閉的曲線。

3 建立緩沖器速度力學(xué)模型

在對(duì)MT-2型緩沖器進(jìn)行落錘試驗(yàn)時(shí)，以落錘的下落方向?yàn)檎较?，采用整體法對(duì)緩沖器進(jìn)行受力分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略落錘在下落過(guò)程中受到的空氣阻力及外部干擾，得出落錘試驗(yàn)力學(xué)微分方程為

式中：m為落錘質(zhì)量，kg；x¨為緩沖器壓縮加速度，m/s2；g為重力加速度，m/s2；Fg為緩沖器阻抗力，kN。

落錘與緩沖器接觸的瞬間速度為v0，然后由動(dòng)力學(xué)公式推導(dǎo)出緩沖器壓縮速度計(jì)算公式為

式中：v為緩沖器壓縮速度，m/s；v0為自由落體結(jié)束時(shí)的落錘速度，m/s；x為緩沖器壓縮位移，m。

緩沖器在加載過(guò)程中阻抗力隨壓縮量變化的趨勢(shì)較為復(fù)雜，并且由于落錘沒(méi)有完全卸載，所以未形成封閉曲線。加載段壓縮速度整體會(huì)呈現(xiàn)先增至峰值、再減小到0的變化趨勢(shì)，由于達(dá)到峰值時(shí)間較短，同時(shí)考慮到模型簡(jiǎn)化，假設(shè)壓縮速度直接達(dá)到最大值，壓縮速度的假設(shè)用自由落體公式進(jìn)行矯正，在壓縮量未達(dá)到最大且用自由落體公式無(wú)法矯正時(shí)，壓縮速度按線性假設(shè)至最大壓縮量對(duì)應(yīng)為0，以錘高150.28 mm為例，如圖3所示。

圖3 緩沖器實(shí)測(cè)阻抗、壓縮量與假設(shè)壓縮速度

由于落錘試驗(yàn)并沒(méi)有完全卸載，故卸載段均按照沖擊試驗(yàn)的卸載曲線進(jìn)行假設(shè)，按沖擊試驗(yàn)卸載回彈段的平均斜率線性修正[8]。將緩沖器的落錘實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為壓縮和回彈2個(gè)過(guò)程分別處理。將壓縮過(guò)程的壓縮量分成86段，每段間隔1 mm；壓縮速度分成6段，每段間隔0.5 m/s。將回彈過(guò)程的壓縮量也分成86段，每段間隔1 mm；回彈時(shí)，壓縮速度分成0～1.5 m/s共5段。壓縮量和壓縮速度的等值線相互交叉構(gòu)成了網(wǎng)格，網(wǎng)格相交處構(gòu)成了結(jié)點(diǎn)。每個(gè)阻抗數(shù)據(jù)，根據(jù)壓縮量和壓縮速度建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

MT-2型緩沖器的阻抗特性數(shù)據(jù)庫(kù)的加載段和卸載段數(shù)據(jù)以圖像形式表示，如圖4 和圖5所示。

圖4 加載段緩沖器阻抗特性

圖5 卸載段緩沖器阻抗特性

從圖4 中加載段緩沖器阻抗特性網(wǎng)格曲面中依然可以較清晰地看出，緩沖器的3 個(gè)加載區(qū)段，在相同的壓縮量下，阻抗隨壓縮速度的降低而略微升高。阻抗特性數(shù)據(jù)庫(kù)可隨著新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的加入而不斷擴(kuò)容至足夠龐大，曲面尖峰也會(huì)得到相應(yīng)的平滑。從圖5中卸載段緩沖器阻抗特性網(wǎng)格曲面中可以看出，隨著壓縮量和壓縮速度的增加，緩沖器在卸載時(shí)阻抗值呈現(xiàn)出先驟減、后逐漸平穩(wěn)降至0。

4 模型有效性驗(yàn)證

應(yīng)用Fortran語(yǔ)言開(kāi)發(fā)MT-2型緩沖器力學(xué)特性數(shù)據(jù)庫(kù)模型的程序，建立利用落錘試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的程序?qū)崿F(xiàn)方法。將壓縮量與壓縮速度作為輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)格化數(shù)據(jù)庫(kù)模型對(duì)落錘試驗(yàn)的仿真。當(dāng)外部程序需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算緩沖器的阻抗時(shí)，主程序讀取壓縮量和壓縮速度2個(gè)參數(shù)，子程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中線性插值出該輸入量所對(duì)應(yīng)的阻抗力并反饋給主程序，其流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

不同落錘高度下落錘試驗(yàn)與緩沖器速度模型仿真曲線對(duì)比如圖7所示。

圖7 緩沖器落錘仿真曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比

從仿真預(yù)試驗(yàn)對(duì)比的定量結(jié)果來(lái)看，在不同落錘高度下，緩沖器的最大行程和最大阻抗值大致相同，緩沖器模型的仿真結(jié)果均較好地模擬了試驗(yàn)曲線。將基于速度特性的緩沖器模型仿真結(jié)果最大阻抗和最大壓縮量與落錘試驗(yàn)最大阻抗與最大壓縮量進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 緩沖器模型阻抗與壓縮量極值的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表1可知：緩沖器模型的車輛落錘試驗(yàn)仿真結(jié)果的最大阻抗與落錘試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果相差2.23%～13.83%；仿真與試驗(yàn)緩沖器最大壓縮量相差0.42%～4.11%。由此可見(jiàn)，仿真結(jié)果很好地描述了落錘試驗(yàn)緩沖器阻抗及壓縮量極值的規(guī)律性。

5 結(jié)論

1）將緩沖器落錘試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)阻抗與壓縮量及壓縮速度的定量關(guān)系歸納并建立緩沖器阻抗特性數(shù)據(jù)庫(kù)的方法是可行的。

2）緩沖器模型的落錘試驗(yàn)仿真結(jié)果的最大阻抗與落錘試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果誤差小于14%，仿真與試驗(yàn)緩沖器最大壓縮量誤差小于5%。

3）依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的二維曲面形式的緩沖器模型能夠較好地反映落錘試驗(yàn)特性曲線的所有特點(diǎn)，可以真實(shí)地模擬緩沖器的動(dòng)態(tài)特性。