機車車輛油壓減振器性能試驗臺精度及功能分析

于兆華

（中國鐵道科學研究院 標準計量研究所，北京100081）

機車車輛油壓減振器（以下簡稱減振器）作為轉向架的關鍵部件，能夠吸收和緩沖各種沖擊、振動、提高機車車輛運行平穩性和舒適度，特別是隨著列車運行速度提高，油壓減振器的作用就更加重要，目前鐵路上運用的和諧系列機車及CRH系列動車組上使用的減振器，種類和數量相比以前的普通機車及客車均有明顯的提高。

減振器性能的可靠和穩定，需要通過試驗臺來檢驗，目前油壓減振器性能試驗臺領域較為混亂：A企業生產的試驗臺檢驗合格的減振器在B企業的試驗臺檢驗，結果為不合格；C企業生產的試驗臺能夠檢驗垂向減振器、橫向減振器、抗蛇行減振器等，而D企業生產的試驗臺只能檢測某一類減振器或者某類減振器中的某些型號減振器等問題的現象屢見不鮮。因此，若能夠提出一套完善的試驗臺精度指標及功能指標，規范油壓減振器性能試驗臺，對保證減振器的穩定質量，具有十分重要的意義。

1 性能試驗臺精度要求現狀

目前機車車輛油壓減振器性能試驗臺的設計和制造，能夠依據的標準是TB／T 2229-2004《機車車輛油壓減振器試驗臺技術條件》，除該標準外，油壓減振器性能試驗臺還依據標準EN 13802：2005《鐵路應用-彈簧單元-液壓減振器》，這個標準是減振器標準，不過對油壓減振器性能試驗臺的精度也有要求。這兩個標準是目前減振器性能試驗臺所能夠依據的檢驗和驗收標準。

（1）TB／T 2229-2004對試驗臺的要求

試驗臺測試阻尼力范圍宜為0～30kN；

試驗速度調整范圍宜為0.01～0.5m／s；

載荷的測試誤差不大于名義值的±1%；

位移測試誤差不大于±1mm；

速度測試誤差不大于名義值的±5%。

（2）EN 13802：2005對試驗臺的要求

載荷的測試誤差不大于±250N；

位移測試誤差不大于±1mm；

速度測試誤差不大于名義值的±5%；

頻率測試誤差不大于±0.01Hz。

試驗臺激勵方式為諧波振動，試驗速度與試驗位移應滿足v=v0sinωt的要求。

由于TB／T 2229-2004是依據當時在鐵路系統內部使用較為廣泛的J95型油壓減振器試驗臺制定的，隨著這些年試驗臺技術的進步和減振器性能要求的提高，出現了許多新型試驗臺，如液壓伺服式試驗臺、伺服電機式試驗臺等。上述兩個標準對于減振器的精度要求，均無法很好的滿足減振器性能測試要求。

2 性能試驗臺精度及量程要求的提升建議

（1）性能試驗臺載荷精度及阻尼力要求

油壓減振器性能試驗臺的最大阻尼力及載荷精度應該能夠涵蓋目前鐵路上使用的主型減振器測試需求。目前鐵路上使用的主要減振器種類主要有垂向減振器、橫向減振器、抗蛇行減振器等。筆者匯總減振器的參數見表1。

表1 主型減振器性能參數表

從表1可以看出，目前主型減振器的名義阻尼力范圍跨度較大，試驗臺的載荷精度若按照“誤差不大于±250N”，則精度嚴重不滿足小阻尼力減振器的測試需求。如果"載荷的測試誤差不大于名義值的±1%"，就要求試驗臺需要根據不同的減振器選配量程和精度合適的載荷傳感器，這樣能夠保證減振器測試結果的準確性。

減振器性能試驗臺目前基本上都是按照最大阻尼30kN設計，從表1看，應該能夠滿足主型減振器的測試需求。但這種設計面臨這樣一個問題，目前和諧系列機車以及CRH型動車組用減振器，對減振器的性能測試，不僅考核減振器的常溫性能，也要考核減振器的高溫性能和低溫性能。低溫性能測試時，名義阻尼力在20kN以上的減振器，阻尼力常有可能達到30kN甚至到40kN，目前國內大多數減振器性能試驗臺都滿足不了大阻尼減振器的低溫測試需求。因此建議減振器試驗臺設計企業設計試驗臺時，將試驗臺的最大阻尼測試能力提高到50kN。

（2）性能試驗臺位移、速度要求

減振器性能測試原理是使試驗臺產生一定速度的正弦激勵，帶動隨同試驗臺運動的減振器產生阻尼力，在這個測試過程中，試驗臺的驅動速度是影響阻尼力唯一直接因素。試驗臺驅動速度表達方式為v=v0sinωt=v0sin（2πf），式中v為正弦激勵的瞬時速度；v0為正弦激勵的最大速度；ω為圓頻率；f為頻率。對于目前廣泛使用的試驗臺來說（無論是機械式試驗臺還是液壓伺服式試驗臺，無論是開環控制試驗臺還是閉環式試驗臺），速度參數是一個換算物理量，無法直接進行控制，是由公式v=A′=（A0cosωt）′=2πfA0sin（2πf）進行換算得出的，式中A和A0是正弦激勵的瞬時位移和最大位移。實際上目前對試驗臺的速度精度控制，都是通過對位移精度控制得到的。但試驗臺標準TB／T 2229-2004以及減振器標準EN 13802：2005對試驗臺位移和速度的精度要求，都無法很好的滿足減振器測試需要。以目前鐵路主型和諧機車和動車組用減振器測試為例，垂向減振器以及橫向減振器測試時位移振幅要求基本上是25mm，抗蛇行減振器測試振幅要求為12.5mm，若位移公差要求±1mm，則試驗臺的實際位移誤差見表2。

表2 試驗臺位移誤差表

由于速度是通過位移函數求導得到的，假定試驗臺的頻率固定不變，則位移的偏差也就是速度的偏差，從表2可以看出，若試驗時采用最大位移為12.5mm進行減振器測試，在滿足標準要求的情況下，兩試驗臺的最大速度誤差最大將達到16%，若采用最大位移25 mm試驗，兩試驗臺的最大速度偏差將達到8%。對于同一個減振器，其阻尼力和試驗速度成正比，這也導致同一個減振器，在兩個試驗臺上測試，可能出現的結果偏差最大為16%和8%。在減振器標準TB／T 1491-2004中，對減振器阻尼力的公差要求是（F+15%-10%為名義阻尼力），兩臺設備對同一減振器測試，出現不同判定結果的幾率很大。

筆者認為試驗臺的位移精度按照載荷的精度要求，控制位移精度為名義值的±1%更為合理。

3 性能試驗臺應具有的功能分析

減振器性能試驗臺是為減振器性能測試服務的，因此試驗臺能夠具備豐富的測試功能及輔助功能，不僅能夠提高測試效率，更重要的是能夠提高試驗臺的數據準確性和為研發提供有力保障。筆者認為性能試驗臺應具備如下功能：

（1）便捷的標定和傳感器管理窗口

減振器性能試驗臺作為檢驗設備，必然要按照國家相關程序和要求進行檢定或校準。然而作為特殊的檢驗設備，為了更好的滿足測試精度需求，需要配置不同的載荷傳感器以便于提高試驗臺的測試精度，如果試驗臺具有便捷的標定和傳感器管理窗口，則可以提高試驗臺的標定效率，同時便于傳感器的更換管理。

（2）測試參數自檢驗能力

對于減振器性能試驗臺來說，最主要的參數有兩個，即載荷參數（即阻尼力）和速度參數（速度參數通過位移參數間接得到），測試過程中，確保采集得到的載荷參數和速度參數真實可靠是保證測量結果正確的關鍵因素。

對于載荷參數，目前主要的控制手段是通過靜態標定表征其動態性能，從實際經驗來說，這種手段對減振器性能測試影響不大；

而對于速度參數，一方面該參數是通過控制位移間接得到，位移滿足正弦激勵的要求，但速度并不一定完全符合正弦激勵要求（見圖1及圖2）。從圖1位移曲線看，似乎減振器性能試驗臺的輸出激勵符合要求，但通過對采集得到的位移數據分析，轉換為速度曲線（圖2）可以看出，試驗臺的速度激勵最大為0.41m／s，根本不滿足0.5m／s測試速度要求，并且激勵曲線也不滿足正弦曲線要求。

圖1 性能試驗位移曲線

圖2 性能試驗速度曲線

另一方面受試驗臺結構影響（見圖3），試驗臺上安裝的位移傳感器測量得到的位移L1不僅包含減振器實際位移L2，也包含測試過程中試驗臺本身的位移變形ΔL，ΔL=L1-L2。ΔL受試驗臺本身剛度影響較大，如圖3所示，立柱的剛度、端梁1和端梁2的剛度、夾頭的剛度以及被試的油壓減振器的阻尼力大小都對ΔL有直接的影響，筆者曾經對某一試驗臺進行過實際測試，實際測試結果如下：采用26.5kN阻尼力的抗蛇行減振器，測試得到L1的變化量是24.9mm，在抗蛇行減振器接頭的固定端與活動端中間安裝位移傳感器，測試減振器的實際位移變化L2，得到L2的實際結果是22.7 mm。則ΔL=24.9mm-22.7mm=2.2mm。

若試驗臺能夠在性能測試過程中，能夠自動檢測試驗臺的載荷參數以及速度參數狀態，并自檢該參數是否滿足測試需求，對測試結果有十分重要的意義。

（3）多速度點測試能力

鐵路行業目前現行有效的標準為TB／T 1491-2004，在該標準中未對減振器的多速度點性能做出明確要求，但隨著和諧機車以及CRH動車組的引進，目前鐵路行業對減振器的多速度點性能有了明確要求，對和諧機車以及動車組用減振器的性能測試，目前最低要求是測試兩個速度點下的阻尼性能，較多的能夠達到4個速度點。因此試驗臺能夠滿足多速度點測試，是現在試驗臺必備的功能之一。

圖3 減振器試驗臺結構示意圖

（4）任意角度測試能力

傳統減振器試驗臺進行減振器性能測試，一般都是進行垂向測試和水平測試。減振器在實際裝車運用時，減振器安裝狀態并不全是垂向安裝或者水平安裝，而是相對于垂直方向和水平方向都有一定角度，為了更真實的測試減振器在工作時的性能，現在許多減振器的技術條件要求對減振器進行性能測試時，模擬減振器的實際裝車狀態，相對于垂直方向或水平方向具有一定的角度進行測試。而目前大多數減振器性能試驗臺，設計時只考慮了一個試驗位置或者兩個試驗位置（即只能夠垂向測試或者水平測試），無法實現減振器任意角度性能測試。

（5）高低溫環境試驗能力

高低溫環境下的阻尼性能也是目前減振器性能測試的指標之一，國內目前還沒有能夠實現在高低溫環境下直接測量減振器性能的試驗臺，對于減振器高低溫環境下的阻尼性能測試，都是通過將減振器放置到高低溫環境試驗箱中24小時或者以上，然后將減振器迅速從環境試驗箱中取出，安裝到減振器性能試驗臺上進行高低溫環境下的性能測試。這種方法是目前不具備直接試驗條件下的折衷辦法，但不同的操作者受限于環境條件，安裝熟練程度以及對試驗的理解不同，會出現較大的偏差。

4 結束語

油壓減振器性能試驗臺本身質量對減振器的性能測試結果有直接的影響，設計者、使用者都需要考慮試驗臺的精度、量程范圍、功能是否滿足減振器性能測試的需求，并在過程中對減振器試驗臺的有效性進行確認。使用精度、功能滿足要求的機車車輛油壓減振器性能試驗臺，是確保得到減振器性能試驗準確結果的有效手段。