高速列車減振器結構參數對性能的影響分析

吳建斌　李人憲　段艷文

西南交通大學，機械工程學院，成都 610031

高速列車減振器結構參數對性能的影響分析

吳建斌李人憲段艷文

西南交通大學，機械工程學院，成都 610031

減振器內部流道尺寸、節(jié)流閥的開啟時刻、開閥速度和最大開度等參數是影響減振器性能的關鍵。為了研究相關參數對減振器阻尼特性的影響規(guī)律，以高速列車某型二系垂向減振器為研究對象，利用外部臺架試驗測量和內部流場三維動態(tài)仿真計算相結合的方法獲得了不同參數下阻尼力的變化曲線，得到了常通孔尺寸、節(jié)流閥開閥時刻、開閥速度和最大開度對阻尼特性曲線的影響規(guī)律。在此基礎上計算分析了減振器在不同運動速度下的外特性，獲得了減振器運動速度與節(jié)流閥開啟情況的關系，可為高速列車減振器的結構設計提供參考。

高速列車；液壓減振器；仿真分析；節(jié)流閥

0 前 言

高速列車減振器的動力學性能主要由示功特性（F-S特性）和速度特性（F-V特性）表達。而液壓減振器動力學性能的實現是靠油液流動阻力產生的，減振器內部流道尺寸、節(jié)流閥開閥規(guī)律、活塞運動速度和油液溫度等參數是影響減振器性能的關鍵。國內研究人員圍繞減振器的試驗分析、數學模型的建立和仿真、參數化設計等方面也曾做了一些研究［2］，但是減振器結構參數如何影響其示功圖的形狀，如何影響其速度特性，還不十分清楚，從而使高速列車液壓減振器的設計帶有一定的盲目性。本文擬通過對某型垂向減振器內部流場的動態(tài)過程進行三維仿真分析，研究相關結構參數對減振器性能的影響規(guī)律，為減振器的設計提供一種快速有效的方法。

1 液壓減振器的基本結構和工作原理

某型高速列車垂向液壓減振器的基本結構如圖1所示，由壓力缸、密封裝置、活塞、底閥等部件組成。活塞上有4個阻尼節(jié)流閥（以下簡稱節(jié)流閥），減振器的壓縮和拉伸過程分別由2個節(jié)流閥（見圖2）來控制。這兩組節(jié)流閥根據工作過程分別定義為壓縮節(jié)流閥和拉伸節(jié)流閥。節(jié)流閥由心閥、調節(jié)螺母、閥彈簧組成。調節(jié)螺母用于調節(jié)彈簧壓縮量兼導向作用，油液壓力和彈簧作用力共同控制心閥的位移量。心閥上有常通孔和節(jié)流孔，常通孔一直處于導通狀態(tài)，節(jié)流孔在心閥移動到某一位置時開啟。減振器拉伸運動時（活塞左移），上腔油液體積減小，壓力增大，心閥在油壓作用下使彈簧壓縮，節(jié)流閥孔開啟，活塞上腔的一部分油液經節(jié)流閥孔流入下腔。隨著油壓增大，心閥位移增大使彈簧壓縮量增大，節(jié)流孔的開啟面積增大，流入下腔的油量增多，此時減振器的阻尼力也增大。常通孔的流動阻力與節(jié)流閥孔的流動阻力共同影響減振器阻尼力的大小。壓縮過程中節(jié)流閥開啟過程和拉伸時一樣，一部分油液經節(jié)流閥流向上腔，另一部分油液經底閥上的卸荷閥流入儲油缸。另一方面，由于活塞運動速度不同，油液流經常通孔和節(jié)流閥孔時的節(jié)流效果也將不同，因此活塞運動速度也會影響減振器的阻尼特性［3］。

圖1　某垂向液壓減振器的基本結構Fig.1 Structure of the hydraulic damper

圖2　節(jié)流閥的基本結構Fig.2 Structure of the throttle valve

2 計算模型

2.1 幾何模型

減振器內部是油液的封閉流場，隨著活塞與活塞桿的運動，流場各部分空間尺寸發(fā)生變化。為仿真減振器內部時時變化的流場空間，采用移動網格技術來實現減振器動態(tài)流場。圖3為某垂向減振器的內流場計算模型。流場分為兩部分：工作缸及活塞區(qū)域網格設定為動網格區(qū)域，儲油缸及底閥區(qū)域設定為固定區(qū)域。

圖3　減振器整體流場幾何模型Fig.3 Model of damper’s flow field

圖4為節(jié)流閥區(qū)域局部網格圖。

圖4　節(jié)流閥網格Fig.4 Grid of throttle valve

2.2 基本假設及計算參數設定

減振器的內部流場非常復雜，因此對減振器流場的分析是基于以下一些假設：

1.1.3 對γ-氨基丁酸（GABA）的作用 GABA是中樞神經系統(tǒng)中的一種抑制性神經遞質，其受體是治療焦慮癥藥物的重要靶點[14]。Lee等[15]指出人參皂苷Rc可增強GABA受體A（GABAA）介導的離子通道電流，調節(jié)GABA通道活性。Choi等[16]用雙電極電壓鉗技術考察人參皂苷對人類重組GABAA在爪蟾卵母細胞中表達的影響，結果發(fā)現人參皂苷Rc可以有效增強GABA誘導的內向峰電流，對GABA的作用既有劑量依賴性又有可逆性。

（1）油液為不可壓縮流體。

（2）油液在減振器的一個工作循環(huán)過程中溫度不變。

（3）忽略缸內壓力變化引起減振器剛性構件的變形。

（4）忽略減振器各元件之間的摩擦力影響。

（5）不考慮漏油和氣穴現象。

減振器實際工作時的運動為隨機運動，但減振器在試驗臺架進行測試時的外部激勵為余弦運動，計算中模擬的就是這種運動狀態(tài)［4］。計算中給減振器加載與臺架試驗相同的余弦運動v=Acos（2At/S），式中A為余弦速度幅值，S為振動幅值。此外，油液流經常通孔和節(jié)流孔時存在強烈的節(jié)流效應，流動處于紊流狀態(tài)，計算中采用k-ε兩方程標準紊流模型進行分析。計算加載的工況和油液參數如表1和表2所示。

表1　計算加載工況Tab.1 The parameters setting during calculation

圖5　試驗工況下的阻尼特性曲線Fig.5 The damping force curve under the test condition

3 減振器結構參數對阻尼特性的影響

本文研究的減振器在20℃下臺架試驗得到的阻尼特性如圖5所示，試驗加載余弦速度幅值為0.1m/s。根據曲線的變化規(guī)律將每1/4周期的阻尼特性曲線分成三段（見圖5）。第一段對應節(jié)流閥開閥前的阻尼特性，此時油液只經常通孔流出，阻尼特性應該只與常通孔尺寸相關。第二段為節(jié)流閥開啟階段，減振器阻尼特性取決于開閥規(guī)律；第三段阻尼力的變化基本上趨于穩(wěn)定，節(jié)流閥的開啟過程基本結束，阻尼力的極值應該取決于節(jié)流閥的最大開度。由此可以做出以下預測：影響減振器阻尼特性的結構參數主要是常通孔的尺寸、節(jié)流閥的開閥時刻、節(jié)流閥的開閥速度和最大開度。

3.1 常通孔尺寸的影響

采用不同的常通孔尺寸可計算獲得不同斜率的阻尼特性曲線（見圖6），長通孔尺寸越小，阻尼特性曲線變化越陡。經反復計算，當常通孔直徑為0.9mm時，計算阻尼特性曲線與實驗曲線的第一段基本一致，實際測繪所得的常通孔尺寸為0.92mm，進一步驗證了仿真的正確性。計算結果也說明常通孔的尺寸影響第一段阻尼特性曲線的走勢。

圖6　常通孔尺寸對阻尼特性斜率的影響Fig.6 The influence of normal’s size

3.2 開閥速度的影響

示功圖試驗曲線與節(jié)流閥開閥前計算曲線的脫離點（見圖6），就應該是節(jié)流閥的開閥時刻，但節(jié)流閥以什么速度開啟仍然是未知的。為獲得節(jié)流閥的開啟規(guī)律，我們在仿真計算中利用自編控制程序改變節(jié)流閥的開閥時刻及開閥速度，以獲得開閥速度對阻尼特性曲線的影響規(guī)律。不同的開閥速度條件下計算阻尼特性曲線如圖7所示。

圖7　節(jié)流閥開閥速度對阻尼特性的影響Fig.7 The influence of throttle’s speed

開閥速度過小時，節(jié)流閥的卸荷速度太慢，不足以抵消因活塞速度增大引起的阻尼力增大，相應段的阻尼力值偏大，曲線局部突起，開閥速度越小，突起區(qū)域越大。開閥速度太大時，節(jié)流閥的卸荷速度過快，若要保持阻尼特性曲線走勢必須停止開閥以減緩阻尼力的下降趨勢，直到阻尼力值（由于活塞運動）進一步增大后再繼續(xù)開閥，此時節(jié)流閥的開閥過程就出現時斷時續(xù)的現象，阻尼力值也呈上下波動（見圖8）。

圖8　不同開閥速度下節(jié)流閥開度的變化曲線Fig.8 The curve of throttle’s shiftindifferent speeds

計算結果說明，節(jié)流閥的開閥速度必須與減振器活塞的運動速度相“匹配”，才有可能實現所希望的減振器阻尼特性。

3.3 節(jié)流閥最大開度的影響

節(jié)流閥的最大開度會影響減振器阻尼力的最大值。節(jié)流閥采用不同最大開度的計算結果如圖9所示。節(jié)流閥的最大開度越小，阻尼力最大值越大，阻尼特性曲線水平段整體上移。對于所分析的減振器，當節(jié)流閥的最大開度為0.1645mm時，計算結果與試驗曲線基本一致。

圖9　閥門開度對阻尼特性幅值的影響Fig.9 The influence of valve’s shift on damping force

4 活塞運動速度對阻尼特性的影響

減振器的阻尼特性不僅僅與內部結構參數有關，還與活塞（桿）的運動速度相關。不同活塞運動速度條件下，減振器將呈現不同的阻尼特性。因此，還必須研究活塞運動速度對阻尼特性的影響，即減振器的速度特性。活塞在不同余弦速度下的阻尼特性曲線和速度特性曲線如圖10、11、12所示。活塞運動速度越大，產生的阻尼力越大，開閥前阻尼特性曲線的變化越陡，阻尼力消耗的功也越多（曲線包圍的面積）。

圖10　余弦速度幅值為0.1m/s的外特性曲線Fig.10 The damping force curve when speed cosine is 0.1m/s

圖11　余弦速度幅值為0.3m/s的外特性曲線Fig.11 The damping force curve when speed cosine is 0.3m/s

圖12　余弦速度幅值為0.5m/s的外特性曲線Fig.12 The damping force curve when speed cosine is 0.5m/s

節(jié)流閥的開啟取決于油液的壓力和閥彈簧的剛度，活塞運動速度的變化會影響油腔內油液的壓力變化規(guī)律，從而影響節(jié)流閥的開啟規(guī)律［5］。圖13為不同余弦速度下節(jié)流閥開度隨位移的變化曲線，表3列出了不同余弦速度下節(jié)流閥的開閥阻尼力和閥門開度。計算結果表明，活塞運動速度增大，節(jié)流閥的開啟時刻會提前，最大開度會增大，但是開閥阻尼力基本相同。說明節(jié)流閥的開閥速度快慢主要由彈簧剛度決定，開閥阻尼力大小與彈簧預緊力有關，閥門開度則由彈簧壓縮量決定。

圖13　不同余弦速度下節(jié)流閥開度曲線Fig.13 Throttle’s shift curves of different speed cosines

表3　不同速度下節(jié)流閥的開啟狀態(tài)Tab.3 The throttle’s conditions at different speeds

5 結 論

（1）通過試驗加仿真分析方法，得到了減振器內部結構參數對減振器阻尼特性的影響規(guī)律：①常通孔尺寸的大小影響節(jié)流閥開啟前阻尼特性第一段曲線的（走勢）斜率，常通孔尺寸越小，曲線斜率越大；②節(jié)流閥的開閥速度影響阻尼特性曲線第二段變化趨勢：開閥速度太小，阻尼力值將會大于設計值；開閥速度太大，節(jié)流閥的開啟會出現時斷時續(xù)現象，相應的阻尼力也產生波動。開閥速度的合理選擇決定了阻尼特性曲線的變化；③節(jié)流閥的最大開度影響減振器阻尼力的最大值，最大開度越小，阻尼力最大值越大，阻尼特性曲線整體上移。

（2）減振器速度特性的計算分析表明：活塞運動速度越大，阻尼力幅值越大，開閥前阻尼特性曲線的變化越陡，阻尼力消耗功也越多（示功圖曲線包圍的面積）；隨著活塞運動速度的增大，節(jié)流閥的最大開度增大，節(jié)流閥開啟時刻提前，節(jié)流閥的開閥速度也發(fā)生變化。

（3）節(jié)流閥的開啟時刻和開閥速度快慢取決于心閥內部的彈簧剛度，要實現所希望的節(jié)流閥開啟時刻和開啟速度，彈簧剛度與減振器內部阻尼力之間的匹配關系是必須了解清楚的環(huán)節(jié)，也是我們后續(xù)工作須認真研究的課題。

［1］ 楊國楨，王福天. 機車車輛液壓減振器［M］. 北京:中國鐵道出版社，2003.

［2］ 丁問司，巫輝燕. 鐵道車輛油壓減振器三維流場動態(tài)仿真［J］. 機械工程學報，2011, （6）：130-137.

［3］ 梁志杰，于蘭英，陳留等.SS8機車一系垂向減振器仿真系統(tǒng)的研究［J］.機車電傳動，2002, （3）：24-27

［4］ 丁問司, 葉永玖. 基于 AMESIM 的列車液壓減振器建模與仿真［J］. 機床與液壓, 2009, 37（9）：213-215.

［5］ 呂振華，伍卓安，李世民. 減振器節(jié)流閥非線性節(jié)流特性的有限元模擬分析［J］. 機械強度, 2003, 25（6）: 614-620

（中文編輯：劉娉婷）

Impaction of High-speed Train Damper’s Structure Parameters on Its Performance

WU Jian-bin LI Ren-xian DUAN Yan-wen
School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

Damper’s performance mainly depends on the factors including inner passageway’s size, throttle’s opening time, moving speed and maximum shift etc. In order to know how these factors influence it, an analysis model was established based on a second-vertical damper of the high-speed train. The variation curves of damping force were obtained during the calculation process by altering damper’s structure parameters, through combining the bench test and 3D dynamic simulation of damper’s inner flow field .Therefore, it became clear how these factors, including normal hole’s size, throttle’s movement speed and maximum shift, influenced the damping characteristic curves. On this basis, a further study on damper’s external characteristic under different cosine velocities was done. The relationship betweenpiston’s movement and throttle’s opening condition then was acquired. The conclusions acquired may provide a useful reference for the structure design of high-speed train damper.

High-speed train, hydraulic damper, simulation analysis throttle

U260.34+2

A

1672-4747（2015）03-0070-06

10.3969/j.issn.1672-4747.2015.03.012

2014-12-02.

高等學校博士學科點專項科研基金（20100184110002）。

吳建斌（1990-），男，福建莆田人，西南交通大學碩士研究生。