抗蛇行油壓減振器動力學(xué)性能參數(shù)的仿真分析

2016-02-23 11:16:08喬雪銀

西部皮革 2016年20期

喬雪銀

(呼和浩特鐵路局包西車輛段，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000)

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(呼和浩特鐵路局包西車輛段，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000)

抗蛇行油壓減振器橫向的安裝位置對高速列車運(yùn)行性能的影響；抗蛇行油壓減振器不同的剛度、阻尼參數(shù)對高速列車運(yùn)行性能的影響。鐵路具有運(yùn)量大、占地少、速度快、安全性好等優(yōu)勢,是我國經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，近幾年里已經(jīng)歷了多次提速，鐵路的安全保障是最根本的關(guān)鍵。隨著鐵路車輛的不斷發(fā)展，抗蛇行油壓減振器被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代化鐵路列車中。油壓減振器是一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，在保證列車運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和通過曲線能力有著重要的影響。因此，對抗蛇行油壓減振器動力學(xué)性能參數(shù)的研究分析非常有意義。

抗蛇行減振器；動力學(xué)；剛度；阻尼；安裝距離

人類的交通史也是人類的發(fā)展史。展望新世紀(jì)，以輪軌系統(tǒng)為主體的我國高速及超告訴列車線路將形成縱橫全國的網(wǎng)絡(luò)。此外，在常速下常導(dǎo)型磁懸浮列車特別寧靜，毫無污染，而且投資小于地鐵，在未來城市交通中，將受到居民的熱烈歡迎。過去，由于列車運(yùn)行的速度比較低，減振器的作用不太明顯，因此，人們對其沒有給予足夠的重視，所應(yīng)用的減振器性能比較低。如今，“高速重載”是鐵路營運(yùn)的發(fā)展方向，隨著列車提速進(jìn)程的加快，機(jī)車、車輛運(yùn)營中出現(xiàn)了很多前所未有的問題，有的在更換減振器后，問題得到了解決。鑒于液壓減振器作為機(jī)車車輛走行機(jī)構(gòu)的重要組成部件之一，其性能優(yōu)劣直接影響到機(jī)車車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。因此，在機(jī)車車輛運(yùn)行過程當(dāng)中必須確保減振器能夠保持其性能的可靠性和穩(wěn)定性。

油壓減振器是鐵道機(jī)車車輛上的一個(gè)重要部件。由于機(jī)車車輛的車輪與鋼軌面之間是鋼對鋼的接觸，因此，車輪表面的不規(guī)則和軌道的不平順都直接經(jīng)車輪傳到懸掛部件上去，使機(jī)車車輛各部分高頻和低頻振動。如果這種振動不經(jīng)過減振器來衰減，就會降低機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，惡化運(yùn)行品質(zhì)。油壓減振器其性能優(yōu)劣直接影響到行車的安全性和舒適性。尤其近年來我國鐵路進(jìn)入一個(gè)飛速發(fā)展時(shí)期，特別是在鐵路跨越式發(fā)展政策的指引下，我國鐵路將會進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段。由于鐵路的提速和城市軌道交通的迅速發(fā)展，凸顯出對高性能液壓減振器的需求，但國內(nèi)生產(chǎn)的液壓減振器還不能滿足這種需求，這種狀況是由于減振器試驗(yàn)設(shè)備落后造成的。因此，研制高速列車減振器試驗(yàn)臺就具有十分重要的實(shí)際意義，因此，有必要使用性能良好的減振器。

列車的安全性是現(xiàn)代化高速列車首先要保障的重要問題，主要涉及列車是否會產(chǎn)生脫軌或者傾覆問題。列車劇烈的蛇行運(yùn)動會導(dǎo)致列車輪軌之間橫向力急劇增大，對線路和鋼軌造成永久性的損傷和磨耗變形，惡性循環(huán)的加劇列車的蛇行運(yùn)動和振動。一般把輪重減載率、傾覆系數(shù)和脫軌系數(shù)等作為指標(biāo)來評定列車運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前在我國的鐵路系統(tǒng)中主要采用輪重的減載和脫軌系數(shù)這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)列車運(yùn)行的穩(wěn)定。穩(wěn)定性是高速列車首先要保證的關(guān)鍵，為了防止列車運(yùn)行平穩(wěn)性降低，甚至是嚴(yán)重的脫軌事故，現(xiàn)代化高速列車的蛇行臨界速度必須要維持在較高的水平。

輪對踏面存在一定的錐度，輪對會以不同的滾動半徑與鋼軌接觸，輪對在列車直線運(yùn)行時(shí)具有自動對中性和曲線的自動導(dǎo)向性。在列車通過曲線線路時(shí)，車輛的內(nèi)外兩側(cè)輪對與鋼軌的接觸直徑不相同，外側(cè)偏大使列車產(chǎn)生滑行。輪對踏面的錐度可以減少列車的滑行。但是，當(dāng)列車直線行駛時(shí)，輪對踏面的錐度導(dǎo)致兩輪對以不同的滾動半徑運(yùn)動，使兩輪對的運(yùn)動速度不相等，構(gòu)架和車體開始產(chǎn)生相互不穩(wěn)定的左右搖擺趨勢，因此形成列車的蛇行運(yùn)動。列車產(chǎn)生較大幅度的蛇行運(yùn)動不但會導(dǎo)致乘坐的舒適程度下降，甚至導(dǎo)致側(cè)翻、脫軌等嚴(yán)重的事故產(chǎn)生。

列車高速穩(wěn)定的行駛于線路上是不能完全滿足要求的，因?yàn)榱熊囋诰€路上高速行駛的平穩(wěn)性也很關(guān)鍵。列車行駛過程中所產(chǎn)生的振動影響乘客的乘坐和物品的運(yùn)輸，誘發(fā)列車產(chǎn)生振動的原因有許多，列如：鋼軌接縫、道岔等軌面不連續(xù)部位等；曲線鋼軌半徑不規(guī)則等；列車內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)在工作時(shí)引起的激振。列車高速行駛時(shí)產(chǎn)生的振動，不但導(dǎo)致乘客產(chǎn)生不適感，而且還可能使人體內(nèi)部發(fā)生共振。為了保證高速列車具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性，現(xiàn)代高速列車廣泛采用一、二系彈性懸掛裝置同時(shí)配合許多油壓減振器來降低列車高速運(yùn)行于不平順鋼軌時(shí)產(chǎn)生的振動。列車軸箱的連接裝置主要有軸箱彈簧和垂直方向的減振器等，車體通過轉(zhuǎn)向架中央的彈簧、兩側(cè)橫向的油壓減振器以及水平的抗蛇行油壓減振器等連接裝置坐落于構(gòu)架之上。現(xiàn)代化高速列車的二系垂向懸掛系統(tǒng)廣泛采用高圓彈簧和垂向減振器同時(shí)作用，使得列車具有良好的垂向平穩(wěn)性。列車軸箱的連接裝置參數(shù)與列車高速行駛的橫向平穩(wěn)程度之間的關(guān)聯(lián)較小，主要與二系搖頭阻尼、二系橫向阻尼等參數(shù)相關(guān)。列車的行駛不僅需要穩(wěn)定和平順還要有高速通過小半徑曲線的能力。車輛行駛在曲線線路上時(shí)，車輛的行駛速度無法剛好適合軌道的超高，迫使乘坐在車內(nèi)的乘客受到離心作用力，同時(shí)車輪與軌道相互產(chǎn)生的力變得更加劇烈，加大了對線路軌道的磨耗。

列車高速行駛于曲線線路上時(shí)脫軌等事故發(fā)生的概率較大，七成以上的脫軌事故都發(fā)生于曲線線路上。不僅列車的穩(wěn)定性在曲線上較為重要，同時(shí)列車運(yùn)行與圓曲線線路上時(shí)，乘客受到恒定的離心加速度，而在緩和的曲線線路時(shí)受到變化的離心加速度作用，使乘客感到不適感。由于列車輪對的運(yùn)動特性，列車曲線通過的能力與列車運(yùn)行穩(wěn)定性二者是相對的。如果使列車行駛的更加穩(wěn)定，則列車在通過曲線時(shí)的各項(xiàng)性能就會降低；反之，如果列車具有良好的曲線通過能力，則列車高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性變差。因此，只有綜合考慮這兩者的關(guān)系，合理恰當(dāng)?shù)倪x擇抗蛇行油壓減振器參數(shù)才能進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與制造。

抗蛇行油壓減振器主要被用來降低車輛在高速行駛的過程產(chǎn)生的蛇行運(yùn)動，又稱作二系縱向減振器。當(dāng)列車的運(yùn)行速度較高時(shí)，列車橫向可能產(chǎn)生較大幅度的搖頭運(yùn)動，即蛇行運(yùn)動。輪對的蛇行運(yùn)動會導(dǎo)致輪對與鋼軌發(fā)生碰撞，加快輪對與鋼軌的磨損，并且導(dǎo)致高速列車的運(yùn)行穩(wěn)定性大大的降低。其水平地安裝于構(gòu)架與車體之間，能夠很好的降低列車在線路上高速行駛時(shí)產(chǎn)生的左右搖擺，并且使列車的行駛速度得到提升。由于抗蛇行油壓減振器被用來要阻止的移動行程較小，因此選擇兩端軸箱剛度大數(shù)值的減振器內(nèi)部構(gòu)造就十分重要。若減振器兩端的剛度較小，減振器的彈性層結(jié)構(gòu)會消耗車輛行駛時(shí)產(chǎn)生的振動，因此使活塞的運(yùn)動距離減小，車輛抵抗蛇行運(yùn)動的能力降低。

若高速列車在線路運(yùn)行時(shí)發(fā)生較大的蛇行運(yùn)動，輪對與鋼軌發(fā)生嚴(yán)重的沖擊作用，此時(shí)，抗蛇行油壓減振器受到較大沖擊力，產(chǎn)生巨大的阻尼力，若阻尼力高于卸荷閥設(shè)定的卸荷力時(shí)，卸荷閥就會作用，使油路的壓力降低。抗蛇行油壓減振器在結(jié)構(gòu)上基本上可以實(shí)現(xiàn)阻力和速度成一次方關(guān)系，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠很好的抑制高速列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的蛇行失穩(wěn)，而且在列車通過曲線運(yùn)行時(shí)同樣可以有良好的性能。抗蛇行油壓減振器位于構(gòu)架的兩側(cè)連接車體與構(gòu)架，為列車高速運(yùn)行于各種線路上時(shí)提供足夠的力來抑制產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)而且抑制列車行駛產(chǎn)生的振動并使列車更加穩(wěn)定的運(yùn)行。理想的抗蛇行油壓減振器的特性曲線特點(diǎn)：減振器在較低的活塞移動速度時(shí)速度與阻尼力之間成線性關(guān)系，而當(dāng)移動速度過大時(shí)阻尼力的增長變的緩慢。這樣的阻尼特性是以車輛的實(shí)際行駛條件為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。當(dāng)列車運(yùn)行在直線線路上運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生較大的蛇行運(yùn)動，此時(shí)，抗蛇行減振器為了抑制蛇行運(yùn)動產(chǎn)生與速度成正比的阻尼力。但是，當(dāng)遇到某些特殊情況(列如鋼軌的不平順)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的相對速度，這時(shí)為了防止抗蛇行油壓減振器的部件受到損壞，阻尼力不再增大或者增大的極為緩慢。

車輛高速的行駛在實(shí)際現(xiàn)有的線路上時(shí)，線路上多種多樣的不平順因素，均會導(dǎo)致車輪和鋼軌之間的作用力，影響車輛高速運(yùn)行時(shí)的安全。因此，用來評定車輛運(yùn)行性能的各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)尤為關(guān)鍵。抗蛇行油壓減振器安裝于構(gòu)架的兩側(cè)，在車輛高速運(yùn)行的同時(shí)能夠很好的抑制車輛的蛇行運(yùn)動，同時(shí)能夠保障車輛高速運(yùn)行時(shí)的安全性、平穩(wěn)性，并且在車輛通過曲線時(shí)有著重要的作用。本章主要分析抗蛇行油壓減振器橫向安裝距離2L的變化對車輛高速行駛在鐵路線路上的各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響。

抗蛇行油壓減振器的橫向安裝距離的增大，能夠提高車輛抑制蛇行運(yùn)動的能力，顯著的提高車輛的非線性臨界速度以及車輛運(yùn)行的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)，但會使橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有略微的增大。同時(shí)增大抗蛇行油壓減振器橫向安裝距離對車輛通過曲線時(shí)的輪軸橫向力、輪重減載率以及脫軌系數(shù)有顯著的優(yōu)化效果，可以優(yōu)化車輛的動力學(xué)性能，并且車輛在線路上行駛的速度越高優(yōu)化的效果越明顯。但是，在設(shè)計(jì)制造車輛時(shí)，要恰當(dāng)合理的選用抗蛇行油壓減振器橫向安裝距離，不僅要考慮對車輛高速行駛于線路上各項(xiàng)性能的影響程度，還要考慮車輛的限界、車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面。

通過對抗蛇行油壓減振器剛度變化的仿真分析發(fā)現(xiàn)，增大抗蛇行油壓減振器的剛度可以在一定程度上提高非線性臨界速度、平穩(wěn)性，但當(dāng)剛度增大到一定量值時(shí)，臨界速度基本不會繼續(xù)增大，而且剛度過大時(shí)平穩(wěn)性指標(biāo)呈現(xiàn)增長趨勢。對于車輛的曲線通過性能，剛度的增大也會優(yōu)化車輛各項(xiàng)運(yùn)行性能指標(biāo)，但剛度取值不可過小否則會導(dǎo)致行駛的性能降低。此外，研究分析抗蛇行油壓減振器的卸荷力的增大會導(dǎo)致車輛的非線性臨界速度和車輛垂直方向平穩(wěn)性能的顯著提高，但致使車輛橫向平穩(wěn)性參數(shù)數(shù)值的略微增大。卸荷力的增大在一定程度上可以優(yōu)化車輛通過曲向時(shí)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，但過大的卸荷力會使各項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)增大趨勢。

綜上，抗蛇行油壓減振器對車輛的運(yùn)行性能有著重要的影響。合理的選擇制造十分關(guān)鍵。

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