抗蛇行減振器動態特性分析以及對車輛動力學性能影響研究

崔澤安，徐騰養，鄔平波

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抗蛇行減振器動態特性分析以及對車輛動力學性能影響研究

崔澤安，徐騰養，鄔平波

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

基于SIMPACK建立某高速列車動力學模型，主要從橡膠節點剛度、卸荷速度、卸荷力等方面分析了抗蛇行減振器對列車的動力學性能影響，并對各性能參數進行優化選擇，同時，從實驗角度研究了油液溫度對減振器阻尼特性影響。分析結果表明：油溫對減振器阻尼特性影響很大；隨著卸荷速度的增加，車輛系統動力學性能有所惡化；隨著卸荷力的增加，車輛系統動力學性能有所改善；橡膠節點剛度對車輛動力學性能影響與卸荷速度選取值有關。對橡膠節點剛度優化選取在5～10 MN/m范圍內變動，卸荷速度選取為0.01 m/s，卸荷力選取為12 kN，此時，車輛動力學性能可以達到最優范圍。

SIMPACK；橡膠節點剛度；卸荷速度；卸荷力；動力學性能；油溫；阻尼特性

本文以抗蛇行減振器自身的阻尼特性以及對車輛動力學性能帶來的影響為出發點，從實驗角度分析研究了溫度對阻尼特性帶來的影響。再從動力學仿真角度分析了抗蛇行減振器節點剛度、卸荷速度、卸荷力對車輛動力學性能影響，并對各參數進行了優化選擇，使動力學性能達到最優化。

很多學者對抗蛇行減振器進行了研究。楊東曉[1]對抗蛇行減振器MAXWELL模型進行了研究；徐騰養[2-4]對抗蛇行減振器動態性能、溫變特性及溫變特性對車輛動力學性能影響進行研究；楊亮亮[5-6]研究了抗蛇行減振器安裝剛度對彈性構架動力學性能的影響以及一系垂向減振器對車輛動力學的影響，曾京[7]研究了減振器橡膠節點剛度對車輛穩定性的影響。

本文研究了橡膠節點剛度對蛇行穩定性的影響。本文的創新在于從油液溫度角度分析了其對減振器動態特性影響，然后從橡膠節點剛度、卸荷速度、卸荷力等方面入手，尋找它們之間的最佳匹配關系，對抗蛇行減振器性能參數進行優化選擇。何遠[8]也曾研究過抗蛇行減振器串聯剛度對高速動車組運行穩定性的影響，但是文中未考慮抗蛇行減振器卸荷力、卸荷速度和剛度之間的匹配關系。

1 油溫對減振器動態特性影響

為驗證油溫對減振器動態特性的影響，在西南交通大學軌道交通國家實驗室減振器試驗臺上研究我國某高速列車抗蛇行減振器，其卸荷速度0.01 m/s，卸荷力7500 N，阻尼系數750 kN·s/m。從圖1可以看出，溫度越高，減振器吸收的能量越少，這是因為隨著溫度增加，油液粘性減小，導致流量損失加大，吸收的能量就相對減少。從圖2可以看出，溫度越高，減振器吸收的能量越少，溫度越低，這一現象越明顯。動態阻尼隨著頻率的增加先增加后減小，隨著溫度減小，動態阻尼越來越大，且溫度越低，增加越快。頻率越低，溫升對動態阻尼影響越明顯。動態剛度隨著頻率的增加，先增加后逐漸趨于穩定，隨著溫度減小，動態剛度越來越大，且溫度越低，增加越快。油液溫度對動態阻尼的影響大于對動態剛度的影響。

圖1 不同溫度下F－S 圖

圖2 不同溫度對動態阻尼、動態剛度的影響

2 抗蛇行減振器對車輛蛇行穩定性影響

橡膠節點剛度對抗蛇行減振器阻尼性能有著重要影響，橡膠節點剛度越大，吸收的能量越多。另一方面，其對車輛系統動力學性能也有一定影響。節點剛度過大，高頻振動不能被有效吸收，減振器容易別勁或者偏磨；節點剛度過小，過多的緩沖行程會使減振器有效減振行程縮短，減振效果大大減弱[9]。另外，節點剛度過大或過小，車輛蛇行穩定性、安全性、平穩性以及乘坐舒適性都沒有達到最優狀態。

減振器設置卸荷區域主要是為了防止減振器內部油液壓力過大導致損壞減振器內部結構，降低密封裝置壽命和產生油液泄露，其卸荷速度、卸荷力均不宜過大或過小，否則無法使車輛動力學性能達到最優狀態。為研究抗蛇行減振器對車輛動力學性能的影響，基于SIMPACK建立我國某高速列車動力學模型，如圖3所示。

圖3 高速列車動力學計算模型

從圖4（a）可以看出，橡膠節點剛度對蛇行臨界速度的影響總體呈先增大后減小再逐漸趨于穩定的趨勢，這是因為節點剛度過小時，橡膠緩沖了不少位移，使得減振器有效減振行程減小，影響了蛇行穩定性，使得蛇行臨界速度偏低；當節點剛度過大時，會傳遞高頻振動至車體，蛇行穩定性變差，也影響了蛇行臨界速度。只有當節點剛度在中間某個最佳范圍時，才既有效地吸收了振動能量，又隔離了高頻振動，此時，臨界速度達到最佳。臨界速度最終逐漸趨于穩定是因為當節點剛度大到一定程度時，傳遞了更多高頻振動，節點剛度對蛇行臨界速度影響逐漸不明顯，這與曾京[7]、黃彩虹[10]分析的結果相一致。從圖中可以得到，當節點剛度在5～10 MN/m范圍內變動時，蛇行臨界速度比較大。隨著卸荷速度的增加，蛇行臨界速度逐漸減小，最終逐漸趨于水平穩定。當卸荷速度從0.001 m/s增加到0.005 m/s時，臨界速度下降非常明顯，而之后卸荷速度再增加，臨界速度下降變化逐漸減弱，這說明卸荷速度在非常微小時，其微小變化對臨界速度影響非常明顯。隨著卸荷力增加，蛇行臨界速度逐漸增加，最后趨于水平，這說明卸荷力只有在一定范圍內才能提高蛇行臨界速度，超過這一范圍，甚至會降低蛇行臨界速度，與卜繼玲[11]對機車蛇行穩定性分析相一致。綜合三者對蛇行臨界速度的影響，此高速列車橡膠節點剛度值可以選取在5～10 MN/m范圍內，臨界速度可以優選為0.01 m/s，卸荷力可以優選為12 kN，此時臨界速度可以達到最優范圍。

3 減振器對車輛安全性影響

從圖4（b）～（e）可以看出，隨著卸荷速度的增加，輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率以及磨耗指數均逐漸增加，表明車輛安全性有所惡化；隨著卸荷力的增加，輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率以及磨耗指數均逐漸減小，表示車輛安全性逐漸改善；橡膠節點對輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率以及磨耗指數的影響與卸荷速度的取值有關，當卸荷速度不大于0.01 m/s時，橡膠節點剛度對車輛安全性影響不明顯。當節點剛度取值5～10 MN/m、卸荷速度0.01 m/s、卸荷力12 kN時，不僅可以使蛇行臨界速度達到最優范圍，還可以使安全性能達到最優狀態。

4 減振器對車輛平穩性以及乘坐舒適性影響

從圖5可以看出，隨著卸荷速度的增加，橫向、垂向平穩性以及乘坐舒適性均有所惡化；隨著卸荷力的增加，橫向、垂向平穩性以及乘坐舒適性均有所改善，但是當卸荷力一直增加時，車輛平穩性指標以及乘坐舒適性會出現略微回升現象，說明平穩性以及舒適性開始變差，這是因為卸荷力過大，構架會傳遞大的振動至車體，從而影響了蛇行穩定性，使得橫向、垂向平穩性以及乘坐舒適性變差，另一方面，卸荷力過大還會損壞減振器內部結構；橡膠節點剛度過大或者過小都會導致平穩性以及乘坐舒適性指標變大，表明橡膠節點剛度過大或者過小均會使平穩性以及舒適性變差，從圖中可以看出，橡膠節點剛度變化范圍在5～15 MN/m內時，車輛平穩性以及乘坐舒適性較好。因此，當節點剛度范圍取5～10 MN/m、卸荷速度0.01 m/s、卸荷力12 kN時，不僅可以使蛇行臨界速度、安全性能達到最優范圍，還可以使平穩性以及乘坐舒適性達到最優狀態。

5 結論

（1）溫度升高，減振器吸收的能量減少，溫度越低，影響越明顯。動態阻尼隨著頻率的增加先增加后減小，頻率越低，影響越明顯。動態剛度隨著頻率的增加先增加后逐漸趨于穩定。動態阻尼和動態剛度都隨著溫度的減小而增加，且溫度越低，增加越快，溫度對動態阻尼的影響大于對動態剛度的。

（2）橡膠節點剛度存在一個最佳范圍；節點剛度對輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率、磨耗指數、橫向平穩性、垂向平穩性以及乘坐舒適度的影響，都與卸荷速度的取值有關，最終橡膠節點剛度值優選在5～10 MN/m范圍內。

（3）隨著卸荷速度的增加，車輛動力學性能整體呈惡化趨勢，卸荷速度越小，其改變引起的蛇行臨界速度變化越明顯，但卸荷速度不宜過大或過小，最終卸荷速度優選為0.01 m/s。

（4）隨著卸荷力的增加，車輛動力學性能整體呈改善趨勢，但卸荷力不宜過大或過小，最終卸荷力優化為12 kN。

圖5 橡膠節點剛度、卸荷速度、卸荷力對車輛平穩性和乘坐舒適性的影響

[1]張振先，楊東曉，池茂儒. 抗蛇行減振器的模型研究[J]. 機械，2015，42（7）：1-4.

[2]徐騰養，池茂儒，李濤，等. 抗蛇行減振器動態性能研究[J].機械，2016，43（8）：1-5.

[3]徐騰養，池茂儒，田向陽，等. 抗蛇行減振器內部油液溫度對其動態特性影響研究[J]. 機車電傳動，2016（6）：43-46.

[4]徐騰養，池茂儒，朱海燕，等. 油溫對抗蛇行減振器特性和動力學性能影響[J]. 振動、測試與診斷，2017，37（6）：1094-1099.

[5]楊亮亮. 抗蛇行減振器安裝剛度對彈性構架車輛動力學性能影響[J]. 機車電傳動，2012（4）：15-18.

[6]楊亮亮，傅茂海，張尚敬. 一系垂向減振器對高速列車運行穩定性和平穩性的影響[J]. 鐵道車輛，2013，51（1）：1-4.

[7]曾京，鄔平波. 減振器橡膠節點剛度對鐵道客車系統臨界速度的影響[J]. 中國鐵道科學，2008，29（2）：94-97.

[8]何遠，王勇. 抗蛇行減振器串聯剛度對高速動車組運行穩定性的影響[J]. 機車電傳動，2015（3）：26-29.

[9]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.

[10]黃彩虹，梁樹林，周殿買. 抗蛇行減振器對車輛系統穩定性的影響[C]. 合肥：第八屆中國智能交通年會優秀論文集，2013.

[11]卜繼玲，樊友權. 抗蛇行減振器對機車運行品質的影響[J]. 電力機車與城軌車輛，27（6）：6-8.

The Analysis of Resistance Features of Yaw Damper and the Influence of Yaw Damper on Vehicle Dynamic Performance of High-Speed Trains

CUI Zean，XU Tengyang，WU Pingbo

( State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The dynamic model of one high-speed train of our country is built based on SIMPACK in the article, the influence of yaw damper on stability, safety, stationarity and comfort of vehicles are analyzed from rubber joint stiffness, unloading speed, unloading force to optimize performance parameter. Meanwhile, the influence of oil temperature on resistance features of yaw damper is investigated based on experiment It could concluded that oil temperature has great influence on resistance features of yaw damper. Vehicle dynamic performance deteriorates with the increasing of unloading speed; With the increasing of unloading force, vehicle dynamic performance improves. The effect of rubber joint stiffness on vehicle dynamic performance related to unloading force. In the article, In order to optimize vehicle dynamic performance, rubber joint stiffness is optimized within 5~10 MN/m, unloading force is 0.01m/s, unloading force is 12 kN.

SIMPACK；rubber joint stiffness；unloading speed；unloading force；vehicle dynamic performance; oil temperature；resistance features

U292.91+4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.001

1006－0316 (2018) 02－0001－05

2017－02－22

國家科技支撐計劃（2015BAG12B01-17）；國家自然科學基金（51475388）；高鐵聯合基金（U1334206）；鐵路總公司項目（2014J004-A）

崔澤安（1992－），男，四川南充人，碩士研究生，主要研究方向為車輛系統動力學。