油壓減振器失效對單軌車輛運行穩定性的影響

聶小芮

摘要：為了研究油壓減振器失效對跨座式單軌車輛運行平穩性的影響，分析了單軌車輛減振器失效機理，建立了跨座式單軌車輛非線性多體動力學模型，分別計算并比較了不同數量油壓減振器失效時跨座式單軌車輛車體縱橫向加速度大小。結果表明：不同數量的油壓減振器失效均會使單軌車輛運行穩定性降低。

關鍵詞：油壓減振器;失效;跨座式單軌;運行穩定性

中圖分類號：U232;U270.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0031-02

0? 引言

油壓減振器是跨座式單軌車輛中央懸掛系統的必不可少的重要組成部分，與空氣彈簧、牽引橡膠堆、縱橫向止擋等一起傳遞載荷、衰減振動，其安裝在車體與構架之間，為車輛提供二級減振，保證了單軌車輛的運行安全性和乘坐舒適性[1]。單軌車輛運行時，一旦懸掛系統出現故障，其整車的動力學性能將發生改變，大大降低了單軌車輛行車安全性和舒適性。

現有諸多研究主要集中在地鐵或高鐵車輛減振器失效對整車動力學性能的影響，對于單軌車輛的減振器失效對其運行穩定性的影響方面研究較少。而由于單軌車輛轉向架結構緊湊，每個轉向架僅有2個油壓減振器呈45°對稱斜裝于車體和轉向架之間。若油壓減振器失效，將對單軌車輛運行平穩性造成不可忽視的影響[2]。因此，本文以重慶軌道交通2號線單軌車輛為研究對象，采用多體動力學軟件建立跨座式單軌車輛非線性動力學模型及減振器動力學模型，分析不同位置及數量的油壓減振器失效對單軌車輛的運行穩定性的影響并探究其規律。

1? 單軌車輛系統動力學模型

1.1 減振器結構及失效機理

跨座式單軌車輛油壓減振器結構如圖1所示。對于單軌車輛油壓減振器，可能導致其失效的原因主要有兩個方面[3]。從摩擦與磨損的方面分析，其失效因素主要有工作缸內壁與活塞反復摩擦導致工作缸出現嚴重磨損與劃痕;導向蓋出現嚴重磨損和破損;活塞桿嚴重磨損，鍍鉻層脫落以及外部撞擊出現變形等。從密封和工作原理的方面來看，其失效因素主要是丁腈橡膠材質的密封圈強度較低，在帶有一定壓力的油液的沖擊作用下逐漸老化，失去原有的密封作用，減振器隨即失去減振功能。本文考慮在減振器失效時，其減振功能完全喪失，阻尼為零，在此條件下，對跨座式單軌車輛運行穩定性進行仿真分析。

1.2 整車模型

以重慶軌道交通2號線跨座式單軌車輛為研究對象，基于多體動力學理論，采用UM多體動力學軟件建立其動力學模型。該單軌車輛模型主要由1個車體、2個轉向架組成，車體和轉向架之間安裝有空氣彈簧、油壓減振器、橫向止擋等衰減車體與轉向架之間的振動。每個轉向架上均設置有2對走行輪輪對、2對導向輪輪對及1對穩定輪輪對，走行輪、導向輪、穩定輪均采用橡膠輪胎，在傳遞整車動力的同時起到一系懸掛的作用，整車不設一系懸掛，其拓撲結構如圖2所示[4]。

該單軌車輛系統由車體、轉向架、輪對等18個剛體組成，車體、轉向架各取6個自由度，即伸縮、橫移、浮沉、側滾、點頭、搖頭，輪胎取1個繞軸轉動的點頭自由度，整個車輛系統共38個自由度，垂向橫向具有強耦合作用，如表1所示。

對于該單軌車輛的多剛體系統，可以列出各剛體微分方程的矩陣形式如下：

2? 減振器失效對運行平穩性的影響

2.1 車輛運行平穩性評價指標

目前國內外還沒有建立跨座式單軌車輛運行平穩性評價指標，因此，本文采用鐵道車輛的Sprling舒適度指標來評價單軌車輛的運行平穩性，其計算公式如下[5]：

式中：W為平穩性指標;A為車體振動加速度，g;f為振動頻率，Hz;F（f）為頻率修正系數。

2.2 減振器失效對橫向平穩性的影響

在右轉彎時，左側減振器失效對平穩性影響較大，因此考慮減振器的幾種失效工況如表2所示。

根據以上四種仿真工況，可以得到跨座式單軌車輛不同數量的減振器失效時車體的橫向加速度如圖3所示。

由圖3可以看出，在0～5秒、12～22秒和32～35秒時，車輛減振器失效對單軌車輛橫向穩定性影響不大。這是由于當二系油壓減振器失效時，穩定輪和導向輪承擔一系懸掛的作用，在直線段和穩定曲線段車體的受力較為平衡，其產生的阻尼力可以衰減由軌道不平順所產生和離心力所產生的車輛橫向振動。但在5～12秒及22～32秒，車輛處于過渡曲線段，整車受力變化較大，此時，當減振器完全失效時，整車的橫向加速度波動最大，并在24秒左右達到峰值，其橫向加速度幾乎達到正常工況下的2倍。仿真結果表明，減振器失效幾乎不影響車輛在直線段和穩定曲線段的橫向穩定性，但是在進入穩定曲線段和駛出穩定曲線段時，減振器完全失效時對車輛橫向穩定性的影響較大。

2.3 減振器失效對垂向平穩性的影響

在不同數量減振器失效的工況下，跨座式單軌車輛車體的縱向加速度變化規律如圖4所示。

由圖4可以看出，單軌車輛垂向加速度隨著減振器失效數量的增多依次增高，當所有減振器均失效時，車輛運行到24s左右，縱向加速度達到峰值，達到正常工況的3倍。需要指出的是，當車輛未進入曲線段時，減振器失效工況與正常工況下的車輛縱向加速度變化相差不大，進入曲線段之后，在軌道的超高的作用下，車輛的縱向加速度變化增大。減振器失效工況下，車輛走行輪的一系減振作用無法及時衰減車輛的振動。特別是當減振器完全失效，車輛處于工況四時，至仿真結束35秒，車輛垂向加速度仍未收斂至初始直線段狀態。仿真結果表明，單軌車輛減振器失效會顯著增加車輛的縱向加速度，車輛的縱向加速度會隨著單軌車輛減振器失效的數量的增多而增加。

2.4 減振器失效對曲線通過性的影響

跨座式單軌車輛的曲線通過性能可以采用車身側傾角來表征，在不同數量減振器失效工況下，仿真得到的單軌車輛的車身側傾角如圖5所示。

由圖5可以看出，減振器失效對跨座式單軌車輛車身側傾角整體變化趨勢幾乎沒有影響，僅當減振器全部失效時，在過渡曲線段車身側傾角的波動較正常工況下的大。仿真結果表明，油壓減振器失效對于車身側傾角的影響很小，當減振器失效時不會明顯降低單軌車輛的曲線通過性能。

3? 結論

通過仿真分析，我們可以得到：每輛車失效1個、2個或3個減振器時，對單軌車輛橫向平穩性影響不大，當減振器全部失效時，車輛通過過渡曲線段的橫向加速度顯著增加。每輛車失效1個或2個減振器時，單軌車輛的縱向加速度變化不大，每輛車失效3個以上減振器時縱向加速度顯著增加。

參考文獻：

[1]杜子學，曹丹婷.跨座式單軌車輛空氣彈簧失效對行車安全性能的影響研究[J].機車電傳動，2016（05）：76-80.

[2]時蕾，宋慧娟.高速列車抗蛇行減振器故障分析[J].中國工程機械學報，2019，17（04）：350-355.

[3]蔣益平，池茂儒，朱海燕.不同位置橫向減振器失效對地鐵車輛動力學性能影響[J].科學技術與工程，2019，19（10）：210-215.

[4]喬志.跨座式單軌交通車輛—軌道梁耦合系統動力問題研究[D].北京：北京交通大學，2016.

[5]趙樹恩，劉淅，杜子學，等.側向風作用下跨座式單軌車輛運行平穩性研究[J].科技導報，2014，32（22）：42-46.