彈性膠泥緩沖器關鍵參數對快捷列車縱向沖動的影響

趙旭寶， 魏 偉， 董靚瑜， 李 靜

(1.大連交通大學 計算機與通訊工程學院，大連 116028； 2.大連交通大學 機車車輛工程學院，大連 116028)

隨著我國改革的不斷深入，產業結構不斷優化升級，“互聯網+”及電商的快速發展，推動了以網絡購物為代表的新型商務模式。以時效性、多樣化、高附加值等特征的貨物運輸需求急劇增長。鐵路貨物運輸模式正經歷由數量需求向速度需求轉變。快捷運輸組織模式逐漸成為了當今世界鐵路運輸發展的重要方向。快捷貨車以集裝箱運輸，日用百貨、精密儀器、電子電器等高附加值貨物運輸為主，因此對運輸的質量和速度有較高的要求。快捷鐵路貨車運行時速一般為140～160 km/h，列車編組20輛左右，牽引噸位為1 400～1 800 t[1]。從20世紀80年代開始，歐洲各發達國家，如德國、法國等，先后開發使用快捷貨車。歐洲主要采用“編組短、質量輕、速度快”的輕捷快運模式。法國國家鐵路公司，通過對貨運繁忙干線全面提速和發展高速鐵路貨運等措施發展快捷運輸。美國的快捷貨運服務系統幾乎覆蓋了整個美洲大陸[2]。

由于快捷運輸以運送高附加值貨物為主，因此對其運輸質量有較高的要求。緩沖器作為連接車輛的重要部件，在列車運行中起到了緩沖和耗散車輛縱向沖擊動能的作用。緩沖器性能的優劣，直接影響著車輛間縱向力的大小，進而影響列車的縱向沖動。目前，在國內快捷貨車上普遍使用的是彈性膠泥緩沖器，因此深入研究彈性膠泥緩沖器的關鍵參數對快捷列車縱向沖動的影響，對保障快捷貨車運行的平穩性和安全性具有重要的意義。

Olshevskiy等[3]建立了改進的摩擦式緩沖器動力學模型和調車沖擊的仿真模型。模擬了貨車組的調車沖擊工況，討論分析了一車沖一車和多車沖多車工況下的緩沖器剛度和車鉤力特性方面的主要區別。Wu等[4-5]建立了摩擦緩沖器、膠泥緩沖器和摩擦膠泥緩沖器三種具有不同阻尼機理的緩沖器模型，分析比較了三種緩沖器在貨車沖擊試驗工況下的沖擊特性、頻率響應和疲勞損傷。Zhu等[6]建立了車鉤緩沖器的力學模型，研究了城際列車沖擊碰撞的機理。分析了車鉤緩沖器對列車沖擊碰撞行為的影響。研究了在碰撞過程中，車鉤俯仰偏角的影響因素。Cole等[7-8]對貨車用緩沖器進行了數學分析，建立了簡化的緩沖器模型，研究了不同載荷下的重載列車縱向動力學性能。黃運華等[9]通過附加阻尼的方法構建摩擦式緩沖器模型，詳細地研究了緩沖器的阻抗特性和列車縱向沖擊機理；馬衛華等[10]研究了摩擦膠泥型和彈性膠泥型緩沖器靜態與動態阻抗特性對萬噸重載列車動力學性能的影響；Chang等[11]利用描述懸掛系統中懸掛力的數學方程模擬了鋼摩擦緩沖器實際的干摩擦阻尼遲滯特性，構建了重載列車縱向動力學模型。仿真分析了2萬噸重載列車的縱向動力學特性，并用試驗數據對仿真結果進行了驗證。孫樹磊等[12]以緩沖器動力學模型及空氣制動系統模型為基礎，建立了列車縱向沖擊動力學模型，仿真分析重載組合列車在不同線路條件和制動作用下的縱向動力學行為。楊亮亮等[13]根據鐵路貨車縱向受力特點，利用MATLAB軟件建立鐵路貨車調車沖擊的動力學模型，研究了不同軸重車型，不同緩沖器特性、不同制動阻力狀態及不同沖擊模式對車輛縱向沖擊特性的影響。張淵等[14]使用空氣制動與縱向動力學聯合仿真系統，計算萬噸重載列車在回送運行施行緊急制動的列車縱向沖動。

但上述研究僅是針對重載列車縱向沖動，對快捷列車縱向沖動的分析，尤其是針對彈性膠泥緩沖器對列車縱向沖動研究較少，因此，本文根據彈性膠泥緩沖器的結構原理，構建一種基于速度型的彈性膠泥緩沖器動力學模型，利用空氣制動與縱向動力學聯合仿真系統，分析彈性膠泥緩沖器的各關鍵結構參數對列車縱向沖動的影響，找出其變化規律。

1 彈性膠泥緩沖器動力學模型

當前，在運行時速160 km/h的快捷貨車上以JN30型彈性膠泥緩沖器應用最為廣泛。該緩沖器主要是由缸體、環簧組件和彈性膠泥芯體等部分構成。總體結構如圖1所示。

圖1 彈性膠泥緩沖器總體結構圖

彈性膠泥芯體是采用活塞桿導向、帶高壓室的雙室結構，主要由缸體、活塞桿組件、彈性膠泥及密封裝置等部分構成。其中彈性膠泥是由聚有機硅氧烷(簡稱聚硅氧烷)、填充劑等材料混煉而成，其主體材料聚硅氧烷是未經交聯的，它決定了彈性膠泥的基本性能[15]。彈性膠泥芯體結構如圖2所示。

圖2 彈性膠泥芯體結構圖

彈性膠泥緩沖器在工作過程中是通過活塞桿的往復運動，彈性膠泥流體高速通過環狀節流縫隙而產生阻尼作用力，利用彈性膠泥芯體和環簧組共同作用以緩和、吸收沖擊能量。緩沖器在使用前會根據需要設置一定的預壓力。緩沖器在受外力壓縮時，活塞桿逐步壓入活塞缸內，各環簧組開始相互擠壓，產生彈性形變，環簧接觸面間相互摩擦會消耗一定的沖擊能量；同時活塞桿被壓入缸體內，使得彈性膠泥體積壓縮，增大了缸體內膠泥壓力，從而給活塞桿提供了較大的反力，達到儲能效果。由于膠泥具有良好的流動性，膠泥在活塞和缸體內壁間的環狀縫隙內流動產生了阻尼力，同時吸收了大部分的沖擊能量。緩沖器在復位時，環簧組作用力通過導套組成帶動膠泥芯體同步復位。同時，膠泥從單向節流閥和活塞與缸體內壁間的環狀縫隙回流到原來的腔室內，使得緩沖器回彈速度快、阻力小，保證了緩沖器及時復位。

由于緩沖器是由環簧組和彈性膠泥共同作用緩和列車縱向沖擊能量。因此，緩沖器既具有黏滯耗能特性，又具有彈性儲能特性，能夠自復位。因此，本文假設緩沖器阻抗力僅由彈性力和膠泥阻尼力構成。緩沖器的動力學模型看作是由一帶剛度的彈性元件和一隨速度變化的阻尼元件組成。緩沖器動力學模型方程可表示為式(1)

F=F0+Fk+Fd

(1)

式中：F為緩沖器總的阻抗力；F0為緩沖器的初壓力；Fk為彈性元件的彈性力；Fd為阻尼元件的阻尼力。

在緩沖器的工作過程中，緩沖器的彈性回復力，主要來自兩個方面，其一是環簧組的彈性回復力；其二是缸體內膠泥的彈性回復力。等效的彈性回復力表示為式(2)

Fk=a1·Δx

(2)

式中：α1為緩沖器加載過程中彈性力對應的綜合等效剛度；Δx為緩沖器位移。

另外，由于彈性膠泥屬于一種剪切稀化流體[16]，根據其本構關系方程和活塞桿的結構，推導出膠泥的阻尼力如式(3)

Fd=c·vn

(3)

式中：c為與活塞桿結構相關的系數；n為膠泥的流動指數，反映膠泥材料非牛頓流體性質的強弱，其取值范圍為0～1，對于某一固定型號的膠泥n為常數，n值可以通過試驗測得。

2 空氣制動與縱向動力學聯合仿真系統

根據列車縱向動力學原理和氣體流動理論，大連交通大學開發了列車空氣制動與縱向動力學聯合仿真系統(TABLDSS)[17]。該系統具有同步仿真列車制動特性和縱向動力學特性的功能。系統還具有良好的牽引特性、制動特性、車鉤力、加速度等性能參數同步計算及圖形化顯示功能。系統可模擬司機根據線路狀況、運行速度、列車限速等因素控制列車真實的運行過程。該系統為分析列車縱向沖動機理、優化制動特性、優化緩沖器特性、模擬列車駕駛提供了基本理論和實用工具。該仿真系統曾參加了國際列車縱向動力學模擬器的基準測試[18]。此項活動共有6個國家的9款仿真系統參與測試，TABLDSS仿真系統針對每個算例的計算精度和計算速度都名列前茅。

3 彈性膠泥緩沖器關鍵參數對快捷列車縱向沖動的影響分析

在列車正常運行狀態下，列車以實施緊急制動時產生的縱向沖動最為嚴重。因此，本文重點分析列車在緊急制動情況下，列車的縱向加速度和車鉤力兩個性能參數的變化。以此來分析緩沖器關鍵參數對列車縱向沖動的影響。

仿真計算條件：列車組成為1+20(1輛SS9電力機車+20輛P160D快運棚車)，單節車重72 t。在平直線路上，以160 km/h初速度實施緊急制動。制動系統采用KZ1快充分配閥，10 mm車鉤間隙。

3.1 初壓的影響

根據本文建立的彈性膠泥緩沖器模型，當其他參數不變時，將式(1)中緩沖器模型的初壓力值分別調整為20 kN,40 kN,60 kN,80 kN,100 kN等值。考察緩沖器初壓力變化對列車縱向沖動的影響。仿真計算結果如圖3和圖4所示。

圖3 初壓力對最大車鉤力的影響

圖4 初壓力對最大加速度的影響

圖3,4分別給出了在不同初壓力情況下列車最大車鉤力(壓鉤力)和最大加速度值的變化。由圖3可以看出隨著初壓力的不斷增大，車鉤力呈非線性增大，但在初壓力小于60 kN范圍內，車鉤力變化較小。在初壓力為20 kN時，列車中最大車鉤力為-159.1 kN；初壓力為100 kN時，列車中最大車鉤力為-185.9 kN。初壓力由20 kN 增大到100 kN時，車鉤力增長 14.4%。由圖4可知，在初壓力小于40 kN范圍內，加速度值隨著初壓的增大有逐漸變小的趨勢，但變化幅度較小；在初壓力大于40 kN范圍內，加速度值隨初壓力增加而增大。初壓力為100 kN時，列車中最大加速度為-2.43 m/s2。初壓力由20 kN 增大到100 kN時，加速度增長了32.9%。由此表明，緩沖器的初壓力設置過大將會增大列車的縱向沖動。分析其原因是增大初壓相當于增大緩沖器的初始阻抗，在車鉤力由前向后傳遞過程中，使得相鄰兩車輛間的車鉤力差增大，最終導致車鉤力和加速度隨初壓的增加而增大。綜合車鉤力與加速度的變化趨勢可知，緩沖器的初壓力設置在40 kN左右較為合理。圖5和圖6進一步給出了列車在不同初壓情況下最大車鉤力與加速度沿車長的分布。

圖5 車鉤力最大值沿車長的分布

圖6 加速度最大值沿車長的分布

3.2 綜合等效剛度的影響

根據環簧組的靜壓試驗可知，環簧的等效剛度約為2.4 kN/mm，環簧組靜壓試驗結果如圖7所示。同時考慮彈性膠泥在流動過程中也具有一定的剛度，因此本文在彈性膠泥緩沖器模型中，將式(2)中綜合等效剛度分別設定為3,4,5,…,10等值。考察緩沖器環簧機構等對應綜合等效剛度的變化對列車縱向沖動的影響。仿真計算結果如圖8和圖9所示。

圖7 環簧組靜壓試驗結果

圖8 綜合等效剛度對列車最大車鉤力的影響

圖9 綜合等效剛度對列車最大加速度的影響

圖8,9給出了不同綜合等效剛度下的列車車鉤力(壓鉤力)和加速度的最大值的變化規律。由圖8,9可以看出，隨著綜合等效剛度的增大，列車車鉤力最大值有逐漸增大的趨勢，當等效剛度設定為3 kN/mm時，車鉤力最大值為-131.18 kN；當等效剛度設定為10 kN/mm時，車鉤力最大值為-174.92 kN，但變化幅度僅為43 kN。在綜合等效剛度逐漸增大的過程中，列車加速度最大值呈現了先變小后逐漸增大的變化過程，但變化的幅度為僅為7.2%，最大的加速度值為-1.83 m/s2。由此表明，綜合等效剛度對列車縱向沖動有一定的影響，但影響較小。分析其原因是綜合等效剛度大小僅影響緩沖器的彈性回復力，而根據緩沖的工作原理可知，在彈性膠泥緩沖器中，緩沖器的性能主要是由彈性膠泥的性質所決定，彈性回復力對緩沖器的性能影響較小，因此車鉤力和加速度受其影響較小。圖10,11給出了不同等效剛度下沿車長分布的車鉤力和加速度。

圖10 車鉤力最大值沿車長分布

圖11 加速度最大值沿車長分布

3.3 膠泥流動指數的影響

在緩沖器模型中，在保持其他參數不變的情況下，將式(3)中膠泥流動指數n分別調整為0.1,0.2,…,0.9等值進行仿真計算，分析流動指數對列車縱向車鉤力和加速度的影響。仿真計算結果如圖12和圖13所示。

圖12 膠泥流動指數對最大車鉤力的影響

圖13 膠泥流動指數對加速度的影響

圖12,13給出了在不同膠泥流動指數情況下的列車車鉤力(壓鉤力)和加速度最大值的變化趨勢。由圖可12,13可知，膠泥流動指數對列車的車鉤力和加速度影響較大。尤其是當n大于0.5時，車鉤力和加速度呈指數級增長。當膠泥指數在0.1～0.5內變化時，車鉤力隨流動指數的增大呈逐漸減小的趨勢，但車鉤力整體變化幅度較小，僅為20.1 kN。在這個范圍內列車加速度最大值基本無變化。當膠泥指數在0.5～0.9內變化時，車鉤力和加速度都隨流動指數的增加而增大。在n值為0.5和0.9時，車鉤力最大值分別為-156.8 kN和-324.9 kN，增幅為51.7%；加速度最大值分別為-1.7 m/s2和-4.2 m/s2，變化幅度為59.5%。其原因是彈性膠泥緩沖器屬于速度型耗能器。由式(3)可知，阻尼力的大小與沖擊速度的冪次方(即流動指數n)成正比，因流動指數為正數且小于1，所以阻尼力隨活塞桿移動速度的增大而增加，但增長幅度逐漸減小。這正是膠泥緩沖器優點的體現。當沖擊速度較小時，緩沖器能提供較大的阻尼力，而沖擊速度較大時，又能較好的抑制阻尼力的最大值。這樣對車輛起到了很好的保護作用。但根據式(3)，當流動指數n較小時，提供的阻尼力也相對較小；相反，當n較大時，提供的阻尼力相對也較大。最終導致車鉤力和加速度受流動指數n影響較大。由上述分析可知，膠泥的流動指數限定在0.5附近時，將有助于降低列車的縱向沖動。圖14,15給出了在不同膠泥流動指數情況下車鉤力和加速度沿車長變化情況。

圖14 車鉤力最大值沿車長分布

圖15 加速度最大值沿車長分布

4 結 論

本文根據彈性膠泥緩沖器的結構原理，建立了基于速度型的彈性膠泥緩沖器模型，利用空氣制動與縱向動力學聯合仿真系統，分析了快捷貨車在初速度為160 km/h時的平道緊急制動工況下，緩沖器模型關鍵參數變化對列車縱向沖動的影響規律。得出結論如下：

(1) 隨著緩沖器初壓力的不斷增大，車鉤力和加速度均呈非線性增大趨勢。初壓力由20 kN 增大到100 kN時，列車車鉤力最大值增長了14.4%；加速度最大值增長了32.9%。綜合車鉤力與加速度的變化趨勢可知，過大的緩沖器初壓力將會增大列車的縱向沖動。緩沖器的初壓力設置在40 kN左右較為合理。

(2) 與緩沖器環簧組相關的綜合等效剛度對列車的縱向沖動有一定的影響，但影響較小。

(3) 彈性膠泥的流動指數對列車的最大車鉤力和最大加速度影響最大。尤其是當n大于0.5時，車鉤力和加速度呈指數級增長。當膠泥指數在0.1～0.5內變化時，車鉤力隨流動指數的變化幅度較小，而在這個范圍內列車加速度最大值也基本無變化。但當膠泥指數在0.5～0.9內變化時，車鉤力和加速度均隨流動指數的增加呈指數級增長。膠泥流動指數在0.5～0.9內變化時，車鉤力最大值增大為51.7%；加速度最大值增幅為59.5%。根據仿真結果，將膠泥的流動指數限定在0.5左右為宜，既可以保障緩沖器有足夠大的緩沖能力，又能降低快捷列車的縱向沖動。