抗蛇行減振器溫變/頻變特性與車輛動力學性能關系

2022-11-02 08:53:00張龍華吳興文徐傳波郭兆團

重慶交通大學學報(自然科學版) 2022年10期

時蕾，張龍華，吳興文，徐傳波，郭兆團

(1.鄭州鐵路職業技術學院機車車輛學院，河南鄭州 450052；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031)

0 引言

鐵道車輛油壓減振器作為車輛系統重要懸掛部件之一，其主要作用就是吸收振動能量，衰減車輛振動，提高車輛動力學性能。油壓減振器工作介質為耐磨抗壓液壓油，利用分子之間吸引力做負功產生阻尼力，將振動機械能轉換為內能，一部分被油液吸收，一部分通過熱傳遞耗散出去。油溫直接影響減振器的阻尼特性，間接影響車輛動力學性能，故減振器溫變特性是高寒動車組設計研發所關心的問題之一。也有不少學者對鐵道車輛油壓減振器的阻尼特性展開研究，如文獻[1]～文獻[4]研究了減振器的的動態特性；文獻[5]綜述了汽車減振器的溫升帶來的弊端；文獻[6]基于MATLAB對減振器黏溫特性展開了研究；文獻[7]～文獻[9]對減振器溫變特性展開了相關研究；文獻[10]對高鐵減振器低溫特性進行了研究，文獻[11]研究了液壓阻尼孔的寬溫度范圍對其流動特性影響；文獻[12]研究了雙筒液壓減振器動態特性。

筆者主要選取了兩種鐵道車輛常用的不同類型結構減振器進行研究(一種為螺旋彈簧控制阻尼結構，另一種為閥片控制阻尼結構)，從結構和原理出發，分析了溫度和頻率對這兩種結構油壓減振器阻尼特性和動態特性的影響。

減振器動態特性不僅具有幅變特性，還具有頻變特性，如果再加上溫度影響，又具有一定溫變特性。且減振器在實際工作過程中，其幅值和頻率也是在時刻變化的，因此，筆者并未局限于靜態特性研究，選用了兩種不同結構的常用減振器，綜合考慮了溫度對其動態剛度及動態阻尼的影響。另外，從理論和試驗角度分析了油液溫度對減振器本身的影響之后，通過SIMPACK建立高速車輛動力學模型，仿真分析了油液溫度對車輛動力學性能的影響，這為后期高寒動車組的進一步研發提供參考。

1 油壓減振器結構和原理

1.1 閥片控制型結構及原理

圖1為閥片控制型減振器結構，其主要由球鉸總成、活塞桿總成、骨架密封、活塞總成、底閥總成、外缸總成等組成。其工作原理如下：

1球鉸總成;2活塞桿總成;3骨架密封;4活塞總成;5底閥總成;6外缸總成

1)當減振器拉伸時，Ⅱ腔油液將拉伸面閥片頂開流入Ⅰ腔，油液頂開閥片的過程產生阻尼力。閥片總厚度越厚，油液越難頂開閥片，阻尼則就越大。同時，由于減振器產生拉伸動作，桿部分體積不再占據內缸空間，使得儲油缸中的壓強大于壓力缸Ⅰ腔，在壓強作用下，Ⅲ腔油液補入到Ⅰ腔，完成一個拉伸循環，油液流向如圖2中實線箭頭方向。

圖2 閥片控制型減振器拉伸和壓縮原理

2)當減振器向右壓縮時，Ⅰ腔油液受壓縮，Ⅰ腔一部分油液頂開壓縮面的閥片流向Ⅱ腔。同時，由于桿又占據了壓力缸一部分體積，另一部分油液頂開底閥上的閥片流向Ⅲ腔，完成一個壓縮循環。油液頂開壓縮面的閥片和頂開底閥上的閥片過程產生阻尼力，壓縮阻尼力大小由活塞壓縮面閥片總厚度及底閥面上閥片總厚度同時決定。

1.2 彈簧控制型結構及原理

圖3為彈簧控制型減振器剖視結構，其主要由球鉸總成、外缸總成、活塞及活塞桿總成、導向蓋總成、保護罩總成、底閥總成組成。其工作原理為：

1球鉸總成；2外缸總成；3活塞及活塞桿總成；4導向蓋總成；5保護罩總成；6底閥總成

1)當減振器拉伸時，Ⅱ腔油液在壓強作用下，擠壓彈簧，通過拉伸阻尼閥流向Ⅰ腔。由于活塞桿有一部分移出壓力缸，不再占據壓力缸體積，導致壓力缸Ⅰ腔內壓強小于儲油缸Ⅲ腔，儲油缸Ⅲ腔油液在壓強作用下頂開單向閥流入Ⅰ腔，來彌補體積的缺失，從而完成一個拉伸循環，拉伸油液流動方向如圖4中實線箭頭方向。阻尼力大小由彈簧預緊力控制，彈簧預緊力越大，油液越難頂開彈簧，阻尼則越大，故拉伸阻尼力大小由拉伸阻尼閥彈簧預緊力控制。

圖4 彈簧控制型減振器拉伸和壓縮原理

2)當減振器壓縮時，壓縮腔Ⅰ腔油液在壓強作用下，一部分油液通過壓縮阻尼閥(與拉伸阻尼閥結構一樣，呈相反布置)流入Ⅱ腔，由于活塞桿占據了壓力缸一部分體積，另一部分油液通過底閥上的阻尼閥流入儲油缸Ⅲ腔。油液流經壓縮阻尼閥和底閥阻尼閥產生阻尼力，壓縮力大小由二者共同控制。

2 油壓減振器動態特性理論計算

隨著高速列車的逐漸發展，僅僅關注減振器的靜態特性已經不能滿足高速動車組對減振器的要求，尤其對抗蛇行減振器的要求。后期應當多關注其動態阻尼特性，這一動態特性是隨著減振器幅值、頻率變化而變化的，具有一定幅變特性和頻變特性。

減振器動態模型可以簡化為一個阻尼單元和一個剛度單元的串聯，如圖5。

圖5 減振器動態特性計算模型

對活塞進行受力分析：

(1)

式中：m為活塞單元質量；k為球鉸總成等串聯剛度；c為減振器阻尼；x為減振器受到的振動位移激擾；ω為激擾頻率；A為激擾位移。

由于活塞質量較輕，慣性可以忽略不計，故式(1)可以簡化為：

(2)

對式(2)進行求解得：

(3)

其中相位角φ：

(4)

由式(3)可得減振器阻尼力F:

(5)

由式(5)可知減振器阻尼力幅值如式(6)：

(6)

由式(6)可得減振器動態剛度k：

(7)

由式(3)可知，減振器振動位移幅值為：

(8)

對式(7)進行轉換，可得：

(9)

因振動位移幅值A0和振動位移A均為已知，故相位角φ可通過式(9)求取得到。

由式(4)可得：

(10)

通過式(7)、式(9)、式(10)可以求得減振器的相位角、動態剛度和動態阻尼。

3 油壓減振器溫變及頻變特性試驗研究

為了研究鐵道車輛油壓減振器外界環境溫度對其本身阻尼特性以及動態特性的影響，選取了閥片控制阻尼型和螺旋彈簧控制阻尼型兩種典型結構在某減振器性能試驗臺上進行試驗。將這兩種結構減振器分別置于-40、-10、0、20、70 ℃環境中，待24 h以后再進行試驗。

試驗完成后，減振器動態剛度和動態阻尼由式(7)、式(10)進行求取(可由MATLAB進行批量處理)。

3.1 彈簧控制型減振器試驗研究

圖6為彈簧控制型減振器在幅值為0.8 mm、頻率為0.5 Hz下的示功圖，圖7為幅值為1.5 mm下動態阻尼隨溫度、頻率變化情況，圖8為幅值為1.5 mm下動態剛度隨溫度、頻率變化情況。從圖6可以發現，隨著油液溫度的升高，減振器吸收的能量(即橢圓面積)越來越小。這是因為減振器原理為利用油液分子之間吸引力做負功，將振動能轉化為油液內能。油液黏度越大，分子間吸引力就越大。當幅值和頻率相同情況下，黏度大的油液吸收的能量要比黏度小的油液多。隨著溫度增加，油液動力黏度逐漸減小，故導致減振器吸收的能量逐漸減小。且-40～0 ℃ 橢圓面積差比0～70 ℃ 面積差還要大，這說明低溫對減振器阻尼特性影響要大于高溫。這是因為低溫時，隨著溫度升高，油液動力黏度下降速度要大于高溫。從圖7可以發現，隨著溫度的升高，減振器動態阻尼逐漸減小，這也是由油液黏度隨溫度升高而下降所導致。-40～0 ℃ 動態阻尼減小速度要大于0～70 ℃動態阻尼減小速度，這也說明低溫對動態阻尼影響要大于高溫，這是由于相對于高溫，油液黏度在低溫時下降更快。隨著頻率增加，動態阻尼呈先增加后減小趨勢，這是因為一開始減振器振動速度小，力比較小，力值大小無法頂開彈簧，油液全部從阻尼閥上的“常通孔”流走，減振器沒有“卸荷”。隨著頻率增加，阻尼力值越來越大，力值大小足夠頂開彈簧，油液全從阻尼孔流走，減振器達到“卸荷”狀態，阻尼力逐漸減小。從圖8可以發現，隨著環境溫度增加，動態剛度逐漸減小。且-40～0 ℃動態剛度減小速度要大于0～70 ℃動態剛度減小速度，這說明低溫對動態阻尼影響要大于高溫。動態剛度的溫變特性也是由油液黏度特性所致。隨著頻率增加，動態剛度呈先增加后逐漸保持不變趨勢，也是因為減振器一開始沒有處于卸荷狀態，隨著頻率增加，減振器逐漸達到卸荷狀態。

圖6 0.8 mm幅值、0.5 Hz頻率工況下不同環境溫度對彈簧控制型減振器示功圖的影響

圖7 1.5 mm幅值下不同環境溫度對彈簧控制型減振器動態阻尼的影響

圖8 1.5 mm幅值下不同環境溫度對彈簧控制型減振器動態剛度的影響

3.2 閥片控制型減振器試驗研究

圖9為幅值為1 mm、頻率為1 Hz工況下減振器示功圖隨溫度變化的情況。從圖9中可以發現，減振器吸收的能量隨著溫度的升高逐漸減小，且低溫對其阻尼特性影響同樣大于高溫。從圖10和圖11可以發現，閥片控制型減振器溫變特性及頻變特性與彈簧控制型減振器相同，唯一不同的是彈簧控制型低溫和高溫的溫變特性差別要比閥片控制型減振器大。這是由油液對溫度的敏感程度引起的，說明彈簧控制阻尼型所選用的油液對溫度更加敏感。同時，這也說明了，在高寒地區，需要選用對環境溫度相對不敏感的油液，否則減振器的高低溫性能相差太大，會對車輛動力學性能造成一定影響。