抗蛇行減振器故障對動車組平穩性的影響分析

李維泰，孔博文，任曉旭

（中國鐵路濟南局集團有限公司青島動車段，山東青島 266000）

0 引言

頻繁的蛇行運轉不僅會威脅到機車車輛運行的穩定，還會損壞鋼軌，是影響機車運行穩定與列車速度提升的關鍵問題。為遏制機車車輛的蛇行運轉，重點憑借在車體與轉向結構之間縱向安裝抗蛇行減振裝置，盡可能提升車輛系統的臨界速率，以提高機車車輛的運轉穩定性。因為在高頻率高壓力下長期運行，抗蛇行減振裝置不可避免會發生故障，這在阻尼力的改變中會有所體現，所以必須找出減振器故障類型，運用減振裝置所剩阻尼力對車輛動力學性能開展剖析。

1 抗蛇行減振器故障類型及特征

抗蛇行減振裝置內部構架精密復雜，而且長時間在高壓力高負擔下工作，所以其故障類型較多（圖1）。通過動車組檢修運用調查，歸納出減振裝置重點分為減振裝置油誘發的問題、零部件損壞故障及其他故障。

圖1 抗蛇行減振器內部結構

1.1 減振器油引起的故障

1.1.1 減振器油泄漏

CRH380B 型動車組運用的為油壓減振裝置，裝配偏差等誘發的油泄漏較為頻繁。偏載偏磨導致的活塞桿與油封破損、內部構件精確度達不到所需、能造成油泄漏。油滲透會引起減振裝置阻尼力越來越小，直至最終喪失了減振效果。減振裝置油滲漏容易被察覺與辨別，當液壓油滲漏后會對減振裝置外表形成威脅，通過外觀檢查就能夠察覺。

1.1.2 減振器油油品質量

減振裝置油必須具備較為突出的黏溫特征、低溫效果、平衡性突出、優質的摩擦因數、較為突出的抗損耗效果，此外還必須具備較為突出的橡膠兼容效果，杜絕密封材料的腐蝕。特別是在高寒區域運用的減振裝置因為環境復雜，更加要具備較為突出的低溫效果，否則阻尼力必將提高。減振裝置工作過程中，油的溫度會持續遞增，黏溫特征不突出的液壓油會導致阻尼力銳減，當油品不佳時容易形成乳化狀況，會減弱減振阻尼優勢。如果活塞和工作缸之間長時間摩擦，極有可能導致磨損、產生鐵屑，最終致使液壓油遭到污染，這個階段減振裝置阻尼力會不斷提高。

1.2 減振器零部件損壞

1.2.1 減振器端部橡膠故障

抗蛇行減振裝置兩端具備橡膠節點，該橡膠節點是橡膠套彈性接口，能在一定程度上抵消部分振動，同時改善活塞桿在運轉環節中受到的轉動扭矩。當減振裝置橡膠節點腐蝕或損耗時，節點剛度遞增，減振裝置等同于剛性銜接的純阻尼體系。

1.2.2 減振器補償閥故障

補償閥停滯運轉后會形成空程，主要原因是當減振部件遭到壓縮時補償閥會停止工作，此時工作缸油腔內積累的油將被經由補償閥輸送至儲液缸內，如果沒有壓縮閥的輔助，此時阻尼力將暫時消失，直至補償閥完全停止后阻尼力又回到原先的狀況。

1.3 其他故障

減振裝置長期運轉后，活塞和工作缸之間的摩擦將變得愈發嚴重，由于溫度遞增，會形成減振狀況卡死的問題，進而引起減振裝置失去效果。一旦緊固閥片的螺母出現了略微松動，閥門預緊力形成威脅，進而威脅到阻尼力。但若閥門頻繁彎曲，必將導致其外形受到影響，甚至出現阻隔，導致減振裝置失去作用。

任何問題都可等效于減振裝置阻尼力的改變。因此，本文運用增加與減少阻尼力的方法，開展模擬減振裝置在運用環節可能形成的問題，阻尼力偏差范疇在規定范疇的-50%～100%（圖2）。

圖2 不同工況下抗蛇行減振器阻尼特性

2 整車動力學模型的建立

2.1 車輛—軌道系統非線性處理

（1）輪軌接觸。輪對和軌道的接觸難度始終是這一范疇探討的關鍵之一，差異化輪軌和差異化鋼軌之間的接觸存在幾何關聯。起初在分析機動車動力學時，往往把輪軌聯系視為近似線性化，并借助“等效踏面錐度”“等效輪軌接觸角”等策略實現結構的升級。隨著國內鐵路建設技術的不斷進步，業內為了顯著提升輪對的使用壽命、為車輛提供更平穩的行駛環境，如今已經不再運用傳統的錐形踏面，而運用非線性較為突出的損耗類踏面。

（2）輪軌蠕滑。由于車輪和鋼軌具有一定的彈性，所以當車輪朝著鋼軌行駛，并且核心區域橫向遷移或偏轉環節中，輪軌之間在縱向、橫向以及垂直于接觸面的回轉方面構成相關轉移，這一相應位轉移被稱之為蠕滑，隸屬于彈性滑動（處于純粹滾動以及純粹滑動之間的一類行駛模式）。在蠕滑率不足時，蠕滑力和蠕滑率之間形成顯著的線性聯系，但如果蠕滑率處于某一個特定層面的大蠕滑條件之中，此時兩者之間將維持著非線性關系。

（3）懸掛系統。動車組列車懸掛體系內的一系垂向減振裝置、二系垂向減振裝置、二系橫向減振裝置及抗蛇行減振裝置之間具備一定的互相作用，各個減值裝置與列車的運行條件之間形成一些非線性關聯，也會威脅抗蛇行減振裝置的效果。

（4）軌道因素。動車組運行的軌道對車輛的運行存在較大的影響。軌道不平順或傾斜等均會影響動車組平穩性，其讓機動車體系構成各種強迫振動，上述振動會對機動車動力學形成負面威脅。在各類型軌道上運行的動車組其減振器的運動存在不動的狀態。

3 蛇形失穩仿真分析

3.1 車體低頻晃動分析

對車輪踏面外觀與規范鋼軌搭配開展實際操控，軌道幾何信息的優化應當把控在常規偏差范疇之中，進而獲得較為合理的等效錐度比較踏面與規范鋼軌。輪對橫移范疇等效錐度減少工作狀況假如發生不符合抗蛇行減振裝置信息，而車體橫向3 Hz 以下振動是誘發車輛低頻率振動的關鍵所在。對于CRH3 動車組規劃計劃每一個轉動輪架每端必須配備兩個T60、T70 抗蛇形減振裝置，同時在配備之后以橫向振動效果剖析低等效錐度搭配，進而查驗仿真結果。兩個T60 抗蛇形減振裝置結合規劃的運用能夠獲得車體橫向加速率由于振幅數字較小對諧波組成威脅低，振動主頻得以控制在有限范圍內；而兩個T70 抗蛇形減振裝置的運用則會發生較為突出的諧波振動，主頻波動變化使得加速度幅值也發生改變。這直接證實了，運用兩個T60 抗蛇形減振裝置結合規劃時，銳減的動態剛度車體在振動次數出現高頻率轉換，從而銳減車體振動能量、落實遏制振動目的。而兩個T70 抗蛇形減振裝置結合規劃由于動態剛度較高無法銳減車體振動效果難以遏制車體振動。

3.2 轉向架蛇形失穩分析

在車輛動力學評估標準內轉向架蛇行運轉穩定效果較為突出，結構橫向加速率大范疇提高與轉向架蛇行運轉穩定成效不高有著直接的聯系。已知分析得出T70 抗蛇形減振器轉向架橫向加速率顯著低于T60 抗蛇形減振裝置，這也證實在300 km速率運轉過程中運用T70 抗蛇形減振裝置不容易形成結構橫向加速率警報，而在相應時速運行中因T60 抗蛇形減振器發生失穩進而發生振動傳遞，車體橫向穩定效果標準提高。為證實模擬規律的穩定效果，應用線路測驗比較操作開展證實。裝用抗蛇形減振裝置以相似線路轉向結構測驗證實諧波振動測驗兩個T60、T70 抗蛇形減振器幅值發現，換裝T70 抗蛇形減振裝置對于轉向架的失穩運轉可以落實合理遏制，降低加速度幅值，且架構橫向波形衰減非諧波隨機振動原因。

4 結果及分析

常見的動車組力學性能主要包含穩定性、曲線通過性、平穩性等內容。其中平穩性主要是針對旅客乘坐舒適性來分析的，大多數以Sperling 標準落實評估。穩定性、曲線通過性則主要借助減載率、脫軌系數、輪軌垂向力、臨界速率、磨耗功率等參數進行計算。

4.1 車輛平穩性分析

動車組平穩性評估參考相關要求，在橫向偏移轉向架核心區域1 m 區域的車內地板面中計算出加速度參數。考慮到減振裝置的阻尼在-50%誤差階段其動車組平穩性將有所降低，因此可將其橫向、垂向平穩性的參數分別設為2.20、1.85，同時將車體橫向、垂直加速度的最大值分別設為2.35 m/s2、0.37 m/s，如果減振裝置阻尼力能夠維持在-40%～100%的誤差范圍之內，憑借剖析車體加速度峰值隨著阻尼力誤差改變曲線能夠獲得，在-20%阻尼力誤差時獲得最低垂向加速度為0.187 m/s2，在-50%阻尼力誤差時平穩性低下，計算最大垂向加速度為0.370 m/s，其差距在49.5%。可阻尼力誤差在-40%～100%內改變時，垂向加速度改變趨勢較為不足；車體橫向加速度改變趨勢為先基數降低，隨后逐漸降低，最終趨于穩定。

4.2 車輛穩定性分析

抗蛇行減振裝置常規問題對高速列車動力學性能的威脅，動車組穩定性項目有輪重減載率、脫軌系數、磨耗功率、輪軌橫向力、輪軌垂向力、臨界速率。

脫軌系數伴隨著阻尼力誤差遞增而減少，阻尼力在標準數值時，脫軌系數減少態勢緩慢。輪軌損耗的態勢與脫軌系數趨勢相似，抗蛇行減振裝置阻尼力對輪軌損耗的威脅較高。阻尼力偏差會對輪軌垂向力均方根參數威脅較小，阻尼力對輪軌橫向力均方根植具備一定的價值。動車組非線性臨界速率會隨著抗蛇形減振裝置阻尼力的遞增而遞增。

5 結論

（1）減振裝置油滲漏和補償閥滯后等誘發阻尼力降低的穩定必須高度重視，因為其直接影響減振器功能。

（2）當抗蛇行減振裝置溫度促使阻尼力誤差不足時，對車輛車輛垂向運動威脅較低，對列車運行平穩性不會產生較大的影響。

（3）抗蛇行減振裝置難題對于臨界速率、輪軌磨耗功率和車體橫向加速度的作用較為顯著，如果受到抗蛇形減振器溫度的影響，其誘發阻尼力誤差略微小于規范標準，此時對動車組運轉平穩性會造成較高的負面威脅。

（4）經過剖析動力學參數成果，依據確保動車組穩定性的基礎上最大化提升動車組運轉穩定性的準則，可以挑選抗蛇行減振裝置的最合理阻尼特性，最佳數值為90%～100%規范阻尼特征，也就是抗蛇行減振裝置卸荷速率為0.03 m/s、卸荷力為8～9 kN后，動車組各動力學性能符合相關最佳狀況。