高鐵車(chē)輛間油壓減振器特性及對(duì)高鐵動(dòng)力學(xué)性能的影響

吳忠發(fā),王文林,樊友權(quán),陳文韜

(1.湖南聯(lián)誠(chéng)軌道裝備有限公司,湖南 株洲 412001; 2.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,廣東 東莞 523808)

引言

高速動(dòng)車(chē)組在正常直線及曲線運(yùn)行時(shí),車(chē)廂之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),并且車(chē)輛在通過(guò)道岔、會(huì)車(chē)以及通過(guò)隧道時(shí),橫向振動(dòng)會(huì)加劇。車(chē)輛間減振器[1,2]用于輔助轉(zhuǎn)向架的一、二系懸掛來(lái)衰減列車(chē)車(chē)輛之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),主要是相對(duì)橫擺、搖頭、和側(cè)滾。然而,一般來(lái)說(shuō)車(chē)輛間減振器在通過(guò)約束車(chē)輛之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)量、提高直線運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的同時(shí),也對(duì)轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生了附加反力,從而導(dǎo)致輪軌橫向力、輪重減載率和脫軌系數(shù)上升,也就是說(shuō)同時(shí)會(huì)惡化曲線通過(guò)性能。因此,研究車(chē)輛間減振器的阻尼特性及其對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響,對(duì)后續(xù)車(chē)輛間減振器阻尼特性的動(dòng)力學(xué)匹配、優(yōu)選以及減振器產(chǎn)品本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)都具有重要意義。

在以往的研究當(dāng)中,針對(duì)軌道交通車(chē)輛轉(zhuǎn)向架主懸掛油壓減振器的各類(lèi)建模[3-5]、減振器參數(shù)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響[6-9]以及減振器阻尼特性的優(yōu)選優(yōu)化[10]方向開(kāi)展的工作較多,近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了車(chē)輛間減振器特性參數(shù)[11]和布置位置[12]對(duì)動(dòng)車(chē)組的影響研究,但目前在車(chē)輛間減振器相關(guān)的研究中,還有很多工作需要推進(jìn),工程中尚存在諸如動(dòng)車(chē)組車(chē)端橫向振動(dòng)過(guò)大、減振器效果不佳,以及車(chē)輛間減振器產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

以國(guó)內(nèi)某動(dòng)車(chē)組車(chē)輛間減振器為研究對(duì)象,首先主要通過(guò)對(duì)其閥系流量-壓力特性進(jìn)行建模,搭建了該減振器阻尼特性的參數(shù)化模型,并通過(guò)產(chǎn)品臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真和理論建模的正確性。基于SIMPACK平臺(tái),構(gòu)建了具有詳細(xì)車(chē)輛間懸掛的某動(dòng)車(chē)組的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型,研究了車(chē)輛間減振器及其參數(shù)對(duì)動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)包括會(huì)車(chē)響應(yīng)的影響。所構(gòu)建的車(chē)輛間減振器參數(shù)化模型、車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型以及研究結(jié)果為后續(xù)該車(chē)輛間減振器阻尼特性的動(dòng)力學(xué)優(yōu)選以及減振器產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1 車(chē)輛間減振器的阻尼特性建模

某動(dòng)車(chē)組車(chē)輛間減振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。減振器拉伸時(shí),活塞拉伸閥工作,同時(shí)底閥單向閥開(kāi)啟補(bǔ)油;減振器壓縮時(shí),活塞壓縮閥和底閥壓縮閥可協(xié)同工作。車(chē)輛間減振器安裝于車(chē)體和車(chē)鉤之間,其中在車(chē)鉤安裝端,減振器具有一個(gè)萬(wàn)向活動(dòng)關(guān)節(jié),使得減振器可以隨著車(chē)體的運(yùn)動(dòng)而自由活動(dòng)該車(chē)輛間減振器采用了彈簧閥片式阻尼閥結(jié)構(gòu)。

1.整體橡膠關(guān)節(jié) 2.防塵罩 3.活塞桿 4.骨架油封 5.外螺蓋 6.O形圈 7.格來(lái)圈 8.導(dǎo)座 9.活塞壓縮閥 10.活塞 11.活塞拉伸閥 12.鎖緊螺母 13.內(nèi)缸筒 14.外缸筒 15.液壓油 16.氣囊 17.底閥單向閥 18.底閥體 19.底閥壓縮閥 20.螺釘 21.萬(wàn)向活動(dòng)關(guān)節(jié)

圖2綜合展示了該減振器活塞閥組件和底閥組件的結(jié)構(gòu)爆炸圖以及各閥片堆的流體擠壓油膜壓力分布。結(jié)合彈性力學(xué)理論,在非均勻壓力分布作用下,閥片堆的變形量函數(shù)[7,13]可表示為:

(1)

圖2 車(chē)輛間減振器內(nèi)部各阻尼閥的結(jié)構(gòu)爆炸圖及其閥片堆的流體擠壓油膜壓力分布圖

式中,r,h——閥片半徑變量、閥片厚度,m

n——閥片編號(hào)

E——閥片彈性模量,Pa

p——減振器工作壓力,Pa

Ce——等效均布?jí)毫π拚禂?shù)

Cw——閥片彎曲系數(shù)

因此,結(jié)合圖1、圖2車(chē)輛間減振器及其閥系結(jié)構(gòu),可得出其閥系的流量-壓力特性方程為:

(2)

式中,Qvalve——閥系流量,m3/s

Cd1,Cd2——閥片堆閥口和常通阻尼孔的流量系數(shù)

rw1,rw2,rw3——活塞拉伸閥、活塞壓縮閥和底閥壓縮閥的自由半徑,m

A60——底閥常通阻尼孔的通流面積,m2

ρ——液壓油密度,kg/m3

x(t)——活塞桿相對(duì)于壓力缸筒的瞬態(tài)位移,m

pb——減振器儲(chǔ)油缸瞬態(tài)壓力,Pa

可表示為:

(3)

式中,Lt——活塞運(yùn)動(dòng)行程,m

pb0——減振器儲(chǔ)油缸初始充壓壓力,Pa

減振器拉伸和壓縮行程的阻尼力方程分別為:

(4)

(5)

式中,D,d——減振器活塞、活塞桿直徑,m

fc——減振器運(yùn)動(dòng)副總摩擦力,N

此外,減振器拉伸和壓縮行程的流量連續(xù)性方程分別為:

(6)

(7)

式中,Qloss——總損失流量,m3/s

基于所建立的參數(shù)化模型對(duì)車(chē)輛間減振器的阻尼特性進(jìn)行了仿真,同時(shí)運(yùn)用JS-30試驗(yàn)臺(tái)對(duì)該型車(chē)輛間減振器產(chǎn)品進(jìn)行了多輪試驗(yàn)研究,如圖3所示。圖4顯示了減振器在全域速度點(diǎn)v=0.2 m/s時(shí)阻尼特性仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,v為減振器的振動(dòng)速度,s為減振器的振動(dòng)位移。圖4對(duì)比表明,所建立的車(chē)輛間減振器阻尼特性的參數(shù)化理論模型是正確的,具有相當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)精確度。

圖3 車(chē)輛間減振器的臺(tái)架試驗(yàn)

圖4 車(chē)輛間減振器在全域速度點(diǎn)v=0.2 m/s時(shí)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

2 車(chē)輛間減振器阻尼特性對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響

為了研究車(chē)輛間減振器阻尼特性對(duì)動(dòng)車(chē)組的影響,基于SIMPACK平臺(tái),構(gòu)建了具有詳細(xì)車(chē)輛間懸掛的某動(dòng)車(chē)組的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型,如圖5所示。其中車(chē)輛間懸掛包括車(chē)鉤緩沖器和車(chē)輛間減振器,車(chē)輛間減振器阻尼特性采用了上節(jié)所建立和試驗(yàn)的簡(jiǎn)化參數(shù)化模型。

圖5 某動(dòng)車(chē)組的多體動(dòng)力學(xué)模型

圖6顯示了車(chē)輛間減振器阻尼系數(shù)Cd對(duì)尾車(chē)車(chē)端橫向振動(dòng)加速度AL和搖頭振動(dòng)角加速度AY的影響。PSD_AL為尾車(chē)車(chē)端橫向振動(dòng)加速度的功率譜密度,PSD_AY為尾車(chē)車(chē)端搖頭振動(dòng)角加速度的功率譜密度,f為頻率。圖6a表明,隨著車(chē)輛間減振器阻尼系數(shù)Cd的增大,車(chē)端橫向振動(dòng)加速度幅度被明顯地削減了,從橫向振動(dòng)加速度的功率譜密度對(duì)比也表明,Cd增大極大地抑制了車(chē)端橫向振動(dòng)在0.5～3.5 Hz主頻段的能量。

圖6 車(chē)輛間減振器阻尼系數(shù)對(duì)車(chē)端振動(dòng)的影響(仿真條件:直線軌道,車(chē)速200 km/h,美國(guó)Am6級(jí)軌道譜)

圖6b表明,Cd增大對(duì)車(chē)端搖頭振動(dòng)角加速度有明顯的抑制作用,極大地抑制了搖頭振動(dòng)角加速度在1.2～2.4 Hz主頻段的能量,對(duì)3～4.5 Hz頻段的振動(dòng)能量也有一定的削減作用。

由于本動(dòng)車(chē)組的車(chē)輛間減振器是布置在車(chē)體和車(chē)鉤之間,所以對(duì)車(chē)端側(cè)滾振動(dòng)的抑制不太明顯,但也有一定的抑制作用。

統(tǒng)計(jì)仿真數(shù)據(jù)表明,車(chē)輛間減振器能明顯地抑制車(chē)輛聯(lián)結(jié)處的復(fù)雜橫向晃動(dòng),相對(duì)于不安裝車(chē)輛間減振器,車(chē)端橫向振動(dòng)加速度均方根值最大可減小32.5%,車(chē)端橫向搖頭角加速度均方根最大可減小30.1%,車(chē)端橫向側(cè)滾角加速度均方根最大可減小12%,這是非常顯著的。當(dāng)然,現(xiàn)行車(chē)輛間減振器的阻尼系數(shù)200 kN·s/m有待于優(yōu)化,這是下一步要開(kāi)展的研究工作。

在高速列車(chē)上安裝車(chē)輛間減振器的另一個(gè)重要作用就是抑制車(chē)輛在會(huì)車(chē)、通過(guò)道岔或進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的復(fù)雜瞬態(tài)橫向晃動(dòng),并減小輪軌橫向作用力,提高列車(chē)的運(yùn)行安全性。在會(huì)車(chē)條件下,車(chē)輛間減振器能明顯抑制車(chē)體由于氣動(dòng)力作用而產(chǎn)生的橫向、搖頭和側(cè)滾振動(dòng),其中以抑制側(cè)滾振動(dòng)最為明顯。作為示例,圖7顯示了車(chē)輛間減振器阻尼系數(shù)Cd對(duì)尾車(chē)車(chē)端側(cè)滾振動(dòng)角加速度AR和輪軸橫向力Fs的影響,PSD_AR為尾車(chē)車(chē)端側(cè)滾振動(dòng)角加速度的功率譜密度。

圖7 會(huì)車(chē)條件下車(chē)輛間減振器阻尼系數(shù)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響(仿真條件:直線軌道等速會(huì)車(chē),車(chē)速200 km/h,美國(guó)Am6級(jí)軌道譜)

圖7a表明,如果不安裝車(chē)輛間減振器(即Cd=0),車(chē)端的側(cè)滾振動(dòng)幅度是巨大的,只要安裝了就被明顯地抑制,車(chē)輛間減振器幾乎削平了側(cè)滾振動(dòng)在0～0.5 Hz主頻段的巨大能量。由于振動(dòng)級(jí)別的巨大差異,圖7a中Cd變化時(shí)抑制效果的差異不能明顯地被表現(xiàn),但實(shí)際上是有差異的,阻尼系數(shù)取額定值200 kN·s/m時(shí)的抑制效果優(yōu)于取40 kN·s/m時(shí)的抑制效果。

圖7b表明,Cd增大能明顯減小會(huì)車(chē)期間的輪軸橫向力,輪軸橫向力的Bode圖也表明在0～8 Hz主頻段,車(chē)輛間減振器對(duì)輪軸橫向力的傳遞作用是明顯的。

統(tǒng)計(jì)仿真數(shù)據(jù)表明,高速列車(chē)會(huì)車(chē)期間,車(chē)輛間減振器能明顯抑制車(chē)體的復(fù)雜大幅橫向晃動(dòng)、減小輪軸橫向力和脫軌系數(shù)。相對(duì)于不安裝車(chē)輛間減振器,車(chē)端橫向振動(dòng)加速度均方根最大可減小9.5%,車(chē)端橫向搖頭角加速度均方根最大可減小19%,車(chē)端橫向側(cè)滾角加速度均方根最大可減小61.5%,這是非常顯著的,尤其是側(cè)滾振動(dòng)的減小;此外,最大橫軸橫向力最大可減小13.3%,最大脫軌系數(shù)最大可減小10.1%,這也是非常明顯的。當(dāng)然,現(xiàn)行車(chē)輛間減振器的阻尼系數(shù)200 kN·s/m還存在優(yōu)化空間。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)分析閥片式閥系的流量-壓力特性,建立了車(chē)輛間減振器阻尼特性的參數(shù)化模型,并通過(guò)產(chǎn)品臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真和理論建模的正確性;

(2) 車(chē)輛間減振器能明顯地抑制車(chē)輛正常運(yùn)行期間車(chē)端的復(fù)雜橫向振動(dòng)、提高乘坐舒適性,還能極大地抑制會(huì)車(chē)期間車(chē)體的大幅復(fù)雜橫向晃動(dòng)尤其是車(chē)體側(cè)滾、并減小輪軸橫向力和脫軌系數(shù),增強(qiáng)高速列車(chē)的整體性和安全性;

(3) 所建立的車(chē)輛間減振器參數(shù)化模型、車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)仿真模型以及研究結(jié)果為下一步該車(chē)輛間減振器阻尼特性的動(dòng)力學(xué)優(yōu)選以及減振器產(chǎn)品本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。