动车组用抗蛇行减振器动态特性研究

袁 泉,陆 超,洪从鲁,徐腾养,徐传波,

(1.广州铁路职业技术学院 轨道交通学院,广州510430; 2.郑州铁路职业技术学院 机车车辆学院,郑州450052;3.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,成都610031)

当车辆通过曲线时,外轮曲线通过半径大于内轮曲线通过半径,而内、外轮中间通过一根轴将两轮连接,其角速度一致,故外轮线速度大于内轮线速度.如果内轮与外轮滚动圆半径相等,即曲线滚动通过距离相等,由于两轮速度不一致,内轮会出现“原地打转”现象.汽车通过差速器解决了这一现象,铁道车辆将车轮踏面做成带有一定锥度，使得内外轮滚动圆周半径不同来解决这一问题.车轮踏面做成带有一定锥度方便了车辆通过曲线,但是当车辆在直线上行驶时,由于轨道不是绝对平顺或者车轮不是绝对圆,当轨道给车轮一定激扰时,会使得轮对发生横移.而由于车轮踏面具有一定锥度,当轮对发生横移时,会使得左、右轮的滚动半径发生变化,靠近钢轨的车轮滚动圆半径变大,而远离钢轨一侧的滚动圆半径变小,左、右轮半径交替变化使得轮对一方面横向移动,一方面又绕其质心转动,这两种运动的耦合运动形成了车辆的蛇行运动,如图1所示.车辆的蛇行运动为车辆自身的自激运动,是由于车轮踏面具有锥度及纵向蠕滑力存在引起的.车辆蛇行运动分为稳定的蛇行运动与不稳定的蛇行运动.蛇行运动的振幅随着时间的延续可自动收敛的,则为稳定的蛇行运动,不会对列车行车安全造成影响.随着时间的延续,蛇行运动振幅不能收敛,则为不稳定的蛇行运动.当速度较低时,由于具有弹簧及减振装置,蛇行运动可以被抑制.但是随着速度的增加,蛇行运动频率也会增加.如果蛇行运动频率不加以抑制或者无法抑制,当蛇行运动频率与轮对固有频率接近时,就会出现蛇行失稳,此时则会危及行车安全,需要按照参数相匹配的抗蛇行减振器来抑制蛇行运动.因此,研究抗蛇行减振器动态特性非常重要.油液作为减振器主要的减振介质,其黏度大小直接影响着减振器的性能,以油液为对象对减振器特性进行研究也非常有必要.

图1 蛇行运动Fig.1 Yaw movement

国内外对抗蛇行减振器有大量的研究:曾京等[1]对抗蛇行减振器和二系横向减振器橡胶节点刚度对车辆稳定性影响进行了研究;Alonso等[2]主要对抗蛇行减振器模型以及其对车辆稳定性影响进行了研究;吴国祥[3]基于Matlab对垂向减振器对车辆垂向平稳性能影响进行了分析;杨亮亮等[4]对抗蛇行减振器安装刚度对弹性构架车辆动力学性能影响进行了研究;何远等[5]对抗蛇行减振器串联刚度对车辆平稳性影响进行了研究;刘建新等[6]对抗蛇行减振器对机车平稳性影响进行了研究;黄彩虹等[7]对抗蛇行减振器对车辆系统稳定性影响进行综述分析；徐腾养等[8]对抗蛇行减振器安装刚度、间隙、有无节点等对其动态特性影响进行了分析.本文以油液为研究对象,通过研究温度对油液的影响来分析对减振器动态特性造成的影响.目前减振器使用较多的模型为串联模型即Maxwell模型以及并联模型,这两个模型均为考虑油液温度对减振器动态特性造成的影响.减振器相关模型不能忽略油液温度的影响,本文基于台架试验对抗蛇行减振器温变特性展开了试验模拟研究，具有一定的工程价值.

1 试验所用抗蛇行减振器工作原理及黏温特性

1.1 试验所用抗蛇行减振器工作原理

试验选用减振器为我国某高速动车组用抗蛇行减振器,油液为双向流动类型.其主要结构包括工作缸、储油缸、保护罩、防尘套、密封装置、导向盖、活塞及活塞杆、底阀、阻尼阀、气囊、橡胶节点等部件.其减振原理为“小孔节流”,即油液流经节流阀产生阻尼力.节流阀由调节螺母、心阀、阀弹簧及阀座等组成,心阀一侧开有节流阀.当减振器拉伸时,拉伸节流阀开启,压缩节流阀关闭,在油液的压强下,心阀上的节流阀被打开,活塞上腔的油液通过拉伸节流阀流到下腔,从而产生阻尼力.且油压越大,节流阀开启程度越大,阻尼力越大.当减振器压缩时,压缩节流阀开启,拉伸节流阀关闭；同理,在油液压强的作用下,压缩节流阀被开启,活塞下腔的一部分油液通过压缩节流阀流到油液上腔,一部分通过底阀流到储油缸.

1.2 抗蛇行减振器黏温特性

抗蛇行减振器利用油分子之间的吸引力,将振动的机械能转化为内能,一部分内能被油液吸收使得油温升高,一部分通过与外界热传递而耗散,最终会达到一个热平衡状态.油液的黏度会随着温度的改变而改变,粘温关系为

μt=μ0e-λ(t-t0)

(1)

式中:μt和μ0分别为t时刻和t0时刻的动力黏度;λ为黏温系数.

1.3 外界温度对油液黏性的影响

通过文献[9],发现外界温度与油液动力黏度具有以下关系,如图2所示.从图2中可以发现,油液温度对动力黏度的影响非常大,且低温对动力黏度的影响远大于高温对油液动力黏度的影响.高温对油液动力黏度的影响相对来说较小.

图2 油液动力黏度与温度关系Fig.2 The relationship between dynamic viscosity and temperature

2 油温对抗蛇行减振器特性研究

为了研究抗蛇行减振器温变特性即油液温度对其动态特性的影响,对我国某高速动车组用抗蛇行减振器进行了试验认证研究.试验所用试验台如图3所示.该试验台可以0°～90°自由旋转,可以满足抗蛇行减振器具有一定安装角度(即减振器实际装车时,可能存在与水平方向0°～5°的夹角)的试验要求,减振器端部通过液压锁紧机构锁死,防止由于减振器端部连接装置的晃动而带来的误差.根据TB/T 1491—2015[10]和EN 13802—2014[11]要求,减振器需要放置在恒温箱中24 h以上,然后将减振器取出进行安装.由于本次试验最低温度较低,为了防止减振器与外界环境之间存在热传递,故本次试验全程在高低温交变试验箱中完成,排除了外界温度对减振器内部油液温度造成的影响,比标准要求更加严格.

2.1 油温对减振器静态特性的影响

图4表示油液温度对减振器静态特性(即高幅低频,图中是幅值25 mm,0.02 Hz)的影响.减振器阻尼力F与活塞位移s之间关系(即示功图)是一个椭圆,其中椭圆围成的面积表示减振器吸收的能量大小.从图4中可以发现,从-30 ℃到40 ℃,温度越高,对应椭圆围成的面积越小,即减振器吸收的能量越少.且-30 ℃与0 ℃椭圆面积差要远大于0 ℃与40 ℃椭圆面积差,这说明低温(<0 ℃)对减振器静态特性的影响要大于高温(>0 ℃).

图3 减振器温变试验台二维简图Fig.3 The two-dimensional diagram of temperature test stand of damper

图4 油液温度对静态示功图影响(25 mm,0.02 Hz)Fig.4 The oil temperature influence on static indicator diagram(25 mm,0.02 Hz)

2.2 油液温度对减振器动态特性的影响

图5为减振器内部油液温度对其动态时(幅值0.8 mm,频率5 Hz)吸收能量的影响.从图5中可见,随着温度的升高,椭圆围成的面积越来越小,即随着油液温度的升高,减振器吸收的能量逐渐减小.同样,在低温时,动态与静态一样,油液温度对减振器吸收能量的影响大于高温.故不论静态还是动态,减振器吸收的能量均随温度的升高而减小,这是由油液的温变特性引起的.图6和图7分别为幅值0.50,0.75 mm时,减振器内部不同油液温度对动态刚度的影响.从图6和图7可知,随着温度的升高,动态刚度逐渐减小.-40 ℃与0 ℃的动态刚度差大于0 ℃与60 ℃的动态刚度差,这说明低温对动态刚度的影响大于高温.图8和图9分别为幅值0.8,1.0 mm 时,减振器内部油液温度对其动态阻尼的影响.从图8和图9中可以发现,动态阻尼随着温度的升高也呈逐渐减小趋势,低温对动态阻尼的影响也大于高温.同时，从图6和图7中可以发现,动态刚度随着频率增加均呈先增加后减小趋势；从图8和图9可以发现,动态阻尼随着频率增加主要呈先增加后减小趋势(图8、图9中在低频时出现一小段下降趋势，是由于频率太低,试验误差所致),这都是由于减振器一开始没有卸荷,后期达到卸荷状态所致.随着减振器振动频率的增加,即活塞速度增大,则产生的阻尼力就增大,故动态阻尼就越大;而频率增加使得油液刚度增加,故动态刚度也随着频率增加而增加;当振动频率大于某一值时,为了避免减振器因过大阻尼力而损坏,卸荷阀在过大压强下会自动打开,从而使减振器达到卸荷状态.此时,因减振器卸荷,阻尼力不再增加或者增加非常缓慢,导致减振器动态刚度逐渐趋于不变,而动态阻尼则逐渐减小.

图5 油液温度对动态示功图的影响(0.8 mm,5 Hz)Fig.5 The oil temperature influence on dynamic indicator diagram(0.8 mm,5 Hz)

图6 幅值0.5 mm时油液温度对减振器动态刚度的影响Fig.6 The oil temperature influence on dynamic stiffness of damper as amplitude is 0.5 mm

图7 幅值0.75 mm时油液温度对减振器动态刚度的影响Fig.7 The oil temperature influence on dynamic stiffness of damper as amplitude is 0.75 mm

图8 幅值0.8 mm时油液温度对减振器动态阻尼的影响Fig.8 The oil temperature influence on dynamic damping of damper as amplitude is 0.8 mm

图9 幅值1.0 mm时油液温度对减振器动态阻尼的影响Fig.9 The oil temperature influence on dynamic damping of damper as amplitude is 1.0 mm

3 结论

本文主要对我国某动车组用抗蛇行减振器内部结构、工作原理、黏温特性进行了分析,再对抗蛇行减振器内部油液温度对其吸收的能量、动态刚度、动态阻尼进行了分析,并分析了其频变特性.综上所述,可以得到以下结论:

(1) 随着温度升高,减振器吸收的能量越少,且低温对减振器吸收能量的影响远大于高温.这是由油液黏度随着温度升高呈减小趋势,且低温对油液黏度的影响大于高温所致.

(2) 动态刚度随着频率增加呈先增加后逐渐趋于不变,这是由于减振器一开始未卸荷后期卸荷导致;动态刚度随油液温度升高逐渐减小,这也是由于油液黏度随着温度升高呈减小趋势,且低温对油液黏度的影响大于高温所致.

(3) 动态阻尼随着频率增加呈先增加后减小趋势,这也是由于减振器一开始未卸荷后其逐渐卸荷导致;动态阻尼随着温度升高呈逐渐减小趋势,且低温对动态阻尼的影响大于高温,这也是由于油液黏度温变性质引起的.

(4) 既然减振器有这种温变特性,且主要是由于油液温变性质引起,故在我国哈大线、兰新线等北方地区或者西欧、俄罗斯等极寒地区,可以选择对温度敏感程度较小的油液.

(5) 正由于油液温度对减振器阻尼特性有一定的影响,在对减振器进行测试时,特别是疲劳耐久性测试时,要注意对减振器进行散热,排除油液温度过高造成的影响.

[1] 曾京,邬平波.减振器橡胶节点刚度对铁道客车系统临界速度的影响[J].中国铁道科学,2008(2):94-98.

ZENG J,WU P B.Influence of the damper rubber joint stiffness on the critical speed of railway passenger car system[J].China Railway Science,2008(2):94-98.

[2] ALONSO A,GINENEZ J G,GOMEZ E.Yaw damper modelling and its influence on railway dynamic stability[J].Vehicle System Dynamics,2011,49(9):1367-1387.

[3] 吴国祥.铁道车辆用油压减振器粘温特性的研究[J].兰州交通大学学报,2010,29(1):82-86.

WU G X.Study of viscosity and temperature characteristics of oil pressure damper of rail vehicle[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University,2010,29(1):82-86.

[4] 杨亮亮,罗世辉,傅茂海,等.抗蛇行减振器安装刚度对弹性构架车辆动力学性能影响[J].机车电传动,2012(4):15-18.

YANG L L,LUO S H,FU M H,et al.Influence of anti-yaw damper mounted stiffness on vehicle dynamics performance based on flexible frame[J].Electric Drive for Locomotives,2012(4):15-18.

[5] 何远,王勇.抗蛇行减振器串联刚度对高速动车组运行稳定性的影响[J].机车电传动,2015(3):26-29.

HE Y,WANG Y.Influence of anti-yaw damper series stiffness on running stability of high-speed EMUs[J].Electric Drive for Locomotives,2015(3):26-29.

[6] 刘建新,王开云.抗蛇行减振器对机车平稳性的影响[J].交通运输工程学报,2006,6(4):1-4.

LIU J X,WANG K Y.Effect of yaw dampers on locomotive riding comfortability[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2006,6(4):1-4.

[7] 黄彩虹,梁树林,周殿买.抗蛇行减振器对车辆系统稳定性的影响[C]∥第8届中国智能交通年会优秀论文集.2013.

HUANG C H,LIANG S L,ZHOU D M.Influence of yaw damper on hunting stability of railway vehicles[C]∥The Eighth China Intelligence Traffic Annual Meeting.2013.

[8] 徐腾养,池茂儒,李涛,等.抗蛇行减振器动态性能研究[J].机械,2016,43(8):1-6.

XU T Y,CHI M R,LI T,et al.The analysis on dynamic performance of yaw damper[J].Machinery,2016,43(8):1-6.

[9] 何青玮,张国贤,林青,等.温度变化对液压减振器阻尼力及其受温度的影响[J].机床与液压,2002(2):108-110.

HE Q W,ZHANG G X,LIN Q,et al.Influence of temperature variation on the performance of hydraulic shock absorber[J].Machine Tool and Hydraulics,2002(2):108-110.

[10] 中国铁路总公司.TB/T 1491—2015 机车车辆油压减振器技术条件[S].北京:中国铁道出版社,2015.

China Railway.TB/T 1491—2015 Technical specification for oil damper of locomotive and rolling stock[S].Beijing:China Railway Publishing House,2015.

[11] CEN/TC.BS EN 13802—2013 Railway application-suspension components -Hydraulic Dampers[S].BSI,2013.