高速列车抗蛇行减振器故障分析

时 蕾,宋慧娟

(郑州铁路职业技术学院 机车车辆学院,郑州 450052)

由于踏面具有一定锥度,车轮不圆或轨道不平顺引起轮对在横向方向产生一种周期性往复运动,并绕其质心沿纵向延伸,这种横向和纵向的耦合运动称为蛇行运动.剧烈的蛇行运动不仅会加剧轮缘与钢轨之间的磨损,还会加大脱轨的可能性,危及行车安全.抗蛇行减振器纵向安装于车体和转向架之间,可以有效抑制转向架蛇行运动,提高车辆稳定性[1].因此,一般速度大于160 km/h的列车,就需要安装抗蛇行减振器来保证行车安全.抗蛇行减振器在实际服役过程中,会产生诸如心阀或底阀弹簧刚度衰减过大、橡胶老化过快甚至漏油等故障,这些故障可能会使得减振器减振性能减弱甚至失效,进而影响车辆稳定性、平稳性和舒适性、安全性等.因此,本文研究了抗蛇行减振器失效故障对车辆动力学性能的影响.这对分析了解抗蛇行减振器对车辆的影响有一定作用,同时也助于车辆故障分析,具有一定工程上应用价值.

国内外对抗蛇行减振器也有一定研究.文献[2]研究了抗蛇行减振器油液温度对车辆动力学性能影响;文献[3-4]基于台架试验对抗蛇行减振器进行了研究;文献[5-7]对抗蛇行减振器温变特性和动态特性进行了研究;文献[8-9]研究了抗蛇行减振器串联刚度、安装刚度对车辆动力学性能的影响;文献[10]研究了抗蛇行减振器对平稳性的影响.

1 车辆数学模型建立

为了研究抗蛇行减振器失效故障对车辆动力学性能影响,本文基于动力学软件SIMPACK建立了我国某高速动车动力学计算模型,如图1所示.

图1 我国某高速列车动力学模型Fig.1 Dynamic model of high-speed vehicle of our country

采用LMA踏面,CN60钢轨,沿用1 353 mm轮对内侧距.包括抗蛇行减振器在内的所有减振器阻尼特性都考虑呈非线性的,即一开始减振器没有卸荷,其阻尼力随着振动速度的增加呈线性增加；当阻尼力达到卸荷力时,阻尼阀开启,阻尼力随着振动速度的增加呈非常缓慢增加趋势,如图2所示.该高速列车有2个转向架,每个转向架安装有4个抗蛇行减振器,即内侧2根,外侧2根,内外侧抗蛇行减振器呈上、下安装,上侧抗蛇行减振器横向跨距为2.92 m,下侧抗蛇行减振器横向跨距为2.7 m,每根抗蛇行减振器卸荷速度均为0.002 5 m/s,卸荷力均为6 kN.本文计算工况包括每辆车失效1根抗蛇行减振器(随机选取后转向架一个)、每辆车失效2根抗蛇行减振器(随机选取后转向架2根)、每辆车的外侧(前后转向架外侧各2根,共4根)抗蛇行减振器失效以及整辆车8根抗蛇行减振器全部失效等4种工况,分别计算在这4种工况下,对车辆稳定性、平稳性和舒适性、安全性的影响.

图2 减振器非线性特性Fig.2 Nonlinearity of damper

2 抗蛇行减振器失效故障分析

2.1 抗蛇行减振器原理及潜在失效原因分析

该高速列车所使用的抗蛇行减振器为油液双向流动类型.当活塞向上拉伸时,活塞上腔油液通过活塞上拉伸阻尼阀流向下腔,由于活塞杆往上移动,压力腔内出现体积“缺失”,其“缺失”体积由储油缸内部油液通过底阀上单向阀向压力缸内部补充;当活塞向下压缩,活塞下腔一部分油液通过活塞压缩阻尼阀流向上腔,一部分油液通过底阀上阻尼阀流向储油缸外部,此时,底阀上单向阀处于关闭状态.油液通过流经阻尼阀来产生阻尼力,将振动机械能转化为内能,一部分内能被油液吸收,一部分内能通过与外界热传递耗散出去.

抗蛇行减振器主要由外缸总成、保护罩总成、活塞总成、底阀总成、导向盖总成、内缸、气囊总成等组成.其中,活塞与底阀座上设置有节流装置.节流装置主要包括弹簧、阀罩、心阀等.导向盖上设置有各种密封装置,主要防止油液漏油及防止灰尘进入使得油液乳化.由于活塞杆与密封装置之间存在紧密接触,即存在直接磨损,长时间疲劳也可能使得密封装置磨损过快发生漏油现象,导致减振器直接失效.一旦抗蛇行减振器产生这些故障,对车辆动力学产生什么影响,是否危及行车安全等,本文通过建立我国某高速列车动力学模型进行了仿真分析.

2.2 失效故障对车辆稳定性影响

由于轮轨之间存在蠕滑力,带有锥形的踏面都会使轮对产生蛇行运动,轮轨蛇行会导致车体和转向架在横向方向上振动,并沿纵向延伸,这分别称为车体蛇行运动(又称一次蛇行运动)和转向架蛇行运动(又称二次蛇行运动).一次蛇行一般发生在车辆速度较低时,二次蛇行常发生在速度较高时,这里研究的蛇行失稳即为二次蛇行失稳.蛇行运动是车辆自激振动,即其振动所需能量由外部环境提供,只要车辆运行,蛇行运动伴随产生.蛇行运动振幅能够随着时间自动收敛称为稳定蛇行运动,振幅随着时间延长不断发散称为不稳定的蛇行运动.介于稳定向不稳定过渡所对应的速度则称为蛇行临界速度,这常用来评价车辆蛇行稳定性.在计算车辆蛇行临界速度时,常将被测试车辆数学模型先在一段实测轨道谱上(本文为京津线实测线路谱)运行,运行一段距离后,再将车辆置于理想轨道谱上运行,通过观察蛇行运动振幅是否能够自动收敛到平衡位置来判断车辆是否发生蛇行失稳.

图3～图7分别表示失效后架1根抗蛇行减振器、2根抗蛇行减振器、全部外侧抗蛇行减振器以及所有抗蛇行减振器全部失效时,对车辆稳定性影响.从图3～图7可以发现:该高速列车抗蛇行减振器失效1根、失效2根及正常状态下,蛇行临界速度均为425 km/h;全部外侧抗蛇行减振器全部失效时,车辆蛇行临界速度为275 km/h;全部失效时,临界速度仅为250 km/h.这说明,每辆车失效1根抗蛇行减振器、失效2根抗蛇行减振器对车辆稳定性影响不明显.当每车外侧抗蛇行减振器全部失效或者所有抗蛇行减振器全部失效时,对车辆稳定性影响非常大.

图3 抗蛇行减振器全部正常时蛇行临界速度Fig.3 Critical speed with all normal yaw dampers

图4 抗蛇行减振器失效1根时蛇行临界速度Fig.4 Critical speed as existing one disabled yaw damper

图5 抗蛇行减振器失效2根时蛇行临界速度Fig.5 Critical speed as existing two disabled yaw dampers

图6 全部外侧抗蛇行减振器失效时蛇行临界速度Fig.6 Critical speed with all disable outside yaw dampers

图7 全部抗蛇行减振器失效时蛇行临界速度Fig.7 Critical speed with all disable yaw dampers

2.3 失效故障对车辆平稳性影响

车辆运行性能常通过车辆平稳性来评价,sperling平稳性指标是目前国际上比较公认的评价车辆运行品质及舒适性的指标.计算该高速列车平稳性方法为将车辆以不同速度在理想平顺的轨道谱上运行一段距离后,再置于实测京津线轨道谱上运行,通过测量车体振动加速度,计算平稳性指标值，即

(1)

式中:W为平稳性指标;A为振动加速度,g;f为振动频率,Hz;F(f)为频率修正系数.

通过式(1)计算出的平稳性指标,按照表1进行评价.

表1 平稳性指标评定等级Tab.1 Riding quality index assessment grade

图8～图10分别表示抗蛇行减振器在4种失效故障下对车辆垂向平稳性、横向平稳性及乘坐舒适性的影响.从图8～图10可以发现:每辆车失效1根抗蛇行减振器、每辆车失效2根抗蛇行减振器、每辆车外侧抗蛇行减振器全部失效时,对该高速列车横向、垂向平稳性及乘坐舒适性影响不大;每辆车的抗蛇行减振器全部失效时,该高速列车的横向、垂向平稳性及乘坐舒适度均显著变差.

图9 抗蛇行减振器失效故障对垂向平稳性的影响Fig.9 Effect of disable yaw dampers on vertical riding quality

2.4 失效故障对车辆安全性的影响

车辆安全性即车辆曲线通过性能,将车辆以不同速度通过一段实测曲线(京津线),然后计算其安全性指标,主要包括轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率等.曲线计算工况如表2所示.

图10 抗蛇行减振器失效故障对乘坐舒适性的影响Fig.10 Effect of disable yaw dampers on riding comfort

表2 曲线计算工况Tab.2 Curve calculation conditions

图11～图14分别表示抗蛇行减振器失效故障分别对轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率的影响.从图11～图14可以发现:每辆车失效1个抗蛇行减振器、每辆车失效2个抗蛇行减振器、每辆车的外侧抗蛇行减振器全部失效时,对该高速列车轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数及轮重减载率影响不大;每辆车的抗蛇行减振器全部失效时,轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数和轮重减载率明显变差.

图11 抗蛇行减振器失效故障对轮轴横向力的影响Fig.11 Effect of disable yaw dampers on wheel axle lateral force

图12 抗蛇行减振器失效故障对轮轨垂向力的影响Fig.12 Effect of disable yaw dampers on wheel-rail vertical force

图13 抗蛇行减振器失效故障对脱轨系数的影响Fig.13 Effect of disable yaw dampers on derailment coefficient

图14 抗蛇行减振器失效故障对轮重减载率的影响Fig.14 Effect of disable yaw dampers on wheel unloading rate

3 结论

抗蛇行减振器主要作用就是抑制转向架蛇行运动,提高车辆蛇行临界速度,其对车辆动力学性能的影响非常大.本文主要从抗蛇行减振器工作原理出发,分析了抗蛇行减振器潜在失效故障原因,并基于这个角度即失效故障条件下,研究了其失效个数(故障)对车辆动力学性能的影响,这有助于高速列车故障分析,有一定工程研究价值.研究结果表明:

(1) 每辆车失效1根抗蛇行减振器、失效2根抗蛇行减振器对车辆稳定性的影响不明显.每辆车外侧抗蛇行减振器全部失效或者所有抗蛇行减振器全部失效时,对车辆稳定性的影响非常大.

(2) 每辆车失效1根抗蛇行减振器、每辆车失效2根抗蛇行减振器、每辆车外侧抗蛇行减振器全部失效时,对该高速列车横向、垂向平稳性及乘坐舒适性的影响不大;每辆车的抗蛇行减振器全部失效时,该高速列车的横向、垂向平稳性及乘坐舒适度均显著变差.

(3) 每辆车失效1个抗蛇行减振器、每辆车失效2个抗蛇行减振器、每辆车的外侧抗蛇行减振器全部失效时,对该高速列车轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数及轮重减载率的影响不大;每辆车的抗蛇行减振器全部失效时,轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数和轮重减载率明显变差.