抗蛇行减振器温变/频变特性与车辆动力学性能关系

时 蕾，张龙华，吴兴文，徐传波，郭兆团

(1.郑州铁路职业技术学院 机车车辆学院，河南 郑州 450052；2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

0 引 言

铁道车辆油压减振器作为车辆系统重要悬挂部件之一，其主要作用就是吸收振动能量，衰减车辆振动，提高车辆动力学性能。油压减振器工作介质为耐磨抗压液压油，利用分子之间吸引力做负功产生阻尼力，将振动机械能转换为内能，一部分被油液吸收，一部分通过热传递耗散出去。油温直接影响减振器的阻尼特性，间接影响车辆动力学性能，故减振器温变特性是高寒动车组设计研发所关心的问题之一。也有不少学者对铁道车辆油压减振器的阻尼特性展开研究，如文献[1]～文献[4]研究了减振器的的动态特性；文献[5]综述了汽车减振器的温升带来的弊端；文献[6]基于MATLAB对减振器黏温特性展开了研究；文献[7]～文献[9]对减振器温变特性展开了相关研究；文献[10]对高铁减振器低温特性进行了研究，文献[11]研究了液压阻尼孔的宽温度范围对其流动特性影响；文献[12]研究了双筒液压减振器动态特性。

笔者主要选取了两种铁道车辆常用的不同类型结构减振器进行研究(一种为螺旋弹簧控制阻尼结构，另一种为阀片控制阻尼结构)，从结构和原理出发，分析了温度和频率对这两种结构油压减振器阻尼特性和动态特性的影响。

减振器动态特性不仅具有幅变特性，还具有频变特性，如果再加上温度影响，又具有一定温变特性。且减振器在实际工作过程中，其幅值和频率也是在时刻变化的，因此，笔者并未局限于静态特性研究，选用了两种不同结构的常用减振器，综合考虑了温度对其动态刚度及动态阻尼的影响。另外，从理论和试验角度分析了油液温度对减振器本身的影响之后，通过SIMPACK建立高速车辆动力学模型，仿真分析了油液温度对车辆动力学性能的影响，这为后期高寒动车组的进一步研发提供参考。

1 油压减振器结构和原理

1.1 阀片控制型结构及原理

图1为阀片控制型减振器结构，其主要由球铰总成、活塞杆总成、骨架密封、活塞总成、底阀总成、外缸总成等组成。其工作原理如下：

1球铰总成;2活塞杆总成;3骨架密封;4活塞总成;5底阀总成;6外缸总成

1)当减振器拉伸时，Ⅱ腔油液将拉伸面阀片顶开流入Ⅰ腔，油液顶开阀片的过程产生阻尼力。阀片总厚度越厚，油液越难顶开阀片，阻尼则就越大。同时，由于减振器产生拉伸动作，杆部分体积不再占据内缸空间，使得储油缸中的压强大于压力缸Ⅰ腔，在压强作用下，Ⅲ腔油液补入到Ⅰ腔，完成一个拉伸循环，油液流向如图2中实线箭头方向。

图2 阀片控制型减振器拉伸和压缩原理

2)当减振器向右压缩时，Ⅰ腔油液受压缩，Ⅰ腔一部分油液顶开压缩面的阀片流向Ⅱ腔。同时，由于杆又占据了压力缸一部分体积，另一部分油液顶开底阀上的阀片流向Ⅲ腔，完成一个压缩循环。油液顶开压缩面的阀片和顶开底阀上的阀片过程产生阻尼力，压缩阻尼力大小由活塞压缩面阀片总厚度及底阀面上阀片总厚度同时决定。

1.2 弹簧控制型结构及原理

图3为弹簧控制型减振器剖视结构，其主要由球铰总成、外缸总成、活塞及活塞杆总成、导向盖总成、保护罩总成、底阀总成组成。其工作原理为：

1球铰总成；2外缸总成；3活塞及活塞杆总成；4导向盖总成；5保护罩总成；6底阀总成

1)当减振器拉伸时，Ⅱ腔油液在压强作用下，挤压弹簧，通过拉伸阻尼阀流向Ⅰ腔。由于活塞杆有一部分移出压力缸，不再占据压力缸体积，导致压力缸Ⅰ腔内压强小于储油缸Ⅲ腔，储油缸Ⅲ腔油液在压强作用下顶开单向阀流入Ⅰ腔，来弥补体积的缺失，从而完成一个拉伸循环，拉伸油液流动方向如图4中实线箭头方向。阻尼力大小由弹簧预紧力控制，弹簧预紧力越大，油液越难顶开弹簧，阻尼则越大，故拉伸阻尼力大小由拉伸阻尼阀弹簧预紧力控制。

图4 弹簧控制型减振器拉伸和压缩原理

2)当减振器压缩时，压缩腔Ⅰ腔油液在压强作用下，一部分油液通过压缩阻尼阀(与拉伸阻尼阀结构一样，呈相反布置)流入Ⅱ腔，由于活塞杆占据了压力缸一部分体积，另一部分油液通过底阀上的阻尼阀流入储油缸Ⅲ腔。油液流经压缩阻尼阀和底阀阻尼阀产生阻尼力，压缩力大小由二者共同控制。

2 油压减振器动态特性理论计算

随着高速列车的逐渐发展，仅仅关注减振器的静态特性已经不能满足高速动车组对减振器的要求，尤其对抗蛇行减振器的要求。后期应当多关注其动态阻尼特性，这一动态特性是随着减振器幅值、频率变化而变化的，具有一定幅变特性和频变特性。

减振器动态模型可以简化为一个阻尼单元和一个刚度单元的串联，如图5。

图5 减振器动态特性计算模型

对活塞进行受力分析：

(1)

式中：m为活塞单元质量；k为球铰总成等串联刚度；c为减振器阻尼；x为减振器受到的振动位移激扰；ω为激扰频率；A为激扰位移。

由于活塞质量较轻，惯性可以忽略不计，故式(1)可以简化为：

(2)

对式(2)进行求解得：

(3)

其中相位角φ：

(4)

由式(3)可得减振器阻尼力F:

(5)

由式(5)可知减振器阻尼力幅值如式(6)：

(6)

由式(6)可得减振器动态刚度k：

(7)

由式(3)可知，减振器振动位移幅值为：

(8)

对式(7)进行转换，可得：

(9)

因振动位移幅值A0和振动位移A均为已知，故相位角φ可通过式(9)求取得到。

由式(4)可得：

(10)

通过式(7)、式(9)、式(10)可以求得减振器的相位角、动态刚度和动态阻尼。

3 油压减振器温变及频变特性试验研究

为了研究铁道车辆油压减振器外界环境温度对其本身阻尼特性以及动态特性的影响，选取了阀片控制阻尼型和螺旋弹簧控制阻尼型两种典型结构在某减振器性能试验台上进行试验。将这两种结构减振器分别置于-40、-10、0、20、70 ℃环境中，待24 h以后再进行试验。

试验完成后，减振器动态刚度和动态阻尼由式(7)、式(10)进行求取(可由MATLAB进行批量处理)。

3.1 弹簧控制型减振器试验研究

图6为弹簧控制型减振器在幅值为0.8 mm、频率为0.5 Hz下的示功图，图7为幅值为1.5 mm下动态阻尼随温度、频率变化情况，图8为幅值为1.5 mm下动态刚度随温度、频率变化情况。从图6可以发现，随着油液温度的升高，减振器吸收的能量(即椭圆面积)越来越小。这是因为减振器原理为利用油液分子之间吸引力做负功，将振动能转化为油液内能。油液黏度越大，分子间吸引力就越大。当幅值和频率相同情况下，黏度大的油液吸收的能量要比黏度小的油液多。随着温度增加，油液动力黏度逐渐减小，故导致减振器吸收的能量逐渐减小。且-40～0 ℃ 椭圆面积差比0～70 ℃ 面积差还要大，这说明低温对减振器阻尼特性影响要大于高温。这是因为低温时，随着温度升高，油液动力黏度下降速度要大于高温。从图7可以发现，随着温度的升高，减振器动态阻尼逐渐减小，这也是由油液黏度随温度升高而下降所导致。-40～0 ℃ 动态阻尼减小速度要大于0～70 ℃动态阻尼减小速度，这也说明低温对动态阻尼影响要大于高温，这是由于相对于高温，油液黏度在低温时下降更快。随着频率增加，动态阻尼呈先增加后减小趋势，这是因为一开始减振器振动速度小，力比较小，力值大小无法顶开弹簧，油液全部从阻尼阀上的“常通孔”流走，减振器没有“卸荷”。随着频率增加，阻尼力值越来越大，力值大小足够顶开弹簧，油液全从阻尼孔流走，减振器达到“卸荷”状态，阻尼力逐渐减小。从图8可以发现，随着环境温度增加，动态刚度逐渐减小。且-40～0 ℃动态刚度减小速度要大于0～70 ℃动态刚度减小速度，这说明低温对动态阻尼影响要大于高温。动态刚度的温变特性也是由油液黏度特性所致。随着频率增加，动态刚度呈先增加后逐渐保持不变趋势，也是因为减振器一开始没有处于卸荷状态，随着频率增加，减振器逐渐达到卸荷状态。

图6 0.8 mm幅值、0.5 Hz频率工况下不同环境温度对弹簧控制型减振器示功图的影响

图7 1.5 mm幅值下不同环境温度对弹簧控制型减振器动态阻尼的影响

图8 1.5 mm幅值下不同环境温度对弹簧控制型减振器动态刚度的影响

3.2 阀片控制型减振器试验研究

图9为幅值为1 mm、频率为1 Hz工况下减振器示功图随温度变化的情况。从图9中可以发现，减振器吸收的能量随着温度的升高逐渐减小，且低温对其阻尼特性影响同样大于高温。从图10和图11可以发现，阀片控制型减振器温变特性及频变特性与弹簧控制型减振器相同，唯一不同的是弹簧控制型低温和高温的温变特性差别要比阀片控制型减振器大。这是由油液对温度的敏感程度引起的，说明弹簧控制阻尼型所选用的油液对温度更加敏感。同时，这也说明了，在高寒地区，需要选用对环境温度相对不敏感的油液，否则减振器的高低温性能相差太大，会对车辆动力学性能造成一定影响。

图9 1 mm幅值、1 Hz频率工况下不同环境温度对阀片控制型减振器示功图的影响

图10 0.5 mm幅值下不同环境温度对阀片控制型减振器动态刚度的影响

图11 1 mm幅值下不同环境温度对阀片控制型减振器动态阻尼的影响

4 油液温度对车辆动力学性能的影响

为了研究抗蛇行减振器油液温度对车辆动力学的影响，建立了我国某高速车辆动力学模型，仿真分析了油液温度对车辆动力学的影响，车辆动力学模型如图12。针对抗蛇行减振器油液温度对车辆动力学性能的影响，笔者只选取稳定性和安全性进行研究，其中安全性只选取脱轨系数、轮重减载率等指标。

图12 车辆动力学模型

图13表示油压温度对车辆稳定性的影响，图14、图15分别表示油液温度对车辆脱轨系数、轮重减载率的影响。从图13可以发现，随着油液温度升高，车辆蛇行临界速度逐渐减小，且低温(小于0 ℃)对稳定性影响明显大于高温(大于0 ℃)。油液温度对脱轨系数、轮重减载率等指标的影响较小，均远小于极限值0.8。

图13 油液温度对车辆稳定性的影响

图14 油液温度对脱轨系数的影响

图15 油液温度对轮重减载率的影响

5 结 论

笔者主要以铁道车辆常用的两种减振器结构为出发点，不同于以往局限于仅对减振器静态特性进行研究。基于减振器自身结构及动态特性理论计算，综合分析了环境温度对两种典型结构减振器动态特性的影响；基于动力学软件建立了SIMPACK模型，仿真分析了油液温度对车辆动力学性能的影响，得到以下结论：

1)随着温度的升高，两种结构减振器吸收的能量、动态阻尼、动态刚度均逐渐减小，这均是由油液动力黏度随着温度增加而减小所致。

2)随着频率增加，两种结构减振器动态刚度呈先增加后逐渐保持不变趋势，动态阻尼呈先增加后减小趋势。这均因为一开始频率小，减振器未处于卸荷状态，阻尼力值不足以顶开弹簧或者阀片，油液从常通孔流走，随着频率逐渐增加，阻尼力值逐渐增加，当阻尼力值大到可以顶开阀片或者弹簧时，减振器就处于卸荷状态了。

3)抗蛇行减振器油液温度主要对车辆稳定性有较大影响，对脱轨系数、轮重减载率等指标安全性影响较小。

4)低温对减振器动态阻尼、动态刚度、阻尼特性及车辆稳定性影响大于高温。