重載列車緩沖器特性研究綜述＊

孫樹磊，李 芾，黃運華，周張義，丁軍君

（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川成都610031）

鐵路運輸作為我國貨物運輸?shù)闹匾侄沃?，目前承?dān)著全國貨物運輸?shù)?5%左右［1］。據(jù)預(yù)測，2015年全國鐵路貨運量將達(dá)到45億t，換算周轉(zhuǎn)量將達(dá)到5.1億萬t·km，較2010年分別增長32.2%和41.7%［2］?？梢?，鐵路貨運在國民經(jīng)濟的發(fā)展中起著不可替代的作用。而重載列車作為我國鐵路貨運發(fā)展的重要方向，是解決鐵路大宗貨物運輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。

隨著列車載重的增加、運行速度的提高，列車的縱向沖動成非線性增長［3］。尤其是近幾年來，大秦鐵路成功開通2萬t級的重載組合列車，暴露出了一系列的問題，如由于車鉤力顯著增大，車鉤、鉤舌以及鉤尾框等出現(xiàn)故障及裂紋的比例增大，緩沖器裂損嚴(yán)重等，這就為列車縱向動力學(xué)的研究提供了前提。而緩沖器作為重載列車緩和沖擊和耗散振動能量的關(guān)鍵部件，很大程度上決定了列車的縱向動力學(xué)性能。緩沖器的性能指標(biāo)也直接影響了列車的牽引質(zhì)量、車輛總質(zhì)量、編組作業(yè)效率、貨物的完好率等涉及鐵路運輸效能的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)［1］。因此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者及部門均對列車縱向動力學(xué)及緩沖器特性展開了深入而廣泛的研究［4－9］。由此可見，研究重載列車緩沖器的特性對于列車的運行質(zhì)量和安全具有重要的意義。

1 國內(nèi)外貨車緩沖器發(fā)展概況

前蘇聯(lián)鐵路車輛制造部門根據(jù)貨車載重的增加和速度的提高，設(shè)計了應(yīng)用于4軸通用貨車的緩沖器，分別為 Ш－1－TM 型緩沖器、Ш－2－В型緩沖器以及 ПМK－110А型緩沖器，其容量50～80kJ，行程70～110mm，并且這3種緩沖器的殼體是可以互換的。并針對8軸貨車，還開發(fā)了Ш－2－T型緩沖器，其容量為65kJ，行程達(dá)到了110mm。針對萬t以上的重載列車，除了ПМK－110А型緩沖器外，鐵路相關(guān)部門還設(shè)計了 Ш－6－TO－4、ПГФ－4－120、73ZW 等型號的緩沖器，其調(diào)車允許沖擊速度均可提高到11km／h以上，其中73ZW是一種新型的彈性膠泥液壓式緩沖器［1，10，22］。

美國的緩沖裝置是由1888年問世的韋斯汀豪斯（Westinghouse）緩沖器發(fā)展而來的，這些裝置目前仍在大多數(shù)機車和車輛上使用［11］。20世紀(jì)20年代，為降低車體和裝運貨物的沖擊加速度，相關(guān)部門設(shè)計了Duryea活動梁系統(tǒng)，該系統(tǒng)縱向車鉤行程比通常結(jié)構(gòu)的大，目前這種裝置仍在許多對貨物保護(hù)要求較高、而普通緩沖器無法滿足需要的車輛上運用。Mark50型緩沖器及以其為基礎(chǔ)發(fā)展起來的Mark325、Crown SE型、Crown SG型緩沖器，其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、適應(yīng)性強等，因此被美國乃至重載運輸發(fā)達(dá)的國家廣泛采用。在Mark50成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，美國又研制了Mark H60，采用鋼彈簧摩擦及液壓阻尼，是一種新型的組合式緩沖器，兼顧了長大列車的牽引工況以及調(diào)車時的沖擊工況。同時，相關(guān)企業(yè)還開發(fā)了SL－76型摩擦式橡膠緩沖器、以及LPD型液壓緩沖器等具有非線性剛度特性的緩沖器。

歐洲采用的基本上都是符合UIC標(biāo)準(zhǔn)的緩沖器。彈性膠泥緩沖器是歐洲近30年來開發(fā)的新型緩沖器，在法國、德國、波蘭的貨車上得到成功應(yīng)用。這種緩沖器采用彈性膠泥作為介質(zhì)，具有固體和液體的兩種屬性，有著較好的阻尼特性。此外，還有部分車輛采用液壓緩沖器，以用于運送易碎的貨物。

我國鐵路貨車最初采用的是23KT和3號緩沖器，其容量較小，約為20kJ左右。在20世紀(jì)70年代以后，我國研制了MX－1型橡膠緩沖器，已滿足當(dāng)時運輸?shù)囊?，其容量?0kJ和45kJ。但是隨著近年來列車編組的增多、軸重的增大以及速度的提高，相關(guān)單位又開發(fā)了MT－2、MT－3型摩擦緩沖器，這也是現(xiàn)在我國貨車應(yīng)用最為廣泛的緩沖器。為了降低成本，又開發(fā)了ST型干摩擦式緩沖器，但是其容量限制了調(diào)車速度，故2005年起停止了ST緩沖器的生產(chǎn)。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相關(guān)科研單位新開發(fā)研制了一批新型的緩沖器，如彈性膠泥緩沖器、液氣緩沖器、摩擦膠泥緩沖器等，從而進(jìn)一步促進(jìn)了鐵路貨車重載的發(fā)展。

2 緩沖器計算模型及其特性

緩沖器的作用是用來緩和列車在運行中由于機車牽引力的變化或在起動、制動及調(diào)車作業(yè)時車輛相互碰撞而引起的縱向沖動和振動，根據(jù)緩沖器的結(jié)構(gòu)特征和工作原理，一般可將緩沖器分為以下類型［1］：彈簧緩沖器，摩擦式緩沖器，橡膠緩沖器，摩擦橡膠式緩沖器，黏彈性橡膠緩沖器，液壓緩沖器和空氣緩沖器。針對我國典型緩沖器的結(jié)構(gòu)特點和特性，可將緩沖器分為如下四大類進(jìn)行分析［22］：鋼彈簧干摩擦緩沖器，摩擦橡膠式緩沖器，黏性阻尼緩沖器，摩擦膠泥緩沖器。

2.1 鋼彈簧干摩擦緩沖器

鋼彈簧干摩擦緩沖器是我國鐵路上應(yīng)用最廣的一種緩沖器，其基本作用原理如圖1所示。當(dāng)緩沖器受到?jīng)_擊時，楔塊3沿固定斜板4滑動，并壓縮鋼彈簧2。在壓縮彈簧的過程中，將一部分沖擊動能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，從而起到緩沖的作用；與此同時，楔塊壓縮固定斜板時，楔塊與固定斜板以及楔塊與摩擦板5之間構(gòu)成一對摩擦副，消耗吸收一部分動能。當(dāng)緩沖器卸載時，楔塊在彈簧力的作用下恢復(fù)原位，摩擦副之間仍然會進(jìn)行摩擦，從而進(jìn)一步消耗了能量。

圖1 鋼彈簧干摩擦緩沖器計算模型

在僅考慮彈簧的彈性力及阻尼力的情況下，可得到緩沖器阻抗力關(guān)系式如下［12－13］。

式中Fc為緩沖器阻抗力，fk為鋼彈簧的彈性力，fd為緩沖器的阻尼力。緩沖器的阻抗力特性曲線如圖2所示。

圖2 鋼彈簧干摩擦緩沖器特性曲線

2.2 摩擦橡膠式緩沖器

摩擦橡膠式緩沖器是繼彈簧摩擦緩沖器之后開發(fā)的一種大容量緩沖器，以滿足運輸發(fā)展的需要，其動力學(xué)計算模型可簡化為圖3所示，其中k表示橡膠堆的非線性剛度；d表示橡膠的非線性阻尼；f表示金屬摩擦副的摩擦系數(shù)。橡膠緩沖器的工作原理，是借助于橡膠分子內(nèi)摩擦和彈性變形，起到緩和沖擊和消耗能量的作用［1］；同時，緩沖器頭部裝用金屬摩擦部分，利用介于壓頭和箱體之間3個帶有傾角的楔塊，從而形成摩擦副，在受壓時與箱體及壓頭間各接觸面產(chǎn)生相對位移，通過摩擦消耗沖擊動能，進(jìn)而增大了摩擦緩沖器的容量。

由計算模型可得，橡膠緩沖器的阻抗力特性關(guān)系如下。

式中Fk為橡膠的彈性力，F(xiàn)d為橡膠材料中的阻尼力，F(xiàn)f為金屬摩擦部分的摩擦力。其中，F(xiàn)k和Fd的值通?？赏ㄟ^試驗或者有限元計算的方法獲得，具體可見文獻(xiàn)［14］等。橡膠緩沖器的阻抗力特性曲線如圖4所示。

圖3 摩擦橡膠緩沖器的計算模型

圖4 摩擦橡膠緩沖器特性曲線

2.3 黏性阻尼緩沖器

以液氣緩沖器為例，其動力學(xué)計算模型如圖5所示［15］。油腔1和油腔2注滿了液壓油，兩油腔之間通過一節(jié)流孔相連。氣腔3中充有一定初始壓強的氮氣，液壓油與氮氣之間通過浮動活塞5隔離。當(dāng)相鄰車輛間發(fā)生碰撞時，柱塞6即被壓入油腔1中，油腔1中的液壓油通過節(jié)流孔流到油腔2中，使得油腔2的油量增大，從而使浮動活塞向左移動，壓縮氣腔中的氮氣，此時的氮氣便相當(dāng)于一彈簧，但與鋼彈簧相比，其不會出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。在沖擊過程中，液氣緩沖器是利用油液通過阻尼孔的阻力消耗功來降低車輛的縱向振動，降低的絕大部分沖擊機械能首先以熱能的形式存儲在液壓油中，然后以對流、傳導(dǎo)和輻射的散熱方式，通過缸壁耗散到空氣中，只有少量能量轉(zhuǎn)化為油液的液壓能，因而液氣緩沖器的能量吸收率比較大［16］。當(dāng)車輛間的沖擊減緩或消失時，氮氣通過活塞給油腔2的液壓油施以壓力，將液壓油通過柱塞端部的單向閥流回到油腔1中，柱塞又回到工作位置。

根據(jù)其動力學(xué)計算模型，結(jié)合流體力學(xué)理論，可得［15］。

式中P1、P2分別為油腔1和油腔2中液壓油的壓力；A1、A2分別為油腔1和油腔2中液壓油的有效作用面積；而P3、A3分別為氮氣腔內(nèi)氮氣的壓力和有效作用面積。液氣緩沖器特性曲線如圖6所示。

圖5 液氣緩沖器計算模型

2.4 摩擦膠泥緩沖器

摩擦膠泥緩沖器是一種組合式緩沖器，其動力學(xué)模型如圖7所示。當(dāng)緩沖器受到?jīng)_擊時，楔塊3沿著固定斜板4滑動，并推動彈簧座共同壓縮彈性膠泥2以及鋼彈簧，將一部分沖擊動能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能。在移動過程中，楔塊與斜板、楔塊與摩擦板構(gòu)成一組摩擦機構(gòu)，消耗吸收一部分動能，同時，壓縮膠泥的過程中，彈性膠泥的分子之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦，也會消耗一部分動能。當(dāng)緩沖器卸載時，復(fù)原彈簧借助彈力使中心楔塊復(fù)位，防止發(fā)生卡滯現(xiàn)象［17］。

圖6 液氣緩沖器沖擊特性曲線

根據(jù)動力學(xué)計算模型，摩擦膠泥緩沖器的特性關(guān)系式如下：

式中Fk1為鋼彈簧彈性力；Fk2為膠泥的彈性力；Fd1為膠泥的阻尼力；Ff1為摩擦副的摩擦力。摩擦膠泥緩沖器阻抗力特性曲線如圖8所示，與鋼彈簧摩擦緩沖器相比，摩擦膠泥緩沖器的容量明顯增大。

圖7 摩擦膠泥緩沖器計算模型

圖8 摩擦膠泥緩沖器特性曲線

3 緩沖器特性研究重點和難點

3.1 緩沖器動力學(xué)計算模型的建立

通過以上的分析，可以看出，緩沖器種類繁多，其工作原理和特性也不盡相同。即使是同一種工作原理的緩沖器，其內(nèi)部細(xì)節(jié)也有些許差別。國外學(xué)者的研究中，已經(jīng)將緩沖器受力不對中等問題考慮到計算模型當(dāng)中［6］，而國內(nèi)卻尚無涉及。如何就我國緩沖器的結(jié)構(gòu)特點以及其試驗數(shù)據(jù)，建立適合我國緩沖器特性的動力學(xué)模型，是緩沖器特性研究中有待解決的問題。

3.2 緩沖器特性曲線間斷點的處理

緩沖器的間斷點是指緩沖器從卸載轉(zhuǎn)向加載或從加載向卸載過渡，其特性曲線上均要產(chǎn)生跳躍，而且這變化過程是不確定的［18］，如圖9所示。在進(jìn)行列車縱向動力學(xué)分析時，為了確保整個微分方程的連續(xù)性，就必須對間斷點進(jìn)行處理。緩沖器特性曲線間斷點的處理方法得當(dāng)與否，將直接影響緩沖器的特性，同時還關(guān)系著列車縱向動力學(xué)的求解和分析。因此，在求解縱向動力學(xué)方程中，選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法處理緩沖器特性曲線間斷點，顯得尤為重要。利用阻抗力隨速度變化的方法來進(jìn)行處理，廣泛應(yīng)用于列車縱向動力學(xué)計算的分析。采用力平衡法進(jìn)行求解，可以避開間斷點的出現(xiàn)，若能妥善處理積分步長和積分精度的選擇問題，力平衡法是一種很具有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ā?/p>

圖9 緩沖器特性曲線示意圖

3.3 列車動力學(xué)模型的建立

目前，傳統(tǒng)的列車動力學(xué)主要考慮縱向動力學(xué)，往往忽略了橫向和垂向的作用。但是實際情況中，列車不可能總在直線上運行，有時會處于曲線以及坡道上，這就使得列車在運行過程中，縱向、垂向和橫向的動力學(xué)行為存在著密切的聯(lián)系，需要建立這3個方向相互耦合的列車動力學(xué)模型［19］。但是，這就給長大重載列車三維空間耦合動力學(xué)建模帶來一大難題，即“自由度爆炸”問題，有關(guān)學(xué)者為解決這一問題做了研究［20－21］。另外，在列車縱向動力學(xué)分析中往往關(guān)注的是車鉤力大小，對于列車縱向沖動引起的車體與轉(zhuǎn)向架之間的縱向力，沒有引起足夠重視。這就需要我們建立更為詳細(xì)的模型，來計算車體與轉(zhuǎn)向架的縱向作用力，從而為轉(zhuǎn)向架和車體的設(shè)計提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

隨著鐵路快速重載的發(fā)展，列車縱向沖動過大已經(jīng)成為急需解決的問題，尤其是重載列車的開行，對緩沖器性能的要求也越來越高。因此，研究緩沖器的特性及其對列車動力學(xué)的影響顯得尤為重要。介紹了國內(nèi)外貨車緩沖器的發(fā)展概況，敘述了4種典型緩沖器的工作原理，并分析研究了其阻抗特性。從緩沖器動力學(xué)計算模型的建立、緩沖器特性間斷點的處理及其列車動力學(xué)模型的建立3個方面提出了研究的重點和難點。

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