動車組用抗蛇行減振器動態(tài)特性研究

袁 泉,陸 超,洪從魯,徐騰養(yǎng),徐傳波,

(1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院,廣州510430; 2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院,鄭州450052;3.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室,成都610031)

當(dāng)車輛通過曲線時,外輪曲線通過半徑大于內(nèi)輪曲線通過半徑,而內(nèi)、外輪中間通過一根軸將兩輪連接,其角速度一致,故外輪線速度大于內(nèi)輪線速度.如果內(nèi)輪與外輪滾動圓半徑相等,即曲線滾動通過距離相等,由于兩輪速度不一致,內(nèi)輪會出現(xiàn)“原地打轉(zhuǎn)”現(xiàn)象.汽車通過差速器解決了這一現(xiàn)象,鐵道車輛將車輪踏面做成帶有一定錐度，使得內(nèi)外輪滾動圓周半徑不同來解決這一問題.車輪踏面做成帶有一定錐度方便了車輛通過曲線,但是當(dāng)車輛在直線上行駛時,由于軌道不是絕對平順或者車輪不是絕對圓,當(dāng)軌道給車輪一定激擾時,會使得輪對發(fā)生橫移.而由于車輪踏面具有一定錐度,當(dāng)輪對發(fā)生橫移時,會使得左、右輪的滾動半徑發(fā)生變化,靠近鋼軌的車輪滾動圓半徑變大,而遠(yuǎn)離鋼軌一側(cè)的滾動圓半徑變小,左、右輪半徑交替變化使得輪對一方面橫向移動,一方面又繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動,這兩種運動的耦合運動形成了車輛的蛇行運動,如圖1所示.車輛的蛇行運動為車輛自身的自激運動,是由于車輪踏面具有錐度及縱向蠕滑力存在引起的.車輛蛇行運動分為穩(wěn)定的蛇行運動與不穩(wěn)定的蛇行運動.蛇行運動的振幅隨著時間的延續(xù)可自動收斂的,則為穩(wěn)定的蛇行運動,不會對列車行車安全造成影響.隨著時間的延續(xù),蛇行運動振幅不能收斂,則為不穩(wěn)定的蛇行運動.當(dāng)速度較低時,由于具有彈簧及減振裝置,蛇行運動可以被抑制.但是隨著速度的增加,蛇行運動頻率也會增加.如果蛇行運動頻率不加以抑制或者無法抑制,當(dāng)蛇行運動頻率與輪對固有頻率接近時,就會出現(xiàn)蛇行失穩(wěn),此時則會危及行車安全,需要按照參數(shù)相匹配的抗蛇行減振器來抑制蛇行運動.因此,研究抗蛇行減振器動態(tài)特性非常重要.油液作為減振器主要的減振介質(zhì),其黏度大小直接影響著減振器的性能,以油液為對象對減振器特性進(jìn)行研究也非常有必要.

圖1 蛇行運動Fig.1 Yaw movement

國內(nèi)外對抗蛇行減振器有大量的研究:曾京等[1]對抗蛇行減振器和二系橫向減振器橡膠節(jié)點剛度對車輛穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究;Alonso等[2]主要對抗蛇行減振器模型以及其對車輛穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究;吳國祥[3]基于Matlab對垂向減振器對車輛垂向平穩(wěn)性能影響進(jìn)行了分析;楊亮亮等[4]對抗蛇行減振器安裝剛度對彈性構(gòu)架車輛動力學(xué)性能影響進(jìn)行了研究;何遠(yuǎn)等[5]對抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對車輛平穩(wěn)性影響進(jìn)行了研究;劉建新等[6]對抗蛇行減振器對機(jī)車平穩(wěn)性影響進(jìn)行了研究;黃彩虹等[7]對抗蛇行減振器對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性影響進(jìn)行綜述分析；徐騰養(yǎng)等[8]對抗蛇行減振器安裝剛度、間隙、有無節(jié)點等對其動態(tài)特性影響進(jìn)行了分析.本文以油液為研究對象,通過研究溫度對油液的影響來分析對減振器動態(tài)特性造成的影響.目前減振器使用較多的模型為串聯(lián)模型即Maxwell模型以及并聯(lián)模型,這兩個模型均為考慮油液溫度對減振器動態(tài)特性造成的影響.減振器相關(guān)模型不能忽略油液溫度的影響,本文基于臺架試驗對抗蛇行減振器溫變特性展開了試驗?zāi)M研究，具有一定的工程價值.

1 試驗所用抗蛇行減振器工作原理及黏溫特性

1.1 試驗所用抗蛇行減振器工作原理

試驗選用減振器為我國某高速動車組用抗蛇行減振器,油液為雙向流動類型.其主要結(jié)構(gòu)包括工作缸、儲油缸、保護(hù)罩、防塵套、密封裝置、導(dǎo)向蓋、活塞及活塞桿、底閥、阻尼閥、氣囊、橡膠節(jié)點等部件.其減振原理為“小孔節(jié)流”,即油液流經(jīng)節(jié)流閥產(chǎn)生阻尼力.節(jié)流閥由調(diào)節(jié)螺母、心閥、閥彈簧及閥座等組成,心閥一側(cè)開有節(jié)流閥.當(dāng)減振器拉伸時,拉伸節(jié)流閥開啟,壓縮節(jié)流閥關(guān)閉,在油液的壓強(qiáng)下,心閥上的節(jié)流閥被打開,活塞上腔的油液通過拉伸節(jié)流閥流到下腔,從而產(chǎn)生阻尼力.且油壓越大,節(jié)流閥開啟程度越大,阻尼力越大.當(dāng)減振器壓縮時,壓縮節(jié)流閥開啟,拉伸節(jié)流閥關(guān)閉；同理,在油液壓強(qiáng)的作用下,壓縮節(jié)流閥被開啟,活塞下腔的一部分油液通過壓縮節(jié)流閥流到油液上腔,一部分通過底閥流到儲油缸.

1.2 抗蛇行減振器黏溫特性

抗蛇行減振器利用油分子之間的吸引力,將振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,一部分內(nèi)能被油液吸收使得油溫升高,一部分通過與外界熱傳遞而耗散,最終會達(dá)到一個熱平衡狀態(tài).油液的黏度會隨著溫度的改變而改變,粘溫關(guān)系為

μt=μ0e-λ(t-t0)

(1)

式中:μt和μ0分別為t時刻和t0時刻的動力黏度;λ為黏溫系數(shù).

1.3 外界溫度對油液黏性的影響

通過文獻(xiàn)[9],發(fā)現(xiàn)外界溫度與油液動力黏度具有以下關(guān)系,如圖2所示.從圖2中可以發(fā)現(xiàn),油液溫度對動力黏度的影響非常大,且低溫對動力黏度的影響遠(yuǎn)大于高溫對油液動力黏度的影響.高溫對油液動力黏度的影響相對來說較小.

圖2 油液動力黏度與溫度關(guān)系Fig.2 The relationship between dynamic viscosity and temperature

2 油溫對抗蛇行減振器特性研究

為了研究抗蛇行減振器溫變特性即油液溫度對其動態(tài)特性的影響,對我國某高速動車組用抗蛇行減振器進(jìn)行了試驗認(rèn)證研究.試驗所用試驗臺如圖3所示.該試驗臺可以0°～90°自由旋轉(zhuǎn),可以滿足抗蛇行減振器具有一定安裝角度(即減振器實際裝車時,可能存在與水平方向0°～5°的夾角)的試驗要求,減振器端部通過液壓鎖緊機(jī)構(gòu)鎖死,防止由于減振器端部連接裝置的晃動而帶來的誤差.根據(jù)TB/T 1491—2015[10]和EN 13802—2014[11]要求,減振器需要放置在恒溫箱中24 h以上,然后將減振器取出進(jìn)行安裝.由于本次試驗最低溫度較低,為了防止減振器與外界環(huán)境之間存在熱傳遞,故本次試驗全程在高低溫交變試驗箱中完成,排除了外界溫度對減振器內(nèi)部油液溫度造成的影響,比標(biāo)準(zhǔn)要求更加嚴(yán)格.

2.1 油溫對減振器靜態(tài)特性的影響

圖4表示油液溫度對減振器靜態(tài)特性(即高幅低頻,圖中是幅值25 mm,0.02 Hz)的影響.減振器阻尼力F與活塞位移s之間關(guān)系(即示功圖)是一個橢圓,其中橢圓圍成的面積表示減振器吸收的能量大小.從圖4中可以發(fā)現(xiàn),從-30 ℃到40 ℃,溫度越高,對應(yīng)橢圓圍成的面積越小,即減振器吸收的能量越少.且-30 ℃與0 ℃橢圓面積差要遠(yuǎn)大于0 ℃與40 ℃橢圓面積差,這說明低溫(<0 ℃)對減振器靜態(tài)特性的影響要大于高溫(>0 ℃).

圖3 減振器溫變試驗臺二維簡圖Fig.3 The two-dimensional diagram of temperature test stand of damper

圖4 油液溫度對靜態(tài)示功圖影響(25 mm,0.02 Hz)Fig.4 The oil temperature influence on static indicator diagram(25 mm,0.02 Hz)

2.2 油液溫度對減振器動態(tài)特性的影響

圖5為減振器內(nèi)部油液溫度對其動態(tài)時(幅值0.8 mm,頻率5 Hz)吸收能量的影響.從圖5中可見,隨著溫度的升高,橢圓圍成的面積越來越小,即隨著油液溫度的升高,減振器吸收的能量逐漸減小.同樣,在低溫時,動態(tài)與靜態(tài)一樣,油液溫度對減振器吸收能量的影響大于高溫.故不論靜態(tài)還是動態(tài),減振器吸收的能量均隨溫度的升高而減小,這是由油液的溫變特性引起的.圖6和圖7分別為幅值0.50,0.75 mm時,減振器內(nèi)部不同油液溫度對動態(tài)剛度的影響.從圖6和圖7可知,隨著溫度的升高,動態(tài)剛度逐漸減小.-40 ℃與0 ℃的動態(tài)剛度差大于0 ℃與60 ℃的動態(tài)剛度差,這說明低溫對動態(tài)剛度的影響大于高溫.圖8和圖9分別為幅值0.8,1.0 mm 時,減振器內(nèi)部油液溫度對其動態(tài)阻尼的影響.從圖8和圖9中可以發(fā)現(xiàn),動態(tài)阻尼隨著溫度的升高也呈逐漸減小趨勢,低溫對動態(tài)阻尼的影響也大于高溫.同時，從圖6和圖7中可以發(fā)現(xiàn),動態(tài)剛度隨著頻率增加均呈先增加后減小趨勢；從圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn),動態(tài)阻尼隨著頻率增加主要呈先增加后減小趨勢(圖8、圖9中在低頻時出現(xiàn)一小段下降趨勢，是由于頻率太低,試驗誤差所致),這都是由于減振器一開始沒有卸荷,后期達(dá)到卸荷狀態(tài)所致.隨著減振器振動頻率的增加,即活塞速度增大,則產(chǎn)生的阻尼力就增大,故動態(tài)阻尼就越大;而頻率增加使得油液剛度增加,故動態(tài)剛度也隨著頻率增加而增加;當(dāng)振動頻率大于某一值時,為了避免減振器因過大阻尼力而損壞,卸荷閥在過大壓強(qiáng)下會自動打開,從而使減振器達(dá)到卸荷狀態(tài).此時,因減振器卸荷,阻尼力不再增加或者增加非常緩慢,導(dǎo)致減振器動態(tài)剛度逐漸趨于不變,而動態(tài)阻尼則逐漸減小.

圖5 油液溫度對動態(tài)示功圖的影響(0.8 mm,5 Hz)Fig.5 The oil temperature influence on dynamic indicator diagram(0.8 mm,5 Hz)

圖6 幅值0.5 mm時油液溫度對減振器動態(tài)剛度的影響Fig.6 The oil temperature influence on dynamic stiffness of damper as amplitude is 0.5 mm

圖7 幅值0.75 mm時油液溫度對減振器動態(tài)剛度的影響Fig.7 The oil temperature influence on dynamic stiffness of damper as amplitude is 0.75 mm

圖8 幅值0.8 mm時油液溫度對減振器動態(tài)阻尼的影響Fig.8 The oil temperature influence on dynamic damping of damper as amplitude is 0.8 mm

圖9 幅值1.0 mm時油液溫度對減振器動態(tài)阻尼的影響Fig.9 The oil temperature influence on dynamic damping of damper as amplitude is 1.0 mm

3 結(jié)論

本文主要對我國某動車組用抗蛇行減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、黏溫特性進(jìn)行了分析,再對抗蛇行減振器內(nèi)部油液溫度對其吸收的能量、動態(tài)剛度、動態(tài)阻尼進(jìn)行了分析,并分析了其頻變特性.綜上所述,可以得到以下結(jié)論:

(1) 隨著溫度升高,減振器吸收的能量越少,且低溫對減振器吸收能量的影響遠(yuǎn)大于高溫.這是由油液黏度隨著溫度升高呈減小趨勢,且低溫對油液黏度的影響大于高溫所致.

(2) 動態(tài)剛度隨著頻率增加呈先增加后逐漸趨于不變,這是由于減振器一開始未卸荷后期卸荷導(dǎo)致;動態(tài)剛度隨油液溫度升高逐漸減小,這也是由于油液黏度隨著溫度升高呈減小趨勢,且低溫對油液黏度的影響大于高溫所致.

(3) 動態(tài)阻尼隨著頻率增加呈先增加后減小趨勢,這也是由于減振器一開始未卸荷后其逐漸卸荷導(dǎo)致;動態(tài)阻尼隨著溫度升高呈逐漸減小趨勢,且低溫對動態(tài)阻尼的影響大于高溫,這也是由于油液黏度溫變性質(zhì)引起的.

(4) 既然減振器有這種溫變特性,且主要是由于油液溫變性質(zhì)引起,故在我國哈大線、蘭新線等北方地區(qū)或者西歐、俄羅斯等極寒地區(qū),可以選擇對溫度敏感程度較小的油液.

(5) 正由于油液溫度對減振器阻尼特性有一定的影響,在對減振器進(jìn)行測試時,特別是疲勞耐久性測試時,要注意對減振器進(jìn)行散熱,排除油液溫度過高造成的影響.

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