抗蛇行減振器故障對動車組平穩(wěn)性的影響分析

李維泰，孔博文，任曉旭

（中國鐵路濟南局集團有限公司青島動車段，山東青島 266000）

0 引言

頻繁的蛇行運轉(zhuǎn)不僅會威脅到機車車輛運行的穩(wěn)定，還會損壞鋼軌，是影響機車運行穩(wěn)定與列車速度提升的關(guān)鍵問題。為遏制機車車輛的蛇行運轉(zhuǎn)，重點憑借在車體與轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)之間縱向安裝抗蛇行減振裝置，盡可能提升車輛系統(tǒng)的臨界速率，以提高機車車輛的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。因為在高頻率高壓力下長期運行，抗蛇行減振裝置不可避免會發(fā)生故障，這在阻尼力的改變中會有所體現(xiàn)，所以必須找出減振器故障類型，運用減振裝置所剩阻尼力對車輛動力學性能開展剖析。

1 抗蛇行減振器故障類型及特征

抗蛇行減振裝置內(nèi)部構(gòu)架精密復(fù)雜，而且長時間在高壓力高負擔下工作，所以其故障類型較多（圖1）。通過動車組檢修運用調(diào)查，歸納出減振裝置重點分為減振裝置油誘發(fā)的問題、零部件損壞故障及其他故障。

圖1 抗蛇行減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1 減振器油引起的故障

1.1.1 減振器油泄漏

CRH380B 型動車組運用的為油壓減振裝置，裝配偏差等誘發(fā)的油泄漏較為頻繁。偏載偏磨導致的活塞桿與油封破損、內(nèi)部構(gòu)件精確度達不到所需、能造成油泄漏。油滲透會引起減振裝置阻尼力越來越小，直至最終喪失了減振效果。減振裝置油滲漏容易被察覺與辨別，當液壓油滲漏后會對減振裝置外表形成威脅，通過外觀檢查就能夠察覺。

1.1.2 減振器油油品質(zhì)量

減振裝置油必須具備較為突出的黏溫特征、低溫效果、平衡性突出、優(yōu)質(zhì)的摩擦因數(shù)、較為突出的抗損耗效果，此外還必須具備較為突出的橡膠兼容效果，杜絕密封材料的腐蝕。特別是在高寒區(qū)域運用的減振裝置因為環(huán)境復(fù)雜，更加要具備較為突出的低溫效果，否則阻尼力必將提高。減振裝置工作過程中，油的溫度會持續(xù)遞增，黏溫特征不突出的液壓油會導致阻尼力銳減，當油品不佳時容易形成乳化狀況，會減弱減振阻尼優(yōu)勢。如果活塞和工作缸之間長時間摩擦，極有可能導致磨損、產(chǎn)生鐵屑，最終致使液壓油遭到污染，這個階段減振裝置阻尼力會不斷提高。

1.2 減振器零部件損壞

1.2.1 減振器端部橡膠故障

抗蛇行減振裝置兩端具備橡膠節(jié)點，該橡膠節(jié)點是橡膠套彈性接口，能在一定程度上抵消部分振動，同時改善活塞桿在運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中受到的轉(zhuǎn)動扭矩。當減振裝置橡膠節(jié)點腐蝕或損耗時，節(jié)點剛度遞增，減振裝置等同于剛性銜接的純阻尼體系。

1.2.2 減振器補償閥故障

補償閥停滯運轉(zhuǎn)后會形成空程，主要原因是當減振部件遭到壓縮時補償閥會停止工作，此時工作缸油腔內(nèi)積累的油將被經(jīng)由補償閥輸送至儲液缸內(nèi)，如果沒有壓縮閥的輔助，此時阻尼力將暫時消失，直至補償閥完全停止后阻尼力又回到原先的狀況。

1.3 其他故障

減振裝置長期運轉(zhuǎn)后，活塞和工作缸之間的摩擦將變得愈發(fā)嚴重，由于溫度遞增，會形成減振狀況卡死的問題，進而引起減振裝置失去效果。一旦緊固閥片的螺母出現(xiàn)了略微松動，閥門預(yù)緊力形成威脅，進而威脅到阻尼力。但若閥門頻繁彎曲，必將導致其外形受到影響，甚至出現(xiàn)阻隔，導致減振裝置失去作用。

任何問題都可等效于減振裝置阻尼力的改變。因此，本文運用增加與減少阻尼力的方法，開展模擬減振裝置在運用環(huán)節(jié)可能形成的問題，阻尼力偏差范疇在規(guī)定范疇的-50%～100%（圖2）。

圖2 不同工況下抗蛇行減振器阻尼特性

2 整車動力學模型的建立

2.1 車輛—軌道系統(tǒng)非線性處理

（1）輪軌接觸。輪對和軌道的接觸難度始終是這一范疇探討的關(guān)鍵之一，差異化輪軌和差異化鋼軌之間的接觸存在幾何關(guān)聯(lián)。起初在分析機動車動力學時，往往把輪軌聯(lián)系視為近似線性化，并借助“等效踏面錐度”“等效輪軌接觸角”等策略實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的升級。隨著國內(nèi)鐵路建設(shè)技術(shù)的不斷進步，業(yè)內(nèi)為了顯著提升輪對的使用壽命、為車輛提供更平穩(wěn)的行駛環(huán)境，如今已經(jīng)不再運用傳統(tǒng)的錐形踏面，而運用非線性較為突出的損耗類踏面。

（2）輪軌蠕滑。由于車輪和鋼軌具有一定的彈性，所以當車輪朝著鋼軌行駛，并且核心區(qū)域橫向遷移或偏轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中，輪軌之間在縱向、橫向以及垂直于接觸面的回轉(zhuǎn)方面構(gòu)成相關(guān)轉(zhuǎn)移，這一相應(yīng)位轉(zhuǎn)移被稱之為蠕滑，隸屬于彈性滑動（處于純粹滾動以及純粹滑動之間的一類行駛模式）。在蠕滑率不足時，蠕滑力和蠕滑率之間形成顯著的線性聯(lián)系，但如果蠕滑率處于某一個特定層面的大蠕滑條件之中，此時兩者之間將維持著非線性關(guān)系。

（3）懸掛系統(tǒng)。動車組列車懸掛體系內(nèi)的一系垂向減振裝置、二系垂向減振裝置、二系橫向減振裝置及抗蛇行減振裝置之間具備一定的互相作用，各個減值裝置與列車的運行條件之間形成一些非線性關(guān)聯(lián)，也會威脅抗蛇行減振裝置的效果。

（4）軌道因素。動車組運行的軌道對車輛的運行存在較大的影響。軌道不平順或傾斜等均會影響動車組平穩(wěn)性，其讓機動車體系構(gòu)成各種強迫振動，上述振動會對機動車動力學形成負面威脅。在各類型軌道上運行的動車組其減振器的運動存在不動的狀態(tài)。

3 蛇形失穩(wěn)仿真分析

3.1 車體低頻晃動分析

對車輪踏面外觀與規(guī)范鋼軌搭配開展實際操控，軌道幾何信息的優(yōu)化應(yīng)當把控在常規(guī)偏差范疇之中，進而獲得較為合理的等效錐度比較踏面與規(guī)范鋼軌。輪對橫移范疇等效錐度減少工作狀況假如發(fā)生不符合抗蛇行減振裝置信息，而車體橫向3 Hz 以下振動是誘發(fā)車輛低頻率振動的關(guān)鍵所在。對于CRH3 動車組規(guī)劃計劃每一個轉(zhuǎn)動輪架每端必須配備兩個T60、T70 抗蛇形減振裝置，同時在配備之后以橫向振動效果剖析低等效錐度搭配，進而查驗仿真結(jié)果。兩個T60 抗蛇形減振裝置結(jié)合規(guī)劃的運用能夠獲得車體橫向加速率由于振幅數(shù)字較小對諧波組成威脅低，振動主頻得以控制在有限范圍內(nèi)；而兩個T70 抗蛇形減振裝置的運用則會發(fā)生較為突出的諧波振動，主頻波動變化使得加速度幅值也發(fā)生改變。這直接證實了，運用兩個T60 抗蛇形減振裝置結(jié)合規(guī)劃時，銳減的動態(tài)剛度車體在振動次數(shù)出現(xiàn)高頻率轉(zhuǎn)換，從而銳減車體振動能量、落實遏制振動目的。而兩個T70 抗蛇形減振裝置結(jié)合規(guī)劃由于動態(tài)剛度較高無法銳減車體振動效果難以遏制車體振動。

3.2 轉(zhuǎn)向架蛇形失穩(wěn)分析

在車輛動力學評估標準內(nèi)轉(zhuǎn)向架蛇行運轉(zhuǎn)穩(wěn)定效果較為突出，結(jié)構(gòu)橫向加速率大范疇提高與轉(zhuǎn)向架蛇行運轉(zhuǎn)穩(wěn)定成效不高有著直接的聯(lián)系。已知分析得出T70 抗蛇形減振器轉(zhuǎn)向架橫向加速率顯著低于T60 抗蛇形減振裝置，這也證實在300 km速率運轉(zhuǎn)過程中運用T70 抗蛇形減振裝置不容易形成結(jié)構(gòu)橫向加速率警報，而在相應(yīng)時速運行中因T60 抗蛇形減振器發(fā)生失穩(wěn)進而發(fā)生振動傳遞，車體橫向穩(wěn)定效果標準提高。為證實模擬規(guī)律的穩(wěn)定效果，應(yīng)用線路測驗比較操作開展證實。裝用抗蛇形減振裝置以相似線路轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)測驗證實諧波振動測驗兩個T60、T70 抗蛇形減振器幅值發(fā)現(xiàn)，換裝T70 抗蛇形減振裝置對于轉(zhuǎn)向架的失穩(wěn)運轉(zhuǎn)可以落實合理遏制，降低加速度幅值，且架構(gòu)橫向波形衰減非諧波隨機振動原因。

4 結(jié)果及分析

常見的動車組力學性能主要包含穩(wěn)定性、曲線通過性、平穩(wěn)性等內(nèi)容。其中平穩(wěn)性主要是針對旅客乘坐舒適性來分析的，大多數(shù)以Sperling 標準落實評估。穩(wěn)定性、曲線通過性則主要借助減載率、脫軌系數(shù)、輪軌垂向力、臨界速率、磨耗功率等參數(shù)進行計算。

4.1 車輛平穩(wěn)性分析

動車組平穩(wěn)性評估參考相關(guān)要求，在橫向偏移轉(zhuǎn)向架核心區(qū)域1 m 區(qū)域的車內(nèi)地板面中計算出加速度參數(shù)。考慮到減振裝置的阻尼在-50%誤差階段其動車組平穩(wěn)性將有所降低，因此可將其橫向、垂向平穩(wěn)性的參數(shù)分別設(shè)為2.20、1.85，同時將車體橫向、垂直加速度的最大值分別設(shè)為2.35 m/s2、0.37 m/s，如果減振裝置阻尼力能夠維持在-40%～100%的誤差范圍之內(nèi)，憑借剖析車體加速度峰值隨著阻尼力誤差改變曲線能夠獲得，在-20%阻尼力誤差時獲得最低垂向加速度為0.187 m/s2，在-50%阻尼力誤差時平穩(wěn)性低下，計算最大垂向加速度為0.370 m/s，其差距在49.5%?？勺枘崃φ`差在-40%～100%內(nèi)改變時，垂向加速度改變趨勢較為不足；車體橫向加速度改變趨勢為先基數(shù)降低，隨后逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。

4.2 車輛穩(wěn)定性分析

抗蛇行減振裝置常規(guī)問題對高速列車動力學性能的威脅，動車組穩(wěn)定性項目有輪重減載率、脫軌系數(shù)、磨耗功率、輪軌橫向力、輪軌垂向力、臨界速率。

脫軌系數(shù)伴隨著阻尼力誤差遞增而減少，阻尼力在標準數(shù)值時，脫軌系數(shù)減少態(tài)勢緩慢。輪軌損耗的態(tài)勢與脫軌系數(shù)趨勢相似，抗蛇行減振裝置阻尼力對輪軌損耗的威脅較高。阻尼力偏差會對輪軌垂向力均方根參數(shù)威脅較小，阻尼力對輪軌橫向力均方根植具備一定的價值。動車組非線性臨界速率會隨著抗蛇形減振裝置阻尼力的遞增而遞增。

5 結(jié)論

（1）減振裝置油滲漏和補償閥滯后等誘發(fā)阻尼力降低的穩(wěn)定必須高度重視，因為其直接影響減振器功能。

（2）當抗蛇行減振裝置溫度促使阻尼力誤差不足時，對車輛車輛垂向運動威脅較低，對列車運行平穩(wěn)性不會產(chǎn)生較大的影響。

（3）抗蛇行減振裝置難題對于臨界速率、輪軌磨耗功率和車體橫向加速度的作用較為顯著，如果受到抗蛇形減振器溫度的影響，其誘發(fā)阻尼力誤差略微小于規(guī)范標準，此時對動車組運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性會造成較高的負面威脅。

（4）經(jīng)過剖析動力學參數(shù)成果，依據(jù)確保動車組穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上最大化提升動車組運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的準則，可以挑選抗蛇行減振裝置的最合理阻尼特性，最佳數(shù)值為90%～100%規(guī)范阻尼特征，也就是抗蛇行減振裝置卸荷速率為0.03 m/s、卸荷力為8～9 kN后，動車組各動力學性能符合相關(guān)最佳狀況。