適用于高速列車的主動控制可變阻尼減振器

楊漢嵩，谷明輝，凌愷夫，劉建秀

（1.黃河科技學(xué)院，碩士、講師，河南 鄭州，450063；2.重慶大學(xué)，在讀博士，重慶 401331；3.株洲玻璃廠，高級工程師，湖南 株洲 412000；4.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，教授，河南 鄭州 450002）

我國目前的運輸還是以鐵路為主，而高速列車的出現(xiàn)對鐵路部門提出了更高的要求，既要速度又要舒適，這對高速列車各部件提出的要求更高。高速列車的減振器是降低振動的主要部件，用于吸收和緩解軌道不平順引起的振動和沖擊，其性能直接影響列車的平穩(wěn)性和舒適性。彈簧阻尼閥是實現(xiàn)阻尼力調(diào)整的關(guān)鍵部件，優(yōu)化其設(shè)計參數(shù)對提高減振器的工作特性及運行可靠性有明顯影響。目前國內(nèi)研究人員的研究集中在減振器的數(shù)學(xué)模型的建立和仿真上，以及參數(shù)識別試驗修正和參數(shù)敏感性分析上，丁問司等論述了高速列車橫向半主動懸掛控制的方法，給出了用于實現(xiàn)此控制方法的半主動減振器的結(jié)構(gòu)和工作原理，但是對主動控制的液壓減振器的研究少見報道［1］。本文就主動懸掛的液壓減振器進行介紹。

1 減振器的發(fā)展趨勢

目前高速列車都采用半懸掛系統(tǒng)。半懸掛是以減振器拉伸，活塞向上位移，上腔體積減少，壓力增大，活塞單項閥關(guān)閉，低速時，上腔壓力相對較小，上腔液壓油經(jīng)調(diào)節(jié)單元流入下腔；高速時，隨著上腔壓力的逐漸升高，各閥門按調(diào)節(jié)單元一次打開，起到調(diào)節(jié)阻尼、壓力和安全保護作用，同時下腔體積增大，壓力減小，底閥打開，油包向下腔供油，補充下腔體積變化。減振器壓縮過程中，活塞向下移動，下腔體積減小，壓力增大，底閥單向閥關(guān)閉，低速時，上腔壓力較小，上腔液壓油經(jīng)調(diào)節(jié)單元流入油包；高速時，上腔壓力逐漸升高，各閥門按調(diào)節(jié)單元先后打開，同時由于底閥關(guān)閉，上腔流出的油液直接排入油包。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、工作可靠。但它有一定的局限性，即只能按位移的大小來確定阻尼力，彈簧變形是唯一的指標(biāo)，因而不能按路況預(yù)測隨時改變阻尼，且有漏油、示功圖不平滑的缺點。所以在列車高速時由于車輛有蛇擺和左右振動，乘坐時會有頭暈和晃動的感覺。為此，需要設(shè)計一些比較敏感和柔和的連接減振系統(tǒng)，以滿足旅客舒適性要求。

可變阻尼就是以路況和速度采集器為先導(dǎo)，把信息及時傳給控制部分，操作改變阻尼力的大小和方向，利用電磁閥控制截流口的大小，改變橫向阻尼力，減少車體的振動，尤其是在曲線行駛和蛇形行駛時效果更好，從而增加了高速列車的運行平穩(wěn)性，是減振趨勢的發(fā)展方向。

2 可變阻尼減振器的基本理論

減振器的工作原理是通過振動時活塞產(chǎn)生的往復(fù)運動，把機械動能的全部或一部分轉(zhuǎn)化為液體熱能進行釋放，從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、釋放和衰減的過程。

2.1 阻尼力 阻尼力是阻尼閥產(chǎn)生的壓力差作用在活塞上下2個不同面積上。其拉伸、壓縮時所產(chǎn)生的阻尼力，與壓力差及活塞上下作用的面積存在函數(shù)關(guān)系，滿足帕斯卡定理，阻尼力與速度曲線基本滿足直線關(guān)系，阻尼力與位移的關(guān)系，呈橢圓形示功圖。阻尼力主要由粘性阻尼力和庫倫阻尼力2個部分組成［2］，用數(shù)學(xué)公式表示為

式中：第一項為粘性阻尼力，第二項為庫侖阻尼力；

u為磁流變阻尼器運動速度；

sgn為信號函數(shù)；

h為平均板間隙；

l為長度；

b為寬度；

Ap為活塞有效作用面積；

η為磁流變的塑性黏度；

τ為臨界剪切屈服應(yīng)力。

2.2 庫侖阻尼力 在（1）式中，第一項只與油的黏度和幾何參數(shù)有關(guān)。即

而第二項是隨流體壓力的變化而變化，是可變減振器可調(diào)的部分。即

這對于一定的流體壓力而言F2可看作不變庫侖摩擦力。設(shè)參數(shù)

K是將活塞看作簡諧運動時，活塞速度最大，由流體流變而產(chǎn)生的庫侖阻尼力與流體流動而產(chǎn)生的粘性阻尼力的比，簡稱可調(diào)系數(shù)；um為減振器活塞與缸體運動的最大相對速度。對式（4）中各項的量綱進行分析可發(fā)現(xiàn)，由于η粘性系數(shù)通常為0.1～0.3 Pas，而τy卻為 5～95 k Pa，所以 F2大于 Fm。這說明減振器工作時，如果流體性能足夠好，其阻尼力將主要由流體壓力產(chǎn)生的庫侖阻尼力提供。

3 可變阻尼減振器系統(tǒng)設(shè)計

3.1 減振器及可變阻尼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.1.1 減振器結(jié)構(gòu) 減振器由油缸、活塞、活塞桿、電磁閥及油路等組成。

3.1.2 可變阻尼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 可變阻尼減振器相對于半懸掛系統(tǒng)減速器來說，以其改變加入油路的連接系統(tǒng)和加入電磁閥為優(yōu)勢，外加道路識別器，充分考慮各種可變參數(shù)進行設(shè)計。即利用路況傳感器采集信息并在油路中安裝電磁節(jié)流閥，控制高速列車的蛇擺和橫向振動，且自動反饋信息給處理器，實行阻尼力大小的控制。可變阻尼減振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 可變阻尼減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 減振系統(tǒng)的工作流程 在每一個液壓減振器旁裝電液比例閥，以控制減振器，由處理系統(tǒng)控制電液比例閥；線路工況識別探測器采集信息給處理系統(tǒng)，減振阻尼力大小由電液比例閥控制。當(dāng)車體運行時，線路工況識別探測器隨時對高速列車運行前方30～50 m地方的線路工況進行判別（包括軌道接口、線路坡度及曲線半徑、岔道型號），并將所檢測的高速列車振動位移識別信號轉(zhuǎn)化為電壓信號送入處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)將經(jīng)過識別和處理的電壓信號送入電液比例閥，從而調(diào)節(jié)阻尼通道的大小，使減振剛性增大或縮小，達(dá)到有效減振的目的。各高速列車所經(jīng)過某一工況的時間不同，但每節(jié)高速列車的長度是一定的，所以對于第n節(jié)高速列車，可以通過處理系統(tǒng)延時處理，將信號依次傳到第n節(jié)高速列車的第n個電液比例閥，并控制第n個減振器，這樣就可完全實現(xiàn)高速列車及整高速列車的安全操作和平穩(wěn)運行。

4 減振系統(tǒng)的連接及操縱

減振器與監(jiān)測系統(tǒng)相連，由監(jiān)測系統(tǒng)控制減振器的操作，而減振器的兩端則連接到高速列車上，司機在控制臺上只需要改變級位即可，其他的工作都由速度線路控制系統(tǒng)完成。控制系統(tǒng)由駕駛臺接口、DSP處理器和DSP的接口三部分組成，駕駛臺和PLC（可編程邏輯控制器）都是對數(shù)字I//O量進行操作，I/O量使用4～20 mA或0～10 V信號；而DSP平臺的數(shù)字I//O量都為3.3～5 V。因此，必須在I/O接口實現(xiàn)4～20 mA，或0～10 V信號與3.3VI/O量之間進行轉(zhuǎn)換；檢測系統(tǒng)接受上傳高速列車的速度與位置信息。減振系統(tǒng)的連接和操作，如圖2所示。

圖2 減振系統(tǒng)的連接和操作

5 結(jié)束語

在SS8型機車上對主動懸掛可變阻尼液壓減振器進行試驗的結(jié)果表明，在直道、彎道、道岔和坡道上時，主動控制根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)阻尼大小。當(dāng)減振器和振動油缸受力不低于2 t時，平均油壓10 MPa，有效行程為20 mm，最大行程40 mm，而在半主動控制時的有效行程是160 mm。這是因為主動控制依據(jù)線路工況識別器提前檢測、識別高速列車運行前方的線路狀況，經(jīng)過特殊設(shè)計的模塊處理，實現(xiàn)調(diào)節(jié)整個高速列車液壓減振器的阻尼力，完成主動控制整個高速列車振動過程的結(jié)果。

由于主動控制減振器充分利用了電磁閥的可變調(diào)節(jié)功能，又將傳統(tǒng)的液壓減振器液壓油體內(nèi)循環(huán)改變?yōu)橥ㄟ^比例閥的體外循環(huán)，并增加路況識別器采集信號。其結(jié)構(gòu)簡單、安全、可靠，安裝和維修方便，使各種線路運行的振動全面得到有效控制，提高了乘坐的舒適度。在做示功圖試驗時，當(dāng)行程為50 mm，速度為0.3 m/s，電壓為5 v和10 v時，示功圖都比較光滑，說明具有良好的應(yīng)用前景。但其耐久性還需要長時間的多次試驗，所以在制作過程中還需要不斷對各個參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以便使產(chǎn)品的性能更加完善。在臺架試驗時雖然沒發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象，但是，還需要作一些間隙與壓力的試驗測試，這將有助于減振器的不斷改進和提高。

［1］凌愷夫.高速列車機車截錐螺旋壓縮彈簧減振設(shè)計與研究［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，23（4）：23-27.

［2］.SPENCER B F Jr.Pheonmenological model of a mgnetorhe?ological damper［J］Jorunal of Engineering Mechanics，1996，3：10-15.