機車限制運營速度提高的原因分析

楊林曼 張贊

(萊鋼運輸部,山東萊蕪 271100)

機車限制運營速度提高的原因分析

楊林曼 張贊

(萊鋼運輸部,山東萊蕪 271100)

近年來世界各國的鐵路進入了一個飛速發展時期,機車運行速度不斷提高,為了減小提速機車的異常振動,提高機車運行平穩性,以抗蛇行減振器為研究對象,運用車輛動力學理論,建立減振器模型,從機車抗蛇行減振器結構參數、卸荷速度、溫度入手,利用MATLAB/SIMULINK進行仿真,研究了抗蛇行減振器與機車運行平穩性的關系。

鐵路機車 阻尼 減振器 動力學 平穩性

在保證安全性、平穩性的前提下,不斷實現高速運行是各國鐵路不懈追求的目標和發展趨勢,然而這涉及到多方面的技術問題。要在既有的鐵路線路上實現高速化,關鍵在于研制出高性能的車輛,就是能研制出動力學性能優良的轉向架。改進現有轉向架的工作,主要集中在優化懸掛參數方面。

以抗蛇行油壓減振器為研究對象,對減振器的結構阻尼參數、卸荷速度以及溫度與機車運行平穩性的關系進行研究,從而探明抗蛇行減振器對提速車輛異常振動的影響,從而達到提高機車運行平穩性的目的。仿真計算與實際經驗表明:抗蛇行油壓減振器的參數對機車車輛的平穩性有著重要影響,而對機車車輛的曲線通過能力影響很小。平穩性是橫向振動中最為核心的動力學性能指標,因此選取機車運行平穩性作為研究對象。

1 減振器的動力學仿真平臺

在建立減振器數學模型的基礎上,可以通過仿真,研究可調阻尼減振器在不同條件下的動力學性能,分析減振器主要的結構參數對其動力學性能的影響,以及各種結構參數對其影響程度的大小。通過仿真分析,可以得到減振器最佳的結構參數。

2 抗蛇形油壓減振器動力學性能的主要影響因素

2.1 節流閥的結構和參數

對于減振器受到的沖擊,進行仿真時可以簡化為一個激勵信號,并對這一激勵信號做出響應。仿真的過程能夠實時的反應激勵信號從輸入到輸出整個過程中減振器的外特性。根據中國減振器臺架試驗標準QC/T545-1999的規定,在測試減振器的外特性時,采用正弦激勵方式。

活塞相對于工作缸作往復諧波運動的規律為:

S=Asinωt

活塞與工作缸的相對運動速度為:

式中:

A——活塞運動的最大位移;

ω——活塞運動的角頻率;

t——時間。

減振器拉伸壓縮時, 對活塞桿處液流截面和節流孔處截面利用伯努利方程可推導出阻力表達式為:

式中

Ω——活塞上部液流的截面積;

γ——液體的重率;

μ——孔口流量系數;

f——節流孔面積;

v——活塞運動速度。

圖1 阻尼特性的示功圖

圖2 速度特性曲線

圖3 不同溫度示功圖

圖4 不同溫度速度曲線

2.2 節流孔的開度對阻尼特性的影響

通過調節節流孔的大小,能夠實現減振器阻尼的主動可調。所選取的外加激勵為一正弦激勵,振幅A=85mm,頻率為1.67Hz,將減振器的節流孔的開度分為五種情況分別進行仿真分析,選取全閉、1/4開、2/4開、3/4開、全開這五種狀態,在這五種情況下仿真得到的阻尼特性的示功圖和速度特性圖如圖1和圖2所示。由流體力學的知識可知當節流孔的開度增加時,減振器油液的流通面積增加,產生的相應阻尼力就減小,仿真的圖像完全符合這一特性。從圖中可以得知當開度為零時,減振器此時在運動的平衡位置產生的最大阻尼力為2750N,而開度為全開時,減振器相應位置的最大阻尼力為1800N。很容易得出當減振器的開度不同時,減振器的阻尼特性有明顯的區別,這樣減振器的阻尼可調范圍就變得很寬,因此實現了阻尼可調的功能。

2.3 粘溫特性

所謂粘溫特性指的是減振器油液的粘度會隨著溫度的改變而發生變化。油液的粘度隨著溫度的升高而減小,隨著溫度的降低而增大。可以用以下公式來表示粘溫特性:

式中:

μ(t)——油液在溫度t時的動力粘度,單位是N·s/m2;

μ(t)——油液在初始溫度t0時的動力粘度,單位是 N·s/m2;λ ——油液粘度指數,一般在0.035～0.052之間。

分別在25℃和45℃溫度條件下,分析減振器阻尼力的變化情況。如圖3和4所示,隨著溫度的增加,減振器阻尼力減小。

3 結語

本文主要工作是對于抗蛇形壓減振器的各主要的結構參數,進行動力學性能進行仿真,利用得到的數據進行綜合分析,得到了不同結構參數對減振器的內特性仿真曲線。主要參數的影響結果為:節流孔的開度增加,阻尼力減小;粘度指數較高的油液會使油液隨溫度的變化情況減小,這樣才能使減振器的溫度特性和阻尼特性達到最優化。

[1]任尊松.車輛系統動力學[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[2]KON I Railway Shock A bso rbers Technical P resentat i on[Z].KON I ITT AU TOMOT I V E.1994 .