空氣彈簧頻變特性研究

池茂儒, 高紅星, 張衛華, 曾 京, 鄔平波

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室, 四川 成都 610031)

空氣彈簧頻變特性研究

池茂儒, 高紅星, 張衛華, 曾 京, 鄔平波

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室, 四川 成都 610031)

為了研究空氣彈簧不同物理參數對空氣彈簧動態特性的影響,基于TPL-ASN空氣彈簧模型的仿真軟件ASDS建立了與試驗工況一致的1/4車模型.利用該模型仿真分析節流孔直徑、連接管路直徑和長度、附加空氣室體積、本體體積對空氣彈簧頻變特性的影響規律,并與試驗結果進行對比分析.研究結果表明: TPL-ASN模型較準確地模擬不同物理參數的空氣彈簧在不同激振頻率下的動態特性;節流孔和連接管路對空氣彈簧動態特性的影響主要體現在中頻段,在低頻段和高頻段對空氣彈簧動態特性影響較小;附加空氣室對空氣彈簧動態特性的影響主要體現在中低頻段,在高頻段對空氣彈簧動態特性影響較小;空氣彈簧本體對空氣彈簧動態特性的影響主要體現在中高頻段,在低頻段對空氣彈簧動態特性影響較小.

空氣彈簧;頻變特性;節流孔;連接管路;附加空氣室;空氣彈簧本體

為了減振降噪改善車輛動力學性能,空氣彈簧被廣泛應用于鐵道車輛上[1-2],但不同物理參數的空氣彈簧在不同激振頻率下的動態特性差異很大,因此,空氣彈簧模型的準確性直接影響車輛動力學性能的計算結果[3-4].國內外學者針對空氣彈簧模型開展了大量的研究工作[5-11].這些研究工作取得了一些進展,也得到了一些應用,比較著名的有Krettek空氣彈簧非線性模型和Docquier空氣彈簧非線性模型[12-14].在Krettek模型中,空氣彈簧本體通過節流孔與附加空氣室連接,沒有對連接管路進行詳細建模,僅將連接管路的阻尼特性等效施加到節流孔的縮流系數中;在Docquier模型中,空氣彈簧本體通過管路與附加空氣室連接,沒有對節流孔進行詳細建模,僅將節流孔的阻尼特性等效施加到管路的阻力系數中.因此,這些上述空簧彈簧模型還不能完全準確地反映空氣彈簧的非線性頻變特性.

本文研究采用的空氣彈簧非線性模型(TPL-ASN)[15-16]將連接管路和節流孔同時進行了考慮,模型更加完整,利用仿真與試驗相結合的方法研究不同激振頻率下空氣彈簧物理參數對其動態特性的影響趨勢.一方面驗證TPL-ASN空氣彈簧非線性模型的準確性,另一方面深入分析空氣彈簧物理參數對其頻變特性的影響規律,為空氣彈簧的選型設計提供理論依據.

1 TPL-ASN空氣彈簧非線性模型與試驗工況介紹

空氣彈簧由本體、附加空氣室、節流孔、連接管路、差壓閥和高度控制閥等組成,其模型示意圖如圖1所示.

在空氣彈簧建模過程中,首先建立空氣彈簧本體、附加空氣室、節流孔、連接管路、差壓閥和高度控制閥等多物理參數的子模型,然后利用進出氣體質量流量相等的原則,將各個子模型銜接,組成一個完整的空氣彈簧系統計算模型.

圖1 空氣彈簧模型示意Fig.1 Schematic diagram of air spring model

但在各子模型的銜接過程中,節流孔與連接管路不能直接相連,要求節流孔與連接管路的兩端必須都是氣室空間,否則無法銜接兩個子模型,這正是空氣彈簧建模的一大難點.文獻[15-16]采用輔助空間法解決了節流孔和連接管路之間的銜接難題:在連接管路中截取一段作為輔助空間(如圖1所示),這樣節流孔一端連接本體,另一端連接輔助空間;連接管路一端連接輔助空間,另一端連接附加空氣室.該空氣彈簧模型稱之為“輔助空間非線性模型”,簡稱為TPL-ASN空氣彈簧模型,具體建模過程參見文獻[16].

為了驗證TPL-ASN模型的準確性,作者進行了大量的試驗,試驗臺及空氣彈簧的安裝方式如圖2所示.空氣彈簧上端的質量塊可以垂向自由移動,模擬車體的質量;空氣彈簧下端的作動器可以施加正弦激勵,模擬線路激擾.本次試驗以某高速動車組空氣彈簧作為試驗對象,其物理參數如表1所示.

圖2 空氣彈簧振動試驗臺Fig.2 Air spring vibration test bench

名稱數值 標準高度/mm200 有效面積/m20.21083 有效面積變化率/(m2·m-1)0.12512 空氣彈簧本體體積/L25 附加空氣室體積/L70 節流孔直徑/mm14 連接管路長度/m2 連接管路直徑/mm38.1

為了研究空氣彈簧的頻變特性,試驗采用不同的激勵頻率(0.1～15.0 Hz)進行激振,分析空氣彈簧關鍵物理參數(節流孔直徑、連接管路直徑和長度、附加空氣室體積和空氣彈簧本體體積)對空氣彈簧頻變特性的影響規律.采用自編的空氣彈簧動態特性仿真軟件(簡稱ASDS軟件) 仿真分析TPL-ASN模型.

2 空氣彈簧頻變特性分析

為了與空氣彈簧試驗結果對比,仿真輸入參數與試驗條件完全相同:空氣彈簧上端移動質量塊的質量為8.65 t(1/4車體質量),試驗時的環境溫度始終保持12 ℃.研究在不同激振頻率下空氣彈簧關鍵物理參數(節流孔直徑、連接管路直徑和長度、附加空氣室體積、空氣彈簧本體體積)對空氣彈簧動態特性(動剛度和阻尼比)的影響趨勢,進而總結出空氣彈簧物理參數對空氣彈簧頻變特性的影響規律.

2.1 節流孔直徑對空氣彈簧頻變特性的影響

在研究節流孔直徑對空氣彈簧頻變特性的影響規律時,節流孔直徑分別選取為12.4、14.0、16.3、18.2、20.1 mm(其他物理參數見表1所示).不同節流孔直徑對空氣彈簧的動剛度和阻尼比影響結果分別見圖3和圖4所示.

(a)仿真結果(b)試驗結果圖3 不同節流孔直徑下動剛度仿真結果與試驗結果對比Fig.3 Stiffnesscomparisonbetweensimulationandexperimentforvariousorificediameters

(a)仿真結果(b)試驗結果圖4 不同節流孔直徑下阻尼比仿真結果與試驗結果對比Fig.4 Dampingratiocomparisonbetweensimulationandexperimentforvariousorificediameters

從圖3和圖4可以發現如下規律:

(1) 在不同節流孔直徑工況下, TPL-ASN模型仿真計算的空氣彈簧動剛度和阻尼比隨激振頻率的變化規律與試驗結果能夠較好地吻合,說明TPL-ASN模型能夠比較準確地模擬空氣彈簧在不同節流孔直徑下的頻變特性.

(2) 空氣彈簧的動剛度在低頻段(小于2 Hz)和高頻段(大于12 Hz)受節流孔直徑的影響較小.在中頻段(2～12 Hz),節流孔直徑對空氣彈簧的動剛度影響較大,而且不同節流孔直徑的動剛度曲線有一個共同的交會頻率(本文工況下約為8 Hz),當激勵頻率低于交會頻率時,空氣彈簧的動剛度隨節流孔直徑的增大而減小;當激勵頻率高于交會頻率時,空氣彈簧的動剛度隨節流孔直徑的增大而增大.

(3) 空氣彈簧的阻尼比在低頻段(小于1 Hz)和高頻段(大于10 Hz)受節流孔直徑的影響較小,且阻尼比在這兩個頻段都趨于0.在中頻段(1～10 Hz),節流孔直徑對空氣彈簧的阻尼比影響較大,而且阻尼比在中頻段存在極大值點,隨著節流孔直徑的增大,阻尼比極值也增大,且極值點對應的頻率也增大.當激振頻率較低(本文為1～4 Hz)時,空氣彈簧的阻尼比隨節流孔直徑的增大而減小;當激振頻率較高(本文為4～10 Hz)時,空氣彈簧的阻尼比隨節流孔直徑的增大而增大.

總括起來,節流孔直徑在低頻段和高頻段對空氣彈簧動態特性影響小,而在中頻段對空氣彈簧動態特性影響較大.究其原因,在低頻激勵時,節流孔對氣流的阻礙作用小;在高頻激勵時,節流孔對氣流的阻礙作用大,本體和附加空氣室之間的氣體來不及通過節流孔進行交換,因此,在低頻和高頻區域,節流孔的作用沒有發揮出來,所以空氣彈簧的動態特性(動剛度和阻尼比)隨節流孔直徑的變化不明顯.而在中頻激勵區,節流孔的作用被充分發揮出來,所以空氣彈簧的動態特性受節流孔直徑的影響很大,表現出強烈的非線性特性.

2.2 連接管路直徑對空氣彈簧頻變特性的影響

在研究連接管路直徑對空氣彈簧頻變特性的影響規律時,連接管路直徑分別選取為12.7、25.4、38.1 mm(其他物理參數見表1所示).不同連接管路直徑對空氣彈簧的動剛度和阻尼比影響結果分別見圖5和圖6所示.

(a)仿真結果(b)試驗結果圖5 不同連接管路直徑下動剛度仿真結果與試驗結果對比Fig.5 Stiffnesscomparisonbetweensimulationandexperimentforvariouspipediameters

(a)仿真結果(b)試驗結果圖6 不同連接管路直徑下阻尼比仿真結果與試驗結果對比Fig.6 Dampingratiocomparisonbetweensimulationandexperimentforvariouspipediameters

從圖5和圖6可以發現如下規律:

(1) 在不同連接管路直徑工況下, TPL-ASN模型仿真計算的空氣彈簧動剛度和阻尼比隨激振頻率的變化規律與試驗結果都能夠較好地吻合,說明TPL-ASN模型能夠比較準確地模擬空氣彈簧在不同連接管路直徑下的頻變特性.

(2) 空氣彈簧的動剛度在低頻段(小于1 Hz)和高頻段(大于15 Hz)受連接管路直徑的影響相對較小.在中頻段(1～15 Hz),連接管路直徑對空氣彈簧的動剛度影響較大,而且動剛度在激振頻率范圍內存在極大值點,隨著連接管路直徑的增大,動剛度極值也增大,且極值點對應的頻率也增大.

(3) 空氣彈簧的阻尼比在低頻段(小于1 Hz)和高頻段(大于13 Hz)受連接管路直徑的影響較小.在中頻段(1～13 Hz),連接管路直徑對空氣彈簧阻尼比影響較大,而且阻尼比在激振頻率范圍內存在極大值點,隨著連接管路直徑的增大,極值點對應的頻率也增大.

總括起來,連接管路直徑在低頻段和高頻段對空氣彈簧動態特性影響小,而在中頻段對空氣彈簧動態特性影響較大.

2.3 連接管路長度對空氣彈簧頻變特性的影響

在研究連接管路長度對空氣彈簧頻變特性的影響規律時,連接管路長度分別選取為1.25、1.50、2.00 m(其他物理參數見表1所示).不同連接管路長度對空氣彈簧的動剛度和阻尼比影響結果分別見圖7和圖8所示.

(a)仿真結果(b)試驗結果圖7 不同連接管路長度下動剛度仿真結果與試驗結果對比Fig.7 Stiffnesscomparisonbetweensimulationandexperimentforvariouspipelengths

(a)仿真結果(b)試驗結果圖8 不同連接管路長度下阻尼比仿真結果與試驗結果對比Fig.8 Dampingratiocomparisonbetweensimulationandexperimentforvariouspipelengths

從圖7和圖8可以發現如下規律:

(1) 在不同連接管路長度工況下, TPL-ASN模型仿真計算的空氣彈簧動剛度和阻尼比隨激振頻率的變化規律與試驗結果都能夠較好地吻合,說明TPL-ASN模型能夠比較準確地模擬空氣彈簧在不同連接管路長度下的頻變特性.

(2) 空氣彈簧的動剛度在低頻段(小于3 Hz)和高頻段(大于13 Hz)受連接管路長度的影響較小.在中頻段(3～13 Hz),連接管路長度對空氣彈簧的動剛度有影響:空氣彈簧的動剛度隨連接管路長度的增大而增大.

(3) 空氣彈簧的阻尼比在低頻段(小于3 Hz)和高頻段(大于13 Hz)受連接管路長度的影響相對較小.在中頻段(3～13 Hz),連接管路長度對空氣彈簧的阻尼比有影響:阻尼比在中頻范圍內存在極大值點(本文實驗條件下約為4 Hz),隨著連接管路長度的增大,阻尼比極值也增大,且極值點對應的頻率略有減小.當激振頻率較低時(3～5 Hz),空氣彈簧的阻尼比隨連接管路長度的增大而增大,當激振頻率較高時(5～13 Hz),空氣彈簧的阻尼比隨連接管路長度的增大而減小.

總括起來,連接管路長度在低頻段和高頻段對空氣彈簧動態特性影響小,而在中頻段對空氣彈簧動態特性影響相對較大.

2.4 附加空氣室體積對空氣彈簧頻變特性的影響

在研究附加空氣室體積對空氣彈簧頻變特性的影響規律時,附加空氣室體積分別選取為30、50、70、90、110 L(其他物理參數見表1所示).不同附加空氣室體積對空氣彈簧的動剛度和阻尼比影響結果分別見圖9和圖10所示.

從圖9和圖10可以發現如下規律:

(1) 在不同附加空氣室體積工況下, TPL-ASN模型仿真計算的空氣彈簧動剛度和阻尼比隨激振頻率的變化規律與試驗結果都能夠較好地吻合,說明TPL-ASN模型能夠比較準確地模擬空氣彈簧在不同附加空氣室體積下的頻變特性.

(2) 空氣彈簧的動剛度在高頻段(大于13 Hz)受附加空氣室體積的影響很小.在低頻段(本文工況為小于4 Hz),空氣彈簧的動剛度隨附加空氣室體積的增大而減小.在中頻段(本文為4～13 Hz),空氣彈簧的動剛度隨附加空氣室體積的增大而增大.

(3) 空氣彈簧的阻尼比在高頻段(大于13 Hz)受附加空氣室體積的影響很小.在低頻段(本文工況為小于6 Hz),空氣彈簧的阻尼比隨附加空氣室體積的增大而增大.在中頻段(本文為6～13 Hz),空氣彈簧的阻尼比隨附加空氣室體積的增大而減小.空氣彈簧的阻尼比在中低頻范圍內存在極大值點,隨著附加空氣室體積的增大,阻尼比極值也增大,但極值點對應的頻率會減小.

(a)仿真結果(b)試驗結果圖9 不同附加空氣室體積下動剛度仿真結果與試驗結果對比Fig.9 Stiffnesscomparisonbetweensimulationandexperimentforvariousauxiliaryreservoirvolumes

(a)仿真結果(b)試驗結果圖10 不同附加空氣室體積下阻尼比仿真結果與試驗結果對比Fig.10 Dampingratiocomparisonbetweensimulationandexperimentforvariousauxiliaryreservoirvolumes

總括起來,附加空氣室體積在高頻段對空氣彈簧動態特性影響小,而在中低頻段對空氣彈簧動態特性影響較大.究其原因,主要是因為在高頻激勵下,由于節流孔和連接管路的阻礙作用較強,本體和附加空氣室之間的氣體來不及交換,相當于附加空氣室在整個空氣彈簧系統中基本不起作用;而在中低頻激勵下,節流孔和連接管路的阻礙作用較小,附加空氣室的作用逐漸顯著.

2.5 空氣彈簧本體體積對空氣彈簧頻變特性的影響

在研究空氣彈簧本體體積對空氣彈簧頻變特性的影響規律時,空氣彈簧本體體積分別選取為15、25、35、45、55 L(其他物理參數見表1所示).由于改變空氣彈簧本體體積在試驗中難以實現,所以本文只有仿真分析,不同空氣彈簧本體體積對空氣彈簧的動剛度和阻尼比影響結果分別見圖11和圖12所示.

圖11 不同本體體積下動剛度仿真結果Fig.11 Simulated stiffness for various bellow volumes

圖12 不同本體體積下阻尼比仿真結果Fig.12 Simulated damping ratio for various bellow volumes

從圖11和圖12可以發現如下規律:

(1) 空氣彈簧的動剛度在低頻段(本文工況為小于3 Hz)受空氣彈簧本體體積的影響很小.在中高頻段(本文工況為大于3 Hz),空氣彈簧動剛度隨空氣彈簧本體體積的增大而減小.

(2) 氣彈簧的阻尼比在低頻段(本文工況為小于1 Hz)受空氣彈簧本體體積的影響很小.在中高頻段(本文工況為大于1 Hz),空氣彈簧阻尼比隨空氣彈簧本體體積的增大而減小.空氣彈簧的阻尼比在中高頻范圍內存在極大值點,隨著空氣彈簧本體體積的增大,阻尼比極值減小,極值點對應的頻率減小.

總括起來,空氣彈簧本體體積在低頻段對空氣彈簧動態特性影響小,而在中高頻段對空氣彈簧動態特性影響較大.究其原因,主要是因為在低頻激勵下,節流孔和連接管路的阻礙作用小,本體和附加空氣室相當于連通起來共同發揮作用,而本體體積相對于附加空氣室體積較小,所以作用不顯著;而在中高頻激勵下,節流孔和連接管路的阻礙作用加大,相當于切斷了空氣彈簧本體與附加空氣室的聯系,所以空氣彈簧本體的作用逐漸顯著.

3 結 論

通過空氣彈簧物理參數對空氣彈簧頻變特性影響的理論與試驗研究,可以得出如下結論:

(1) 在不同空氣彈簧物理參數(節流孔直徑、連接管路直徑和長度、附加空氣室體積)工況下,TPL-ASN模型仿真計算的空氣彈簧動剛度和阻尼比隨激振頻率的變化規律與試驗結果能夠較好地吻合,說明TPL-ASN模型能夠較準確地模擬空氣彈簧的頻變特性;

(2) 節流孔和連接管路對空氣彈簧動態特性的影響主要體現在中頻段,而在低頻段和高頻段對空氣彈簧動態特性影響較小;

(3) 附加空氣室對空氣彈簧動態特性的影響主要體現在中低頻段,而在高頻段對空氣彈簧動態特性影響較小;

(4) 空氣彈簧本體對空氣彈簧動態特性的影響主要體現在中高頻段,而在低頻段對空氣彈簧動態特性影響較小.

需要指出,本文主要是針對某動車組特定空氣彈簧展開的單一物理參數影響研究(在分析某一物理參數的影響時假定其他物理參數不變),如果有多個物理參數同時變化,空氣彈簧的非線性頻變特性將變得十分復雜,有待進一步深入研究.

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池茂儒(1973—),博士,2005年起至今任職于西南交通大學,現為牽引動力國家重點實驗室研究員,博士生導師,教育部新世紀優秀人才.主要研究方向為高速動車組系統動力學、重載貨運長大列車運行安全性、城市輕軌車輛設計理論及控制.先后主持國家自然基金項目1項、國家科技支撐計劃課題3項、省部級項目2項,參與國家重大項目50余項,主研校企合作項目200多項,獲得國家專利10余項,發表論文60余篇，獲國家科技進步二等獎1項、鐵道部科學技術一等獎3項、企業科技創新獎2項.國家自然科學基金項目評審專家，《交通技術》雜志編委.

E-mail: cmr2000@163.com

高紅星(1989—),博士研究生,研究方向為鐵道車輛系統動力學.參與國家重大項目5項,發表論文6篇,獲得國家專利5項,碩士畢業論文《鐵道車輛空氣彈簧動態特性研究》獲西南交通大學優秀碩士論文.

E-mail: gaohongxingvip@163.com

(中文編輯:秦 瑜 英文編輯:蘭俊思)

Frequency-Dependent Characteristics of Air Spring

CHIMaoru,GAOHongxing,ZHANGWeihua,ZENGJing,WUPingbo

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study the influence of different physical parameters of an air spring on its dynamic characteristics, a quarter-car model consistent with experimental conditions was set up using the simulation software ASDS that is based on the TPL-ASN air spring model. With the model, influence laws of orifice diameter, connecting pipe diameter and length, auxiliary reservoir volume, and air spring bellow volume on frequency-dependent characteristics was simulated and analyzed. The simulation results were compared with the experimental results. The results show that the TPL-ASN model can accurately simulate the nonlinear characteristics of an air spring with different physical parameters at different excitation frequencies. The influence of the orifice and connecting pipe on dynamic characteristics of air spring is mainly reflected in the middle frequency range, and is less affected in low and high frequency ranges. The influence of the auxiliary reservoir volume on dynamic characteristics of air spring is mainly reflected in low and middle frequency ranges, and is less affected in the high frequency range. The influence of the air spring bellow volume on dynamic characteristics is mainly reflected in middle and high frequency ranges, and is less affected in the low frequency range.

air spring; frequency-dependent characteristics; orifice; connecting pipe; auxiliary reservoir; air spring bellow

2015-10-16

國家自然科學基金重點資助項目(61134002); 國家自然科學基金高鐵聯合基金資助項目(UI334206)

池茂儒,高紅星,張衛華,等. 空氣彈簧頻變特性研究[J]. 西南交通大學學報,2016,51(2): 236-243.

0258-2724(2016)02-0236-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.003

U271.91

A