油溫對抗蛇行減振器特性和動力學(xué)性能的影響

徐騰養(yǎng)， 池茂儒, 朱海燕,3， 郭兆團(tuán)， 程賢棟

(1.浙江盾安軌道交通設(shè)備有限公司 紹興,311800) (2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室 成都，610031)(3.華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院 南昌，330013)

油溫對抗蛇行減振器特性和動力學(xué)性能的影響

徐騰養(yǎng)1,2， 池茂儒2, 朱海燕2,3， 郭兆團(tuán)2， 程賢棟2

(1.浙江盾安軌道交通設(shè)備有限公司 紹興,311800) (2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室 成都，610031)(3.華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院 南昌，330013)

為了研究抗蛇行減振器油液溫度對其動態(tài)特性和整車動力學(xué)性能的影響，對我國某高速動車組抗蛇行減振器進(jìn)行了試驗和動力學(xué)仿真分析。試驗結(jié)果表明，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，減振器吸收的能量、減振器動態(tài)阻尼及動態(tài)剛度隨油液溫度的降低而增加；而當(dāng)油液溫度超出抗蛇行減振器油液正常工作范圍時，減振器吸收的能量、減振器動態(tài)阻尼及動態(tài)剛度隨油液溫度降低而降低。仿真結(jié)果表明，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，蛇行臨界速度隨油液溫度的降低而增大，而當(dāng)油液溫度超出正常工作溫度范圍時，蛇行臨界速度隨溫度降低而降低，油液溫度對車輛平穩(wěn)性、安全性影響并不明顯。

抗蛇行減振器； 油液溫度； 動態(tài)特性； 整車動力學(xué)性能

引 言

抗蛇行減振器內(nèi)部油液有一個正常工作溫度范圍，當(dāng)油液溫度不在正常工作溫度范圍內(nèi)時，抗蛇行減振器則無法正常工作。在某些高寒地區(qū)，外界溫度可能會低于油液正常工作溫度范圍，由此會帶來一系列問題。例如：油液溫度大致為多少時減振器才無法正常工作；減振器處于非正常工作狀態(tài)時動態(tài)特性是如何變化的；減振器工作多長時間才能恢復(fù)正常工作狀態(tài)；油液溫度又是如何影響車輛動力學(xué)性能的。這些問題具有重要的實際工程應(yīng)用價值，也是俄羅斯高鐵非常關(guān)注的問題之一。目前，國內(nèi)外還缺乏對高速列車抗蛇行減振器溫變特性的研究。文獻(xiàn)[1]綜述了溫升對液壓減振器的危害，并提出了相關(guān)解決措施。文獻(xiàn)[2]結(jié)合Matlab仿真分析了鐵道車輛油壓減振器溫升對車體及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架垂向的影響。文獻(xiàn)[3]對溫升對減振器動態(tài)特性的影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]對高溫時的油液溫度對減振器阻尼特性的影響進(jìn)行了研究。但是以上研究均未詳細(xì)分析油液溫度對整車動力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)[5-9]對汽車液壓減振器黏溫特性進(jìn)行了研究與展望。筆者研究了油液溫度對抗蛇行減振器動態(tài)特性和車輛動力學(xué)性能的影響，不僅對高溫和低溫情況分別進(jìn)行分析，還分析了超出油液正常工作溫度范圍的情況。首先，基于臺架試驗對我國某高速動車組抗蛇行減振器(卸荷力為7 500 N，卸荷速度為0.01 m/s，阻尼系數(shù)為750(kN·s)/m)進(jìn)行了高低溫試驗；其次，對比分析了減振器在不同溫度下吸收的能量、動態(tài)剛度及動態(tài)阻尼，從而得到了油液溫度對抗蛇行減振器動態(tài)特性影響結(jié)果；最后，基于動力學(xué)軟件SIMPACK建立了該高速列車的動力學(xué)計算模型，分析了油液溫度對該高速列車蛇行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性及安全性能的影響。

1 油液溫度對抗蛇行減振器阻尼特性的影響

為研究高速列車抗蛇行減振器溫變特性，在西南交通大學(xué)軌道交通國家實驗室減振器試驗臺上對我國某高速列車抗蛇行減振器進(jìn)行了試驗。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T1491-2004 機車車輛油壓減振器技術(shù)條件[10]。為了使油液溫度與環(huán)境溫度一致，試驗所用減振器應(yīng)置于與試驗環(huán)境相同的溫度中至少24 h。本次試驗主要研究不同油液溫度對減振器阻尼特性影響，每次試驗前，均已將減振器放置高低溫變溫箱中擱置36 h。在進(jìn)行高低溫試驗時，為避免變溫箱以外環(huán)境溫度對減振器的影響，整個試驗均在變溫箱中進(jìn)行。減振器高低溫試驗臺三維圖如圖1所示，其中，該試驗臺水平方向進(jìn)行抗蛇行減振器及二系橫向減振器試驗，垂向方向進(jìn)行一系垂向和二系垂向減振器試驗。

圖1 減振器高低溫試驗臺Fig.1 Damper heterothermic test bed

圖2 幅值為0.5 mm、頻率為1 Hz、不同溫度下減振器示功圖對比Fig.2 The comparison of indicator diagram of various temperature as amplitude is 0.5mm and frequency is 1Hz

圖3 幅值為2 mm、頻率為10 Hz、不同溫度下減振器示功圖對比Fig.3 The comparison of indicator diagram of various temperature as amplitude is 2 mm and frequency is 10 Hz

根據(jù)試驗結(jié)果，得到同幅值同頻率不同溫度下示功圖面積，如圖2、圖3表示。由圖可知：在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，示功圖圍成的面積(減振器吸收的能量)越大；當(dāng)溫度超過一定范圍，示功圖面積開始減小。這是因為環(huán)境溫度已超出減振器油液正常工作溫度范圍，若溫度過低，減振器油液被“凍結(jié)”，油液黏性增大。減振器受拉伸時，需要油液對壓縮腔進(jìn)行補油，但由于低溫導(dǎo)致油液黏性過大，油液通過單向閥向壓縮腔補油的時間延長，無法及時補充壓縮腔油液，導(dǎo)致壓縮腔油液局部不足。減振器受壓縮時，由于油液不足，就會出現(xiàn)示功圖中的異常狀態(tài)。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著幅值與頻率的增加，不同溫度的示功圖面積差會越來越小，即油液溫度對減振器阻尼特性影響會越來越小。

低溫對減振器阻尼特性影響明顯大于高溫，如圖4所示。高溫時，減振器示功圖面積變化相對不明顯，這是由油液的動力黏度決定的；低溫時，溫度對油液動力黏度影響遠(yuǎn)大于高溫。因此，若溫度變化幅度相同，低溫時的示功圖相比高溫時的示功圖面積相差更大，即低溫對減振器阻尼特性影響大于高溫。

圖4 溫度與油液動力黏度關(guān)系Fig.4 The relationship between temperature and dynamic viscosity

2 油溫對減振器動態(tài)特性的影響

圖5 不同溫度下頻率與動態(tài)剛度的關(guān)系(幅值為0.5 mm)Fig.5 The relationship between frequency and dynamic stiffness as various temperature(amplitude is 0.5 mm)

圖6 不同溫度下頻率與動態(tài)阻尼的關(guān)系(幅值為1.5 mm)Fig.6 The relationship between frequency and dynamic damping as various temperature(amplitude is 1.5 mm)

圖7 不同溫度下，頻率與動態(tài)阻尼關(guān)系(幅值為1 mm)Fig.7 The relationship between frequency and dynamic damping as various temperature(amplitude is 1mm)

減振器激勵幅值為0.5 mm時，動態(tài)剛度在不同溫度下隨頻率變化的情況如圖5所示。由圖可知，減振器動態(tài)剛度均隨頻率增加呈現(xiàn)先增加后保持不變的趨勢。這是因為頻率較低時，振動速度小于卸荷速度，減振器未發(fā)生卸荷，動態(tài)剛度隨著頻率增加而增加；而頻率較高時，卸荷閥開啟，動態(tài)剛度增長緩慢，逐漸趨于不變。減振器激勵幅值分別為2和1 mm時，動態(tài)阻尼在不同溫度下隨頻率變化的情況如圖6、圖7所示。由圖6可知，減振器動態(tài)阻尼隨頻率增加呈先增加后減小趨勢,這也是因為頻率較低時，減振器未發(fā)生卸荷，動態(tài)阻尼隨著頻率增加而增加；頻率較高時，卸荷閥開啟，動態(tài)阻尼隨著頻率增加而逐漸減小。由圖7可知，頻率較低時(小于1 Hz)，減振器動態(tài)阻尼有一小段先減小的趨勢，這是因為減振器動態(tài)阻尼的計算是按照歐標(biāo)EN 13802:2013 鐵路應(yīng)用-懸掛元件-油壓減振器[11]來進(jìn)行的。根據(jù)相位角計算公式，相位角隨活塞位移幅值的減小而減小。當(dāng)振動頻率和激勵幅值均較小時，由于試驗誤差會導(dǎo)致活塞激勵位移幅值偏小，從而使得相位角也偏小。根據(jù)動態(tài)阻尼的計算公式，動態(tài)阻尼與相位角的正切值成反比，相位角減小，會導(dǎo)致動態(tài)阻尼偏大，所以在低幅低頻時，會出現(xiàn)開始一小段下降的趨勢，此時應(yīng)該對試驗計算方法以及試驗臺進(jìn)行改善。另外，從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度越高，動態(tài)剛度幅值對應(yīng)的頻率越大，即在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度越低，減振器越快達(dá)到卸荷速度，越早出現(xiàn)卸荷情況。對比圖6和圖7，圖6中頻率為1 Hz時，動態(tài)阻尼就開始呈下降趨勢；而圖7中頻率為2 Hz時，動態(tài)阻尼才開始下降。這是因為減振器激勵幅值越大，卸荷閥越早開啟，減振器越早達(dá)到卸荷狀態(tài)。

圖8 不同頻率下溫度與動態(tài)剛度的關(guān)系(幅值為1 mm)Fig.8 The relationship between temperature and dynamic stiffness as various frequency(amplitude is 1 mm)

圖9 不同頻率下溫度與動態(tài)阻尼的關(guān)系(幅值為1 mm)Fig.9 The relationship between temperature and dynamic damping as various frequency(amplitude is 1 mm)

減振器激勵幅值為1 mm時，油液溫度在不同頻率下對動態(tài)剛度和動態(tài)阻尼的影響如圖8、圖9所示。從圖8和圖9中可以發(fā)現(xiàn)，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，減振器的動態(tài)剛度、動態(tài)阻尼反而減小；當(dāng)油液溫度低于正常工作溫度范圍，動態(tài)剛度、動態(tài)阻尼隨著溫度升高有所升高。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，動態(tài)剛度和動態(tài)阻尼均隨著溫度的升高而總體呈斜率減小式非線性降低。這說明低溫時溫度對減振器動態(tài)特性影響要大于高溫時的影響，這也是由于低溫時溫度對油液動力黏度影響大于高溫時溫度對動力黏度影響引起的。

3 油溫對整車動力學(xué)性能的影響

為研究油液溫度對車輛動力學(xué)性能的影響，筆者采用動力學(xué)軟件SIMPACK建立我國某高速列車整車動力學(xué)模型，如圖10所示。該高速列車車輪半徑為0.46 m，名義滾動圓間距之半為0.746 5 m，鋼軌軌面為China60，軌底坡為1/40。使用的車輪踏面名義等效錐度為0.25，軌道激擾為武廣線，計算安全性時曲線半徑為7 000 m，直線長度為300 m， 緩和曲線長度為500 m，圓曲線長度為500 m，超高為0.18 m。

圖10 高速列車動力學(xué)模型Fig.10 Dynamic model of high-speed vehicle

3.1 油液溫度對車輛蛇行穩(wěn)定性的影響

油液溫度對車輛蛇行穩(wěn)定性影響如圖11所示。由圖可知，在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度越高，蛇行臨界速度越低，-40℃的臨界速度遠(yuǎn)大于60℃的臨界速度，這說明油液溫度對車輛蛇形穩(wěn)定性影響非常大。若油液溫度超過正常工作溫度范圍，油液的蛇行臨界速度將急劇下降。低溫時溫度對臨界速度的影響遠(yuǎn)大于高溫時。

圖11 溫度與臨界速度的關(guān)系Fig.11 The relationship between temperature and critical speed

3.2 油液溫度對車輛平穩(wěn)性的影響

筆者采用3級線路軌道譜對車輛系統(tǒng)運行平穩(wěn)性進(jìn)行計算，軌道具有4個方向的不平順。為了較為完全地反映車輛的實際動態(tài)響應(yīng)，計算時先讓車輛在一段無激擾直線軌道上運行，然后在一段足夠長的不平順軌道上運行，車體加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)的采樣從車輛運行一段距離后開始進(jìn)行。圖12～圖15表示油液溫度對車輛平穩(wěn)性的影響。將各溫度下的橫向平穩(wěn)性與常溫20℃下的橫向平穩(wěn)性進(jìn)行對比：低速時(小于200 km/h)，不同溫度對車輛橫向平穩(wěn)性及車體橫向振動最大加速度影響與常溫時相差并不明顯；高速時(大于200 km/h、小于500 km/h)，低溫時的橫向平穩(wěn)性能略優(yōu)于常溫時的橫向平穩(wěn)性；而高溫時的橫向平穩(wěn)性能略差于常溫時的橫向平穩(wěn)性。根據(jù)國標(biāo)GB5599-85和《高速動車組整車試驗規(guī)范》，不同溫度下的橫向平穩(wěn)性均在合格范圍內(nèi)。油液溫度對車輛橫向平穩(wěn)性影響相對于其對蛇行穩(wěn)定性來說是非常小的，油液溫度對車輛垂向平穩(wěn)性以及車體垂向振動最大加速度幾乎沒有影響。

綜上，低溫時的平穩(wěn)性總體要優(yōu)于高溫時的平穩(wěn)性，但均在合格范圍內(nèi)，且相對于油液溫度對蛇行穩(wěn)定性影響來說非常小。

圖12 不同溫度下橫向平穩(wěn)性對比Fig.12 The comparison of lateral stability as various temperature

圖13 不同溫度下垂向平穩(wěn)性對比Fig.13 The comparison of vertical stability as various temperature

圖14 不同溫度下車體橫向最大加速度對比Fig.14 The comparison of lateral maximum accelerate as various temperature

圖15 不同溫度下車體垂向最大加速度對比Fig.15 The comparison of vertical maximum accelerate as various temperature

3.3 油液溫度對車輛安全性的影響

筆者計算了該動車組以不同速度通過不同曲線的安全性指標(biāo)，計算中考慮軌道的隨機不平順激擾(3級線路軌道譜)。圖16～圖18表示油液溫度對車輛安全性影響，從圖中大致可以看出，脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力隨著溫度變化有輕微的變化，表明油液溫度對車輛安全性影響整體不是很明顯，低溫時安全性能稍微優(yōu)于高溫時安全性能。

圖16 不同溫度下脫軌系數(shù)對比Fig.16 The comparison of derailment coefficient as various temperature

圖17 不同溫度下輪重減載率對比Fig.17 The comparison of wheel unloading rate as various temperature

圖18 不同溫度下輪軸橫向力對比Fig.18 The comparison of lateral wheelset force as various temperature

4 結(jié) 論

1) 在減振器油液正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度越低，油液動力黏度越大，減振器吸收的能量、動態(tài)剛度及動態(tài)阻尼越大。當(dāng)外界溫度超過油液正常工作溫度范圍時，溫度越低，減振器吸收的能量、動態(tài)剛度及動態(tài)阻尼越少。

2) 低溫時油液溫度對減振器動態(tài)特性影響大于高溫時油液溫度對減振器動態(tài)特性影響。

3) 隨著減振器頻率、幅值的增加，油液溫度對減振器動態(tài)特性影響有所下降。

4) 油液溫度越低，越早達(dá)到卸荷狀態(tài)。

5) 油液溫度對車輛蛇行穩(wěn)定性影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對車輛平穩(wěn)性以及安全性影響，且低溫時臨界速度遠(yuǎn)大于高溫時臨界速度，低溫時溫度對臨界速度的影響也遠(yuǎn)大于高溫時溫度對臨界速度的影響。

6) 低速時，油液溫度對橫向平穩(wěn)性影響不是很明顯。高速情況下，低溫時橫向平穩(wěn)性要優(yōu)于高溫時橫向平穩(wěn)性能。總體來說，油液溫度對車輛平穩(wěn)性能影響不是很大。

7) 在油液正常工作溫度范圍內(nèi)，低溫時安全性能稍微優(yōu)于高溫時安全性能，但不是很明顯。

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科技支撐計劃資助項目(2015BAG12B01-17)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51475388，51665015)；江西省自然科學(xué)基金資助項目(20161BAB206161)；牽引動力國家重點實驗室開放課題資助項目(TPL1611)；山東省科技重大專項資助項目(2015ZDXX0102A01)

2016-11-07；

2016-12-19

TH703.63； U292.91+4

徐騰養(yǎng),男，1992年10月生，碩士生。主要研究方向為車輛系統(tǒng)動力學(xué)。曾發(fā)表《抗蛇行減振器內(nèi)部油液溫度對其動態(tài)特性影響研究》(《機車電傳動》2016年第6期)等論文。

E-mail:1149915784@qq.com