高速列車抗蛇行減振器故障分析

時 蕾,宋慧娟

(鄭州鐵路職業技術學院 機車車輛學院,鄭州 450052)

由于踏面具有一定錐度,車輪不圓或軌道不平順引起輪對在橫向方向產生一種周期性往復運動,并繞其質心沿縱向延伸,這種橫向和縱向的耦合運動稱為蛇行運動.劇烈的蛇行運動不僅會加劇輪緣與鋼軌之間的磨損,還會加大脫軌的可能性,危及行車安全.抗蛇行減振器縱向安裝于車體和轉向架之間,可以有效抑制轉向架蛇行運動,提高車輛穩定性[1].因此,一般速度大于160 km/h的列車,就需要安裝抗蛇行減振器來保證行車安全.抗蛇行減振器在實際服役過程中,會產生諸如心閥或底閥彈簧剛度衰減過大、橡膠老化過快甚至漏油等故障,這些故障可能會使得減振器減振性能減弱甚至失效,進而影響車輛穩定性、平穩性和舒適性、安全性等.因此,本文研究了抗蛇行減振器失效故障對車輛動力學性能的影響.這對分析了解抗蛇行減振器對車輛的影響有一定作用,同時也助于車輛故障分析,具有一定工程上應用價值.

國內外對抗蛇行減振器也有一定研究.文獻[2]研究了抗蛇行減振器油液溫度對車輛動力學性能影響;文獻[3-4]基于臺架試驗對抗蛇行減振器進行了研究;文獻[5-7]對抗蛇行減振器溫變特性和動態特性進行了研究;文獻[8-9]研究了抗蛇行減振器串聯剛度、安裝剛度對車輛動力學性能的影響;文獻[10]研究了抗蛇行減振器對平穩性的影響.

1 車輛數學模型建立

為了研究抗蛇行減振器失效故障對車輛動力學性能影響,本文基于動力學軟件SIMPACK建立了我國某高速動車動力學計算模型,如圖1所示.

圖1 我國某高速列車動力學模型Fig.1 Dynamic model of high-speed vehicle of our country

采用LMA踏面,CN60鋼軌,沿用1 353 mm輪對內側距.包括抗蛇行減振器在內的所有減振器阻尼特性都考慮呈非線性的,即一開始減振器沒有卸荷,其阻尼力隨著振動速度的增加呈線性增加；當阻尼力達到卸荷力時,阻尼閥開啟,阻尼力隨著振動速度的增加呈非常緩慢增加趨勢,如圖2所示.該高速列車有2個轉向架,每個轉向架安裝有4個抗蛇行減振器,即內側2根,外側2根,內外側抗蛇行減振器呈上、下安裝,上側抗蛇行減振器橫向跨距為2.92 m,下側抗蛇行減振器橫向跨距為2.7 m,每根抗蛇行減振器卸荷速度均為0.002 5 m/s,卸荷力均為6 kN.本文計算工況包括每輛車失效1根抗蛇行減振器(隨機選取后轉向架一個)、每輛車失效2根抗蛇行減振器(隨機選取后轉向架2根)、每輛車的外側(前后轉向架外側各2根,共4根)抗蛇行減振器失效以及整輛車8根抗蛇行減振器全部失效等4種工況,分別計算在這4種工況下,對車輛穩定性、平穩性和舒適性、安全性的影響.

圖2 減振器非線性特性Fig.2 Nonlinearity of damper

2 抗蛇行減振器失效故障分析

2.1 抗蛇行減振器原理及潛在失效原因分析

該高速列車所使用的抗蛇行減振器為油液雙向流動類型.當活塞向上拉伸時,活塞上腔油液通過活塞上拉伸阻尼閥流向下腔,由于活塞桿往上移動,壓力腔內出現體積“缺失”,其“缺失”體積由儲油缸內部油液通過底閥上單向閥向壓力缸內部補充;當活塞向下壓縮,活塞下腔一部分油液通過活塞壓縮阻尼閥流向上腔,一部分油液通過底閥上阻尼閥流向儲油缸外部,此時,底閥上單向閥處于關閉狀態.油液通過流經阻尼閥來產生阻尼力,將振動機械能轉化為內能,一部分內能被油液吸收,一部分內能通過與外界熱傳遞耗散出去.

抗蛇行減振器主要由外缸總成、保護罩總成、活塞總成、底閥總成、導向蓋總成、內缸、氣囊總成等組成.其中,活塞與底閥座上設置有節流裝置.節流裝置主要包括彈簧、閥罩、心閥等.導向蓋上設置有各種密封裝置,主要防止油液漏油及防止灰塵進入使得油液乳化.由于活塞桿與密封裝置之間存在緊密接觸,即存在直接磨損,長時間疲勞也可能使得密封裝置磨損過快發生漏油現象,導致減振器直接失效.一旦抗蛇行減振器產生這些故障,對車輛動力學產生什么影響,是否危及行車安全等,本文通過建立我國某高速列車動力學模型進行了仿真分析.

2.2 失效故障對車輛穩定性影響

由于輪軌之間存在蠕滑力,帶有錐形的踏面都會使輪對產生蛇行運動,輪軌蛇行會導致車體和轉向架在橫向方向上振動,并沿縱向延伸,這分別稱為車體蛇行運動(又稱一次蛇行運動)和轉向架蛇行運動(又稱二次蛇行運動).一次蛇行一般發生在車輛速度較低時,二次蛇行常發生在速度較高時,這里研究的蛇行失穩即為二次蛇行失穩.蛇行運動是車輛自激振動,即其振動所需能量由外部環境提供,只要車輛運行,蛇行運動伴隨產生.蛇行運動振幅能夠隨著時間自動收斂稱為穩定蛇行運動,振幅隨著時間延長不斷發散稱為不穩定的蛇行運動.介于穩定向不穩定過渡所對應的速度則稱為蛇行臨界速度,這常用來評價車輛蛇行穩定性.在計算車輛蛇行臨界速度時,常將被測試車輛數學模型先在一段實測軌道譜上(本文為京津線實測線路譜)運行,運行一段距離后,再將車輛置于理想軌道譜上運行,通過觀察蛇行運動振幅是否能夠自動收斂到平衡位置來判斷車輛是否發生蛇行失穩.

圖3～圖7分別表示失效后架1根抗蛇行減振器、2根抗蛇行減振器、全部外側抗蛇行減振器以及所有抗蛇行減振器全部失效時,對車輛穩定性影響.從圖3～圖7可以發現:該高速列車抗蛇行減振器失效1根、失效2根及正常狀態下,蛇行臨界速度均為425 km/h;全部外側抗蛇行減振器全部失效時,車輛蛇行臨界速度為275 km/h;全部失效時,臨界速度僅為250 km/h.這說明,每輛車失效1根抗蛇行減振器、失效2根抗蛇行減振器對車輛穩定性影響不明顯.當每車外側抗蛇行減振器全部失效或者所有抗蛇行減振器全部失效時,對車輛穩定性影響非常大.

圖3 抗蛇行減振器全部正常時蛇行臨界速度Fig.3 Critical speed with all normal yaw dampers

圖4 抗蛇行減振器失效1根時蛇行臨界速度Fig.4 Critical speed as existing one disabled yaw damper

圖5 抗蛇行減振器失效2根時蛇行臨界速度Fig.5 Critical speed as existing two disabled yaw dampers

圖6 全部外側抗蛇行減振器失效時蛇行臨界速度Fig.6 Critical speed with all disable outside yaw dampers

圖7 全部抗蛇行減振器失效時蛇行臨界速度Fig.7 Critical speed with all disable yaw dampers

2.3 失效故障對車輛平穩性影響

車輛運行性能常通過車輛平穩性來評價,sperling平穩性指標是目前國際上比較公認的評價車輛運行品質及舒適性的指標.計算該高速列車平穩性方法為將車輛以不同速度在理想平順的軌道譜上運行一段距離后,再置于實測京津線軌道譜上運行,通過測量車體振動加速度,計算平穩性指標值，即

(1)

式中:W為平穩性指標;A為振動加速度,g;f為振動頻率,Hz;F(f)為頻率修正系數.

通過式(1)計算出的平穩性指標,按照表1進行評價.

表1 平穩性指標評定等級Tab.1 Riding quality index assessment grade

圖8～圖10分別表示抗蛇行減振器在4種失效故障下對車輛垂向平穩性、橫向平穩性及乘坐舒適性的影響.從圖8～圖10可以發現:每輛車失效1根抗蛇行減振器、每輛車失效2根抗蛇行減振器、每輛車外側抗蛇行減振器全部失效時,對該高速列車橫向、垂向平穩性及乘坐舒適性影響不大;每輛車的抗蛇行減振器全部失效時,該高速列車的橫向、垂向平穩性及乘坐舒適度均顯著變差.

圖9 抗蛇行減振器失效故障對垂向平穩性的影響Fig.9 Effect of disable yaw dampers on vertical riding quality

2.4 失效故障對車輛安全性的影響

車輛安全性即車輛曲線通過性能,將車輛以不同速度通過一段實測曲線(京津線),然后計算其安全性指標,主要包括輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率等.曲線計算工況如表2所示.

圖10 抗蛇行減振器失效故障對乘坐舒適性的影響Fig.10 Effect of disable yaw dampers on riding comfort

表2 曲線計算工況Tab.2 Curve calculation conditions

圖11～圖14分別表示抗蛇行減振器失效故障分別對輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率的影響.從圖11～圖14可以發現:每輛車失效1個抗蛇行減振器、每輛車失效2個抗蛇行減振器、每輛車的外側抗蛇行減振器全部失效時,對該高速列車輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數及輪重減載率影響不大;每輛車的抗蛇行減振器全部失效時,輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數和輪重減載率明顯變差.

圖11 抗蛇行減振器失效故障對輪軸橫向力的影響Fig.11 Effect of disable yaw dampers on wheel axle lateral force

圖12 抗蛇行減振器失效故障對輪軌垂向力的影響Fig.12 Effect of disable yaw dampers on wheel-rail vertical force

圖13 抗蛇行減振器失效故障對脫軌系數的影響Fig.13 Effect of disable yaw dampers on derailment coefficient

圖14 抗蛇行減振器失效故障對輪重減載率的影響Fig.14 Effect of disable yaw dampers on wheel unloading rate

3 結論

抗蛇行減振器主要作用就是抑制轉向架蛇行運動,提高車輛蛇行臨界速度,其對車輛動力學性能的影響非常大.本文主要從抗蛇行減振器工作原理出發,分析了抗蛇行減振器潛在失效故障原因,并基于這個角度即失效故障條件下,研究了其失效個數(故障)對車輛動力學性能的影響,這有助于高速列車故障分析,有一定工程研究價值.研究結果表明:

(1) 每輛車失效1根抗蛇行減振器、失效2根抗蛇行減振器對車輛穩定性的影響不明顯.每輛車外側抗蛇行減振器全部失效或者所有抗蛇行減振器全部失效時,對車輛穩定性的影響非常大.

(2) 每輛車失效1根抗蛇行減振器、每輛車失效2根抗蛇行減振器、每輛車外側抗蛇行減振器全部失效時,對該高速列車橫向、垂向平穩性及乘坐舒適性的影響不大;每輛車的抗蛇行減振器全部失效時,該高速列車的橫向、垂向平穩性及乘坐舒適度均顯著變差.

(3) 每輛車失效1個抗蛇行減振器、每輛車失效2個抗蛇行減振器、每輛車的外側抗蛇行減振器全部失效時,對該高速列車輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數及輪重減載率的影響不大;每輛車的抗蛇行減振器全部失效時,輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數和輪重減載率明顯變差.