高速列車油壓減振器阻尼特性仿真及研究

周素霞，盧術娟，孫晨龍，孫宇鐸，羅金良

(1.北京建筑大學 機電與車輛工程學院，北京 100044；2.北京建筑大學 城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室，北京 100044；3.山東凌博瑞軌道交通科技有限公司，山東 菏澤 274000)

列車運行中減振器對安全性、平穩性起到關鍵作用。阻尼特性是評價油壓減振器部件性能的關鍵指標，而對阻尼特性造成影響的重要因素是其閥系設計參數，這些相關參數的改變會使油壓減振器部件性能發生質變[1-2]。所以，研究油壓減振器阻尼閥系設計參數對其阻尼特性的影響具有重大意義。

文獻[3]通過液壓計算軟件建立流液方式為單向的油壓減振器分析模型，根據試驗臺相應的試驗數據對建立的模型進行了驗證，采用數字試驗的方法研究油壓減振器阻尼閥系設計參數對其部件特性的影響。文獻[4-6]對不同油液類型的抗蛇行減振器進行了對比研究，選取關鍵閥系設計系數建立計算模型，分析各個閥系參數對油壓減振器部件特性的影響。證明合適的結構參數能有效改善車輛動力學性能。文獻[7-8]建立雙筒式液壓減振器的聯合仿真模型，對減振器示功圖和速度特性曲線與激振頻率的關系進行了研究。文獻[9]闡述了抗蛇行減振器的常見故障，研究了整車動力學受到的影響。上述研究只針對抗蛇行減振器及二系橫向單向流液減振器結構參數對阻尼特性的影響，未提及二系橫向雙筒式液壓減振器阻尼閥關鍵結構參數對阻尼特性的影響。

本文根據創新設計的活塞[10-13]，建立二系橫向油液雙向流動減振器液壓控制模型，并對其關鍵閥系設計系數變化造成對油壓減振器部件阻尼特性的影響進行分析研究。

1 減振器模型的建立

1.1 油壓減振器模型

二系橫向油壓減振器內部結構視圖如圖1所示。圖2為油壓減振器受力示意圖。

圖1 油壓減振器內部視圖

圖2 油壓減振器受力示意圖

圖2中，F是施加于油壓減振器左側一端的作用力，Cd表示油壓減振器減振系數；Kd表示油壓減振器b端關節的串聯剛度系數；a、b表示油壓減振器兩側的橡膠關節。定義S為油壓減振器左側a的位置變化，S1為油壓減振器左側b的位置變化。

在圖2中，當左側位置a端受到作用力F時，可知此時的受力方程為

(1)

定義油壓減振器左側a端的位置變化激勵為

S(t)=S0sin(ωt)

(2)

左側a端的速度為

(3)

式中：S0為位置變化所受激勵的振幅A；ω為所受激勵的角頻率。

因為右側b端的激勵遲延于左側a端激勵φ角，所以右側b端的位置變化和速度為

S1(t)=Sαsin(ωt+φ)

(4)

(5)

式中：Sα為連接的振幅；φ為連接彈簧的相位。

將式(1)、式(3)～式(5)聯立可得油壓減振器的實際減振力幅值[14]為

(6)

1.2 減振器液壓控制模型

減振器電液模擬模型如圖3所示，本模型基于Msc.easy5液壓仿真軟件建立。

圖3 減振器電液模擬模型

在油壓減振器電液模擬模型Msc.easy5中，定義AF1模塊控制活塞部件移動速度，定義AF2模塊控制活塞部件移動行程；模塊1表示力元件Force，用于模擬減振器活塞運動；模塊2、模塊5表示可變容量器VX，用于模擬實際減振器中復原腔與壓縮腔；模塊4由可調節的節流孔和提升閥組成，用這個組合來仿真油壓減振器結構里的復原閥系。同理，模塊7、模塊11均由這個組合來分別模擬結構中的流通閥和底座中的壓縮閥；活塞與底座上的流通孔用Msc.easy5液壓庫中的小孔仿真，如圖3中的模塊3、模塊6和模塊8；油壓減振器結構里的存油筒用Msc.easy5液壓庫中的模塊13仿真。在仿真計算時，電液模擬模型1中的活塞位置與速度變化導致由活塞隔離出的復原、壓縮腔(模塊2、模塊5)中油液容積的改變，由此產生阻尼力[15]。

2 仿真計算模型的試驗驗證

2.1 仿真與試驗結果

根據TJ/CL 284—2014 《動車組油壓減振器暫行技術條件》中的規定，在Msc.easy5仿真計算與試驗臺試驗中，設定液壓減振器的名義速度為0.10 m/s，行程為±25 mm。

減振器液壓控制模型在MSC.Easy5中仿真結果見表1，示功圖與速度特性曲線如圖4、圖5所示。

表1 模型分析結果

圖4 減振器仿真示功圖

圖5 仿真速度特性曲線

減振器試驗臺試驗結果見表2，示功圖與速度特性曲線如圖6、圖7所示。

表2 試驗臺試驗結果

圖6 減振器試驗示功圖

圖7 試驗速度特性曲線

2.2 對比分析

在TJ/CL 284—2014 《動車組油壓減振器暫行技術條件》中，對二系橫向減振器的要求見表3，表4為電液控制模型Msc.easy5分析與試驗臺實際測試結果對比。

表3 動車組(CRH380BL)油壓減振器阻尼特性

表4 油壓減振器模擬分析和測試結果對比

從表4可知，減振器仿真與試驗臺試驗結果均能滿足表3中阻尼特性要求。通過對比結果可知，試驗所得的數據與模型計算的結果中阻尼力相對誤差較小，最大為4.1%，最小為3.6%。其中，復原與壓縮行程的不對稱率都在行業標準里規定的10%以下[16]，綜上所述，本文建立的MSC.Easy5液壓控制模型較為精確，可以用于對仿真液壓減振器阻尼性能的進一步研究。復原與壓縮行程的不對稱率都在行業標準里規定的10%以下。

3 減振器阻尼閥設計參數研究

3.1 閥系設計數值設立與計算工況的創建

油壓減振器的閥系結構和其結構中自帶的阻尼孔徑是對減振性能造成影響的重要原因。所以，本文將主要分析活塞結構中常通孔、流通閥、復原閥孔徑以及底座補償閥的彈簧剛度對油壓減振器阻尼特性的影響。在此基礎上，深入分析在計算工況中油壓減振器示功圖出現畸形的原因，并對此提出消除畸形的方法。

在經驗證的油壓減振器電液模擬模型基礎上，設定示功性能試驗分析閥系設計參數對減振特性的影響。在研究油壓減振器閥系中某一系數對減振特性的變化規律時，其他系數恒定不變[17]。試驗工況見表5，在表5中，設定減振器分析模型的原始值為“0”，“+”和“-”分別代表在初始值上加減。

表5 試驗工況

3.2 各閥系參數對阻尼(減振)特性影響的研究分析3.2.1 活塞常通孔

活塞常通孔內部結構如圖8所示。基于初始數值的基礎上，分別±0.5 mm，油壓減振器的減振特性受活塞常通孔徑影響較大，仿真結果如圖9所示。通過示功圖可知，當常通孔孔徑減小，壓縮力、復原力均上升，上升幅度最大的是壓縮阻尼力，從1.496 kN增大到3.127 kN；復原阻尼力由1.397 kN上升到2.236 kN。在常通孔徑增大的情況下，壓縮阻尼力、復原阻尼力全部減小，壓縮阻尼力由1.496 kN下降到0.707 kN，復原阻尼力由1.397 kN下降到1.019 kN。在孔徑增加和減小兩種情況下，均是壓縮行程的壓縮阻尼力有更大的變化幅度。因為油壓減振器中活塞桿在工作缸內占據一定的體積，這會使壓縮腔和復原腔油液流動產生體積差，從而使壓縮阻尼力、復原阻尼力出現不同的幅度變化。

圖8 活塞常通孔

圖9 常通孔孔徑變化對阻尼特性的影響

3.2.2 活塞復原閥孔徑

在復原行程中，油壓減振器復原閥結構與油液流動方向如圖10所示。活塞復原閥孔徑改變對復原行程的復原阻尼力影響較大，仿真計算結果如圖11所示。當減小復原閥孔徑，復原阻尼力上升，從1.397 kN增加到1.709 kN，壓縮阻尼力近乎未受影響；當增大復原壓縮孔徑，復原阻尼力下降，從1.397 kN減小到1.237 kN，最大變化幅度約為22%，壓縮阻尼力同樣近乎未受影響。

圖10 復原閥結構與油液流動方向

圖11 復原閥孔徑變化對阻尼特性的影響

3.2.3 活塞流通閥孔徑

在壓縮行程中，油壓減振器流通閥結構與油液流動方向如圖12所示。活塞流通閥孔徑改變對壓縮行程的壓縮阻尼力影響較大，仿真計算結果如圖13所示。當減小流通閥孔徑，壓縮阻尼力上升，從1.496 kN增加到1.508 kN。壓縮阻尼力上升幅度小，其原因是壓縮到一定程度時座上流通閥趨于卸荷開啟點，開啟后則壓縮阻尼力就不在上升。當增大壓縮閥孔徑，壓縮阻尼力下降，從1.496 kN減小到1.271 kN，壓縮阻尼力近乎未受影響。

圖12 壓縮閥結構與油液流動方向

圖13 流通閥孔徑變化對阻尼特性的影響

3.2.4 底座補償閥彈簧剛度

圖14為油壓減振器底座補償閥結構。復原行程階段，復原腔中的油液由底座上補償閥開啟后得到補充。在這個過程中，補償閥彈簧剛度是閥片開啟的重要影響因素，油壓減振器的阻尼力及阻尼特性曲線也會因閥片的開啟速度與程度發生變化。

圖14 底座補償閥結構

在補償閥彈簧剛度減小時，復原、壓縮阻尼力值未發生明顯改變。相反，在彈簧剛度增大時，仿真分析的阻尼特性曲線出現畸形，如圖15所示。從阻尼特性曲線中可以看出，在復原行程的初始階段，出現空程現象，導致無阻尼力輸出。出現這種問題的原因是隨著補償閥彈簧剛度的上升，閥片會受此影響出現開啟遲鈍、滯后等現象，從而出現復原腔瞬時的真空階段造成阻尼特性曲線畸形。另外一種原因是由于閥片自身過重致使開啟出現滯后，造成阻尼特性曲線畸形。

圖15 補償閥彈簧剛度對阻尼特性的影響

解決阻尼特性曲線出現畸形的方法主要有[15]：

(1)安裝閥片的彈簧剛度應適中，以此來消除閥片的遲鈍、滯后等。

(2)在允許范圍內減少閥片重量，加快閥片開啟的反應速率。

(3)變換閥體自身結構，提升油液流速以補充復原腔。

4 結論

通過仿真計算與試驗數據對比，驗證了減振器液壓控制模型的實際可用性。利用模型對活塞常通孔、復原閥和流通閥孔徑、補償閥彈簧剛度等主要參數進行分析研究，得到如下結論：

(1)阻尼特性受活塞常通孔孔徑影響較大。對比復原行程，壓縮行程阻尼力變化幅度明顯，阻尼力上漲到1.631 kN，最高相對變化幅度約109%。

(2)孔徑的變化會使復原、壓縮行程產生的阻尼力均受到影響，阻尼力變化值最大為0.312 kN，相對變化幅度約22%。

(3)補償閥彈簧剛度值是阻尼特性曲線產生畸形的重要原因之一。變換彈簧剛度、優化閥體結構、提高油液流速等可有效處理畸形問題。

(4)孔徑參數對阻尼特性的影響規律可為油壓減振器設計與調試提供理論參考。