高鐵油壓減振器低溫阻尼特性試驗研究

王文林, 孔 新, 樊友權, 戴謀軍

(1.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808; 2.株洲聯誠集團減振器有限責任公司，湖南株洲 412001)

引言

油壓減振器(下稱減振器)是現代鐵道機車車輛上的關鍵懸掛部件，對機車車輛的安全性、舒適性和整車運動穩定性均起著重要作用，開展其低溫阻尼特性研究[1-4]，對提高其環境適應性和高寒型列車的動力學性能具有重要意義。

現有關于減振器阻尼特性的研究，一般默認在常溫下進行，或者趨向于研究油溫升高[5-9]對阻尼特性的影響。關于減振器的低溫性能，在現行的國內外標準中[10-11]只是定性地規定了減振器在極限服役溫度范圍內(如-40～+70 ℃)必須保障車輛的安全性，而并沒有對減振器阻尼性能惡化的具體指標進行描述或限定，這源于現有知識對減振器在低溫下阻尼特性的認識不充分。

國內外標準中推薦了對減振器在低溫條件下進行試驗的方法。為了研究高鐵油壓減振器的低溫阻尼特性及其影響因素，本研究擬從減振器油的品質入手，對注有2種物理性能指標接近但品牌不同的減振器油的實驗樣品進行了低至-50 ℃的低溫阻尼特性試驗，定性分析了低溫條件下減振器示功圖產生畸變的機理；針對低溫條件下阻尼特性的變化特點提出了其關鍵技術指標的計算方法，對比分析了不同油液品質對減振器低溫阻尼特性的影響，提出了提高油壓減振器產品低溫適應性的建議。

1 低溫阻尼特性試驗

試驗對象為某高速動車組使用的抗蛇行油壓減振器，該減振器采用了常用的油液單向循環模式，拉伸和壓縮阻尼力在設計上具有對稱性，其常溫下的名義力-速度特性如圖1所示，在實際測試中，其各速度點上阻尼力允許有±10%[10-11]的波動。

圖1 被試油壓減振器常溫下的名義阻尼力-速度特性

研制了2只試驗樣品，分別注入了進口減振器油TITAN SAF 5045(下稱“進口油”)和某國產試制減振器油(下稱“國產試制油”)；前期委托專業部門對這兩種減振器油的物理特性進行了測試，其主要性能指標如表1所示。由表1可見，這兩種減振器油的主要性能指標比較接近。

表1 兩種減振器油的主要性能指標

參照國內外標準[10-11]推薦的方法，對上述兩種油壓減振器進行了分批次臺架試驗，圖2所示為試驗過程中所采用的樣品、低溫箱和試驗臺架。

圖2 高鐵油壓減振器的低溫阻尼特性試驗

試驗之前，被試樣品在低溫箱內達到被試溫度后保持24 h及以上。從低溫箱取出恒溫減振器時，采用隔熱材料進行包裹，并迅速安裝在已經調試好,處于等待狀態的試驗臺上進行試驗；每次試驗測試4個速度點，每個速度點激振2次循環，記錄第二次循環的結果，在從低溫箱取出減振器到試驗完畢的時間小于3 min(國內外標準是5 min)。

2 低溫阻尼特性分析

2.1 低溫條件下示功圖產生畸變的機理分析

以注入國產試制油的減振器為例，圖3綜合顯示了低溫對減振器示功圖的影響，為了便于對比，圖中同時給出了減振器在+30 ℃時的示功特性。

圖3 低溫對油壓減振器示功圖的影響 (介質：國產試制油)

由圖3a減振器的低速特性可見，相對于常溫下的示功圖，低溫示功圖產生了明顯的畸變，其宏觀表現為：在拉伸行程(上半周)中，阻尼力上升偏離正常值，而在壓縮行程(下半周)中，出現了不同程度的空行程。

低溫條件下示功圖產生畸變的機理是：隨著溫度下降，油液黏度增大、流動性變差，導致油液通過阻尼孔時的阻力增加，因此在減振器拉伸時，一方面上腔油液難以被擠出去，外特性表現為阻尼力隨溫度下降呈現遞增的趨勢，-50 ℃時由于阻尼力增幅過大，導致減振器提前進入卸荷狀態；與此同時，由于底閥的吸油性能變差，導致其在相同速度、行程下，只吸進來了相當于常溫下的一部分油液，從而導致減振器在從拉伸向壓縮行程換向時，出現了不同程度的空行程。-30 ℃ 以上時，空行程隨著溫度下降尚有遞增規律，但在-30 ℃以下時，減振器就不一定遵循規律性，-50 ℃時的空行程反而比-40 ℃時的空行程小，但恢復后的阻尼力比-40 ℃時的阻尼力大。

圖3b顯示了減振器在各種溫度下的卸荷特性：減振器在各種溫度下的卸荷阻尼力相差不大，且與名義卸荷阻尼力接近；另外，由于振動速度增加了，壓縮時的空行程與圖3a相比急劇惡化，特別是-40 ℃時的壓縮都是空行程、無阻尼力。

圖3c顯示了減振器在卸荷后的高速特性：其在各種溫度下的基本特征跟圖3a和圖3b的相似，但同時也顯示出了由于高速引起的2個特點：第一卸荷力在減振器換向的加、減速過程出現了明顯的超前和超調，導致示功圖出現兩頭尖中間塌陷的情形；第二阻尼力的不對稱性顯得更明顯，壓縮阻尼力明顯大于拉伸阻尼力。

2.2 工作介質不同時低溫示功圖的對比分析

采用兩種不同減振器油時，減振器在常溫下的示功圖比較接近，但在低溫下的示功圖卻出現了比較大的差別，作為示例，圖4顯示了2個典型溫度點減振器示功圖的對比。

對試驗結果的綜合分析表明：在溫度高于-30 ℃時，采用進口油的減振器在整個速度區間，壓縮空行程明顯小于采用國產試制油的減振器；在溫度低于-30 ℃、振動速度小于卸荷速度(vmax=0.03 m/s)時，其壓縮空行程仍然保持較小，但當振動速度較高時壓縮空行程也很大。

實線:采用進口減振器油TITAN SAF 5045虛線:采用某國產試制減振器油圖4 工作介質不同時油壓減振器示功圖的對比

3 低溫阻尼特性關鍵技術指標的評價和計算方法

3.1 最大阻尼力、吸收功

基于試驗數據處理，圖5統計了兩種減振器在各種溫度下的最大拉伸和壓縮阻尼力。首先從宏觀上看，在寬溫度范圍內，采用進口油減振器的最大阻尼力比采用國產試制油減振器的最大阻尼力穩定，-40 ℃時，國產試制油的流動性非常差，導致了該減振器的最大壓縮阻尼力急劇下降；在低速工況(vmax=0.01 m/s)，隨著溫度下降，采用進口油減振器和采用國產試制油減振器的最大阻尼力分別有49.69%和60.93%的最大增幅；在高速工況(vmax=0.3 m/s)，前者的最大不對稱度為9.80%，而后者的最大不對稱度達到了46.65%。

圖5 油壓減振器在寬溫度范圍內的最大阻尼力

吸收功是減振器在振動一周內所吸收的振動能量，在數值上等于對應示功圖的面積，因此更能客觀反映減振器的阻尼性能，圖6統計了兩種減振器在各種溫度下的吸收功。

由圖6a可見：采用進口油減振器的吸收功，在低速工況，隨著溫度下降，有45.07%的最大增幅；在卸荷工況、高速工況的油溫-30 ℃以上時，吸收功總體平穩；但在高速工況的油溫-30 ℃以下時，由于減振器壓縮空行程較大，導致了吸收功明顯下降，最大降幅41.97%。

圖6 油壓減振器在寬溫度范圍內的吸收功

由圖6b可見：采用國產試制油減振器的吸收功，除了在低速工況呈總體弱上升的趨勢，在其他工況下吸收功是快速下滑的，最大降幅為54.28%，這表明在低溫環境下，該抗蛇行減振器在大多數工況下的減振能力是快速下降的。

3.2 動態阻尼率、動剛度

動態阻尼率、動剛度基于Maxwell模型[11-12]推導而來，由于減振器的低溫示功圖產生了畸變，因此不能機械地套用有關公式進行計算，本研究分拉伸、壓縮行程分開計算的方式進行評價。

1) 拉伸行程

采用低頻激勵[7]時動態阻尼率的公式，近似表達抗蛇行減振器卸荷前的線性動態阻尼率Ce1：

(1)

式中，Femax—— 最大拉伸阻尼力

vmax—— 最大拉伸速度

因此，卸荷前減振器的動剛度Ke1為：

Ke1=Ce1ωtanφ=2πfCe1tanφ

(2)

式中，ω—— 激勵圓頻率

f—— 激勵頻率

φ—— 相位角

S1max—— 激勵幅值

Smax—— 活塞振動幅值

在卸荷以后，宜采用等效動態阻尼率的方法計算，由于拉伸行程減振器所作的功We為：

(3)

其中，S1(t)=S1maxsin(ωt)

式中，Ae—— 拉伸部分示功圖的面積

S1(t) —— 給定簡諧激勵

F(t) —— 阻尼力

Ce2—— 卸荷后的動態阻尼率

因此，由式(3)可得：

(4)

則卸荷后減振器的動剛度Ke2為：

Ke2=Ce2ωtanφ=2πfCe2tanφ

(5)

2) 壓縮行程

由于壓縮行程中空行程較多，示功圖畸變，更適合于采用等效動態阻尼率的方法計算。參考式(4)和式(5)可得壓縮行程的動態阻尼率Cc和動剛度Kc分別為：

(6)

Kc=Ccωtanφ=2πfCctanφ

(7)

式中，Ac為壓縮部分示功圖的面積。

基于以上試驗數據處理公式，計算獲得兩種減振器的動態阻尼率和動剛度分別如圖7和圖8所示。

圖7 油壓減振器在寬溫度范圍內的動態阻尼率

由圖7a可見：采用進口油減振器的動態阻尼率，在低速工況，隨著溫度下降，有49.58%的最大增幅；在卸荷工況、高速工況都很平穩，受低溫的影響不明顯，由于減振器在高速工況已經過了卸荷區，力-速度特性趨于水平，所以阻尼率很小。

由圖7b可見：采用國產試制油的減振器，由于其拉伸行程的示功圖比較正常，在各速度點上的動態阻尼率跟采用進口油減振器的動態阻尼率相似，即在低速工況，隨著溫度下降，有61.01%的最大增幅，在卸荷工況、高速工況都較平穩；但在壓縮行程中，由于示功圖出現了不同程度的空行程，導致動態阻尼率隨著溫度降低總體呈下降的趨勢，在溫度低于-30 ℃時，動態阻尼率急劇下降，最大降幅為96.51%，表明在此溫度階段減振器的減振能力大幅降低。

由圖8a可見：采用進口油的減振器在拉伸行程中，其各工況下的動剛度均隨著溫度降低呈升高的趨勢，最大增幅為91.06%，這表明只要有連續的油液，隨著溫度降低油液的剛度是增加的；在壓縮行程中，當振動速度小于卸荷速度時，動剛度也是隨著溫度降低而逐漸升高的，最大增幅為107.17%，但在高速工況下，動剛度則隨著溫度降低而下降，在溫度低于-30 ℃時，由于大的空行程造成動剛度急劇下降，最大降幅為93.82%。

圖8 油壓減振器在寬溫度范圍內的動剛度

由圖8b可見：采用國產試制油的減振器在拉伸行程中，其各工況下的動剛度均隨著溫度降低總體呈升高的趨勢，最大增幅為70.11%；但在壓縮行程中，由于較普遍的空行程造成了減振器的動剛度隨著溫度降低總體呈快速下降的趨勢，最大降幅為98.38%。

4 結論

(1) 雖然所采用的某國產試制油的主要物理性能指標與進口減振器油TITAN SAF 5045的比較接近，但相對應減振器的低溫阻尼性能卻存在明顯差別：前者的示功圖在所有低溫點、速度點都存在明顯畸變，而后者的示功圖僅在-30 ℃以下以及高速情況下，才產生明顯畸變；前者的最大阻尼力、吸收功、動態阻尼率和動剛度在寬溫度范圍內的穩定性以及指標數據明顯弱于后者。采用進口油的減振器具有較好的低溫適應性和減振性能，達到了歐洲標準[7]推薦的在極端低溫下(-40 ℃)工作的要求；

(2) 我國目前尚沒有形成車輛減振器油的相關質量標準，從基礎油、各種添加劑的研制到調配工藝，尚有很多課題需要研究。本研究作為示例研究的某國產試制減振器油，雖然傾點也在-50 ℃以下，但其在各溫度分層下的流動性、穩定性卻不一定好，導致了減振器的低溫阻尼性能不太理想。高質量減振器油的研制，須結合大量油品測試和減振器性能測試的細化研究，本研究所獲得的試驗結果和分析可以為該型減振器油的后續質量提升提供一定參考；

(3) 油壓減振器低溫阻尼特性宜采取拉伸、壓縮行程分開評價的方法，給出了動態阻尼率和動剛度的等效計算公式；

(4) 在一定低溫范圍內，雖然減振器的阻尼性能指標隨著溫度降低呈現了上升的趨勢，但這并不意味著一定能夠提升車輛動力學的性能，這需要具體情況具體分析。事實上，低溫往往會導致減振器阻尼力有類似“超前[2]”的效應，并使油液剛度提升，再加上低溫下橡膠節點剛度的提升，導致減振器的等效剛度大幅提高，更容易傳遞高頻振動；

(5) 本研究僅定性分析了低溫條件下減振器示功圖產生畸變的機理，限于篇幅，關于基于液壓阻尼孔低溫流體力學實驗的定量計算與分析理論將另文發表。此外，本研究試驗樣品中沒有加裝橡膠節點，是為了偏向研究油液剛度受低溫影響的效果，后續可以繼續研究減振器在加裝橡膠節點后的低溫復合剛度特性。