二系横向减振器常通孔径与城际列车平稳性匹配性研究.pdf
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1、第 43 卷第 4 期2023 年 8 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.42023Aug.二系横向减振器常通孔径与城际列车平稳性匹配性研究张海英1,潘全喜1,宫岛2(1 郑州职业技术学院,郑州 450121;2 同济大学 铁道与城市轨道交通研究院,上海 201804)摘 要 二系横向减振器对车辆的平稳性影响较大,城际列车与二系横向减振器常通孔的合理匹配能够提高车辆的动力学性能。基于多体动力学软件 UM 和车辆系统动力学理论、车辆动力学拓扑关系,完成城际列车动力学模型的建立,对减振器的结构和工作原理进行介绍,通过减振器台架试验绘制不同的常通
2、孔尺寸下的减振器阻尼特性曲线;在不同的速度工况和常通孔尺寸下,基于车体振动水平及车辆运行平稳性评价,完成城际列车与二系横向减振器常通孔径的匹配,并进行安全性指标校核。研究表明,在所关注常通孔径范围内,随着孔径的增大,车体振动加速度呈现先减小后增大的趋势,平稳性指标也先减小后增大;在不同的常通孔径情况下,随着运行速度的增大,横向 Sperling 指标始终都在增大,且增幅较明显,垂向 Sperling 指标值并非单调上升,选择常通孔径为 1.1 mm 时,车辆的平稳性与二系横向减振器匹配最佳,且安全性指标均在安全限界内。关键词 城际列车;二系横向减振器;常通孔;台架试验中图分类号:U271.91
3、 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1008-7842.2023.04.18减振器作为铁道车辆的核心部件之一,对车辆运行平稳性有很大的影响。毕凤荣等1以 Matlab/Simulink 为研究平台,讨论了非线性阻尼特性对车身总加权振动加速度的影响规律;蔡家明2提出了数值模拟及非线性计算方法,分析了液压减振器的油液温度,激励对阻尼特性的影响;李俊琦等3利用 Pro/E 建立了减振器内部流场模型,运用 CFD仿真技术对铁道车辆减振器完成了优化设计;唐天柱等4通过 ADAMS 建立了动力学仿真模型,将对阻尼参数的优化转变为对力模块的优化,完成了悬置系统的参数优化。目前,较多关于阻
4、尼减振器特性的研究主要关注于减振器的外部影响因素,如减振器服役条件变化,或将减振器整体视为失效等分析5-6。这些研究方法可分析减振器的减振性能,但是减振器本身也是一个十分复杂的系统,它的内部结构参数设计的合理性,对减振器的性能提升有着直接的影响。车辆平稳性指标能反映车辆的振动性能和旅客乘坐的舒适性。倪纯双等7对比介绍了评价铁道车辆振动性能和旅客乘坐舒适性的方法。万里翔等8提出了根据车辆实际运行工况来制定车辆运行平稳性的评价指标。文中选取二系横向减振器常通孔径作为研究对象,与某型城际列车进行合理匹配。通过改变常通孔径来改变减振器的阻尼特性。运用多体动力学软件 UM,在不同的阻尼特性曲线下对车辆的
5、平稳性指标进行评价,研究城际列车与二系横向减振器的合理匹配,提高车辆的运行品质。1 基于 UM 的城际列车动力学模型 1.1车辆系统动力学基本理论车辆系统动力学控制方程的建立,是将轮对和钢轨,车辆系统各部件间的相互作用用数学方程进行表达。运动微分方程为式(1):Mx +Cx +Kx=F(1)式中:M 为车辆系统的质量矩阵;C 为车辆悬挂系文章编号:1008-7842(2023)04-0107-06引用格式:张海英,潘全喜,宫 岛.二系横向减振器常通孔径与城际列车平稳性匹配性研究J.铁道机车车辆,2023,43(4):107-112.第一作者:张海英(1978-)女,副教授(修回日期:2023-
6、07-05)通信作者:宫岛(1985-)男,副教授铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 统的阻尼矩阵;K 为车辆悬挂系统的刚度矩阵;F为车辆系统的外力矢量;x,x,x分别为车辆系统的加速度、速度、位移矢量。1.2城际列车动力学拓扑图对于城际列车,首先对其关键力元进行简化处理;将车辆模拟成一个多刚体系统,获得系统主要部件自由度;保留城际列车关键组成部件,绘制车辆模型的拓扑关系图,如图 1 所示。1.3动力学模型的建立以多体动力学软件 UM 为工具,对某型号城际列车进行参数化建模9。将城际列车模拟成一个多刚体系统,主要由 1 个车体和 2 个转向架组成。转向架包括构架、轮对、轴箱、减振悬挂元件等。在
7、构架侧梁与轮对之间,用一系悬挂装置进行连接,主要包括一系垂向减振器和钢弹簧。构架与车体之间,由二系悬挂装置连接,主要包括空气弹簧、抗蛇行减振器、二系横向减振器、二系垂向减振器和牵引拉杆等。车辆系统的建模参数按照城际列车实际参数选取,仿真设置线路总长为 1 000 m,线路曲线半径为 2 500 m,超高为 150 mm,入缓和曲线及出缓和曲线长度均为 225 m,入缓和曲线前的直线段和出缓和曲线后的直线段长均为 125 m,圆曲线长度为 300 m,车轮踏面采用 LMA磨耗型踏面,钢轨采用 CN60 钢轨,轨道不平顺采用秦沈城际谱。所建立的城际列车单节车动力学模型如图2 所示。2 城际列车液压
8、减振器 2.1减振器基本结构对 城 际 列 车 的 二 系 横 向 减 振 器 结 构 进 行 分析。二 系 横 向 减 振 器 为 液 压 式 非 线 性 阻 尼 减 振器,如图 3 所示,其主要由导向器、活塞杆、工作缸等组成。活塞上有 4 个节流阀,分别控制减振器的拉伸和压缩行程,达到油液双向流动的目的。底阀上有一个节流阀,在减振器产生压缩和拉伸行程时打开。节流阀由阀座、阀弹簧、调节螺母、心阀和节流孔构成,如图 4 所示。调节螺母控制弹簧的伸缩和导向,通过阀弹簧的作用力和油液的压力控制心阀的位移。节流孔和常通孔位于减振器的心阀上,常通孔始终处于开启状态,孔径可以在 0.81.1 mm 间进
9、行调节,节流孔在阻尼力的作用下,会部分打开。减振器通过液体的黏滞阻力做功,达到吸收能量和衰减振动的目的。活塞在外部激励下做周期性的往返运动,具体可分为压缩行程和拉伸行程。在拉伸过程中,上腔体积变小,压力增图 1城际列车动力学拓扑图图 2城际列车单节车动力学模型108第 4 期二系横向减振器常通孔径与城际列车平稳性匹配性研究大,油液通过开启的节流阀流入下腔,同时底阀打开。油液流经节流阀产生的阻力直接决定了减振器 阻 尼 力 的 大 小。压 缩 行 程 与 拉 伸 行 程 基 本 相反,油液一部分流入上腔,一部分经过底阀进入储油腔。2.2不同常通孔径下的阻尼特性曲线常通孔作为减振器内部影响油液流动
10、的关键结构因素,会间接对减振器的阻尼特性曲线产生影响10-11。当速度较低时,节流阀始终处于关闭状态,油液只流经常通孔;当速度逐渐增大时,节流阀在阻尼力作用下部分打开,油液同时流经节流阀和常通孔。因此,常通孔对减振器的阻尼特性影响始终存在。在对常通孔的结构参数进行匹配时,保持节流阀始终处于关闭状态,通过改变常通孔的直径,获得不同的阻尼特性曲线。减振器台架试验是研究减振器各项性能指标的有效方法。在该型城际列车原装二系横向减振器 常 通 孔 尺 寸 附 近 选 取 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 mm 工况,采用 MTS850.25 试验系统,可以直接获得不同常通孔尺寸下的阻尼特性
11、曲线,如图 5所 示,可 以 看 到 在 0.81.3 mm 常 通 孔 尺 寸 区 间内,二系横向减振器阻尼力已出现较大差异。3 减振器常通孔径与城际列车的匹配 通过台架试验获得了不同常通孔径下的阻尼特性曲线,将其导入 UM 软件中,对车辆动力学性能进行评价,匹配出提高车辆平稳性的最佳常通孔径值。文中城际列车与二系横向减振器常通孔径的匹配原则是在满足安全性条件下,以车体振动水平及车辆运行平稳性为评价指标。而二系横向减振器在所关注的孔径范围内,车辆脱轨系数和轮重减载率关键安全性指标在安全性限界内,难以突出二系横向减振器常通孔径的影响规律,故以车体振动水平及车辆运行平稳性为评价指标匹配最佳常通孔
12、径,并进行脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数安全性指标校核。3.1车辆平稳性评价指标平稳性指标是衡量车辆动力学性能的一项重要指标。在我国一般用 Sperling 指标来评估客车走行品质。平稳性指标W可以表示为式(2):1-心阀;2-阀弹簧;3-调节螺母;4-节流孔图 4节流阀结构简图图 5不同常通孔径下的阻尼特性曲线1-吊环焊接分总成;2-压紧螺母;3-油封;4-油封座;5-O 型圈;6-导向器;7-活塞杆;8-工作缸;9-气带;10-除尘罩;11-复原阀;12-流通阀;13-活塞;14-烧结钕铁硼永磁;15-补偿阀;16-压缩阀;17-底阀图 3城际列车二系横向减振器基本结构图109铁 道 机
13、车 车 辆第 43 卷 W=7.08A3fF(f)10(2)式中:A为振动加速度,m/s2;f 为振动频率,Hz;F(f)为频率修正系数。国家标准 GB/T 5599-2019 机车车辆动力学性 能 评 价 及 试 验 鉴 定 规 范12里,有“优”、“良好”、“合格”3 个等级。具体指标见表 1。3.2减振器常通孔径的初步匹配参照我国城际列车实际运行情况,设置仿真速度为 200 km/h,将常通孔不同直径尺寸下的阻尼特 性 曲 线 导 入 UM 软 件 中,进 行 求 解。孔 径 为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 mm 的车体垂向及横向振动加速度计算结果如图 6图 11 所示
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