二系横向减振器服役特性对车辆动力学性能的影响

时间：2024-07-28

杨欣，张鑫，池茂儒

(1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610036)

随着越来越多的城市开通地铁交通，地铁车辆也有了很大的发展。轴箱内置式转向架因其良好的曲线通过性以及较轻的簧下质量，被越来越多的地铁车辆所选用。轴箱内置式转向架车辆大多行驶在曲线较多的线路，车辆横向运动较多，二系横向减振器对于提高车辆横向稳定性至关重要，所以研究二系横向减振器性能退化对车辆动力学性能的影响意义深远。李强等[1]分析了二系横向阻尼对车辆系统动力学的影响，认为合适的二系横向阻尼能够很大程度上提高车辆的横向稳定性。蒋益平等[2]分析了二系横向减振器不同失效模式对地铁车辆动力学性能的影响。由于铁道车辆悬挂元件检修制度的保守，各悬挂元件普遍存在着过度修的问题，避免车辆的过度修有助于降低车辆的运行成本。研究表明，减振器在达到四级修后仍具有生命力，可继续服役一定时间[3]。减振器四级修后的性能退化情况对完善减振器的修程修制有着重要的指导意义，同时能为研究减振器使用寿命奠定基础。Kim et al.[4]对减振器橡胶节点进行了寿命试验并提出了一种橡胶节点剩余寿命计算方法。Zeng et al.[5]研究了减振器性能退化过程中的不稳定表现，并分析了不稳定表现对车辆动力学性能的影响。Hu et al.[6]通过长期加载试验获取了减振器不同退化程度下的性能数据和寿命次数，提出了一种考虑温度和载荷影响的等效里程计算方法。汪浩[7]通过长期加载试验，对减振器寿命进行了预测研究。通过研究减振器服役性能的退化状态，可为实现状态修奠定基础。目前对于横向减振器服役后性能退化情况的研究相对较少，尤其是二系横向减振器性能退化对装用轴箱内置式转向架的车辆动力学性能的影响还处于未知状态。所以本文对我国某地铁线路上服役的二系横向减振器和该类型未服役的减振器进行了测试，对比了减振器的静态与动态特性，分析了服役后二系横向减振器的性能退化情况。同时建立了轴箱内置式转向架车辆的动力学模型，以分析二系横向减振器性能退化对车辆系统动力学性能的影响。

1 二系横向减振器性能试验研究

减振器性能测试可分为静态特性测试和动态特性测试2种。在不计减振器结构和液体刚度产生的动态影响从而没有力与速度之间的相位变化时，为减振器静态特性测试，通常采用大幅值和低频率的加载方式来实现。在考虑减振器两端橡胶节点的刚度和减振器内部油液刚度的影响从而使力与速度之间存在相位变化时，为减振器动态特性测试，通常采用小幅值和高频率的加载方式[8]。减振器性能测试采用正弦波加载方式，静态特性测试通常选特定的幅值与速度进行加载，动态特性测试的加载频率通常采用扫频的方式。

减振器性能测试采用如图1所示的悬挂元件性能试验台进行测试。悬挂元件性能试验台由试验台架、作动器、计算机、力传感器和速度传感器组成，作动器可以加载正弦波、谐波和方波等不同波形，最大加载力为10 t，最大加载幅值为±120 mm，最大加载速度为1.6 m/s。在台架上装有速度与力的传感器，能够实时反馈减振器的振动速度与阻尼力。二系横向减振器依据安装长度安装在悬挂元件试验台上，水平倾斜10°以完全模拟实车安装状态。

图1 悬挂元件性能试验台

1.1 静态特性测试

对服役后和未服役的二系横向减振器进行静态特性测试，加载幅值为25 mm，加载速度分别为0.05 m/s、0.1 m/s、0.15 m/s、0.2 m/s、0.25 m/s、0.3 m/s。

静态特性试验的加载幅值与加载速度存在以下关系：

v=2πfA

(1)

式中：v——加载速度；

A——加载幅值；

f——加载频率。

每个加载速度测试5个循环，取第4个循环的试验数据作为结果绘制减振器静态特性示功图。同时记录每个速度点下的最大拉伸力与最大压缩力，绘制最大力速特性曲线。

1.2 动态特性测试

对二系横向减振器进行动态特性测试，加载幅值分别为0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，每个加载幅值对应的加载频率为0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、3 Hz、4 Hz、5 Hz、6 Hz、7 Hz、8 Hz、9 Hz、10 Hz、11 Hz、12 Hz、13 Hz、14 Hz、15 Hz。

二系横向减振器在车辆实际运行过程中，大多为小幅值高频响应，即动态响应[9]，所以动态特性更能反映减振器的实际工作情况。对各加载幅值的每个加载速度下测试5个循环，取第4个循环的试验数据作为结果，绘制动态特性示功图。

动态特性的主要评价指标为动态阻尼和动态刚度。根据标准，减振器油液动态刚度kd、动态阻尼cd、相位角Φ计算公式分别为：

(2)

(3)

Φ=arcsin(A1/A)

(4)

式中：Femax、Fcmax——分别为最大拉伸力与最大压缩力；

ω——外部激励的振动角频率；

A——减振器的响应振幅；

A1——减振器速度为0时的响应振幅。

2 二系横向减振器性能退化分析

2.1 静态性能退化分析

静态特性能够很好地反映减振器在工作过程中内部阀系的开启过程，通过图2示功图中光滑饱满的滞回曲线可以看出,服役后的二系横向减振器内部阀系工作正常，无明显回油不及时和阀系卡顿的现象。同时可以看出，服役后的减振器在“开阀点”和“卸荷点”的阻尼力要小于未服役的减振器的阻尼力。图3为未服役和服役后的二系横向减振器力速特性对比，可以看出，服役后，减振器在0.1 m/s速度点的最大拉伸力与压缩阻尼力相较于标称值4 000 N分别下降7.5%和9%，在0.3 m/s速度点的最大拉伸力与压缩阻尼力相较于标称值9 250 N分别下降12%和10%，但仍在标称阻尼值±15%的合格范围内。静态特性测试结果表明，减振器静态性能虽有所退化，但仍在合格范围之内，且随着加载速度的提升，阻尼力下降的幅度越大；同时可以看出服役后减振器静态示功图面积相比于未服役状态有所减小，这也表示着服役后减振器的耗能能力有所下降。

图2 未服役和服役后二系横向减振器静态示功图对比

图3 未服役和服役后二系横向减振器力速特性对比

2.2 动态性能退化分析

采集了该线路新轮状态车辆和磨耗轮状态车辆运行中的横向振动加速度数据，分析发现磨耗轮车辆存在主频为2 Hz的横向振动，新轮车辆存在主频为5 Hz的横向振动，且在车辆实际运行过程中，横向减振器的主要振动幅值在0.5 mm和1 mm之间。所以选取0.5 mm和1 mm作为振动幅值，2 Hz和5 Hz作为加载频率进行动态性能退化分析。

未服役与服役后二系横向减振器动态特性示功图对比如图4、图5所示，可以看出，服役后减振器的阻尼力相比于未服役的减振器在0.5 mm幅值和1 mm幅值下平均下降17%左右。在定幅值下，随着加载频率的升高，阻尼力降低越显著；服役后减振器动态性能的滞回曲线饱满、光滑，无缺力现象。

经计算分析得到减振器动态刚度与动态阻尼的频变特性如图6、图7所示。由图中可以看出，动态刚度与动态阻尼随频率的增加而增大，当减振器达到卸荷速度时，阻尼阀开启，进行卸压，动态刚度与动态阻尼趋于稳定；服役后减振器的动态刚度与动态阻尼皆小于未服役减振器的动态刚度与动态阻尼，动态刚度下降约11%，动态阻尼下降约13%，表明减振器动态性能有明显退化。

图4 未服役和服役后二系横向减振器动态示功图对比(0.5 mm幅值)

图5 未服役和服役后二系横向减振器动态示功图对比(1 mm幅值)

图6 未服役和服役后二系横向减振器幅值动态刚度对比

图7 未服役和服役后二系横向减振器幅值动态阻尼对比

3 二系横向减振器服役特性对车辆动力学性能的影响

根据多刚体系统动力学理论，利用SIMPACK软件建立了地铁车辆动力学模型(图8)，模型充分考虑了轮轨接触、蠕滑关系、空气弹簧及其他悬挂元件的非线性，主要参数如表3所示。

图8 轴箱内置式转向架车辆动力学模型

表3 车辆动力学模型参数

3.1 二系横向减振器静态性能退化对车辆动力学性能的影响

轨道不平顺选用实测轨道谱，轨面和踏面同样采用实测值，选取直线段进行仿真设计。将服役后的二系横向减振器力速特性作为参数输入到车辆动力学模型中，二系横向减振器主要影响车辆运行的横向平稳性和横向振动加速度，对垂向平稳性和曲线通过的安全性影响较小。由图9、图10可见，车辆运行的横向平稳性随着车辆运行速度的增大而增加，且二系横向减振器的静态性能退化后，车辆的横向平稳性和车体的横向振动加速度相比于使用未服役减振器的车辆均有明显增加，但仍在合格范围内。所以二系横向减振器性能虽有所退化，但退化程度较小，仍可继续使用。

图9 静态性能退化对车辆横向平稳性的影响对比

图10 静态性能退化对车辆横向振动加速度的影响对比

3.2 二系横向减振器动态性能退化对车辆动力学性能的影响

减振器刚度为油液刚度与节点刚度的串联值，由于在实测轨道谱中横向振动的主要幅值为1 mm，振动主频为2 Hz和5 Hz，所以对比分析性能退化的减振器与未服役减振器在1 mm幅值下低频振动和高频振动对车辆横向平稳性的影响。由图11～图14可知，在低频和高频振动时，减振器动态性能退化后车辆的横向平稳性指标和横向振动加速度都有所增加，但仍在合格范围之内；且横向振动频率在2 Hz时减振器动态性能退化后的车辆横向平稳性指标比横向振动频率5 Hz时减振器动态性能退化后的车辆横向平稳性指标下降幅度大。

图11 2 Hz动态性能退化对车辆横向平稳性的影响对比

图12 2 Hz动态性能退化对车辆横向振动加速度的影响对比

图13 5 Hz动态性能退化对车辆横向平稳性的影响对比

图14 5 Hz动态性能退化对车辆横向振动加速度的影响对比