（机械电子工程专业论文）油压减振器的工作特性分析与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 机车车辆的车轮是钢对钢地接触到钢轨面，如果轨道出现不平顺或者车轮表面不规 则，那么都将通过车轮传到悬挂部件上，引起车体在运行过程中的高频或低频振动。若 这种振动不经过减振器衰减，那么将会严重降低车体本身的结构强度、使用寿命以及其 运行品质，这都会不利于车辆的安全性、经济性以及舒适性。 我国机车与客车上使用油压减振器已经有4 0 多年的历史，前3 0 年基本全部使用国产 减振器。但近十年，随着我国铁路运输速度的全面提高，在提速与准高速列车、客车的 转向架上都基本采用了进口减振器。主要是由于国产油压减振器在运行过程中暴露出漏 油、噪音大甚至失效等质量问题，不能满足高速机车车辆的舒适性、安全性以及运行平 稳等要求。目前，我国减振器的设计水平仍然停留在使用进口试验台进行性能测试，但 是这对减振器的尺寸具有一定的要求。本课题探索性地采用有限元仿真方法对减振器的 内部流场进行分析计算，将有利于加速我国减振器的国产化进程。本论文以一系垂向油 压减振器为研究对象，深入研究减振器的结构及工作原理，综合运用力学与流体理论， 确定了各阻尼调节阀工作状态下的减振器活塞振动速度。在p r o e 中建立了减振器内流 场几何模型，利用a n s y si c e m 和s t a r - c d 联合划分了有限元网格，最后在a n s y sc f x 中对其内流场进行了三位流场仿真计算。 对油压减振器进行内流场的仿真分析，可以深入了解其工作原理，仿真结果与实验 结果相吻合，说明可以为减振器的结构优化及性能分析提供一种有效的方法，有利于加 快机车车辆液压减振器的国产化进程。 关键词液压减振器；阻尼特性；示功图；c f d 仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t t h el o c o m o t i v ea n dc a rw h e e li sc o n n e c t e dw i t ht h er a i ls u r f a c eh a r d l y i ft h e r ei s i r r e g u l a r i t yo nt h er a i ls u r f a c eo rt h ew h e e l ，i tm a y c a u s el o wa n dh i g hf r e q u e n c yv i b r a t i o n so n t h es u s p e n s i o n sb yt h ew h e e l u n l e s st h ev i b r a t i o n sa r ea t t e n u a t e db yt h ed a m p e r , t h e r em u s t b ed e c r e a s e di nt h es t r u c t u r ei n t e n s i t y , s e r v i c el i f ea n dr u n n i n gq u a l i t y a n dw h a ts a i db e f o r e a r ea l lg o i n ga g a i n s tt ot h es e c u r i t y , e c o n o m i ca n dc o m f o r to ft h et r a i n t h eh y d r a u l i cd a m p e r sh a v eb e e nu s e do nt h el o c o m o t i v e ，r a i l w a yp a s s e n g e rf o rm o r e t h a nf o r t yy e a r s i nt h ep r e v i o u s3 0y e a r s ，n l e ya l lw o r kw i mt h ed o m e s t i cd a m p e r s b u ta l o n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n ar a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，t h ei n l p o r t e dp r o d u c t sh a v eb e e n i m p l i e d0 1 1t h eh i 曲一s p e e dl o c o m o t i v e sa n dp a s s e n g e r s 孤sm a i n l yb e c a u s eo fd o m e s t i c d a m p e r se x p o s e dt h eq u e s t i o n so fl e a k i n go i l ，n o i s ya n de v e nt h ei n v a l i d a t i o nw h a tc a n tm e e t t h er e q u i r e m e n to ft h eh i g h s p e e dl o c o m o t i v e ss u c ha sc o m f o r t ，s a f e t ya n dr u n n i n gs m o o t h l y a tt h ep r e s e n t ，t h ed e s i g no ft h eh y d r a u l i cd a m p e ri no u rc o u n t r yi ss t i l lu s i n gt h ei m p o r t e d t e s t - b e d st of i n i s hi t sp e r f o r m a n c et e s t i n g b u t 血e ya l lr e q u i r et h eq u a l i f i e dd a m p e rw h i c h n e e d st oe x p e n dal a r g ea m o u n to fr e s o u r c e sa n dt i m e i n t e r n a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c so f h y d r a u l i cd a m p e rw e r ea n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o di nt h i sp a p e r t h i ss u b j e c ts t u d i e so f t h ep r i m a r yv e r t i c a lh y d r a u l i cd a m p e r b yd o i n gd e e pr e s e a r c ho nt h es t r u c t u r ea n di t s o p e r a t i n gp r i n c i p l e s ，t h ev i b r a t i o nv e l o c i t i e sh a v eb e e ng o t i n t e m a lf l o wm o d e l sh a v e b e e n d o n ei nt h es o f t w a r ep r o e b yu s i n ga n s y si c e ma n ds t a r - c d ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l s o ft h ed a m p e ri n t e r n a lf l o wa r ea l s of i n i s h e d a tl a s t , t h r e e d i m e n s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r i ti sd o n ei nt h es o f t w a r ea n s y sc f x t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i so ft h eh y d r a u l i cd a m p e rc a nm a k ei t so p e r a t i n g p r i n c i p l e s e a s i e rt ou n d e r s t a n d a n dt h en u m e r i cr e s u l tw a si ng o o da g r e ew i t l lt h a to f e x p e r i m e n t m a t sa 1 1 t h i sw i l la p p l i e sap e r f e c tt o o l f o rt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fd a m p e rw h i c hm a ya c c e l e r a t et h el o c a l i z a t i o np r o c e s so ft h et r a i n d a m p e r k e yw o r d sh y d r a u l i cd a m p e r ；d a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c ；i n d i c a t o rd i a g r a m ；c f ds i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 国家的交通运输业是社会经济发展的基础与保障，是体现一个国家发达程度的重要 要素之一，其发展将直接带动社会各行业的快速发展。随着我国经济的高速发展，城市 群崛起以及城市群之间的交通需求，意味着以短途运输为主的公路已不能满足运行要求， 运载量小的航空运输也难完成新的使命，高速列车作为世界交通运输业的亮点，正为全 球社会经济的快速发展起着越来越显著的作用。 我国地域辽阔、人口密度大、资源贫乏和可用土地少，铁路是我国的主要运输方式， 在我国国民经济中扮演了非常重要的角色。我国铁路起源于1 9 世纪7 0 年代，经过几十 年的发展，在2 0 0 7 年4 月1 8 日的第六次大面积提速后，京沪、京广、胶济和京哈等提 速干线部分区段最高运营速度达2 5 0 k m h 。2 0 0 9 年1 2 月2 6 日开通的武广高速客运专线 是世界上里程最长、速度最高的高速列车，速度已达到3 5 0 k m h 。在货运方面，我国6 0 年代货运列车载重量为5 0 0 0 t ，到2 0 0 8 年大秦货运专线货运列车载重量己达到2 0 0 0 0 t 。 这将会给我国铁路的基础设施和装备制造提出严峻的考验【1 捌。 机车车辆在车轮与钢轨面之间的接触类型为钢对钢，钢轨面的不平顺性和车轮表面 的不规则会被车轮传输到悬挂组件上，对机车车辆各部件所造成的高频或低频振动将会 削弱车辆机械部分的使用寿命、结构强度及其运行品质。故这种振动需要经减振器装置 来减弱，才能保证车辆的运输舒适性、安全性以及经济性【3 】。所以说，油压减振器在某 些程度上直接制约了我国高速铁路的整体水平。 油压减振器在我国的机车与客车上已有4 0 多年的历史，前3 0 年基本全用国产减振 器，近1 0 年随着我国铁路运输速度的提高，在提速和准高速列车、客车的转向架上多数 都采用进口减振器。这主要是由于国产油压减振器暴露出了漏油、性能不稳定或失效等 质量问题，不能满足机车车辆运行平稳、舒适性与安全性的要求。目前，我国减振器设 计水平与生产能力虽有大幅度提高，但较国外先进的减振器技术仍有一定的差距。如果 国产减振器能够满足我国现有高速列车的需求，可以大大降低机车车辆装备成本。 我国传统的减振器性能测试是通过试验进行，需要耗费大量的资源与时间，大大增 加了国产减振器的生产成本与开发周期。现也有学者利用非线性数学模型对减振器外特 性进行了研究，但多数属于理论经典公式，忽略了对阻力特性影响较大的减振器振动加 速度、位移以及油液粘度、温度、气穴等因素。所以，简化的数学模型不能全面准确地 反映油压减振器的实际工作特性【3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 鉴于以上各种因素，通过建立油压减振器内部三维流场模型，采用有限元仿真软件 对减振器内部流道进行可视化仿真计算分析，可为减振器的结构优化、性能预测以及故 障诊断提供了一种有效的方法。 1 2 机车车辆减振器简介 由于货车对于车辆的运行速度及平稳性的要求远低于客车，所以至今几乎全部采用 摩擦式减振器。这系列减振器的摩擦力与振动速度无关，当簧下的冲击力低于摩擦力， 冲击力就会向车体传递，引起车体的高频振动。如果将这类减振器用于现代机车与客车 上，将不能满足设计与应用要求。所以，油压减振器现广泛地应用于铁道机车车辆，是 其转向架上的一个重要部件，产品外形如图1 1 所示。它与弹性元件( 如螺旋弹簧、空 气弹簧或橡胶弹簧) 共同组成了机车车辆的弹簧悬挂减振装置，保证了机车车辆的运行 平稳与安全。根据需要控制振动部位的不同，油压减振器可以分为轴箱减振器、二系垂 向减振器、二系横向减振器与抗蛇行减振器等类别。对客车转向架而言，依据国内外的 研究与实践，可以根据速度等级来安装各种减振器： ( 1 ) 速度低于1 2 0 k m h 的普通客车，装用二系垂向减振器； ( 2 ) 最高运行速度可达到1 4 0 1 6 0 k m h 的快速和准高速客车，装用二系垂向和横向减 振器以及一系轴箱减振器； ( 3 ) 高速客车速度高达2 0 0 k m h ，通常采用无摇枕转向架，除了具备以上第( 2 ) 项 的减振器外，再装用抗蛇行减振器； ( 4 ) 对于最高运行速度达到2 7 0 k m h 或3 0 0 k m h 的高速动车组，需要在车辆之间，装 备纵向或横向减振器。 图1 - 1 油压减振器外形图 各类型减振器在转向架上的位置如图1 2 所示，其中二系垂向减振器用于控制车体 与转向架之间的垂向运动，若此类型减振器的动力特性设计不合理，便会对车辆的舒适 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 性与安全性产生不良的影响。二系横向减振器用于控制车体相对于转向架之间的横向运 动。对油压减振器的基本要求是：具有合适而且稳定的阻力大小和特性；结构坚固， 使用寿命长；使用中油液不泄露；便于维修口1 。 1 系弹簧；2 一二系弹簧；3 构架；4 一系垂向减振器；5 一二系垂向减振器； 6 一二系横向减振器；硪蛇行减振器 图1 - 2 高速列车转向架上的减振器 在油压减振器的工作过程中，活塞在油缸中往复运动，油液在缸中流动时经过阻尼 阀产生阻尼力，减振器可以把系统中的振动能量转化为油液的热量而耗散掉。因此，现 代的油压减振器几乎能满足任何工况所需要的减振阻力特性。 1 3 机车车辆油压减振器的国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 近年来，我国铁路科技工作人员及学者在不断吸收消化国外机车车辆减振器先进技 术的基础上，积极研制国产油压减振器。除了对减振器的结构进行改进外，国内许多单 位与学者对油压减振器的阻尼特性也利用数值模拟或有限元仿真分析的方法对其进行了 一定的研究。其中包括浙江大学的王文林老师、西南交通大学、大连交通大学等。 文献 4 对油压减振器的基础模型、优化设计理论与参数设计进行了深入研究。通 过建立整个减振器的模型与数值分析，提出了多级拟合线性油压减振器的阻尼特性与动 态特性的求解方法。经过对挤压油膜液压阻尼特性与工作流量的计算，采用广义优化设 计的方法，将减振器的技术性能要求与经济性能要求相匹配。课题在运用m a 廿a b 软件对 可调式线性油压减振器进行动态仿真分析的基础上，将分析计算集成在一个垂向动力学 仿真与参数优化、分析计算软件中，对减振器的运行与车辆垂向动力学品质进行了研究。 西南交通大学文献 2 从一系油压减振器的结构与工作原理出发，通过分析减振器 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 活塞受力与内部流量关系，对其建立了数学模型，分别得出了减振器在拉伸与压缩两种 工况下的动态数学模型。为了实现减振器的参数化设计，利用c 语言设计了减振器计算 机仿真系统，可实现以下功能：减振器结构参数的选择与修改；稳态特性的计算与 显示；窗口与曲线打印；数据库管理功能。 文献 5 中研制了高速列车减振器试验台，并介绍分析了国内外列车油压减振器性 能试验台的结构及原理，为全面研究减振器的动力特性及加速减振器国产化进程提供了 一种更有力的保障体系。 文献 6 在文献 2 的基础上，除了建立动态数学模型外，还采用了动态参数补偿的 方法对油压减振器的阻尼系统进行了广义优化设计建模，其主要针对油温敏度与散热参 数进行了设计研究，提高了设计油压减振器的精度并获得了良好的阻尼特性，为我国设 计并生产油压减振器实现了技术性能与经济性能的综合优化设计。 华南理工大学文献 7 首次探讨性的应用计算机仿真技术对减振器阻尼阀及整体流 道内部流场进行了三维仿真计算及特性分析。但考虑到网格数量与计算量，其论文工作 主要通过建立数学模型与流体仿真计算相结合的方式得出结论。相较单纯数学模型仿真 方法，可更加深入地了解减振器的工作机理与内部流场分布，为油压减振器的性能优化 与结构设计提供了一种有效的方法。 油压减振器在我国的机车与客车上应用已有4 0 多年的历史，前3 0 年基本全用国产 减振器，近1 0 年随着我国铁路运输速度的不断提高，在提速和准高速列车的转向架上多 数都采用进口减振器。这主要是由于国产油压减振器在行驶一段时间后，暴露出了漏油、 性能不稳定或失效等质量问题，不能满足机车车辆运行平稳、舒适性与安全性的要求。 目前，我国减振器设计水平与生产能力虽有大幅度提高，但较国外先进的减振器技术仍 有一定的差距。 1 3 2 国外研究现状 国外许多家减振器公司也早于国内对其进行了研究。具有悠久历史的荷兰柯尼公 司，从1 9 3 2 年开始生产车辆用摩擦减振器，二战结束时开始生产油压减振器，现已有 2 5 0 0 多种油压减振器的型号。德国萨克斯公司也是世界上4 家最大的油压减振器制造商 之一，其产品应用于各类型的汽车、重型货车、城市轨道车辆等领域，从1 9 5 3 年开始应 用于铁路机车车辆。其两家公司的产品调节阀结构如图1 3 所示。 国外专家学者从2 0 世纪9 0 年代开始就对油压减振器做了研究。 ( 1 ) 在1 9 9 0 年，r a k h j e j a 等人建立了p s h d 的流体节流参数、空气压缩性阀开 启特性的线性数学模型，并将其应用于车辆动力学仿真，提高了车辆的乘坐品质； ( 2 ) 俄国科学院理论力学研究所从减振器的理论出发，对油压减振器与工业缓冲 器进行了参数优化： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 3 ) b e s i n g e r 对可通过简单动力学试验修正油压减振器建立了非线性数学模型， 通过仿真计算方法对各种特征参数对车辆动力学性能的影响做了研究； u 瓢 卜柯尼阻尼阀结构2 一萨克斯螺旋弹簧节流阀的结构 图1 3 国外减振器调节阀结构 ( 4 ) s t e f a a n 等人通过拟合实验数据，建立油压减振器的非参数数学模型，消除 了滞环的影响。此学者的非参数数学模型将阻尼力的函数用振动速度和加速度来表达， 虽然违背了实际的物理模型，但其研究结果在理论上与基本元件模型相吻合； ( 5 ) 1 9 9 8 年，国外学者b a s s o 等人对摩托车的被动可变阻尼式油压减振器阻尼 参数进行优化时，考虑到减振器的不对称性和非线性，并通过试验数据进行修正，取得 较为理想的结果。 ( 6 ) 2 0 0 0 年，s t f f a a n 等学者采用测力计实验修正和准静态的手段，建立了汽车 车辆减振器的标准数学模型。其数学模型参数包括：阻尼阀参数、几何参数、准静态参 数以及吸油阀参数。 1 4 本课题的研究方法及内容 本课题文以高速重载列车某型号一系垂向减振器为研究对象，论文内容框架如图1 4 所示。根据一系垂向减振器的实体模型与结构，在三维建模软件p r o e 中建立减振器在 不同工作情况下的三维流体模型。然后利用a n s y si c e m 软件的旋转块命令完成部分 六面体网格后导入s t a r c d 软件完成其余部分的网格划分，对于阻尼阀部分，采用四 面体划分网格。最后，在a n s y sc f x 平台上对减振器内部流场进行仿真计算分析，得 出可以判定减振器性能的阻尼特性曲线。减振器在高速振动的工况下，利用m a t l a b ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 计算出阻尼阀开启时的活塞振动速度，再利用a n s y sc f x 进行分布仿真计算。为减振 器的结构优化提供了理论依据，对提高国产减振器的自主设计能力，是十分有意义的。 图1 4 论文内容框架图 本文主要的研究内容主要涉及以下几个方面： ( 1 ) 根据挤压油膜液压阻尼理论与流体力学经典流量公式，建立了阻尼阀的流量 平衡方程和力学平衡方程，并通过m a t l a b 软件编程计算得到各个阻尼阀开启瞬间的 减振器活塞振动速度，作为复杂工况仿真的边界条件； ( 2 ) 根据一系垂向减振器的实际结构与几何参数，利用p r o e 对减振器内部流场进 行三维建模，并运用a n s y si c e m 旋转块命令生成部分网格后，导入s t a r c d 软件中 完成对油缸部分的六面体网格划分，调节单元划分为四面体网格； ( 3 ) 应用a n s y sc f x 流体仿真分析软件，对减振器在不同工况的工作过程进行 仿真计算，得出其阻尼特性曲线及内部流场分布图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章油压减振器结构及工作原理 油压减振器按照油液的循环方式，液压系统可分为开式系统( 即油液双向循环) 和 闭式系统( 即油液单向循环) ，其基本动作是拉伸与压缩。闭式系统较开式系统结构紧凑、 与空气接触机会少、空气不易渗入系统，故传动稳定。因而，闭式系统更易于实现轨道 交通机车车辆所需要的阻尼特性。 本章以闭式液压系统的一系垂向油压减振器为研究对象，从减振器阻尼作用的理论 基础出发，分析了减振器的结构特点及工作原理。 2 1 油压减振器阻尼作用的理论基础 当车辆在运行过程中遇到路基刚度不均匀、接头低或线路的道岔等 局部不平顺时，车体会产生一定的自由振动。在车辆静止时，当车体突 然受到瞬态力如风力等作用时，也会产生自由振动。如果车体的减振装 置中没有任何阻尼作用，从理论上讲车辆的自振动作不会产生衰减。故 在减振装置中引入阻尼以快速衰减自由振动1 3 1 , 阻尼根据阻尼力f 与速度v 的关系，可分为线性阻尼与非线性阻尼。 当两者成正比关系时，称为线性阻尼，即f = c v ，c 称为阻尼系数。反 之，称为非线性阻尼。大多数的机车车辆减振器都具有线性阻尼特性。 主要因为，在理论求解阻尼特性时，线性阻尼在振动方程中是最简单的。 当遇到非线性阻尼时，我们也用等效线性阻尼代换非线性阻尼的处理方 法。 图2 1 为具有线性阻尼车体自振简化系统，其中m 为车体质量，c 为阻尼系数( 表示减振器减振功能和阻尼力的大小) ，k 为弹簧刚度， 系统的振动方程为： m 2 + c 2 + k z ：0 再写成： 2 + 2 n z + p 2 z ：0 式中2 刀= c m ；p 2 = 舌；尸为自振角频率。 若设位移为以下形式： z = a e 舢 将其带入式( 2 2 ) 中得： 图2 1 线性阻 尼自振系统 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) z 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 z 2 + 2 n 2 + 尸2 = 0 由此可得： 旯= 一刀巧= 一n + _ j g 此处- ，= 4 = i ，暑= 正f ，暑是有阻尼时的自振频率。 式( 2 - 4 ) 具有下列三种情况： ( 2 - 4 ) 当p 2 刀2 时，可以将式( 2 3 ) 的解推演写成： z = e 1 ( 4c o s p i t + 4 2c o s p 2 t )( 2 - 5 ) 式中4 、4 和a 是由初始条件决定的常数，彳取决于4 和4 。由此可见，式( 2 5 ) 描 述的是振幅按指数规律减小且值为p 一彳、频率为异和相角为口的衰减振动，在振动系 统中，这才是具有实际意义的。 2 2 减振器结构特点及性能参数 一系油压减振器的基本结构由下列部件组成( 如图2 2 ) ： ( 1 ) 伸缩式防尘罩：防止尘埃进入到活塞杆和顶部的密 封处： ( 2 ) 防护罩：防止砂石或异物碰撞和伤害到活塞杆或防 尘罩； ( 3 ) 阻尼调节阀：当油液流过此阀时产生阻尼力，通过 调节弹簧预紧力可以改变减振器阻力特性，亦称为节流阀； ( 4 ) 刮油环：在压缩工况中清除活塞杆表面的脏油膜； ( 5 ) 活塞杆密封装置：此密封装置不受油压作用，几乎 不产生漏油现象； ( 6 ) 活塞杆导向座：采用特殊珠光体铸铁制成，具有抗 磨损、寿命长等特点。此导向座上的消除油压流向储油缸， 使活塞杆的密封部分不受压； ( 7 ) 压力缸：由无缝精密钢管制成，储存液压油； ( 8 ) 单向阀：用于底阀和活塞处，保证油液由下向上的 单向流动； z 式 ， i 厂7 |x v ，l ) 0 棚爿才泓膏 l 屯! 、，；翻翻z 瑚 “。l ( ( 、国 t 口， 艨 叠渊 窝辨 菹 狮 搿 一j 上 ，_ k ， ， i ： 矗 一 荽三 ： ，。 ； ：鐾r 1 ；j 剐一 _ i j 一 ： ：l ： 一l i - 吒q t 署：i熬姜丸t r ， j ， ： ，i ，l ，一，量赣茁i 磷 色捌：除胡一。 1 d ， ( 9 ) 活塞和活塞杆部件：活塞与活塞杆均需要精密磨光， 图2 - 2 洫压减振器的结构 保证活塞不被卡住： l ， ， j ， 幢 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 1 0 ) 储油缸：用于储存油液，在减振器在工作时起到储油和排油的作用； ( 1 1 ) 导油管：引导由调节阀流出来的油液进入储油缸； ( 1 2 ) 底阀组成：由阀片、阀体和预紧弹簧组成的单向阀，可保证储油缸向压力缸 迅速补油。 另外，在减振器的两端装有连接结构，分别与弹簧上下支承面的安装部分相连接， 以允许上下支承面可以在一定范围内错动。在连接结构中添加橡胶层，使活塞杆能够吸 收高频振幅振动，而不被卡住，该一系油压减振器的产品性能参数如表2 1 所示。 表2 - 1 一系垂向减振器性能参数 类别序号测试项目数值单位 外 1 安装长度 3 0 8n h n 形 2 拉伸最大尺寸 3 4 5 士3m m 尺3 压缩最小尺寸 2 7 2 土3m m 寸4 储油缸直径由9 2 m m 拉伸最大阻 5 尼力f l 51 0 0 士7 6 0n 常 0 1 m s 压缩最大阻 6 温 尼力f 2 阻 性 7 不对称率 1 0 尼 能 拉伸最大阻 8 力 测 尼力f l 1 0 0 0 0 士1 5 0 0n 试0 2 m s压缩最大阻 9 尼力f 2 1 0 不对称率1 0 2 3 减振器工作原理 在一系垂向油压减振器中共有三个阻尼调节阀，如图2 3 所示，是减振器的关键部 件。阀的结构中包括节流阀体、固定节流孔和可调弹簧。适当地组合使用具有不同参数 的阀的结构，便可以得到具有不同阻力特性的减振器。当压力腔的油液流经调节阀时会 产生减振阻尼力，改变调节阀的弹簧预紧力可以改变减振器的阻尼特性。三个调节阀对 应的开启压力关系为：p k a p l c 2 p k l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 盯謇 i l， 彩 形 彩 衫， 形 形 l 广 锣黝 1 调压阀2 补充阻尼阀3 主阻尼阀 图2 3 减振器调节阀位置 2 3 1 减振器的工作过程 减振器在工作过程中的基本动作是拉伸与压缩，其在外力的作用下活塞做往复运 动，有压腔的液压油经过阻尼阀节流孔时产生压力损失，产生阻尼力，同时将振动过程 中的部分机械能转变为热能，达到衰减振动的作用，图2 - 4 为减振器在拉伸与压缩过程 的工作原理简图1 3 1 0 ，一， _ 匡茎 ： ： 审 f ； 上 乒 j 上 d 土 一 l 式- i j_-。 薹 ；! | 匡薹亡 _ ， ， 二 _ 一薯 1 d l 。| p r 叫 曼ii 薹 ， 1 1 、心t l 引引； 争 网j ： j kt l 懈a ，0 旺毒耋l 、艮 j ， 。i i ：扛 ：j ：；：。 懈b 一一i - i l 7 引；：；+ m 蔓： o ：上 e 一1 恻l 牛 门 。、h - l ， - 1 1 77 f l - 、 ，lr l ，7 ， ， 7 律袅a b 、，j 黼a ( a )( b )( c ) 图2 _ 4 减振器的工作原理图 ( 1 ) 减振器的拉伸行程 在活塞杆向上运动的过程中，活塞上腔体积不断减小，压力增大，位于活塞上的单 向阀关闭。下腔体积增加，压强减小，底阀上的单向阀开启。活塞上部相当于体积为a 的油液经节流孔流到储油缸，形成拉伸阻尼力。储油缸中相当于体积为( a + b ) 的油液 经底阀流到活塞下部的压力缸，如图1 中由( a ) 到( b ) 。根据活塞上腔压力与阻尼阀开 启压力的关系，可将拉伸行程分为以下几个阶段： 当活塞运动速度较低时，上腔压力p 2 小于补充阻尼阀的开启压力p 心时，油液仅 通过主阻尼阀3 的常通小孔流入储油箱； 当速度增加，上腔压力p 2 大于补充阻尼阀的开启压力p l ( 2 而小于调压阀的开启压 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 力p k l 时，上腔液压油通过主阻尼阀3 和补充阻尼阀2 流入储油缸； 当速度继续增加，上腔压力p 2 大于调压阀的开启压力p k l 时，液压油会通过主阻 尼阀主阻尼阀3 、补充阻尼阀2 和调压阀1 进入储油缸。 ( 2 ) 减振器压缩行程 当活塞杆在外力作用下向下运动的过程中，底阀上的单向阀由于活塞下腔不断体积 减小，其压力不断增加，大于储油缸的压力，而处于关闭状态。上腔体积增加，压力减 小，活塞上的单向阀开启。活塞下部相当于体积为( a + b ) 的油液经单向阀流到储油缸 活塞上腔，其中体积a 的油液，留在活塞上部，而体积b 的油液从活塞上部经节流孔到 储油缸，如图1 中的由( b ) 到( c ) 。 由此可以分析得出，闭式液压系统的减振器无论在拉伸工况还是压缩工况中，油液均以 同一方向经过同一节流孔产生阻尼耗散作用。 2 3 2 减振器的特点 机车车辆一系垂向油压减振器在结构与阻力特性上有以下几个特点： ( 1 ) 油液单向循环流动 在减振器受外力作用的拉伸与压缩行程中，压力腔中的油液均通过阻尼调整阀和导 油管流向储油缸作单向流动，不仅可以很快消除储油缸中偶尔出现的气泡，也可以将储 油缸中由于油液与空气混合而出现的乳化现象消除，保证了减振器在工作时具有平稳而 完善的液压特性。 ( 2 ) 实现不同的阻力特性 减振器中的三个阻尼调节阀，在不同的工况下，会有不同的阻尼调节阀组合在一起 工作，可实现减振器各种不同的阻力特性。如图2 5 所示，图中( a ) 为只有主阻尼阀工 作时的f v 阻尼特性；( b ) 为主阻尼阀与补充阻尼阀同时工作时的f v 阻尼特性曲线， 此时上腔压力达到补充阻尼阀的弹簧预紧力，阀体被油液向上项开，油液通过阀体与阀 座间的缝隙流入到储油缸，起到卸荷的作用；( c ) 表示三个阻尼阀同时工作的n 阻尼 特性曲线。 f 筝f o ( a ) 口u ( b )( c ) 图2 5 减振器不同的f - v 曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 3 ) 减振阻力可调 一系垂向油压减振器的减振阻力大小可在无需拆卸减振器内部结构的情况下进行 调节。减振器在长期使用过程中，由于零件磨损会出现减振阻力在一定程度上降低的情 况，此时可以通过除去防尘罩，转动调节螺栓来调节阻尼调节阀，使阻力恢复到原来的 规定值。 由于根据减振器的设计原理，油压减振器三个调节阀中的调压阀的开启压力最大， 所以调压阀限制减振器的最大阻尼力。当旋松该阀时，减振器的卸荷值也会相应的下降。 2 4 本章小结 本章主要基于油压减振器的阻尼理论基础，介绍了本课题一系垂向油压减振器的结 构特点与性能参数。随后分析了一系垂向油压减振器的工作过程及工作原理，为减振器 的流体几何三维建模及c f d 仿真计算的阻尼特性分析做了理论准备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章一系油压减振器数学模型 根据一系油压减振器的结构基本参数，对减振器内部流场进行受力与流量分析，得 出减振器的数学模型。确定减振器在高速工况下，阻尼阀开启时活塞杆在外力作用下的 振动速度，从而得到高速工况的有限元仿真边界条件。 3 1 减振器数学模型基本参数 根据一系垂向油压减振器的实际结构，其基本参数与数值如表3 1 。 表3 - 1 减振器基本参数表 序 符号说明数值单位 号 基本参数 l a p 信号振幅 2 4 e 3m 2 信号频率 v m a x 2 z c a p h z 3 活塞最大速度根据速度范围设定r o d s 4 y 活塞位移 a 。s i n ( 2 z r f t ) m 5 v 活塞速度 2 石f a 。c o s ( 2 z c f t ) m s 6l ， 运动粘度 1 2 7砌m 2 s 7 p 油液密度 8 4 1 k g m 3 8 弘= v p 动力粘度 0 0 1 0 6 8ns m 2 9 昂 储油缸压力9 8 e + 0 4 m 2 n 1 0d 活塞杆直径 3 5 4 e 2m 1 1d 活塞直径 5 e 2m 1 2 4 0 下腔截面积 1 - 9 6 2 e 3m 2 1 3 4 。 上腔截面积9 8 3 7 e - 4m 2 1 4 v l 下腔初始体积8 8 2 9 e 5 m 3 1 5 吃 上腔初始体积 4 4 2 7 e 5m 3 1 6 e 流量系数 o 8 2 底阀参数 1 d l 底阀节流孔直径6 6 e 3 m 2 强 底阀节流孔数值 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表3 1 减振器基本参数表 序 符号说明数值单位 号 3 a 1 = 冗卑d ：4 底阀节流孔直径3 4 2 1 e 5 m 2 活塞单向阀参数 1 畋 孔直径6 8 e 一3m 2 ，z 2 孔数量 1 8 3 4 = 7 木d ；4 孔截面积 3 6 3 e 3m 2 4 c 2 弹簧2 刚度8 4 9 2 4 5n m 主阻尼阀( 常通小孔) 参数 l 吃 常通孔直径8 e - 4m 2 厶 常通孔的长度 2 e 3m 3 如= 死卑d jf4 常通孔截面积5 0 2 7 e 7 m 2 补充阀参数 1 以 节流孔直径8 e - 4m 2 a 4 = 万术刃4 节流孔截面积 5 0 2 7 e 7m 2 3 c 4 弹簧4 刚度 4 5 7 9 7 7 4n m 调压阀参数 1 c 5 弹簧5 刚度9 1 5 9 5 4 7n m 安全阀参数 l 以 安全阀直径4 e 3m 3 2 减振器性能计算的一些假设 油压减振器的阻尼性能会受到很多因素的影响，如流量经典公式中对经验系数的选 取、油液的粘温特性以及油液的可压缩性等。这些因素，对减振器的流量与受力模型的 分析都有直接的影响1 1 2 1 0 因此，对一系油压减振器的计算与仿真是建立在以下假设的基 础上： ( 1 ) 液压油不可压缩：由于减振器油缸容积小，油液压缩系数小，故在静态分析 时，油缸压力变化对液压油体积影响很小，所以油液的可压缩性对减振器性能分析可以 忽略； ( 2 ) 活塞上下腔液压油的温度相等：减振器内部流场的流路短，上下腔在拉伸与压 缩工况下间接或直接连通，故上下腔液压油温度几乎相等； ( 3 ) 不考虑气穴现象：由于活塞上下腔压力远高于液压油空气分离压，不满足气穴 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 产生的条件； ( 4 ) 设定油液的运动为稳定流：活塞的运动速度远低于压力缸中油液的运动速度， 在时间间隔f 内，可视活塞的运动速度保持不变； ( 5 ) 不考虑油液重力：因减振器内工作油的重力势能远小于其动能与压力势能； ( 6 ) 活塞与缸体间的间隙几乎为零，故通过活塞四周的泄漏不计； ( 7 ) 当活塞相对于缸体做相对运动时，不考虑机械摩擦力。 3 3 减振器受力分析 通过分析一系垂向油压减振器的工作原理，可以得到减振器的计算简图如图3 1 所 示。减振器的受力分析对象为活塞，活塞所受合力即为阻尼力。由于减振器在拉伸与压 缩两种工况下，油液的流动方向不同，所以分别在两种工作状况下对活塞杆进行受力分 析。 ( a ) 拉伸工况 f c i 图3 1 减振器受力模型图 ( b ) 压缩工况 3 3 1 减振器拉伸工况 若作用在减振器活塞杆上的拉力为e ，则可以根据受力平衡原理，得出减振器在拉 伸工况下的力平衡方程，有 c = f 2 一v l + c + 石+ 五+ ，馏 式中五一活塞上腔压力； e 一活塞下腔压力； c 一活塞运动惯性力； 石一活塞与缸体间的摩擦力； ( 3 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 五一活塞杆与导承件间的摩擦力； m 一活塞杆组件质量。 根据计算假设，其中f o 、彳、正和，孵的值均为0 。减振器活塞上下腔的压力e 与e 可表示为： 由上述可知，c 可以简化为 f 2 = p 2 4 0 e = p ，4 。 c = p 2 以。一p 1 4 0 3 3 2 减振器压缩工况 同理可得，减振器在压缩工况下的受力c 平衡方程有 v c = 互一互 v c = p 1 4 0 p 2 4 0 3 4 减振器流量分析 , r e & ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( a ) 拉伸工况 ( b ) 压缩工况 图3 - 2 减振器流量分析图 根据图3 2 所示一系垂向油压减振器的流动状态分析图，忽略了减振器在工作工程 中活塞四周的泄漏以及油液的可压缩性。减振器的流量分析对象为各阻尼阀在拉伸与压 缩两种工况下的流量，得出其流量连续性方程【1 1 , 1 2 】。 其中，当活塞振动速度较高时，上腔压力p ，高于调压阀的开启压力阢时，三个调 节单元的阀片均开启。此时，主阻尼阀的常通孔流量为q l ，补充阻尼阀节流孔的流量为 q ，调压阀节流孔的流量为q 。当活塞杆受外力拉伸时，下腔因体积不断增加，压强 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 减小，底阀开启，流量为q 4 。当活塞杆受到压缩外力时，上腔体积增加，下腔体积减小， 上腔压力仍减小而下腔压力p 。增加，活塞杆上的单向阀打开，流量为q 5 。 3 4 1 流量连续性方程 根据一系油压垂向减振器的结构参数( 如表3 1 ) ，常通阻尼孔的，d 的值为2 2 5 ， 而调压阀阻尼孔的长径比，d 值为2 4 ，介于o 5 4 之间，故该减振器的阻尼孔为短管型 孔。此时，流量系数c 应该取0 8 0 8 2 。当长径比为2 3 时，流量系数c 应取值为 q = 0 8 2 。 3 4 1 1 拉伸工况流量连续性方程 在减振器受力拉伸的工况下，上腔液压油以四种方式经阻尼阀流到储油箱，总流量 为上腔减小的体积。 ( 1 ) 当活塞上腔压力p ：低于补充阻尼阀的开启压力p 。：时 此时，只有主阻尼阀的常通小孔参与工作，上腔液压油仅通过主阻尼阀常通小孔流 入储油箱，有： 如v = q 1 ( 3 - 7 ) 即 q “莎焉 如v = c d a 3 2 ( p 2 - p o ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 2 ) 当活塞上腔压力p ：高于a ：而低于调压阀的开启压力既。时 此时p k ： p ： p 补充阻尼阀打开参与工作，上腔液压油经过主阻尼阀的常通小 孔与补充阻尼阀的节流孔流入储油箱中。 4 0 1 ，= q l + q 2( 3 - 1 0 ) 斤一厅一 4 0 v = q 4 ，e ( p 2 一p o ) + c d , 4 4 ，仨( p 2 一p 2 ) ( 3 - 1 1 ) pp 即4 0 v = 屯。4 ( p 2 一p o ) + 缸g ( p 2 一p 女2 ) ( 3 1 2 ) ( 3 ) 当活塞上腔压力p ：高于调压阀的开启压力p 。，时 调压阀打开参与减振器工作，上腔液压油经过主阻尼阀、补充阻尼阀与调压阀的节 流孔流入储油箱，则流量连续性方程为： 4 0 1 ，= q l + q 2 + q 3( 3 - 1 3 ) 厶v = c , t a 3 1 2 ( p 2 - p o ) + c d a 4 1 2 ( p 2 - - p k 2 ) 4 - c d a 5 2 ( p 2 - p k , ) ( 3 - 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 即 q 3 嘲乒j ( 3 - 1 5 ) ( 4 ) 当活塞上腔压力p ：高于安全阀的开启压力时 当减振器在外力作用下，活塞振动速度过高时，上腔压力p 2 达到安全阀的开启压力 时，安全阀打开工作，此时减振器完全卸荷，此情况本论文不讨论。 3 4 1 2 压缩工况流量连续性方程 在减振器受力压缩的工况下，下腔体积减小压力增加，底阀关闭，活塞单向阀开启， 下腔的液压油流入活塞上腔。上腔体积减小，但由于下腔流入活塞上腔油液体积大于其 减小的体积，故上腔压力增加，液压油与拉伸工况相似，以四种方式经导程阻尼阀进入 储油箱。所以，总流量等于下腔减小体积与上腔增加体积