（机械设计及理论专业论文）高速列车可调式线性油压减振器的设计理论与应用研究.pdf

高速列车可调式线性油压减振器 的设计理论与应用研究 摘要 本文以可调式线性油压减振器为研究对象在跟踪油压减振器国际研究 前沿的基础之上对其基础模型、优化设计理论、敏度性与参数设计等进行 了一系列从元件到系统、从理论到实践的深入研究。主要涉及以下四个方面 的内容： 1 、可调式线性油压减振器阻尼系统的设计理论 采用动态数学模型和动态参数补偿的方法对可调式线性油压减振器的阻 尼系统进行了广义优化设计建模：f 运用机械广义优化设计理论和平台对可调 式线性油压减振器的阻尼系统进行了多目标、全性能的优化，实现了其技术 性能和经济性能的综合优化设计：通过对整个油压减振器进行建模与数值分 析，解决了工程上对多级拟合线性油压减振器的阻尼性能进行求解、对其动 态特性进行分析的难点。) 1 2 、基于敏度分析的可调式线性油压减振器参数设计理论 研究了采用建模与敏度分析的方法对可调式线性油压减振器有关参数 进行计算和设计的理论、途径。f 涉及两个方面的内容：可调式线性减振器的 许用磨损量研究、油温敏度与散热参数设计研究。p 3 、线性油压减振器与车辆垂向动力学研究 护 油 的 运行与车辆垂向动力学品质的关系进行了研究。 4 、软件开发与样机研制 以本文的研究成果为基础运用机械广义优化设计平台和m a t l a b 平台， 开发了可调式线性油压减振器的c a d 应用软件。使用该软件设计、开发了两 种样机油压减振器，并成功完成了样机油压减振器的台架试验和装车耐久试 验。 斑讯黧性嚣器滞发。淼学龇骱阀 广义优化敏度分析软件嘘搓机开发垂向动力学 bj d e s i g nt h e o r y r e s e a r c ha n dp r a c t i c e so n a d j u s t a b l e l i n e a r o i l d a m p e r f o r h i g hs p e e dr a i l w a y v e h i c l e s a b s t r a c t f r o m c o m p o n e n t t os y s t e ma n df r o mt h e o r yt op r a c t i c e s ，t h i st h e s i sh a sd o n e e x t e n s i v er e s e a r c ho nt h ef u n d a m e n t a l m o d e l s 、o p t i m a ld e s i g nt h e o r y 、s e n s i t i v i t y a n a l y s i sa n dp a r a m e t e rd e s i g ne r e o fak i n do fa d j u s t a b l el i n e a ro i ld a m p e r o nt h e b a s i so f f o l l o w i n gt h ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs t e p so f o i ld a m p e r s t h er e s e a r c h w o r kf o c u s e so nt h e f o l l o w i n gf o u r m a i ni n v e s t i g a t i o n s ： 1 t h e o r y o ff l u i d s y s t e md e s i g n f o ra d j u s t a b l el i n e a ro i ld a m p e r b y u s eo fd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dd y n a m i c p a r a m e t e r - c o m p e n s a t i n gm e t h o d ，t h ef i r s tr e s e a r c ho f t h i si t e mh a se s t a b l i s h e dt h eg e n e r a l i z e do p t i m i z - a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef l u i ds y s t e mo f 雠a d j u s t a b l el i n e a ro i ld a m p e r ；, b y u s eo ft h em e c h a n i c a lg e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dp l a t f o r m ，t h ef i r s t r e s e a r c hh a sa l s om a d eam u l t i o b j e c t i v ea n do v e r a l l p e r f o r m a n c eo p t i m a ld e s i g n t ot h ef l u i ds y s t e mw h i c hg i v e st h ed a m p e rb o t ht h eb e s td a m p i n gp e r f o r m a n c e s a n dt h eb e s te c o n o m i c c a p a c i t i e s ； b ym o d e l i n gt h ew h o l ed a m p e ra n da n a l y z i n gi tb yn u m e r i c a lm e t h o d ，t h e s e c o n dr e s e a r c ho f 血i si t e mh a ss o i v e dt h ep r o b l e mo ft h ed a m p e r sd y n a m i c a l d a m p i n g c h a r a c t e r i s t i c sc a l c u l a t i o n 、s i m u l a t i o na n da n a l y s i s 2 t h e o r yo fp a r a m e t e rd e s i g nb y m e a n so f s e n s i t i v i t ya n a l y s i s f o r a d j u s t a b l el i n e a r o i ld a m p e r t h i si t e mh a sd o n er e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dm e t h o d st od e s i g np a r a m e t e r s o fl i n e a ro i ld a m p e rb ym o d e l i n ga n ds e n s i t i v i t ya n a l y z i n g t h i si t e mf o c u s e so n t w oa s p e c t s ：r e s e a r c ho nt h ew e a ra l l o w a n c e 、r e s e a r c ho nt h et e m p e r a t u r es e n s i t i - v i t ya n d t h e r m a ld i s p e r s i o np a r a m e t e r sd e s i g n 3 r e s e a r c ho nt h ep a r a m e t e ri n f l u e n c eb e t w e e nl i n e a ro i ld a m p e ra n d v e r t i c a ld y a a m i e so f r a i l w a y v e h i c l e s b yd e v e l o p i n g s o f t w a r ef o rs i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h i s i t e mh a sd o n e r e s e a r c hw o r ko nt h ep a r a m e t e ri n f l u e n c eb e t w e e nl i n e a r o i ld a m p e ra n dt h e v e r t i c a ld y n a m i c so f r a i l w a yv e h i c l e s t h i sr e s e a r c hw o r k h a sa c h i e v e ds o m e 触 o nt h ee n g i n e e r i n go p t i m a ld a m p i n gr a t ec h o i c em e t h o d 、o nt h ei n s t a l l a t i o na n d m a i n t e n a n c eg u i d el i n e se t c f o rt h ea x i s b o x d a m p e r s 4 s o f t w a r ea n d d a m p e rp r o t o t y p e sd e v e l o p m e n t b a s e do nt h er e s e a r c hf r u i t so ft h i st h e s i s ，b a s e do nt h em e c h a n i c a l g e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o np l a t f o r n la n dm a t l a b ac a ds o r w a l ef o r a d j u s t a b l el i n e a ro i l d a m p e rh a sb e e nd e v e l o p e d t w ok i n do fp r o t o t y p ed a m p e r sh a v eb e e nd e s i g n e d a n dd e v e l o p e db yu s eo ft h i ss o f t w a r e ，f r a m ea n de n d u r a n c et e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h ed a m p e r sh a v eg a i n e df i n ed a m p i n g c h a r a c t e r i s t i c s 船e x p e c t e d k e yw o r d s ：a d j u s t a b l el i n e a r o i ld a m p e r m u l t i - s t a g e f i t t i n g o r i f i c ed a m p i n g b l o w - o f fv a l v e s g e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o ns e n s i t i v i t ya n a l y s i s s o r w a r ea n d p r o t o t y p e sd e v e l o p m e n t v e r t i c a ld y n a m i c s 常用变量表 以一油压减振器活塞有效作用面积； 一。、k 。( j = 一各阻尼调节阀挤压 油膜的等效承载面积、流量系数： a w ( j 可一各阻尼孔的通流面积； 鼠一油压减振器活塞杆运动中的粘性组 尼系数； c 、e 一空气弹簧、油压减振器的等效 阻尼系数； c 一一系油压减振器阻尼系数； c ( j 叫功一油压减撮器各缝隙流动处 的层流起始段修正系数： c 0 一阻尼孔的流量系数： d ( f = ，研一各阻尼孔的直径； d 、d 一压力缸筒内径、活塞杆外径： d ( 第五章) 一油压减振器储油缸外径； d 哕一油压减振器的不对称率： p 。( 爿翻一各阻尼阀稳态响应误差； e 。( f = j j ) 一各阻尼调节阎在工作过程 中的调压偏差； ，一油压减振器的台架试验澈振频率； 兀、，。、j o ( j = p 一曲一油压减 振器阻尼性能等效目标、各调压阀调压偏 差等效目标、经济性能目标、广义优化总 目标： f 、t 、c 一油压减振器输出阻尼力、 拉伸阻尼力、压缩阻尼力： f 、f 。( 可曲各典型速度点处额 定、最大阻尼力： f 。、只。一油压减振器额定典型工 作点的最大拉伸、压缩阻尼力： 吒一油压减振器额定典型工作点阻尼 力允许下降的极限值； 危( ，= j 琦一各阻尼阀阀芯开启高度； j 。、j ，一车体、构架通过各自重心的转动 惯量； k ，、k 。i 一一系悬挂弹簧刚度、轴箱油 压减振器的安装刚度； 足。、髟一空气弹簧的等效弹簧刚度、 橡胶堆的串联刚度； 足。一卸荷阀阻尼孔后、前压力比： k 。o = j 一) 一各轮对下的轨道非线 性刚度； 五0 、k 。一油压减振器拉伸、压缩状态 的动态泄漏系数； k t , 一“6 一油压减振器的许用动态泄漏 系数； e ( 可i ? ) 一各阻尼阀的调压弹簧刚 度： 工、z 一活塞、活塞杆动密封的密封宽度： ( 第五章) 一油压减振器储油缸长度： 小。( ，= 曲一各阻尼阀阀芯加三分之 一弹簧质量； v m l 、j 】i 彳2 一压力缸磨损量、活塞杆磨 损量： m 。、，、m ，车体、构架、轮对的 质量： p 一油压减振器压力腔压力： p ( 第七章) 一轮轨最大动作用冲击力： 只一油压减振器最大卸荷压力； 只( ，= 国一i 、z 号阻尼调节阀、卸荷 阀的调定压力； q 、q ，一油压减振器总流量、有效工作 流量： q j ，最大速度点处通过卸荷阀的 挤压流量； q 。、9 一流体压缩、动态泄漏引起的 损失流量； 尺一油压减振器的台架试验激振振幅： r ( 第七章) 一轴箱弹簧上方构架最大相对 振幅； r a t e 一油压减撮器阻尼系数： r a t e w d ，七一油压减振器线性工作区 间的阻尼系数； r i 、一压力缸筒端面内、外密封半径： l l 、r j 2 ( j 爿功一各阻尼调节阀挤压油 膜外密封带的内、外半径； 丁一油压减振器的振动周期； 己一油压减振器的许用油温； v 一油压减振器振动速度； 1 ，：( j = 西一油压减振器各典型速度点 v i 处的运厦： 砭、屹一拉伸，压缩行程的压力腔容积： x 一油压减振器的振动位移： k ，( j ：卜一曲各阻尼润调压弹簧的预 压缩量： z 。0 ) ( f = 2 ) 一橡胶堆结点垂向振动位移 的时域历程： z 。o ) ，见o ) 一车体垂向振动、点头振 动位移的时域历程； 孑。0 ) ( = ，曲一轴箱油压减振器结点 垂向振动位移的时域历程： z 。o ) 、曰。o ) ( = z ，功一构架垂向振动、 点头振动位移的时域历程； z o 。( f ) ( = 田一各轮对下的轨道垂直 不平顺时域历程： z 。( r ) ( i = l 4 ) - - 轮对垂向振动位穆的 时域历程o 2 口一油压减振器的实际安装运行间隙； 2 l 、2 ，一车体定距、转向架固定轴距： p 、成袖液密度、容积弹性模量； 、，、工一油液的动力粘度、运动粘度、 粘温系数： 五、以、以一活塞、活塞杆处的环形泄 漏间隙量、压力缸筒一端的端面间隙量： 区。、氏一活塞、活塞杆处的环形泄漏 初始间隙量； 占一油压减撮器的外壁黑度； 印。( ，= ，i ；卜各殂尼阁开环谐振频率 浙江大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在保证运行安全性、平稳性和提高舒适性的前提下，不断实现高速、大运量 是各国铁路运输的不懈追求和发展趋势。目前，高速客运在国外发展很快，客运 1 5 0 k m h 在国外已很普遍，不少国家已经实现了不小范围的2 0 0 2 5 0 k m h 的高速， 有的最高运行速度达到了3 0 0 k m h 、最高试验速度达到了5 0 0 k m h 以上如法国的 t g v 系列列车等等“”“列。 我国近几年在高速方面也有较大的进展“”1 。如通过改造现有车辆和线路、 设计新型车辆、建筑高等级铁路等措施初步实现了全国较大范围的提速，不少客 运列车已实现了1 6 0 k m h 的准高速、少数实现了2 0 0 k m h 的试运高速等等，但与 国外相比，仍存在较大的差距。 要实现高速行车，必须有高等级的铁路、高性能的车辆和设施，这涉及到多 方面的技术和经济实力问题。因此，目前各国铁路高速化工作的重点，仍是要在 既有大范围的干线上实现高速化。而要在既有的线路上实现高速化，关键又在于 能研制出高性能的车辆，实质性地讲，就是要能研制出动力学性能优良、能适应 高速运行的转向架。 - 图卜1 ：客车转向架 卜构架2 一摇枕3 - 中心销4 一旁承5 一横向油压减振器6 一纵向牵引拉杆 7 一空气弹簧8 一弹簧托扳9 一吊杆1 0 - 轴箱定位装置 l l 一轴箱悬挂装置1 2 一轮对 如同汽车的底盘和悬挂装置，转向架是支承铁路客、货车车体并使之在轨道 1 浙江大学博士学位论文第一章绪论 上运行的装置，是铁道车辆的行走部。它被配置在车体的下方在结构上是一个 独立的部件。除了有构架、轴箱、轮对等基本部件外，在轮对与构架之间、构架 与车体之间一般均设有弹簧、阻尼装置，分别称为轴箱悬挂和中央悬挂( 包括空气 弹簧、横向油压减振器等) 。其一般构造简图如图卜1 所示。 本章拟从转向架的振动入手，先介绍国、内外铁道车辆高速化的发展，再从 提高旅客列车运行平稳性、舒适性的角度出发，介绍铁道车辆的悬挂技术和油压 减振器的发展、研究状况，最后介绍本论文的研究方向与内容。 1 2 转向架的振动 转向架的复杂振动来源于各种轨道不平顺的激励。 1 2 1 轨道不平顺 由于钢轨制造、线路铺设和维护等原因，实际的轨道不可能是完全平直的， 钢轨在运用中的磨耗不均也不断加剧了轨道不平顺的发展。 轨道不平顺是指在设计的使轨道产生不直( 如圆曲线、缓和曲线、道岔连结线 等) 和不平( 如坡道、曲线超高、顺坡等) 之外，轨道相对于理想平直轨道产生的偏 差。参考图卜2 ，轨道不平顺主要有以下几种形式： x oy0 图卜2 ：轨道随机不平顺 x 方向不平顺：由于左、右钢轨横向偏移引起的线路中心线相对于轨道方向的 横向偏移。主要与钢轨的侧面磨损、钢轨横向刚度不一致、扣件松弛、轨排横移 等因素有关。 轨距不平顺：由于左、右钢轨横向偏移引起的轨距的变化。 2 淅江大学博士学住论文第一章绪论 高低不平顺：由于左、右钢轨轨顶垂向偏移引起的线路中心线相对于水平线 的垂向偏移。主要与钢轨的顶面磨损、钢轨垂向刚度不一致、轨缝、三角坑等因 素有关。 水平不平顺：由于左、右钢轨轨顶垂向偏移引起的轨道轨面的高度差。 轨道不平顺因时、因地而不同，它是一个随机过程。各种轨道不平顺对车轮 进行强迫激振，使转向架、车体在三维空间产生复杂的强迫振动。 1 2 2 轮对的运动特点 与公路车辆不同，铁道车辆运行在固定的刚性轨道上面，其轮对在运动过程 中首先具有自导向和自激蛇行运动的特点“1 。 由于通常的车轴是与左右车轮刚性连接的，所以为了使左、右两个车轮在回 转速度相等的情况下也能沿着曲线线路运行，一般将车轮踏面设计成锥形的。也 就是说，由于车轮踏面存在锥度，使得轮对在曲线上运行时，左、右轮轨接触点 的半径自然产生不同，因此，不需要司机的操纵，轮对就能自动转向，也即具有 自导向的功能。 但与此同时，由于车轮踏面的锥度，使得轮对在直线上运行时，由于轨道方 向不平顺的主要激扰作用，使得左、右车轮仍会以不同的滚动直径与轨面接触， 于是，运动中的轮对与左右钢轨必然会形成冲角在钢轨约束反力的作用下，轮 对就要不断向相反的一侧运动。也就是说轮对在前进的同时还要作左右方向周 期性的摇头运动，这种反复运动称为轮对的自激蛇行运动，如图卜3 所示。 圈i - 3 ：轮对的自激蛇行运动 另外，轮对在轨道其它各种不平顺的激励下，还作着其它形式的复杂振动， 3 浙江太学博士学位论文 第一章 绪论 并将这些振动向转向架、车体传播。 1 2 3 转向架的受迫振动 由于铁道车辆特殊的轮轨关系+ 转向架、车体在高速运行中作着复杂的受迫 振动，其振动形式如图i - 4 所示。 沉 浮 图l 一4 ：转向架的振动 横摆 铁道车辆动力学一般要 求使用统一的专用术语 来描述转向架或车体的振动， 它们分别是： 伸缩一沿x 轴的振动， 侧滚一绕x 轴的振动， 横摆一沿j ，轴的振动， 点头绕y 轴的振动， 沉浮一沿z 轴的振动， 摇头一一绕z 轴的振动。 铁道车辆垂向动力学主要研究车辆的上、下沉浮和点头振动：横向动力学主 要研究车辆的横摆、侧滚和摇头振动；纵向多体动力学则主要研究车辆连挂后的 纵向撞击、制动及运动特性等等。 1 3 铁道车辆高速化的发展 1 3 1 高速转向架应具备的性能n 0 7 “屯“ 铁道车辆要实现高速化，必须具备能适应高速运行的转向架。高速转向架首 先应具备以下动力学性能： 1 高速运行时的稳定性 由于轮对的自激蛇行运动，使得转向架在高速运行时存在稳定性的问题。即 如果轮对蛇行运动的振幅随时间延续而逐渐衰减，则轮对或转向架的运动是稳定 的，反之就是不稳定或失稳的。蛇行失稳后，转向架的振幅逐渐扩大，直到轮缘 4 浙江大学博士学位论文 第一章 绪论 碰撞钢轨损伤车辆及线路，甚至造成脱轨事故：同时转向架和车体出现大幅度 的剧烈振动。使车辆的运行性能恶化旅客的舒适度下降。医此抑制蛇行运动、 确保车辆运行的稳定性和安全性，是研制高速转向架需要解决的主要问题之一。 2 良好的曲线通过性能 单独一个轮对在曲线上运行时能实现较为理想的自动转向，可是，一旦由 多个轮对构成转向架，就难以实现理想的转向了。这是因为，轮对在曲线上运行 时车轮和钢轨间将产生相互影响的约束侧向压力并造成车轮和钢轨的磨损。 一般车速运行时，轮、轨的磨损问题尚不突出，但车辆高速运行通过曲线时，过 大的侧压力会造成轮、轨的剧烈磨损。 一般来讲，改善车辆的曲线通过性能与蛇行运动稳定性往往是矛盾的。因此 在优化高速转向架的有关参数时，要进行合理的折衷，兼顾两方面的性能要求。 3 满足旅客舒适度的要求 旅客舒适度是反映旅客在旅途中疲劳程度的综合性生理指标。振动是整个运 动过程中始终存在的、影响旅客乘坐舒适度的主要因素之一通常用平稳性指标 ( ) “”。“”来表示和反映车辆振动对舒适度的影响程度。 理论分析和实践经验表明，车辆的垂向和横向运行平稳性随速度提高而下降。 于是，在常速下平稳性指标满足要求的车辆，在高速时就不一定能满足要求。为 此，除对线路构造、养护标准有严格要求之外，应进一步改进、优化现有转向架 的悬挂装置与参数，或者专门开发新型的高速转向架。 除有以上三方面的要求之外，转向架高速化引起的噪声污染和对线路的破坏 作用也应控制到最小限度。 1 3 2 铁道车辆高速化的约束与发展 开发高速转向架，保证车辆在高速运行时具有绝对的稳定性( 安全性) 、具有 快速通过曲线的能力和良好的运行平稳性( 舒适度) ，是铁道车辆向高速化发展的 关键和难点所在，因为转向架运行动力学性能指标之间往往是相互矛盾的。例如： 由轮对的运动特点可知，要使车辆具有良好通过曲线的能力( 快速性) ，则车辆的 直线运行稳定性变差；相反，要使车辆运行稳定性提高，则必须以牺牲快速性为 代价而快速性正是人们追求的目标之一。因此传统意义上的转向架优化设计， 往往是能兼顾各种运行性能的、一种综合折衷的优化设计“”。 约束并不能阻碍发展。铁道科学工作者一直在为高速化而努力工作。 1 3 2 1 改进现有的转向架 要开发全新的高速转向架并非易事。各国铁道工作者首先想到的就是改进与 5 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 优化现有的、经过长期稳定运行过的转向架。改进现有转向架的工作，主要集中 在优化悬挂参数方面。方法则主要是运用车辆动力学理论，以计算机为工具，进 行动力学优化分析与参数优选。整个改进工作流程如图i - 5 所示。 图卜5 ：改进现有转向架的工作 车辆悬挂参数的优选，涉及车辆动力学基础理论、动力学系统建模、仿真软 件等多方面的研究内容国内、外学者在这些方面均做了大量的研究工作。 1 车辆动力学基础理论 在车辆动力学基础理论研究方面，经过了如下几个时期： 早期的经典动力学呻“：将各种轨道不平顺假设为确定的周期性简谐波，以 此作为动力系统的输入并进行分析。这种方法推导繁琐，分析结果可信度不高。 现代随机振动与谱分析理论“”“：将各种轨道不平顺视为随机过程，以此 作为系统输入并将谱分析理论应用于车辆随机响应的求解。由于这个理论更接近 于现实所以在科学和工程领域获得了广泛的应用，成为车辆动力学理论发展上 的一个里程碑。 现代多体动力学“”1 ：多体动力学是随着现代计算机仿真技术的发展而发展 起来的一门方兴未艾的学科。它研究由多个物体( 刚性或弹性体) 组成的力学模型， 并力图开发能由计算机实现自动建模和计算的软件系统，以此实现对列车系统进 行更为真实的仿真和分析。目前，国外已相继开发出了一些卓有成效的多体软件， 如德国的m e d y n a ，美国的n u c a r s ，法国的v o c 0 等等，我国学者现在主要是消化 和吸收国外软件，并开展一些基础性的研究和开发工作”“1 。 6 浙江大学博士学位论交 第一章 绪论 2 动力学系统建模 动力学系统建模，是一切工作的重点和关键，涉及元件。1 “、整车。1 、轮轨关 系”“”的研究和建模，其中关于轮轨关系的研究，最具有代表现代车辆动力学系 统建模发展的意义。以前的动力学建模，将轨道视为刚体或者只考虑轨道接触刚 度，这种假设，在分析处理一般动力学问题时是有效的涉及的频率在1 2 0 h z 以 下；但由于车辆、线路是一个不可分割、相互作用的大系统，车辆的设计应考虑 对线路的冲击和破坏作用，此时就需要建立线路系统的模型，研究复杂多变的轮 轨关系，这些问题所研究的频率高达1 5 0 0 h z 。轮轨关系的研究促进了高频动力学 的发展。 我国学者在轮轨关系方面也取得了较好的研究成果“”“。 3 仿真软件 车辆动力学仿真与优化涉及求解大量的线性或非线性微分方程( 组) ，这些大 量繁琐的工作只有计算机才能胜任，仿真算法、软件的研究与能力代表着车辆动 力学发展的水平。 国外在车辆动力学研究与仿真软件开发方面，发展较为领先“1 ”“”。目前， 已经有不少商品化的动力学仿真软件，如a d a m s r a i l 【”1 、n u c a r s 。“2 “1 、 g e n s y s “t2 ”、v a m p i r e 溉3 列、s i m p a c k 。州等等。原来在控制系统建模、仿真设计领 域独树一帜的m a t l a b “”1 ，由于其强大的数值分析与建模功能，使得它在车辆动力 学仿真“8 1 和悬架设计。”领域也有较佳的表现，并且愈来愈和动力学软件结合促 进了机电一体化联合仿真软件“5 “。删的发展。 我国学者在动力学软件开发方面起步较晚，有一些研究成果，但离商品化还 较远m 9 、。 在高速化进程中，我国铁路工作者运用现代车辆动力学理论，进行了卓有成 效的研究和改进既有转向架的工作“1 “。“”“”，于9 0 年代中期实现了全国较大范 围的提速，不少客运列车实现了1 6 0 k m h 的准高速安全运营。 1 3 2 2 研究开发新型高速转向架、新型高速车辆 除了改进现有的转向架、使之适应准高速或高速运行外，许多国家均采用了 全新的设计方法，如日本新干线列车用的d t 一2 0 0 型、法国的t g v 列车用的y 2 3 0 型、意大利的f i a t 型、英国的b t i o 型转向架等等。开发全新转向架耗资巨大、 周期较长。 国外高速转向架的结构形式多种多样“”“”就车体悬挂来说，有带摇动台的 和无摇动台的；有摇枕的和无摇枕的。车体的支承方式有心盘支重的和旁承支重 的；中央弹簧有采用螺旋弹簧的和采用空气弹簧的。轴箱定位方式更是形式不一。 7 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 这说明，高速转向架的结构形式不是绝对的，只要经过认真设计和充分实验研究， 各种结构形式都是能够实现高速运行的。 我国在消化吸收国外技术的基础上，研制开发了能适应1 6 0 k m h 运行的新型 准高速转向架“”“”1 ，如2 0 6 k p 、2 0 9 h s 、c w - 2 转向架等等，但目前还没有完全由 自己全新设计的能适应2 0 0 k m h 运行的高速转向架。 除了结构创新之外，世界铁路发达国家还不断发展原理创新。如研究、开发 各种各样的摆式列车“2 ”、轻轨列车、磁浮列车、独立轮转向架列车“2 ”等等以达 到高速运营的目的。 1 4 铁道车辆悬挂技术的发展 提高旅客乘坐舒适性是发展高速铁路运输所追求的主要目标之一。本节拟从 提高旅客列车运行平稳性的角度出发，介绍铁道车辆的振动、振动评价以及悬挂 技术发展状况等方面的内容。 1 4 1 铁道车辆的振动与振动评价 高速运行中的铁道车辆，在各种轨道不平顺的激励作用下，在三维空间产生 复杂的、高频低幅的随机振动。参考图1 - 4 ，通常所言的车辆振动一般可以分为垂 向和横向两个类别。 垂向振动主要包括上、下沉浮和点头振动，以影响列车运行平稳性为主，属 于垂向动力学的研究范畴：横向振动则主要包括横摆、侧滚和摇头振动，其中横 摆、侧滚通常又是以合成运动的形式存在的称为列车的滚摆。列车的滚摆和摇 头振动，极大地影响着车辆的运行稳定性( 安全性) 和平稳性，属于横向动力学的 研究范畴。 列车的振动大小、性能通常用运行平稳性指标( 矿) 来评价，它是衡量列车运 行性能的一项重要指标。目前世界各国评定客车运行平稳性的方法主要有平稳性 指标法( 斯佩林法) 、疲劳时间法、等舒适度曲线法和i s 0 2 6 3 1 法等等“7 t 4 , 1 3 1 o 平稳性指标法( 斯佩林法) 是二次世界大战期间西德联邦铁路建立的。该法 至今仍被欧洲其它国家广泛地采用，我国铁路也采用平稳性指标法来评定客车的 平稳性并且长期以来已积累了一定的经验在g b 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能 评定和实验鉴定规范第3 2 1 项中规定：客车运行平稳性分别按平稳性指标和平 均最大振动加速度评定。 下面简要介绍本论文将要用到的平稳性指标法。 用矿表示平稳性指标，则： 8 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 w = 7 0 8 式中：平稳性指标， 振动加速度( 宙， 厂振动频率( t z ) ， f ( 门频率修正系数，表示人对振动感觉的因子对垂直方向和水 平方向其值不同如表1 - 1 所示。 表卜1 ：频率惨正系数，( ，) 垂向振动横向振动 f = o 5 5 9 # z ，= o 3 2 5 ，2f = o 5 5 4 肋f ( ，) = o 8 厂2 f = 5 9 2 0 h ze c f ) = 4 0 0 f 2 f = s 4 2 6 台f ( ) = 6 5 0 f 2 ， 2 0 e zf 价= 1f 2 6 如f 【n = 1 按平稳性指标确定客车运行平稳性的等级如表卜2 所示一般新造客车应不 低于2 级标准，即平稳性指标矽应在2 7 5 以下。 袭卜2 ：客车运行平稳性等级 平稳性等级评定平稳性指标 1 级优 2 5 2 级良好2 5 2 7 5 3 级合格2 7 5 3 o 1 4 2 铁道车辆的悬挂装置与发展 1 被动悬挂( p a s s i v es u s p e n s i o n ) 由弹簧和阻尼组成的减振装置，是车辆悬挂系统中的主要部件通常就称它 们为车辆的悬挂。弹簧是储能元件，起缓冲作用；阻尼是耗能元件，起减振作用， 它们相辅相成地减少了车辆的颠簸与振动，对改善车辆运行的动力品质、保护车 辆设备以及提高旅客乘坐舒适度均起着重要的作用。 9 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 车辆悬挂中的弹簧和阻尼在实际中以多种形式存在。例如弹簧有圆簧、板簧、 橡胶弹簧、空气弹簧等形式，阻尼有油压减振器、摩擦式减振器、橡胶阻尼、以 及空气弹簧中的空气节流阻尼等形式，虽然它们在形式上不同，但本质上却是一 致的。 在铁道车辆转向架上，一般均设有两系悬挂装置：中央悬挂( 又称二系悬挂) 和轴箱悬挂( 又称一系悬挂) ，如图1 - 6 ( a ) 所示。一系悬挂配置在每个轮对与构架 之间，用来减缓构架的振动、保护悬架设备，它是车辆振动系统的第一次减振装 置，一般每个轮子的轴箱上方均有一套。一系悬挂分为垂向和横向悬挂，其中横 向悬挂就是轮对的轴箱定位装置。二系悬挂配置在构架和车体之间用来减缓车 体的振动，是车辆振动系统的第二次减振装置，一般每台转向架两套，被对称安 装在车体两侧。二系悬挂又分为垂向、横向和纵向悬挂，分别用来减缓车体的垂 向、横向和摇头( 蛇行) 振动，对应的油压减振器分别称为垂向、横向和抗蛇行油 压减振器。 ( b ) 图l - 6 ：铁道车辆的悬挂装置 ( a ) ：一、二系悬挂( b ) ：垂向动力学的一般模型 如图卜6 ( b ) 所示，车辆一、二系垂向悬挂一般由钢圆簧和油压减振器组成。 一系垂向油压减振器主要起减缓构架的沉浮和点头振动削减构架的垂向振幅， 以及减缓轮轨之间动态冲击力的作用；二系油压减振器则主要起减缓车体的沉浮 和点头振动、削减车体垂向振幅的作用。 现代高速转向架中，大部分又采用空气弹簧作为= 系垂向悬挂，用以取代二 系钢弹簧和垂向油压减振器。 1 0 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 空气弹簧是在柔性密闭容器中冲入压力空气，利用空气的可压缩性实现弹簧 作用、利用空气通过节流孔的阻力实现阻尼的一种非金属弹簧、阻尼装置。参考 图卜7 所示，空气弹簧悬挂系统主要由空气弹簧本体、减振阻尼和高度控制阀系 统三部分组成。车体l 和转向架2 之间的空气弹簧4 中的压力空气通过节流孔5 与附加空气室3 勾通。用风管把附加空气室与高度控制阀8 连接。高度控制阀固 定在车体上，并通过杠杆6 和拉杆7 与转向架相连。 图1 - 7 ：空气弹簧悬挂系统 卜车体2 一转向架3 一附加气室4 一空气弹簧5 一节流孔6 一杠杆7 一拉杆 8 一高度控制阀9 一空气弹簧等敲力学模型 空气弹簧上的载荷增加，车体下降，杠杆反时针方向转动，将高度控制阀中 的进气阀打开，将主气缸中的压力空气送入空气弹簧中，使车体升高到标准位置， 此时杠杆恢复到水平位置并关闭进气阀：空气弹簧上的载荷减少车体上升，杠 杆顺时针方向转动，将高度控制阀中的排气阀打开，将空气弹簧中多余的压力空 气排向大气，使车体恢复到标准位置，杠杆恢复到水平位置并关闭排气阀。因此， 空气弹簧在高度控制阀的控制下，能使车体的高度不管载荷的增减而保持不变， 这对于空、重车的安全连挂运行是十分重要的。 图卜7 中9 为空气弹簧的一般等效力学模型。 由上可见，空气弹簧集弹簧和阻尼性能于一体，具有优良的弹性和阻尼特性， 可以简化、减轻转向架的结构、重量：可以通过高度控制阀的作用使车体高度在 任何载荷下保持不变，这对于发展轻型结构的高速列车是十分有利的。我国现有 的几种准高速转向架均使用空气弹簧作为二系悬挂“”t 1 3 并由此获得了良好的 1 i 浙江大学博士学位论文第一章绪论 运行动力学性能。 车辆的运行性能主要取决于悬挂装置的结构是否合理、元件参数是否选用恰 当。对转向架悬挂装置设计的基本要求是：减少振动，抑制蛇行运动，保证运行 安全和有利于通过曲线等，此外，悬挂装置的结构形式还应尽可能满足检修、制 造，使用耐久可靠，成本低和通用性好等方面的要求。关于优化和选择悬挂参数 方面的研究，在1 3 2 1 节中已作了介绍，这里不再累述。 阱上介绍的悬挂装置，其元件参数在运行中是固定不变的，运行中也不消耗 外界能源，称为被动悬挂。 2 主动( a c t i v e ) 、半主动悬挂( s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ) 随着铁路运输能力和对车辆运行品质要求的提高采用优化、调整系统本身 固定参数或利用元件本身性能的办法使车辆适应多变的运行环境，往往达不到理 想的效果，因此传统的方法是在顾此失彼的困扰中进行折衷。这种矛盾促进了主 动、半主动悬挂的研究与发展。 主动、半主动悬挂分别采用有源元件、无源可控元件组成一个闭环控制系统， 它们可以根据车辆的运动状态和当前的激励大小做出主动反应使悬挂始终处于 最佳工作状态。主动悬挂需要消耗动力半主动悬挂是在为克服主动悬挂耗能大 的缺点上进行研究和发展的，它只需要消耗作为调节控制装置用的较小的能源。 主动、半主动悬挂在铁道车辆上，除了应用于摆式列车车体的倾斜控制外， 很大一部分研究是致力于提高车辆稳定性和平稳性的减振控制，其一般减振控制 原理如图卜8 所示，其中虚线为半主动减振。 1 2 图卜8 ：铁道车辆的主动、半主动悬挂减振系统 浙江大学博士学位论文第一章绪论 近几年，国外关于铁道车辆主动、半主动悬挂研究的文献有很多“”州，譬如： r o g e r 等人“”以m a t l a b 为初步设计软件，以v a m p i r e 动力学软件为验证和校 准工具，运用传统的模型控制、现代最优控制等多种策略，为列车二系主动悬挂 设计了控制器。仿真结果表明：以提高列车集成控制性能为目的，从系统的角度 出发设计的具有通讯功能的复杂控制器，具有比常规控制器更好的控制效果，列 车获得了包括乘坐舒适性在内的较好的综合动力学性能。 r o t h 等人“6 1 设计了一个半主动悬挂装置用来控制列车的横向振动。 a n t o n 等人“”则利用一种连续可调阻尼的油压减振器为作动器设计了一个半 主动悬挂系统，以此用来全面控制列车的垂向和横向振动。仿真和实际测试结果 表明：采用半主动悬挂，可以将旅客乘坐舒适度( 以均方根加速度值评价) 提高1 5 。 近几年，国内西南交通大学等单位在主动、半主动悬挂研究方面做了不少工 作“”“。主要研究内容是列车的横向主动减振控制目前处于仿真和试验室阶段。 1 4 3 关于铁道车辆悬挂技术发展方向的讨论 主动悬挂技术在铁道车辆上的应用落后于汽车。这是因为，首先铁道车辆具 有与公路车辆不同的特殊的轮轨关系以及运动特点，在常速情况下，经过优化设 计的被动悬挂基本能够满足运行的需要：再者，铁道车辆体积、重量大，相应的 主动悬挂所需的动力就很大，这不仅增加了结构的复杂性，而且要消耗可观的能 量，使成本提高。因此，早期的研究内容除技术问题外，还包括主动悬挂的可行 性研究或成本效益分析m ，。 表1 - 3 为铁道车辆采用不同悬挂装置的比较。 那么铁道车辆悬挂技术究竟向哪一方向发展呢? 不妨先看一下汽车悬架的发展现状。主动、半主动悬挂技术的研究和应用最 先开始于汽车领域，尽管国内、外关于汽车主动、半主动悬架的研究每年均有大 量的文献报道泔“”“”“”研究人员、汽车商关于悬架形式也各有已见、众说 纷纭但目前汽车悬架在工程上应用的现状是：绝大部分车辆使用可靠的被动悬 架少量的高级轿车、赛车和军用车辆使用主动或半主动悬架。主动、半主动悬 架残酷的缺点限制了其工程应用，使得它仍然大部分停留在实验室里。但关于这 方面的研究却促进了其它悬挂形式的发展，如油气悬架等等。 油气悬架“”是新发展起来的一种悬挂技术，它融合了液压传动、控制 技术和悬架技术，具有随载荷而变化的非线性刚度和阻尼特性。它在结构上类似 于被动悬架，可靠稳定，但在性能上却可以获得慢主动悬架的调节效果。虽然目 前主要应用在大型工程车辆、特种车辆上面但具有根大的市场潜力和应用前景a 1 3 浙江大学博士学位论文第一章绪论 表1 - 3 ：铁道车辆采用不同悬挂装置的比较 l 构成优点缺点 各种弹簧、被动油压 无能量输入、无控制，结构车辆高速运行时，难 被动悬架简单、成本低最重要的是以获得最优的减振 减振器等。 其运行可靠性较高。性能。 弹簧、动力源、传感 悬架的减振性能可以适应运需要额外动力源、成 主动悬架器、控制器、伺服闽、 行条件的变化并始终处于本高、结构复杂、难 最优的调节状态，最高响应维护最不理想的是 执行器、电源等。 频宽可达l o o f f z 。其运行可靠性差。 弹簧、传感器、控 不需要额外动力源、 可以取得介于被动悬架和主成本较高、结构较复 半主动悬架制器、可控油压减振 动悬架之间的调节性能。杂、难维护运行可 器、电源等。 靠性差。 由于铁道车辆速度高、运量大，安全和可靠性是绝对第一位的，所以包括目 前世界上最快的t g v 、欧洲之星等在内的铁道列车，均使用被动悬挂。这就是铁道 车辆悬挂的工程应用现状。 综上所述，笔者认为铁道车辆悬挂技术的发展方向是：绝大多数车种仍然使 用可靠性高、运行动力学性能也比较好的被动悬架；主动、半主动悬架的研究将 继续开展，但其研究成果主要不在于应用，而在于它可以推动其它新型结构的、 具有优良悬挂性能的被动悬挂元件的诞生和发展，如油气悬架、近年德国 c o n t i t e c h 公司的液压弹簧“”1 专利技术等等。 1 5 油压减振器的研究与发展 油压减振器是一种液压阻尼元件。它通过对液压油的节流作用产生阻尼力、 并以此吸收、转化与之相连的机械系统的振动能量从而减少振动对车辆和旅客 造成的不良影响。 因为油液的可压缩性小、粘度较高，所以油压减振器产生的阻尼作用主要是 粘性阻尼力它可以将车体的振动冲击动能，大部分转化为油的热能并迅速通 过循环在环境中耗散。油压减振器的阻尼力大散热性能好，不仅能用于小功率 的场合，而且也能用于大功率的场合。它一般与弹簧配合使用，广泛应用于公路、 铁路车辆的减振系统中，起保护车辆设备、提高旅客乘坐舒适性的作用。它是车 辆悬挂装