（光学工程专业论文）铁道车辆用液气缓冲器研究.pdf

摘要 摘要 铁路是我国主要运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用。铁路货 车担负着繁重的货物运输任务，它的发展在国民经济和铁路运输中起着举足 轻重的作用。为适应国民经济发展的要求，铁道部提出了铁路跨越式发展的 新思路，这对铁路技术装备水平提出了高要求，对铁路运输提出了新的需求， 运输市场的竞争将r 益激烈，市场对车辆的用途要求越来越高。作为铁道车 辆的重要部件，目前我国厂泛使用的钢弹簧干摩擦式缓冲器已不能满足新型 车辆的需要，我国铁路车辆f 在朝着多样性发展，运输的货物中些高精密 产品，易碎物品、高价值产品需要配备高性能的缓冲器的铁道车辆进行运输。 本文研究了国内外缓冲器的发展与现状，阐述了进行液气缓冲器研究的 必要性。 本文提出了液气缓冲器计算中所采用列车的运行环境及列车运行计算 工况。 本文介绍了进行液气缓冲器研究所需的各种参数的选取，本文进行研究 的液气缓冲器的基本结构，及组成特点，计算公式的建立过程。 本文对液气缓冲器的各种运用工况下车辆间的相互纵向作用力进行了分 析计算。 本文对液气缓冲器在运用中的散热情况进行了分析计算。 本文提出了液气缓冲器的分析研究结论。 关键词：液气缓冲器、列车运行、计算参数、特性、计算研究、车钩力强度、 散热 j ! 塞窒狸叁兰王墨塑：! ! 童些堂丝笙兰 一 a b s t r a c t r a i l w a yi st h em a i nf o n no ft r a n s p o r t a t i o ni no u rc o u n t r y ， a n dp l a y sa ni m p o n a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m yr a i l w a y w a g o nt a k e so nt h eh e a v yc a r g ot r a n s p o r t a t l o nt a s k ，a n d1 t s d e v e l o p m e n tp l a y sav i t a lm l ei n n a t i o n a ie c o n o m ya n d r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t 0m e e tt h ed e m a n do ft h en a t i o n a l e c o n o m yd e v e l o p m e n t ，m m l s t r yo 士r a l l w a yp r o p o s e san e w c o n c e p ta b o u tt h e s t r i d ed e v e l o p m e n to fr a i l w a y ，i tp u t s f o n a r dt h eu p p e rd e m a n df o rt h et e c h n i c a le q u i p m e n t1 e v e l o fr a i l w a y ，a n di t g i v e s t h en e wd e m a n df o r r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n t t a n s p o n a t i o n m a r k e tw i l lf a c en e r c e r c o m p e t i “o n ；t h em a r k e tw i l l h a v eah i 曲e ra n d h i g h e r d e m a n df o rt h ep u r p o s eo ft h ew a g o n a st h ei m p o r t a n tp a r t o fr a i l w a yc a r ，a tp r e s e n t ，t h ew i d e l yu s e ds t e e ls p r i n gd u f r i c t i o n “d r a f tg e a ri no u rc o u n t r yi sn o1 0 n g e ra b l et om e e t t h ed e m a l l do fn e wt y p ew a g o n t h er a i l w a yc a ri no u r c o u n t r yi sg o i n gt ob em o r ed i v e r s i f o m l ，s o m eh i 曲e x a c t p r o d u c t s ，f r a g i l ep r o d u c t s a n dd e a rp r o d u c t sa m o n gt h e c a 唱o e sn e e dt o b et r a n s p o r t e db yr a i l w a yc a r st h a ta r e e q u i p p e dw i t hh i 曲p o w e r e dd r a rg e a r i nt h i st h e s i s ，i ts t u d i e sm ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u sq u oo ft h e d o m e s t i cd r a f tg e a ra n di l l u s t r a t e st h en e c e s s i t yt od o r e s e a r c hf o rh y d r a u l i cd f a f tg e a r t h i st h e s i sp u tf o r w a r d st h er u n n i n ge n v i r o n m e n ta n d f u n n i n gc a l c u l a t i o np r o j e c to f t h er a i l w a yc a rt h a ta d 叩t e di n t h ec a l c u l a t i o no 仆y d r a u l i cd r a rg e a r t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es e l e c t i o no ft h em a n vk i n d so f p a r a m e t e r st h a tn e e d e di nt h er e s e a r c ho ft h eh y d r a u l i cd r a r 捕璺 g e a ra n dt h eg e n e r a ls t m c t u r e ，c o m p o n e n tc h a r a c t e r sa n dt h e s e tu po ft h ec a l c u l a t i o nf b n l l u l ao ft h eh y d r a u l i cd r a f tg e a r t h a tr e s e a r c b e di nt h i st h e s i s t h i sm e s i sc a r r i e st h r o u g ha na n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h e 1 0 n g i t u d i n a li n t e r a c t i n g f b r c eb e t w e e n w a g o n s u n d e r d i f f e r e n ts e r v i c ec o n d i t i o n so ft h eh v d r a u l i cd r a rg e a l r h i st h e s i sa n a l v z e sa n dc a l c u l a t e st h ec o o l i n gc o n d i t i o n so f t h eh y d r a u l i cd r a rg e a rd l l r i n ge x e r t i o n t h i st h e s i sp u tf o r w a r d sm ea n a l y z i n gr e s u l to ft h eh y d r a u l i c d r a rg e a r k e yw o r d s ：h y d r a u l i c ，d r a f tg e a r ，r u n n i n g ，c a l c u l a t i n gp a r a m e t e r s ， p r o p e r t y ；c a l c u l a t i n gr e s e a r c h ， s t r e n g t h o ft h ef b r c eo fc o u p l e r ， c o o l i n g 第1 章绪论 1 1 选题背景 第l 章绪论 铁路是我国主要的运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用“1 。铁 路运输与公路交通和航空运输相比，既节省能源又对环境污染小，。铁路货 车作为运输货物的铁道车辆，承担着繁重的货物运输任务。统计显示，我国 1 9 9 9 年铁路货物发送量达1 5 6 9 亿吨，货物周转量达1 2 5 7 8 亿吨公里，占全 国货物周转量的5 3 6 ，由此可见，铁路货车在铁路运输中担负着重要的作 用。 近些年来随着国民经济的快速发展，铁路运输与国民经济的发展需求愈 来愈不协调，而成为国民经济发展的“瓶颈”。为了解决国民经济与铁路运 输需求之间的巨大矛盾，铁道部于2 0 0 3 年提出了跨越式发展的中国铁路发 展战略。中国铁路从而进入跳跃式发展阶段，铁路货车单列列车牵引重量快 速增加，我国运煤专用线一大秦线单列列车牵引重量已达一万吨，国内主要 干线货运列车运行速度在快速向1 2 0 k m h 迈进，牵引吨位将达到6 0 0 0 吨及 以上，铁路车辆编组调车速度也要实现8 k m h 以上，提速和重载运输己成为 我国铁路跨越式发展的既定目标。 随着列车运行速度和编组重量的不断提高，现有的摩擦式缓冲器性能已 不能满足快速和重载运输的需要，导致行车品质下降和维修费用急剧增加的 问题凸现，故开发适应高速和重载运输的新型缓冲器己迫在眉捷。 1 2 国内外缓冲器现状与发展趋势 由于铁路货车是将数十节甚至上百节车辆串联进行运输的交通工具，并 且所采用的制动形式不能保证所有车辆同步制动而是由前至后逐辆制动，铁 路车辆这种串联的特点决定列车在受到制动等激扰时由于车辆间的速度差 异而产生纵向冲动，这种纵向冲动足以导致车辆的损坏，运输货物的损坏及 行车事故，为了缓解车辆间的纵向冲动需要在车辆间设置缓冲装置，早在1 9 世纪中期欧洲国家就已开始对缓冲器进行系统的研究。至今共开发出弹簧式 1 北京交通大学工程颂士学位论文 缓冲器、摩擦式缓冲器、橡胶缓冲器、弹性胶泥缓冲器、弹性体缓冲器、液 压缓冲器及液气缓冲器等各种缓冲器。上世纪8 0 年代以来随着对材料研究 的不断突破，以高分子材料为代表缓冲器正在不断涌现，欧洲的弹性胶泥缓 冲器，美国的弹性体缓冲器都是高分子型缓冲器。自上世纪6 0 年代欧洲就 开始了应用液体节流技术不断开发出各种液压缓冲器，液压缓冲器至今为止 一直以其优良的性能在铁路车辆领域占有重要的地位。 我国在缓冲器的研发上一直处于落后状态，所采用的缓冲器一直为摩擦 式缓冲器，以货车为例，早期为2 号摩擦式缓冲器，其为在摩擦副间采用润 滑油润滑的线性缓冲器，还有橡胶缓冲器，后来开发出m t 一3 型及s t 型干摩 擦式缓冲器，近几年对m t 一3 缓冲器调整了一些参数形成m t 一2 型缓冲器。目 前我国铁路货车应用最为广泛的缓冲器均为干摩擦式，如m t 一3 型缓冲器、 m t 一2 型缓冲器及s t 型缓冲器，这些干摩擦式缓冲器的特点是结构简单，制 造成本低，但容量小且性能很不稳定。 国内目前研发出的最新型缓冲器为弹性胶泥缓冲器，胶泥缓冲器是欧洲 2 0 世纪8 0 年代开发的一种新型缓冲器，其工作原理为利用胶泥具有流动性 的特点采用液压阻尼技术，产生对冲击速度的阻抗，利用胶泥材料的可压缩 性是缓冲器复位，由于其利用了液压阻尼技术及胶泥材料压缩过程位移与力 之间的非线性因而实现了相对容量大、阻抗力小、结构简单、性能稳定、体 积小、重量轻等优点。国内相关单位及研究部门于上世纪9 0 年代后期开始 对弹性胶泥缓冲器进行研究和丌发，并制造出样机装车试验。与国外产品相 比，国内目前研制和开发的弹性胶泥材料及胶泥缓冲器尚有一定的差距。表 现为性能不稳定，能量吸收率低等问题。 1 3 选题意义及主要研究内容 液压缓冲器具有容量大、性能稳定且便于调整等特点。其阻抗力为车辆 间相对冲击速度的函数，通过结构设计，可将阻抗力一位移曲线设计成近似 矩形，并且在各种速度的冲击下缓冲器的行程都接近于全行程，这样此种缓 冲器的阻抗力要小于其它各种缓冲器最大容量远大于其它类型的缓冲器，从 而不仅改善车辆的结构受力，同时也提高平稳性。中国铁路跨越式发展的目 2 第1 章绪论 标将使得中国成为世界上铁路运输最为发达、技术最为先进的国家，这样一 种目标的实现，作为铁道车辆的重要部件，液压缓冲器的研究及开发具有其 重大的意义，其可解决高速铁路客车、高速铁路货车，特种铁道车辆对高性 能缓冲器的需求。 液气缓冲器在国内铁道机车车辆上的应用目前仍是空白的主要原因是 液压密封件的可靠性问题。随着液压领域的技术进步，密封效果和密封寿命 得到了大大提高，完全可以满足液压缓冲器的使用要求，适合于不同场合的 液压缓冲器在工业自动化生产线上得到较为广泛的应用。由于铁道机车车辆 所需缓冲要求的特殊性，使得液压缓冲器在铁道机车车辆上的应用受到一定 的限制。液压缓冲器一般多采用钢弹簧作为缓冲器复原部件，而由于铁道机 车车辆在运行过程中不间断的出现往复性冲击，钢弹簧的疲劳寿命问题极大 地限制了其应用。 为克服液压缓冲器的上述不足之处，欧洲国家在上世纪8 0 年代开始发 展液气缓冲器。其采用压缩气体作为复位弹簧，不但消除了钢弹簧的疲劳现 象，且实现了无磨耗工作，可大大提高其使用寿命和减少维修。 我国在缓冲器的研制中一般只考虑缓冲器的容量，缓冲器的阻抗力，缓 冲器的强度，缓冲器的行程等几项指标，而对缓冲器安装到车辆上其对车辆 的影响，产生的车钩力、造成的车辆纵向振动从没有进行过理论上的分析， 对于缓冲器的数学模型的建立及在缓冲器研发中的应用也缺乏认识。 本论文主要是在理论上研究解决液气缓冲器在车辆上的运用问题，将研 发与运用结合起来，通过建立数学模型及大量的理论计算，先期解决所研发 的缓冲器的适用性及适用范围。因此论文主要工作如下： ( 1 ) 建立缓冲器运用计算力学模型 首先对缓冲器进行结构分析，通过结构分析对结构进行力学意义上的简 化，形成力学模型。选定计算车辆、牵引状况、计算线路。确定纵向动力学 计算所需制动等各种参数并建立缓冲器和列车的计算公式，确定解题方法。 ( 2 ) 确定液气缓冲器的性能参数，为数学公式赋值。 ( 3 ) 分别计算列车在全部采用液气缓冲器的情况下，列车在稳态运行、 编组调车冲击、紧急制动、列车启动几种车辆产生比较严重冲击工况下车辆 北京交通大学工程硕士学位论文 问车钩力，并分析缓冲器气体压强及关键零部件的相关数据对计算结果的影 响。 ( 4 ) 运用工程热力学计算缓冲器的热平衡问题，计算缓冲器在各种运 用工况下温度值，计算缓冲器是否会因温度过高而失效。 ( 5 ) 计算装用液气缓冲器车辆与装用m t 一2 型缓冲器车辆混编时列车车 钩力的分部及车钩力值。 ( 6 ) 通过前述分析计算的出缓冲器的运用结论。并对液气缓冲器的应 用前景进行了分析。 4 第2 章数学模型的建立- 第2 章数学模型的建立 2 1 液气缓冲器基本结构介绍 图2 1 所示为本论文论述的液气缓冲器的结构原理图。在油腔6 和1 2 中充满了液压油，在气腔3 中充有具有一定初始压强的氮气，液压油与氮气 之间通过铝制浮动活塞5 隔离。当相邻车辆发生碰撞时，柱塞2 向缸体4 中 压入，油腔1 2 中的液压油通过环隙节流孔l l 进入油路通道9 进而推开锥阀 7 进入油腔6 ，进入油腔6 的液压油推动浮动活塞压缩气腔3 中的气体。根 据空气动力学理论，压缩的气体可起到弹簧的作用。在冲击过程中由于阻尼 与高压的作用使液压油的温度升高，同时气体绝热压缩温度也相应升高，因 而将冲击动能转换为热能并通过柱塞及缸壁逸散到大气中，只有少量转换为 压缩气体的压缩能用于缓冲器的复位。用气体作为缓冲器的复位弹簧可得到 更理想的压缩曲线，并且不会出现疲劳现象。此液气缓冲器采用了两组阻尼， 一为1 l 处的变环隙阻尼，二为7 处的锥阀阻尼，这样可将阻尼力分散，防 止一处阻尼过大，阻尼 的不稳定、局部温升过 高及阀容易发生疲劳损 坏或朔性损坏。锥阀采 用钢制阀芯与铝制阀芯 帽镶嵌结构，浮动活塞 采用铝制部件都可有效 的提高阀的敏感度。当 车辆冲击完成后，气体 腔中的压缩气体推动油 腔6 中的液压油通过 l 前冲板：2 桂塞组成；3 气体腔：4 缸体： 5 浮动活塞：6 柱塞油腔；7 单向锥阎；8 回油腔， 9 进油腔；i0 回油阀ji 环隙：l2 缸底油腔：ej 阻尼杆 幽2 一l 液气缓冲器的结构原理图 油路8 推开单向回油阀1 0 回到缸底油腔1 2 中，回到缸底油腔1 2 中的液压 油同时推动柱塞2 使缓冲器复位。 液气缓冲器中的环隙阻尼是柱塞底部的孔洞及穿过孔洞固定在缸体底 5 北京交通大学工程硕士学位论文 部的阻尼杆1 3 共同构成的，这样一种结构使阻尼很简单的实现变阻尼，使 其特性可按理想需求进行设计，在缓冲器工作过程中得到认为理想的特性曲 线。 节流阻尼棒的形状和尺寸是确定液气缓冲器特性的关键，只要正确选取 节流阻尼棒的形状和尺寸，就能使缓冲器达到比较理想的缓冲特性。对于型 号和行程相同的液气缓冲器，改变节流阻尼棒的形状和尺寸，缓冲力可在相 当大的范围内变化，以满足各种运行速度和牵引重量对机车车辆缓冲器的要 求。本计算中，节流阻尼棒的原始尺寸如图2 2 所示。 一j o一 一， 蔓1- _ 一 9 。，：。i 一一哪叫 r e | ：i 。? 蠢。 ：o 【 r i r 川 x tt 图2 2 原始阻尼棒主要尺寸 2 2 基本参数 2 2 1 车辆基本参数的选取 根据中国铁路的线路条件，分别计算了轴重为2 1 吨、车辆总重为8 4 吨 和轴重为2 5 吨、车辆总重为1 0 0 吨的两种车辆在5 0 0 0 吨、l o o o o 吨及2 0 0 0 0 吨等编组条件下的列车运行工况。其中，当牵引总重量5 0 0 0 吨，轴重为2 1 吨时，车辆为通用敞车、棚车、平车、罐车及其它专用车辆，线路为京沪、 京广及京哈等普通线路，轨距1 4 3 5 帆，最小曲线半径为4 5 0m ，重车运行最 大坡度6 ，采用6 0 k g 加级钢轨；当牵引总重为5 0 0 0 吨、1 0 0 0 0 吨和2 0 0 0 0 吨，轴重为2 5 吨时，车辆为c 8 0 型铝合金浴盆敞车及c 7 6 型浴盆敞车，线 第2 章数学模型的建立 路为大秦线重载线路，轨距1 4 3 5 m m ，最小曲线半径干线6 0 0 m ，站线( 道岔) 1 4 5 m ，重车运行最大坡度4 ，采用6 0 k g i l 或7 5 k g m 级钢轨”。制动机型 号为1 2 0 型制动机；车钩型号为1 6 号或1 7 号车钩，其名义车钩间隙为9 5 m m ， 并考虑车钩磨耗到间隙为1 5 m m 时的情景。 2 2 2 车辆及列车的编组情况 当列车牵引重量为5 0 0 0 吨时，对轴重2 1 吨的车，列车编组为6 0 辆， 对轴重2 5 吨的车，列车编组为5 0 辆车。按现行列车编组方式，采用一组s s 。 型电力机车牵引，s s 。型电力机车的轴重为2 3 吨，其自重为1 8 4 吨。列车最 高运行速度为1 2 0 k 】i 】h ，牵引机车位于列车的头部。 当列车牵引重量为1 0 0 0 0 吨时，采用轴重2 5 吨的车辆，列车编组为1 0 0 辆车，用两组s s 。型电力机车牵引。当列车牵引重量为2 0 0 0 0 吨时，采用轴 重2 5 吨的车辆，列车编组为2 0 0 辆车，用4 组s s 。型电力机车牵引。列车最 高运行速度为1 0 0 k m h ，全部牵引机车位于列车头部。 2 3 计算工况及依据 2 3 1 计算工况 ( 1 ) 调车工况：模拟计算调车速度为5 1 4 k m h 时液气缓冲器的力 位移特性曲线，同时计算液气缓冲器的静态曲线； ( 2 ) 稳态工况；列车以某一速度在线路上稳态运行，且不对其进行其 它任何操作； ( 3 ) 非稳态工况：列车的非稳态工况有多种，本课题计算了列车的制 动工况和启动牵引工况，计算列车在启动，制动工况下各车辆问的车钩力大 小。其中，制动工况仅计算列车在平直道路上紧急制动时的情况，而牵引启 动工况计算时，即计算了列车在平直道路上的启动情况，又计算了列车在坡 道上的启动情况，当轴重2 1 吨时，坡度为6 ，当轴重2 5 吨时，坡度为4 ，坡道长为2 k m 。 北京交通大学工程硕士学位论文 2 3 2 计算依据 计算公式的主要依据是t b t 1 4 0 7 1 9 9 8 列车牵引计算规程以及铁 路技术管理规程”1 。 2 3 3 制动计算条件 ( 1 ) 车辆制动基本参数： 制动缸径 制动缸数量 制动缸力 制动率 闸瓦形式 传动效率 ( 2 ) 机车基础制动基本参数 制动缸直径 制动缸数量 制动缸压力 制动倍率 闸瓦形式 传动效率 2 3 4 制动关门车 2 5 4 唧 3 5 0 k p a 8 5 高摩合成闸瓦 o 8 1 7 8 m m 1 6 4 5 0 k p a 3 5 高摩合成闸瓦 o 8 5 制动关门车数量根据铁路技术管理规程规定，按牵引车辆数的6 进行计算”1 。 2 3 5 列车运行阻力 目前国内尚无2 5 吨轴重车辆的运行阻力计算公式，暂按t b t 1 4 0 7 一1 9 9 8 列车牵引计算规程“3 中货车运行基本阻力计算公式计算。 第2 章数学模型的建立 ( 1 ) 滚动轴承重载货车运行单位基本阻力 婢= 0 9 2 + o 0 0 4 8 v + o 0 0 0 1 2 5 v 2( 2 1 ) 式中：一重货车单位基本阻力，n k n ；v 一车辆运行速度，k m h 。 ( 2 ) 滚动轴承空货车运行单位基本阻力 战= 2 2 3 + o 0 0 5 3 v + o o 0 0 6 7 5 v 2( 2 2 ) 式中：瓴空货车单位基本阻力，n k n ；v 一车辆运行速度，k m h 。 ( 3 ) 机车运行单位基本阻力 氤= 2 2 5 + o 叭9 v + o o 0 0 3 2 v 2 ( 2 3 ) 式中：成一机车单位基本阻力，n k n ；v 一车辆运行速度，k m h 。 2 3 6 高摩合成闸瓦实算摩擦系数 根据运装货车( 2 0 0 2 ) 1 1 号“关于公布铁路货车高摩擦系数合成闸瓦 技术条件( 暂行) ”文件规定，高摩合成闸瓦实算摩擦系数按下式计算： 卟紫 2 3 7 实算闸瓦压力 单个闸瓦的实算闸瓦压力按下式计算 6 k ：! ：丝：墨：堡：匕：笠 4 m 1 0 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中：k 一单个闸瓦实算闸瓦压力，k n ；d ：一制动缸直径，m m ；p ：一制动 缸空气压强，k p a ；nz 一基础制动装置的传动效率；r ：一制动倍率；n 。每辆 车制动缸数；n 。一每辆车制动闸瓦数。 2 3 8 车辆制动力 每辆车的车辆制动力由下式计算 北京交通大学工程硕士学位论文 b = 世女 ( 2 6 ) 式中：b 一车辆制动力，k n ；k 单个闸瓦实算闸瓦压力，k n ；n k 一每辆 车制动闸瓦数；o 。一高摩合成闸瓦实算摩擦系数。 2 4 液气缓冲器动力学计算模型 由图2 一l 液气缓冲器的结构原理图可见，液气缓冲器的内部结构比较复 杂，诸多因素影响其动力学特性，故需要建立较为精确的数学模型加以描述。 根据图2 1 所示的基本结构和工作原理，通过简化可建立如图2 3 所示的 液气缓冲器动力学计算模型。其中，p 。、a ，、挑、a ：、小、氏分别为油腔l 和2 中液压油的压力和有效作用面积；氮气腔的氮气压力和有效作用面积： r 为缓冲器的阻抗力，在列车系统中即为纵向车钩力；x 和v 分别为缓 冲器行程和速度，在列车系统中即为相邻两节车的相对位移和相对速度。由 图2 3 即可建立缓冲器的数学模型。 图2 3 液气缓冲器动力学计算模型 根据流体力学理论，在直角坐标系下流体运动的连续性微分方程的一般 形式为： 署+ 掣+ 掣+ 掣= o 【” ， 0 to x廿vo z 、。 式中： d 一流体密度，k g m 3 ：z ，乃j 一直角坐标系的三个方向坐 10 第2 章数学模型的建立 标；“，“，“，一某时刻流体质点的速度分量，m s 。 式( 2 7 ) 表达了任何可能存在的流体运动所必须满足的连续性条件。 由流体力学理论可知，管道中的沿程阻力与管内流体运动状态直接相关。因 此，油腔1 处节流阻尼孔流量方程因流体运动状态的不同可根据式( 2 7 ) 推导出相应的表达式。 当流体运动状态为层流时，流量方程为： 吼：兰垒 川 8 “， h 4 。莆 ；1 ( 2 8 ) 式中：锄一节流阻尼孔前后压差，p a ：u 一液压油运动粘度， n s m 2 ；，一节流阻尼环的长度，m ；一节流阻尼孔半径，m ；一节 流阻尼棒半径，m 。 当流体运动状态为紊流时，流量方程为： 万正占3 万反艿 口12 亩蛔一产v “1 ( 2 _ 9 ) 式中：正一节流阻尼孔直径，m ； 6 一节流阻尼缝隙长度，m ； 占= 钐一 v 一流体相对于缸体的运动速度，m s 。 不考虑液压油的可压缩性，则油腔1 流量连续性方程 爿】v = g l( 2 一1 0 ) 油腔2 处单向锥阀流体阻力方程 卸：= 善华 式中：劬：一单向锥阀阻尼孔前后压差，p a ；l 一单向锥阀流体阻力 北京交通大学工程硕士学位论文 系数，根据流体力学理论，取经验值；v ，一流体流过锥阀阻尼孔的速度， m s 。 根据液气缓冲器的基本结构和工作原理图l 可知，欲打丌油腔2 处的 单向锥阀，单向锥阀阻尼孔前后必存在力平衡方程： p 2 4 = p ：4 ( 2 1 2 ) 式中：4 一单向锥阀阻尼孔前端有效作用面积，m 2 ；卢：单向锥 阀阻尼孔前端打开锥阀所需的基本压力，p a 。 由此，油腔2 处单向锥阀阻尼孔前液压油的压强为： 见= p ：+ 印2 ( 2 1 3 ) 式中： n 一单向锥阀阻尼孔前液压油的压强，p a 。 于是，油腔l 的：e 作压强应为： p l = p ：+ p l( 2 1 4 ) 氮气腔气体状态方程： 岛= 风限( 缸4 ) 5 ”3 ( 2 1 5 ) 式中： 一氮气腔中氮气的初始充气体积，mo 矿3 ：一氮气的初 始充气压强， p a ：k 一气体多变指数，绝热时取1 4 。 对于浮动活塞两侧，有补充方程： 见z 见( 2 1 6 ) 根据图2 ，可得柱塞的力平衡方程： 尼= p 1 4 一p ：4 + 岛 ( 2 1 7 ) 将上述方程与列车纵向动力学方程联立，再利用四阶r o n g e k u t t a 数值 积分法“1 求解，即可得液气缓冲器的阻抗力、位移、速度圾缓冲器内部各腔 的压力随时问的变化关系。 2 5 列车纵向动力学模型乜1 通过静压试验与落锤试验，可以对单缓冲器的性能进行一定的研究。 但缓冲器装车后的工作条件和试验条件不尽相同，比如，在调车作业中发生 调车冲击，在列车运行时车辆还会受到各种外力的作用，构成一个相当复杂 的系统a 不同情况下的缓冲器动力学特性有很大的区别，仅用单个缓冲器的 第2 章数学模型的建立一 研究结果来分析整个系统的动力学性能已难以胜任，必须用系统工程的方法 进行研究，这就引入了列车纵向动力学问题。列车纵向动力学主要分析不同 的列车编组、不同车辆配置、不同运行工况及不同线路条件下组成列车的车 辆间的纵向动力作用。列车纵向动力学模型如图2 4 所示。1 。在列车运行工 况下，取每一节车为一个分立体，整列车的自由度等于组成列车的机车车辆 总辆数。 k 兰矗生盘：上釜西型匝兰士盗 图2 4 列车纵向动力学模型。1 在列车纵向动力学模型中，每节车辆上的作用力如图2 5 所示，其纵向 动力学微分方程为： m ，i = + 屹一，一一 式中：聊，一第j 车的质量 妇；x 一第j 车的纵向加速度 兀，一，k 。 。1 ( 2 一1 8 ) i i 】s2 ：r 一第，车的牵引力，仅 作用于机车，且制动时该项为零， n ： 屹一，一第j 车的前车钩力，n ；r 屹一第j 车的后车钩力，n ； 第j 车的运行阻力，n ；b ，第 j 车的空气制动力，作用于机车车 ；一乡一一毒 一一 。j m i 呵一 l 一“ 要型兰 辆，仅制动时有该项，n ；一第j 车的 图2 5 列车中的车辆受力图 动力制动力，仅作用于机车，且仅在制动时有该项，n ；n 一线路坡度。 对于n 节车辆组成的列车，可列出n 个类似式( 4 一1 ) 的微分方程，组 成一个n 维二阶微分方程组。再将缓冲器的相关方程与列车纵向动力学方程 联立，即可利用四阶r o n g e k u t t a 数值积分法川进行求解。 13 北京交通大学工程硕士学位论文 2 6 小结 本章第一节对选定进行计算的液气缓冲器组成及各部功能进行了较为 详细的介绍。 第二节介绍了计算中1 情况的选取，包括线路曲线半径、坡道坡度等并 提供了列车编组工况，共选取牵引重量5 0 0 0 吨、轴重2 1 吨、列车编组数量 6 0 辆，牵引重量5 0 0 0 吨、轴重2 5 吨、列车编组数量5 0 辆，牵引重量1 0 0 0 0 吨、轴重2 5 吨、列车编组数量1 0 0 辆车，牵引重量2 0 0 0 0 吨轴重2 5 吨、列 车编组数量2 0 0 辆，四种牵引工况进行计算。 第三节指明本论文所要计算的工况，这些工况包括列车编组工况、紧急 制动工况、启动牵引工况。对计算所需车辆的各种数据进行了选取，包括车 辆制动基本参数、列车阻力、制动力等参数。 第四节对液气缓冲器进行了数学简化，使其成为数学计算用模型。在此 基础上运用液压流体力学理论及相关公式建立出液气缓冲器的力学计算公 式。 第五节提出了列车纵向动力学模型的分析、建立方法，建立出列车纵向 动力学数学模型并指出解算采用四阶r 。n g e k u t t a 数值积分法进行求解。 第3 章缓冲器的主要性能参数一 第3 章缓冲器的主要性能参数 3 1 缓冲器容量n 缓冲器的容量是指缓冲器在全压缩过程中，作用力在其行程上所做功的 总和。其是衡量缓冲器所能吸收能量大小的主要指标，如果容量太小，则 当冲击力较大时就会使缓冲器全压缩而导致对车辆产生刚性冲击。缓冲器的 容量大小主要应考虑列车的运行工况和调车工况。列车运行工况对缓冲器容 量的要求与列车的总重、列车的编组方式、制动机的性能、车钩的纵向间隙 以及列车的操纵方式等诸多因素有关，其可根据列车动力学试验和仿真模拟 计算确定。对于货车缓冲器容量，很大程度上决定于调车冲击工况，根据货 车允许的连挂速度和车辆总重，可按动量守恒和能量守恒计算出各种载重货 车在不同冲击速度下所需缓冲器容量值。如果两个相互冲击的车辆装设同型 缓冲器，则缓冲器容量由下式计算： e ； 生堕 矿2 ( 3 一1 ) 4 9 ( 彬+ ) 式中：彬、暇一两冲击车辆的重量，k n ；y 一冲击时两车的相对速度， 即连挂速度，m s 。 根据上式，可以计算出调车工况下不同重量的车辆在5 1 4 k m h 的冲击 速度下缓冲器的容量如表3 1 所示。 表3 1 不同冲击速度下缓冲器所需容量( k j ) 速度 ( k m h ) 车辆 56789l ol l1 2 总重( t ) 8 42 0 32 9 23 9 75 1 96 5 68 1 o9 8 o1 1 6 7 1 0 02 4 13 4 74 7 36 1 77 8 19 6 5 1 1 6 71 3 8 9 由表3 1 可知，对于新型液气缓冲器，在连挂速度大于或等于1 0 k m h 的 情况下，适用于8 4 t 车辆的缓冲器容量应不低于8 0 k j ，而适用于1 0 0 t 车辆 北京交通大学t 程硕上学位论文 的缓冲器容量则不低于9 6 k j 。显然，欲提高调车速度，所需缓冲器的容量必 须相应提高，而要想使连挂速度大于或等于l o k m h ，采用传统的摩擦或摩擦 橡胶式缓冲器是很难达到的。 3 2 缓冲器行程n 1 缓冲器的行程受到钩间间隙( 从车钩钩间到冲击座的距离) 的限制。缓 冲器装车的一个重要原则是：车辆的钩问间隙必须大于缓冲器的行程。这样， 才能保证车辆的纵向冲击力从车钩经由缓冲器传到底架牵引粱，从而避免冲 击力直接从车钩到冲击座传到底架端粱。为保证与现有的货车具有良好的互 换性，保证列车运行的安全，考虑到缓冲器结构及工作原理对性能设计的限 制，新型液气缓冲器在工作状态下的行程以8 2 8 3 m m 为宜。基于此，拟开 发新型液气缓冲器的最大行程采用与m t 一2 相同的行程，即8 3 咖左右。 3 3 最大阻抗力 缓冲器的最大阻抗力“1 应与货车结构所能承受最大允许纵向力相适应。 我国铁道车辆强度设计及试验鉴定规范规定，货车结构允许的最大纵向 力为2 2 5 m n ，缓冲器的最大作用力应不大于该值，这样缓冲器才能起到保护 车辆和所载货物的作用。 根据铁道部“大秦线运输扩能货车技术研讨会”会议纪要，货车第一工 况纵向拉伸力暂为2 2 5 m n ，纵向压缩力暂为2 5 m n ；第二工况纵向压缩力暂 为2 8 m n 。因此，考虑到缓冲器性能对车辆使用寿命的影响，新型液气缓冲 器的最大阻抗力对通用货车应不大于2 2 5 删，对重载货车应不大于2 5 m n 。 3 4 能量吸收率“1 缓冲器的能量吸收率反映缓冲器吸收能量的能力，吸收率越大则反冲 力越小。如果缓冲器能量吸收率太低，则不能有效地耗散列车冲击产生的能 量，从而影响车辆的使用寿命，同时易损伤所载的货物。因此，对于新型液 气缓冲器，其能量吸收率取越大越好。 5 第3 章缓冲器的主要性能参数- 3 5 初压力n 1 初压力的大小对列车起动加速度和纵向动力学性能影响较大。对于传 统缓冲器，增加初压力，还可达到增大缓冲器容量的目的。但初压力过大将 导致缓冲器的磨耗加大，同时增加缓冲器的安装尺寸，故初压力不宜过大。 对于液气缓冲器，初压力与氮气充气压力有关，充气压力越大，缓冲器的初 压力也越大。由于在列车稳态运行工况下液气缓冲器的阻尼系统不起作用， 列车牵引力的传递对于液气缓冲器来说主要依靠气体的压强传递，气体充气 压强太低则会导致在列车稳态运行工况下缓冲器压缩量太大而致使制动时 缓冲器不起作用，根据国外同类缓冲器的使用经验，本计算中氮气充气压力 分别取o 5 和o 8 m p a ，所产生的初压力在2 0 0 k n 左右。 3 5 小结 本章对液气缓冲器的性能参数进行了设定，包括性能参数的设定方法， 数据的确定过程，这些性能参数包括缓冲器容量、行程、最大阻抗力、能量 吸收率、初压力。 容量的确定是通过列车编组时的调车速度确定的，行程由车辆的结构所 决定、最大阻抗力由车辆强度所决定、能量吸收率由列车的纵向动力学所决 定、初压力的选取来自于列车运行的牵引力、线路坡度等因素。 第4 章缓冲器特陛皂q 计算研究- 第4 章缓冲器特性的计算研究 4 1 准静态特性计算 缓冲器的静态特性是指其在缓慢受压过程l 寸表现出的力位移特性， 其特性曲线较为平滑。动态特性则是指缓冲器在落锤试验、列车运行及调车 作业中受到冲击作用f 、f 表现出的力位移特性，其特性曲线通常呈不规则 状。缓冲器静态特性和动态特性的差异与其结构及模式等冈素有关，有的缓 冲器静态特性和动态特肚差异不大，在进行列车纵向动力学数值模拟时可用 静态特性；而有的缓冲器则差异较大，数值模拟计算时须采用其动态特性。 对于新型液气缓冲器来说，由于冲击速度对其阻抗力影响极大，故其静态特 性和动态特性存在很大差异。当然，这里所说的静态，也仅是准静态，是指 液气缓冲器在压缩速率很小的情况下所表现出的力位移特性。列车在稳 态运行过程中，由于车辆间相对速度较小，此时缓冲器所表现出的特性就是 其静态特性，因此，有必要对液气缓冲器的静态特性进行分析研究。图4 1 和 42 所示是利用数值模拟方法得出的液气缓冲器的准静态特性曲线。其中， 缓冲器内氮气初始充气压强分别为o 5 m p a 和0 8 m p a ，图中所示速度为压缩 速率。 由图4 一l 和4 2 可见，在不同的压缩速率下，其静态特性十分接近。 不同的压缩速率对缓冲器初压力的影响不大，对其最大阻抗力有影响，随着 压缩速率的增加，晟大阻抗力也随之增加，只是增大幅度不同而已。而不同 的初始充气压强刘缓冲器韧压力的影响较大，且剥最大阻抗力的影响办比较 显著，随着初始充气压强的增加，缓冲器的初压力和虽大阻抗力也随之增加。 当初始冲气压强为05 m p a 时，缓冲器的初压力和最大阻抗力分别为1 5 0 州 和1 5 0 0 k n 左右，而当初始冲气压强为0 8 m p a 时，缓冲器的初压力和最大 阻抗力分别为2 3 0 k n 和2 3 0 0 k n 左右。 阻抗力分别为2 3 0 和2 3 0 0 左右。 北京交通大学工程硕上学位论文 二 、 工 罩 l 、 蔓 一 缓冲器行干l | ! s m 丝| | j 囊塑 缓冲器行雕s m m缓冲器行ws7 州j 1 图4 一l 液气缓冲器准静态特性曲线( 氨气冲气压强o 5 m p a ) 图4 2 液气缓冲器准静态特性曲线( 氮气冲气压强o 8 m p a ) 20 第4 章缓冲器特性的计算研究- 列车在稳态运行工况下，缓冲器处于准静态工作状态，缓冲器工作时的 力一位移特性应类似于图4 1 和4 2 的特性曲线。此时，液气缓冲器内液 压油不产生阻尼作用，仅压缩氮气起着弹簧复位的作用。分别对轴重为2 l t 和2 5 t ，牵引重量为5 0 0 0 t 、1 0 0 0 0 t 及2 0 0 0 0 t 的列车进行了稳态计算，作 用在车辆上最大车钩力如表4 1 所示。其中，线路为平直道，车辆运行速度 为1 0 0 k m h 。显然，牵引重量越大，稳态运行时车钩力越大。由图4 1 、4 2 及表4 1 可见，单从最大阻抗力来看，列车稳态运行时，无论缓冲器内氮气 冲气压强为o 5 m p a 还是0 8 m p a ，新型液气缓冲器均能够满足运行要求。 表4 一l 稳悉运行时最大车钩力( k n ) 牵引吨位( t ) 5 0 0 01 0 0 0 0 2 0 0 0 0 轴重( t ) 2 11 3 1 0 2 ， 2 51 2 9 9 82 5 9 9 75 1 9 9 3 4 2 调车冲击计算 缓冲器在调车作业、落锤试验及列车制动时表现出的特性为其动态特 性。众所周知，列车纵向动力学性能在很大程度上取决于缓冲器的动力学特 性，而缓冲器的特性曲线直接反映其动力学特性。调车作业工况是列车纵向 动力学的重要工况之一，能较好地反映缓冲器的动态特性。图4 3 和4 4 是 模拟车辆一对一冲击时得到的液气缓冲器的动态特性曲线。其中，冲击车辆 和被冲击车辆的质量均为1 0 0 t ，且二者配装相同型号的液气缓冲器，与静态 特性计算时相同，氮气的初始冲气压强仍然分别取0 5 m p a 和o 8 m p a 。 2l ? ( 1 0 f 1j ( ) 6 ni 缓川- 器行棵s ，7 n l m 8 ( ) 【】 z i 【) 0 # 1 驯( j ：i 0 杂：j 兰j l u ( j ( ) 北京交通大学t 程颁士学位论文 9 i 至裂： 、n 毒【 、j 晕鼎 皇2 0 0 | 0 ： n 图4 3 液气缓冲器动态特性曲线( 氮气冲气压强0 莎奢 0 j 7 js 秆ij j 排 缓 s j m。、曼s 佩】o 器。冲缓 o 歪r r 晕蠹 # 謦篁 z 卫 k ， 卜s 鲫氍。器缓 r0 m，ns；m 礓j，i0 *p绥 第4 章缓冲器特性的计算研究 z _ 、 、 未 妻 ol 【 2 u j 4 0i ( 1 “【17 【】8 0 缓7 巾器行利s m 23 z 孓 主 z 、 h = ! o1 ”2 03 0j 05 【) 6 f ? 【 8 ) 缓冲： ： 行群s n l n l 孟r 暴耋 五弋嚣_【 北京交通大学工程硕士学位论文 2 0 0 0 2 z 1 6 0 0 c - 1 2 0 0 翠r 0 0 宴d o n 0 图4 4 液气缓冲器动态特性曲线( 氨气冲气压强0 8 m p a ) 需要说明的是，在图4 3 和4 4 中，当冲击速度小于等于1 3 k m h 时， 采用的是如图3 2 的原始节流阻尼棒，调车冲击计算所得的缓冲器最大阻抗 力均在允许范围内，且最大纵向车钩力也在车辆强度允许范围内。而当冲击 速度为1 4 k m h 时，尽管计算所得的缓冲器最大阻抗力达到了2 6 m n 以上， 超出了通用货车的强度允许标准。且由于缓冲器工作在满行程以后，车辆结 构发生了变形，最大纵向车钩力达到2 8 m n 以上，此时亦超出了重载货车允 许的强度标准。因此，对于原始阻尼棒，最大调车冲击速度不能达到1 4