高速客车一系垂向减振器特性的仿真研究

高速客车一系垂向减振器特性的仿真研究

原油减速器广泛应用于土木工程行业。车辆在运行过程中,由于轮轨之间的面面接触,车轮表面的不规则和轨道表面的不平顺都将直接经车轮传递到悬挂部件上,引起车辆各部件的高频或低频振动,降低车辆的结构强度,影响车辆的运行品质。其中,一系垂向减振器是轮轨激励首先作用的部位之一,其主要目的是衰减轴箱与转向架构架之间的垂向振动,特别是衰减构架相对于轮对的点头和浮沉振动。首先,由于轴箱与构架之间的运动位移较大,所以要求一系垂向减振器具有合适的轴向刚度和阻尼,使其既能充分发挥减振功能,又不会造成减振器和安装座的刚性接触,影响减振器性能及其使用寿命。其次,在随机不平顺激扰线路上,一系垂向减振器的阻尼对称性对车辆运行平稳性和轮轨作用力有着不同的影响。此外,由于一系垂向减振器活塞的工作行程较大,所以要求其卸荷速度不能过低,否则减振器卸荷过早,不利于减振器阻尼力的充分发挥。最后,减振器刚度与阻尼、阻尼对称性与运行速度、卸荷速度与卸荷力之间均存在一种匹配关系,需要兼顾后做出合理的选择。1垂向刚度随深度的变化特性,分为3个外接头区和2在车辆系统仿真计算中,油压减振器是影响动力学性能的重要部件,其模拟的真实程度决定了仿真的精确程度。本文建立的减振器振动模型见图1。如图1(a)和图1(b)所示,减振器内流体的黏着阻力和节流孔阻力具有耗散冲击能量的作用,其阻尼系数为C;减振器的两端与橡胶结构销接或铰接,使其接头具有一定刚度(K1,K3);流体中含有的少量空气在储油缸中形成具有一定压力的空气囊,使得减振器在轴向相对运动时也会产生一定弹性力,其刚度为K2;减振器接头处还存在微小间隙L,该间隙由减振器结构自身的安装间隙和长期服役后其接头弹性元件磨损与老化所累积的间隙组成。如果将刚度K1,K2,K3和间隙L等效为图1(c)所示的线性化的多段刚度K,则简化后的1/4车辆系统垂向刚度阻尼模型可以表示为图1(d)。其中,Mb,Mc分别为转向架构架和车体的质量;Z1,Z2分别为转向架构架和车体的位移;Z10,Z20为减振器接头连接处的位移;Z0为激励位移;K11,K22分别为一系、二系弹簧垂向刚度;C1,C2分别为一系、二系垂向减振器阻尼系数;K10,K20分别为一系、二系垂向减振器接头等效安装刚度。根据牛顿第二定律和力的平衡条件得到的该系统的运动微分方程组为:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪McZ¨2+C2(Z˙2−Z˙20)+K22(Z2−Z1)=0C2(Z˙2−Z˙20)=K20(Z20−Z1)MbZ¨1+C1(Z˙1−Z˙10)−C2(Z˙2−Z˙20)+K11(Z1−Z0)−K22(Z2−Z1)=0C1(Z˙1−Z˙10)=K10(Z10−Z0)(1){ΜcΖ¨2+C2(Ζ˙2-Ζ˙20)+Κ22(Ζ2-Ζ1)=0C2(Ζ˙2-Ζ˙20)=Κ20(Ζ20-Ζ1)ΜbΖ¨1+C1(Ζ˙1-Ζ˙10)-C2(Ζ˙2-Ζ˙20)+Κ11(Ζ1-Ζ0)-Κ22(Ζ2-Ζ1)=0C1(Ζ˙1-Ζ˙10)=Κ10(Ζ10-Ζ0)(1)2内垂向和横向动力学模型利用SIMPACK多刚体动力学仿真软件,建立某高速客车在时域内垂向和横向的动力学计算模型(图2)。本文针对一系垂向减振器的3个主要方面(接头安装刚度、阻尼对称性以及卸荷特性)分别进行仿真分析,研究各参数的变化对高速客车稳定性和平稳性的影响。2.1减振器安装刚度对车辆性能的影响接头安装刚度对减振器阻尼性能的发挥起着重要作用,对车辆系统动力学的计算结果具有一定影响:当减振器接头安装刚度过大时,会过多地传递高频振动,使减振器出现别劲或偏磨现象,造成减振器本身损坏或安装座开裂等;但若接头安装刚度过小或安装间隙过大,则会使减振器有效工作行程缩短,不能达到预期的减振效果。一系垂向减振器接头安装刚度对临界速度和平稳性指标的影响分别见图3、图4。从图3可以看出,尽管减振器接头安装刚度变化跨度很大,但车辆系统的蛇行失稳临界速度基本不受影响。另外,当减振器阻尼系数在5kN·s/m～15kN·s/m内增加时,临界速度略有提高并趋于稳定,这说明一系垂向减振器阻尼和安装刚度的主要作用是缓解轮对传给构架的高频振动,延长构架的疲劳寿命,但对抑制车辆蛇行运动影响不大。当车辆以200km/h的速度运行时,在不同阻尼系数和安装刚度的匹配下,车辆垂向和横向平稳性指标均略有变化。从图4可以看出,当减振器安装刚度逐渐增大至一定值后,垂向平稳性指标平缓下降并略有回升,这可能是由于过大的安装刚度传递高频振动引起的;当减振器安装刚度过小或安装间隙过大时,2个平稳性指标均较大,这是因为减振器端部产生了较大的轴向拉压位移,缩短了减振器活塞的实际行程,使其阻尼特性得不到充分发挥,大大降低了减振器抑制构架沉浮、点头和侧滚振动的衰减率;过小的减振器安装刚度对车辆横向平稳性的不利影响在减振器阻尼系数较大时更为敏感。因此,该高速客车一系垂向减振器阻尼系数理想取值范围为5kN·s/m～15kN·s/m,安装刚度理想取值范围为1MN/m～5MN/m。2.2大力采用单向阻尼减振器阻尼对称性是指减振器具有单向或双向减振能力的特性。单向阻尼减振器是指压缩阻尼力为零或远小于对应速度的拉伸阻尼力,这种单向阻尼减振器应用在一些高速客车转向架一系悬挂中,其目的是为了减小轮轨冲击时作用于减振器上的阻尼力,尤其是避免由于线路中的三角坑而使得减振器与构架之间产生瞬间刚性接触。双向阻尼减振器是指在拉伸与压缩行程中具有相同的阻尼力-速度(F-V)特性,这种对称的双作用减振器便于设计车辆悬挂参数,优化车辆动力学性能,普遍应用在转向架的一系和二系减振器中。一系垂向减振器不同阻尼对称性对平稳性指标的影响见图5。从图5可以看出,由于单向阻尼在压缩时无减振力,不能更有效地减少构架的垂向位移,所以单向阻尼时车体垂向平稳性指标比双向阻尼时稍大,但当车辆运行速度超过200km/h后,两者之间的差距逐渐变小;两者对横向平稳性指标的影响差异不大。一系垂向减振器不同阻尼对称性对轮轨垂向力的影响见图6,对构架垂向加速度频谱的影响见图7。从图6可以看出,由于单向阻尼使得构架对随机激励的响应产生了“迟钝”,有效地降低了构架向上的垂向加速度,抑制了车轮的垂向振动,从而降低了轮轨垂向动力作用;当车辆运行速度超过200km/h以后,单向阻尼降低轮轨垂向力的效果更显著。从图7可以看出,在部分低频段上采用单向阻尼减振器时构架的垂向加速度略大于采用双向阻尼减振器,但是高频段的振动却显著减低。因此,仅对轮轨垂向作用力而言,一系垂向减振器采用单向阻尼形式比双向阻尼形式更适合高速车辆。与此同时,适当增加阻尼系数来弥补单向阻尼在衰减构架垂向加速度上的不足,更有利于车辆的高速运行。2.3装置寿命或产生油液泄漏减振器卸荷特性的特点是当减振器振动速度超过某设定值时,减振器开始发生卸荷,其阻尼力仅缓慢增加。这样设置卸荷区的目的是为了限制减振器内的油液压力,以免因其过高而损坏减振器结构,降低密封装置寿命或产生油液泄漏。一系垂向减振器卸荷特性对平稳性指标的影响见图8。车辆以200km/h的速度运行,当改变卸荷速度时,平稳性指标均有一个最低点,且数值相差不大;过高或过低的卸荷速度和卸荷力都不利于构架和车体振动加速度的衰减;卸荷速度对平稳性指标的影响比卸荷力更灵敏。卸荷速度太低,减振器卸荷过早,不利于减振器阻尼的有效发挥;但如果卸荷速度过大,减振器卸荷太慢,则会引起减振器或其他零部件的损坏,并传递大的振动。合理的减振器卸荷速度,应既能充分发挥减振器的吸振效能,又能确保减振器不过载、不过热。一般来说,卸荷速度应略高于减振器活塞的相对运动速度。3系垂向减振器性能(1)一系垂向减振器阻尼系数与安装刚度的取值对车辆系统蛇行运动稳定性影响很小,对运行平稳性指标有一定的