机车车辆油压减振器性能试验台精度及功能分析

2013-11-27于兆华

铁道机车车辆 2013年5期

于兆华

（中国铁道科学研究院标准计量研究所，北京100081）

机车车辆油压减振器（以下简称减振器）作为转向架的关键部件，能够吸收和缓冲各种冲击、振动、提高机车车辆运行平稳性和舒适度，特别是随着列车运行速度提高，油压减振器的作用就更加重要，目前铁路上运用的和谐系列机车及CRH系列动车组上使用的减振器，种类和数量相比以前的普通机车及客车均有明显的提高。

减振器性能的可靠和稳定，需要通过试验台来检验，目前油压减振器性能试验台领域较为混乱：A企业生产的试验台检验合格的减振器在B企业的试验台检验，结果为不合格；C企业生产的试验台能够检验垂向减振器、横向减振器、抗蛇行减振器等，而D企业生产的试验台只能检测某一类减振器或者某类减振器中的某些型号减振器等问题的现象屡见不鲜。因此，若能够提出一套完善的试验台精度指标及功能指标，规范油压减振器性能试验台，对保证减振器的稳定质量，具有十分重要的意义。

1 性能试验台精度要求现状

目前机车车辆油压减振器性能试验台的设计和制造，能够依据的标准是TB／T 2229-2004《机车车辆油压减振器试验台技术条件》，除该标准外，油压减振器性能试验台还依据标准EN 13802：2005《铁路应用-弹簧单元-液压减振器》，这个标准是减振器标准，不过对油压减振器性能试验台的精度也有要求。这两个标准是目前减振器性能试验台所能够依据的检验和验收标准。

（1）TB／T 2229-2004对试验台的要求

试验台测试阻尼力范围宜为0～30kN；

试验速度调整范围宜为0.01～0.5m／s；

载荷的测试误差不大于名义值的±1%；

位移测试误差不大于±1mm；

速度测试误差不大于名义值的±5%。

（2）EN 13802：2005对试验台的要求

载荷的测试误差不大于±250N；

位移测试误差不大于±1mm；

速度测试误差不大于名义值的±5%；

频率测试误差不大于±0.01Hz。

试验台激励方式为谐波振动，试验速度与试验位移应满足v=v0sinωt的要求。

由于TB／T 2229-2004是依据当时在铁路系统内部使用较为广泛的J95型油压减振器试验台制定的，随着这些年试验台技术的进步和减振器性能要求的提高，出现了许多新型试验台，如液压伺服式试验台、伺服电机式试验台等。上述两个标准对于减振器的精度要求，均无法很好的满足减振器性能测试要求。

2 性能试验台精度及量程要求的提升建议

（1）性能试验台载荷精度及阻尼力要求

油压减振器性能试验台的最大阻尼力及载荷精度应该能够涵盖目前铁路上使用的主型减振器测试需求。目前铁路上使用的主要减振器种类主要有垂向减振器、横向减振器、抗蛇行减振器等。笔者汇总减振器的参数见表1。

表1 主型减振器性能参数表

从表1可以看出，目前主型减振器的名义阻尼力范围跨度较大，试验台的载荷精度若按照“误差不大于±250N”，则精度严重不满足小阻尼力减振器的测试需求。如果"载荷的测试误差不大于名义值的±1%"，就要求试验台需要根据不同的减振器选配量程和精度合适的载荷传感器，这样能够保证减振器测试结果的准确性。

减振器性能试验台目前基本上都是按照最大阻尼30kN设计，从表1看，应该能够满足主型减振器的测试需求。但这种设计面临这样一个问题，目前和谐系列机车以及CRH型动车组用减振器，对减振器的性能测试，不仅考核减振器的常温性能，也要考核减振器的高温性能和低温性能。低温性能测试时，名义阻尼力在20kN以上的减振器，阻尼力常有可能达到30kN甚至到40kN，目前国内大多数减振器性能试验台都满足不了大阻尼减振器的低温测试需求。因此建议减振器试验台设计企业设计试验台时，将试验台的最大阻尼测试能力提高到50kN。

（2）性能试验台位移、速度要求

减振器性能测试原理是使试验台产生一定速度的正弦激励，带动随同试验台运动的减振器产生阻尼力，在这个测试过程中，试验台的驱动速度是影响阻尼力唯一直接因素。试验台驱动速度表达方式为v=v0sinωt=v0sin（2πf），式中v为正弦激励的瞬时速度；v0为正弦激励的最大速度；ω为圆频率；f为频率。对于目前广泛使用的试验台来说（无论是机械式试验台还是液压伺服式试验台，无论是开环控制试验台还是闭环式试验台），速度参数是一个换算物理量，无法直接进行控制，是由公式v=A′=（A0cosωt）′=2πfA0sin（2πf）进行换算得出的，式中A和A0是正弦激励的瞬时位移和最大位移。实际上目前对试验台的速度精度控制，都是通过对位移精度控制得到的。但试验台标准TB／T 2229-2004以及减振器标准EN 13802：2005对试验台位移和速度的精度要求，都无法很好的满足减振器测试需要。以目前铁路主型和谐机车和动车组用减振器测试为例，垂向减振器以及横向减振器测试时位移振幅要求基本上是25mm，抗蛇行减振器测试振幅要求为12.5mm，若位移公差要求±1mm，则试验台的实际位移误差见表2。

表2 试验台位移误差表

由于速度是通过位移函数求导得到的，假定试验台的频率固定不变，则位移的偏差也就是速度的偏差，从表2可以看出，若试验时采用最大位移为12.5mm进行减振器测试，在满足标准要求的情况下，两试验台的最大速度误差最大将达到16%，若采用最大位移25 mm试验，两试验台的最大速度偏差将达到8%。对于同一个减振器，其阻尼力和试验速度成正比，这也导致同一个减振器，在两个试验台上测试，可能出现的结果偏差最大为16%和8%。在减振器标准TB／T 1491-2004中，对减振器阻尼力的公差要求是（F+15%-10%为名义阻尼力），两台设备对同一减振器测试，出现不同判定结果的几率很大。

笔者认为试验台的位移精度按照载荷的精度要求，控制位移精度为名义值的±1%更为合理。

3 性能试验台应具有的功能分析

减振器性能试验台是为减振器性能测试服务的，因此试验台能够具备丰富的测试功能及辅助功能，不仅能够提高测试效率，更重要的是能够提高试验台的数据准确性和为研发提供有力保障。笔者认为性能试验台应具备如下功能：

（1）便捷的标定和传感器管理窗口

减振器性能试验台作为检验设备，必然要按照国家相关程序和要求进行检定或校准。然而作为特殊的检验设备，为了更好的满足测试精度需求，需要配置不同的载荷传感器以便于提高试验台的测试精度，如果试验台具有便捷的标定和传感器管理窗口，则可以提高试验台的标定效率，同时便于传感器的更换管理。

（2）测试参数自检验能力

对于减振器性能试验台来说，最主要的参数有两个，即载荷参数（即阻尼力）和速度参数（速度参数通过位移参数间接得到），测试过程中，确保采集得到的载荷参数和速度参数真实可靠是保证测量结果正确的关键因素。

对于载荷参数，目前主要的控制手段是通过静态标定表征其动态性能，从实际经验来说，这种手段对减振器性能测试影响不大；

而对于速度参数，一方面该参数是通过控制位移间接得到，位移满足正弦激励的要求，但速度并不一定完全符合正弦激励要求（见图1及图2）。从图1位移曲线看，似乎减振器性能试验台的输出激励符合要求，但通过对采集得到的位移数据分析，转换为速度曲线（图2）可以看出，试验台的速度激励最大为0.41m／s，根本不满足0.5m／s测试速度要求，并且激励曲线也不满足正弦曲线要求。

图1 性能试验位移曲线

图2 性能试验速度曲线

另一方面受试验台结构影响（见图3），试验台上安装的位移传感器测量得到的位移L1不仅包含减振器实际位移L2，也包含测试过程中试验台本身的位移变形ΔL，ΔL=L1-L2。ΔL受试验台本身刚度影响较大，如图3所示，立柱的刚度、端梁1和端梁2的刚度、夹头的刚度以及被试的油压减振器的阻尼力大小都对ΔL有直接的影响，笔者曾经对某一试验台进行过实际测试，实际测试结果如下：采用26.5kN阻尼力的抗蛇行减振器，测试得到L1的变化量是24.9mm，在抗蛇行减振器接头的固定端与活动端中间安装位移传感器，测试减振器的实际位移变化L2，得到L2的实际结果是22.7 mm。则ΔL=24.9mm-22.7mm=2.2mm。

若试验台能够在性能测试过程中，能够自动检测试验台的载荷参数以及速度参数状态，并自检该参数是否满足测试需求，对测试结果有十分重要的意义。

（3）多速度点测试能力

铁路行业目前现行有效的标准为TB／T 1491-2004，在该标准中未对减振器的多速度点性能做出明确要求，但随着和谐机车以及CRH动车组的引进，目前铁路行业对减振器的多速度点性能有了明确要求，对和谐机车以及动车组用减振器的性能测试，目前最低要求是测试两个速度点下的阻尼性能，较多的能够达到4个速度点。因此试验台能够满足多速度点测试，是现在试验台必备的功能之一。

图3 减振器试验台结构示意图

（4）任意角度测试能力

传统减振器试验台进行减振器性能测试，一般都是进行垂向测试和水平测试。减振器在实际装车运用时，减振器安装状态并不全是垂向安装或者水平安装，而是相对于垂直方向和水平方向都有一定角度，为了更真实的测试减振器在工作时的性能，现在许多减振器的技术条件要求对减振器进行性能测试时，模拟减振器的实际装车状态，相对于垂直方向或水平方向具有一定的角度进行测试。而目前大多数减振器性能试验台，设计时只考虑了一个试验位置或者两个试验位置（即只能够垂向测试或者水平测试），无法实现减振器任意角度性能测试。

（5）高低温环境试验能力

高低温环境下的阻尼性能也是目前减振器性能测试的指标之一，国内目前还没有能够实现在高低温环境下直接测量减振器性能的试验台，对于减振器高低温环境下的阻尼性能测试，都是通过将减振器放置到高低温环境试验箱中24小时或者以上，然后将减振器迅速从环境试验箱中取出，安装到减振器性能试验台上进行高低温环境下的性能测试。这种方法是目前不具备直接试验条件下的折衷办法，但不同的操作者受限于环境条件，安装熟练程度以及对试验的理解不同，会出现较大的偏差。