一种轨道交通车辆用减振装置研究

2021-07-24冯显锟苗青健孙麒钧周韶泽

中国新技术新产品 2021年8期

冯显锟苗青健彭雪王越孙麒钧周韶泽

（大连交通大学，辽宁大连 116028）

0 研究背景

轨道车辆减振器作为悬挂部分的重要元件，可以吸收和减缓轨道不平顺等引起的振动和冲击。其性能的好坏直接影响铁道车辆的平稳性、舒适性、车辆部件的使用寿命和行车安全性。1908 年，法国的 M.Handallle 将内腔分为2 个部分并充入油液，这是为了充分利用油液的阻尼作用，使其研制的液压减振器达到衰减振动的目的。20 世纪30 年代的摇臂式减振器虽然具有成本低、寿命长和质量轻等突出优点，但其显著缺点是在高速工况下充油不及时而导致减振器工作特性发生畸变[1]。20 世纪50 年代的充气式减振器克服了摇臂式减振器的缺点，质量显著减轻，性能更好，但其制造精度要求和成本较高。与国外相比，我国对于液压减振器的研究起步较晚，但是国内学者在围绕着液压减振器的建模、仿真、实验和部分关键部件（阀系、孔隙）的参数特性进行了卓有成效的研究。随着我国高铁的快速发展，现代高速列车速度已达 350 km/h，并有向400 km/h 以上推进的趋势。保证列车运行的安全性及舒适性，这就对减振器性能的设计提出了更高的要求。我国铁道车辆液压减振器主要市场主要被国外品牌所占领。究其原因主要是国产减振器性能和质量与国外生产的减振器相比有很大的差距，国产减振器在列车上普遍出现的问题较多，难以满足列车运行时的性能要求。因此，有必要对减振器进行深入的研究从而实现减振器真正国产化[2]。

1 设计原理

1.1 设计思路

随着轨道车辆减振器不断地应用发展和推广，传统的液压式减振器（图1）和充气式减振器（图2）已经不能完全满足轨道车辆的需求。匹配良好的减振器是衡量轨道车辆运行稳定性优劣的重要标志之一。在通过不平钢轨时，车轮和车身的相对速度要比通过平直路面时大得多。即减振器在复原行程时，须提供比较大的阻尼力，但是压缩行程需要的阻尼力相对较弱，这是系统动力学对减振器阻尼设计提出的最基本的要求。

图1 液压减振器示意图

图2 充气式减振器示意图

当车轮与车身的相对运动速度过大时，减振器可以自动加大通流面积，以便使阻尼力始终保持在一定的限度之内，避免车身承受过大的冲击载荷。液压减振器的外特性具有非线性的变化趋势，一般采用分段设计的方法，分别对减振器的低速特性、中速特性和高速特性进行设计，以满足减振器在不同速度点下对阻尼力的要求。复原行程时活塞向上运动远离工作缸，连杆不断从工作缸内抽出，因此从活塞上腔流入活塞下腔的减振油不能完全补充活塞下腔因活塞上移而形成的空间，其余部份的减振油就由贮液筒经底阀分总成的补偿阀流入工作缸下腔，以使工作缸下腔充满减振油。复原行程时，我们根据不同速度点下复原阻力的设定值，可以计算出在不同复原阻尼力值下活塞阀分总成的通流面积，从而为设计活塞阀分总成各零件的结构参数提供依据，液压减振器复原行程油液流动方向如图3 所示。

图3 液压减振器复原行程油液流动方向

现如今，大部分轨道车辆所采取的减振器仅能满足对于车辆颠簸的缓振，但对乘客的舒适度影响较大，由于轨道车辆在行驶过程中经常遇到钢轨不平直的情况，因此车体会产生横向移动，悬架减振器通常安装限位结构，以防止部件之间的刚性冲击[3]。目前减振器主要采用的是机械限位缓冲结构，常见的限位缓冲结构是内置聚氨酯材料。然而，这种结构部件的材料容易老化。由于缓冲垫只能通过限位缓冲垫的弹性变形来起到一定的缓冲作用，因此缓冲垫变形小，缓冲效果差，导致限位功能降低或消失，影响减振器的使用性能。

所谓缓冲限位，是指伸缩弹簧压缩到一定行程时，会使作用力从弹簧平稳过渡，然后利用其高分子材料的阻尼作用，将振动能迅速转化为热能，从而减少车内振动，提高乘坐舒适性[4]。此外，轨道车辆中的噪声水平与零件的共振频率和轨道噪声频率有关。伸缩弹簧的共振频率（一般为50 Hz～70 Hz）与道路噪声的频率（一般为15 Hz～20 Hz）相差甚远，因此可以显著降低轨道车辆中的噪声，为乘客提供更安静、更舒适的环境。装有内部液压限制缓冲结构的轨道车辆减振器具有比内置聚氨酯材料限制缓冲结构的减振器更好的减振功能，可以将限制冲击能量转换为不可逆转的热，释放到大气中，减少振动能量。

在物理结构中，阻尼器的阻尼效果是由一系列固定节气门和可变节气门孔共同作用产生的，根据液压限制缓冲结构的工作原理，在限制缓冲结构中，普通通孔的节气门区域较小，可变节气门孔的节气门区域较大，两者的液压系统相同。等效液压系统简化模型如图4 所示。相关分析表明，缓冲区结构中产生的附加阻尼力也与活塞的运动速度有关。铁路车辆发生大轮跳跃时，活塞接触限制结构会产生额外的制动力，迅速增加阻尼器的阻尼力，使振动衰减更快，减少车架和悬架之间的冲击，提高轨道车辆的缓冲性能和乘客的乘坐感。

图4 等效液压系统简化模型

为了能够具有传统减振器的优良性能的同时，消除其存在的负面因素，以下性能成为主要突破点：优异的黏温性能是减振器油的重要工作性能，减振器油的黏度随着温度的升高和降低而升高和降低。如果黏度变化太大，油通过小孔的阻力也会有增有减，使减振非常不稳定。减振衰减大，就要求减振器油具有良好的黏温性能。低温机动性好，由于车辆的地理机动性大，所以放在室外的情况很多，考虑到北方冬季天气寒冷，要求减振器的机油倾点低于-40 ℃；优异的极压和抗磨损性能，能在减振器工作时有效润滑，保护减振器所有的工作部件，延长其使用寿命。抗氧化性能强，路况不好时，减振器油运动剧烈，此时行驶速度慢，减振器油温会升到150 ℃，油温会有升有降，氧化条件也比较苛刻。实际操作中，减振器损坏时往往需要更换减振器，很少拆下减振器换油，所以要求减振器油使用寿命长。良好的耐腐蚀性和防锈性。与减振器接触的金属有钢、铜、铬、粉末冶金、锌和铝合金。减振器油接触的金属材料不可以腐蚀生锈。橡胶相容性好。防止密封材料与油品性能不匹配，导致老化漏油。优异的抗泡沫和抗乳化性能。油乳化会导致阻尼特性降低，也是造成节流阀和卸荷阀损坏的主要原因。油中的空气也是乳化的前提。

1.2 研究方法

1.2.1 文献研究法

该研究采用了文献研究法，即根据轨道交通车辆使用减振装置的课题，通过查阅相关国内外期刊、会议报告和学术论文等渠道来获取国内外关于轨道车辆减振器问题的现阶段研究内容与研究成果，从而全面地、正确地了解关于轨道车辆减振器相关问题。并且对该问题的研究内容和研究成果进行了全面分析，了解现如今每种方法存在的优缺点，对其劣势进行讨论与思考，在前人研究的基础上进行扩展延伸以得到该项目的创新点及完善点，从而形成了该文所述的轨道交通车辆用减振装置。

1.2.2 定性研究法

该研究采用了定性研究法，即对研究对象—轨道交通车辆用减振装置进行“质”的方面的分析。运用归纳和演绎、分析与综合以及抽象和概括等方法，对资料所述的液压减振器及充气减振器的优缺点进行思维加工，从而能够去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里、由浅入深，达到认识事物本质、揭示内在规律的目的，结合该方法研究出复合式轨道交通车辆用减振装置。

1.2.3 描述性研究法

该研究所采用的是描述性研究法，即对国内外现如今关于轨道交通车辆用减振装置所阐述的现象、规律和理论进行揭示、叙述及解释，并在解释中定向的提出问题、揭示弊端、描述现象从而介绍本作所提出的项目观点，并提供理论依据，达到阐释本作所述轨道交通车辆用减振装置的目的。

2 创新特色

轨道交通车辆用减振装置如图 5、图6 所示，其构成包括底部支撑架、顶部连接架、固定筒和伸缩弹簧，所述底部支撑架下侧面设置了车轮，且底部支撑架上侧面设置了液压伸缩杆，同时液压伸缩杆下侧面通过第一连接螺丝与底部支撑架相连接。顶部连接架设置在液压伸缩杆上侧面，且顶部连接架下侧面通过第二连接螺丝与液压伸缩杆上侧面相连接，固定筒设置在底部支撑架上侧面，且固定筒内部设置了弹簧轴，同时弹簧轴上侧面设置了支撑块，支撑块上侧面设置有支撑杆，且支撑杆贯穿固定筒上侧面。固定筒的内径大于弹簧轴的直径[5]。伸缩弹簧设置在支撑块的上侧面，且伸缩弹簧分别设置在支撑杆左右两侧，同时支撑杆上侧面设置了固定块，固定块上侧面设置了连接板，且连接板分别设置在顶部连接架前后两侧，同时连接板通过固定螺杆与顶部连接架相连接。该装置设置2 组伸缩弹簧。在轨道交通车辆上安装该减振装置，当轨道交通车辆遇到颠簸时，弹簧轴会进行伸缩缓冲，通过2 组伸缩弹簧对2 个支撑块回升时起到缓冲限位作用，导致2 个支撑块不容易出现快速上升的情况，从而使轨道交通车辆上的乘客不会感觉到较大颠簸感，出现不舒适的情况[6]。

图5 装置结构图

图6 装置结构图

该装置的工作原理如下。在使用该轨道交通车辆用减振装置时，通过让支撑杆和上侧连接板卡合在底部支撑架下侧，再使用固定螺杆贯穿连接板，与顶部连接架相连接，使连接板与底部支撑架相连接。连接完成后，再使用第一连接螺丝将液压伸缩杆下端与底部支撑架相连接，同时使用第二连接螺丝将液压伸缩杆上端与顶部连接架相连接。连接完成后，便可使用。在轨道交通车辆行驶过程中遇到颠簸振动时，通过支撑杆下端支撑块在固定筒内部向下移动，此时弹簧轴开始调节，顶部连接架得到缓冲，且在弹簧轴进行伸展时，支撑块向上移动，通过伸缩弹簧的缓冲作用，使支撑块向上移动时得到缓冲，同时通过液压伸缩杆的加固减振作用，使该轨道交通车辆的减振缓冲效果更好，乘坐该轨道交通车辆的乘客不会感觉到较大的颠簸感。

与现有技术相比，该轨道交通车辆使用减振装置的优点有以下2 点：1）轨道交通车辆上安装该减振装置设置了2组伸缩弹簧，在轨道交通车辆遇到颠簸时，弹簧轴会进行伸缩缓冲，通过2 组伸缩弹簧对2 个支撑块回升时起到缓冲限位的作用，使2 个支撑块不会出现快速上升的情况，从而使轨道交通车辆上的乘客不会感到较强的颠簸感或出现倾倒的情况。2）该装置设置了2 组液压伸缩杆，在轨道交通车辆行驶途中遇到较大幅度的晃动时，通过2 组液压伸缩杆的伸缩缓冲作用，对轨道交通车辆进行振动缓冲，2 组液压伸缩杆能够起到很好的减振缓冲作用，从而起到保护作用[7]。