油压减振器失效对单轨车辆运行稳定性的影响

聂小芮

摘要：为了研究油压减振器失效对跨座式单轨车辆运行平稳性的影响，分析了单轨车辆减振器失效机理，建立了跨座式单轨车辆非线性多体动力学模型，分别计算并比较了不同数量油压减振器失效时跨座式单轨车辆车体纵横向加速度大小。结果表明：不同数量的油压减振器失效均会使单轨车辆运行稳定性降低。

关键词：油压减振器;失效;跨座式单轨;运行稳定性

中图分类号：U232;U270.11                             文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0031-02

0  引言

油压减振器是跨座式单轨车辆中央悬挂系统的必不可少的重要组成部分，与空气弹簧、牵引橡胶堆、纵横向止挡等一起传递载荷、衰减振动，其安装在车体与构架之间，为车辆提供二级减振，保证了单轨车辆的运行安全性和乘坐舒适性[1]。单轨车辆运行时，一旦悬挂系统出现故障，其整车的动力学性能将发生改变，大大降低了单轨车辆行车安全性和舒适性。

现有诸多研究主要集中在地铁或高铁车辆减振器失效对整车动力学性能的影响，对于单轨车辆的减振器失效对其运行稳定性的影响方面研究较少。而由于单轨车辆转向架结构紧凑，每个转向架仅有2个油压减振器呈45°对称斜装于车体和转向架之间。若油压减振器失效，将对单轨车辆运行平稳性造成不可忽视的影响[2]。因此，本文以重庆轨道交通2号线单轨车辆为研究对象，采用多体动力学软件建立跨座式单轨车辆非线性动力学模型及减振器动力学模型，分析不同位置及数量的油压减振器失效对单轨车辆的运行稳定性的影响并探究其规律。

1  单轨车辆系统动力学模型

1.1 减振器结构及失效机理

跨座式单轨车辆油压减振器结构如图1所示。对于单轨车辆油压减振器，可能导致其失效的原因主要有两个方面[3]。从摩擦与磨损的方面分析，其失效因素主要有工作缸内壁与活塞反复摩擦导致工作缸出现严重磨损与划痕;导向盖出现严重磨损和破损;活塞杆严重磨损，镀铬层脱落以及外部撞击出现变形等。从密封和工作原理的方面来看，其失效因素主要是丁腈橡胶材质的密封圈强度较低，在带有一定压力的油液的冲击作用下逐渐老化，失去原有的密封作用，减振器随即失去减振功能。本文考虑在减振器失效时，其减振功能完全丧失，阻尼为零，在此条件下，对跨座式单轨车辆运行稳定性进行仿真分析。

1.2 整车模型

以重庆轨道交通2号线跨座式单轨车辆为研究对象，基于多体动力学理论，采用UM多体动力学软件建立其动力学模型。该单轨车辆模型主要由1个车体、2个转向架组成，车体和转向架之间安装有空气弹簧、油压减振器、横向止挡等衰减车体与转向架之间的振动。每个转向架上均设置有2对走行轮轮对、2对导向轮轮对及1对稳定轮轮对，走行轮、导向轮、稳定轮均采用橡胶轮胎，在传递整车动力的同时起到一系悬挂的作用，整车不设一系悬挂，其拓扑结构如图2所示[4]。

该单轨车辆系统由车体、转向架、轮对等18个刚体组成，车体、转向架各取6个自由度，即伸缩、横移、浮沉、侧滚、点头、摇头，轮胎取1个绕轴转动的点头自由度，整个车辆系统共38个自由度，垂向横向具有强耦合作用，如表1所示。

对于该单轨车辆的多刚体系统，可以列出各刚体微分方程的矩阵形式如下：

2  减振器失效对运行平稳性的影响

2.1 车辆运行平稳性评价指标

目前国内外还没有建立跨座式单轨车辆运行平稳性评价指标，因此，本文采用铁道车辆的Sprling舒适度指标来评价单轨车辆的运行平稳性，其计算公式如下[5]：

式中：W为平稳性指标;A为车体振动加速度，g;f为振动频率，Hz;F（f）为频率修正系数。

2.2 减振器失效对横向平稳性的影响

在右转弯时，左侧减振器失效对平稳性影响较大，因此考虑减振器的几种失效工况如表2所示。

根据以上四种仿真工况，可以得到跨座式单轨车辆不同数量的减振器失效时车体的横向加速度如图3所示。

由图3可以看出，在0～5秒、12～22秒和32～35秒时，车辆减振器失效对单轨车辆横向稳定性影响不大。这是由于当二系油压减振器失效时，稳定轮和导向轮承担一系悬挂的作用，在直线段和稳定曲线段车体的受力较为平衡，其产生的阻尼力可以衰减由轨道不平顺所产生和离心力所产生的车辆横向振动。但在5～12秒及22～32秒，车辆处于过渡曲线段，整车受力变化较大，此时，当减振器完全失效时，整车的横向加速度波动最大，并在24秒左右达到峰值，其横向加速度几乎达到正常工况下的2倍。仿真结果表明，减振器失效几乎不影响车辆在直线段和稳定曲线段的横向稳定性，但是在进入稳定曲线段和驶出稳定曲线段时，减振器完全失效时对车辆横向稳定性的影响较大。

2.3 减振器失效对垂向平稳性的影响

在不同数量减振器失效的工况下，跨座式单轨车辆车体的纵向加速度变化规律如图4所示。

由图4可以看出，单轨车辆垂向加速度随着减振器失效数量的增多依次增高，当所有减振器均失效时，车辆运行到24s左右，纵向加速度达到峰值，达到正常工况的3倍。需要指出的是，当车辆未进入曲线段时，减振器失效工况与正常工况下的车辆纵向加速度变化相差不大，进入曲线段之后，在轨道的超高的作用下，车辆的纵向加速度变化增大。减振器失效工况下，车辆走行轮的一系减振作用无法及时衰减车辆的振动。特别是当减振器完全失效，车辆处于工况四时，至仿真结束35秒，车辆垂向加速度仍未收敛至初始直线段状态。仿真结果表明，单轨车辆减振器失效会显著增加车辆的纵向加速度，车辆的纵向加速度会随着单轨车辆减振器失效的数量的增多而增加。

2.4 减振器失效对曲线通过性的影响

跨座式单轨车辆的曲线通过性能可以采用车身侧倾角来表征，在不同数量减振器失效工况下，仿真得到的单轨车辆的车身侧倾角如图5所示。

由图5可以看出，减振器失效对跨座式單轨车辆车身侧倾角整体变化趋势几乎没有影响，仅当减振器全部失效时，在过渡曲线段车身侧倾角的波动较正常工况下的大。仿真结果表明，油压减振器失效对于车身侧倾角的影响很小，当减振器失效时不会明显降低单轨车辆的曲线通过性能。

3  结论

通过仿真分析，我们可以得到：每辆车失效1个、2个或3个减振器时，对单轨车辆横向平稳性影响不大，当减振器全部失效时，车辆通过过渡曲线段的横向加速度显著增加。每辆车失效1个或2个减振器时，单轨车辆的纵向加速度变化不大，每辆车失效3个以上减振器时纵向加速度显著增加。

参考文献：

[1]杜子学，曹丹婷.跨座式单轨车辆空气弹簧失效对行车安全性能的影响研究[J].机车电传动，2016（05）：76-80.

[2]时蕾，宋慧娟.高速列车抗蛇行减振器故障分析[J].中国工程机械学报，2019，17（04）：350-355.

[3]蒋益平，池茂儒，朱海燕.不同位置横向减振器失效对地铁车辆动力学性能影响[J].科学技术与工程，2019，19（10）：210-215.

[4]乔志.跨座式单轨交通车辆—轨道梁耦合系统动力问题研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[5]赵树恩，刘淅，杜子学，等.侧向风作用下跨座式单轨车辆运行平稳性研究[J].科技导报，2014，32（22）：42-46.