高速动车组动力学性能与一系垂向减振器故障关系研究

刘志远，徐腾养，杜召彬，郭兆团，徐小毛

（1.郑州职业技术学院城市轨道交通系，河南郑州450000；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031；3.郑州职业技术学院软件工程系，河南郑州450000）

一系垂向减振器一般垂直安装于转向架轴箱与构架之间，一般一个转向架安装4 个一系垂向减振器，主要作用是衰减轮对与轴箱之间的振动，尤其是衰减转向架的点头运动。转向架点头运动如果不加以衰减吸收，会造成轮对增减载剧烈，增大车辆脱轨风险，并且安装于构架上的设备也会因为过度剧烈振动而使得寿命大大减少。同时，车辆运行平稳性能也会下降，乘客乘坐舒适性也会受到影响［1］。因此，一系垂向减振器在车辆悬挂系统中起到了举足轻重的作用。

由于减振器不仅关系到乘坐舒适性，还涉及行车安全，如抗蛇行减振器，故国内外有不少学者对减振器展开研究。黄先富等［2］以我国某地铁城市一次实际一系垂向减振器故障为例，分析了此次一系垂向减振器失效的原因，并提出了相关整改措施。杨亮亮等［3］分析了一系垂向减振器与车辆稳定性及平稳性之间的关系。南岭等［4］、徐传波等［5］分析了一系垂向减振器与动力学性能之间的关系。徐腾养等［6］、欧红波［7］、黄彩虹等［8］、汪群生等［9］也分别以抗蛇行减振器为例，从不同角度分析了抗蛇行减振器与车辆动力学性能之间的关系。本文以我国某高速动车组为例，对该动车组用一系垂向减振器结构及原理进行分析，从结构上分析了一系垂向减振器可能存在发生故障的原因，并基于动力学软件SIMPACK 仿真分析了一系垂向减振器基于这些因素导致全部失效、对车辆动力学性能产生的影响。

1 一系垂向减振器结构分析

该高速动车组一系垂向减振器为双向流动式，结构如图1所示。

图1 该高速车辆一系垂向减振器结构Fig.1 Primary damper structure of the high-speed vehicle

图1 中，底阀总成、活塞总成上安装有阻尼阀，油液流经阻尼阀小孔，油液分子吸引力做负工产生阻尼力，即“小孔节流”。气囊总成内部充满空气，主要是为了阻止空气和油液直接接触，避免油液产生乳化现象。导向盖总成上具有多层动密封和静密封，主要作用是使减振器沿轴向进行拉伸和压缩，动密封主要作用是防止减振器在存在相对运动的活塞杆处漏油，静密封主要作用是防止油液从外缸处漏油。球铰总成主要作用为缓冲，另外，在外界压力作用下，当减振器产生偏离轴向运动时，球铰总成的橡胶部分也可以吸收该部分偏离，减少减振器活塞与内缸之间的磨损。

该一系垂向减振器拉伸原理：当活塞杆向右拉伸，图1 中II 腔油液受压缩，油液在外界压力下，经活塞总成流向I腔；由于活塞杆右移，其一部分体积离开减振器腔体，在压强作用下，使得III 腔内的油液经底阀总成补向I 腔内，以免造成油液局部空层现象。由于III 腔内一部分油液补向了I 腔，气囊总成内部含有空气，在压强作用下，气囊膨胀以弥补III内油液的缺失。其压缩原理为：当活塞杆向左压缩时，I 腔内油液受压缩，I 腔内一部分油液经底阀总成流向III 腔，一部分经活塞总成流向II 腔。由于III 腔内油液增加，在压强作用下，气囊总成内部空气被压缩，气囊体积减小。

基于上述结构及原理分析，以下几种情况可能造成减振器发生故障：①导向盖与活塞杆之间动密封磨损严重，油液从活塞杆处泄露，导致减振器失效；②外缸处O 型圈静密封老化失效或损伤，油液从外缸处泄露，导致减振器失效；③气囊破裂，空气进入高压缸，油液严重乳化，导致减振器失效；④底阀总成上回油装置发生故障，导致减振器失效；⑤球铰总成的橡胶部分和金属部分硫化脱落，导致减振器失效。

2 一系垂向减振器失效对车辆稳定性影响

本文从结构上分析了一系垂向减振器存在的潜在失效原因，基于动力学软件SIMPACK 建立了我国某高速列车动力学模型，如图2 所示，仿真分析了一系垂向减振器全部发生故障后对车辆动力学性能影响。

图2 该高速车辆动力学模型Fig.2 Dynamic model of the high-speed vehicle

该高速列车在车辆正常情况下和一系垂向减振器全部失效情况下的车辆蛇行临界速度如图3和图4 所示。从图3 和图4 可以发现，2 种工况下的蛇行临界速度均为425 km/h，这说明一系垂向减振器对车辆稳定性影响不大。

图3 车辆正常情况下临界速度Fig.3 Vehicle critical speed of under normal conditions

图4 一系垂向减振器失效工况下临界速度Fig.4 Critical velocity of primary damper under failure conditions

3 一系垂向减振器失效对车辆平稳性影响

图5~图7 分别表示一系垂向减振器全部失效后，对车辆横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适性的影响。从图中可以发现，当一系垂向减振器全部失效后，横向平稳性有轻微变差，垂向平稳性和乘坐舒适性有大幅度变差。这说明了一系垂向减振器对横向平稳性影响较小，对垂向平稳性及乘坐舒适性影响较大。

图5 一系垂向减振器失效对车辆横向平稳性影响Fig.5 Effect of the failure of primary damper on vehicle lateral stationarity

图6 一系垂向减振器失效对车辆垂向平稳性影响Fig.6 Effect of the failure of primary damper on vehicle vertical stationarity

图7 一系垂向减振器失效对乘坐舒适性影响Fig.7 Effect of the failure of primary damper on riding comfort

4 一系垂向减振器全部失效对车辆安全性影响

图8~图11 分别表示一系垂向减振器全部失效后，对车辆轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率等安全性指标影响。图中可以发现，一系垂向减振器全部失效后，轮轴横向力变化不大，轮轨垂向力、轮重减载率相对有一定变差，脱轨系数也略有增加。

图8 一系垂向减振器失效对轮轴横向力影响Fig.8 Effect of the failure of primary damper on wheel/axle lateral force

图9 一系垂向减振器失效对轮轨垂向力影响Fig.9 Effect of the failure of primary damper on wheel rail vertical force

图10 一系垂向减振器失效对脱轨系数影响Fig.10 Effect of the failure of primary damper on derailment coefficient

图11 一系垂向减振器失效对轮重减载率影响Fig.11 Effect of the failure of primary damper on wheel load reduction rate

5 结论

本文从结构上分析了我国某高速动车组一系垂向减振器结构和原理，从结构上分析了一系垂向减振器潜在失效的因素，并基于动力学软件SIMPACK 建立了我国某高速动车组模型，研究了一系垂向减振器在全部失效情况下，对车辆稳定性、平稳性及舒适性、安全性等动力学指标影响。具体结论如下：①一系垂向减振器存在多种因素使得减振器发生失效故障，主要因素还是动密封失效、静密封失效导致减振器产生漏油，因此，在一系减振器设计过程中，在密封设计以及密封材料选型上应当加以注意，选择耐磨性好、跟随性好、耐高温的材料。②当一系垂向减振器全部失效后，车辆稳定性变化基本没太大变化，即一系垂向减振器对车辆稳定性影响不大。③当一系垂向减振器全部失效后，车辆垂向平稳性以及乘坐舒适性有显著变差，对车辆横向平稳性影响较小。④当一系垂向减振器全部失效后，车辆安全性也有轻微变差，主要对轮轨垂向力、轮重减载率有一定影响。