基于SIMPACK的一系悬挂阻尼对车辆运行品质影响研究

刘志远, 张红涛, 徐腾养, 郭兆团

(1.郑州职业技术学院 城市轨道交通系, 河南 郑州 450000; 2.郑州铁路职业技术学院 机车车辆学院,河南 郑州 450052;3.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 四川 成都 610031)

1 引 言

铁道车辆通过悬挂系统缓和来自钢轨的振动冲击,提高车辆运行性能,延长车辆和轨道使用寿命。车辆悬挂系统包括一系悬挂(也称轴箱悬挂)和二系悬挂(也称中央悬挂),一系悬挂安装在轮对和构架之间,二系悬挂安装在构架和车体之间[1]。一系悬挂系统包括一系垂向悬挂阻尼(也称一系垂向减振器,以下简称一系阻尼)、一系转臂定位节点、轴箱弹簧等,二系悬挂主要包括二系垂向阻尼、二系横向阻尼、二系纵向、二系空簧、抗侧滚扭杆、牵引拉杆等。列车一般有2个转向架,一个转向架安装有4个一系阻尼。

本文以一系阻尼为研究对象,从三维角度分析了其内部结构原理,并仿真分析了其失效1个和失效2个(每个转向架各一个)一系阻尼及全部一系阻尼失效对车辆动力学性能的影响。考虑到一系阻尼主要作用就是吸收轮对与转向架之间的垂向振动,主要包括转向架浮沉和点头运动,即主要影响车辆的平稳性和舒适性,对车辆稳定性即蛇行临界速度和安全性即列车曲线通过性能影响较小,故本研究更多倾向于对运行品质影响。

对于阻尼悬挂系统的研究,Mădălina D等[2]研究了一系悬挂阻尼对车辆舒适性的影响；Sun W J等[3]对地铁一系悬挂钢簧失效对车辆轨道耦合动力学影响进行了研究；Ruichen Wang等[4]分析了铁道车辆一系悬挂使用能量可再生阻尼器的可行性；黄先富等[5]分析了地铁一系垂向减振器失效的原因;杨亮亮等[6]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;文献[7,8]等分析了一系垂向减振器与动力学性能之间的关系;周长城等[9]对高速列车一系悬挂减振器阻尼匹配问题进行了分析;刘彬等[10]对减振器参数设计及特性进行了分析；白洋等[11]对悬挂系统初始位姿识别方法进行了研究；胡敏等[12]对一系垂向阻尼系统倾斜角度对车辆动力学性能影响进行了研究。

本文基于三维软件SolidWorks从结构上分析了一系阻尼发生失效的潜在因素,并基于动力学软件SIMPACK仿真分析了一系阻尼发生故障后对车辆动力学性能产生的影响。

2 列车一系阻尼结构原理及常见故障

2.1 一系阻尼结构

列车一系阻尼结构如图1所示,其结构为阀片式结构,即通过控制阀片数量及厚度来控制其阻尼力大小。主要包括连接环总成1、球铰总成2、保护罩3、活塞及活塞杆总成4、外缸总成5、底阀总成6、压力缸7、导向盖8、O型圈静密封9、骨架密封总成(动密封)10组成。其中,活塞及活塞杆总成4、底阀总成6设置有阀片式阻尼阀。拉伸阻尼仅由活塞拉伸阻尼阀控制,阀片数量越多和阀片厚度越厚,拉伸阻尼力越大。压缩阻尼由活塞压缩阻尼阀和底阀阻尼阀共同控制,活塞或底阀上阀片数量越多,数量越厚,压缩阻尼力越大。O型圈静密封8、骨架密封总成(动密封)9分别阻止油液从储油缸和活塞杆处泄露。

图1 列车一系阻尼工程结构图Fig.1 Engineering structure figure of primary damping of train

2.2 一系阻尼原理

一系阻尼为双向流动结构,即油液可以从拉伸流向压缩,也可由压缩流向拉伸,其结构如图2所示。

图2 一系阻尼原理图Fig.2 Schematic diagram of primary damping

其拉伸原理为:当活塞杆拉伸时,拉伸Ⅰ腔油液受压缩,在压强作用下,Ⅰ腔油液通过活塞拉伸阀流动Ⅱ腔,如图3箭头1流向,油液从Ⅰ腔顶开阀片流向Ⅱ腔,顶开阀片过程产生拉伸阻尼力。同时,由于一部分活塞杆已经移除一系阻尼内部,不再占据压力缸体积,故储油Ⅲ腔油液通过底阀总成上单向回油装置,顶开单向阀片,向压缩Ⅱ腔补油,回油过程如图4箭头1流向。其压缩原理为:当活塞杆压缩时,压缩Ⅱ腔油液受压缩,Ⅱ腔一部分油液通过压缩阀顶开阀片,流向Ⅰ腔,同时,由于活塞杆压缩过程占据了压力缸一部分体积,另一部分油液通过底阀阻尼阀流向储油Ⅲ腔,油液顶开活塞压缩阀和底阀上阀片过程产生阻尼力。压缩过程活塞油液流动过程如图3所示,底阀油液流动过程如图4所示。

图3 活塞油液流动方向Fig.3 Oil flow direction of piston

图4 底阀油液流方向Fig.4 Oil flow direction of bottom valve

2.3 一系阻尼常见故障

综合结构分析,一系阻尼常见故障主要由以下几种因素引起:

1) 动密封失效,即油液从活塞杆处泄露;

2) 静密封失效,油液从储油缸处产生泄露;

3) 油液产生乳化现象,运动粘度急剧下降;

4) 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。

3 列车动力学模型分析

该列车转向架采用无摇枕结构,主要包括构架、轮对、轴箱悬挂装置、中央悬挂装置、制动和牵引装置。轴箱悬挂装置包括转臂定位、轴箱钢弹簧和一系垂向悬挂阻尼;中央悬挂装置采用空气弹簧,并安装了二系横向、抗蛇行减振器、抗侧滚扭杆,中央悬挂装置还设有由间隙和橡胶块提供的非线性横向止档。制动为轴盘制动,牵引装置采用单拉杆牵引。

列车组是一个复杂的多体系统,不但有各部件之间的相互作用力和相对运动,而且还有轮轨之间的相互作用关系。因此,理论计算分析模型只能根据研究的主要目的和要求,对一些次要因素进行相应的假定或简化,而在对动力学性能影响较大的主要因素上尽可能作出符合实际情况的模拟。为了更好地模拟该列车的运行性能,建模时考虑了将车辆横向运动和垂向运动耦合起来的数学模型。定义列车前进方向的第一个轮对为一位轮对。坐标系的取法如下:列车前进方向为x轴;y轴平行于轨道平面指向右方;z轴垂直轨道平面向下。车辆动力学模型由3节车组成,每节车由1个车体、2个构架、4个轮对、2个牵引拉杆和8个转臂组成。其中,车体、构架、牵引拉杆、轮对取 6 个自由度,即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头,转臂取1个自由度,即点头。故每节车共有62个自由度,每列车共186个自由度。

根据第2节分析的一系阻尼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5所示,仿真分析了一系阻尼发生故障后对车辆动力学性能影响,其动力学模型详见图5所示,车辆基本参数详见表1所示。

图5 列车动力学模型Fig.5 Dynamic model of train

4 一系阻尼失效对运行品质影响

一系阻尼主要作用是衰减车轮传递给转向架的垂向运动,包括转向架点头和浮尘运动。从动力学角度考虑,其性能主要影响车辆运行品质,即列车平稳性和乘坐舒适性,对车辆稳定性即蛇行临界速度、车辆安全性即曲线通过性能影响较小,故本文只对运行品质影响展开详细研究。

列车运行品质主要考察其平稳性(包括横向及垂向平稳性)和舒适性,即考察车辆的直线运行性能以及乘客对舒适性的感受。其中,平稳性或舒适性指标值越大,说明平稳性或舒适性越差。本文平稳性和舒适性计算方法为先让列车在一段理想的轨道谱上运行,然后在一段无限长的实测不平顺的轨道谱上(本文选取武广线实测线路谱)运行,待列车运行一段距离后开始采集车体振动加速度。

4.1 一系阻尼失效对列车横向平稳性影响

本文研究对象为3编组列车,分析了每辆车失效1个一系阻尼、每辆车失效2个一系阻尼(每个转向架各1个,下同)、每辆车一系阻尼全部失效后头车、中间车及尾车。

图6～图8分别表示速度100～400 km/h,每辆车失效1个一系阻尼、每辆车失效2个一系阻尼、每辆车一系阻尼全部失效后对头车、中间车、尾车横向平稳性影响。从图6～图8可以发现,当车辆失效1个、2个或全部一系阻尼时,其横向平稳性变化均不大。

图6 一系阻尼失效对头车横向平稳性影响Fig.6 Primary damping failure influence on lateral stability of head car

图7 一系阻尼失效对中间车横向平稳性影响Fig.7 Primary damping failure influence on lateral stability of middle car

图8 一系阻尼失效对尾车横向平稳性影响Fig.8 Primary damping failure influence on lateral stability of tail car

4.2 一系阻尼失效对列车垂向平稳性影响

图9～图11分别表示速度100～400 km/h,一系阻尼失效1个、2个及全部失效对头车、中间车、尾车垂向平稳性影响。从图9～图11可以发现,当一系阻尼失效1个、2个时,其垂向平稳性指标变化不是很大。当每辆车一系阻尼全部失效后,车辆横向平稳性指标有所增加,即垂向平稳性能有所恶化。其中,在速度100～400 km/h内,失效1个或2个一系阻尼,其垂向平稳性恶化均小于5%。当全部一系阻尼失效后,其垂向平稳性恶化最高可达25%。

图9 一系阻尼失效对头车垂向平稳性影响Fig.9 Primary damping failure influence on vertical stability of head car

图10 一系阻尼失效对中间车垂向平稳性影响Fig.10 Primary damping failure influence on vertical stability of middle car

图11 一系阻尼失效对尾车垂向平稳性影响Fig.11 Primary damping failure influence on vertical stability of tail car

4.3 一系阻尼失效对乘坐舒适性影响

图12～图14分别表示速度100～400 km/h内,一系阻尼失效1个、2个及全部失效对头车、中间车、尾车乘坐舒适性影响。从图12～图14可以发现,当一系阻尼失效1个、2个时,乘客乘坐舒适性指标有轻微恶化。当每辆车一系阻尼全部失效后,舒适性指标均急剧增加,即舒适性急剧恶化。其中,在速度100～400 km/h,失效1个或2个一系阻尼,乘坐舒适性恶化不超过15%。当全部一系阻尼失效后,舒适性恶化最高可达186%。

图12 一系阻尼失效对头车舒适性影响Fig.12 Primary damping failure influence on safety of head car

图13 一系阻尼失效对头车舒适性影响Fig.13 Primary damping failure influence on safety of middle car

图14 一系阻尼失效对尾车舒适性影响Fig.14 Primary damping failure influence on safety of tail car

5 结 论

本文对某高速动车组悬挂进行优化的同时,以一系阻尼结构和原理出发点,分析了一系阻尼潜在失效的因素,并仿真研究了一系阻尼在失效1个、2个及全部失效情况下,对车辆动力学性能影响,这对后期一系阻尼故障处理提供了一定帮助,具有一定工程应用意义。通过研究,得到以下结论:

1) 一系阻尼存在多种因素使得减振器发生失效故障,主要因素包括骨架动密封失效、O型圈静密封失效、油液乳化等导致减振器失效。

2) 当一系阻尼失效1个、2个或全部失效后,列车横向平稳性变化受影响较小,这是由于一系阻尼垂向布置所致,其主要作用为衰减车辆垂向振动。

3) 当一系阻尼失效1个或2个时,其垂向平稳性恶化不超过5%,即影响较小,当全部失效后,垂向平稳性恶化最高可达25%,即有较大影响。

4) 当一系阻尼失效1个或2个时,舒适性恶化不超过15%,即对舒适性有一定影响。当全部失效后,舒适性恶化最高可达186%,即对舒适性存在极大影响。

基于本文研究,建议减振器厂家在对减振器进行设计时,应该基于导致减振器失效较多的因素进行考虑,在设计时尽可能地避免发生。也建议地铁公司或路局在日常检修或者厂修过程中,要注意对一系阻尼的维护。

当一系阻尼全部失效后,虽不会严重影响行车安全,但其会影响车辆平稳性和舒适性,同时转向架上其他电器元件也会因振动剧烈而缩短寿命。与此同时,也为后续研究人员提供参考,一系阻尼主要衰减转向架点头和浮尘运动,即只能提供垂向阻尼,只能影响车辆平稳性及舒适性,对横向平稳性及抗侧滚基本没有太大影响,是否可以研发一种垂向多功能阻尼器既可以提供垂向阻尼,还可以提供抗侧滚刚度,这样不仅可以取消抗侧滚扭杆,还可以节省空间，节约成本。