某型抗蛇行减振器力学特性试验研究

文敬涵，曾京

某型抗蛇行减振器力学特性试验研究

文敬涵，曾京

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

针对应用于我国动车组上的某型抗蛇行减振器，利用减振器性能试验台，在常温环境条件下进行泄漏试验和力学特性试验。通过泄漏试验检验抗蛇行减振器密封性能。力学特性试验分为静态和动态特性试验；静态特性试验验证抗蛇行减振器静态特性包括阻尼力－速度和阻尼力－位移特性；动态特性试验测试抗蛇行减振器动态特性参数，输出不同幅值及不同频率下减振器的动态刚度和动态阻尼。减振器试验过程中和试验结束后均无漏油现象，满足技术要求。同时试验结果表明了抗蛇行减振器力学特性研究的重要性。

标准动车组；抗蛇行减振器；力学特性试验

为避免车辆发生周期蛇行运动从而引发车轮与钢轨碰撞，高速动车组安装有二系纵向减振器，也称作抗蛇行减振器。由于抗蛇行减振器在抑制车辆蛇行运动、提高车辆临界速度及乘坐舒适度方面发挥着重要作用，现已成为高速列车的关键悬挂元件之一。研究抗蛇行减振器的力学特性，首先可以检验其是否符合标准，以确保其安装后车辆的安全性；其次对车辆的参数设计具有一定帮助意义；最后对于改善车辆的动力学性能具有重要的经济和安全意义。

有关抗蛇行减振器的研究很多。秦震等[1]研究了减振器特性参数对高速动车组临界速度的影响；曾京等[2]研究了减振器橡胶节点刚度对车辆稳定性的影响；韩辰辰等[3]研究了低温状态对抗蛇行减振器动态特性的影响；崔泽安等[4]建立高速列车动力学模型，从各个方面分析抗蛇行减振器动态特性并进行参数优化；朱海燕等[5]分析了新、旧抗蛇行减振器在不同安装长度时的动态和静态特性差异等。

西南交通大学牵引动力国家重点实验室搭建有减振器性能测试试验台，如图1所示。测试系统为Damper测试模块，控制系统为MTS（Mechanical Test and Simulation，机械试验与模拟），驱动装置为液压伺服驱动装置。本次试验所采用的对象是动车组上使用的某型抗蛇行减振器，试验按照TB/T 1491－2015[6]、EN13802-2013[7]等相关标准中的规定进行。将被试验减振器放置于与试验温度相同的常规大气压环境（17～23℃）里至少24 h。减振器特性试验包括动态特性试验及静态特性试验。静态特性试验可验证抗蛇行减振器是否合格；动态特性试验数据可用于仿真。

图1 减振器性能测试试验台

液压伺服系统采用全套美国进口的MTS液压站、伺服激振控制器、10 t作动器，满足各种减振器性能试验的加载需要。作动器内部安装了力和位移作动器，可测得减振器的阻尼力和激励位移的时间历程，并输出到MTS系统中相应的采集模块[5]，减振器的静态特性数据输出后可直接输入到origin中，可直接得到静态特性曲线。动态特性数据无法直接输出，需要输出测试得到的文本，导入编好的MATLAB程序中处理得到该减振器的动态数据，最后在origin中进行绘制，即可得到动态特性曲线。

1 抗蛇行减振器泄露试验

为检验该抗蛇行减振器密封性能，首先进行泄露试验。调节减振器为车辆上的实际安装位置；调节减振器长度为名义长度；试验行程为工作行程的75%；速度采用减振器名义速度；运行20个完整周期后拆下减振器防尘罩，检查有无油液渗漏。并且减振器在阻尼性能试验后需横放24 h，观察是否有油液泄露。经试验，该减振器密封良好无泄漏。

2 抗蛇行减振器静态特性试验

当减振器的结构刚度和液体刚度产生的动态影响被忽略，所表现出的特性被称为减振器的静态阻尼特性。静态阻尼特性是在减振器做低频、大幅值运动时表现出来的。根据相关标准[6-7]，在试验台上进行5个周期的完整循环，采集第4和第5周期数据进行处理，试验工况设定为25 mm，加载速度取0.005 m/s、0.01 m/s、0.015 m/s、0.02 m/s、0.025 m/s、0.03 m/s、0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s。

根据现有标准[6-7]，在名义速度下，阻尼不对称率须小于10%，减振器示功图曲线连续有规律，没有振荡、跳跃等突然改变。该减振器静态特性数据如表1所示。可见拉伸力－压缩力不对称率均小于10%，符合要求。

表1 抗蛇行减振器静态特性数据

抗蛇行减振器静态阻尼特性示功图如图2所示。当振动速度较小时，减振器示功图是一个标准椭圆；随着速度的增加，示功图面积增大，减振器的阻尼力幅值当速度增大到一定程度后，阻尼力幅值趋于稳定。这是因为振动速度较大时，减振器阻尼力达到卸荷力，速度增加阻尼力最大值只有微小增加。

图2 抗蛇行减振器静态阻尼特性示功图

抗蛇行减振器静态阻尼特性曲线如图3所示。首先将生产时厂家提供的试验曲线与试验台测得结果所绘制的曲线进行比较，发现两条曲线高度重合，证明试验台以及本试验的可靠性。其次从曲线中可以看出，静态特性具有分段性。当振动速度接近零时，曲线的斜率非常大；而当振动速度绝对值变大（＞0.005 m/s）后，静态阻尼特性曲线变得平缓，此时减振器卸荷阀已经开启。

3 抗蛇行减振器动态特性试验

抗蛇行减振器在实际的工作状态下，除了静态特性外，还会表现出较为复杂的动态特性。当考虑抗蛇行减振器橡胶接头刚度和液体刚度影响时，这种特性称为动态阻尼特性。将抗蛇行减振器安装在试验台上进行动态特性试验，激励幅值分别为0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、4 mm，在各个激励幅值下，在频率0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、3 Hz、4 Hz、5 Hz、6 Hz、7 Hz、8 Hz、9 Hz、10 Hz处均设置一个工况。在各动态试验工况下运行5个完整循环，采集后3个循环的数据，得出动态刚度和阻尼随频率的变化规律。

图3 抗蛇行减振器静态阻尼特性曲线

3.1 动态试验示功图分析

不同激励幅值下的动态特性试验示功图（-）如图4所示。可以看出，减振器动态特性示功图为一偏转椭圆；试验过程中由于误差的存在，示功图并没有表现出完美的对称性，但规律性依旧存在。在相同激励幅值下，激励频率变大的过程中示功图的面积也在不断变大；同时相位角变大，示功图的偏转程度加剧。当激励频率增大到一定程度后，减振器发生卸荷，幅值平稳不再变化，偏转椭圆的偏转程度也不再变化。

不同激励频率下的示功图如图5所示，可以看出，和图4规律类似，在相同激励频率下，激励幅值增大，示功图面积不断增加；但幅值的改变不会影响偏转角度[9]。

3.2 动态阻尼特性试验研究

该减振器的动态阻尼试验结果如表2所示，可以看出动态阻尼值变化范围很大，说明其受到激励频率和激励幅值很大的影响。

将表2数据绘制为曲线，如图6所示。可以看出，在低频区域，减振器处于非卸荷状态，频率稍微变大后，阻尼曲线呈现上升趋势；随着频率继续增大，阻尼力增大，抗蛇行减振器的卸荷阀虽然依旧未开启，但其他溢流阀开启，使动态阻尼增加速率变慢，直至阻尼值呈现出慢慢减小的现象。在高频区域，卸荷阀开启，阻尼力达到卸荷力，由于动态阻尼反比于激励频率[10]，所以频率增加、动态阻尼减小。激励幅值越大，随着频率的增大，阻尼力越快达到卸荷力。因此，动态阻尼峰值所对应的频率随着幅值增加，向左移动；当激励幅值达到一定程度后（＞1.50 mm），动态阻尼曲线随频率增大而减小，不再有上升趋势。在激励幅值较小的工况中（＜1.00 mm），当激励频率达到最大时，不同于高激励幅值工况，减振器的卸荷阀依旧未开启，动态阻尼没有到大幅减小的阶段。

动态阻尼随幅值变化的特性曲线如图7所示。在幅值较小时，减振器卸荷阀未打开，振幅增加、动态阻尼增大。随着幅值慢慢变大，此时卸荷阀还未开启，但其他溢流阀已经开启，动态阻尼增加速率开始变得缓慢，而后开始减小；在高幅值区域，减振器卸荷阀开启，而动态阻尼反比于激励幅值的平方[10]，所以动态阻尼随着振幅增加不断下降。在激励频率越低的工况中，减振器卸荷越晚，甚至激励幅值增长到最大时，减振器依旧没有工作在卸荷区域，因此在高幅值区域，激励频率越低的工况下动态阻尼值越大；在各个工况下，动态阻尼的峰值所对应的幅值随着频率增加，向左移动。

3.3 动态刚度特性试验研究

该减振器的动态刚度试验结果如表3所示，可以看出，其受到激励频率和激励幅值很大影响。

表2 抗蛇行减振器动态阻尼试验结果

图6 抗蛇行减振器动态阻尼频变特性曲线

图7 抗蛇行减振器动态阻尼幅变特性曲线

表3 抗蛇行减振器动态刚度试验结果

动态刚度随激励频率变化的特性曲线如图8所示。抗蛇行减振器处于激励低频区域时，减振器处于非卸荷状态，阻尼力较小，此时动态刚度随频率的增大而增大；频率增大到一定程度后，减振器卸荷阀开启，动态刚度随频率的增大而缓慢增长，直至趋于稳定不变。激励幅值越高，减振器越容易出现卸荷现象，动态刚度越快达到稳定状态。当幅值较高时（＞1.5 mm）减振器卸荷早，幅值过低时（0.25 mm）激励速度小，两种情况下减振器动态刚度都较小，反而在激励幅值较小时（＜1.0 mm）可以达到较高的动态刚度。

图8 抗蛇行减振器动态刚度频变特性曲线

动态刚度随激励幅值变化的特性曲线如图9所示。和动态阻尼类似，低幅值时，抗蛇行减振器工作在非卸荷区域，动态刚度随幅值的增大而增大。高幅值区域，减振器卸荷阀开启，阻尼力幅值趋于稳定，动态刚度随幅值的增大而减小。和动态阻尼一样，动态刚度的峰值所对应的幅值随着频率的增加，向左移动。当频率较小时（＜1 Hz），直至幅值增大到最大，激励速度依旧较低，减振器工作在非卸荷区域，没有表现出明显的动态特性，因此在高幅值区域动态刚度没有降低，始终维持在较低水平。

4 结论

通过搭建抗蛇行减振器力学特性试验台，对静态和动态试验的结果进行分析。得到以下结论：

（1）该型抗蛇行减振器无泄漏且试验指标均在限值范围内，满足技术要求；

（2）减振器的静态特性受激励幅值与激励频率影响较小，因为其反应的是减振器内部的固有特性，可以用来证明试验的可靠性；

（3）动态特性的表现要比静态特性复杂，激励频率与激励幅值对其影响非常大；

（4）静态特性和动态特性都是抗蛇行减振器的重要特性，设计时必须综合考量。

图9 抗蛇行减振器动态刚度幅变特性曲线

[1]秦震，周素霞，孙晨龙，等. 减振器特性参数对高速动车组临界速度的影响研究[J]. 机械工程学报，2017，53（6）：138-144.

[2]曾京，邬平波. 减振器橡胶节点刚度对铁道客车系统临界速度的影响[J]. 中国铁道科学，2008（2）：94-98.

[3]韩辰辰，曾京，石怀龙，等. 关于低温状态下高速动车组运行稳定性的研究[J]. 机械，2019，46（7）：6-10，54.

[4]崔泽安，徐腾养，邬平波. 抗蛇行减振器动态特性分析以及对车辆动力学性能影响研究[J]. 机械，2018，45（2）：1-5.

[5]朱海燕，徐腾养，池茂儒. 高速列车抗蛇行减振器动态与静态特性研究[J]. 现代制造工程，2018（6）：12-17.

[6]国家铁路局. 机车车辆油压减振器：TB/T 1491－2015[S]. 北京：中国铁道出版社，2016.

[7]欧洲标准化委员会. 铁路应用－弹簧单元－液压减振器：BS EN13802-2013[S]. 2013.

[8]欧红波. 抗蛇行减振器特性试验及对动力学性能影响研究[D]. 成都：西南交通大学，2016.

[9]杨东晓. 铁道车辆抗蛇行减振器动态特性研究[D]. 成都：西南交通大学，2015.

Characteristics Experiment Research on Mechanical Performance of an Anti-Yaw Damper

WEN Jinghan，ZENG Jing

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

Through the mechanical properties test of anti-yaw dampers produced by a certain company and used in the EMUS of our country, the leakage test and mechanical characteristic test were carried out by using the anti-yaw damper performance test rig under normal temperature environment. Check the sealing performance of anti-yaw damper by leakage test; Mechanical properties test is divided into static and dynamic properties test. Static characteristics of the anti-yaw damper are verified by static characteristics test, including damping force- velocity and damping force-displacement characteristics. The dynamic characteristic test tests the dynamic characteristic parameters of the anti-yaw damper, outputs the dynamic stiffness and dynamic damping at different amplitudes and frequencies. There is no oil leakage during and after the test, which meets the technical requirements. The test results show that the anti-yaw damper has obvious amplitude and frequency variation characteristics, the impact must be considered when designing.

standard EMUS；anti-yaw damper；characteristics experiment on mechanical performance

U260.331+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.09.001

1006-0316 (2022) 09-0001-06

2022-03-01

国家自然科学基金：高速列车牵引传动系统耦合振动机理与主动减振技术研究（U1934202）

文敬涵（1998－），女，辽宁鞍山人，硕士，主要研究方向为蛇行运动稳定性，E-mail：18742542070@163.com；曾京（1963－），男，湖南涟源人，博士，教授，主要研究方向为高速列车系统动力学、车辆系统非线性动力学，E-mail：zeng@swjtu.edu.cn。