抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對高速動車組運動穩(wěn)定性的影響-何遠

1、抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對高速動車組運動穩(wěn)定性的影響何遠，王勇（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）摘要：介紹了抗蛇行減振器的簡化模型Maxwell模型，采用SIMPACK軟件建立某高速動車組拖車模型，基于非線性穩(wěn)定性和線性穩(wěn)定性分析，研究了不同一系縱向定位剛度和等效錐度下抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對臨界速度的影響。研究結果表明，與不同的一系縱向定位剛度和等效錐度相匹配，抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響是有差異的，在不同一系縱向定位剛度和等效錐度下抗蛇行減振器串聯(lián)剛度有不同的最佳值。關鍵詞：高速動車組；抗蛇行減振器串聯(lián)剛度；穩(wěn)定性；Maxwell模型中圖分類號：U2

2、70.11文獻識別碼：A作者簡介：何遠(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為軌道車輛工程、車輛動力學及強度。Influence of Anti-yaw Damper Series StiffnessOn Running Stability of High-speed EMUHE Yuan, WANG Yong(Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China)Abstract: The Maxwell model, which is the s

3、implified model of anti-yaw damper, is introduced. High-speed EMU model is established by using SIMPACK. Based on nonlinear and linear stability analysis, the influence of anti-yaw damper series stiffness with different primary longitudinal stiffness and equivalent conicity on critical speed is stud

4、ied. It shows that the influence of anti-yaw damper series stiffness with different primary longitudinal stiffness on critical speed is different. The anti-yaw damper series stiffness with different primary longitudinal stiffness and equivalent conicity has different optimal value.Key words: High-sp

5、eed EMU, Anti-yaw Damper Series Stiffness, Hunting Stability, Maxwell model1.引言收稿日期：2014-10-18基金項目：十二五國家科技支撐計劃資助項目(2011BAG10B01-A01);鐵路總公司資助項目(2014J004-A)動車組在高速行駛當中轉向架會產生劇烈的蛇行運動，這將嚴重影響車輛的安全性和旅客的乘坐舒適度，還限制車速的進一步提高，采用抗蛇行減振器是抑制轉向架蛇行失穩(wěn)的重要手段，它縱向安裝于車體與轉向架之間，通過提供二系回轉力矩能夠提高車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此成為高速動車組最重要的懸掛元件1。很多國家出現(xiàn)過

6、抗蛇行減振器設計不良而導致的蛇行失穩(wěn)問題，因此有必要開展抗蛇行減振器特性對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響研究。在這方面國內外很多學者展開了大量的研究，曾京研究了減振器節(jié)點剛度對車輛臨界速度的影響2，馬衛(wèi)華研究了減振器安裝剛度對徑向轉向架機車橫向動力學性能的影響3，黃彩虹研究了抗蛇行減振器對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響4，Shimomura研究了減振器特性對車輛運行穩(wěn)定性和旅客乘坐舒適度的影響5，Alonso研究了抗蛇行減振器的精細建模并采用精細模型研究了抗蛇行減振器對車輛穩(wěn)定性的影響6，楊亮亮研究了考慮構架彈性時抗蛇行減振器安裝剛度對車輛動力學性能的影響7。傳統(tǒng)的抗蛇行減振器串聯(lián)剛度研究都是研究其單個參數(shù)對車輛

7、動力學性能的影響，而沒有考慮到車輛一、二系懸掛參數(shù)的匹配問題，另外也沒有考慮到車輛整個運行周期當中不同等效錐度下抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對運行穩(wěn)定性的影響差異問題，因此本文首先介紹了抗蛇行減振器的精確等效模型，為便于研究，將其簡化為彈簧和阻尼串聯(lián)的Maxwell模型，最后通過非線性穩(wěn)定性分析和線性穩(wěn)定性分析，研究了抗蛇行減振器串聯(lián)剛度在不同一系定位剛度和不同等效錐度下對車輛運行穩(wěn)定性的影響，為抗蛇行減振器串聯(lián)剛度優(yōu)化提供了理論依據。2.抗蛇行減振器等效模型4,8在車輛動力學仿真中，抗蛇行減振器是影響動力學性能的重要部件之一，其模擬的真實程度決定了仿真的精確程度?？股咝袦p振器的精確等效模型如圖1(a

8、)所示，圖中Lgap為減振器接頭處的微小間隙，是由長期服役下安裝座所積累的間隙和自然的結構間隙所組成，通常情況下在1mm左右；減振器內部液體的粘著阻力和節(jié)流孔阻力具有耗散沖擊能量的作用，其阻尼系數(shù)為C；Koil為動態(tài)液壓剛度；Krubber為兩端橡膠節(jié)點的串聯(lián)剛度；Kseat為安裝座剛度，總的抗蛇行減振器串聯(lián)剛度為：(a)精細模型 (b)簡化模型圖1 抗蛇行減振器振動模型將動態(tài)液體剛度、橡膠節(jié)點串聯(lián)剛度和安裝座剛度等效為綜合總的抗蛇行減振器串聯(lián)剛度Ke，同時為便于研究減振器特性對車輛動力學性能的影響，忽略抗蛇行減振器接頭的微小間隙，抗蛇行減振器的精細等效模型可以簡化為一個阻尼和彈簧串聯(lián)的組合元

9、件，稱為Maxwell模型，如圖1(b)所示，圖中，Ke為串聯(lián)系統(tǒng)的等效剛度，C為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。對于Maxwell模型，當串聯(lián)剛度較小而串聯(lián)阻尼趨于無窮大時，抗蛇行減振器可看作是一個純剛度力元；相反，當串聯(lián)阻尼較小而串聯(lián)剛度趨于無窮大時，抗蛇行減振器可看作是一個純阻尼力元?？股咝袦p振器主要表現(xiàn)為剛度特性還是阻尼特性主要取決于減振器的截止頻率wcut=Ke/C，當截止頻率wcut高于蛇形頻率，抗蛇行減振器傾向于表現(xiàn)為阻尼特性；當截止頻率低于蛇形頻率，抗蛇行減振器傾向于表現(xiàn)為剛度特性。假設抗蛇行減振器端部受到振幅為X=Asin(wt)的正弦激擾，而減振器活塞的位移為X0，則其減振器系統(tǒng)振動微分方

10、程為：可求得減振器阻尼力為：其中，其動態(tài)剛度可以表示為，以抗蛇行減振器串聯(lián)剛度作為可變參數(shù)，可以得到其頻響特性曲線，如圖2所示。(a)幅頻響應(b)相頻響應圖2 Maxwell模型頻率響應特性由圖2中可以看出，隨著外界激擾頻率的不斷增加，動態(tài)剛度可以劃分為以下3個頻段：大阻尼低頻段，其相位接近90°且動態(tài)剛度較小，可以很好地兼顧靜態(tài)曲線通過性能；高頻卸荷段，其相位接近于0°，動態(tài)剛度接近于串聯(lián)剛度，為了保護減振器內部元件，實行高頻卸荷；吸能頻帶，介于上述兩者之間，其相位響應的斜率比較大，該吸能頻帶的位置由前述的截止頻率wcut確定。另外可以從圖中看出，隨著串聯(lián)剛度的增加，抗

11、蛇行減振器對高頻擾動的抑制能力得到加強，即抗蛇行減振器串聯(lián)剛度在高頻激擾作用下動態(tài)剛度越來越強。3.整車系統(tǒng)動力學性能仿真分析為了深入研究抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對車輛運動穩(wěn)定性的影響，采用SIMPACK多剛體動力學仿真軟件建立某高速動車組拖車在時域內垂向和橫向的動力學計算模型如圖3所示。圖3 高速動車組拖車動力學仿真模型3.1抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對車輛非線性臨界速度的影響將抗蛇行減振器等效為彈簧和阻尼串聯(lián)的單元，采用數(shù)值仿真的方法，計算得到抗蛇行減振器串聯(lián)剛度與一系縱向定位剛度對非線性臨界速度的影響如圖4所示，從圖中可以看出一系縱向剛度取較小值10MN/m時，增加抗蛇行減振器剛度可以持續(xù)增大非線

12、性臨界速度，而一系縱向剛度大于20MN/m時，一定限度增大抗蛇行減振器串聯(lián)剛度能提高臨界速度，而過大增大串聯(lián)剛度反而不利于車輛穩(wěn)定性，即此時抗蛇行減振器存在最佳值使車輛取得較好的穩(wěn)定性，而隨著一系縱向定位剛度增大，抗蛇行減振器串聯(lián)剛度的最優(yōu)值不斷減小，并且減小的趨勢隨著一系縱向剛度持續(xù)增大有所減小。圖4 抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對非線性臨界速度的影響3.2抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對車輛線性臨界速度的影響由前述計算結果可知，在不同的一系縱向定位剛度下，抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對非線性臨界速度的影響是不同的。為了更深入地進行研究，選取一系縱向剛度為10MN/m(小定位剛度)、50MN/m(較大定位剛度)和12

13、0MN/m(大定位剛度)三種方式進行了線性特征值分析，計算范圍為50850km/h。在這里引入最小阻尼比的概念：對于每個速度下車輛系統(tǒng)的每個振型都對應于一個阻尼比，將阻尼比從大到小排列，阻尼比最小的那個被稱為最小阻尼比。將不同參數(shù)和速度下的最小阻尼比繪制于等勢圖上就得到了最小阻尼比等勢圖，圖中每條線代表一個阻尼數(shù)值。對于機械系統(tǒng)而言，一般按照阻尼比為5%判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，大于5%是穩(wěn)定的，小于5%是不穩(wěn)定的，而各個參數(shù)下5%阻尼比所對應的速度即為車輛系統(tǒng)在當前參數(shù)下的線性臨界速度。抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對車輛系統(tǒng)最小阻尼比的影響如圖5所示。(a) 大定位剛度 (Kpx=120MN/m)(b)較大

14、定位剛度(Kpx=50MN/m)(c)小定位剛度 (Kpx=10MN/m)圖5抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對車輛最小阻尼比的影響由圖可以看出，一系采用大定位剛度和較大定位剛度時，隨著抗蛇行減振器串聯(lián)剛度增大，線性臨界速度先增大后減小，此時抗蛇行減振器串聯(lián)剛度存在一個最優(yōu)值；一系采用小定位剛度時，隨著抗蛇行減振器串聯(lián)剛度增大，線性臨界速度持續(xù)增大但增長速度有所減?。煌瑫r相同抗蛇行減振器串聯(lián)剛度下，在抗蛇行減振器串聯(lián)剛度較大的范圍內，一系縱向定位剛度越低，臨界速度越高即運動穩(wěn)定性越好。3.3 不同等效錐度下影響情況對于高速動車組，抗蛇行減振器在車輛整個服役過程中都起著至關重要的作用，對抗蛇行減振器的參數(shù)研

15、究需要兼顧從原始新踏面到磨耗到限需要鏇修整個過程，因此計算分析了不同等效錐度下與一系不同定位剛度下，抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對車輛線性臨界速度的影響規(guī)律如圖6所示(計算到850km/h時車輛仍不失穩(wěn)則停止計算，將850km/h作為當前的線性臨界速度)。(a)大定位剛度 (Kpx=120MN/m)(b)較大定位剛度 (Kpx=50MN/m)(c)小定位剛度 (Kpx=10MN/m)圖6 等效錐度對線性臨界速度的影響由圖可知，一系采用大定位剛度和較大定位剛度時，隨著等效錐度的增加，車輛線性臨界速度降低，此時抗蛇行減振器串聯(lián)剛度存在最優(yōu)值，串聯(lián)剛度最優(yōu)值隨等效錐度增大有所增大，且相同等效錐度下，一系采用

16、大定位剛度和較大定位剛度時抗蛇行減振器的串聯(lián)剛度最優(yōu)值也有所不同，相同等效錐度下一系采用較大定位剛度時的抗蛇行減振器最優(yōu)值比一系采用大定位剛度時的抗蛇行減振器最優(yōu)值大；一系采用大定位剛度時，抗蛇行減振器串聯(lián)剛度大于30MN/m后，隨著等效錐度增大，臨界速度反而增大，這說明一系采用大定位剛度時，過大的抗蛇行減振器串聯(lián)剛度反而會造成新車輪踏面時的臨界速度較低；一系采用小定位剛度時，隨著等效錐度的增加，車輛線性臨界速度降低，等效錐度大于0.3以后車輛的線性臨界速度降低幅度較小，隨著抗蛇行減振器串聯(lián)剛度增大，線性臨界速度增大但增長速度有所減??；抗蛇行減振器等效串聯(lián)剛度在525MN/m且車輪踏面等效錐度

17、較大時增大一系定位剛度對提高臨界速度有利。4結束語(1) 一系采用不同縱向定位剛度時，抗蛇行減振器串聯(lián)剛度對車輛穩(wěn)定性的影響規(guī)律不同，同時在不同車輪踏面等效錐度下，大定位剛度和較大定位剛度時抗蛇行減振器串聯(lián)剛度存在不同的最優(yōu)值。在進行轉向架參數(shù)優(yōu)化時需要將一系縱向剛度和抗蛇行減振器串聯(lián)剛度結合起來研究，對抗蛇行減振器串聯(lián)剛度進行優(yōu)化時需要兼顧不同等效錐度時的運動穩(wěn)定性，保證車輛在整個運行周期當中都保持較好的穩(wěn)定性。(2) 實際當中的抗蛇行減振器串聯(lián)剛度是非線性的特性曲線，在未來的研究中需要采用寬吸能頻帶抗蛇行減振器假設模型來研究抗蛇行串聯(lián)剛度的車輛運動穩(wěn)定性影響。(3) 在研究中未考慮抗蛇行減

18、振器卸荷力、卸荷速度和串聯(lián)剛度之間的匹配關系，容易顧此失彼，在今后的研究中要綜合這幾個關鍵參數(shù)來研究抗蛇行減振器對車輛運動穩(wěn)定性的影響。(4) 抗蛇行減振器兩端一般采用彈性襯套或球鉸方式進行連接，除了其接頭軸向剛度外，扭轉剛度和偏轉剛度也對減振器阻尼力發(fā)揮造成一定的影響，未來將考慮這2個因素繼續(xù)深入研究。參考文獻：1 陸冠東.抗蛇行減振器在高速列車上的應用J.鐵道車輛,2006,44(8):6-8.2 曾京,鄔平波.減振器橡膠節(jié)點剛度對鐵道客車系統(tǒng)臨界速度的影響J.中國鐵道科學,2008,29(2):94-98.3 馬衛(wèi)華,王自力,羅世輝. 減振器安裝剛度對徑向轉向架機車橫向動力學性能的影響J.鐵道機車車輛,2005,25(4):10-13.4 黃彩虹,梁樹林,周殿買,等.抗蛇行減振器對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響C,