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
崔泽安，徐腾养，邬平波
（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）
基于SIMPACK建立某高速列车动力学模型，主要从橡胶节点刚度、卸荷速度、卸荷力等方面分析了抗蛇行减振器对列车的动力学性能影响，并对各性能参数进行优化选择，同时，从实验角度研究了油液温度对减振器阻尼特性影响。分析结果表明：油温对减振器阻尼特性影响很大；随着卸荷速度的增加，车辆系统动力学性能有所恶化；随着卸荷力的增加，车辆系统动力学性能有所改善；橡胶节点刚度对车辆动力学性能影响与卸荷速度选取值有关。对橡胶节点刚度优化选取在5～10 MN/m范围内变动，卸荷速度选取为0.01 m/s，卸荷力选取为12 kN，此时，车辆动力学性能可以达到最优范围。
SIMPACK；橡胶节点刚度；卸荷速度；卸荷力；动力学性能；油温；阻尼特性
本文以抗蛇行减振器自身的阻尼特性以及对车辆动力学性能带来的影响为出发点，从实验角度分析研究了温度对阻尼特性带来的影响。再从动力学仿真角度分析了抗蛇行减振器节点刚度、卸荷速度、卸荷力对车辆动力学性能影响，并对各参数进行了优化选择，使动力学性能达到最优化。
很多学者对抗蛇行减振器进行了研究。杨东晓[1]对抗蛇行减振器MAXWELL模型进行了研究；徐腾养[2-4]对抗蛇行减振器动态性能、温变特性及温变特性对车辆动力学性能影响进行研究；杨亮亮[5-6]研究了抗蛇行减振器安装刚度对弹性构架动力学性能的影响以及一系垂向减振器对车辆动力学的影响，曾京[7]研究了减振器橡胶节点刚度对车辆稳定性的影响。
本文研究了橡胶节点刚度对蛇行稳定性的影响。本文的创新在于从油液温度角度分析了其对减振器动态特性影响，然后从橡胶节点刚度、卸荷速度、卸荷力等方面入手，寻找它们之间的最佳匹配关系，对抗蛇行减振器性能参数进行优化选择。何远[8]也曾研究过抗蛇行减振器串联刚度对高速动车组运行稳定性的影响，但是文中未考虑抗蛇行减振器卸荷力、卸荷速度和刚度之间的匹配关系。
1 油温对减振器动态特性影响
为验证油温对减振器动态特性的影响，在西南交通大学轨道交通国家实验室减振器试验台上研究我国某高速列车抗蛇行减振器，其卸荷速度0.01 m/s，卸荷力7500 N，阻尼系数750 kN·s/m。从图1可以看出，温度越高，减振器吸收的能量越少，这是因为随着温度增加，油液粘性减小，导致流量损失加大，吸收的能量就相对减少。从图2可以看出，温度越高，减振器吸收的能量越少，温度越低，这一现象越明显。动态阻尼随着频率的增加先增加后减小，随着温度减小，动态阻尼越来越大，且温度越低，增加越快。频率越低，温升对动态阻尼影响越明显。动态刚度随着频率的增加，先增加后逐渐趋于稳定，随着温度减小，动态刚度越来越大，且温度越低，增加越快。油液温度对动态阻尼的影响大于对动态刚度的影响。
图1 不同温度下F－S 图
图2 不同温度对动态阻尼、动态刚度的影响
2 抗蛇行减振器对车辆蛇行稳定性影响
橡胶节点刚度对抗蛇行减振器阻尼性能有着重要影响，橡胶节点刚度越大，吸收的能量越多。另一方面，其对车辆系统动力学性能也有一定影响。节点刚度过大，高频振动不能被有效吸收，减振器容易别劲或者偏磨；节点刚度过小，过多的缓冲行程会使减振器有效减振行程缩短，减振效果大大减弱[9]。另外，节点刚度过大或过小，车辆蛇行稳定性、安全性、平稳性以及乘坐舒适性都没有达到最优状态。
减振器设置卸荷区域主要是为了防止减振器内部油液压力过大导致损坏减振器内部结构，降低密封装置寿命和产生油液泄露，其卸荷速度、卸荷力均不宜过大或过小，否则无法使车辆动力学性能达到最优状态。为研究抗蛇行减振器对车辆动力学性能的影响，基于SIMPACK建立我国某高速列车动力学模型，如图3所示。
图3 高速列车动力学计算模型
从图4（a）可以看出，橡胶节点刚度对蛇行临界速度的影响总体呈先增大后减小再逐渐趋于稳定的趋势，这是因为节点刚度过小时，橡胶缓冲了不少位移，使得减振器有效减振行程减小，影响了蛇行稳定性，使得蛇行临界速度偏低；当节点刚度过大时，会传递高频振动至车体，蛇行稳定性变差，也影响了蛇行临界速度。只有当节点刚度在中间某个最佳范围时，才既有效地吸收了振动能量，又隔离了高频振动，此时，临界速度达到最佳。临界速度最终逐渐趋于稳定是因为当节点刚度大到一定程度时，传递了更多高频振动，节点刚度对蛇行临界速度影响逐渐不明显，这与曾京[7]、黄彩虹[10]分析的结果相一致。从图中可以得到，当节点刚度在5～10 MN/m范围内变动时，蛇行临界速度比较大。随着卸荷速度的增加，蛇行临界速度逐渐减小，最终逐渐趋于水平稳定。当卸荷速度从0.001 m/s增加到0.005 m/s时，临界速度下降非常明显，而之后卸荷速度再增加，临界速度下降变化逐渐减弱，这说明卸荷速度在非常微小时，其微小变化对临界速度影响非常明显。随着卸荷力增加，蛇行临界速度逐渐增加，最后趋于水平，这说明卸荷力只有在一定范围内才能提高蛇行临界速度，超过这一范围，甚至会降低蛇行临界速度，与卜继玲[11]对机车蛇行稳定性分析相一致。综合三者对蛇行临界速度的影响，此高速列车橡胶节点刚度值可以选取在5～10 MN/m范围内，临界速度可以优选为0.01 m/s，卸荷力可以优选为12 kN，此时临界速度可以达到最优范围。
3 减振器对车辆安全性影响
从图4（b）～（e）可以看出，随着卸荷速度的增加，轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率以及磨耗指数均逐渐增加，表明车辆安全性有所恶化；随着卸荷力的增加，轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率以及磨耗指数均逐渐减小，表示车辆安全性逐渐改善；橡胶节点对轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率以及磨耗指数的影响与卸荷速度的取值有关，当卸荷速度不大于0.01 m/s时，橡胶节点刚度对车辆安全性影响不明显。当节点刚度取值5～10 MN/m、卸荷速度0.01 m/s、卸荷力12 kN时，不仅可以使蛇行临界速度达到最优范围，还可以使安全性能达到最优状态。
4 减振器对车辆平稳性以及乘坐舒适性影响
从图5可以看出，随着卸荷速度的增加，横向、垂向平稳性以及乘坐舒适性均有所恶化；随着卸荷力的增加，横向、垂向平稳性以及乘坐舒适性均有所改善，但是当卸荷力一直增加时，车辆平稳性指标以及乘坐舒适性会出现略微回升现象，说明平稳性以及舒适性开始变差，这是因为卸荷力过大，构架会传递大的振动至车体，从而影响了蛇行稳定性，使得横向、垂向平稳性以及乘坐舒适性变差，另一方面，卸荷力过大还会损坏减振器内部结构；橡胶节点刚度过大或者过小都会导致平稳性以及乘坐舒适性指标变大，表明橡胶节点刚度过大或者过小均会使平稳性以及舒适性变差，从图中可以看出，橡胶节点刚度变化范围在5～15 MN/m内时，车辆平稳性以及乘坐舒适性较好。因此，当节点刚度范围取5～10 MN/m、卸荷速度0.01 m/s、卸荷力12 kN时，不仅可以使蛇行临界速度、安全性能达到最优范围，还可以使平稳性以及乘坐舒适性达到最优状态。
5 结论
（1）温度升高，减振器吸收的能量减少，温度越低，影响越明显。动态阻尼随着频率的增加先增加后减小，频率越低，影响越明显。动态刚度随着频率的增加先增加后逐渐趋于稳定。动态阻尼和动态刚度都随着温度的减小而增加，且温度越低，增加越快，温度对动态阻尼的影响大于对动态刚度的。
（2）橡胶节点刚度存在一个最佳范围；节点刚度对轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、磨耗指数、横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适度的影响，都与卸荷速度的取值有关，最终橡胶节点刚度值优选在5～10 MN/m范围内。
（3）随着卸荷速度的增加，车辆动力学性能整体呈恶化趋势，卸荷速度越小，其改变引起的蛇行临界速度变化越明显，但卸荷速度不宜过大或过小，最终卸荷速度优选为0.01 m/s。
（4）随着卸荷力的增加，车辆动力学性能整体呈改善趋势，但卸荷力不宜过大或过小，最终卸荷力优化为12 kN。
图5 橡胶节点刚度、卸荷速度、卸荷力对车辆平稳性和乘坐舒适性的影响
[1]张振先，杨东晓，池茂儒. 抗蛇行减振器的模型研究[J]. 机械，2015，42（7）：1-4.
[2]徐腾养，池茂儒，李涛，等. 抗蛇行减振器动态性能研究[J].机械，2016，43（8）：1-5.
[3]徐腾养，池茂儒，田向阳，等. 抗蛇行减振器内部油液温度对其动态特性影响研究[J]. 机车电传动，2016（6）：43-46.
[4]徐腾养，池茂儒，朱海燕，等. 油温对抗蛇行减振器特性和动力学性能影响[J]. 振动、测试与诊断，2017，37（6）：1094-1099.
[5]杨亮亮. 抗蛇行减振器安装刚度对弹性构架车辆动力学性能影响[J]. 机车电传动，2012（4）：15-18.
[6]杨亮亮，傅茂海，张尚敬. 一系垂向减振器对高速列车运行稳定性和平稳性的影响[J]. 铁道车辆，2013，51（1）：1-4.
[7]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，2008，29（2）：94-97.
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[9]杨国桢，王福天. 机车车辆液压减振器[M]. 北京：中国铁道出版社，2003.
[10]黄彩虹，梁树林，周殿买. 抗蛇行减振器对车辆系统稳定性的影响[C]. 合肥：第八届中国智能交通年会优秀论文集，2013.
[11]卜继玲，樊友权. 抗蛇行减振器对机车运行品质的影响[J]. 电力机车与城轨车辆，27（6）：6-8.
The Analysis of Resistance Features of Yaw Damper and the Influence of Yaw Damper on Vehicle Dynamic Performance of High-Speed Trains
CUI Zean，XU Tengyang，WU Pingbo
( State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
The dynamic model of one high-speed train of our country is built based on SIMPACK in the article, the influence of yaw damper on stability, safety, stationarity and comfort of vehicles are analyzed from rubber joint stiffness, unloading speed, unloading force to optimize performance parameter. Meanwhile, the influence of oil temperature on resistance features of yaw damper is investigated based on experiment It could concluded that oil temperature has great influence on resistance features of yaw damper. Vehicle dynamic performance deteriorates with the increasing of unloading speed; With the increasing of unloading force, vehicle dynamic performance improves. The effect of rubber joint stiffness on vehicle dynamic performance related to unloading force. In the article, In order to optimize vehicle dynamic performance, rubber joint stiffness is optimized within 5~10 MN/m, unloading force is 0.01m/s, unloading force is 12 kN.
SIMPACK；rubber joint stiffness；unloading speed；unloading force；vehicle dynamic performance; oil temperature；resistance features
U292.91+4
A
10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.001
1006－0316 (2018) 02－0001－05
2017－02－22
国家科技支撑计划（2015BAG12B01-17）；国家自然科学基金（51475388）；高铁联合基金（U1334206）；铁路总公司项目（2014J004-A）
崔泽安（1992－），男，四川南充人，硕士研究生，主要研究方向为车辆系统动力学。
