（光学工程专业论文）高速列车油压减振器的参数化建模研究.pdf

摘要 摘要 油压减振器是铁道车辆悬挂系统中的重要阻尼部件，其阻尼特性对列车运 行的平稳性和稳定性起着非常重要的作用。随着列车运行的高速化，列车系统 对油压减振器服役参数的敏度性显著提高，另一方面列车悬挂系统参数的优选 设计和油压减振器本身参数的优化设计正在向一体化设计发展，因此建立高速 列车油压减振器的参数化模型具有重要的现实意义。 提出了一种比m a x w e l l 模型更具有高速适应性的抗蛇行油压减振器模型， 并将此概念应用于s s 9 电力机车抗蛇行油压减振器的参数化建模。该模型针对 高速工况下抗蛇行油压减振器的运行特点，充分考虑了串联刚度、安装间隙和 油压粘性阻尼因子的影响，其中串联刚度包括油液刚度、安装橡胶元件刚度以 及安装座的刚度。在建模过程中，还嵌入了受温度、压力、混入空气体积百分 比影响的油液动态特性模型。运用m a t l a b 软件进行了减振器阻尼特性动态仿 真，分析了工作油温、橡胶元件刚度、混入空气体积百分比以及安装间隙对减 振器阻尼性能的影响。最后基于台架试验验证了所建抗蛇行油压减振器参数化 模型的准确性和鲁棒性。 针对高速电磁阀式和反比例溢流阀式半主动油压减振器以及所提出的基于 比例节流阀式的半主动油压减振器，进行了其可变阻尼特性的参数化概念设计 建模。通过该概念设计可以根据所欲匹配的车型对该半主动减振器本体进行初 步选型和设计，为后续进行控制系统设计和减振器的详细设计打下基础。 关键词：高速列车：油压减振器；参数化建模；非线性；参数敏度性 a b s t r a c t a b s t r a c t h y d r a u l i cd a m p e ri s a ni m p o r t a n td a m p i n gc o m p o n e n to fr a i l w a yv e h i c l e s u s p e n s i o ns y s t e m ，i t sd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c sp l a yv e r yi m p o r t a n tr o l eo ns t a t i o n a r y a n ds t a b i l i t yo ft r a i nr u n n i n g a th i 曲o p e r a t i o n a ls p e e d s ，t h et r a i ns y s t e mb e c o m e s v e r ys e n s i t i v et os e r v i c ep a r a m e t e r so fh y d r a u l i cd a m p e r ；o nt h eo t h e rh a n d , o p t i m u m d e s i g no fs u s p e n s i o np a r a m e t e r sa n dd a m p e ro w np a r a m e t e r si st od e v e l o pi n t e g r a t e d d e s i g n ，t h e r e f o r e ，t h ee s t a b l i s h m e n to fp a r a m e t r i cm o d e lh i g h s p e e dt r a i nh y d r a u l i c d a m p e r sh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ra d d r e s s e sam o r ea d a p t i v en o n l i n e a rp a r a m e t r i cm o d e l i n go fa h y d r a u l i c y a wd a m p e rt h a nm a x w e l lm o d e l ，t h i sc o n c e p ti s u s e di nh y d r a u l i cy a wd a m p e r p a r a m e t r i cm o d e l i n go f t h ec h i n e s es s 9e l e c t r i cl o c o m o t i v e f o ro p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fh y d r a u l i cy a wd a m p e ri nh i g h - s p e e dc o n d i t i o n , t h em o d e lc o n s i d e r st h ei n f l u e n c eo f t h es e r i e ss t i f f n e s s ，t h es m a l lf i x i n gc l e a r a n c ea n dt h ev i s c o u sd a m p i n g ，t h es e r i e s s t i f f n e s si st h et a n d e mr e s u l to ft h ed y n a m i co i ls t i f f n e s s ，t h er u b b e ra t t a c h m e n ts t i f f n e s s a n dt h ef i x i n gs e a ts t i f f n e s s ；ad y n a m i co i lp r o p e r t ym o d e li se m b e d d e di nt h em o d e l i n g p r o c e s s ，w h i c hi sa f f e c t e db yt h eo i lt e m p e r a t u r e ，t h ei n s t a n t a n e o u sw o r k i n gp r e s s u r ea n d t h ee n t r a p p e da i rr a t i oo ft h eo i l ；d a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd a m p e ri ss i m u l a t e du 妨玛 m a t l a bs o f t w a r e ，t h ei m p a c to ft h eo i lt e m p e r a t u r e ，t h er u b b e ra t t a c h m e n ts t i f f n e s s ， t h ee n t r a p p e da i rr a t i oo ft h eo i la n dt h ef i x i n gc l e a r m ：l c eo nd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so f d a m p e ra r ea n a l y s e d f a n a l l y , t h eb e n c he x p e r i m e n t sv a l i d a t et h a tt h e e s t a b l i s h e d n o n l i n e a rp a r a m e t r i cm o d e li sa c c u r a t ea n dr o b u s t f o rt h r e ek i n d so fs e m i a c t i v eh y d r a u l i cd a m p e rw h i c ha r es w i t c h e du s i n g l l i g h s p e e ds o l e n o i dv a l v e s r e g u l a t e db y 趾i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l u ea n d r e g u l a t e db y ap r o p o r t i o n a lt h r o t t l ev a l v e r e s p e c t i v e l y , p a r a m e t r i c m o d e lo f c h a n g e a b l ed a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c si se s t a b l i s h e db a s e do nt h ec o n c e p t u a ld e s i g n a c c o r d i n gt ot h em a t c h e dv e h i c l em o d e l ，t h ei n i t i a ls e l e c t i o na n dd e s i g no ft h i s s e m i - a c t i v ed a m p e ra r ec a r r i e do u tt h r o u g ht h ec o n c e p t u a ld e s i g n , w h i c hp r o v i d et h e b a s i sf o rf o l l o w = u pc o n t r o ls y s t e md e s i g na n dd e t a i l e dd e s i g no fd a m p e r k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dt r a i n ；h y d r a u l i cd a m p e r ；p a r a m e t r i cm o d e l i n g ；p a r a m e t e r s e n s i t i v i t y i i 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 前言1 1 2 油压减振器2 1 2 1 油压减振器的分类与作用2 1 2 2 油压减振器的工作原理5 。 1 2 3 油压减振器的阻尼特性7 1 3 油压减振器的建模方法1 0 1 3 1 被动油压减振器1 0 1 3 2 半主动油压减振器：。1 2 1 4 列车高速化带来的问题1 2 1 5 本文研究内容与方案一1 3 1 5 1 研究内容13 1 5 2 研究方案13 ： 第2 章抗蛇行油压减振器非线性参数化建模1 7 2 1 抗蛇行油压减振器的物理模型1 7 2 1 1 抗蛇行油压减振器的工作原理1 7 2 1 2 液压式摩擦阻尼原理l8 2 2 油液动态特性建模2 0 2 2 1 油液动力粘度2 0 2 2 3 油液的密度2 1 2 2 3 油液的弹性特性2 2 2 3 抗蛇行油压减振器流量损失建模2 4 2 3 1 油液体积变化产生的流量损失2 4 i i i 目录 2 3 2 油液压力泄漏产生的流量损失2 5 2 4 抗蛇行油压减振器非线性参数化建模2 7 2 4 1 减振器概念模型2 7 2 4 2 减振器阻尼阀系统流量与压力建模2 8 2 4 3 减振器的流量连续性方程3 2 本章小结3 3 第3 章抗蛇行油压减振器性能仿真与试验研究3 4 3 1 油液动态特性仿真与分析3 4 3 1 1 动态油液参数仿真与分析3 4 3 1 2 油液参数敏度分析3 7 3 2 减振器阻尼特性仿真与试验验证4 0 3 2 1 抗蛇行减振器与试验台的选取4 0 3 2 2 减振器阻尼特性仿真与试验验证4 2 3 3 减振器参数敏度分析4 5 3 3 1 温度对阻尼特性的影响4 5 3 3 2 橡胶元件刚度和混入空气体积百分比对阻尼特性的影响4 8 3 3 3 微小安装间隙对阻尼特性的影响5 2 3 3 4 在正常服役条件下阻尼特性预测5 3 本章小结5 4 第4 章半主动油压减振器可变阻尼性能的概念设计5 6 4 1 横向半主动油压减振器原理5 6 4 1 1 横向减振天棚阻尼控制方法5 6 4 1 2 横向半主动减振器结构原理5 8 4 1 3 半主动减振器设计概述5 9 4 2 基于高速电磁阀式半主动油压减振器概念设计5 9 4 2 1 节流孔串联式6 0 i v 目录 4 2 2 节流孔并联式7 2 4 3 基于反比例溢流阀式半动油压减振器概念设计。7 9 4 3 1 参数化模型7 9 4 3 2 仿真分析8 0 4 4 基于比例节流阀式半动油压减振器概念设计。8 2 4 4 1 参数化模型8 2 4 4 2 仿真分析8 4 本章小结8 6 第5 章总结与展望8 8 5 1 全文总结。8 8 5 2 展望9 0 致 射。j 9 1 参考文献9 2 攻读学位期间的研究成果9 5 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 前言 交通运输业是社会经济发展的基础和保障，是富国强民的基本要素之一， 其发展将直接推动社会各行业、各体系的快速发展。高速列车作为包括我国在 内的世界交通运输行业发展中的一个亮点，正在为全球的社会经济发展起着越 来越重要的作用。 发达国家在十几年前就已实现了3 5 0k m h 的高速列车【1 】，如：法国a g v 型、 日本f a s t e e h3 6 0 型、德国i c e3 5 0e 型、西班牙t a l g o3 5 0 型及韩国h s r 3 5 0x 。 2 0 0 7 年4 月3 日，法国最新型a g v1 5 0 型试验高速列车在巴黎斯特拉斯堡 高速线上，创造了地面交通运输系统试验速度的世界最高记录5 7 4 8k m h 。 最近几年，我国通过引进消化吸收，由唐山轨道客车有限责任公司产生的武广 高速列车跑出了3 9 4 2k m h ，营运速度达到了3 5 0k m h ，这标志着我国机车车辆 已经进入了高速阶段。 实现列车的高速化必然要求有高等级的铁路、高性能的车辆和设施。由于 转向架是支承铁路客、货车车体并使之在轨道上运行的装置，是铁道车辆的行 走部，列车高速化必然要求研制出动力学性能优良的转向架，保障列车平稳、 安全、稳定地运行。 悬挂系统是转向架的核心部分之一，它决定着转向架与车体的振动状态， 影响着列车运行的平稳性、安全性和舒适性。客车转向架一般均有两系悬挂装 置：轴箱悬挂( 一系悬挂) 与中央悬挂( 二系悬挂) ，如图1 1 所示。轴箱悬挂 装于轮对与构架之间，主要用于衰减源于钢轨不平顺产生的振动；中央悬挂装 于构架与车体之间，主要用于减缓车体的振动，提高车辆的乘坐舒适性。每一 系悬挂均由弹性元件与阻尼元件组成。一系弹性元件主要是钢圆簧；二系弹性 元件可选钢圆簧或空气弹簧( 主要用于高速列车) 。一系减振器主要是垂向油 压减器；二系减振器有垂向油压减振器、横向油压减振器以及抗蛇行油压减振 器【2 1 。 第1 章绪论 图1 - 1 铁道车辆的悬挂系统 减振器是悬挂系统重要的组成部件，用于耗散外界对车辆的激励能量。因 此，设计出具有良好的减振性能、可靠的密封性能和合理的使用寿命的减振器， 对于提高车辆悬挂系统振动性能，改善转向架与车体的动力学性能，使列车高 速可靠、安全平稳的运行具有重要意义。 1 2 油压减振器 1 2 1 油压减振器的分类与作用 l 、按油压减振器安装方式分类 油压减振器装配位置如图1 2 所示，主要包括下列类型【3 l ： ( 1 ) 一系垂向减振器 该型油压减振器装于一系悬挂，对于两轴转向架，一系悬挂通过装配四个 一系垂向油压减振器，主要用于衰减轴箱与转向架之间的垂向振动。来自轮轨 作用产生的垂向激励传递至轴箱，然后经一系垂向油压减振器进一次衰减，其 作用可以有效防止脱轨，提高列车运行的稳定性与安全性，避免位于构架上的 各部件如电气与制动设备产生过激的振动，以提高其性能。 ( 2 ) 二系垂向减振器 该型油压减振器用于衰减车体与转向架之间的垂向振动，以提高列车运行 的垂向平稳性与乘坐舒适性。 ( 3 ) 二系横向减振器 该型油压减振器用于衰减车体相对于转向架的横向振动，可改善列车运行 横向动力学性能，提高列车横向平稳性与乘坐舒适性。 2 第1 章绪论 图1 - 2 转向架及油压减振器安装结构图 ( 4 ) 抗蛇行减振器 该型油压减振器用来抑制转向架的蛇行运动。随着列车运行速度的提高， 由蛇行运行导致的轮轨之间的磨耗增大，使得列车脱轨的几率越大，严重恶化 了列车运行安全性。现代的高速机车和客车上都需装用抗蛇行减振器。 ( 5 ) 车体端纵向和横向减振器 该型油压减振器通常装于动车组两相邻车端之间，当列车高速运行时，该 类减振器可效地衰减列车两车体之间的纵向和横向振动，改善列车运行稳定性。 ( 6 ) 其它类型的减振器 油压减振器应该广泛，除了上述类型外，油压减振器还用于动车组和电力 机车的受电弓即受电弓减振器，为了提高高速列车重要部件的稳定性，有时也 用了相应的减振器以改善其性能，提高其寿命。 2 、几种典型的油压减振器 ( 1 ) k o n i 油压减振器 减振器结构如图1 3 所示：1 伸缩式防尘套；2 防护罩；3 阻尼调节阀；4 刮油环；5 活塞杆密封装置；6 ，活塞杆导向座；7 压力缸；8 单向阀；9 活塞及 活塞杆组成；1 0 储油缸；1 1 导油管；1 2 底阀组成。 该减振器采用单循环式结构原理，其特点如下【3 】： 在拉伸和压缩行程中，油液都是从工作油缸经阻尼调整阀和导油管向储 油缸作单向流动，从而使得在传输过程中出现的气泡会很快消失，油液不易发 3 第1 章绪论 热变质，消除了油气乳化现象，保证减振器良好的阻尼特性； 可实现不同的阻力特性。导承上2 - 4 个阻尼调节阀，能调节出铁路机车 车辆所需要的各种动力特性； 减振阻力可调性。减振器长期使用后产生零件磨损使得阻力降低，可以 通过转动螺栓进行调整； 活塞杆密封圈有弹性补偿作用； 具有良好的拉压阻尼力对称性。 该减振器结构较复杂，维修成本较高。 乒= - nk o 、 l 7 一 l 一 _ j。l - i ， 菇煳：嚣垂端 k 蠢，：纠薹蚣茹礤口 、v ， l ( i - 一 后称为卸荷区，即当， e 后，减振器内的卸荷阀开启，总的节流孔面积迅速增大，从而使得阻尼力缓慢 增大。设置卸荷区的目的是限制减振器内的油液压力，以免因其过高而损坏结 构、降低密封装置寿命和产生油液泄漏。 图1 11 减振器的卸荷称特性 2 、减振器非线性阻尼特性 ( 1 ) 摩擦型阻尼特性 常摩擦减振器的阻尼特性如图1 1 2 ( a ) 所示，其阻尼力为常数，与振动速 度无关。油压减振器的摩擦阻尼特性如图1 1 2 ( b ) 所示，它在速度很小范围内 有一个线性段，当v v n 后，阻尼力呈缓慢增大。这种摩擦阻尼特性由于其在很 小的振动速度提供很大的阻尼力，在最小振幅能够吸收更大的能量。因此，常 用于抗蛇行减振器和车端纵向减振器【3 1 。 f 。 o 1 ( a ) 常摩擦阻尼特性 ( b ) 液压减振器摩擦阻尼特性 图卜1 2 减振器摩擦阻尼特性 ( 2 ) 递减型阻尼特性 递减型阻尼特性的b y 曲线斜率随速度的增加而逐渐递减，如图1 1 3 所示。 9 第1 章绪论 减振器的阻尼系数呈递减状态。 ( 3 ) 速度平方型阻尼特性 速度平方型阻尼特性是指减振器阻尼力与活塞速度的平方成正比的阻尼特 性，如图1 1 4 所示。该型减振器在工作过程中，节流孔的面积不变，即具有固 定节流孔的阻尼特性。 0 图1 1 3 递减型阻尼特性 图1 1 4 速度平方型阻尼特性 1 3 油压减振器的建模方法 1 3 1 被动油压减振器 油压减振器阻尼特性的建模是进行油压减振器设计和车辆动力学仿真的基 础。已有的模型宏观上可以分为三类：物理参数化模型( p h y s i c a lm o d e l ) 、等效参 数化模型( r h e o l o g i c a lm o d e l ) 和非参数化模型( n o n - p a r a m e t r i cm o d e l ) 。物理参数 化模型将输出阻尼力表达为减振器具体物理结构参数、流体力学参数、流固 热耦合参数的函数。由于这些参数都具有明确的物理意义，因此该模型主要用 于减振器本身的设计。等效参数化模型是将减振器抽象为一些具有某种力学特 性的典型物理元件，是一种简化的参数化模型。非参数化模型则是基于试验数 据分析的一类黑箱模型，它不考虑减振器的实际结构，仅采用m a p 图描述阻尼 力与位移、速度、加速度、频率等状态变量的关系。后两种模型用于车辆动力 学仿真，具有运算速度快、精度能满足使用要求的优点，但由于它们在本质上 是不可调节的，如果将它们用于减振器本身的设计会有局限性。 k w a n g j i nl e e 在1 9 9 7 年建立了汽车单筒充气式油压减振器的物理参数 化非线性动力学模型【6 1 。为了提高建模精度，他根据减振器不同的工作过程采用 了不同的流量系数，考虑了油液、空气的压缩性，并通过对阀片的变形进行有 1 0 第l 章绪论 限元分析，考虑了阀片大变形情况下的非线性因素；利用对油液饱和蒸汽压的 假设，宏观上研究了气穴现象对阻尼稳定性的影响；运用集总参数方法，在常 温到1 8 0 之间，研究了油温升高对油液密度、容积弹性模量进而对减振器阻尼 性能下降程度的影响。h e r r 等人借助c f d 方法和e a s y 5 软件，探索采用分 布式【| 刀参数建模方法辅助对减振器进行物理参数化建模，克服了传统集总式参 数建模的缺点，提高了建模精度。d j p u r d y 建立了某可调式油压减振器1 8 】 的物理参数化非线性模型。建模过程中，考虑了油液的压缩性、混入气体和缸 体的膨胀参数，并基于误差的最小二乘多目标方法，通过试验数据进行了参 数辨识和摩擦力修正，获得了比较准确的参数化模型。a l e x a n d e rl i o n 等人在2 0 0 2 年建立了某汽车悬架减振器的热机耦创9 】简单参数化模型用于整 车性能的仿真；l s a n d r e s 等人在2 0 0 3 年通过动态压力测量和流场的高速摄 影对混气挤压油膜减振器【l o 】的阻尼性能进行了试验研究，表明随着混气程度的 增加，阻尼力随着转速增加而呈现稳定下降的趋势。r d e y r e s 等人在2 0 0 5 年对某带有溢流阀油压减振器的动态特性进行了建模，在常规模型中迭加了【】 溢流阀的动态特性，目的是欲通过揭示溢流阀启闭特性对减振器阻尼性能的 影响来优化减振器的关键参数设计。 s e g e l 和l a n g 1 2 】使用了8 0 个以上的参数来表达减振器的阻尼特性； d u y m 乃1 重点嵌入了混气油液的压缩特性；s h a m s 1 4 】借助c f d 软件、有限元软 件辅助分析来运用分布式参数方式建模，以提高建模精度。j a v i e rl i z a r r a g a t l 5 】专 门建立了高频运动下减振器摩擦副之间摩擦力的新型模型。在等效参数化建模 中，引用最多的是b e s i n g e r 16 】的研究，他用一种只包含7 个参数的等效参数化 模型来表达汽车减振器的阻尼特性，并基于台架试验辨识了这些参数，获得了 完整的减振器模型用于汽车动力学仿真与设计。非参数化建模则重点研究减振 器在随机f 1 7 1 、简谐【1 8 】、等速【1 9 】和高频刚等各种激振方法下，其恢复力曲面 ( r e s t o r i n gf o r c em a p ) 使用速度位移【1 9 j 还是使用加速度速度【l8 】作为状态变量的 准确性，目的是想在有限试验条件下能更精确地描述减振器在宽频带内的阻尼 特性。神经网络【2 l 】模型也是一种非参数化建模的尝试。 国内檀润华于1 9 9 8 年针对汽车减振器的复杂非线性模型【2 2 】和简单参数化模 型进行了卓有成效的研究工作，并将该模型应用于夏利轿车减振器的参数鲁棒 性设计和轿车乘坐动力学的仿真研究。论文中还研究了温度、混气对油液容积 弹性模量和减振器阻尼性能的影响。杨基中等人于1 9 9 9 年借助试验方法对车 第1 章绪论 辆筒式油压减振器的高频畸变【2 3 】外特性进行了研究，分析了油压减振器在服 役环境下发硬、发响的机理和设计、工艺质量上存在的问题。梁志杰【2 4 】建立 了s s 8 电力机车一系垂向油压减振器的物理参数化模型，并基于v c + + 和 m a t l a b 平台，开发了该减振器阻尼性能的仿真软件。王文林【2 】建立了k o n i 可调式线性油压减振器的物理参数化模型用于其多目标优化设计，并进行了样 机制造、台架性能试验和5 0 万公里的实车耐久试验，取得了一定的设计效果。 r i c h a r d 2 5 】分别建立了s a c h s 油压减振器的物理参数化模型和基于汽车轮胎侧 偏刚度特性m a g i cf o r m u l a 表达的9 参数等效参数化模型，并基于动力学仿真， 将所提出的9 参数等效参数化模型。 1 3 2 半主动油压减振器 s t r i b e r s k y 2 6 1 s f l s r k i 2 7 1 t a n i f u j i 2 s 】。c o d e c h1 2 9 和s u g a h a r a1 3 0 1 描述了在车辆 仿真或试验之前可变阻尼油压减振器配置和阻尼特性，但是并没有涉及到设计 流体参数的具体方法。c o d c c ae ta 1 3 1 】，w i t t e r sa n ds w e v e r s 【3 2 】通过基于试验数 据的参数识别建立了半主动减振器黑箱模型，但是黑箱模型【2 1 3 3 , 3 4 1 是在虚拟样机 或产品做出来之后而建立的不明显地等效特性，它们从本质来说是非参数化的。 物理模型【3 5 3 6 】通常用于减振器特性与结构设计，但是在一些方面也受到限制，比 如在车辆悬挂参数优化设计方面，它涉及到太多的参数而使用模型变得更加复 杂，求解困难。 1 4 列车高速化带来的问题 随着我国铁路运输提速普及和高速动车组的开行，我国机车车辆的整车设 计已经进入了高速研究阶段。作为悬挂元件的油压减振器，在参与整车动力学 设计或在其自身的设计中，正在凸现出一些问题：l 、其阻尼特性已经不能像在 中、常速机车车辆设计中那样只用一个参数即阻尼系数来表示，有的情况下甚 至不能仅用简单的线性m a x w e l l 模型( 即线性刚度和线性阻尼串联) 来表示，这是 因为油压减振器在列车上的服役工况与其在台架上的试验标定工况有较大差 别。譬如：存在非线性串联刚度、转向架结构间隙和因磨耗导致的微小间隙、 偏载和受轨道谱随机激励；环境因素尤其是热参数和气体混入导致工作液密度、 粘度和压缩刚度变化，进而导致其阻尼力值、响应相位变化或者出现间歇不稳 定现象，等等。在高速工况下，如果不认真预测这些因素，势必会产生较大的 设计误差，导致不良的后果。2 、对于油压减振器自身的设计，过去采取常规静 1 2 第1 章绪论 态计算模型获得的设计效果在实现精度、补偿性、阀动态响应、工作噪音等方 面不能更好地适应机车车辆运行的高速化。 由此可见，当机车车辆的运行进入高速化，不论是车辆动力学仿真还是油 压减振器自身参数的优化设计，均迫切需要采用参数化方法建立减振器的数学 模型，以提高仿真精度、研究各种参数对动力学的影响，以及便于减振器本身 参数的设计，或者便于减振器与悬挂参数的集成设计。 1 5 本文研究内容与方案 1 5 1 研究内容 本文研究内容分为两个方面，其一拟建立高速电力机车抗蛇行油压减振器 的非线性参数化模型，对减振器阻尼特性进行了仿真分析与试验研究。具体内 容如下： ( 1 ) 充分考虑减振器油液温度、工作压力、混入空气体积百分比对油液动 态特的影响，建立减振器油液动态特性模型。 ( 2 ) 充分考虑减振器流量损失、微小安装间隙、油液刚度、橡胶元件刚度、 安座刚度对阻尼特性的影响，建立面向高速服役的抗蛇行油压减振器非线性参 数化模型。 ( 3 ) 对上述模型进行仿真分析与试验研究，验证模型的准确性，然后对减 振器进行参数敏数分析，详细分析油温、橡胶元件刚度、混入空气体积百分比、 微小安装间隙对减振器阻尼性能的影响。 其二拟建立几种典型横向半主动油压减振器的流体计算模型，用于在下车 辆动力学匹配阶段先进行概念设计。主要研究基于高速电磁阀式半主动油压减 振器和基于反比例溢流阀式半主动油压减振器，建立半主动油压减振器概念设 计模型，分析产生可变阻尼特性的机理，并提出一种新型半主动油压减振器一 基于比例节流阀式半主动油压减振器。 1 5 2 研究方案 抗蛇行油压减振器非线性参数化建模的研究方案：首先建立减振器油液动 态特性模型，流程图如图1 1 5 所示，考虑工作油温、工作压力、混入空气体积 百分比对油液特性的影响，然后将油液动态特性耦合于减振器整个建模过程。 1 3 第1 章绪论 工作油温丁 工作压力尸 混入空气体积百分比s 油液动态特性：动力粘度t ；密度p ； 油液体积弹性模量展；油液刚度k 。 图1 1 5 油液动态特性流程图 减振器流量损失瓯。主要由体积变化产生流量损失和压力泄漏产生的流量 损失两个部分组成。体积变化圪l = 圪l 以l 岛船a t , 业) ，由工作压力、油 温、混入空气体积百分比以及它们的变化来决定；压力泄漏由减振器油液特性、 减振器结构参数、油液工作压力来决定。 减振器有效工作流量q 眺主要根据阻尼阀系统在不同振动速度下溢流阀的 顺序开启建立相应的液阻网络图，然后根据节流孔的压力与流量关系，建立减 振器阻尼阀系统的流量与压力模型。在建模过程中，考虑了溢流阀的调压偏差 及阀芯开启高度、油液动态特性以及空腔的背压力。 减振器总流量q 等于振动速度乘以有效作用面积。于是，根据流量连续性 原理可得：q = q 咖+ 纸 考虑减振器油液刚度、橡胶元件刚度、安装座刚度、微小安装间隙、库仑 摩擦力以及压力腔压力，建立减振器的力平衡方程。 综合上述减振器流量连续性方程和力平衡方程，可得出减振器动态阻尼特 性，完成整个抗蛇行油压减振器非线性参数化建模，具体流程如图1 1 6 所示。 然后通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真分析与试验研究，发现上述建立的减振器非 线性参数化模型分析结果与试验结果相当吻合，最后对减振器进行了参数敏度 分析，研究相关参数对减振器阻尼性能的影响。 半主动油压减振器概念设计模型研究方案：分别针对基于高速电磁阀式、 反比例溢流阀式、比例节流阀式半主动油压减振器，忽略减振器油液泄漏、油 液可压缩性、溢流阀调压偏差、储油箱的背压力，采用天棚阻尼控制方法，根 据车体的振动速度变化控制各阀的状态，然后画出半主动减振器相应的等效液 阻网络图，建立节流孔流量与压力方程，根据流量连续性方程和减振器阻力的 表达式f = 竺d ：尸得出减振器可变阻尼特性，完成半主动减振器概念设计，如图 4 1 1 7 所示。 1 4 第1 章绪论 固定阻尼孔4 、。 畋、以 l 、2 、3 号溢流阀 的在额定工作条件 下的调定压力昂、 兄、圪；对应的调 压偏差巨。、 b ；阀芯开启高度 啊、红、绣 振动速度1 ， 活塞有效作用面积么 油液体积压缩圪， 油液压力泄漏 压力腔压力p 库仑摩擦彤 油液刚度b 橡胶元件刚度b b c r 安装座刚度妊m 微小安装间隙 图1 1 6 减振器参数化建模流程图 1 5 第1 章绪论 加速度传感器卜一控制器卜叫阀的状态 减振器可变阻 尼特性f - v 流量连续性方程 减振器阻尼力 ，= = 么嚣胄鼓作用面p 等效液阻网络 节流孔 压力与流量模型 减振器流量 q = 么话l 有敲作用面7 矿 图1 1 7 半主动减振器概念设计模型流程图 1 6 第2 章抗蛇行油压减振器非线性参数化建模 第2 章抗蛇行油压减振器非线性参数化建模 2 1 抗蛇行油压减振器的物理模型 2 1 1 抗蛇行油压减振器的工作原理 ( 1 1 )( 1 0 )( 9 )( 8 ) ( a ) ( 6 )( 7 ) ( b ) 图2 - 1 抗蛇行油压减振器的物理模型：( a ) 拉伸过程( b ) 压缩过程 抗蛇行油压减振器通常用于提速机车和高速列车中。在我国，时速大于1 6 0 k m h 的铁道车车辆均使用了该减振器，其主要水平纵向地装配于车体底架与转 向架构架之间，有效地抑制转向架的蛇行运动，提高车辆运行的临界速度。 1 7 第2 章抗蛇行油压减振器非线性参数化建模 抗蛇行油压减振器物理模型如图2 1 所示：( 1 ) - 夕 、缸筒：( 2 ) 底部单向阀；( 3 ) 内缸筒；( 4 ) 活塞及活塞杆组成；( 5 ) 活塞上的单向阀；( 6 ) - 活塞杆导座；( 7 ) 阻 尼阀系统。 在拉伸过程中，如图2 1 ( a ) 所示，活塞上的单向阀关闭。有杆腔( 8 ) 中的 液压油被迫通过阻尼系统流向储油箱( 9 ) 。同时，由于吸力作用底部单向阀打开， 储油箱的液压油被吸入无杆腔( 1 0 ) ，以补偿活塞向右移动时活塞移动的体积量。 此时，在有杆腔产生瞬时压力p ，减振器提供一个向左的阻尼力以阻止其拉伸。 在压缩过程中，如图2 1 ( b ) 所示，活塞上的单向阀打开，底部单向阀关 闭，无杆腔与有杆腔相通，此时无杆腔中的液压油通过活塞单向阀进入有杆腔， 同时有缸筒内的液压油被迫通过阻尼系统流向储油箱。从而整个缸筒内产生瞬 时压力尸，由于无杆腔的作用面积大于有杆腔，则减振器提供一个向右的阻尼力 以阻止其压缩。 2 1 2 液压式摩擦阻尼原理 在油压减振器中，阻尼系统产生的摩擦阻尼及其压力场分布如图2 2 所示。 图2 2 ( a ) 表明阻尼阀系统由三个溢流阀组成，每个阀包括固定阻尼孔和可变阻 尼。第一号溢流阀由如下部分组成：一个附有直径为西的固定节流孔( 2 ) 的阀 座( 1 ) ，一个由阀芯( 4 ) 开启产生的油膜厚度为h ，可变阻尼，刚度为局的弹 簧一个，以及预紧压力调节器一个；第二号溢流阀与第一号溢流阀相类似，除 了于阀座处有一个更大的阻尼孔；第三号溢流阀与第一号溢流阀相类似，除了 其阀芯处有一个直径为西的固定节流孔( 7 ) 。 图2 - 2 ( b ) 所示为每个阀座环形面挤压油膜及其压力场分布。第一号溢流阀阀 座的俯视面由环形凹面( 8 ) 和密封带( 9 ) 构成。密封带的内外半径分别为h ，和j 它用来决定阀座上面的可变阻尼非线性流量与压力特性( 9 尸) ； 第二号溢流阀 的俯视面与第三号溢流阀一样，均由大的节流孔( 1 0 ) 和密封带( 1 1 ) 构成。 图2 - 2 ( c ) 表明当抗蛇行减振器振动速度小于v l 时，所有的三个溢流阀均关 闭，此时，只有第三号溢流阀上的固定节流孔工作，减振器工作于o a 段；当减 振器振动速度大于1 ，时，减振器的瞬时压力增大，同时超过了第一号溢流阀的 调定压力只，此时，第一号溢流阀打开，其固定节流孔、可变阻尼以及第三号 溢流阀的固定节流孔在一起进入工作状态，减振器振动速度大于1 ，同时小于也， 减振器工作于过渡段a b ；当减振器振动速度大于也时，第二号溢流阀打开并加 1 8 第2 章抗蛇行油压减振器非线性参数化建模 入工作，减振器工作于第一阶溢流段b e ；当减振器振动速度大于玎时，减振器 工作于第二阶溢流段c d 。 为了产生摩擦阻尼力，典型的振动速度1 ，j 和助通常设计得非常小，但是它 们在相应速度下的阻尼力通常相当大。因此，o a b 段的斜率( 宏观上趋近于线 性) 非常大。当减振器振动速度超过吻时，减振器实行卸荷，此后的阻尼力维 持在一个恒定的阶段，即达到饱和力尼，这仅仅从理论上分析是这样的。事实 上，随着振动速度的增大，通过第二号溢流阀的流量增大，由于溢流阀存在调 压偏差，因此，饱和力会轻微提高。为了抵制饱和力的提高以提供一种不变的 摩擦阻尼力，当减振器的振动速度达到”时，第三号溢流阀打开并进行卸荷，减 振器工作于第二阶溢流段c d 段。因此，整个摩擦阻尼段b c d 设计成近似水平， 事实上阻尼力如和r 非常近似。 通常，线性油压减振器具有对称阻尼性能，如图2 - 2 ( c ) 所示，该抗蛇行油压 减振器在拉伸与压缩过程中具有相同的摩擦阻尼性能，即在拉伸与压缩过程阻 尼力与速度( f - v ) 特性相同。整体过程中，油压减振器的凡，阻尼性能与理想 摩擦阻尼性能非常近似o 一方面，当列车高速运行时，抗蛇行减振器在服役过 程中提供非常大的阻尼力以阻尼列车的蛇行运动；另一方面，当列车在低速运 行或曲线通过时，抗蛇行油压减振器提供低的阻尼力以适应列车的曲线通过。 另外，三个溢流阀调定压力被设计成可调的。因为，减振器在长期服役过程 中，饱和压力或者力与速度特性的斜率将会下降，此时，我们可以通过调节调压 弹簧的预压缩量来适当调整各个阀的调定压力，从而补偿减振器的阻尼损失。 第一号溢流阔第二号溢流阀第三号溢流阀 ( a ) 1 9 第2 章抗蛇行油压减振器非线性参数化建模 圪( 1 ( c ) 图2 - 2 阻尼阀系统和摩擦阻尼原理 a 阻尼阀系统配置；b 每个阀座环形面挤压油膜及其压力场分布；c 产生的阻尼力特性 2 2 油液动态特性建模 2 2 1 油液动力粘度 油液在外力作用下流动( 或有流动趋势) 时，分子间的内聚力要阻止分子 相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象叫油液的粘性。动力粘度j l l 是表征油 液粘性的比例系数，它的单位为n s m 2 或p a s 。 在油压减振器中，油液的温度与工作压力对油液的动力粘度均有较大影响。 油液的粘度随着温度的增加而降低，随着压力的升高而增大。通常，温度与压 力对粘度的影响满足如下关系式【3 7 】： 2 0 蛳。妞。 0 2只 雄。雄。 0 p 第2 章抗蛇行油压减振器非线性参数化建模 = a o e a p 尸一岛一a 7 一( 2 i ) 式中符号说明如下： 压强为1 大气压，温度为r o 时的动力粘度5 a p - 粘压系数； 见油液的粘温系数。 另外，在油压减振器中，油液中的空气有混入和溶入两种状态。其中，混 入气体是指气体呈气泡状态悬浮于油液中，它对油液的体积弹性模量和粘性均 产生影响，混入空气会使体积弹性模量急剧下降，使油液动力粘度增大；溶入 气体则对油液的体积弹性模量和粘性基本上不产生影响。混入空气对动力粘度 的影响满足如下关系式3 8 1 ： j l l = o ( 1 + 1 5 s ) ( 2 2 ) 式中符号说明如下： ， s ：，l x l o 似 s = 土一l o u + 珞 油液未混入空气时的动力粘度； g 混入空气的体积百分比； 因此，同时考虑油温、油压、混入空气以上三个因素，减振器中油液的动力 粘度可表达于如下关系式： = 钭1 + 1 5 s + 砂喝) _ 纵卜劭 ( 2 3 ) 由此可见：= ( 尸，l ) 即油液动力粘度是油温、油压、混入空气体积 比三者的函数。 2 2 3 油液的密度 油液密度是指单位体积油液的质量。虽然油液的密度随温度与压力的变化 很小，但是针对抗蛇行减振器这类敏感液压元件