抗蛇行减振器串联刚度对高速动车组运动稳定性的影响-何远

1、抗蛇行减振器串联刚度对高速动车组运动稳定性的影响何远，王勇（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）摘要：介绍了抗蛇行减振器的简化模型Maxwell模型，采用SIMPACK软件建立某高速动车组拖车模型，基于非线性稳定性和线性稳定性分析，研究了不同一系纵向定位刚度和等效锥度下抗蛇行减振器串联刚度对临界速度的影响。研究结果表明，与不同的一系纵向定位刚度和等效锥度相匹配，抗蛇行减振器串联刚度对车辆系统稳定性的影响是有差异的，在不同一系纵向定位刚度和等效锥度下抗蛇行减振器串联刚度有不同的最佳值。关键词：高速动车组；抗蛇行减振器串联刚度；稳定性；Maxwell模型中图分类号：U2

2、70.11文献识别码：A作者简介：何远(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为轨道车辆工程、车辆动力学及强度。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基金项目：十二五国家科技支撑计划资助项目(2011BAG10B01-A01);铁路总公司资助项目(2014J004-A)动车组在高速行驶当中转向架会产生剧烈的蛇行运动，这将严重影响车辆的安全性和旅客的乘坐舒适度，还限制车速的进一步提高，采用抗蛇行减振器是抑制转向架蛇行失稳的重要手段，它纵向安装于车体与转向架之间，通过提供二系回转力矩能够提高车辆系统的稳定性，因此成为高速动车组最重要的悬挂元件1。很多国家出现过

6、抗蛇行减振器设计不良而导致的蛇行失稳问题，因此有必要开展抗蛇行减振器特性对车辆系统稳定性的影响研究。在这方面国内外很多学者展开了大量的研究，曾京研究了减振器节点刚度对车辆临界速度的影响2，马卫华研究了减振器安装刚度对径向转向架机车横向动力学性能的影响3，黄彩虹研究了抗蛇行减振器对车辆系统稳定性的影响4，Shimomura研究了减振器特性对车辆运行稳定性和旅客乘坐舒适度的影响5，Alonso研究了抗蛇行减振器的精细建模并采用精细模型研究了抗蛇行减振器对车辆稳定性的影响6，杨亮亮研究了考虑构架弹性时抗蛇行减振器安装刚度对车辆动力学性能的影响7。传统的抗蛇行减振器串联刚度研究都是研究其单个参数对车辆

7、动力学性能的影响，而没有考虑到车辆一、二系悬挂参数的匹配问题，另外也没有考虑到车辆整个运行周期当中不同等效锥度下抗蛇行减振器串联刚度对运行稳定性的影响差异问题，因此本文首先介绍了抗蛇行减振器的精确等效模型，为便于研究，将其简化为弹簧和阻尼串联的Maxwell模型，最后通过非线性稳定性分析和线性稳定性分析，研究了抗蛇行减振器串联刚度在不同一系定位刚度和不同等效锥度下对车辆运行稳定性的影响，为抗蛇行减振器串联刚度优化提供了理论依据。2.抗蛇行减振器等效模型4,8在车辆动力学仿真中，抗蛇行减振器是影响动力学性能的重要部件之一，其模拟的真实程度决定了仿真的精确程度。抗蛇行减振器的精确等效模型如图1(a

8、)所示，图中Lgap为减振器接头处的微小间隙，是由长期服役下安装座所积累的间隙和自然的结构间隙所组成，通常情况下在1mm左右；减振器内部液体的粘着阻力和节流孔阻力具有耗散冲击能量的作用，其阻尼系数为C；Koil为动态液压刚度；Krubber为两端橡胶节点的串联刚度；Kseat为安装座刚度，总的抗蛇行减振器串联刚度为：(a)精细模型 (b)简化模型图1 抗蛇行减振器振动模型将动态液体刚度、橡胶节点串联刚度和安装座刚度等效为综合总的抗蛇行减振器串联刚度Ke，同时为便于研究减振器特性对车辆动力学性能的影响，忽略抗蛇行减振器接头的微小间隙，抗蛇行减振器的精细等效模型可以简化为一个阻尼和弹簧串联的组合元

9、件，称为Maxwell模型，如图1(b)所示，图中，Ke为串联系统的等效刚度，C为系统的阻尼系数。对于Maxwell模型，当串联刚度较小而串联阻尼趋于无穷大时，抗蛇行减振器可看作是一个纯刚度力元；相反，当串联阻尼较小而串联刚度趋于无穷大时，抗蛇行减振器可看作是一个纯阻尼力元。抗蛇行减振器主要表现为刚度特性还是阻尼特性主要取决于减振器的截止频率wcut=Ke/C，当截止频率wcut高于蛇形频率，抗蛇行减振器倾向于表现为阻尼特性；当截止频率低于蛇形频率，抗蛇行减振器倾向于表现为刚度特性。假设抗蛇行减振器端部受到振幅为X=Asin(wt)的正弦激扰，而减振器活塞的位移为X0，则其减振器系统振动微分方

10、程为：可求得减振器阻尼力为：其中，其动态刚度可以表示为，以抗蛇行减振器串联刚度作为可变参数，可以得到其频响特性曲线，如图2所示。(a)幅频响应(b)相频响应图2 Maxwell模型频率响应特性由图2中可以看出，随着外界激扰频率的不断增加，动态刚度可以划分为以下3个频段：大阻尼低频段，其相位接近90°且动态刚度较小，可以很好地兼顾静态曲线通过性能；高频卸荷段，其相位接近于0°，动态刚度接近于串联刚度，为了保护减振器内部元件，实行高频卸荷；吸能频带，介于上述两者之间，其相位响应的斜率比较大，该吸能频带的位置由前述的截止频率wcut确定。另外可以从图中看出，随着串联刚度的增加，抗

11、蛇行减振器对高频扰动的抑制能力得到加强，即抗蛇行减振器串联刚度在高频激扰作用下动态刚度越来越强。3.整车系统动力学性能仿真分析为了深入研究抗蛇行减振器串联刚度对车辆运动稳定性的影响，采用SIMPACK多刚体动力学仿真软件建立某高速动车组拖车在时域内垂向和横向的动力学计算模型如图3所示。图3 高速动车组拖车动力学仿真模型3.1抗蛇行减振器串联刚度对车辆非线性临界速度的影响将抗蛇行减振器等效为弹簧和阻尼串联的单元，采用数值仿真的方法，计算得到抗蛇行减振器串联刚度与一系纵向定位刚度对非线性临界速度的影响如图4所示，从图中可以看出一系纵向刚度取较小值10MN/m时，增加抗蛇行减振器刚度可以持续增大非线

12、性临界速度，而一系纵向刚度大于20MN/m时，一定限度增大抗蛇行减振器串联刚度能提高临界速度，而过大增大串联刚度反而不利于车辆稳定性，即此时抗蛇行减振器存在最佳值使车辆取得较好的稳定性，而随着一系纵向定位刚度增大，抗蛇行减振器串联刚度的最优值不断减小，并且减小的趋势随着一系纵向刚度持续增大有所减小。图4 抗蛇行减振器串联刚度对非线性临界速度的影响3.2抗蛇行减振器串联刚度对车辆线性临界速度的影响由前述计算结果可知，在不同的一系纵向定位刚度下，抗蛇行减振器串联刚度对非线性临界速度的影响是不同的。为了更深入地进行研究，选取一系纵向刚度为10MN/m(小定位刚度)、50MN/m(较大定位刚度)和12

13、0MN/m(大定位刚度)三种方式进行了线性特征值分析，计算范围为50850km/h。在这里引入最小阻尼比的概念：对于每个速度下车辆系统的每个振型都对应于一个阻尼比，将阻尼比从大到小排列，阻尼比最小的那个被称为最小阻尼比。将不同参数和速度下的最小阻尼比绘制于等势图上就得到了最小阻尼比等势图，图中每条线代表一个阻尼数值。对于机械系统而言，一般按照阻尼比为5%判定系统是否稳定，大于5%是稳定的，小于5%是不稳定的，而各个参数下5%阻尼比所对应的速度即为车辆系统在当前参数下的线性临界速度。抗蛇行减振器串联刚度对车辆系统最小阻尼比的影响如图5所示。(a) 大定位刚度 (Kpx=120MN/m)(b)较大

14、定位刚度(Kpx=50MN/m)(c)小定位刚度 (Kpx=10MN/m)图5抗蛇行减振器串联刚度对车辆最小阻尼比的影响由图可以看出，一系采用大定位刚度和较大定位刚度时，随着抗蛇行减振器串联刚度增大，线性临界速度先增大后减小，此时抗蛇行减振器串联刚度存在一个最优值；一系采用小定位刚度时，随着抗蛇行减振器串联刚度增大，线性临界速度持续增大但增长速度有所减小；同时相同抗蛇行减振器串联刚度下，在抗蛇行减振器串联刚度较大的范围内，一系纵向定位刚度越低，临界速度越高即运动稳定性越好。3.3 不同等效锥度下影响情况对于高速动车组，抗蛇行减振器在车辆整个服役过程中都起着至关重要的作用，对抗蛇行减振器的参数研

15、究需要兼顾从原始新踏面到磨耗到限需要镟修整个过程，因此计算分析了不同等效锥度下与一系不同定位刚度下，抗蛇行减振器串联刚度对车辆线性临界速度的影响规律如图6所示(计算到850km/h时车辆仍不失稳则停止计算，将850km/h作为当前的线性临界速度)。(a)大定位刚度 (Kpx=120MN/m)(b)较大定位刚度 (Kpx=50MN/m)(c)小定位刚度 (Kpx=10MN/m)图6 等效锥度对线性临界速度的影响由图可知，一系采用大定位刚度和较大定位刚度时，随着等效锥度的增加，车辆线性临界速度降低，此时抗蛇行减振器串联刚度存在最优值，串联刚度最优值随等效锥度增大有所增大，且相同等效锥度下，一系采用

16、大定位刚度和较大定位刚度时抗蛇行减振器的串联刚度最优值也有所不同，相同等效锥度下一系采用较大定位刚度时的抗蛇行减振器最优值比一系采用大定位刚度时的抗蛇行减振器最优值大；一系采用大定位刚度时，抗蛇行减振器串联刚度大于30MN/m后，随着等效锥度增大，临界速度反而增大，这说明一系采用大定位刚度时，过大的抗蛇行减振器串联刚度反而会造成新车轮踏面时的临界速度较低；一系采用小定位刚度时，随着等效锥度的增加，车辆线性临界速度降低，等效锥度大于0.3以后车辆的线性临界速度降低幅度较小，随着抗蛇行减振器串联刚度增大，线性临界速度增大但增长速度有所减小；抗蛇行减振器等效串联刚度在525MN/m且车轮踏面等效锥度

17、较大时增大一系定位刚度对提高临界速度有利。4结束语(1) 一系采用不同纵向定位刚度时，抗蛇行减振器串联刚度对车辆稳定性的影响规律不同，同时在不同车轮踏面等效锥度下，大定位刚度和较大定位刚度时抗蛇行减振器串联刚度存在不同的最优值。在进行转向架参数优化时需要将一系纵向刚度和抗蛇行减振器串联刚度结合起来研究，对抗蛇行减振器串联刚度进行优化时需要兼顾不同等效锥度时的运动稳定性，保证车辆在整个运行周期当中都保持较好的稳定性。(2) 实际当中的抗蛇行减振器串联刚度是非线性的特性曲线，在未来的研究中需要采用宽吸能频带抗蛇行减振器假设模型来研究抗蛇行串联刚度的车辆运动稳定性影响。(3) 在研究中未考虑抗蛇行减

18、振器卸荷力、卸荷速度和串联刚度之间的匹配关系，容易顾此失彼，在今后的研究中要综合这几个关键参数来研究抗蛇行减振器对车辆运动稳定性的影响。(4) 抗蛇行减振器两端一般采用弹性衬套或球铰方式进行连接，除了其接头轴向刚度外，扭转刚度和偏转刚度也对减振器阻尼力发挥造成一定的影响，未来将考虑这2个因素继续深入研究。参考文献：1 陆冠东.抗蛇行减振器在高速列车上的应用J.铁道车辆,2006,44(8):6-8.2 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,2008,29(2):94-98.3 马卫华,王自力,罗世辉. 减振器安装刚度对径向转向架机车横向动力学性能的影响J.铁道机车车辆,2005,25(4):10-13.4 黄彩虹,梁树林,周殿买,等.抗蛇行减振器对车辆系统稳定性的影响C,