地铁车辆新型液气缓冲器冲击特性研究_李伟刚

1、第6期2014年6月机械设计与制造MachineryDesignManufacture87地铁车辆新型液气缓冲器冲击特性研究李伟刚1，吴一凡1张锁怀2，陕西西安710021；2.上海应用技术学院机械工程学院，上海201418）（1.陕西科技大学机电工程学院，摘要：为了保证地铁车辆安全提速，根据地铁缓冲器要求，设计了一种具有三段阻尼结构的新型液气缓冲器，建立了动力学计算模型。利用数值仿真方法，计算了静态特性曲线，结果表明可以满足列车稳态运行需要；在冲击动能一定的情况下，对不同冲击速度的动态特性曲线进行比较，并且通过参数调整使不同速度下的特性曲线接近矩形曲线，说明了参数调整依据及规律，可以使缓冲器

2、受到较大速度的物体撞击时，具有较小的阻抗力。该缓冲器吸收率大于90%，能够适应地铁提速要求。关键词：地铁车辆；液气缓冲器；动力学模型；数值仿真；冲击特性；缓冲曲线中图分类号：TH16；U463.33+5.1文献标识码：A文章编号：1001-3997（2014）06-0087-04StudyonImpactPropertiesofNewHydro-PneumaticBufferforMetroVehicleLIWei-gang1，ZHANGSuo-huai2，WUYi-fan1ShaanxiUniversityofScienceandTechnology，ShaanxiXian710021，（1

3、.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，China；2.SchoolofMechanicalEngineering，ShanghaiInstituteofTechnology，Shanghai201418，China）Abstract：Inordertoensurethesafetyofmetrovehicles，accordingtothesubwaybufferrequirements，anewtypeofhydro-pneumaticbufferwiththreesectionsofdampingstructureandestablish

4、edadynamicmodelisdesigned.Thestaticcharacteristiccurveiscalculatedbynumericalsimulationmethod，resultshowsthattheneedsofsteadystateoperationoftrainscanbemet.Inthecaseofconstantimpactenergy，thedynamiccharacteristiccurvesofdifferentimpactvelocityarecomparedandthecharacteristiccurvewhichclosetotherectan

5、gularbyadjustingtheparametersisobtained，thebasisandlawofparameteradjustmentareexplained.Thebufferwillpossessasmallresistancewhentheobjecthititbylargerspeed.Theabsorptionrateofbufferismorethan90%，sotherequirementsofsubwayspeedcanbeadaptedto.KeyWords：MetroVehicle；Hydro-PneumaticBuffer；DynamicModel；Num

6、ericalSimulation；ImpactProperties；BufferCurve1引言缓冲器作为地铁车辆重要的吸能部件之一，通过它来缓和和削减地铁车辆在运行和调车过程中的纵向冲击力1，随着地铁车辆运行速度的提高和编组数量的增加，在调车作业、紧急制动过程中车辆的纵向冲击力急剧增大2，严重影响了运行的安全性和乘客的舒适性，从而对地铁车车辆的缓冲器性能提出了更高的要求。在地铁被动安全防护系统中，国外的车钩缓冲器允许的连挂速度已经达到了15km/h，在该速度以内缓冲器系统必须能够吸收冲击能量3。而液气缓冲器具有缓冲容量大、性能稳定、便于调整等优点4，并且利用惰性气体复位元件，实现了无损耗工作

7、，减少了维修量，提高了使用寿命，可以满足地铁提速的要求。我国液气缓冲器技术还不够成熟，目前上海运营的地铁车辆缓冲器来自法国的某公司和德国的某公司。因此对适用于地铁车辆的新型液气缓冲器的研究就显得尤为重要。2新型液气缓冲器的工作原理液气缓冲器通过压缩液体使其通过阻尼小孔，液体与管壁之间以及液体分子之间必然要产生摩擦，损耗一定的能量，从而实现对冲击能量的缓冲、衰减和吸收。通过阻尼孔的液体推动液气隔离活塞压缩惰性气体，从而实现液气缓冲器复位。液气缓冲器的理想缓冲特性曲线（即缓冲力-缓冲行程曲线）应尽可能接近矩形5，根据地铁车辆缓冲器的设计要求，如表1所示。设计的新型液气缓冲器，如图1所示。缓冲器有三

8、段阻尼结构，便于对液气缓冲器的缓冲特性曲线进行调整，使其尽可能的接近理想曲线。表地铁车辆缓冲器设计指标项目缓冲器容量（kJ）145±10%行程（mm）150阻抗力（kN）吸收率（%）1100±10%80新型液气缓冲器的液体腔8、液体腔4中充满了粘性液体，气体腔2充满了惰性气体，气体具有一定的初始压力。当液气缓冲器的活塞杆1受到物体撞击时，活塞杆向右运动，此时液体腔2013-12-17来稿日期：基金项目：国家科技支撑计划资（2009BAG11B01）作者简介：李伟刚，（1987-），男，陕西宝鸡人，在读硕士研究生，主要研究方向：铁道车辆缓冲器方面的研究；张锁怀，（1962-）

9、，男，陕西宝鸡人，博士，教授，主要研究方向：铁道车辆被动安全保护方面的研究88李伟刚等：地铁车辆新型液气缓冲器冲击特性研究Ksxx<000<x<xmax结构限制力为：Fs=K（sx-xmax）x>xmax7第6期液体通过阻尼阀芯5上的阻尼孔7进8中的粘性液体受到挤压，入液体腔4。当阀芯受到的作用力大于弹簧的初始压力时，阀芯打开，液体通过活塞侧面的斜阻尼孔6，依次流过活塞和阀芯形成的阻尼环缝进入液体腔4，液体腔4中的液体推动液气隔离活塞3向左运动，压缩惰性气体，使得气体压强升高。在此过程中活塞的动能大部分转化为粘性液体的热能，通过缸体10散发到大气中。当缓冲器卸载时，被压

10、缩的惰性气体推动液气隔离活塞3使液体腔4中的液体经由单向阀9和阻尼孔7流进液体腔8，从而实现液体缓冲器的复位，完成整个缓冲过程。1345678Ks缓冲器的轴向拉压刚度。式中：Ft=k（x0+x）fk弹簧劲度系数。x0弹簧的预压缩量；式中：nd（P-P）阻尼阀上阻尼孔的流量方程为：Q1=11121式中：n1阻尼孔个数；d1阻尼孔直径；l1阻尼孔长度。活塞杆上斜阻尼孔流量方程：2222222222224nx（P-P）0燮xf燮d2Q2=2f12144P21nd（P-P）Q2=22121xf>d23P3P2P1n2斜阻尼孔个数；式中：d2斜阻尼孔直径；l2斜阻尼孔长度。dh（P21-P1）阻尼

11、环缝流量方程：Q2=30fd3阻尼环缝外直径；l0环缝初始长度。h环缝宽度；式中：A3A2A21A22109A1P3=P0图1液气缓冲器结构简图及计算模型Fig.1Hydro-PneumaticBufferStructureDiagramandCalculationModelV00󰀂n式中：P0气体腔初始压强；V0气体初始体；惰性气体为氮气，取n=1.45。3液气缓冲器的动力学模型由于液气缓冲器的内部结构比较复杂，所以简化的计算模型，如图1所示。其中P1、液体腔4的压强，P21P2分别为液体腔8、为阻尼阀处腔体压强；A1为活塞右端的环形面P3为气体腔压强；积，A22为阻尼阀处左

12、端活塞腔体环形面积；A21为阻尼阀处右端A2为液体腔4处右端活塞腔体环形面积；活塞腔体环形面积；A3为气腔右端面积。为了方便计算并且对计算精度影响不大的前提下，对计算过程做了以下假设：（1）由于缓冲过程时间很短，认为缓冲过程是绝热过程；（2）忽略液体、弹簧、隔离活塞的质量；（3）认为活塞与缸体、气液隔离活塞与活塞之间零泄露；（4）假定液气隔离活塞两侧压强相等；（5）由于碰撞时间极短，所以认为撞击力为均布载荷。根据计算模型得到活塞杆和阻尼阀芯的力学平衡方程：P1A1+P21（A22-A21）-P2A2+P3A3+Ff+Fp+Fs󰀂（M+mdx=󰀁dt2222222

13、222222224缓冲器特性及参数调整4.1缓冲器的静态特性液气缓冲器的静态特性是指列车在平稳运行过程中，车辆之间相对速度较小，缓冲器受到的缓慢压缩多表现出来的缓冲特性。根据所建立的液气缓冲器动力学模型，模拟液气缓冲器的静态压缩试验。当气体初始压强为3MPa，压缩速率分别为5mm/s、20mm/s时，缓冲器所表现出来的静态特性，如图2所示。当压缩速率为5mm/s时，最大阻抗力为527.88kN，缓冲容量为10.18kJ。当压缩速率为20mm/s时，最大阻抗力为537.75kN，缓冲容量为20.24kJ。从仿真结果可以看出，随着压缩速率的增大，最大阻抗力增加不明显，而缓冲容量有明显的增加。地铁车

14、辆分为三种型因而当列车稳态运行时，该缓冲器号，质量分别为32t、34t、39t2-3，能够很好的满足需要。5.554.5缓冲器阻抗力F（N）×105压缩速度20mm/s压缩速度5mm/smbdxfdt=（P1P21）AV+（P21-P2）Av-Ft-Ff1+Fp143.532.521.510.50.050.1缓冲器位移S（m）0.15式中：M冲击物质量；m活塞杆质量；x活塞杆位移；Ff活塞杆与缸体、阻尼阀与活塞之间的摩擦力；Fp液体阻尼力；mb阻尼阀芯质量；xf阻尼阀芯位移；Fs结构限制力；AV阻尼阀大端面积；Av阻尼阀小端面积；Ft作用在阀芯上的弹簧力；Ff1阻尼阀与活塞之间摩擦力

15、；Fp1阀芯阻尼孔阻尼力。其中，液体阻尼力6为：Fp=8lv式中：液体动力粘度；l阻尼孔长度；v通过阻尼孔液体的速度。图2静态特性曲线Fig.2StaticCharacteristicCurveNo.64.2缓冲器的冲击特性机械设计与制造12001000阻抗力F（kN）8006004002000冲击物体质量10t89液气缓冲器的冲击特性是指列车在紧急，调车作业，受到碰撞冲击时所表现出来的缓冲特性。液气缓冲器的冲击特性对列车纵向动力学的研究起着决定性的作用，而液气缓冲器的冲击特性体现在缓冲特性曲线上。文献8中通过试验测得了不用质量不同起落高度撞击时间从几毫秒到几十毫秒不等，仿真中撞击时间为5ms

16、。根据地铁车辆缓冲器的设计指标缓冲器的最大阻抗力不大于1210kN，缓冲行程不超过150mm，因而单个缓冲器的缓冲容量最大不超过180kJ。研究了当冲击动能保持基本不变的情况下，增加冲击物体的初速度，并且减少冲击物体质量时，新型液气缓冲器的缓冲特性。当冲击速度为10km/h、15km/h、20km/h、25km/h、30km/h，所对应的冲击物体质量分别为39t、18t、10t、6.5t、4.5t时，缓冲器的冲击特性曲线，如图3所示。该种缓冲器在冲击速度为10km/h时，具有优越的缓冲特性曲线，但是当冲击速度不断增加，冲击物体质量不断降低时，缓冲器的最大阻抗力不断增加，缓冲行程减少，阻抗力明显

17、超出了地铁缓冲器阻抗力的最大设计指标。液气缓冲器位移-阻抗力曲线2500液气缓冲器阻抗力F（kN）2000150010005000速度10km/h质量39t速度15km/h质量18t速度20km/h质量10t速度25km/h质量6.5t速度30km/h质量4.5t0.050.1缓冲器位移S（m）0.15图5冲击速度为20km/hFig.5ImpactVelocityis20km/h12001000阻抗力F（kN）800600400200000.050.1缓冲器位移S（m）0.15冲击物体质量6.5t图6冲击速度为25km/hFig.6ImpactVelocityis25km/h12001000

18、阻抗力F（kN）800600400200000.050.1缓冲器位移S（m）0.15冲击物体质量4.5t0.050.1液气缓冲器位移S（m）0.15图3冲击特性曲线比较Fig.3ImpactCharacteristicCurveComparison4.3缓冲器参数调整及分析当冲击动能保持不变时，为了使缓冲器在冲击物体质量和初速度不同时，依然能够保持良好的缓冲特性，对缓冲器结构参数进行了调节，使其特性曲线尽可能的接近矩形，即缓冲器最大限度的吸收能量。冲击物初速度为15km/h、20km/h、25km/h、30km/h时，如图4图7所示。得到的缓冲器缓冲特性曲线，此时缓冲器对应的结构参数及仿真参数

19、，如表2所示。12001000阻抗力F（kN）800600400200000.050.1缓冲器位移S（m）0.15冲击物体质量18t图7冲击速度为30km/hFig.7ImpactVelocityis30km/h通过仿真结果可以看出，在冲击动能一定的情况下，当冲击物速度增大、质量减少时，通过调整阻尼孔的个数、气体腔长度、液体动力粘度系数得到了较为理想的缓冲特性曲线。随着冲击物速度的增大，阻尼阀上阻尼孔的个数、斜阻尼孔的个数也在相应的增加，气体腔的长度也略有增加，而液体动力粘度系数却在降低。当冲击物初速度增大时，阻尼力也瞬间增大，为了使最大阻抗力不超过设计指标，所以通过降低液体动力粘度系数（规定

20、范围内），可以降低阻尼系数，从而降低阻尼力。冲击物体在阻尼力的作用下速度迅速降低，通过增加阻尼孔的个数，调节阻尼孔的流量，使阻尼力下降比较平缓。当缓冲器接近最大行程时，气体腔压强迅速增大，液体腔压强也随之增大，导致阻抗力迅速增加，通过增加液体腔长度可以降低缓冲器刚度，即降低缓冲末端气体腔、液体腔的最大压强。从表2中可以看出，最大阻抗力不超过1200kN，最大行程不超过150mm，容量大于140kJ，吸收率图4冲击速度为15km/hFig.4ImpactVelocityis15km/h90的要求。表液气缓冲器结构参数及仿真参数（km/h）冲击速度冲击质量（t）阻尼阀阻尼孔直径（mm）活塞上斜孔直

21、径（mm）阻尼阀上阻尼孔个数活塞上斜孔个数阻尼环缝缝隙宽度（mm）回流单向阀孔径（mm）单向阀阻尼孔长度（mm）气体腔长度（mm）气体初始压强（MPa）液体动力粘度系数最大阻抗力（kN）最大行程（mm）接受的能量（kJ）消耗的能量（kJ）吸收率10392212223.53.212024460.0301154.3146.7158.46144.2415182212323.53.212024660.0281187.2149.1164.17149.5820102230323.53.212024660.0261184.4146.2159.19147.38256.52232323.53.212025060

22、.0211199.1147.1160.67146.7991.36机械设计与制造参考文献No.6符合地铁缓冲器的设计指标，可以满足地铁车辆提速大于90%，李维忠，宋亚昕新型机车车钩缓冲器研发与优化设计J机械1黄猛，设计与制造，2011（7）：1416（HuangMeng，LiWei-zhong，SongYa-xin.DevelopmentandoptimaldesignforanewkindofdraftgearJ.Machinerydesign&manufacture，304.52236323.53.212025060.0181198.1150.0165.27150.5791.10%2

23、011（7）：1416.）2张锁怀，孙军帅，李永春地铁调车作业纵向动力学分析J机械设计与制造，2009（2）：152154.（ZhangSuo-huai，SunJun-shuai，LiYong-chun.LongitudinaldynamicanalysisonshuntingoperationforthecityvehicleJ.Machinerydesign&manufacture，2009（2）：152154.）3张锁怀，孟旭地铁车辆连挂冲击非线性动力学模型J机械工程学报，2012，48（9）：111116.（ZhangSuo-huai，MengXu.NonlinearImpac

24、tingDynamicModelofaMetroVehicleJ.Journalofmechanicalengineering，2012，48（9）：111116.）4黄运华，李芾，付茂海新型铁道车辆液气缓冲器动态特性J交通运输工程学报，2005，5（4）：15.（HuangYun-hua，LiFu，FuMao-hai.Dynamiccharacteristicofnewhydro-pneumaticbufferforrailwayvehicleJ.Journaloftrafficandtransportationengineering，2005，5（4）：15.）5苗明，李明月，杨万春新型液

25、气缓冲器的动态试验及其仿真分析J机械工程学报，2006，42（1）：212216.（MiaoMing，LiMing-yue，YangWan-chun.DynamictestandsimulationtothenewmodelofHydraulic-GapBufferJ.Journalofmechanicalengineering，2006，42（1）：212216.）6李荣生，廉自生，马清虎液压支架压力传感器结构设计分析J煤矿机电，2008（6）：4748.（LiRong-sheng，LianZi-sheng，MaQing-hu.StudyofpressureMeasuringSystemfo

26、rHydraulicSupportJ.Collierymechanical&electricaltechn-ology，2008（6）：4748.）7隋福成，陆华飞机起落架缓冲器数学模型研究J飞机设计，2001（2）：4451.（SuiFu-cheng，LuHua.MathematicalmodelresearchonaircraftlandinggeardamperJ.Aircraftdesign，2001（2）：4451.）8李海旺，郭可，魏剑伟撞击载荷作用下单层球面网壳动力响应模型实验研究J爆炸与冲击，200626（1）：3945.（LiHai-wang，GuoKe，WeiJian-wei.Thedynamicresponseofasingle-layerreticulatedshelltod