引用本文
周素霞, 秦震, 孙晨龙, 王成国, 罗金良. 抗蛇行减振器常见故障对高速列车动力学性能的影响[J]. 北京交通大学学报, 2017,41(1): 85-91.
ZHOU Suxia, QIN Zhen, SUN Chenlong, WANG Chengguo, LUO Jinliang. Influences of common faults of anti-yaw damper on dynamic performances of high-speed train[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2017,41(1): 85-91.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2017.01.014  
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抗蛇行减振器常见故障对高速列车动力学性能的影响
周素霞, 秦震, 孙晨龙, 王成国2, 罗金良3
1. 北京建筑大学 a.机电与车辆工程学院,b.城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室,北京 100044

第一作者:周素霞(1971—),女,河南浚县人,副教授,博士.研究方向为车辆结构的疲劳与断裂、金属材料的微观损伤及车辆动力学.email:zhousuxia@bucea.edu.cn

收稿日期: 2016-06-28
基金: 长城学者培养计划项目(CIT&TCD 20150312)
摘要

以CRH380B型动车组为实例,结合实际中常见的抗蛇行减振器故障,基于车辆动力学理论,利用动力学仿真软件SIMPACK建立动力学模型,通过改变抗蛇行减振器阻尼特性来模拟不同故障类型,从而对车辆进行动力学研究.结果表明:当抗蛇行减振器故障后的剩余阻尼力在标准阻尼力50%以下时,对车体平稳性、稳定性、曲线通过性能均有很大影响.其中当抗蛇行减振器剩余阻尼力为标准力值的50%时,车体垂向和横向平稳性指标分别达到了1.85和2.20,脱轨系数达到了0.45,非线性临界速度降低到了271 km/h.得出抗蛇行减振器的最佳阻尼特性:当卸荷速度为0.03 m/s,卸荷力为8~9 kN时,车辆各动力学性能达到相对最优状态.

关键词: 抗蛇行减振器; 高速动车; 车辆动力学; 减振器故障
中图分类号:U270.2 文献标志码:A
Influences of common faults of anti-yaw damper on dynamic performances of high-speed train
ZHOU Suxia, QIN Zhen, SUN Chenlong, WANG Chengguo2, LUO Jinliang3
1a. School of Mechanical-Electronic and Vehicle Engineering,1b.Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee on Urban Rail Transit Vehicles, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China
Fund:The Great Wall Scholar Program(CIT&TCD 20150312)
Abstract

Taking CRH380B as an instance, combined with common anti-yaw damper faults in practice, a vehicle dynamics model is established using SIMPACK simulation soft-ware based on vehicle dynamics theory, and research on vehicle dynamics is conducted by changing the damping characteristics of anti-yaw damper to simulate different types of faults. The results show that anti-yaw damper faults have great impacts on the riding quality, stability and curve negotiation performance of the vehicle when the residual damping force of anti-yaw damper is less than 50% of the standard damping force after damper faults.The vertical and lateral riding indexes of the veh-icle are 1.85 and 2.20 respectively, the derailment coefficient reaches 0.45, and the nonlinear critical velocity reduces to 271 km/h when the residual damping force is 50% of the standard force. If anti-yaw damper has a character of unloading speed of 0.03 m/s and unloading force of 8~9 kN, the dynamic performance of the vehicle could reach a relative optimal state.

Keyword: anti-yaw damper; high speed train; vehicle dynamics; damper fault

当车辆沿轨道运行时, 轮对会产生一种振幅有增大趋势的特有运动:轮对一方面横向移动、一方面又绕通过其质心的铅垂轴转动, 这两种运动的耦合称为蛇行运动[1].为抑制车辆系统的蛇行运动, 主要通过在车体和转向架构架之间纵向安装抗蛇行减振器, 可以大幅度提高车辆系统的临界速度, 使得车辆系统的运行稳定性得到极大的改善[2].由于抗蛇行减振器在高频率高负荷下长时间工作, 不可避免会产生故障, 减振器故障会反映在阻尼力的变化上, 因此需要针对减振器故障, 提取故障特征, 利用减振器剩余阻尼力大小对车辆动力学性能进行分析.

现阶段对抗蛇行减振器的研究主要集中在性能优化上, 针对故障的分析还不多见.程迪等[3]以CRH2动车组车辆为实例, 利用NUCARS软件, 通过改变抗蛇行减振器阻尼、不同位置抗蛇行减振器失效等多种工况, 分析其对车辆临界速度的影响.南玲等[4]考虑了减振器的端部连接刚度、阻尼以及卸荷特性, 研究其对车体的频率响应和平稳性的影响.刘泉龙等[5]分析了不同程度的抗蛇行减振器故障和多组抗蛇行减振器故障组合情况, 基于抗蛇行减振器故障后的剩余阻尼力大小, 研究车辆、车体及构架的振动性能和动力学指标.但是他们均没有对减振器故障类型及特征进行全面分析, 对阻尼特性的变化没有进行根本性阐述.

本文作者首先分析了抗蛇行减振器的故障类型及特征, 研究故障对减振器阻尼力的变化影响.然后考虑非线性轮轨关系、非线性悬挂参数、实测线路谱, 运用SIMPACK动力学仿真软件计算抗蛇行减振器不同故障下剩余阻尼力对车辆动力学性能的影响, 得出了抗蛇行减振器最佳阻尼特性参数, 为车辆的安全、高品质运行提供保障.

1 抗蛇行减振器故障类型及特征

由于抗蛇行减振器内部结构精密复杂, 如图1所示, 并经常在高频率高负荷下长时间工作, 所以部件的损坏形式也是多种多样的.通过现场调研, 总结出如下减振器典型故障, 研究故障对阻尼力的影响, 并按照不同阻尼力进行仿真, 从而得到不同故障类型对车辆动力学的影响.

图1 抗蛇行减振器内部结构Fig.1 Internal structure of anti-yaw damper

1.1 减振器油引起的故障

1.1.1 减振器油泄露

减振器油泄露是常见的故障, 造成的原因有很多, 如偏载偏磨造成的活塞杆和油封磨损、内部零部件加工精度不合格、安装时存在同轴度公差等[5].泄油会使减振器阻尼力越来越低, 直到最后失去减振作用.减振器油泄露很容易识别, 当有色液压油泄露时, 会对减振器表面造成污染, 肉眼可以观察到.减振器泄露引起的减振故障, 其示功图如图2所示.

图2 液压油泄漏对阻尼特性的影响Fig.2 Effect of the hydraulic oil leakage on damping characteristics

1.1.2 减振器油油品质量

减振器油需要具有极佳的黏温特性、低温性能、高剪切稳定性、优良的摩擦系数、较高的抗磨损性能, 另外还要有极佳的橡胶兼容性, 避免密封材料的腐蚀.尤其是在高寒地区使用的减振器, 由于环境恶劣, 更要有良好的低温性能, 若低温性能不好, 阻尼力将会变大.减振器工作时, 油的温度会迅速增加.黏温特性不好的液压油, 使阻尼力降低.当油品不好时, 容易产生乳化现象, 会使减振器阻尼特性不稳定, 如图3所示.当减振器工作时, 活塞与工作缸摩擦还有其他零部件的磨耗会产生铁屑, 造成液压油的污染, 这时减振器阻尼力会增加.

图3 液压油乳化对阻尼特性影响Fig.3 Effect of the hydraulic oil emulsion on damping characteristics

1.2 减振器零部件损坏

1.2.1 减振器端部橡胶故障

抗蛇行减振器两端有橡胶节点, 该橡胶节点为橡胶套弹性接头, 可以吸收一定的振动, 并可以缓解活塞杆在运动中受到的转动扭矩[6].正常工作的减振器示功图如图4中虚线所示, 当减振器橡胶节点老化或损坏, 节点刚度增大, 减振器相当于刚性连接的纯阻尼系统, 减振器示功图如图4中实线所示.

图4 橡胶节点对阻尼特性的影响Fig.4 Effect of rubber joints on damping characteristics

1.2.2 减振器补偿阀故障

补偿阀关闭滞后, 会产生空程, 如图5所示.原因是减振器在压缩状态时, 由于补偿阀关闭滞后, 工作缸下腔的油会先从补偿阀流回储液缸, 而没有经过压缩阀, 这样就会产生一段时间的阻尼力消失, 当补偿阀关闭时, 阻尼力又恢复原来状态.

图5 补偿阀滞后对阻尼特性的影响Fig.5 Effect of compensating valve hysteresis on damping characteristics

1.3 其他故障

减振器长时间工作后, 活塞与工作缸摩擦剧烈, 因温度过高, 会产生减振器卡死现象, 从而造成减振器失效.当紧固阀片的螺母产生松动时, 阀片预紧力产生影响, 从而影响阻尼力.当阀片多次弯曲后会产生变形甚至折断, 使减振器失效.

不管是何种故障, 都可以看作是减振器阻尼力的变化.所以本文采用了增加和降低阻尼力的方式, 进行模拟减振器在使用过程中可能产生的故障, 阻尼力偏差范围在标准值的-50%~100%, 见图6.

图6 不同工况下抗蛇行减振器阻尼特性Fig.6 Damping characteristics of the anti-yaw damper under different conditions

通过模拟不同故障工况下的阻尼特性曲线, 从而建立不同抗蛇行减振器阻尼特性的SIMPACK动力学模型.

2 整车动力学模型的建立
2.1 车辆-轨道系统非线性处理

2.1.1 轮轨接触几何非线性

轮对和轨道的接触问题一直是该领域研究的重要部分, 不同的轮轨配合会具有不同的轮轨接触几何关系, 早期在铁道车辆动力学研究时, 将轮轨关系近似线性化, 采用“ 等效踏面锥度” 、“ 等效轮轨接触角” 等方法来处理[7].随着铁道车辆技术的发展, 为了提高轮对的使用寿命和车辆运行性能, 车轮踏面不再使用早期的锥形踏面, 进而釆用非线性较强的磨耗型踏面.本文建立的CRH380B型高速动车组模型车轮踏面采用的是S1002CN磨耗型踏面, 线路钢轨为CN60型轨道, 此车轮和钢轨形面可直接在SIMPACK软件中选择得到.

2.1.2 轮轨蠕滑非线性

由于车轮和钢轨都不是纯刚体, 具有一定的弹性, 所以车轮在钢轨上滚动时, 车轮和钢轨的接触面间也会产生一种相对微小的滑动现象称为轮轨蠕滑[8].根据大量理论分析和试验测试表明, 在蠕滑率很小的时候, 蠕滑力和蠕滑率之间的关系为线性关系, 蠕滑率在某一范围的大蠕滑情况下, 蠕滑力和蠕滑率之间的关系呈现为非线性.本文采用Kalker简化蠕滑理论, 建立SIMPACK车辆-轨道系统模型中的蠕滑力和蠕滑率之间非线性关系, 轮轨间摩擦系数取值为0.4.

2.1.3 悬挂系统非线性

动车组列车悬挂系统中的一系垂向、二系垂向、二系横向及抗蛇行减振器的阻尼力与其两端相对运动速度之间呈一定的非线性关系, 经过MTS激振台试验得到4种减振器阻尼特性非线性关系, 如表1所示.

表1 车辆减振器非线性参数 Tab.1 Nonlinear parameters of vehicle shock absorber

2.1.4 轨道不平顺

轨道不平顺激励对于车辆系统作为一种激励函数输入, 它使车辆系统产生各种强迫振动, 这些振动对车辆动力学会造成重要影响.模型道路由200 m直线、500 m缓和曲线、1 000 m圆曲线、500 m缓和曲线与200 m直线组成, 整体为一条完整线路, 曲线半径为6 000 m, 超高160 mm.采用京沪线实测的线路垂向和水平不平顺, 如图7所示.

图7 实测京沪线线路不平顺Fig.7 Actual measurements of the track irregulation of Beijing-Shanghai railway

2.2 车辆-轨道系统模型

车辆系统拓扑图如图8所示, 系统由4条轮对、8个转臂轴箱、2个构架和1个车体组成, 共50个自由度.其中, 轮对、构架、车体分别与总参考坐标系用7号铰接相连, 7号铰接用于描述轨道车辆的6自由度部件(轮对, 构架, 车体等)沿着轨道在空间中的运动.一系悬挂和二系悬挂均用5号和6号力元表示, 5号力元用于描述弹簧、阻尼并联的单点重合力; 6号力元用于描述弹簧、阻尼串联且具有一定距离的力.转臂轴箱与轮对用2号铰接相连, 2号铰接用于描述只绕x轴转动的单自由度运动.转臂轴箱与构架用5号力元连接.

图8 车辆-轨道系统拓扑图Fig.8 Vehicle-track system topology

轮对和钢轨间有接触和蠕滑力[9], 本文采用Kalker简化蠕滑理论, 建立SIMPACK车辆-轨道动力学模型, 如图9所示.系统模型中的蠕滑力和蠕滑率之间为非线性关系, 轮轨间摩擦系数取值为0.4, 另外模型还建立了牵引拉杆、横向止挡、抗侧滚扭杆, 采用轮轨接触非线性、悬挂系统非线性、实测轨道不平顺激励, 使模型与实际情况尽可能吻合.

图9 车辆-轨道动力学模型Fig.9 Vehicle-track dynamic model

3 数值计算结果及分析

车辆动力学性能包括:平稳性、稳定性、曲线通过性能3个方面.平稳性是评价旅客乘坐舒适性的指标, 主要由Sperling指标评判.稳定性和曲线通过性能主要由临界速度、脱轨系数、减载率、轮轨横向力、轮轨垂向力、磨耗功率等进行评价[10].本文采用SIMPACK建立的车辆-轨道动力学模型, 模拟车辆运行速度300 km/h, 通过计算来评价抗蛇行减振器阻尼力的改变对车辆动力学性能的影响.

3.1 车辆平稳性分析

车辆平稳性评价参考相关标准[11], 在横向偏离转向架中心位置1 m处的车内地板面上提取加速度值.由于减振器阻尼力在-50%偏差时车辆平稳性急剧恶化, 在图中不易表示, 其结果为:横向平稳性指标为2.20, 垂向平稳性指标为1.85, 车体横向加速度峰值为2.35 m/s2, 车体垂向加速度峰值为0.37 m/s2.减振器阻尼力在-40%~100%偏差范围内时, 结果如图10和图11所示.

图10 车体加速度峰值随阻尼力偏差变化曲线Fig.10 Curves of peak acceleration of the vehicle body changing with damping force deviation

图11 车体平稳性指标随阻尼力偏差变化曲线Fig.11 Curves of vehicle body riding index changing with damping forcedeviation

可以看出, 在-20%阻尼力偏差时取到最小垂向加速度为0.187 m/s2, 在-50%阻尼力偏差时平稳性恶化, 取到最大垂向加速度为0.370 m/s2, 其相差49.5%.但阻尼力偏差在-40%~100%内变化时, 垂向加速度变化趋势较小; 车体横向加速度变化趋势为先急剧减小, 然后缓慢减小, 最终趋于平滑; 车体垂向平稳性指标和其垂向加速度变化趋势相同, 在减振器-20%、-10%阻尼力偏差时达到最低值1.353, 同样是在-50%偏差时达到最高值1.850; 车体横向平稳性指标在-20%阻尼力偏差时达到最低值1.432, 大于或小于-20%偏差均有增加趋势, 在-50%偏差时达到最高值2.200.

3.2 车辆稳定性分析

使车辆在2.1.4中提到的曲线上运行, 同样加载实测道路不平顺激励, 模拟运行速度300 km/h.可得到以下车辆稳定性指标:轮重减载率、脱轨系数、磨耗功率、轮轨横向力、轮轨垂向力、临界速度.

由于减振器阻尼力在-50%偏差时稳定性急剧恶化, 在图中不易表示, 其结果是:脱轨系数为0.45, 轮对减载率为0.32, 轮轨横向力均方根为4 557 N, 轮轨垂向力均方根为64 994 N, 磨耗功率平均值为1 950 Nm/s.减振器阻尼力偏差在-40%~100%范围时, 结果如图12~图16所示.

图12 轮重减载率随阻尼力偏差变化曲线Fig.12 Curve of reduction rate of wheel load changing with damping force deviation

图13 脱轨系数随阻尼力偏差变化曲线Fig.13 Curve of derailment coefficient changing with damping force deviation

图14 磨耗功率随阻尼力偏差变化曲线Fig.14 Curves of wear power changing with damping force deviation

图15 轮轨横向力均方根值随阻尼力偏差变化曲线Fig.15 Curves of RMS value of the wheel-rail lateral force changing with damping force deviation

图16 非线性临界速度随阻尼力偏差变化曲线Fig.16 Curve of nonlinear critical speed changing with damping force deviation

由图12可以看出轮重减载率随阻尼力偏差变化趋势, 当阻尼力偏差在-20%~50%时, 减载率缓慢增加, 阻尼力偏差在-20%时达到最优值0.219 4, 小于-20%和大于50%阻尼力偏差时都有相对恶化趋势, 尤其当阻尼力偏差降低到-50%时, 此时的轮重减载率为0.320 0.

由图13可以看出脱轨系数随着阻尼力偏差增大而降低, 阻尼力在标准值时, 脱轨系数降低趋势变缓, 在-50%阻尼力偏差时, 脱轨系数增大到0.45.

由图14可以看出轮轨磨耗的趋势和脱轨系数趋势相同, 轮轨平均磨耗功率在-40%~100%阻尼力偏差下总体变化为37.63%, 在-50%偏差时平均磨耗功率更是增大到1 950 Nm/s.可见抗蛇行减振器阻尼力对轮轨磨耗的影响较大.

由图15可以看出阻尼力偏差对轮轨垂向力均方根值影响较小, -50%阻尼力偏差时的最大值64 994 N与30%偏差时的最小值64 820 N相差0.27%.阻尼力对轮轨横向力均方根值有一定影响, 分别在-50%偏差和50%~100%偏差时取到最大值和最小值, 其相差63.2%.

由图16可以看出车辆非线性临界速度随着抗蛇形减振器阻尼力的增加而增加.

4 结论

本文分析了减振器的典型故障, 研究了抗蛇行减振器故障后的剩余阻尼力对车辆动力学性能的影响.在SIMPACK中输入不同剩余阻尼力的抗蛇行减振器参数进行计算, 根据相关评价标准[11]得到不同故障类型对车辆动力学的影响, 通过计算分析得出以下结论.

1)对于减振器油泄露和补偿阀滞后等引起阻尼力变小的故障要引起重视.当抗蛇行减振器阻尼力降低到标准值50%即卸荷速度为0.03 m/s、卸荷力为4.5 kN以下时, 几乎所有车辆动力学性能均急剧恶化:临界速度降低到271 km/h, 横向平稳性指标达到2.2, 脱轨系数达到0.45, 车体横向加速度最大值达到2.35 m/s2, 轮轨横向力均方根值是采用标准阻尼力抗蛇行减振器时的2.7倍, 磨耗功率也有较大增加.所以抗蛇行减振器阻尼特性的取值不能低于-50%偏差.

2)当抗蛇行减振器故障使阻尼力偏差在-40%~100%范围时, 其对于垂向动力学影响较小, 车体垂向加速度最大变化率为2.60%, 垂向平稳性指标最大变化率为0.66%.

3)抗蛇行减振器故障对于临界速度、轮轨磨耗功率和车体横向加速度的影响比较灵敏, 当抗蛇行减振器故障使阻尼力偏差稍小于标准力值时, 以上动力学性能就会产生较大影响.

4)经过分析动力学参数结果, 根据保证车辆稳定性的前提下尽可能提高车辆运行平稳性的原则, 可以选取抗蛇行减振器的最优阻尼特性, 最优值为90%~100%标准阻尼特性, 即抗蛇行减振器卸荷速度为0.03 m/s, 卸荷力为8~9 kN时, 车辆各动力学性能达到相对最优状态.

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 任尊松. 车辆动力学基础[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2009.
REN Zunsong. Basic of vehicle dynamics[M]. Beijing: China Railway Press, 2009. (in Chinese) [本文引用:1]
[2] 罗文杰. 减振器设计选型与质量检验标准规范实用手册[M]. 北京: 北方工业出版社, 2006.
LUO Wenjie. Shock absorber design selection and quality inspection stand ards practical hand book[M]. Beijing: Northern Industrial Press, 2006. (in Chinese) [本文引用:1]
[3] 程迪, 程海涛. CRH2动车组动力学性能分析[J]. 机车电传动, 2010(3): 13-16.
CHENG Di, CHENG Haitao. Dynamic performance analysis of CRH2[J]. Electric Drive for Locomotives, 2010(3): 13-16. (in Chinese) [本文引用:1]
[4] 南玲. 垂向减振器对铁道车辆动力学性能的影响分析[J]. 机械设计与研究, 2009(4): 9-13.
NAN Ling. Influence of vertical damper on the dynamic performance of railway vehicle[J]. Mechanical Design and Research, 2009(4): 9-13. (in Chinese) [本文引用:1]
[5] 刘泉龙, 黄运华. 高速动车组抗蛇行减振器的故障分析与识别[J]. 机床与液压, 2016, 44(1): 188-193.
LIU Quanlong, HUANG Yunhua. Fault analysis and identification of high speed anti-yaw damper[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2016, 44(1): 188-193. (in Chinese) [本文引用:2]
[6] 刘勇. 浅谈CRH2型动车组油压减振器三级修常见故障及分析[J]. 电源技术应用, 2013(7): 140-141.
LIU Yong. Common faults and analysis of damper three repair in CRH2[J]. Power Technology Application, 2013(7): 140-141. (in Chinese) [本文引用:1]
[7] 修源. 高速列车抗蛇行减振器主动控制研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2012.
XIU Yuan. Research on active anti-yaw damper control of high-speed trains[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2012. (in Chinese) [本文引用:1]
[8] 刘宏友. 高速列车中的关键动力学问题研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2003.
LIU Hongyou. Research on the key dynamics of high speed train. [D]Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2003. (in Chinese) [本文引用:1]
[9] 周素霞, 杨继震. SIMPACK9实例教程[M]. 北京: 北京联合出版公司, 2013.
ZHOU Suxia, YANG Jizhen. SIMPACK9 examples guide[M]. Beijing: Beijing United Publishing Company, 2013. (in Chinese) [本文引用:1]
[10] 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, 2004, 27(6): 6-8.
PIAO Jiling, FAN Youquan. Effect of yaw shock absorber on locomotive running quality[J]. Electric Locomotives and Railway Vehicles, 2004, 27(6): 6-8. (in Chinese) [本文引用:1]
[11] 中华人民共和国铁道部. 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范: GB/T5599-1985[S]. 北京: 中国质检出版社, 1985: 2-8.
Ministry of Railways of the PRC. Qualification specifications of railway vehicle dynamics performance evaluation and testing: GB/T5599-1985[S]. Beijing: China Zhijian Publishing House, 1985: 2-8. (in Chinese) [本文引用:2]