高速客车抗蛇行减振器阻尼匹配的解析研究

高速客车抗蛇行减振器阻尼匹配的解析研究

许浩斌李欣国

珠海广通汽车有限公司519000

摘要：当前，研制高速客车的重要要求即为将高速客车动力学性能的运行平稳性、运动稳定性以及曲线通过能力进行有效的提升。在高速客车转向架系统中，抗蛇行减振器属于其中的重要构成部分，积极的影响到转向架的蛇行运动稳定性，以及能够具备良好的车辆的曲线通过性能。本文对于高速客车抗蛇行减振器阻尼匹配的问题进行研究。

关键词：高速客车；抗蛇行减振器；阻尼匹配；解析

当前，国内外在高速客车抗蛇行减振器阻尼系数的解析设计方法上，还没有提出统一明确的举措，通常多数的方法不能够对抗蛇行减振器阻尼参数正向设计的要求进行满足，同时也不容易对于各因素对抗蛇行减振器阻尼系数产生的影响情况进行掌握。下面在基于高速客车结构参数以及轴箱定位参数等基础上，构建起转向架九自由度蛇行运动模型，研究抗蛇行减振器阻尼系数等。同时结合实际的案例，仿真验证设计抗蛇行减振器阻尼系数。

一、转向架蛇行运动分析模型和抗蛇行减振器阻尼系数解析

本文依照无摇枕、无摇动台、无旁承的转向架结构，构建起转向架九自由度蛇行运动模型。其中，坐标原点是转向架构架的质心O,转向架前轮对的质心O1和后轮对的质心O2。正方向是同车辆行驶方向垂直的和沿车辆行驶方向顺时针的方向。建立于符合转向架蛇行运动研究要求基础上，为方面对转向架的蛇行运动进行分析计算，以及设计运动稳定性的抗蛇行减振器的阻尼系数，假定转向架系统的物理模型具有以下的几方面标准：平直轨道上面，列车可以进行等速的运行，转向架及轮对均属于钢体；转向架构架的重心高度相同于车轴的中线，不考虑构架侧滚振动产生的影响；转向架与车体都是弱耦合，产生转向架蛇形运行期间车体在一种相对静止状态下；车轮跟钢轨接触位置产生的滑动属于弹性的滑动，在轮轨之间形成的不同方向弹性滑动系数同等，不考虑计算钢轨对于轮缘产生的冲击力；忽略掉各子系统之间的摩擦，不重视转向架相对车体转动期间构建起的摩擦力矩问题；悬挂弹簧的刚度跟二系横向及抗蛇行减振器的阻尼，能够看作成线性。此外，进行转向架蛇行运动微分方程分析，包括轮轨间的蠕滑力和转向架蛇行运动微分方程。

首先，在基于运动稳定性的抗蛇行减振器阻尼系数中，将转向架蛇行运动稳定性作为主要的目标，采取赫尔维茨稳定判据分析转向架蛇行运动临界速度举措，并依照拉氏变换方式，表示成为矩阵的形式，再获得赫尔维茨稳定判据的特征方

程式、赫尔维兹行列式、令赫尔维茨行列式及其所有的子列式，构建起基于运动稳定性的抗蛇行减振器阻尼系数解析计算数学模型；其次，基于曲线通过性的抗蛇行减振器阻尼系数中，形成抗蛇行减振器的回转阻力矩、二系横向减振器的回转阻力矩以及中央弹簧的回转阻力矩。依照转向架回转速度与车辆速度、缓和曲线长度以及轨道圆曲线半径之间产生的关联性情况，获得车辆通过曲线轨道最小半径期间转向架回转速度。依照式子，计算出轨道车辆在曲线轨道上运行的抗蛇行减振器的阻尼系数以及基于曲线通过性的抗蛇行减振器的阻尼系数；最后，分析基于运动稳定性和曲线通过性折中最优的抗蛇行减振器阻尼系数。

二、分析构成影响的主要因素

抗蛇行减振器阻尼系数可以受诸多因素的影响，将无摇枕、无摇动台以及无旁承转向架的高速客车作为具体的案例，通过得到的方程式分析抗蛇行减振器阻尼系数影响因素。首先，影响到运动稳定性的抗蛇行减振器阻尼系数的因素包括：车辆运行速度的影响，如果车辆结构参数相同于轨道的参数，则伴随着增加车辆运行速度v，首先获得增大的就是基于运动稳定性的抗蛇行减振器阻尼系数Chs，之后渐渐的变小；车轮踏面等效锥度的影响，如果车辆运行速度一定，在提升车轮踏面等效锥度λ期间，运动稳定性的抗蛇行减振器阻尼系数Chs也会出现相应的改变，产生极大值以及极小值；抗蛇行减振器端部连接刚度的影响，于一定的车辆运行速度前提下，大刚度范围中，增加端部连接刚度Kds的时会先将运动稳定性的抗蛇行减振器阻尼系数Chs进行增大，之后获得渐渐为平稳效果；抗蛇行减振器横向安装间距的影响，如果具有一定的车辆运行速度，在增加横向安装间距b3的期间，会相应的减小运动稳定性的抗蛇行减振器阻尼系数Chs。

其次，分析基于曲线通过性的抗蛇行减振器阻尼系数的影响因素：关于抗蛇行减振器横向安装间距的影响因素，确定车辆运行速度前提下，在增加了横向安装间距b3情况下，会产生减小基于曲线通过性的抗蛇行减振器阻尼系数Ccs现象；在有关于车辆通过曲线轨道的最高通过速度的影响方面上，如果明确了车辆结构参数、轨道参数，产生增加了最高通过速度Vr的情况下，就会相应的减少基于曲线通过性的抗蛇行减振器阻尼系数Ccs。

三、计算实例情况

将某高速客车作为实际案例，采取折中转向架蛇行运动稳定性以及车辆曲线通过性能的方式，科学的设计抗蛇行减振器阻尼系数。车辆的速度设计成每小时300km，单台转向架构架的质量为2760kg，以及摇头转动惯量是4426kg•m2，每一轮对质量为1720kg，轴重为150000N；各轮对的纵向定位刚度、横向定位刚度分别是为13.738×106N/m、4.895×106N/m。各转向架单侧抗蛇行减振器的端部连接等效刚度和单支二系横向减振器的端部连接等效刚度分别是100×106N/m和50×106N/m。另外，一对二系横向减振器的阻尼系数为90kN•s/m，车轮的横向蠕滑系数为16990000N和纵向蠕滑系数是16990000N。车辆的定距是19m，车辆经曲线轨道时的最高通过速度是每小时75km等。通过相关的高速客车的车辆结构参数等内容，得出抗蛇行减振器阻尼系数设计值，即基于运动稳定性的阻尼系数Chs为108.9kN•s/m；基于曲线通过性的阻尼系数Ccs为2540.3kN•s/m；折中最优等效阻尼系数Cs为1038.4kN•s/m；单支减振器折中最优阻尼系数Cos为519.6kN•s/m。最终获得到基于运动稳定性和曲线通过性折中最优抗蛇行减振器阻尼系数Cos=519.8kN•s/m，其处于抗蛇行减振器的可行性设计区间中，所以设计出的抗蛇行减振器阻尼系数可行。

四、阻尼匹配解析设计方法可靠性验证

本文经仿真分析方案，对于可靠性实施检验。依照计算实例显示的车辆参数值，采取SIMPACK多体动力学仿真分析软件，形成高速客车SIMPACK整车仿真模型，实施进一步的模型仿真。利用高速客车SIMPACK整车仿真模型仿真分析，获得转向架构架的横摆位移包括摇头位移时域信号图。于单支抗蛇行减振器阻尼系数是519.8kN•s/m基础上，可以得到稳定状态的转向架构架横摆位移、摇头位移的幅值，显示出本文抗蛇行减振器的阻尼系数，可以对于转向架的蛇行运动进行有效的抑制。而且，经过仿真分析，可以表明此抗蛇行减振器阻尼系数中具有良好的车辆曲线通过性。因此，构建起的设计高速客车抗蛇行减振器阻尼匹配解析举措正确可行。

结语：

伴随计算机技术的不断发展，在轨道车辆蛇行运动稳定性、曲线通过性方面的研究上，已经获得到较大程度的进步，相关的设计也已经步入高层次水平中。但是，进行选取抗蛇行减振器阻尼参数需要具备较高的技术性，转向架设计中，对抗蛇行减振器的阻尼参数进行合理的选取至关重要。未来的研究中，还需要进一步的讨论和研究。

参考文献：

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