液体复合橡胶节点非线性特性对车辆蛇行运动稳定性

液体复合橡胶节点非线性特性对车辆蛇行运动稳定性

的影响

段泽斌 、张隶新

（1 中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035；

2 河北省轨道车辆转向架技术创新中心，河北 唐山 063035）

摘 要 以试验测试结果为依据，建立液体复合橡胶件非线性动力学模型，通过动力学计算调整橡胶节点的并联弹簧、串联弹簧、串联阻尼、并联阻尼的缩放系数，校准橡胶液体复合橡胶节点非线性动力学模型；在此基础上，建立内置轴箱转向架的动力学计算模型，在橡胶液体复合橡胶节点刚度随频率变化与刚度-频率非线性变化下，通过降速法施加初始轮对位移得到轮对横移分岔图，并计算蛇行频率。研究非线性曲线对车辆蛇行稳定性的影响规律。

关键词 液体复合橡胶节点；内置轴箱转向架；非线性特性；频变特性；

引言

橡胶节点作为转向架关键部件之一，在轨道车辆转向架中使用非常普遍，例如：轮对轴箱定位节点、减振器节点、抗侧滚扭杆节点、牵引拉杆节点等[1]。目前，在轨道车辆上使用的橡胶节点大部分均是单一的金属橡胶结构，这类橡胶节点刚度参数随振动频率的变化非线性较弱，难以满足工程师对高频大刚度低频小刚度的要求，以实现线路高速平稳性与小曲线通过性。Hiensch、张隶新及丁行武等研究人员[2-4]发现转臂节点能够表现出了理想的低频低刚度和高频高刚度的频变刚度自适应特点，频变刚度转臂节点的整体动刚度水平取决于液压腔体积柔度和等效活塞面积,而动态刚度阀值频率则主要由流道长径比决定。祁亚运等[5]在研究中发现变刚度节点能够提高车辆直线运行时的临界速度，改善了曲线通过性能，降低车辆通过曲线时的轮对冲角与轮轨力。宋志坤等[6]在研究中发现在服役期内的转臂节点，随着节点纵向刚度增加,车辆运行稳定性、平稳性性能明显下降,并且加剧轮轨磨耗。何灼馀[7]对比分析CRH2车辆动力学传统模型和橡胶节点频率-刚度模型中的振动模态和动车临界速度，表明橡胶节点的频率-刚度特性对动车组的动力学性能有较大的影响。王业、曾京[8]提出通过缓和曲线时带有非线性橡胶节点模型振动较线性模型振动剧烈，通过曲线时线性模型比非线性模型振动剧烈。而刚度-频率非线性特性曲线的类型和特征及其影响还少有讨论，本文基于内置轴箱转向架研究液体复合橡胶节点刚度随频率变化与刚度-频率非线性变化下对车辆蛇行运动稳定性影响。

1建立模型

1.1液体复合橡胶节点建模

本文中研究的液体复合橡胶节点内安装了两个，低速时，液体可自由穿过衬套，定位刚度降低；高速时液体，液体储存室的连接方式导致液体不能流动，定位刚度提高；从而可以实现列车高速直线与小曲线通过性的兼容，为车辆从高铁线路跨线运营至既有线成为可能。

橡胶元件具有强非线性，在不同加载幅值和频率下动态刚度和阻尼各异。橡胶件最简单的力学模型是弹簧和阻尼并联模型，但不能体现其非线性动态特性。根据之前针对橡胶件开展的动态参数试验和仿真研究成果，提出了如图1所示，一种适用于车辆动力学快速仿真且精度足够高的橡胶件非线性动力学模型，并集成到SIMPACK用户自定义力元中，方便与车辆系统动力学模型集成。

图1 节点模型

橡胶具有强非线性，在不同加载幅值和频率下动态刚度和阻尼各异。橡胶件最简单的力学模型是弹簧和阻尼并联模型，但不能体现其非线性动态特性。根据之前针对橡胶件开展的动态参数试验和仿真研究成果，提出了如图2所示，一种适用于车辆动力学快速仿真且精度足够高的橡胶件非线性动力学模型，并集成到SIMPACK用户自定义力元中，方便与车辆系统动力学模型集成。

对某橡胶节点元件，计算得到的四条分段线性曲线如图2所示。为了和试验结果尽可能接近，这些曲线都可以设置缩放系数，通过优化算法来选择这些系数。

（a）并联弹簧ke  （b）串联弹簧kd   （c）串联阻尼cd    （d）并联阻尼c

图2橡胶件非线性力元曲线

1.2内置轴箱转向架建模

在常规高速动车组动力学模型基础上，对应建立了自适应内置轴箱转向架动力学模型案。自适应转向架的一系拉杆定位节点采用带有液体的弹性橡胶节点，刚度随随着振动频率调整。自适应转向架单侧装配两根抗蛇行减振器，一根为常规油压减振器，一根为开关型减振器（打开时与常规减振器输出力相同，关闭时输出力为零）。

（a） 转向架模型

（b） 车辆模型

图3  内置轴箱转向架动力学模型

2节点动态刚度的非线性特性

自适应转向架采用了可变刚度的液压橡胶定位节点，具有典型的频率非线性，即高频段的刚度显著大于低频段。而刚度-频率非线性特性曲线的类型和特征及其影响还少有讨论，如图4为两类典型的动态刚度-频率的非线性曲线，其中，第一类刚度随频率线性变化，在5Hz处具有相同的刚度即名义刚度，考虑5种刚度-频率斜率，即不同的刚度变化范围，曲线1～5的刚度变化范围逐渐减小；第二类刚度具有频率非线性，在低频1Hz和高频10Hz具有相同的刚度值，但曲线中间部分斜率动态变化且呈凹凸特征，曲线1～5的刚度由凸逐渐变凹，即刚度随频率的增加由对数增长逐渐过渡到指数增长类型。

将具有上述两类刚度频变特性曲线的定位节点刚度导入到具有两类典型蛇行运动的车辆动力学仿真模型中，通过降速法施加初始轮对位移得到轮对横移分岔图，并计算蛇行频率。研究非线性曲线对车辆蛇行运动的影响规律。

(a)刚度随频率变化范围       (b)刚度随频率增长形式

图4 定位橡胶节点动态刚度-频率的非线性曲线

3对车辆动力学性能的影响规律

3.1刚度随频率变化范围的影响

图5和图6分别为小等效锥度（等效锥度0.1）和大等效锥度（等效锥度0.48）工况下的蛇行分岔图和蛇行频率。结果表明：

在小等效锥度下，非线性曲线对分岔图的整体形状影响较小，主要改变了复杂蛇行区域的初始速度；曲线1因在小频率时动态刚度最大，结合定刚度结果，更易发生一次蛇行，所以其蛇行临界速度和复杂蛇行区域的初始速度更小；不同的动态刚度下，分岔图形状略有差异，非线性临界速度也不同，但随车速变化的总体趋势是相同的；在复杂蛇行运动区域，轮对横移幅值显著增大，增加了运行安全性风险；在80 m/s以下速度，都只发生单一幅值极限环的蛇行运动，且极限环幅值不超过5mm，没有运行安全风险。

在大等效锥度下，在所计算工况下均是单一幅值极限环运动，没有发生复杂蛇行运动；从曲线1到曲线5，非线性临界速度略有提高，蛇行运动频率有所增加；曲线1和曲线2工况，在车速高于170 m/s后发生了幅值大于10 mm、频率约4Hz的剧烈蛇行运动，在车速低于170 m/s时均发生幅值小于2mm的蛇行运动；曲线3、4、5工况下均只发生小幅值的蛇行运动；曲线1和曲线2工况下，动态刚度变化范围较大。在车速低于170 m/s时，蛇行运动频率较高，对应的动态刚度也较大；在车速高于170 m/s时，蛇行运动频率突然变低，对应的动态刚度也较小。可见，动态刚度变化范围较大可能会导致蛇行运动存在多种状态，从而不利于车辆运行安全性。

图5小等效锥度工况的蛇行分岔图和蛇行频率

图6大等效锥度工况的蛇行分岔图和蛇行频率

3.2刚度随频率增长形式的影响

图7和图8分为小等效锥度（等效锥度0.1）和大等效锥度（等效锥度0.48）工况下，定位刚度随频率增长形式对蛇行分岔图和蛇行频率影响的计算结果，可见：

在小等效锥度情况下，该类非线性曲线对分岔图没有显著的影响，这主要是由于各曲线在1 Hz左右低频的动态刚度均达到20 MN/m以上，而一次蛇行需要定位刚度小于10 MN/m才能显著提高非线性临界速度和改善蛇行。

在大等效锥度情况下，8~10 Hz的高频需要较大动态刚度才能有效抑制二次蛇行，曲线4和5的动态刚度是“凹形”的，动态刚度和动态阻尼也相对较小，在车速高于170 m/s后出现大幅值蛇行，蛇行频率最低，降低了蛇行稳定性；具有“凸形”的曲线1、2工况，所计算工况下极限环幅值没有超过2mm，蛇行频率较高。

图7小等效锥度工况的分岔图和蛇行频率

图8大等效锥度工况的分岔图和蛇行频率

4结论

（1）本文提出了一种适用于车辆动力学快速仿真且精度足够高的液体橡胶复合节点的非线性动力学模型并计算了该节点的四条橡胶件非线性力元曲线。通过调整胶件非线性力元曲线，拟合液体橡胶复合节点的非线性特性，并与液体橡胶复合节点试验结果进行了对比，误差小于6%。

（2）研究了两类刚度频变特性曲线的液体橡胶复合定位节点导入到具有两类典型蛇行运动的车辆动力学仿真模型中，通过降速法施加初始轮对位移得到轮对横移分岔图，并计算蛇行频率，研究非线性曲线对车辆蛇行运动的影响规律。

（3）液体橡胶复合定位节点采用刚度随频率变化范围的频变特性曲线时，随着曲线形状从1到5变化，复杂蛇行运动初始车速提高，这说明刚度变化范围增大，会恶化高速下的蛇行运动稳定性。采用动静刚度比不大的定位节点，可能更有利于运行安全，这需要进一步深入研究。

（4）液体橡胶复合定位节点采用刚度随频率增长形式的频变特性曲线时，采用“凸形”的动态刚度-频率曲线有利于提高整个频率范围内的刚度，对抑制二次蛇行有利。实际橡胶节点也多具有“凸形”非线性刚度特征。

5参考文献

[1]刘建勋,卜继玲. 轨道车辆转向架橡胶弹性元件应用技术[M]. 北京:中国铁道出版社,2012:196-237.

[2]HIENSCH M, LINDERS M, BURGELMAN N, et al. Freight Bogie Design Measures to Improve the Lifetime Performance of Switches and Curves [C]∥Proceedings of the Third InternationalConference on Railway Technology:Research,Development and Maintenance.UK:Civil-Comp Press,2016:1-15.

[3]张隶新,魏来,王勇. 变刚度转臂定位节点对车辆动力学性能的影响[J]. 铁道车辆, 2016, 54(12): 1-4.

[4]丁行武,卜继玲,李晓武，等. 轨道车辆频变刚度转臂节点机理研究与验证[J].铁道学报,2021，43(8):27-34.

[5]祁亚运,戴焕云,魏来,等.变刚度转臂定位节点对地铁车辆车轮磨耗的影响[J],振动与冲击,2019,38(6):100-107.

[6]宋志坤,王皓,胡晓依,等.服役转臂节点刚度对运营车辆动力学影响研究[J].铁道学报,2020,42(4):35-42.

[7]何灼馀.高速动车组转向架一系橡胶节点频率-刚度特性及其影响研究[D].西南交通大学:车辆工程2012:63-86.

[8]王业,曾京.转臂定位节点非线性特性对动车组动力学性能的影响[J].机械,2019,7(46):17-20.

基金项目：中国中车重点项目(2022CDB083)；

 1 / 2