地鐵車輛新型液氣緩沖器沖擊特性研究_李偉剛

1、第6期2014年6月機械設計與制造MachineryDesignManufacture87地鐵車輛新型液氣緩沖器沖擊特性研究李偉剛1，吳一凡1張鎖懷2，陜西西安710021；2.上海應用技術學院機械工程學院，上海201418）（1.陜西科技大學機電工程學院，摘要：為了保證地鐵車輛安全提速，根據(jù)地鐵緩沖器要求，設計了一種具有三段阻尼結構的新型液氣緩沖器，建立了動力學計算模型。利用數(shù)值仿真方法，計算了靜態(tài)特性曲線，結果表明可以滿足列車穩(wěn)態(tài)運行需要；在沖擊動能一定的情況下，對不同沖擊速度的動態(tài)特性曲線進行比較，并且通過參數(shù)調(diào)整使不同速度下的特性曲線接近矩形曲線，說明了參數(shù)調(diào)整依據(jù)及規(guī)律，可以使緩沖器

2、受到較大速度的物體撞擊時，具有較小的阻抗力。該緩沖器吸收率大于90%，能夠適應地鐵提速要求。關鍵詞：地鐵車輛；液氣緩沖器；動力學模型；數(shù)值仿真；沖擊特性；緩沖曲線中圖分類號：TH16；U463.33+5.1文獻標識碼：A文章編號：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引言緩沖器作為地鐵車輛重要的吸能部件之一，通過它來緩和和削減地鐵車輛在運行和調(diào)車過程中的縱向沖擊力1，隨著地鐵車輛運行速度的提高和編組數(shù)量的增加，在調(diào)車作業(yè)、緊急制動過程中車輛的縱向沖擊力急劇增大2，嚴重影響了運行的安全性和乘客的舒適性，從而對地鐵車車輛的緩沖器性能提出了更高的要求。在地鐵被動安全防護系統(tǒng)中，國外的車鉤緩沖器允許的連掛速度已經(jīng)達到了15km/h，在該速度以內(nèi)緩沖器系統(tǒng)必須能夠吸收沖擊能量3。而液氣緩沖器具有緩沖容量大、性能穩(wěn)定、便于調(diào)整等優(yōu)點4，并且利用惰性氣體復位元件，實現(xiàn)了無損耗工作

7、，減少了維修量，提高了使用壽命，可以滿足地鐵提速的要求。我國液氣緩沖器技術還不夠成熟，目前上海運營的地鐵車輛緩沖器來自法國的某公司和德國的某公司。因此對適用于地鐵車輛的新型液氣緩沖器的研究就顯得尤為重要。2新型液氣緩沖器的工作原理液氣緩沖器通過壓縮液體使其通過阻尼小孔，液體與管壁之間以及液體分子之間必然要產(chǎn)生摩擦，損耗一定的能量，從而實現(xiàn)對沖擊能量的緩沖、衰減和吸收。通過阻尼孔的液體推動液氣隔離活塞壓縮惰性氣體，從而實現(xiàn)液氣緩沖器復位。液氣緩沖器的理想緩沖特性曲線（即緩沖力-緩沖行程曲線）應盡可能接近矩形5，根據(jù)地鐵車輛緩沖器的設計要求，如表1所示。設計的新型液氣緩沖器，如圖1所示。緩沖器有三

8、段阻尼結構，便于對液氣緩沖器的緩沖特性曲線進行調(diào)整，使其盡可能的接近理想曲線。表地鐵車輛緩沖器設計指標項目緩沖器容量（kJ）145±10%行程（mm）150阻抗力（kN）吸收率（%）1100±10%80新型液氣緩沖器的液體腔8、液體腔4中充滿了粘性液體，氣體腔2充滿了惰性氣體，氣體具有一定的初始壓力。當液氣緩沖器的活塞桿1受到物體撞擊時，活塞桿向右運動，此時液體腔2013-12-17來稿日期：基金項目：國家科技支撐計劃資（2009BAG11B01）作者簡介：李偉剛，（1987-），男，陜西寶雞人，在讀碩士研究生，主要研究方向：鐵道車輛緩沖器方面的研究；張鎖懷，（1962-）

9、，男，陜西寶雞人，博士，教授，主要研究方向：鐵道車輛被動安全保護方面的研究88李偉剛等：地鐵車輛新型液氣緩沖器沖擊特性研究Ksxx<000<x<xmax結構限制力為：Fs=K（sx-xmax）x>xmax7第6期液體通過阻尼閥芯5上的阻尼孔7進8中的粘性液體受到擠壓，入液體腔4。當閥芯受到的作用力大于彈簧的初始壓力時，閥芯打開，液體通過活塞側面的斜阻尼孔6，依次流過活塞和閥芯形成的阻尼環(huán)縫進入液體腔4，液體腔4中的液體推動液氣隔離活塞3向左運動，壓縮惰性氣體，使得氣體壓強升高。在此過程中活塞的動能大部分轉化為粘性液體的熱能，通過缸體10散發(fā)到大氣中。當緩沖器卸載時，被壓

10、縮的惰性氣體推動液氣隔離活塞3使液體腔4中的液體經(jīng)由單向閥9和阻尼孔7流進液體腔8，從而實現(xiàn)液體緩沖器的復位，完成整個緩沖過程。1345678Ks緩沖器的軸向拉壓剛度。式中：Ft=k（x0+x）fk彈簧勁度系數(shù)。x0彈簧的預壓縮量；式中：nd（P-P）阻尼閥上阻尼孔的流量方程為：Q1=11121式中：n1阻尼孔個數(shù)；d1阻尼孔直徑；l1阻尼孔長度?；钊麠U上斜阻尼孔流量方程：2222222222224nx（P-P）0燮xf燮d2Q2=2f12144P21nd（P-P）Q2=22121xf>d23P3P2P1n2斜阻尼孔個數(shù)；式中：d2斜阻尼孔直徑；l2斜阻尼孔長度。dh（P21-P1）阻尼

11、環(huán)縫流量方程：Q2=30fd3阻尼環(huán)縫外直徑；l0環(huán)縫初始長度。h環(huán)縫寬度；式中：A3A2A21A22109A1P3=P0圖1液氣緩沖器結構簡圖及計算模型Fig.1Hydro-PneumaticBufferStructureDiagramandCalculationModelV00󰀂n式中：P0氣體腔初始壓強；V0氣體初始體；惰性氣體為氮氣，取n=1.45。3液氣緩沖器的動力學模型由于液氣緩沖器的內(nèi)部結構比較復雜，所以簡化的計算模型，如圖1所示。其中P1、液體腔4的壓強，P21P2分別為液體腔8、為阻尼閥處腔體壓強；A1為活塞右端的環(huán)形面P3為氣體腔壓強；積，A22為阻尼閥處左

12、端活塞腔體環(huán)形面積；A21為阻尼閥處右端A2為液體腔4處右端活塞腔體環(huán)形面積；活塞腔體環(huán)形面積；A3為氣腔右端面積。為了方便計算并且對計算精度影響不大的前提下，對計算過程做了以下假設：（1）由于緩沖過程時間很短，認為緩沖過程是絕熱過程；（2）忽略液體、彈簧、隔離活塞的質量；（3）認為活塞與缸體、氣液隔離活塞與活塞之間零泄露；（4）假定液氣隔離活塞兩側壓強相等；（5）由于碰撞時間極短，所以認為撞擊力為均布載荷。根據(jù)計算模型得到活塞桿和阻尼閥芯的力學平衡方程：P1A1+P21（A22-A21）-P2A2+P3A3+Ff+Fp+Fs󰀂（M+mdx=󰀁dt2222222

13、222222224緩沖器特性及參數(shù)調(diào)整4.1緩沖器的靜態(tài)特性液氣緩沖器的靜態(tài)特性是指列車在平穩(wěn)運行過程中，車輛之間相對速度較小，緩沖器受到的緩慢壓縮多表現(xiàn)出來的緩沖特性。根據(jù)所建立的液氣緩沖器動力學模型，模擬液氣緩沖器的靜態(tài)壓縮試驗。當氣體初始壓強為3MPa，壓縮速率分別為5mm/s、20mm/s時，緩沖器所表現(xiàn)出來的靜態(tài)特性，如圖2所示。當壓縮速率為5mm/s時，最大阻抗力為527.88kN，緩沖容量為10.18kJ。當壓縮速率為20mm/s時，最大阻抗力為537.75kN，緩沖容量為20.24kJ。從仿真結果可以看出，隨著壓縮速率的增大，最大阻抗力增加不明顯，而緩沖容量有明顯的增加。地鐵車

14、輛分為三種型因而當列車穩(wěn)態(tài)運行時，該緩沖器號，質量分別為32t、34t、39t2-3，能夠很好的滿足需要。5.554.5緩沖器阻抗力F（N）×105壓縮速度20mm/s壓縮速度5mm/smbdxfdt=（P1P21）AV+（P21-P2）Av-Ft-Ff1+Fp143.532.521.510.50.050.1緩沖器位移S（m）0.15式中：M沖擊物質量；m活塞桿質量；x活塞桿位移；Ff活塞桿與缸體、阻尼閥與活塞之間的摩擦力；Fp液體阻尼力；mb阻尼閥芯質量；xf阻尼閥芯位移；Fs結構限制力；AV阻尼閥大端面積；Av阻尼閥小端面積；Ft作用在閥芯上的彈簧力；Ff1阻尼閥與活塞之間摩擦力

15、；Fp1閥芯阻尼孔阻尼力。其中，液體阻尼力6為：Fp=8lv式中：液體動力粘度；l阻尼孔長度；v通過阻尼孔液體的速度。圖2靜態(tài)特性曲線Fig.2StaticCharacteristicCurveNo.64.2緩沖器的沖擊特性機械設計與制造12001000阻抗力F（kN）8006004002000沖擊物體質量10t89液氣緩沖器的沖擊特性是指列車在緊急，調(diào)車作業(yè)，受到碰撞沖擊時所表現(xiàn)出來的緩沖特性。液氣緩沖器的沖擊特性對列車縱向動力學的研究起著決定性的作用，而液氣緩沖器的沖擊特性體現(xiàn)在緩沖特性曲線上。文獻8中通過試驗測得了不用質量不同起落高度撞擊時間從幾毫秒到幾十毫秒不等，仿真中撞擊時間為5ms

16、。根據(jù)地鐵車輛緩沖器的設計指標緩沖器的最大阻抗力不大于1210kN，緩沖行程不超過150mm，因而單個緩沖器的緩沖容量最大不超過180kJ。研究了當沖擊動能保持基本不變的情況下，增加沖擊物體的初速度，并且減少沖擊物體質量時，新型液氣緩沖器的緩沖特性。當沖擊速度為10km/h、15km/h、20km/h、25km/h、30km/h，所對應的沖擊物體質量分別為39t、18t、10t、6.5t、4.5t時，緩沖器的沖擊特性曲線，如圖3所示。該種緩沖器在沖擊速度為10km/h時，具有優(yōu)越的緩沖特性曲線，但是當沖擊速度不斷增加，沖擊物體質量不斷降低時，緩沖器的最大阻抗力不斷增加，緩沖行程減少，阻抗力明顯

17、超出了地鐵緩沖器阻抗力的最大設計指標。液氣緩沖器位移-阻抗力曲線2500液氣緩沖器阻抗力F（kN）2000150010005000速度10km/h質量39t速度15km/h質量18t速度20km/h質量10t速度25km/h質量6.5t速度30km/h質量4.5t0.050.1緩沖器位移S（m）0.15圖5沖擊速度為20km/hFig.5ImpactVelocityis20km/h12001000阻抗力F（kN）800600400200000.050.1緩沖器位移S（m）0.15沖擊物體質量6.5t圖6沖擊速度為25km/hFig.6ImpactVelocityis25km/h12001000

18、阻抗力F（kN）800600400200000.050.1緩沖器位移S（m）0.15沖擊物體質量4.5t0.050.1液氣緩沖器位移S（m）0.15圖3沖擊特性曲線比較Fig.3ImpactCharacteristicCurveComparison4.3緩沖器參數(shù)調(diào)整及分析當沖擊動能保持不變時，為了使緩沖器在沖擊物體質量和初速度不同時，依然能夠保持良好的緩沖特性，對緩沖器結構參數(shù)進行了調(diào)節(jié)，使其特性曲線盡可能的接近矩形，即緩沖器最大限度的吸收能量。沖擊物初速度為15km/h、20km/h、25km/h、30km/h時，如圖4圖7所示。得到的緩沖器緩沖特性曲線，此時緩沖器對應的結構參數(shù)及仿真參數(shù)

19、，如表2所示。12001000阻抗力F（kN）800600400200000.050.1緩沖器位移S（m）0.15沖擊物體質量18t圖7沖擊速度為30km/hFig.7ImpactVelocityis30km/h通過仿真結果可以看出，在沖擊動能一定的情況下，當沖擊物速度增大、質量減少時，通過調(diào)整阻尼孔的個數(shù)、氣體腔長度、液體動力粘度系數(shù)得到了較為理想的緩沖特性曲線。隨著沖擊物速度的增大，阻尼閥上阻尼孔的個數(shù)、斜阻尼孔的個數(shù)也在相應的增加，氣體腔的長度也略有增加，而液體動力粘度系數(shù)卻在降低。當沖擊物初速度增大時，阻尼力也瞬間增大，為了使最大阻抗力不超過設計指標，所以通過降低液體動力粘度系數(shù)（規(guī)定

20、范圍內(nèi)），可以降低阻尼系數(shù)，從而降低阻尼力。沖擊物體在阻尼力的作用下速度迅速降低，通過增加阻尼孔的個數(shù)，調(diào)節(jié)阻尼孔的流量，使阻尼力下降比較平緩。當緩沖器接近最大行程時，氣體腔壓強迅速增大，液體腔壓強也隨之增大，導致阻抗力迅速增加，通過增加液體腔長度可以降低緩沖器剛度，即降低緩沖末端氣體腔、液體腔的最大壓強。從表2中可以看出，最大阻抗力不超過1200kN，最大行程不超過150mm，容量大于140kJ，吸收率圖4沖擊速度為15km/hFig.4ImpactVelocityis15km/h90的要求。表液氣緩沖器結構參數(shù)及仿真參數(shù)（km/h）沖擊速度沖擊質量（t）阻尼閥阻尼孔直徑（mm）活塞上斜孔直

21、徑（mm）阻尼閥上阻尼孔個數(shù)活塞上斜孔個數(shù)阻尼環(huán)縫縫隙寬度（mm）回流單向閥孔徑（mm）單向閥阻尼孔長度（mm）氣體腔長度（mm）氣體初始壓強（MPa）液體動力粘度系數(shù)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機械設計與制造參考文獻No.6符合地鐵緩沖器的設計指標，可以滿足地鐵車輛提速大于90%，李維忠，宋亞昕新型機車車鉤緩沖器研發(fā)與優(yōu)化設計J機械1黃猛，設計與制造，2011（7）：1416（HuangMeng，LiWei-zhong，SongYa-xin.DevelopmentandoptimaldesignforanewkindofdraftgearJ.Machinerydesign&manufacture，304.52236323.53.212025060.0181198.1150.0165.27150.5791.10%2

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