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(西南交通大學機車車輛工程系， 四川成都 610031)

引言

液壓減振器是軌道機車車輛懸掛系統(tǒng)中重要的組成部分，在車輛的不同位置上都安裝有各類型的液壓減振器來降低振動，以保證車輛安全、平穩(wěn)的運行[1]。減振器工作時，活塞在油缸中往復運動，油液在缸中流動時經(jīng)阻尼閥而產(chǎn)生減振阻力。減振器被壓縮時，活塞向下運動，一部分油液經(jīng)流通閥從活塞下部流到活塞上部，一部分油液經(jīng)壓縮閥壓入儲油腔；減振器拉伸時，活塞向上運動，一部分油液經(jīng)復原閥從活塞上部流到活塞下部，一部分油液通過補償閥從儲油腔流入工作缸。儲油腔的設(shè)置是為了儲存由于活塞上下腔工作面積不一致所導致的壓縮過程中工作缸中多出來的油液。

在活塞拉伸過程中，若補油孔過小或儲油腔內(nèi)背壓不足，油液不能以足夠快的速度從一個工作腔流到另一個工作腔，就會產(chǎn)生真空從而產(chǎn)生蒸汽，就是所謂的氣穴現(xiàn)象[2-3]，會引起流量不穩(wěn)，噪聲驟增。對于多數(shù)液壓減振器，儲油腔內(nèi)既有油液，也有空氣，在儲油腔內(nèi)很容易產(chǎn)生乳化(油液和空氣混合而成乳狀物)現(xiàn)象[4]。乳化了的油氣混合體進入工作缸后就會降低阻尼作用，此外，停車后工作缸中乳化物油氣分離，一部分空氣留在活塞下腔，活塞再次振動時，就必須先要穿過下面的空氣層，嚴重影響減振阻尼效果。為解決上述問題，科尼的水平安裝減振器在儲油腔外增設(shè)空氣包，空氣包上部充有空氣，下部為油液，并與儲油腔油液相通，使得減振器內(nèi)儲油腔的液面低于氣包內(nèi)的油液面，阻止空氣經(jīng)底閥進入油缸內(nèi)部；迪斯潘減振器在儲油腔中安裝環(huán)形的密封橡膠氣囊，消除了空氣與油液的直接接觸，可安裝于任意方向使用[5]。

丁腈橡膠(Nitrile Butadiene Rubber，NBR)是丁二烯與丙烯腈兩種單體經(jīng)自由基引發(fā)乳液聚合制得的無規(guī)共聚物，廣泛應(yīng)用于耐油密封制品[6]。采用在儲油腔內(nèi)放置發(fā)泡NBR氣帶的方法來避免空穴現(xiàn)象和乳化現(xiàn)象，與上述方法相比結(jié)構(gòu)簡單，裝配簡便，減振器可以橫向、縱向安裝使用。本研究就某型號發(fā)泡NBR氣帶作為研究對象，先對其壓力-體積變化進行測試，得出其變化規(guī)律，進一步對安裝有該氣帶的減振器進行仿真與實驗測試，為采用發(fā)泡橡膠氣帶的液壓減振器提供一種設(shè)計方法。

1 發(fā)泡NBR氣帶特性測試

1.1 試驗臺及其原理

為測試發(fā)泡NBR壓力-體積變化規(guī)律，在實驗室建立手動加載試驗臺架，試驗臺原理如圖1所示?；钊潭ㄔ谂_架頂部，由安裝在下部的液壓千斤頂對工作缸施加壓力，壓縮工作缸內(nèi)浸油的發(fā)泡NBR。通過測量不同壓力下的壓縮高度，計算出發(fā)泡橡膠的體積，加載壓力通過接在進油管上的壓力傳感器輸出折算得到，進而得到發(fā)泡NBR的壓力-體積變化規(guī)律。

圖1 試驗臺架原理圖

試驗臺架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 發(fā)泡NBR測試實驗

分別剪取直徑為54.1， 51.5， 50.0 mm， 厚度為

表1 試驗臺架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.5 mm的發(fā)泡NBR各四片，放入工作缸內(nèi)，并向工作缸內(nèi)加入20 mL專用減振器油液，操作手動液壓泵，由液壓千斤頂向工作缸底部施加壓力，記錄、分析壓力傳感器與工作缸高度實驗數(shù)據(jù)，繪制出發(fā)泡NBR所受壓力與體積之間的變化關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 發(fā)泡NBR壓力-體積曲線

由圖2可知，不同體積的發(fā)泡NBR在其他條件相同的情況下所受壓力不相同，反映在實際的液壓減振器中，即發(fā)泡NBR氣帶的體積與背壓的提供有直接關(guān)系。在其他條件相同的情況下，儲油腔內(nèi)放置的發(fā)泡NBR越多(即體積越大)，儲油腔提供的背壓就越小。

2 發(fā)泡NBR氣帶特性回歸分析

2.1 回歸曲線方程的計算

回歸分析是處理變量之間相關(guān)關(guān)系的一種數(shù)理統(tǒng)計方法[7]，即應(yīng)用數(shù)學的方法，對觀測數(shù)據(jù)進行處理，從而得出符合事物內(nèi)部規(guī)律的數(shù)學表達式。

觀察發(fā)泡橡膠的壓力-體積曲線，曲線接近冪函數(shù)，故取函數(shù)類型為：

y=axb

(1)

式中，y—— 發(fā)泡橡膠所受壓力，MPa

x—— 發(fā)泡橡膠體積，mm3

a，b—— 待定系數(shù)

對等式(1)兩邊取對數(shù)，令：

y′=lny,x′=lnx,b0=lna

則式(1)即為:

(2)

t=1,2,…，N

(3)

應(yīng)用最小二乘法求解回歸系數(shù)，令：

則式(3)的矩陣形式為:

Y-Xb=V′

(4)

b=(XTX)-1XTY

(5)

解之得b0,b:

(6)

(7)

用列表的方法將實驗測得的數(shù)據(jù)橡膠體積xt(mm3)和壓力yt(MPa)代入上述公式，求出圖2中三條曲線的回歸方程。

(1)D=54.1 mm,y=11284.12x-1.11

即：pV1.11=11284.12

(2)D=51.5 mm,y=17143.44x-1.16

即：pV1.16=17143.44

(3)D=50.0 mm,y=11798.02x-1.13

即：pV1.13=11798.02

2.2 回歸曲線方程的效果精度

相關(guān)指數(shù)R2通常作為判斷曲線回歸方程與觀測數(shù)據(jù)的擬合效果好壞的指標，即:

(8)

其中，R也稱相關(guān)系數(shù)，R2(或R)越大，越接近于1，則表明所配曲線的效果越好。根據(jù)式(8)分別計算三條曲線的相關(guān)指數(shù)，得到結(jié)果為0.958，0.954和0.875。故采用實驗(1)D=54.1 mm得到的實驗結(jié)果作為標準。

圖3 測試曲線與擬合函數(shù)對比

3 裝有發(fā)泡NBR氣帶的減振器仿真與測試

3.1 減振器仿真

根據(jù)減振器的工作原理，并結(jié)合減振器試驗臺架的安裝方式、文獻資料[8-10]及發(fā)泡橡膠的實驗特性，以某廠ZX102897001型號減振器為對象，在AMESim中建立其仿真模型，如圖4所示。

圖4 液壓減振器AMESim仿真模型

模型由減振器活塞閥總成、底閥總成、工作缸、裝有發(fā)泡NBR氣帶儲油腔及激勵信號等部分組成。活塞總成包括6個相同的單向閥(3個一組，反向安裝，分別模擬復原閥和流通閥)及2個常通節(jié)流孔，底閥總成包括壓縮閥和補償閥。

在傳統(tǒng)的減振器仿真當中，通常用蓄能器元件模擬儲油腔中的油液及氣體，蓄能器中氣體受壓縮時的體積變化規(guī)律遵循氣體多變過程方程pVn=常數(shù)(n為多變指數(shù)，取1.0～1.4)。根據(jù)前面的發(fā)泡NBR測試實驗結(jié)果分析，NBR壓力-體積變化規(guī)律與理想氣體受壓縮時變化規(guī)律相似，也符合pVn=常數(shù)。按照NBR氣帶回歸分析結(jié)果，將多變指數(shù)n取為1.11，即可較好的模擬發(fā)泡NBR氣帶在減振器工作時的變化狀況。

3.2 減振器試驗測試

將帶有發(fā)泡NBR氣帶的減振器橫向安裝于減振器試驗臺架上，仿真與實際測試都依據(jù)TB/T 1491-2015，采用正弦激勵的方式，具體參數(shù)如表2所示。

表2 激勵函數(shù)參數(shù)表

仿真得到不同頻率激勵下試驗速度分別為0.1， 0.3, 0.5 m/s時減振器的示功圖如圖5a所示；利用減振器特性試驗臺測試得到測試速度為0.1, 0.3 m/s時的減振器示功圖如圖5b所示。

從圖5可以看出，仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果吻合良好，從而證明了用蓄能器模型模擬NBR氣帶的正確性；減振器示功圖形狀接近橢圓形，沒有明顯異常，說明該種發(fā)泡橡膠氣帶可以取代氣腔，應(yīng)用于液壓減振器中。

4 結(jié)論

本研究通過對發(fā)泡橡膠的試驗測試、回歸分析和減振器建模仿真與測試，研究發(fā)泡橡膠氣帶變形規(guī)律及在減振器中的運用，得出以下結(jié)論：

(1) 發(fā)泡橡膠壓力-體積變化規(guī)律與多變指數(shù)為1.11時的理想氣體變化規(guī)律相似；

(2) 發(fā)泡橡膠氣帶可取代液壓減振器氣腔，防止氣穴現(xiàn)象和乳化現(xiàn)象的產(chǎn)生；

圖5 減振器示功圖

(3) 發(fā)泡橡膠的體積大小與儲油缸背壓的提供有直接關(guān)系。發(fā)泡橡膠放置體積不宜過大，否則儲油缸背壓較小，活塞振動時可能出現(xiàn)空行程，影響減振阻尼作用。

本研究對液壓減振器氣帶設(shè)計及相關(guān)實驗仿真有一定的參考價值。