趙旭寶， 魏 偉， 董靚瑜， 李 靜

(1.大連交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通訊工程學(xué)院，大連 116028； 2.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，大連 116028)

隨著我國(guó)改革的不斷深入，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級(jí)，“互聯(lián)網(wǎng)+”及電商的快速發(fā)展，推動(dòng)了以網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物為代表的新型商務(wù)模式。以時(shí)效性、多樣化、高附加值等特征的貨物運(yùn)輸需求急劇增長(zhǎng)。鐵路貨物運(yùn)輸模式正經(jīng)歷由數(shù)量需求向速度需求轉(zhuǎn)變。快捷運(yùn)輸組織模式逐漸成為了當(dāng)今世界鐵路運(yùn)輸發(fā)展的重要方向。快捷貨車以集裝箱運(yùn)輸，日用百貨、精密儀器、電子電器等高附加值貨物運(yùn)輸為主，因此對(duì)運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量和速度有較高的要求。快捷鐵路貨車運(yùn)行時(shí)速一般為140～160 km/h，列車編組20輛左右，牽引噸位為1 400～1 800 t[1]。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，歐洲各發(fā)達(dá)國(guó)家，如德國(guó)、法國(guó)等，先后開(kāi)發(fā)使用快捷貨車。歐洲主要采用“編組短、質(zhì)量輕、速度快”的輕捷快運(yùn)模式。法國(guó)國(guó)家鐵路公司，通過(guò)對(duì)貨運(yùn)繁忙干線全面提速和發(fā)展高速鐵路貨運(yùn)等措施發(fā)展快捷運(yùn)輸。美國(guó)的快捷貨運(yùn)服務(wù)系統(tǒng)幾乎覆蓋了整個(gè)美洲大陸[2]。

由于快捷運(yùn)輸以運(yùn)送高附加值貨物為主，因此對(duì)其運(yùn)輸質(zhì)量有較高的要求。緩沖器作為連接車輛的重要部件，在列車運(yùn)行中起到了緩沖和耗散車輛縱向沖擊動(dòng)能的作用。緩沖器性能的優(yōu)劣，直接影響著車輛間縱向力的大小，進(jìn)而影響列車的縱向沖動(dòng)。目前，在國(guó)內(nèi)快捷貨車上普遍使用的是彈性膠泥緩沖器，因此深入研究彈性膠泥緩沖器的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)快捷列車縱向沖動(dòng)的影響，對(duì)保障快捷貨車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性具有重要的意義。

Olshevskiy等[3]建立了改進(jìn)的摩擦式緩沖器動(dòng)力學(xué)模型和調(diào)車沖擊的仿真模型。模擬了貨車組的調(diào)車沖擊工況，討論分析了一車沖一車和多車沖多車工況下的緩沖器剛度和車鉤力特性方面的主要區(qū)別。Wu等[4-5]建立了摩擦緩沖器、膠泥緩沖器和摩擦膠泥緩沖器三種具有不同阻尼機(jī)理的緩沖器模型，分析比較了三種緩沖器在貨車沖擊試驗(yàn)工況下的沖擊特性、頻率響應(yīng)和疲勞損傷。Zhu等[6]建立了車鉤緩沖器的力學(xué)模型，研究了城際列車沖擊碰撞的機(jī)理。分析了車鉤緩沖器對(duì)列車沖擊碰撞行為的影響。研究了在碰撞過(guò)程中，車鉤俯仰偏角的影響因素。Cole等[7-8]對(duì)貨車用緩沖器進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，建立了簡(jiǎn)化的緩沖器模型，研究了不同載荷下的重載列車縱向動(dòng)力學(xué)性能。黃運(yùn)華等[9]通過(guò)附加阻尼的方法構(gòu)建摩擦式緩沖器模型，詳細(xì)地研究了緩沖器的阻抗特性和列車縱向沖擊機(jī)理；馬衛(wèi)華等[10]研究了摩擦膠泥型和彈性膠泥型緩沖器靜態(tài)與動(dòng)態(tài)阻抗特性對(duì)萬(wàn)噸重載列車動(dòng)力學(xué)性能的影響；Chang等[11]利用描述懸掛系統(tǒng)中懸掛力的數(shù)學(xué)方程模擬了鋼摩擦緩沖器實(shí)際的干摩擦阻尼遲滯特性，構(gòu)建了重載列車縱向動(dòng)力學(xué)模型。仿真分析了2萬(wàn)噸重載列車的縱向動(dòng)力學(xué)特性，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。孫樹(shù)磊等[12]以緩沖器動(dòng)力學(xué)模型及空氣制動(dòng)系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，建立了列車縱向沖擊動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析重載組合列車在不同線路條件和制動(dòng)作用下的縱向動(dòng)力學(xué)行為。楊亮亮等[13]根據(jù)鐵路貨車縱向受力特點(diǎn)，利用MATLAB軟件建立鐵路貨車調(diào)車沖擊的動(dòng)力學(xué)模型，研究了不同軸重車型，不同緩沖器特性、不同制動(dòng)阻力狀態(tài)及不同沖擊模式對(duì)車輛縱向沖擊特性的影響。張淵等[14]使用空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，計(jì)算萬(wàn)噸重載列車在回送運(yùn)行施行緊急制動(dòng)的列車縱向沖動(dòng)。

但上述研究?jī)H是針對(duì)重載列車縱向沖動(dòng)，對(duì)快捷列車縱向沖動(dòng)的分析，尤其是針對(duì)彈性膠泥緩沖器對(duì)列車縱向沖動(dòng)研究較少，因此，本文根據(jù)彈性膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu)原理，構(gòu)建一種基于速度型的彈性膠泥緩沖器動(dòng)力學(xué)模型，利用空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，分析彈性膠泥緩沖器的各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響，找出其變化規(guī)律。

1 彈性膠泥緩沖器動(dòng)力學(xué)模型

當(dāng)前，在運(yùn)行時(shí)速160 km/h的快捷貨車上以JN30型彈性膠泥緩沖器應(yīng)用最為廣泛。該緩沖器主要是由缸體、環(huán)簧組件和彈性膠泥芯體等部分構(gòu)成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈性膠泥緩沖器總體結(jié)構(gòu)圖

彈性膠泥芯體是采用活塞桿導(dǎo)向、帶高壓室的雙室結(jié)構(gòu)，主要由缸體、活塞桿組件、彈性膠泥及密封裝置等部分構(gòu)成。其中彈性膠泥是由聚有機(jī)硅氧烷(簡(jiǎn)稱聚硅氧烷)、填充劑等材料混煉而成，其主體材料聚硅氧烷是未經(jīng)交聯(lián)的，它決定了彈性膠泥的基本性能[15]。彈性膠泥芯體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 彈性膠泥芯體結(jié)構(gòu)圖

彈性膠泥緩沖器在工作過(guò)程中是通過(guò)活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，彈性膠泥流體高速通過(guò)環(huán)狀節(jié)流縫隙而產(chǎn)生阻尼作用力，利用彈性膠泥芯體和環(huán)簧組共同作用以緩和、吸收沖擊能量。緩沖器在使用前會(huì)根據(jù)需要設(shè)置一定的預(yù)壓力。緩沖器在受外力壓縮時(shí)，活塞桿逐步壓入活塞缸內(nèi)，各環(huán)簧組開(kāi)始相互擠壓，產(chǎn)生彈性形變，環(huán)簧接觸面間相互摩擦?xí)囊欢ǖ臎_擊能量；同時(shí)活塞桿被壓入缸體內(nèi)，使得彈性膠泥體積壓縮，增大了缸體內(nèi)膠泥壓力，從而給活塞桿提供了較大的反力，達(dá)到儲(chǔ)能效果。由于膠泥具有良好的流動(dòng)性，膠泥在活塞和缸體內(nèi)壁間的環(huán)狀縫隙內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生了阻尼力，同時(shí)吸收了大部分的沖擊能量。緩沖器在復(fù)位時(shí)，環(huán)簧組作用力通過(guò)導(dǎo)套組成帶動(dòng)膠泥芯體同步復(fù)位。同時(shí)，膠泥從單向節(jié)流閥和活塞與缸體內(nèi)壁間的環(huán)狀縫隙回流到原來(lái)的腔室內(nèi)，使得緩沖器回彈速度快、阻力小，保證了緩沖器及時(shí)復(fù)位。

由于緩沖器是由環(huán)簧組和彈性膠泥共同作用緩和列車縱向沖擊能量。因此，緩沖器既具有黏滯耗能特性，又具有彈性儲(chǔ)能特性，能夠自復(fù)位。因此，本文假設(shè)緩沖器阻抗力僅由彈性力和膠泥阻尼力構(gòu)成。緩沖器的動(dòng)力學(xué)模型看作是由一帶剛度的彈性元件和一隨速度變化的阻尼元件組成。緩沖器動(dòng)力學(xué)模型方程可表示為式(1)

F=F0+Fk+Fd

(1)

式中：F為緩沖器總的阻抗力；F0為緩沖器的初壓力；Fk為彈性元件的彈性力；Fd為阻尼元件的阻尼力。

在緩沖器的工作過(guò)程中，緩沖器的彈性回復(fù)力，主要來(lái)自兩個(gè)方面，其一是環(huán)簧組的彈性回復(fù)力；其二是缸體內(nèi)膠泥的彈性回復(fù)力。等效的彈性回復(fù)力表示為式(2)

Fk=a1·Δx

(2)

式中：α1為緩沖器加載過(guò)程中彈性力對(duì)應(yīng)的綜合等效剛度；Δx為緩沖器位移。

另外，由于彈性膠泥屬于一種剪切稀化流體[16]，根據(jù)其本構(gòu)關(guān)系方程和活塞桿的結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出膠泥的阻尼力如式(3)

Fd=c·vn

(3)

式中：c為與活塞桿結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)；n為膠泥的流動(dòng)指數(shù)，反映膠泥材料非牛頓流體性質(zhì)的強(qiáng)弱，其取值范圍為0～1，對(duì)于某一固定型號(hào)的膠泥n為常數(shù)，n值可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。

2 空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)

根據(jù)列車縱向動(dòng)力學(xué)原理和氣體流動(dòng)理論，大連交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了列車空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)(TABLDSS)[17]。該系統(tǒng)具有同步仿真列車制動(dòng)特性和縱向動(dòng)力學(xué)特性的功能。系統(tǒng)還具有良好的牽引特性、制動(dòng)特性、車鉤力、加速度等性能參數(shù)同步計(jì)算及圖形化顯示功能。系統(tǒng)可模擬司機(jī)根據(jù)線路狀況、運(yùn)行速度、列車限速等因素控制列車真實(shí)的運(yùn)行過(guò)程。該系統(tǒng)為分析列車縱向沖動(dòng)機(jī)理、優(yōu)化制動(dòng)特性、優(yōu)化緩沖器特性、模擬列車駕駛提供了基本理論和實(shí)用工具。該仿真系統(tǒng)曾參加了國(guó)際列車縱向動(dòng)力學(xué)模擬器的基準(zhǔn)測(cè)試[18]。此項(xiàng)活動(dòng)共有6個(gè)國(guó)家的9款仿真系統(tǒng)參與測(cè)試，TABLDSS仿真系統(tǒng)針對(duì)每個(gè)算例的計(jì)算精度和計(jì)算速度都名列前茅。

3 彈性膠泥緩沖器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)快捷列車縱向沖動(dòng)的影響分析

在列車正常運(yùn)行狀態(tài)下，列車以實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的縱向沖動(dòng)最為嚴(yán)重。因此，本文重點(diǎn)分析列車在緊急制動(dòng)情況下，列車的縱向加速度和車鉤力兩個(gè)性能參數(shù)的變化。以此來(lái)分析緩沖器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響。

仿真計(jì)算條件：列車組成為1+20(1輛SS9電力機(jī)車+20輛P160D快運(yùn)棚車)，單節(jié)車重72 t。在平直線路上，以160 km/h初速度實(shí)施緊急制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)采用KZ1快充分配閥，10 mm車鉤間隙。

3.1 初壓的影響

根據(jù)本文建立的彈性膠泥緩沖器模型，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，將式(1)中緩沖器模型的初壓力值分別調(diào)整為20 kN,40 kN,60 kN,80 kN,100 kN等值。考察緩沖器初壓力變化對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響。仿真計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 初壓力對(duì)最大車鉤力的影響

圖4 初壓力對(duì)最大加速度的影響

圖3,4分別給出了在不同初壓力情況下列車最大車鉤力(壓鉤力)和最大加速度值的變化。由圖3可以看出隨著初壓力的不斷增大，車鉤力呈非線性增大，但在初壓力小于60 kN范圍內(nèi)，車鉤力變化較小。在初壓力為20 kN時(shí)，列車中最大車鉤力為-159.1 kN；初壓力為100 kN時(shí)，列車中最大車鉤力為-185.9 kN。初壓力由20 kN 增大到100 kN時(shí)，車鉤力增長(zhǎng) 14.4%。由圖4可知，在初壓力小于40 kN范圍內(nèi)，加速度值隨著初壓的增大有逐漸變小的趨勢(shì)，但變化幅度較??；在初壓力大于40 kN范圍內(nèi)，加速度值隨初壓力增加而增大。初壓力為100 kN時(shí)，列車中最大加速度為-2.43 m/s2。初壓力由20 kN 增大到100 kN時(shí)，加速度增長(zhǎng)了32.9%。由此表明，緩沖器的初壓力設(shè)置過(guò)大將會(huì)增大列車的縱向沖動(dòng)。分析其原因是增大初壓相當(dāng)于增大緩沖器的初始阻抗，在車鉤力由前向后傳遞過(guò)程中，使得相鄰兩車輛間的車鉤力差增大，最終導(dǎo)致車鉤力和加速度隨初壓的增加而增大。綜合車鉤力與加速度的變化趨勢(shì)可知，緩沖器的初壓力設(shè)置在40 kN左右較為合理。圖5和圖6進(jìn)一步給出了列車在不同初壓情況下最大車鉤力與加速度沿車長(zhǎng)的分布。

圖5 車鉤力最大值沿車長(zhǎng)的分布

圖6 加速度最大值沿車長(zhǎng)的分布

3.2 綜合等效剛度的影響

根據(jù)環(huán)簧組的靜壓試驗(yàn)可知，環(huán)簧的等效剛度約為2.4 kN/mm，環(huán)簧組靜壓試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。同時(shí)考慮彈性膠泥在流動(dòng)過(guò)程中也具有一定的剛度，因此本文在彈性膠泥緩沖器模型中，將式(2)中綜合等效剛度分別設(shè)定為3,4,5,…,10等值?？疾炀彌_器環(huán)簧機(jī)構(gòu)等對(duì)應(yīng)綜合等效剛度的變化對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響。仿真計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖7 環(huán)簧組靜壓試驗(yàn)結(jié)果

圖8 綜合等效剛度對(duì)列車最大車鉤力的影響

圖9 綜合等效剛度對(duì)列車最大加速度的影響

圖8,9給出了不同綜合等效剛度下的列車車鉤力(壓鉤力)和加速度的最大值的變化規(guī)律。由圖8,9可以看出，隨著綜合等效剛度的增大，列車車鉤力最大值有逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)刃偠仍O(shè)定為3 kN/mm時(shí)，車鉤力最大值為-131.18 kN；當(dāng)?shù)刃偠仍O(shè)定為10 kN/mm時(shí)，車鉤力最大值為-174.92 kN，但變化幅度僅為43 kN。在綜合等效剛度逐漸增大的過(guò)程中，列車加速度最大值呈現(xiàn)了先變小后逐漸增大的變化過(guò)程，但變化的幅度為僅為7.2%，最大的加速度值為-1.83 m/s2。由此表明，綜合等效剛度對(duì)列車縱向沖動(dòng)有一定的影響，但影響較小。分析其原因是綜合等效剛度大小僅影響緩沖器的彈性回復(fù)力，而根據(jù)緩沖的工作原理可知，在彈性膠泥緩沖器中，緩沖器的性能主要是由彈性膠泥的性質(zhì)所決定，彈性回復(fù)力對(duì)緩沖器的性能影響較小，因此車鉤力和加速度受其影響較小。圖10,11給出了不同等效剛度下沿車長(zhǎng)分布的車鉤力和加速度。

圖10 車鉤力最大值沿車長(zhǎng)分布

圖11 加速度最大值沿車長(zhǎng)分布

3.3 膠泥流動(dòng)指數(shù)的影響

在緩沖器模型中，在保持其他參數(shù)不變的情況下，將式(3)中膠泥流動(dòng)指數(shù)n分別調(diào)整為0.1,0.2,…,0.9等值進(jìn)行仿真計(jì)算，分析流動(dòng)指數(shù)對(duì)列車縱向車鉤力和加速度的影響。仿真計(jì)算結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 膠泥流動(dòng)指數(shù)對(duì)最大車鉤力的影響

圖13 膠泥流動(dòng)指數(shù)對(duì)加速度的影響

圖12,13給出了在不同膠泥流動(dòng)指數(shù)情況下的列車車鉤力(壓鉤力)和加速度最大值的變化趨勢(shì)。由圖可12,13可知，膠泥流動(dòng)指數(shù)對(duì)列車的車鉤力和加速度影響較大。尤其是當(dāng)n大于0.5時(shí)，車鉤力和加速度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。當(dāng)膠泥指數(shù)在0.1～0.5內(nèi)變化時(shí)，車鉤力隨流動(dòng)指數(shù)的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)，但車鉤力整體變化幅度較小，僅為20.1 kN。在這個(gè)范圍內(nèi)列車加速度最大值基本無(wú)變化。當(dāng)膠泥指數(shù)在0.5～0.9內(nèi)變化時(shí)，車鉤力和加速度都隨流動(dòng)指數(shù)的增加而增大。在n值為0.5和0.9時(shí)，車鉤力最大值分別為-156.8 kN和-324.9 kN，增幅為51.7%；加速度最大值分別為-1.7 m/s2和-4.2 m/s2，變化幅度為59.5%。其原因是彈性膠泥緩沖器屬于速度型耗能器。由式(3)可知，阻尼力的大小與沖擊速度的冪次方(即流動(dòng)指數(shù)n)成正比，因流動(dòng)指數(shù)為正數(shù)且小于1，所以阻尼力隨活塞桿移動(dòng)速度的增大而增加，但增長(zhǎng)幅度逐漸減小。這正是膠泥緩沖器優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn)。當(dāng)沖擊速度較小時(shí)，緩沖器能提供較大的阻尼力，而沖擊速度較大時(shí)，又能較好的抑制阻尼力的最大值。這樣對(duì)車輛起到了很好的保護(hù)作用。但根據(jù)式(3)，當(dāng)流動(dòng)指數(shù)n較小時(shí)，提供的阻尼力也相對(duì)較??；相反，當(dāng)n較大時(shí)，提供的阻尼力相對(duì)也較大。最終導(dǎo)致車鉤力和加速度受流動(dòng)指數(shù)n影響較大。由上述分析可知，膠泥的流動(dòng)指數(shù)限定在0.5附近時(shí)，將有助于降低列車的縱向沖動(dòng)。圖14,15給出了在不同膠泥流動(dòng)指數(shù)情況下車鉤力和加速度沿車長(zhǎng)變化情況。

圖14 車鉤力最大值沿車長(zhǎng)分布

圖15 加速度最大值沿車長(zhǎng)分布

4 結(jié) 論

本文根據(jù)彈性膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu)原理，建立了基于速度型的彈性膠泥緩沖器模型，利用空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，分析了快捷貨車在初速度為160 km/h時(shí)的平道緊急制動(dòng)工況下，緩沖器模型關(guān)鍵參數(shù)變化對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響規(guī)律。得出結(jié)論如下：

(1) 隨著緩沖器初壓力的不斷增大，車鉤力和加速度均呈非線性增大趨勢(shì)。初壓力由20 kN 增大到100 kN時(shí)，列車車鉤力最大值增長(zhǎng)了14.4%；加速度最大值增長(zhǎng)了32.9%。綜合車鉤力與加速度的變化趨勢(shì)可知，過(guò)大的緩沖器初壓力將會(huì)增大列車的縱向沖動(dòng)。緩沖器的初壓力設(shè)置在40 kN左右較為合理。

(2) 與緩沖器環(huán)簧組相關(guān)的綜合等效剛度對(duì)列車的縱向沖動(dòng)有一定的影響，但影響較小。

(3) 彈性膠泥的流動(dòng)指數(shù)對(duì)列車的最大車鉤力和最大加速度影響最大。尤其是當(dāng)n大于0.5時(shí)，車鉤力和加速度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。當(dāng)膠泥指數(shù)在0.1～0.5內(nèi)變化時(shí)，車鉤力隨流動(dòng)指數(shù)的變化幅度較小，而在這個(gè)范圍內(nèi)列車加速度最大值也基本無(wú)變化。但當(dāng)膠泥指數(shù)在0.5～0.9內(nèi)變化時(shí)，車鉤力和加速度均隨流動(dòng)指數(shù)的增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。膠泥流動(dòng)指數(shù)在0.5～0.9內(nèi)變化時(shí)，車鉤力最大值增大為51.7%；加速度最大值增幅為59.5%。根據(jù)仿真結(jié)果，將膠泥的流動(dòng)指數(shù)限定在0.5左右為宜，既可以保障緩沖器有足夠大的緩沖能力，又能降低快捷列車的縱向沖動(dòng)。