馮雨萌，樊友權(quán)，凌 平，周元輝，吳忠發(fā)

(株洲聯(lián)誠(chéng)集團(tuán)控股股份有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

油壓減振器是軌道車輛采用的一種被動(dòng)式的減振裝置，其主要作用是保證車輛安全、平穩(wěn)地行駛，是車輛底盤部件上非常關(guān)鍵的配件。軌道車輛的車輪是運(yùn)行在鋼軌上的，由于受制造精度的制約，車輪在與軌道接觸的過程中難免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并且會(huì)直接傳遞到車體上去，從而引起車輛各部件的高頻與低頻振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)降低車輛各部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，對(duì)車輛的安全性是不利的，也會(huì)影響到乘坐的舒適性。

當(dāng)車輛產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，油壓減振器會(huì)在外力的作用下使活塞在油缸中做拉伸或者壓縮的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)油液流過阻尼閥而產(chǎn)生減振阻尼力，從而減弱傳遞到車輛各部件的高頻和低頻振動(dòng)，提高車輛機(jī)械部件的使用壽命，也可以提高乘坐的舒適性。

當(dāng)活塞做大幅值低頻運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞振動(dòng)幅值大、速度小，減振器內(nèi)部油液的可壓縮性可以忽略不計(jì)，此時(shí)，減振器表現(xiàn)出來(lái)的特性主要是阻尼特性。當(dāng)活塞做小幅值高頻運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞振動(dòng)幅值小、速度快，減振器內(nèi)部油液的可壓縮性影響比較大，此時(shí)，減振器表現(xiàn)出來(lái)的特性主要是剛度特性。軌道車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的低頻振動(dòng)主要靠減振器的阻尼特性來(lái)消除，而高頻振動(dòng)主要靠減振器的剛度特性來(lái)消除。減振器的阻尼特性，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)研究的比較多，但是剛度特性研究的較少，本文就減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)剛度特性的影響進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

1 油壓減振器工作原理

油壓減振器的活塞在拉伸和壓縮過程中會(huì)驅(qū)動(dòng)油液通過阻尼閥產(chǎn)生壓降，從而產(chǎn)生阻尼力，使得減振器出現(xiàn)阻尼特性，減振器的阻尼特性代表的是阻尼力F與振動(dòng)速度v之間的關(guān)系。此外，由于油壓減振器兩端具有橡膠關(guān)節(jié)，油液本身也具有一定的可壓縮性，使得油壓減振器在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有彈性作用力而表現(xiàn)出一定的剛度特性，減振器的剛度特性代表的是阻尼力F與振動(dòng)位移x之間的關(guān)系。

按照油液的循環(huán)方式，油壓減振器的結(jié)構(gòu)可分為單向循環(huán)減振器和雙向循環(huán)減振器，下面根據(jù)兩者的結(jié)構(gòu)分析各自的剛度特性。

1.1 單向循環(huán)油壓減振器

圖1為減振器油單向循環(huán)原理。阻尼閥a設(shè)置在導(dǎo)承上，單向閥b設(shè)置在活塞上，單向閥c設(shè)置在底閥上。當(dāng)減振器拉伸時(shí)，活塞受到拉伸力的作用，向上方運(yùn)動(dòng)，單向閥b關(guān)閉，單向閥c開啟，有桿腔Ⅲ中的油液通過阻尼閥a流到儲(chǔ)油缸Ⅰ中，儲(chǔ)油缸Ⅰ中的油液通過底閥上的單向閥c流到無(wú)桿腔Ⅱ中；當(dāng)減振器壓縮時(shí)，活塞受到壓縮力的作用，向下方運(yùn)動(dòng)，單向閥b開啟，單向閥c關(guān)閉，無(wú)桿腔Ⅱ中的油液通過活塞上的單向閥b流到有桿腔Ⅲ，有桿腔Ⅲ中的油液又通過導(dǎo)承上的阻尼閥a流入儲(chǔ)油缸Ⅰ?？梢钥吹綗o(wú)論是拉伸還是壓縮運(yùn)動(dòng)，油液始終朝一個(gè)方向循環(huán)流動(dòng)，所以稱為單向循環(huán)減振器。

1.2 雙向循環(huán)油壓減振器

圖2為減振器油雙向循環(huán)原理。阻尼閥b、c設(shè)置在活塞上，阻尼閥a、單向閥d設(shè)置在底閥上。當(dāng)減振器拉伸時(shí)，活塞受到拉伸力的作用向上方運(yùn)動(dòng)，阻尼閥c、單向閥d開啟，阻尼閥b、a關(guān)閉，有桿腔Ⅲ中的油液通過活塞上的阻尼閥c流到無(wú)桿腔Ⅱ，儲(chǔ)油缸Ⅰ中的油液通過底閥上的單向閥d流到無(wú)桿腔Ⅱ；當(dāng)減振器壓縮時(shí)，活塞受到壓縮力的作用向下方運(yùn)動(dòng)，阻尼閥c、單向閥d關(guān)閉，阻尼閥b、a開啟，無(wú)桿腔Ⅱ中的油液通過阻尼閥b、阻尼閥a，分別流到有桿腔Ⅲ和儲(chǔ)油缸Ⅰ。油壓減振器在拉伸和壓縮過程中，油液在腔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中雙向循環(huán)流動(dòng)，且流動(dòng)方向正好相反，所以稱為雙向循環(huán)減振器。

2 減振器剛度特性分析

影響油壓減振器剛度特性的主要因素包括兩端的橡膠關(guān)節(jié)、油液的彈性與可壓縮性等。橡膠關(guān)節(jié)的剛度與減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，是單獨(dú)的研究對(duì)象，不屬于本文的研究?jī)?nèi)容。我們主要針對(duì)不同的減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析油液的可壓縮性對(duì)其剛度的影響。

油液存在一定的可壓縮性，它的體積壓縮系數(shù)κ為：

(1)

其中：ΔV為油液體積變化量；Δp為油液壓力變化量；V0為初始油液體積。

圖1減振器油單向循環(huán)原理圖2減振器油雙向循環(huán)原理

油液的體積彈性模量K為：

(2)

在外力的作用下，封閉在減振器內(nèi)的油液就像一個(gè)彈簧，外力增大，體積減?。煌饬p小，體積增大。

2.1 單向循環(huán)油壓減振器剛度分析

圖3為單向循環(huán)油壓減振器結(jié)構(gòu)示意圖，活塞受到外力的作用拉伸時(shí)，向上產(chǎn)生位移Δx，下腔壓力為0，上腔壓力升高Δp1，即：

(3)

其中：A1為活塞有桿腔環(huán)形面積；V1為上腔初始油液體積。

減振器活塞受到的拉伸力F1為：

(4)

將式(4)類比于彈簧受力與形變的公式F=kx(F為彈簧受力,k為彈簧剛度,x為彈簧壓縮量)，可以得到減振器拉伸剛度Kh1：

(5)

活塞受到外力的作用壓縮時(shí)，向下產(chǎn)生位移Δx，由于油液是單向流動(dòng)，使得下腔與上腔壓力相等，壓力升高Δp2，即：

(6)

其中：A2為活塞無(wú)桿腔面積；V2為下腔初始油液體積。

減振器活塞受到的壓縮力F2為：

(7)

其中：A3為活塞桿截面積。

將公式(7)類比于彈簧受力與形變的公式F=kx，可以得到減振器壓縮剛度Kh2：

(8)

比較一下公式(5)和公式(8)，單循環(huán)油壓減振器為了保證拉伸與壓縮阻尼力一致,活塞有桿腔環(huán)形面積A1與活塞桿截面積A3是相同的，而V1+V2>V1，因此Kh1>Kh2。

減振器工作時(shí)的安裝位置一般在油缸的中心點(diǎn),那么V1+V2=3V1，因此對(duì)于單循環(huán)油壓減振器來(lái)說，拉伸剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓縮剛度。

2.2 雙向循環(huán)油壓減振器剛度分析

圖4為雙向循環(huán)油壓減振器結(jié)構(gòu)示意圖?；钊艿酵饬Φ淖饔美鞎r(shí)，向上產(chǎn)生位移Δx，下腔壓力為0，上腔壓力升高Δp1，即：

(9)

減振器活塞受到的拉伸力F1為：

(10)

將公式(10)類比于彈簧受力與形變的公式F=kx，可以得到減振器拉伸剛度Kh1：

(11)

活塞受到外力的作用壓縮時(shí)，向下產(chǎn)生位移Δx，上腔壓力為0，下腔壓力升高Δp2，即：

(12)

減振器活塞受到的拉伸力F2為：

(13)

將公式(13)類比于彈簧受力與形變的公式F=kx，可以得到減振器壓縮剛度Kh2：

(14)

比較一下公式(11)和公式(14)，我們假設(shè)減振器工作時(shí)的安裝位置在油缸的中心點(diǎn)，則L1=L2，而A1>A2，因此Kh1>Kh2。對(duì)于雙循環(huán)油壓減振器來(lái)說，拉伸剛度仍然是大于壓縮剛度，但是兩者之間的差距沒有單循環(huán)減振器那么大，為了縮小兩者的差距，可以盡量減小活塞桿的面積。

圖3單向循環(huán)油壓減振器結(jié)構(gòu)示意圖圖4雙向循環(huán)油壓減振器結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

我們通過試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證上述的分析結(jié)果。挑選兩支減振器，一支是單循環(huán)，另一支是雙循環(huán)，兩者在低頻大位移下的阻尼力特性基本相同，如表1所示。

表1 減振器阻尼力

分別對(duì)單循環(huán)和雙循環(huán)減振器位移為±1 mm、頻率為1 Hz～10 Hz的特性進(jìn)行了示功圖測(cè)試，結(jié)果如圖5、圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：盡管兩者在低頻大位移下的阻尼特性幾乎完全相同，但是在小位移工況下，剛度特性占據(jù)主導(dǎo)地位；單循環(huán)減振器的拉伸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓縮力，雙循環(huán)的減振器拉伸力略大于壓縮力。這與之前的理論分析是一致的。

圖5 單循環(huán)減振器示功圖

4 結(jié)論

本文從減振器的原理特點(diǎn)入手，分析了單循環(huán)減振器和雙循環(huán)減振器的剛度特性，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了比較和驗(yàn)證，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 在高頻小位移的工況下，減振器剛度特性占據(jù)主導(dǎo)地位，主要影響因素是油液的可壓縮性。

(2) 在高頻小位移的工況下，單循環(huán)減振器的拉伸剛度遠(yuǎn)大于壓縮剛度，造成拉伸力遠(yuǎn)大于壓縮力；雙循環(huán)減振器的拉伸剛度略微大于壓縮剛度，造成拉伸力略微大于壓縮力。

(3) 為了保證雙循環(huán)減振器的拉伸壓縮盡量對(duì)稱，可以在不影響強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量縮小活塞桿的直徑。

(4) 要保證高頻小位移下的剛度特性，應(yīng)優(yōu)先選用雙循環(huán)減振器。

圖6 雙循環(huán)減振器示功圖