1、車輛工程招標(biāo)題之“整理液壓減振器的發(fā)展歷程及工作原理”電力機(jī)車液壓減振器的工作原理與發(fā)展歷程朱珂 車輛工程12級-卓越班 20121310010123摘要：基于學(xué)習(xí)電力機(jī)車總體及走行部，綜合其他文獻(xiàn)，對我國電力機(jī)車液壓減振器進(jìn)行了系統(tǒng)化的了解。液壓減振器是鐵道車輛懸掛系統(tǒng)中的重要阻尼部件。它通過對液壓油的節(jié)流作用產(chǎn)生阻尼力、并以此吸收、轉(zhuǎn)化與之相連的機(jī)械系統(tǒng)的振動能量，從而減少振動對車輛和旅客造成的不良影響。同時本篇文章對電力機(jī)車液壓減振器的分類，工作原理，結(jié)構(gòu)性能和發(fā)展歷程進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞： 電力機(jī)車、液壓減振器、原理、發(fā)展0引言近幾年來，我國鐵路機(jī)車車輛技術(shù)發(fā)展迅速，列車運(yùn)行速度不斷提高

2、。當(dāng)運(yùn)行速度超過200km/h 后，車輛的安全可靠性、平穩(wěn)性和舒適性將成為動力學(xué)性能研究的主要課題。液壓減振器是車輛轉(zhuǎn)向架的重要零部件之一，液壓減振器的靜、動態(tài)力學(xué)特性是影響列車安全的重要因素。目前，我國新造準(zhǔn)高速、高速列車所用的液壓減振器絕大部分采用國外先進(jìn)產(chǎn)品。為加快我國高速鐵路車輛油壓減振器的國產(chǎn)化，就必須先從理論上深入研究國外先進(jìn)的鐵路油壓減振器技術(shù)，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，消化吸收國外的先進(jìn)技術(shù)。1 電力機(jī)車液壓減振器的發(fā)展和基本類型1.1 液壓減振器的發(fā)展與基本要求20世紀(jì)40年代末，美國和歐洲一些發(fā)達(dá)國家在鐵道機(jī)車上相繼采用了液壓減振器，用螺旋彈簧和加液壓減震器的懸掛系統(tǒng)代替過去的疊板彈簧

3、，到了50年代，液壓減振器已得到普遍的應(yīng)用和推廣。20世紀(jì)50年代末60年代初，我國在自行設(shè)計開發(fā)國產(chǎn)客車和內(nèi)燃機(jī)車的同時，研制蘇聯(lián)產(chǎn)液壓減振器，初期雖然問題很多，但是經(jīng)歷了不斷的研究和改進(jìn)，到了70年代初已到達(dá)定型生產(chǎn)。由于長期以來我國鐵路速度不快，國產(chǎn)的液壓減振器基本上可以滿足當(dāng)時的運(yùn)用要求。由于列車提速，減振器在機(jī)車車輛上的品種和數(shù)量也越來越多。為了適應(yīng)鐵路提速的要求，近年來，我國在提速機(jī)車車輛上大量采用了科尼減振器，迪斯潘和薩克斯等各種類型的國外減振器，這些減振器機(jī)構(gòu)先進(jìn)，性能優(yōu)良，有許多值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的地方。我國的鐵路科技工作者正在新的起點(diǎn)上，消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，積極研制開發(fā)新

4、型的國產(chǎn)減振器，而且已經(jīng)取得了明顯的成效，許多運(yùn)用到檢修單位，也正在熟悉各種減振器新技術(shù)，搞好運(yùn)用維修工作，保證機(jī)車和提速客車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性。現(xiàn)在的液壓減振器幾乎能實(shí)現(xiàn)任何實(shí)際需要的減震組里特性，因此廣泛應(yīng)用于軌道機(jī)車車輛和各種公路車輛。基本要求：（1） 具有適合而且穩(wěn)定的阻力大小和特征。（2） 結(jié)構(gòu)堅固，使用壽命長。（3） 使用中油壓不泄露。（4） 便于維修。1.2減振器的類型機(jī)車車輛液壓減振器種類繁多，型號各異，分類標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。1.2.1如果根據(jù)液壓減振器的安裝方式分類，主要包括以下類型：（1） 一系垂向減振器；（2） 二系垂向減振器；（3） 二系橫向減振器；（4） 抗蛇形減振器

5、；（5） 車體端縱向和橫向減振器；（6） 其他類型的減振器。1.2.2液壓減振器可根據(jù)液壓缸筒的個數(shù)、作用行程，以及是否充氣和阻尼可調(diào)等進(jìn)行分類，也可以安裝節(jié)流閥系統(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類：（1） 如果根據(jù)液壓缸筒個數(shù)可分為：單缸減振器和雙缸減振器。（2） 如果根據(jù)作用行程可分為：單作用減振器和雙作用減振器。（3） 如果根據(jù)是否充氣可分為：充氣減振器和非充氣減振器。（4） 如果根據(jù)是否阻尼可調(diào)可分為：可調(diào)阻尼減振器和不可調(diào)阻尼減振器。雖然機(jī)車車輛液壓減振器的分類不盡相同，但基本工作原理大體相似。2 液壓減振器基本結(jié)構(gòu)及工作原理以法國阿爾斯通生產(chǎn)的 DISPEN 減振器為例，如圖 2-1 所示。減振

6、器主要由：壓力缸、儲油缸、密封橡膠氣囊、活塞及節(jié)流閥、底閥、密封裝置、端部連接結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)向座等組成如圖 2-1 所示。圖 2-1 DISPEN 減振器的基本結(jié)構(gòu)Figure 1-2 DISPEN basic structure of the shock absorber1-擋蓋；2-密封裝置；3-導(dǎo)向座；4-鎖緊螺蓋；5-密封圈；6-活塞桿；7-活塞及節(jié)流閥組成；8-壓力缸；9-儲油缸；10-密封橡膠氣囊；11-底閥；12-端部連接結(jié)構(gòu)活塞缸的上端安裝活塞桿導(dǎo)向座及密封裝置，而活塞缸的下端有底閥總成，如圖 2-2 所示。活塞上有常通孔及復(fù)原閥和流通閥，底閥常通孔及補(bǔ)償閥和壓縮閥配合，控制工作壓

7、力及各方向的流量，并使活塞缸內(nèi)不產(chǎn)生氣泡，避免活塞換向時出現(xiàn)“空程”補(bǔ)償室內(nèi)上為空氣，下部工作液通過底閥與減振器內(nèi)缸筒連通，在活塞桿上下運(yùn)動或由于溫度變化而使工作液體積發(fā)生變化時，接受或補(bǔ)償需要調(diào)節(jié)的工作液。圖 2-2 活塞上節(jié)流閥的組成Figure 1-3 Compaosition of the throttle valve piston1- 調(diào)節(jié)螺母；2-心閥；3-彈簧；4-活塞減振器活塞上有 46 個阻尼節(jié)流閥，其中 23 個用于拉伸行程，另外 23 個用于壓縮行程，如圖 2-2 所示。每一個節(jié)流閥由調(diào)節(jié)螺母、心閥、閥彈簧及閥座組成。螺母用于調(diào)節(jié)彈簧壓縮力兼起心閥的導(dǎo)向作用，彈簧控制閥體

8、的位移，心閥一側(cè)開有節(jié)流閥孔，控制油液的流動，閥座則位于活塞上。拉伸閥與壓縮閥呈反向安裝，拉伸時，在活塞上腔的油壓作用下，坐落于彈簧上的心閥體向下移動，當(dāng)心閥體的下端移至與閥座相接觸時，滑閥的位移達(dá)最大值，此后，彈簧不再繼續(xù)受壓而受到保護(hù)。當(dāng)拉伸行程的活塞運(yùn)動速度降低時，活塞上腔的油壓變小，閥彈簧回彈，滑閥上移，節(jié)流孔開啟面積減小，直至活塞停止拉伸時，此時滑閥在彈簧力的作用下移直至頂端位置，節(jié)流孔又重新關(guān)閉。拉伸行程中，壓縮行程用的節(jié)流閥是關(guān)閉的。兩種行程用的節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)相同，唯上、下安裝位置相反。壓縮行程時節(jié)流閥的開啟過程與拉伸行程時一樣，一部分油液由活塞下腔經(jīng)壓縮節(jié)流閥流向活塞上腔，一部分

9、油液則經(jīng)底閥而流入儲油缸，拉伸行程時節(jié)流閥的開啟過程如圖 1-4 所示。同理，壓縮行程時，拉伸行程用的節(jié)流閥是關(guān)閉的。在底閥座上安裝有壓縮行程時的卸荷閥。當(dāng)減振器處于拉伸行程時，活塞上腔的油液壓力增大，液壓油壓縮心閥上的彈簧，彈簧壓縮從而心閥下移，則使使閥體的節(jié)流孔開啟，活塞上腔的一部分油液即通過節(jié)流孔而流向活塞下腔。油壓愈大，彈簧壓縮量愈大，則節(jié)流孔開啟的面積也愈大，此時減振器的阻尼作用消耗的振動能量也越多。減振器處于復(fù)原行程時，復(fù)原閥和補(bǔ)償閥工作，油液的流動方向與拉伸行程相反，但都是通過節(jié)流孔或節(jié)流縫隙產(chǎn)生熱量來實(shí)現(xiàn)減振。在此不再贅述。圖 2-3 拉伸行程時節(jié)流閥的開啟過程Figure 1

10、-4 Stretching stroke throttle opening process1- 心閥；2-節(jié)流孔；3-彈簧；4-活塞3 液壓減振器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)今減振器節(jié)流閥的參數(shù)特性計算基本上有兩種方法，一種是傳統(tǒng)的根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊和流體力學(xué)上關(guān)于閥片撓度變形公式和液體通過阻尼小孔計算公式進(jìn)行計算；另一種是通過先進(jìn)的有限元分析軟件分析閥片的變形和液體流動的阻力特性。這兩種方法各有缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的計算方法由于公式采用了極大的簡化，計算結(jié)果不準(zhǔn)確不能反映實(shí)際工作狀況；而根據(jù)有限元方法進(jìn)行仿真，只是通過閥片變形微分方程，利用邊界條件列出一個通解，只表示節(jié)流閥片可利用彈性力學(xué)原理進(jìn)行研究分析，沒有達(dá)

11、到能實(shí)際應(yīng)用的程度，沒有創(chuàng)建一個可用于閥片厚度設(shè)計、變形計算的簡單、準(zhǔn)確、實(shí)用的解析式，因此難以在實(shí)際閥片設(shè)計中應(yīng)用。因此，當(dāng)今流行的兩種計算方法都不能滿足對減振器參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)計、特性分析和仿真的要求。3.1國外研究概況1990 年，RAKHEJA 等人研究了關(guān)于流體節(jié)流參數(shù)和閥開啟特性的 PSHD 數(shù)學(xué)模型并得到了與半主動減振器相同的調(diào)節(jié)性能。1994 年， N.N.BOLOTNIK 發(fā)表文章，介紹了關(guān)于液壓減振器閥系參數(shù)優(yōu)化的通用理論模型。1995 年，BESINGER 等人利用仿真的方法建立了關(guān)于減振器的 7 自由度非線性數(shù)學(xué)模型，研究了減振器參數(shù)的影響特性。1997 年，STEFAA

12、N 等人通過實(shí)驗研究，建立了液壓減振器的非參數(shù)數(shù)學(xué)模型。2000 年，STEFAAN 等人建立了關(guān)于幾何參數(shù)，阻尼閥參數(shù)。吸油閥參數(shù)和準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)的汽車油壓減振器標(biāo)準(zhǔn)模型。并被應(yīng)用于 ADAMS/Car、DADS 等著名的分析軟件。3.2國內(nèi)研究概況我國對于液壓減振器的研究起步較晚，但是國內(nèi)學(xué)者在圍繞著液壓減振器的建模、仿真、實(shí)驗和部分關(guān)鍵部件（閥系、孔隙）的參數(shù)特性進(jìn)行了卓有成效的研究。1993 年，謝仕良建立了液壓減振器受溫度影響的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真。研究阻尼特性與溫度的關(guān)系，得出了溫度對液壓減振器阻尼特性的影響關(guān)系。1995 年，陳耀軍通過實(shí)測的阻尼特性曲線，揭示了各節(jié)流阻尼閥在形成阻

13、力特性中所起的作用。2005 年，北京交通大學(xué) Richard van Kasteel、鐵道科學(xué)研究院錢立新等人，提出了關(guān)于鐵道車輛液壓減振器的工作原理和數(shù)值模型。2006 年，北京理工大學(xué)教授周長城在博士論文中著重研究了液壓減振器調(diào)閥理論的計算公式，并開發(fā)研究了一套基于 MATLAB 的液壓減振器仿真軟件，為減振器節(jié)流閥參數(shù)設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。2009 年，北京理工大學(xué)賀李平等人發(fā)表論文研究了關(guān)于減振器環(huán)行閥片在均布載荷作用下的大撓度變形的精確理論公式。2010 年，中國北方車輛研究所陳軼杰等人研究了液壓減振器環(huán)行閥片在均布油液壓力作用下局部變形研究。2010 年，浙江工業(yè)大學(xué)李小波等發(fā)表文

14、章對液壓減振器的疊加復(fù)原閥節(jié)流特性進(jìn)行了流耦合分析，并用 ADINA 動力學(xué)分析軟件建立了固液耦合分析模型，并得出了彈性閥片的變形、油液的流場特性。3.3 國內(nèi)技術(shù)研究工作重點(diǎn)綜合國內(nèi)外介紹我國技術(shù)研究工作的重點(diǎn)，借鑒國外先進(jìn)液壓減振器技術(shù)，我們在減振器研究開發(fā)方面的工作重點(diǎn)是要對液壓減振器作專題深入的理論和實(shí)踐研究。從理論上進(jìn)行優(yōu)化計算，解決液壓減振器與彈簧等部件組成的減振系統(tǒng)與鐵路機(jī)車車輛系統(tǒng)動力學(xué)最佳匹配優(yōu)化參數(shù)；從實(shí)踐上研究液壓減振器怎樣的原理結(jié)構(gòu)才能滿足鐵路機(jī)車車輛系統(tǒng)需要的動力學(xué)特性；在制造過程中，我們應(yīng)學(xué)習(xí)國外液壓減振器的先進(jìn)制造技術(shù)，使液壓減振器的性能和使用壽命滿足用戶的要求。從而研究開發(fā)出具有鐵路機(jī)車車輛系統(tǒng)所需動力特性的液壓減振器。4 總結(jié)通過學(xué)習(xí)車輛工程，了解到當(dāng)前我國鐵路電力機(jī)車發(fā)展正處在新的歷史階段，電力機(jī)車的發(fā)展是現(xiàn)階段鐵路發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何讓我國鐵路運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)高速重載尤為重要。高速重載的提升，必然帶來機(jī)車車輛的振動，減緩不良振動刻不容緩。通過查閱資料，對液壓減振器工作原理、機(jī)構(gòu)配置、未來發(fā)展等進(jìn)行了相關(guān)了解。深知我國在機(jī)車車輛液壓減振器在世界上還處于較為落后的階段，在借鑒外國先進(jìn)技術(shù)的同時加強(qiáng)我國自主