基于重載貨車緩沖器速度特性的力學模型研究

王學龍，張軍

（大連交通大學，遼寧 大連 116028）

0 引言

隨著我國改革不斷深入和經濟高速持續發展，以多樣化、高時效為特征的重載運輸需求急劇增長。目前，在有限的重載線路上，重載貨車行車密度已接近極限，為保障貨運量和貨運效率，開放更加長大的列車成為必然選擇。但是隨著列車長度和質量的不斷增加，列車受到的縱向沖動更為劇烈，受載情況更為復雜，導致列車在制動和牽引過程中問題頻發，多次出現車鉤斷裂事故，嚴重危及行車安全。因此，對緩沖器性能進行研究刻不容緩。

Tanasoiu等[1]通過靜態、動態沖擊試驗，對緩沖器的靜態特性及動態特性進行了相應的研究。Olshevskiy等[2]對原有摩擦式緩沖器的動力學模型進行改進，利用數值模擬技術建立了調車沖擊仿真模型，并研究了不同工況對緩沖器特性參數的影響。龍銘等[3]以HM-1型、MT-2型緩沖器為研究對象，采用ADAMS動力學軟件仿真了不同沖擊速度的沖擊試驗，并分析了緩沖器的內部結構性能參數對其動態特性的影響。楊俊杰等[4]利用緩沖器數學模型對MT-2型摩擦式緩沖器和DFC-E100彈性體式緩沖器的特性進行了對比分析，并給出緩沖器最大阻抗力、緩沖器行程及初始壓力等關鍵參數的確定方法。魏偉等[5]通過大量緩沖器試驗結果，反求緩沖器的剛度參數和阻尼參數，獲得緩沖器阻抗表達式，從而能夠應用到列車縱向動力學計算當中。朱紅偉等[6]基于MT-2型緩沖器，通過改變緩沖器局部特性曲線，分析了在快捷貨車緊急制動和調車沖擊工況下緩沖器特性對列車縱向沖動的影響。張軍等[7]通過對HM-1型重載列車緩沖器進行力學分析，建立了HM-1型緩沖器模型，開發出界面式HM-1型緩沖器仿真試驗系統，為緩沖器緩沖機理及列車縱向沖動機理研究提供有效的工具。

本文通過MT-2型緩沖器的落錘試驗，得到了緩沖器壓縮量及壓縮速度與緩沖器阻抗特性之間的關系，進而建立緩沖器阻抗特性數據庫，利用二維曲面模型對緩沖器特性進行描述，為縱向動力學的研究提供了新的途徑。

1 緩沖器工作原理

緩沖器是鉤緩裝置的重要組成部分，其性能直接影響著車輛運行的穩定性。緩沖器在工作過程中借助彈性元件來起到緩和車輛沖擊的作用，同時在彈性元件壓縮變形的過程中利用阻尼和摩擦來消耗和吸收車輛之間產生的振動和沖擊，從而達到避免列車結構及運輸貨物遭受損壞、提高列車運行安全平穩性的目的。以MT-2型緩沖器為例，其結構如圖1所示。

圖1 MT-2型緩沖器立體結構圖

緩沖器的工作過程分為壓縮和回彈兩個過程，其中可分為4個階段：第1階段，緩沖器開始壓縮時，前從動板頂到中心楔塊，但未頂到動板；第2階段，緩沖器繼續壓縮，前從動板頂到動板并和中心楔塊一起壓縮；第3階段，緩沖器壓縮量達到最大行程，彈簧座頂到楔塊一起回彈，但未碰到動板；第4階段，緩沖器繼續回彈，彈簧座頂到動板并和楔塊一起回彈。

2 落錘試驗

本落錘試驗在12 t錘重的試驗臺上進行，沖擊高度從12.77 mm（近似為0）到353.57 mm（緩沖器最大容量）。沖擊結果的緩沖器壓縮量-阻抗曲線如圖2所示。

圖2 MT-2型緩沖器落錘試驗曲線

從圖2中可以看出，MT-2型緩沖器的落錘試驗特性曲線有以下特點：1）在加載段，阻抗力隨壓縮量的增大而呈波浪式增大；2）隨著落錘高度的不斷增加，該緩沖器的最大壓縮量和最大阻抗力也隨之增大；3）當該緩沖器的壓縮量即將達到最大行程時，其阻抗力在短時間內急劇衰減；4）該緩沖器在落錘試驗的整個過程中其壓縮量和阻抗并未形成一條封閉的曲線。

3 建立緩沖器速度力學模型

在對MT-2型緩沖器進行落錘試驗時，以落錘的下落方向為正方向，采用整體法對緩沖器進行受力分析。為簡化計算，忽略落錘在下落過程中受到的空氣阻力及外部干擾，得出落錘試驗力學微分方程為

式中：m為落錘質量，kg；x¨為緩沖器壓縮加速度，m/s2；g為重力加速度，m/s2；Fg為緩沖器阻抗力，kN。

落錘與緩沖器接觸的瞬間速度為v0，然后由動力學公式推導出緩沖器壓縮速度計算公式為

式中：v為緩沖器壓縮速度，m/s；v0為自由落體結束時的落錘速度，m/s；x為緩沖器壓縮位移，m。

緩沖器在加載過程中阻抗力隨壓縮量變化的趨勢較為復雜，并且由于落錘沒有完全卸載，所以未形成封閉曲線。加載段壓縮速度整體會呈現先增至峰值、再減小到0的變化趨勢，由于達到峰值時間較短，同時考慮到模型簡化，假設壓縮速度直接達到最大值，壓縮速度的假設用自由落體公式進行矯正，在壓縮量未達到最大且用自由落體公式無法矯正時，壓縮速度按線性假設至最大壓縮量對應為0，以錘高150.28 mm為例，如圖3所示。

圖3 緩沖器實測阻抗、壓縮量與假設壓縮速度

由于落錘試驗并沒有完全卸載，故卸載段均按照沖擊試驗的卸載曲線進行假設，按沖擊試驗卸載回彈段的平均斜率線性修正[8]。將緩沖器的落錘實驗數據分為壓縮和回彈2個過程分別處理。將壓縮過程的壓縮量分成86段，每段間隔1 mm；壓縮速度分成6段，每段間隔0.5 m/s。將回彈過程的壓縮量也分成86段，每段間隔1 mm；回彈時，壓縮速度分成0～1.5 m/s共5段。壓縮量和壓縮速度的等值線相互交叉構成了網格，網格相交處構成了結點。每個阻抗數據，根據壓縮量和壓縮速度建立數據庫。

MT-2型緩沖器的阻抗特性數據庫的加載段和卸載段數據以圖像形式表示，如圖4 和圖5所示。

圖4 加載段緩沖器阻抗特性

圖5 卸載段緩沖器阻抗特性

從圖4 中加載段緩沖器阻抗特性網格曲面中依然可以較清晰地看出，緩沖器的3 個加載區段，在相同的壓縮量下，阻抗隨壓縮速度的降低而略微升高。阻抗特性數據庫可隨著新的試驗數據的加入而不斷擴容至足夠龐大，曲面尖峰也會得到相應的平滑。從圖5中卸載段緩沖器阻抗特性網格曲面中可以看出，隨著壓縮量和壓縮速度的增加，緩沖器在卸載時阻抗值呈現出先驟減、后逐漸平穩降至0。

4 模型有效性驗證

應用Fortran語言開發MT-2型緩沖器力學特性數據庫模型的程序，建立利用落錘試驗數據構建數據庫的程序實現方法。將壓縮量與壓縮速度作為輸入參數，實現了基于網格化數據庫模型對落錘試驗的仿真。當外部程序需要調用數據庫計算緩沖器的阻抗時，主程序讀取壓縮量和壓縮速度2個參數，子程序從數據庫中線性插值出該輸入量所對應的阻抗力并反饋給主程序，其流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

不同落錘高度下落錘試驗與緩沖器速度模型仿真曲線對比如圖7所示。

圖7 緩沖器落錘仿真曲線與試驗曲線對比

從仿真預試驗對比的定量結果來看，在不同落錘高度下，緩沖器的最大行程和最大阻抗值大致相同，緩沖器模型的仿真結果均較好地模擬了試驗曲線。將基于速度特性的緩沖器模型仿真結果最大阻抗和最大壓縮量與落錘試驗最大阻抗與最大壓縮量進行對比，如表1所示。

表1 緩沖器模型阻抗與壓縮量極值的仿真結果與試驗結果對比

由表1可知：緩沖器模型的車輛落錘試驗仿真結果的最大阻抗與落錘試驗實測結果相差2.23%～13.83%；仿真與試驗緩沖器最大壓縮量相差0.42%～4.11%。由此可見，仿真結果很好地描述了落錘試驗緩沖器阻抗及壓縮量極值的規律性。

5 結論

1）將緩沖器落錘試驗數據根據阻抗與壓縮量及壓縮速度的定量關系歸納并建立緩沖器阻抗特性數據庫的方法是可行的。

2）緩沖器模型的落錘試驗仿真結果的最大阻抗與落錘試驗實測結果誤差小于14%，仿真與試驗緩沖器最大壓縮量誤差小于5%。

3）依據數據庫建立的二維曲面形式的緩沖器模型能夠較好地反映落錘試驗特性曲線的所有特點，可以真實地模擬緩沖器的動態特性。