某地铁车辆油气弹簧外特性分析与计算.pdf

机械制造 肖启瑞， 等 某地铁车辆油气弹簧外特性分析与计算 某地铁车辆 油气 弹簧外特性分析与计算 肖启瑞 ， 黄学翱 ， 石本 改 ， 唐拥林 ， 王波群 1 ． 广东机电职业技术学院 汽车学院， 广东 广州 5 1 0 5 1 5 ； 2 ． 广州地铁集团运营事业总部 车辆中心 ， 广东 广州 5 1 0 0 0 0 摘要 为准确描述 油气弹簧 力学特性 ， 基 于流体 力学原理 ， 完整 建立 了某型城 市客 运车辆 双 蓄能器式油气弹簧的力学模型， 仿真得到了该型油气弹簧的速度特性与位移特性； 详细介绍了 不同于一般车辆液压悬架阀片式的实体式阻尼阀； 讨论油气弹簧关键参数对其外特性的影响， 发现振动速度、 蓄能器气压等因素对油气弹簧外特性影响较大。双蓄能器式油气弹簧是一类 集变刚度特 性与非线性阻尼力的气、 液耦合体 。适合载重量 变化较 大的城市客运 车辆 ， 有利 于 改善车辆平顺性。 关键词油气弹簧； 特性仿真； 双蓄能器 中图分 类号 U 4 6 9 ． 3 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 2 0 6 0 0 7 0 0 4 Ana l y s i s o f Hy d r o Pn e uma t i c s pr i n g o n r a i l v e hi c l e X I A 0 Q i R u i ， HU A N G X u e x u a n ， S HI B e n g a i ， T A N G Y o n g l i n ， WA N G B o q u n 1 ． S c h o o l o f v e h i c le Gu a n g d o n g E l e c t r o me c h a n i c a l P o ly t e c h n ic ， Gu a n g z h o u 5 1 0 5 1 5 ， C h i n a ； 2 ． Gu a n g z h o u me t r o o p e r a t i n g s e c t o r v e h ic l e c e n t e r ，Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o d e s c r ib e t h e b e h a v io r s o f Hy d r o - P n e u ma t i c s p r in g ， t h e p h y s i c a l mo d e l o f t h e d a mp e r o n l ig h t r a i l v e h i c le is b u i lt b a s e d Off f l u id d yn a mic s ．Bo t h o f t h e v e l o c it y b eh a v i o r an d d i s p l a c e men t b e ha v ior ar e o b t aine d．Th e s o l id da mp ing v alv e，wh i c h i s diffe r e n t f r 0 m c o mmo n h yd r au l ic d a mp e r wit h me t a l v alv e p la t e i s i n t r od u c e d in de t ail s ．The d i s c u s s ion a b ou t i n f l u e nc e s o f k e y p a。 r a me t e r s o n t h e p e r f o r ma n c e is p r e s e n t e d ．T h e c o n c l u s io n is t h a t v e lo c ity a n d o r i g i n a l a i r p r e s s u r e a r e c r u c i a l f a c t o r s t o t h e H y d r o Pn e uma t ic d a mp er ．Hy d r o - Pn eu ma t ic d amp er wi t h d u al a c c u mu l a t o r s is an ga s - l iq uid c o mb i n a t i o n wi t h v a r iab l e s t iff ne s s an d n o nli n 。 e a r d a mp，whic h i s s uit ab le f or t he p a s s e n ge r v eh ic l e wit h t h e g r e a t c h a ng e o f t h e Io od ． Ke y wor d sh y dr o- pn e u ma t ic da mp er b eh a v ior s s i mu l a t i o n； du a I a c c u mu la t o r s 0 引言 弹簧元件、 悬架是车辆悬架系统中的关键部件 ， 直接 影响到车辆的平顺性和行驶稳定性， 在普通轻型车辆悬架 中， 金属类弹性元件一般认为是线性 的， 液压悬架阻尼是 非线性的。对于载重量变化剧烈而引起车体固有频率变 化的城市客运车辆来说， 传统金属线性弹簧与悬架的组合 不能满足城市轨道车辆高性能的要求。油气弹簧具有集 空气弹簧的变刚度特性以及普通液压悬架的非线性阻尼 力的双 重特性。基于此， 本 文对油气 弹簧 进行研 究与 分析 。 1 油气弹簧的数学建模 如图 1 所示， 双蓄能器式油气弹簧由下腔 A、 上腔 B 、 活塞杆内腔 C以及蓄能器 D蓄能器 E组成。其中蓄能器 D， E中充以一定压强的惰性气体， 一般充以氮气。当活 塞组件相对缸体向下运动时， 下腔 A液体压强升高， 液体 进入蓄能器 E中压缩其中气体， 从而“ 蓄能” 。与此同时， 上腔 B体积增大， 压强减小， 蓄能器 D中气体膨胀 ， 将 C 腔液体通过活塞组件上的节流阀孔系压人上腔 B， 起到 “ 补偿” B腔体积的作用， 此过程液体应保持连续， 避免悬 架外 特性 发生 “ 空程性畸变” 。 图1 双蓄能器式油气弹簧结构 同理， 当活塞组件相对缸体向上运动时， 上腔 B中液 体压强升高， 液体通过活塞组件上的节流阀孔系压入 C 腔， 再进入蓄能器 D中压缩气体， 达到复原行程“ 蓄能” 效 果。与此同时， 蓄能器 E中气体鼓胀， 起到“ 补偿” A腔体 积的作用。 作者简介 肖启瑞 1 9 8 4一 ， 男 ， 江西赣州人 ， 工程师 、 讲师 ， 硕士 ， 研究领域 车辆底盘技术 。 - 7 0 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 机械制造 肖启瑞， 等 某地铁车辆油气弹簧外特性分析与计算 1 ． 1 A腔 液体 压强的求解 由气体状态方程可知 P ∞ p V e 1 式中， P ， 为蓄能器初始状态下的气体压强和体积； p ， 为蓄能器任意工作状态下的气体压强和体积； n为气体 多变指数 ， 取 1 ． 4 。 下腔 A与蓄能器 E之间以油管连接， 有一定的沿程 压力损失 ， 为精确建模 ， 根据流体力学相关原理进行计算 -- P E p A 轰 式中， Q为压缩行程中由 A腔进入蓄能器 E中的液体流 量 ， Q v A ； A 为油管截面积； 为油管长度； d 为油管 内径 ； p为液体密度； A为沿程压力损失系数。它与液体 雷诺数 R e 密切相关 ， 工程上可由式 3 进行确定” J 。 A 旦 l Re 2 3 2 0 0 ． 0 0 2 5 R e T 2 3 2 0 R e 4 0 0 0 。 。 o ． o 粉 式 中 R 一v p d p 。Up为油管液体平均流速， ； 为 A 液体的运动粘度。 压缩行程时， 活塞 位移产 生 的体 积增量 由式 4 确定 s A △ v a △ 4 式中 △ 为蓄能器气体体积变化量 ； 在较高工作压强时， 通常不能忽略液体的可压缩性 ， 对于下腔 A中液体的压缩量为 a v a 。 5 式中 为 A腔液体的初始体积； 为液体的刚度； p A 。 为 A腔液 体的初始压强 。 联立上述式子， 容易得到 A腔液体的压强P 。 1 ． 2 B腔压强的求解 上腔 B流人 C腔的液体流量为 Q 。 A - A 6 工程上通常将悬架节流孔系视为薄壁H qL ， 薄壁小孔 节流公式 为 Q B c C a A o , ／ 7 V P 由式 6 、 7 可得两腔压强差 为 A p B c P B - p c 2 ㈣ 下面着重分析该悬架阻尼孔系节流面积 A 的处理 ， 注意到在同类油气弹簧模型中认为阻尼节流孔均为一个 固定的面积 ， 而轻型车使用液压筒式悬架阻尼节流阀多为 金属阀片式， 节流面积随压差变化。由于油气弹簧多用于 重载荷的场合 ， 使用金属节流阀片容易产生疲劳、 损坏等 Ma c h i n e B u i ld i n g8 A u t o m a t i o n ， J u ． 2 0 1 2 ， 4 1 6 7 0～刀 不 良后果。因此， 将节流孔由金属阀片式改成实体阀式 ， 在实体阀上加工若干个轴向节流槽如图 2所示。随着节 流孔两侧液体压差 △ p 的变化， 阻尼节流孑 L 的开度会相 应的变化， 相应的节流面积 也发生变化， 进而产生变化 的阻尼效果。 图 2 实体 阻尼节流 阀结构 如图3所示 ， 对处于任意位置的实体阀， 节流面积为 轴向环形分布的 个宽度为 d的 U型槽面积之和。总节 流面积近似由下式计算 A 0 z 寺 d 9 为有流量通过时的实体阀位移， 实体阀由复位弹簧 平衡 ， 有 x x 0 a p B c A ， 1 0 式中 ‰ 为弹簧预压量； ， 为实体阀有效截面积； 为弹 簧 刚度 。 图 3 实体 阻尼节流 阀尺寸结构 结合式 6 到式 1 0 ， 可以得到 a p 的值， 注意到实 际上利用式 7 进行实体阀节流孔流量压差计算只是工 程上的近似 ， 液压阀系试验表 明此种 u型槽阀孔的流量 系数 C 应 该 取 0 ． 7～0 ． 7 6 ， 而不 是 薄 壁小 孔 节 流 时 的 0 ． 6 2～0 ． 6 8 。 活塞内腔 C与蓄能器 D之间接以油管， 油管的沿程 压力损失也可用式进行计算， 方法同前 p 。 - P c p A 2 d 1 ‘ 1 1 p ,Ap 要注意的是此时 9为由蓄能器 D进入 C腔的流量， Q 。 A h - A 。 71 机械制造 肖启瑞， 等 某地铁车辆油气弹簧外特性分析与计算 1 ． 3 蓄能器 D工作状态分析 由气体状态方程可知 P o o‘ p Dv o 1 2 式中， P D 。 ， v o o 为蓄能器 D初始状态下的气体压强和体积； P 。 ， 为蓄能器任意工作状态下的气体压强和体积； l I 为 气体多变指数。整理得 PD-PB o‘ ， 精确起见， 考虑 C腔液体 的可压缩性， 其体积压缩 量为 △ 1 4 B腔容积的变化量应该等于 C腔液体体积压缩量和 蓄能器 D内气体体积变化量之和， 即 △ △v o s A h - A 1 5 联立上述方程容易得到 B腔压强P 的表达式。完成 A腔压强 P 和 B腔压强P 的求解后， 根据受力分析可得 活塞杆受力 为 F p A h - p B A - A 1 6 至此 ， 已经完成双蓄能器油气弹簧特性 的数学建模 ， 由式 1 到式 1 6 可以看出， 双蓄能器油气弹簧力学特性 非常复杂， 很难得到精确的解析解 ， 应用 S i m u l i n k进行油 气弹簧系统动态过程的求解是一种比较理想的方式。 2 油气弹簧性能仿真分析 取双蓄能器平衡位置初始气压为 2 M P a 。初始容积为 3 x l O m 。单个油气弹簧静态载荷为2 0 0 0 k g 。以一个较低 速度为n 1 3 m ／ s的正弦信号作为油气弹簧的仿真激励输人， 可以得到油气弹簧的力一速度特性以及力一位移特 如图4 和图5所示 ， 此时对应油气弹簧行程为 1 6 6 m m。 v ／ m／ s 图4 油气减振器的速度特性 由图 5可以看出， 在较低的激振速度时， 油气弹簧的 复原行程与压缩行程的力一位移特性几乎是重合的， 这是 由于低频振动时， 油气弹簧阻尼特性表现很弱， 两条位移 曲线包围面积几乎为 0 ， 此时油气弹簧对外主要表现为弹 性特性， 外特性上近似等效为一个空气弹簧 ， 显然油气弹 簧的弹性特性曲线是非线性的， 或者说是变刚度的， 对载 荷变化大的车辆尤为适用。 72 0 0 ． O 2 0 ． O 4 0 ． O 6 0．O 8 0 ． 1 0 ． 1 2 0 ． 1 4 0． 1 6 0 ． 1 8 图5 油气减振器的位移特性 由图6 可以看出随着振动速度快， 油气弹簧位移特性复 原行程和压缩行程曲线开始分离， 速度越快， 复原和压缩行 程曲线分离越明显， 二者包围面积越大， 表示一个行程中所 能吸收振动能量越多， 可理解为油气弹簧高频振动时阻尼特 性增强， 振动速度达 1 ． 5 6 m ／ s 时， 其阻尼力明显增大。 位移， m 图 6 振动速度对油气减振器位移特性影响 图7明确了节流阻尼孔径对油气弹簧外特性影响。 随着孔径减小， 油气弹簧位移特性复原行程和压缩行程曲 线也表现分离 ， 孔径越小， 两曲线分离加剧 ， 二者包围面积 越大 ， 这是由于阻尼孔径直接影响到液体节流阻力， 较小 节流孔径可得到较大的阻尼力 ， 与普通汽车液压悬架特性 一 致， 使油气弹簧表现地较“ 硬” 。 图7 阻尼孔径对油气减振器位移特性影响 随着蓄能器初始压强增大， 油气弹簧 的刚度增大， 这 一 点与空气弹簧特性非常类似。如图8所示。另外 ， 随着 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n o u m M ． n e t ． c a E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 机械制造 肖启瑞， 等 某地铁车辆油气弹簧外特性分析与计算 油缸直径增加， 油气弹簧弹性特性越陡， 也就是说刚度越 大， 结果如图9所示。 位移， m 图8 蓄能器初始压强对油气减振器特性影响 4 3 ．5 歪 2 l 5 l 1 0 4 位移， m 图9 油缸直径对油气减振器外特性影响 阻尼阀弹簧刚度与节流阻力有直接关 系。阻尼阀弹 簧刚度一般较大。随着弹簧刚度增加， 位移特性曲线开始 分离， 表明阻尼力增大， 如图 1 O所示。 8 位移， m 图 l 0 阻尼阀弹簧刚度对油气减振器外特性影响 从图 1 1可知， 油气弹簧的复原行程阻尼力明显大于 压缩行程。可以避免悬架压缩时过大的阻尼力导致车辆 平顺性变差， 较大的复原阻力保证大部分振动能量消耗在 复原行程内。 一0 ． 2 5- 0． 2- 0 ． 1 5- 0 ． 1- 0．0 5 0 0 ． 0 5 0 ． 1 0． 1 5 0 ． 2 O．2 5 v ／ m l s 图l 1 油气减振器的阻尼力一速度特性 3 结语 1 得到了该型油气弹簧的速度特性与位移特性。双 蓄能器式油气弹簧是一种集变刚度特性与非线性阻尼力 的气、 液耦合体。表现出不同的非线性刚度特性和不同的 非线性阻尼， 非常适合载重量变化较大的重型车辆。 2 详细介绍了不同于一般车辆液压悬架阀片式的实 体式阻尼阀； 详细讨论诸如振动速度、 节流孔径、 蓄能器压 强 、 阻尼阀弹簧刚度等关键参数对油气弹簧性能影响； 得 到了悬架单纯阻尼力非线性速度特性曲线。 参考文献 [ 1 ]马国清， 檀润华． 油气悬挂系统非线性数学模型的建立及其 计算机仿真[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 2 ， 3 8 5 9 6 9 7 ． [ 2 ]封士彩． 油气悬挂非线性数学模型及性能特性的研究 [ J ] ． 中 国公路学报 ， 2 0 0 2， 1 5 3 1 2 2 1 2 3 ． [ 3 ]肖启瑞． 汽车悬架阀片挠度计算模型研究 [ J ] ．客车技术， 2 0 1 1 ， 1 3 4 3 6 ． [ 4 ]梁贺明 ， 陈思忠 ， 游世 明． 油气弹簧数学建模及 仿真研究 [ J ] ． 计算机仿真 ， 2 0 0 6 ， 2 3 6 2 4 1 - 2 4 3 ． [ 5 ]孙 涛 ， 喻凡 ， 邹游． 工程车辆油气弹簧非线性特性 的建模与仿 真研究[ J ] ．系统仿真学报， 2 0 0 5 ， 1 7 1 2 1 0 2 1 1 ． 收稿 日期 2 0 1 2一O 11 8 上接第6 0页 3 优化效果 优化后的二期加热炉建成投产后， 根据 6个月统计， 钢坯的加热烧损为 1 ％ 一 2 ％， 在减少氧化铁皮的同时， 大 大的提高了产品的品质， 取得了良好的经济效益。说明了 本次的优化改进方案是成功的。 Ma c h i n eB u i l d i n g Au to ma t i o n ， J u n 2 0 1 2， 4 1 6 7 0～ 刀 参考文献 [ 1 ]钢铁厂工业炉设计参考资料[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 1 9 7 9 ． [ 2 ] 王秉铨主编． 工业炉设计手册． [ M ] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 6 收稿 日期 2 0 1 2一 O 1 1 4 7 3