铁道车辆液压减振器联合仿真模型的构建及其试验验证.pdf

2 0 1 4年 6月 第 4 2卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS J u n ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 0 1 铁道车辆液压减振器联合仿真模型的构建及其试验验证 肖乾 ，李清华 ，王成国 ，张海 ，徐红霞 ，贾慧芳 1 ．华东交通 大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌 3 3 0 0 1 3 ； 2 ．中国铁道科学研 究院铁道科学技术研究发展 中心，北京 1 0 0 0 8 1 摘要分析了单向流液压减振器的工作原理、阀系特性及液压流体力学理论。以高速列车 K O N I 横向减振器为例，参 照其结构及其参数值在 E a s y 5环境下建立了减振器液压控制模型。利用 E a s y 5和 A D A MS 联合仿真接口技术 ，在考虑减振器 节点刚度的条件下，建立了减振器的 Ma x w e l l 联合仿真模型。将减振器性能仿真和试验结果进行对 比分析 ，结果表明所建 立的减振器联合模型精确可靠。 关键词铁道车辆；液压减振器；联合仿真 ；Maxw e l l 中图分类号U 2 6 0 ． 3 3 1 ． 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 1 0 0 1 4 Co n s t r uc t i o n o f Ra i l wa y Ve h i c l e Hy d r a ul i c Da mpe r C0 ． s i mu l a t i o n M o de l a n d Ex pe r i me n t a l Ve r i fic a t i o n X I A O Q i a n ，L I Q i n g h u a ， WA N G C h e n g g u o ， Z HA N G H a i ， X U H o n g x i a ， J I A H u i f a n g 1 ． K e y L a b o r a t o r y o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n f o r C o n v e y a n c e a n d E q u i p me n t ， E a s t C h i n a J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，Na n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 1 3，C h i n a ； 2 ． Ra i l wa y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Re s e a r c h a n d D e v e l o p me n t C e n t e r ，C h i n a Ac a d e my o f R a i l w a y S c i e n c e s ． B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e w o r k i n g p r i n c i p l e ，v a l v e s y s t e m f e a t u r e s a n d h y d r a u l i c fl u i d me c h a n i c s t h e o r y o f u n i d i r e c t i o n a l fl o w h y d r a u l i c d a mp e r we r e a n a l y z e d ．W i t h t h e h i g h - s p e e d t r a i n K ONI l a t e r a l d a mp e r a s e x a mp l e ，a c c o r d i n g t o i t s s t r u c t u r e a n d p a r a me t e r s d a mp e r h y d r a u l i c c o n t r o l mo d e l w a s e s t a b l i s h e d i n t h e e n v i r o n me n t o f E a s y 5 ．Maxwe l l C O s i mu l a t i o n mo d e l o f d a mp e r wa s e s t a b l i s h e d b y u s i n g E a s y 5 a n d A DAMS C O ． s i mu l a t i o n i n t e r f a c e t e c h n o l o g y a n d t a k i n g i o i n t s t i f f n e s s o f t h e d a mp e r i n t o c o n s i d e r a t i o n ．D a mp e r p e r f o r ma n c e s i mu l a t i o n a n d t e s t r e s u l t s w e r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d ．T h e r e s u h s s h o w t h a t t h e mo d e l e s t a b l i s h e d i n i s a c c u r a t e a n d r e l i ab l e ． Ke y wo r d sRa i l w a y v e h i c l e；Hy d r a u l i c d a mp e r ；C o - s i mu l a t i o n；Maxwe l l 液压减振器是铁道车辆悬挂系统的重要阻尼元 件 ，它通过节流的方式吸收和缓和道路不平顺等引起 的振动和冲击，达到提高车辆安全性、平稳性及舒适 性的目的。随着乘客对列车安全性及舒适性的要求不 断提高 ，研究减振器性能对车辆动力学性能 的影响显 得尤为重要。因此 ，有必要借助计算机仿真技术建立 液压减振器联合仿真模型，以期为其嵌入车辆模型研 究 减振器 性能对 车辆动力学性 能影响建立基础 。 目前 ，国内外学者对于液压减振器数学模型的建 立方法归纳起来有 3种，即参数化建模、等效参数化 建模、非参数化建模。参数化建模因考虑了减振器内 部油液流动以及节流阀弹性元件的变形等真实工作状 态而应用较多⋯。对于减振器建模大多忽略其两端的 橡胶元件而做了刚性处理，但已经有学者指出减振器 节点 刚度 对其 性 能及 车辆 动力 学 性能 有 较 大影 响 ] 。鉴于上述原因，以下将采用参数化建模的方 法 以高速列车 K O N I 横 向减 振器 为例 ，在 E a s y 5环境 下建立液压减振器液压控制模型。对建立好的液压减 振器控制模型应用 E a s y 5和 A D A M S接 口技术在 A D A MS环境下建立考 虑减振 器橡胶节 点 刚度 的 M a x w e l l 联合仿真模型并通过试验验证了模型的精确性。 1 减振器参数化建模 1 ． 1 减振 器的 工作原 理 K O N I 横向减振器其内部油液是单向流动的，在 活塞和底座上都设有单向阀，在活塞杆导向座上设有 阻尼调节 阀。 如图 1 为单 向流液压减振器拉伸和压缩工作情 况。当活塞受到到拉伸力 F 作用时，减振器拉伸长 度 s ，活塞单向阀关闭，活塞上部相当于体积为 A的 油液从拉伸腔通过阻尼调节阀流入储油缸 ，而底座上 单向阀开启相当于体积为 A 曰的油液通过单向 阀流人压缩腔；当活塞受到压缩力 F 作用时，减振 器压缩长度 ．s ，底座单 向阀关闭，活塞单 向阀开启 ， 相当于体积 A 的油液从压缩腔通过活塞单向 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 0 基金项目国家 自然科学基金资助项目 5 1 0 0 5 0 7 5 ；江西省 自然科学基金资助项 目 2 0 1 3 2 B A B 2 1 6 0 2 6 作者简介肖乾 1 9 7 7 一 ，男，教授，博士，主要从事轮轨关系研究。Em a i l x q s x m a i l ． c o m。 2 机床与液压 第 4 2卷 阀流人拉伸腔 。 图 1 油液单向流动减振器工作原理 1 ． 2 液压减振 器液压流体力学基础方程 液压流体力学是流体力学的一个组成部分，主要 研究液体与液压元件之间的相互作用规律。通过研究 液体运动规律和流体运动与力的关系 ，推导出液体运 动 的连续性方程 、能量方程 以及动量方程等流体动力 学 的基本定律 。能量方程加上连续性方程 ，可 以解决 压力 、流速或流量及能量损失之 间的关系 ；动量方程 可解 决 流 动 液 体 与 固 体 边 界 之 间 的 相 互 作 用 问 题 。 连续性方程式就是流体流动过程中的质量守恒定 律的一种数学表达式 ，假设流体为不可压缩 ，则连续 性方程 为 业 aw 0 f 1 d d d z 式 中 U ， ，W分别为 ，Y ， 方 向的速度分量 。 伯努利方程是 流体 流动中以其特有 的流动参数来 反应 能量守恒定律 的一种表达式 z 一 h ㈣ 式 中 z ， z 为液 面的高度 ； P ，P 为液 面的压力 ； ， 为液面的流速；h 为能量损耗； P为液体密度。 根 据流体力学理论知识 ，当小孔 的通流长度 Z 与 孔径 d之比 I ／ d ≤0 ． 5时称为薄壁小孔流。通过薄壁 小孔的流量可以由下式求得 Q C 3 式中P为流经薄壁t b L 的流量；C 为流量 系数 ， 一 般取 0 ． 6 2 0 ． 6 3 ；A 。 为 孔 口截 面积 ；p为 油 液密 度 ；却 为薄壁小孑 L 两端压力差。 当小孔 的流通长度 z 与孔径 d之 比 l ／ d 4时 ，称 为细长小孔流 。孔 的流量可 以由下式求得 Q - △ p 4 式 中 Q为流经细长小孔 的流量 ；d为细长 小孔 的直 径 ；叼为液体的动力黏度 ；l 为细长小孔的通流长度； △ p 为细长小孔两端的压力差。 当小孔的流通长度 z 与孔径 d之比l ／ d 4时，称 为管嘴流动。管嘴流动可以由下式表示 Q C 5 式 中Q为流经 管 嘴 的流量 ；C 为流 量 系数一 般 取 为0 ． 8 2 ；a为孔口截面积；P为油液密度；△ p为流经 管嘴两端的压力差。 当液流空间的高度比和宽度小得多时，就称为缝 隙流动。缝 隙流动可以 由下式 表示 Q △ p 6 式中Q为流经缝隙的流量；b为缝隙的宽度 ；h为 缝隙的高度 ；叼为液体的动力黏度 ；z 为通流长度 ； 卸 为流经缝 隙的压力 差。 1 ． 3 减振器液压动力学模型建立 在减振器动力学模型建立 中以 K O N I 减振器结 构 图 2 及主要结构参数值 表 1 为建模依据，在 E a s y 5下建立减振器液压系统模型如图 3 。 1 一伸缩式防尘套2 一刮油环卜 阻尼调节阀4 一活塞5 一活塞杆密封装置6 一压力缸7 一防护罩8 一储油缸 9 一导油管1 O 一活塞单向阀l 1 一活塞及活塞杆组成l 卜 底阀组成1 3 一端部连接装置 图2 K O N I 横向减振器结构图 第 1 1期 肖乾 等铁道车辆液压减振器联合仿真模型的构建及其试验验证 3 表 1 减振器主要结构参数值 阻尼孔径 数量 内径 通流孔径 数量 内径 活塞单向阀孔径 数量 内径 底 阀单向阀孔径 数量 内径 活塞杆直径 活塞直径 26． 7 2 1 ． 8 2 41 ． 9 l 82 6 0 8 5 1 ～ 活塞 单 向阀2 一 压缩 腔3 一 底 阀单 向阀4 一 储油 缸5 一 阻尼 调节 阀6 _ - 拉伸 腔7 _ 活 塞 图3 减振器液压控制模型 模型中用提升阀元件与较大孔径节流孔元件串联 与较小节流孑 L 元件并联来模拟减振器阻尼调节阀。用 单向阀元件与节流孔元件串联来模拟活塞单向阀和底 阀。用两个变量容器元件来分别模拟拉伸腔和压缩 腔。用液压缸元件来模拟工作缸、活塞和活塞杆。用 蓄能器元件来模拟储油缸。 在不影响计算精度的情况下对模型做了如下假 设 1 在整个工作过程中，减振器内的油液温度 保持不变 ； 2 不计 压力 变化 引起 的 系统刚 性构件 的弹性 变形 ； 3 忽略工作过程中气泡产生的影响； 4 不计油液自重； 5 忽略活塞与工作缸之间、活塞杆与导 向座 之 间的油液泄漏 。 2 减振器联合仿真模型 铁道 车辆上 液压 减振 器 的两端都 因有 橡胶 连接结 构 图 4 而具有 弹性 刚度 ，该 弹性刚度会使 阻尼 力 与活塞 速度及位移之间产生相位变 化而影响减振器特性 。因而 在实际建模中常把减振器简 化成一个阻 尼和 弹簧 串联 的 组合元件，称为 M a x w e l l 模 图4 减振器两端橡 胶连接结构 型。所以，以下将考虑减振器两端刚度建立 M a x w e l l 联合仿真模型。 2 ． 1 联合仿真模式的选择 对于 E a s y 5和 A D A M S的联合仿真模式主要有 3 种 图 5 1 联合模式 ，由 E a s y 5和 A D A MS 求解器求解 各 自的模型； 2 控制系统导入模式，将 E a s y 5 所建立的控制 与多学科 系统导人 A D A M S ， 利用 A D A M S求解器 积分 计算所有的模型 ； 3 函数评价模式，将 A D A M S所建立的多体机 械模型导人 E a s y 5 ，利用 E a s y 5求解器积分计算所有 的模 型。 图5 联合仿真方式原理图 目前的学者们的研究都是采用控制导入模式进行 仿真计算 “ ，这主要是由于此种模式可以在控制系 统预置参数 的情况下研究 整个模 型 的性 能，采用 A D A M S 的参数评价功能进行统一的试验设计和参数 优化。因此，在文中也将采用这种联合仿真模式进行 建模分析 。 2 ． 2联合 模 型 实现 过程 1 在 A D A MS中建立简化 的减振器的机构模 型，模型中将 两端橡胶 连接 件等效为 一个刚度 为 1 ． 7 1 5 1 0 N ／ m弹簧。定义活塞速度和位移为输出 变量 ，阻尼 力 为输 入变 量 ，通 过 A D A M S ／ C o n t r o l s 模 块将 C o n t r o l P l a n t 输出，生成 a d m、c m d文件供 E a s y 5 配置接入 。 2 将 建 立 好 的减 振 器 液 压 控 制 模 型 中 添 加 A D A MS接口元件来替换原模型中位移和速度激励元 件 ，在 A D A M S接 口元 件 中添 加 之 前 导 出 的 a d m、 c m d文件从而实现与 A D A M S机构模型的连接 ，然后 导 出 d l 1 文件。 3 在 A D A MS ／ V i e w中通过 C o n t o l 模块 导 入 d l l 文件建立动态联合仿真模型，建立的简化模型如图6 。 卜 1 图6 减振器 M a x w e l l 联合模型 4 机床与液压 第 4 2卷 3 联合模型试验验证 l 1 ， 0 ． 5 m／ s 2 I l， O ． 4 m／ s }1， 0． 3 m ／ s 4 - O． 2 m ／ s 图7 减振器外特性仿真曲线 为了验证减振器联合模型的准确性 ，分别在速度 0 ． 1 m／ s 、0 ， 2 m／ s 、0 ． 3 m／ s 、 0 ． 4 r n ／ s 、0 ． 5 m／ s 下 进行仿真和试验。仿真结果如图7 ，试验结果如图 8 ， 仿真与试验结果对比如表 2 。 表 2 实验与仿真结果 比较 6 4 2 Z 0 -2 -4 ．6 ．4 ． 2 0 2 4 s ／ c m 图8 减振器外特性实验曲线 从表 2可以看到，仿真拉伸阻尼力最大误差为 7 ． 6 8 ％，最小 为 4 ． 3 1 ％；压缩 阻 尼力 最大 误差 为 4 ． 3 ％，最小仅为 0 ． 5 5 ％。不对称率最大 为 5 ． 3 9 ％， 最小为 0 ． 0 5 ％ ，均 小于 机车 车辆 油压 减振 器 技术 条 件 中对称 率要小 于 1 0 ％ 的规定 。由此 可 以说 明所 建立 的模 型较 为精确 可靠 。 4结论 以铁道车辆 K O N I 横向液压减振器为例 ，根据其 结构和工作原理 ，在考虑减振器两端刚度条件下成功 建立了铁道车辆液压减振器的 Ma x w e l l 联合仿真模 型。利用建立的联合模型仿真计算分析了减振器的阻 尼特性 ，并通过对比试验和仿真结果显示各项指标误 差均小于 1 0 ％从而验证了所建立的减振器联合模型 较为精确。此联合仿真的建模方法适用于一般机液耦 合问题的建模 ，为后期实现减振器嵌入车辆动力学模 型提供了基础。 参考文献 [ 1 ]孙胜利． 位移相关减振器动力学建模及对车辆性能影响 的研究[ D ] ． 长春 吉林大学， 2 0 0 8 ． [ 2 ]陆冠东． 串联刚度对液压减振器特性的影响[ J ] ． 铁道 车辆 ， 2 0 0 7 ， 4 5 2 1 5 ． [ 3 ]曾京， 邬平波． 减振器节点刚度对铁道客车系统临界速 度的影响[ J ] ． 中国铁道科学， 2 0 0 8 ， 2 9 2 9 4 9 8 ． [ 4 ]徐灏． 机械设计手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 8 ． [ 5 ]MS C S o f t w a r e C o r p o r a t i o n C o n fi d e n t i a 1 ． 基于 E a s y 5 ／ A d a ms 的高压开关缓冲器分合闸动力学分析报告[ O L ] ． [ 6 ]李江波， 黄明辉 ， 赵兴． 基于A D A MS与E A S Y 5的大型模 锻液压机联合仿真[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 1 6 2 3 5 2 3 7 ． [ 7 ]生龙波， 马吉胜 ， 孙洋河， 等． 基于 A D A MS与 E A S Y 5的 某履带车辆制动系统的联合仿真[ J ] ． 机械制造 ， 2 0 1 2 ， 5 0 5 7 4 2 8 3 0 ． [ 8 ]陈北平 ， 周新建． 基于 A D A MS与E A S Y 5的双筒式液压减 振器扫频研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 2 1 8 6 1 8 8 ． [ 9 ]中国人民共和国铁道部． T B ／ T 1 4 9 1 - 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