高铁油压减振器低温阻尼特性试验研究

王文林, 孔 新, 樊友权, 戴谋军

(1.东莞理工学院机械工程学院，广东东莞 523808; 2.株洲联诚集团减振器有限责任公司，湖南株洲 412001)

引言

油压减振器(下称减振器)是现代铁道机车车辆上的关键悬挂部件，对机车车辆的安全性、舒适性和整车运动稳定性均起着重要作用，开展其低温阻尼特性研究[1-4]，对提高其环境适应性和高寒型列车的动力学性能具有重要意义。

现有关于减振器阻尼特性的研究，一般默认在常温下进行，或者趋向于研究油温升高[5-9]对阻尼特性的影响。关于减振器的低温性能，在现行的国内外标准中[10-11]只是定性地规定了减振器在极限服役温度范围内(如-40～+70 ℃)必须保障车辆的安全性，而并没有对减振器阻尼性能恶化的具体指标进行描述或限定，这源于现有知识对减振器在低温下阻尼特性的认识不充分。

国内外标准中推荐了对减振器在低温条件下进行试验的方法。为了研究高铁油压减振器的低温阻尼特性及其影响因素，本研究拟从减振器油的品质入手，对注有2种物理性能指标接近但品牌不同的减振器油的实验样品进行了低至-50 ℃的低温阻尼特性试验，定性分析了低温条件下减振器示功图产生畸变的机理；针对低温条件下阻尼特性的变化特点提出了其关键技术指标的计算方法，对比分析了不同油液品质对减振器低温阻尼特性的影响，提出了提高油压减振器产品低温适应性的建议。

1 低温阻尼特性试验

试验对象为某高速动车组使用的抗蛇行油压减振器，该减振器采用了常用的油液单向循环模式，拉伸和压缩阻尼力在设计上具有对称性，其常温下的名义力-速度特性如图1所示，在实际测试中，其各速度点上阻尼力允许有±10%[10-11]的波动。

图1 被试油压减振器常温下的名义阻尼力-速度特性

研制了2只试验样品，分别注入了进口减振器油TITAN SAF 5045(下称“进口油”)和某国产试制减振器油(下称“国产试制油”)；前期委托专业部门对这两种减振器油的物理特性进行了测试，其主要性能指标如表1所示。由表1可见，这两种减振器油的主要性能指标比较接近。

表1 两种减振器油的主要性能指标

参照国内外标准[10-11]推荐的方法，对上述两种油压减振器进行了分批次台架试验，图2所示为试验过程中所采用的样品、低温箱和试验台架。

图2 高铁油压减振器的低温阻尼特性试验

试验之前，被试样品在低温箱内达到被试温度后保持24 h及以上。从低温箱取出恒温减振器时，采用隔热材料进行包裹，并迅速安装在已经调试好,处于等待状态的试验台上进行试验；每次试验测试4个速度点，每个速度点激振2次循环，记录第二次循环的结果，在从低温箱取出减振器到试验完毕的时间小于3 min(国内外标准是5 min)。

2 低温阻尼特性分析

2.1 低温条件下示功图产生畸变的机理分析

以注入国产试制油的减振器为例，图3综合显示了低温对减振器示功图的影响，为了便于对比，图中同时给出了减振器在+30 ℃时的示功特性。

图3 低温对油压减振器示功图的影响 (介质：国产试制油)

由图3a减振器的低速特性可见，相对于常温下的示功图，低温示功图产生了明显的畸变，其宏观表现为：在拉伸行程(上半周)中，阻尼力上升偏离正常值，而在压缩行程(下半周)中，出现了不同程度的空行程。

低温条件下示功图产生畸变的机理是：随着温度下降，油液黏度增大、流动性变差，导致油液通过阻尼孔时的阻力增加，因此在减振器拉伸时，一方面上腔油液难以被挤出去，外特性表现为阻尼力随温度下降呈现递增的趋势，-50 ℃时由于阻尼力增幅过大，导致减振器提前进入卸荷状态；与此同时，由于底阀的吸油性能变差，导致其在相同速度、行程下，只吸进来了相当于常温下的一部分油液，从而导致减振器在从拉伸向压缩行程换向时，出现了不同程度的空行程。-30 ℃ 以上时，空行程随着温度下降尚有递增规律，但在-30 ℃以下时，减振器就不一定遵循规律性，-50 ℃时的空行程反而比-40 ℃时的空行程小，但恢复后的阻尼力比-40 ℃时的阻尼力大。

图3b显示了减振器在各种温度下的卸荷特性：减振器在各种温度下的卸荷阻尼力相差不大，且与名义卸荷阻尼力接近；另外，由于振动速度增加了，压缩时的空行程与图3a相比急剧恶化，特别是-40 ℃时的压缩都是空行程、无阻尼力。

图3c显示了减振器在卸荷后的高速特性：其在各种温度下的基本特征跟图3a和图3b的相似，但同时也显示出了由于高速引起的2个特点：第一卸荷力在减振器换向的加、减速过程出现了明显的超前和超调，导致示功图出现两头尖中间塌陷的情形；第二阻尼力的不对称性显得更明显，压缩阻尼力明显大于拉伸阻尼力。

2.2 工作介质不同时低温示功图的对比分析

采用两种不同减振器油时，减振器在常温下的示功图比较接近，但在低温下的示功图却出现了比较大的差别，作为示例，图4显示了2个典型温度点减振器示功图的对比。

对试验结果的综合分析表明：在温度高于-30 ℃时，采用进口油的减振器在整个速度区间，压缩空行程明显小于采用国产试制油的减振器；在温度低于-30 ℃、振动速度小于卸荷速度(vmax=0.03 m/s)时，其压缩空行程仍然保持较小，但当振动速度较高时压缩空行程也很大。

实线:采用进口减振器油TITAN SAF 5045虚线:采用某国产试制减振器油图4 工作介质不同时油压减振器示功图的对比

3 低温阻尼特性关键技术指标的评价和计算方法

3.1 最大阻尼力、吸收功

基于试验数据处理，图5统计了两种减振器在各种温度下的最大拉伸和压缩阻尼力。首先从宏观上看，在宽温度范围内，采用进口油减振器的最大阻尼力比采用国产试制油减振器的最大阻尼力稳定，-40 ℃时，国产试制油的流动性非常差，导致了该减振器的最大压缩阻尼力急剧下降；在低速工况(vmax=0.01 m/s)，随着温度下降，采用进口油减振器和采用国产试制油减振器的最大阻尼力分别有49.69%和60.93%的最大增幅；在高速工况(vmax=0.3 m/s)，前者的最大不对称度为9.80%，而后者的最大不对称度达到了46.65%。

图5 油压减振器在宽温度范围内的最大阻尼力

吸收功是减振器在振动一周内所吸收的振动能量，在数值上等于对应示功图的面积，因此更能客观反映减振器的阻尼性能，图6统计了两种减振器在各种温度下的吸收功。

由图6a可见：采用进口油减振器的吸收功，在低速工况，随着温度下降，有45.07%的最大增幅；在卸荷工况、高速工况的油温-30 ℃以上时，吸收功总体平稳；但在高速工况的油温-30 ℃以下时，由于减振器压缩空行程较大，导致了吸收功明显下降，最大降幅41.97%。

图6 油压减振器在宽温度范围内的吸收功

由图6b可见：采用国产试制油减振器的吸收功，除了在低速工况呈总体弱上升的趋势，在其他工况下吸收功是快速下滑的，最大降幅为54.28%，这表明在低温环境下，该抗蛇行减振器在大多数工况下的减振能力是快速下降的。

3.2 动态阻尼率、动刚度

动态阻尼率、动刚度基于Maxwell模型[11-12]推导而来，由于减振器的低温示功图产生了畸变，因此不能机械地套用有关公式进行计算，本研究分拉伸、压缩行程分开计算的方式进行评价。

1) 拉伸行程

采用低频激励[7]时动态阻尼率的公式，近似表达抗蛇行减振器卸荷前的线性动态阻尼率Ce1：

(1)

式中，Femax—— 最大拉伸阻尼力

vmax—— 最大拉伸速度

因此，卸荷前减振器的动刚度Ke1为：

Ke1=Ce1ωtanφ=2πfCe1tanφ

(2)

式中，ω—— 激励圆频率

f—— 激励频率

φ—— 相位角

S1max—— 激励幅值

Smax—— 活塞振动幅值

在卸荷以后，宜采用等效动态阻尼率的方法计算，由于拉伸行程减振器所作的功We为：

(3)

其中，S1(t)=S1maxsin(ωt)

式中，Ae—— 拉伸部分示功图的面积

S1(t) —— 给定简谐激励

F(t) —— 阻尼力

Ce2—— 卸荷后的动态阻尼率

因此，由式(3)可得：

(4)

则卸荷后减振器的动刚度Ke2为：

Ke2=Ce2ωtanφ=2πfCe2tanφ

(5)

2) 压缩行程

由于压缩行程中空行程较多，示功图畸变，更适合于采用等效动态阻尼率的方法计算。参考式(4)和式(5)可得压缩行程的动态阻尼率Cc和动刚度Kc分别为：

(6)

Kc=Ccωtanφ=2πfCctanφ

(7)

式中，Ac为压缩部分示功图的面积。

基于以上试验数据处理公式，计算获得两种减振器的动态阻尼率和动刚度分别如图7和图8所示。

图7 油压减振器在宽温度范围内的动态阻尼率

由图7a可见：采用进口油减振器的动态阻尼率，在低速工况，随着温度下降，有49.58%的最大增幅；在卸荷工况、高速工况都很平稳，受低温的影响不明显，由于减振器在高速工况已经过了卸荷区，力-速度特性趋于水平，所以阻尼率很小。

由图7b可见：采用国产试制油的减振器，由于其拉伸行程的示功图比较正常，在各速度点上的动态阻尼率跟采用进口油减振器的动态阻尼率相似，即在低速工况，随着温度下降，有61.01%的最大增幅，在卸荷工况、高速工况都较平稳；但在压缩行程中，由于示功图出现了不同程度的空行程，导致动态阻尼率随着温度降低总体呈下降的趋势，在温度低于-30 ℃时，动态阻尼率急剧下降，最大降幅为96.51%，表明在此温度阶段减振器的减振能力大幅降低。

由图8a可见：采用进口油的减振器在拉伸行程中，其各工况下的动刚度均随着温度降低呈升高的趋势，最大增幅为91.06%，这表明只要有连续的油液，随着温度降低油液的刚度是增加的；在压缩行程中，当振动速度小于卸荷速度时，动刚度也是随着温度降低而逐渐升高的，最大增幅为107.17%，但在高速工况下，动刚度则随着温度降低而下降，在温度低于-30 ℃时，由于大的空行程造成动刚度急剧下降，最大降幅为93.82%。

图8 油压减振器在宽温度范围内的动刚度

由图8b可见：采用国产试制油的减振器在拉伸行程中，其各工况下的动刚度均随着温度降低总体呈升高的趋势，最大增幅为70.11%；但在压缩行程中，由于较普遍的空行程造成了减振器的动刚度随着温度降低总体呈快速下降的趋势，最大降幅为98.38%。

4 结论

(1) 虽然所采用的某国产试制油的主要物理性能指标与进口减振器油TITAN SAF 5045的比较接近，但相对应减振器的低温阻尼性能却存在明显差别：前者的示功图在所有低温点、速度点都存在明显畸变，而后者的示功图仅在-30 ℃以下以及高速情况下，才产生明显畸变；前者的最大阻尼力、吸收功、动态阻尼率和动刚度在宽温度范围内的稳定性以及指标数据明显弱于后者。采用进口油的减振器具有较好的低温适应性和减振性能，达到了欧洲标准[7]推荐的在极端低温下(-40 ℃)工作的要求；

(2) 我国目前尚没有形成车辆减振器油的相关质量标准，从基础油、各种添加剂的研制到调配工艺，尚有很多课题需要研究。本研究作为示例研究的某国产试制减振器油，虽然倾点也在-50 ℃以下，但其在各温度分层下的流动性、稳定性却不一定好，导致了减振器的低温阻尼性能不太理想。高质量减振器油的研制，须结合大量油品测试和减振器性能测试的细化研究，本研究所获得的试验结果和分析可以为该型减振器油的后续质量提升提供一定参考；

(3) 油压减振器低温阻尼特性宜采取拉伸、压缩行程分开评价的方法，给出了动态阻尼率和动刚度的等效计算公式；

(4) 在一定低温范围内，虽然减振器的阻尼性能指标随着温度降低呈现了上升的趋势，但这并不意味着一定能够提升车辆动力学的性能，这需要具体情况具体分析。事实上，低温往往会导致减振器阻尼力有类似“超前[2]”的效应，并使油液刚度提升，再加上低温下橡胶节点刚度的提升，导致减振器的等效刚度大幅提高，更容易传递高频振动；

(5) 本研究仅定性分析了低温条件下减振器示功图产生畸变的机理，限于篇幅，关于基于液压阻尼孔低温流体力学实验的定量计算与分析理论将另文发表。此外，本研究试验样品中没有加装橡胶节点，是为了偏向研究油液刚度受低温影响的效果，后续可以继续研究减振器在加装橡胶节点后的低温复合刚度特性。