重载列车缓冲器特性研究综述＊

2012-08-03孙树磊黄运华周张义丁军君

铁道机车车辆 2012年2期

孙树磊，李芾，黄运华，周张义，丁军君

（西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

铁路运输作为我国货物运输的重要手段之一，目前承担着全国货物运输的55%左右［1］。据预测，2015年全国铁路货运量将达到45亿t，换算周转量将达到5.1亿万t·km，较2010年分别增长32.2%和41.7%［2］。可见，铁路货运在国民经济的发展中起着不可替代的作用。而重载列车作为我国铁路货运发展的重要方向，是解决铁路大宗货物运输的关键技术之一。

随着列车载重的增加、运行速度的提高，列车的纵向冲动成非线性增长［3］。尤其是近几年来，大秦铁路成功开通2万t级的重载组合列车，暴露出了一系列的问题，如由于车钩力显著增大，车钩、钩舌以及钩尾框等出现故障及裂纹的比例增大，缓冲器裂损严重等，这就为列车纵向动力学的研究提供了前提。而缓冲器作为重载列车缓和冲击和耗散振动能量的关键部件，很大程度上决定了列车的纵向动力学性能。缓冲器的性能指标也直接影响了列车的牵引质量、车辆总质量、编组作业效率、货物的完好率等涉及铁路运输效能的主要技术经济指标［1］。因此，国内外相关学者及部门均对列车纵向动力学及缓冲器特性展开了深入而广泛的研究［4－9］。由此可见，研究重载列车缓冲器的特性对于列车的运行质量和安全具有重要的意义。

1 国内外货车缓冲器发展概况

前苏联铁路车辆制造部门根据货车载重的增加和速度的提高，设计了应用于4轴通用货车的缓冲器，分别为 Ш－1－TM 型缓冲器、Ш－2－В型缓冲器以及 ПМK－110А型缓冲器，其容量50～80kJ，行程70～110mm，并且这3种缓冲器的壳体是可以互换的。并针对8轴货车，还开发了Ш－2－T型缓冲器，其容量为65kJ，行程达到了110mm。针对万t以上的重载列车，除了ПМK－110А型缓冲器外，铁路相关部门还设计了 Ш－6－TO－4、ПГФ－4－120、73ZW 等型号的缓冲器，其调车允许冲击速度均可提高到11km／h以上，其中73ZW是一种新型的弹性胶泥液压式缓冲器［1，10，22］。

美国的缓冲装置是由1888年问世的韦斯汀豪斯（Westinghouse）缓冲器发展而来的，这些装置目前仍在大多数机车和车辆上使用［11］。20世纪20年代，为降低车体和装运货物的冲击加速度，相关部门设计了Duryea活动梁系统，该系统纵向车钩行程比通常结构的大，目前这种装置仍在许多对货物保护要求较高、而普通缓冲器无法满足需要的车辆上运用。Mark50型缓冲器及以其为基础发展起来的Mark325、Crown SE型、Crown SG型缓冲器，其结构简单、性能可靠、适应性强等，因此被美国乃至重载运输发达的国家广泛采用。在Mark50成功应用的基础上，美国又研制了Mark H60，采用钢弹簧摩擦及液压阻尼，是一种新型的组合式缓冲器，兼顾了长大列车的牵引工况以及调车时的冲击工况。同时，相关企业还开发了SL－76型摩擦式橡胶缓冲器、以及LPD型液压缓冲器等具有非线性刚度特性的缓冲器。

欧洲采用的基本上都是符合UIC标准的缓冲器。弹性胶泥缓冲器是欧洲近30年来开发的新型缓冲器，在法国、德国、波兰的货车上得到成功应用。这种缓冲器采用弹性胶泥作为介质，具有固体和液体的两种属性，有着较好的阻尼特性。此外，还有部分车辆采用液压缓冲器，以用于运送易碎的货物。

我国铁路货车最初采用的是23KT和3号缓冲器，其容量较小，约为20kJ左右。在20世纪70年代以后，我国研制了MX－1型橡胶缓冲器，已满足当时运输的要求，其容量为40kJ和45kJ。但是随着近年来列车编组的增多、轴重的增大以及速度的提高，相关单位又开发了MT－2、MT－3型摩擦缓冲器，这也是现在我国货车应用最为广泛的缓冲器。为了降低成本，又开发了ST型干摩擦式缓冲器，但是其容量限制了调车速度，故2005年起停止了ST缓冲器的生产。近年来，随着技术的进一步发展，相关科研单位新开发研制了一批新型的缓冲器，如弹性胶泥缓冲器、液气缓冲器、摩擦胶泥缓冲器等，从而进一步促进了铁路货车重载的发展。

2 缓冲器计算模型及其特性

缓冲器的作用是用来缓和列车在运行中由于机车牵引力的变化或在起动、制动及调车作业时车辆相互碰撞而引起的纵向冲动和振动，根据缓冲器的结构特征和工作原理，一般可将缓冲器分为以下类型［1］：弹簧缓冲器，摩擦式缓冲器，橡胶缓冲器，摩擦橡胶式缓冲器，黏弹性橡胶缓冲器，液压缓冲器和空气缓冲器。针对我国典型缓冲器的结构特点和特性，可将缓冲器分为如下四大类进行分析［22］：钢弹簧干摩擦缓冲器，摩擦橡胶式缓冲器，黏性阻尼缓冲器，摩擦胶泥缓冲器。

2.1 钢弹簧干摩擦缓冲器

钢弹簧干摩擦缓冲器是我国铁路上应用最广的一种缓冲器，其基本作用原理如图1所示。当缓冲器受到冲击时，楔块3沿固定斜板4滑动，并压缩钢弹簧2。在压缩弹簧的过程中，将一部分冲击动能转化为弹簧的弹性势能，从而起到缓冲的作用；与此同时，楔块压缩固定斜板时，楔块与固定斜板以及楔块与摩擦板5之间构成一对摩擦副，消耗吸收一部分动能。当缓冲器卸载时，楔块在弹簧力的作用下恢复原位，摩擦副之间仍然会进行摩擦，从而进一步消耗了能量。

图1 钢弹簧干摩擦缓冲器计算模型

在仅考虑弹簧的弹性力及阻尼力的情况下，可得到缓冲器阻抗力关系式如下［12－13］。

式中Fc为缓冲器阻抗力，fk为钢弹簧的弹性力，fd为缓冲器的阻尼力。缓冲器的阻抗力特性曲线如图2所示。

图2 钢弹簧干摩擦缓冲器特性曲线

2.2 摩擦橡胶式缓冲器

摩擦橡胶式缓冲器是继弹簧摩擦缓冲器之后开发的一种大容量缓冲器，以满足运输发展的需要，其动力学计算模型可简化为图3所示，其中k表示橡胶堆的非线性刚度；d表示橡胶的非线性阻尼；f表示金属摩擦副的摩擦系数。橡胶缓冲器的工作原理，是借助于橡胶分子内摩擦和弹性变形，起到缓和冲击和消耗能量的作用［1］；同时，缓冲器头部装用金属摩擦部分，利用介于压头和箱体之间3个带有倾角的楔块，从而形成摩擦副，在受压时与箱体及压头间各接触面产生相对位移，通过摩擦消耗冲击动能，进而增大了摩擦缓冲器的容量。

由计算模型可得，橡胶缓冲器的阻抗力特性关系如下。

式中Fk为橡胶的弹性力，Fd为橡胶材料中的阻尼力，Ff为金属摩擦部分的摩擦力。其中，Fk和Fd的值通常可通过试验或者有限元计算的方法获得，具体可见文献［14］等。橡胶缓冲器的阻抗力特性曲线如图4所示。

图3 摩擦橡胶缓冲器的计算模型

图4 摩擦橡胶缓冲器特性曲线

2.3 黏性阻尼缓冲器

以液气缓冲器为例，其动力学计算模型如图5所示［15］。油腔1和油腔2注满了液压油，两油腔之间通过一节流孔相连。气腔3中充有一定初始压强的氮气，液压油与氮气之间通过浮动活塞5隔离。当相邻车辆间发生碰撞时，柱塞6即被压入油腔1中，油腔1中的液压油通过节流孔流到油腔2中，使得油腔2的油量增大，从而使浮动活塞向左移动，压缩气腔中的氮气，此时的氮气便相当于一弹簧，但与钢弹簧相比，其不会出现疲劳现象。在冲击过程中，液气缓冲器是利用油液通过阻尼孔的阻力消耗功来降低车辆的纵向振动，降低的绝大部分冲击机械能首先以热能的形式存储在液压油中，然后以对流、传导和辐射的散热方式，通过缸壁耗散到空气中，只有少量能量转化为油液的液压能，因而液气缓冲器的能量吸收率比较大［16］。当车辆间的冲击减缓或消失时，氮气通过活塞给油腔2的液压油施以压力，将液压油通过柱塞端部的单向阀流回到油腔1中，柱塞又回到工作位置。

根据其动力学计算模型，结合流体力学理论，可得［15］。

式中P1、P2分别为油腔1和油腔2中液压油的压力；A1、A2分别为油腔1和油腔2中液压油的有效作用面积；而P3、A3分别为氮气腔内氮气的压力和有效作用面积。液气缓冲器特性曲线如图6所示。

图5 液气缓冲器计算模型

2.4 摩擦胶泥缓冲器

摩擦胶泥缓冲器是一种组合式缓冲器，其动力学模型如图7所示。当缓冲器受到冲击时，楔块3沿着固定斜板4滑动，并推动弹簧座共同压缩弹性胶泥2以及钢弹簧，将一部分冲击动能转化为弹簧的弹性势能。在移动过程中，楔块与斜板、楔块与摩擦板构成一组摩擦机构，消耗吸收一部分动能，同时，压缩胶泥的过程中，弹性胶泥的分子之间产生内摩擦，也会消耗一部分动能。当缓冲器卸载时，复原弹簧借助弹力使中心楔块复位，防止发生卡滞现象［17］。

图6 液气缓冲器冲击特性曲线

根据动力学计算模型，摩擦胶泥缓冲器的特性关系式如下：

式中Fk1为钢弹簧弹性力；Fk2为胶泥的弹性力；Fd1为胶泥的阻尼力；Ff1为摩擦副的摩擦力。摩擦胶泥缓冲器阻抗力特性曲线如图8所示，与钢弹簧摩擦缓冲器相比，摩擦胶泥缓冲器的容量明显增大。

图7 摩擦胶泥缓冲器计算模型

图8 摩擦胶泥缓冲器特性曲线

3 缓冲器特性研究重点和难点

3.1 缓冲器动力学计算模型的建立

通过以上的分析，可以看出，缓冲器种类繁多，其工作原理和特性也不尽相同。即使是同一种工作原理的缓冲器，其内部细节也有些许差别。国外学者的研究中，已经将缓冲器受力不对中等问题考虑到计算模型当中［6］，而国内却尚无涉及。如何就我国缓冲器的结构特点以及其试验数据，建立适合我国缓冲器特性的动力学模型，是缓冲器特性研究中有待解决的问题。

3.2 缓冲器特性曲线间断点的处理

缓冲器的间断点是指缓冲器从卸载转向加载或从加载向卸载过渡，其特性曲线上均要产生跳跃，而且这变化过程是不确定的［18］，如图9所示。在进行列车纵向动力学分析时，为了确保整个微分方程的连续性，就必须对间断点进行处理。缓冲器特性曲线间断点的处理方法得当与否，将直接影响缓冲器的特性，同时还关系着列车纵向动力学的求解和分析。因此，在求解纵向动力学方程中，选择恰当的数学方法处理缓冲器特性曲线间断点，显得尤为重要。利用阻抗力随速度变化的方法来进行处理，广泛应用于列车纵向动力学计算的分析。采用力平衡法进行求解，可以避开间断点的出现，若能妥善处理积分步长和积分精度的选择问题，力平衡法是一种很具有发展潜力的方法。

图9 缓冲器特性曲线示意图

3.3 列车动力学模型的建立

目前，传统的列车动力学主要考虑纵向动力学，往往忽略了横向和垂向的作用。但是实际情况中，列车不可能总在直线上运行，有时会处于曲线以及坡道上，这就使得列车在运行过程中，纵向、垂向和横向的动力学行为存在着密切的联系，需要建立这3个方向相互耦合的列车动力学模型［19］。但是，这就给长大重载列车三维空间耦合动力学建模带来一大难题，即“自由度爆炸”问题，有关学者为解决这一问题做了研究［20－21］。另外，在列车纵向动力学分析中往往关注的是车钩力大小，对于列车纵向冲动引起的车体与转向架之间的纵向力，没有引起足够重视。这就需要我们建立更为详细的模型，来计算车体与转向架的纵向作用力，从而为转向架和车体的设计提供依据。

4 结束语

随着铁路快速重载的发展，列车纵向冲动过大已经成为急需解决的问题，尤其是重载列车的开行，对缓冲器性能的要求也越来越高。因此，研究缓冲器的特性及其对列车动力学的影响显得尤为重要。介绍了国内外货车缓冲器的发展概况，叙述了4种典型缓冲器的工作原理，并分析研究了其阻抗特性。从缓冲器动力学计算模型的建立、缓冲器特性间断点的处理及其列车动力学模型的建立3个方面提出了研究的重点和难点。

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