阀片式油压减振器阻尼特性计算方法研究.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.009阀片式油压减振器阻尼特性计算方法研究吴忠发，周元辉，颜志军，高红星3,王三槐1（1.湖南联诚轨道装备有限公司，湖南株洲412 0 0 1；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412 0 0 1；3.上海工程技术大学，上海2 0 16 2 0)摘要：为了研究阀片式结构的油压减振器相关参数对阻尼特性的影响，通过对阻尼力产生的原理进行分析,采用短孔流量方程、大小挠度变形计算、有限元分析等方法建立了能描述减振器的非线性阻尼力一速度特性的数学模型，并对几种阻尼力计算方式的结果与实际值进行了对比。结果表明：有限元分析法与实际差距最小，而其他建模方法仅在开阀前与试验结果较为接近。表明有限元分析法能更精确地分析弹性阀片的变形量，从而能较准确地描述减振器的阻尼特性，该方法可以作为指导减振器阻尼力设计计算和调试的主要方法。关键词：阀片；阻尼特性；大小挠度；缝隙节流；有限元分析中图分类号:TH137;U260.11+1;TH703文献标志码：BResearch on the Calculation Method of Damping Characteristics forValve Plate Hydraulic Shock AbsorberWU Zhong-fa,ZHOU Yuan-huil,YAN Zhijun,GAO Hong-xing”,WANG San-huai(1.Hunan Lince Rolling Stock Equipment Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,China;2.CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,China;3.Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract:In order to study the influence of relevant parameters of hydraulic shock absorber with valve plate structure on dampingcharacteristics,Through the analysis of the principle of damping force generation,the mathematical model which can describe the nonlineardamping force-velocity characteristics of the hydraulic damper is established by using short hole flow equation,large and small deflectiondeformation calculation,finite element analysis and other methods.And the results of several damping force calculation methods were comparedwith the actual values.The conclusion shown that the difference between the finite element analysis method and the actual situation is thesmallest.This indicates that the finite element analysis method can more accurately analyze the deformation of the valve plate,therebyaccurately describing the damping characteristics of the shock absorber,and this method can be used as the main method to guide designcalculation and the damping force debugging of hydraulic shock absorber.Key words:valve plate;damping characteristics;large and small deflection;gap throtling;finite element analysis0引言近年来，我国高速动车组飞速发展，乘客对车辆的运行品质也提出越来越高的要求，由于动车组具有速度快、激励振幅小和振动频率高等特点，故对油压减振器也提出了越来越高的要求 。阀片式油压减振器依靠阀片的弹性变形实现开度随内部压力而发生变化，收稿日期：2 0 2 3-11-15基金项目：湖南省科技重大专项（2 0 2 2 GK1060）作者简介：吴忠发（197 8-），男，海南澄迈人，高级工程师，本科，主要从事现代液压减振技术的研发及应用。文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 4-0 0 6 1-0 6为了实现不同的压力-流量特性，常采用多组阀片串联形成阻尼阀系，该阻尼阀系最大的优点是其非线性节流特性可通过改变阀片的直径、厚度、串联数量和初始压缩预载等非常容易实现，进而易于实现不同的减振器阻尼特性。阀片式油压减振器的阻尼性能稳定可靠，特别适合高速动车组减振器的运行需求，但目前国内外学者对该类阻尼阀阻尼力形成机理研究尚不充分,对其阻尼特性的设计还处于经验设计阶段,缺乏系统的阻尼特性计算方法。为了研究阀片式油压减振器相关结构物理参数对其阻尼特性的影响，总结出一种适应阀片结构油压减振器的计算方法，进行此方面的61液压气动与密封/2 0 2 4年第4期研究。1减振器的结构及阻尼特性分析阀片式油液减振器主要由导向座、活塞组装、底阀组装、压力缸、储油缸和橡胶节点等组成，其基本结构如图 1 所示。234567891.导向座2.拉伸腔3.活塞杆4.活塞组装装5.压缩腔6.压力缸7.储油腔8.储油缸9.底阀组装图1减振器结构图Fig.1 Structural diagram of shock absorber阻尼力的形成主要依靠活塞组装上的阻尼阀。如图2 所示，活塞组装将压力缸分隔成上下两腔，其主要由活塞杆、活塞体、压缩阻尼阀和拉伸阻尼阀组成。压缩阻尼阀和拉伸阻尼阀均为单向流动特性的阻尼阀,且基本构成是一致的,均包括串联而成的阀片组、节流孔、阀片限位器。此外，为了尽量减少低速时阀片的开启与关闭次数，活塞体上还设有可双向流通的常通孔。图2 活塞组装Fig.2Piston assembly油压减振器工作时，油液经过活塞常通孔和阻尼阀产生节流压力，阻尼力形成机理如图3所示。由于减振器阻尼阀片都具有一定的预压量，当减振器速度较低时,通过常通孔的流量小，节流压力也较小，此压力无法打开阻尼阀，减振器的阻尼力全部由常通孔节流而形成；当减振器速度继续升高，油液通过常通孔产生的节流压力已经超过阻尼阀的预压压力时，阻尼阀的阀片开启，减振器的阻尼力除了由活塞体上的常通孔节流形成外,还包括阀片开启所形成的环形缝隙节流。需要说明的是，阻尼阀开启时减振器的速度称为62开阀速度。下面分别根据这两种情况的阻尼力计算方法进行阐述。拉伸阻尼力VV阀片开启VV阀片开启常通孔常通孔节流节流图3阻尼力形成机理Fig.3 Principle of damping force formation2减振器的阻尼力理论计算与分析2.1常通孔节流的阻尼力当减振器的速度小于开阀速度时，阻尼阀处于关闭状态,因此所有的油液都通过常通孔，减振器阻尼力全部由常通孔节流产生，可以通过小孔的流量特性方程进行计算。根据节流孔长度与直径（或水力直径)的比值不同，可以将常通节流孔分为薄壁孔、短孔和细长节流孔,减振器节流孔的长径比一般在0.5 4范围内,属于短孔。短孔的流量特性方程：式中：Q一一流经节流孔的流量从流量系数p油液的密度P一节流孔两端的压力差A。一常通孔面积由式(1)可推导出阻尼力的计算公式：Fm=8p04式中：no常通孔个数减振器速度A一一油液作用面积do一常通孔直径可以看出，常通孔节流的计算相对比较简单,最关键的就是要确定流量系数。而流量系数一般只能通过试验获得，可以通过试验测得减振器低速下（未开阀时）的阻尼力，然后通过式（2）反推。减振器流量系数一般在0.6 0.8 之间。通过试验,减振器的流量系数阻尼孔节流拉伸阀片开启缝隙节流2卫P(1)(2)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024取0.7 2。束,外圆的边缘部分为自由状态；阀片内孔半径为ra，2.2节流缝隙的流量方程外圆半径为rb，阀片厚度为h,阀片的表面受到的均布当油压减振器的速度增加到大于开阀速度时，阻压力为p,阀片在半径r处的变形量为。尼阀的阀片开启，节流缝隙产生的阻尼力就开始起主导作用。工程中常见的缝隙节流中有平行平板缝隙、同心环状缝隙、偏心环状缝隙和圆环平面缝隙 2 ，而减振器阻尼特性可以等效为圆环平面缝隙。圆环平面缝隙结构如图4所示，根据机械设计手册，其流量特性方程：T8pQ6u,ln(R/r)式中：Q一一流经缝隙的流量u一一油液的动力黏度一一缝隙高度(阀片变形量)R一一节流孔的外半径r一一节流孔的内半径R图4圆环平面缝隙Fig.4Circular plane gap要根据此公式计算出缝隙产生的阻尼力，关键是要首先计算出阀片度，也就是变形量。变形量的计P图5圆环形阀片大扰度计算模型Fig.5 Calculation model of large disturbance(3)阀片变形方程为：8=G式中：G,阀片变形系数,也被称为长城系数 5P一阀片作用载荷h一一阀片等效厚度铁道车辆油压减振器的阻尼阀片一般是由多个阀片（直径相同)串联叠加而组成的，叠加阀片的等效厚度计算表达式为 6-7 h=/hi+hi+.+h,式中：h1-n每片叠加阀片厚度2）小挠度变形计算当阀片的变形量较小且为均布压力时，可以采用机械设计手册中的单阀片边缘扰度数学计算公式，即为：(c.）=C 长PrP8=E=(一Pof circularvalvediscP(4)(5)(6)算准确与否直接决定减振器阻尼力的计算精度，故其成为阀片式油压减振器阻尼特性描述最重要的研究点2-3 2.3阀片变形量的计算方法铁道车辆油压减振器的阻尼阀片基本采用薄片式且为环形结构，该结构的阀片扰度计算理论有小挠度变形计算理论和大挠度变形计算理论 2 ，当薄片最大变量介于厚度的1/5到5倍之间时，可视为大挠度薄片；当薄片最大变形量小于其厚度的1/5时，可视为小挠度薄片 4。以下分别用这两种计算方法对减振器阀片缝隙节流进行分析和计算。1)大挠度变形计算 5在压力均匀分布的情况下，圆环形阀片的大扰度计算模型如图5所示。阀片的内孔部分为固定的约式中：C。一阀片的内、外半径的变形系数G，阀片变形系数(小挠度计算推导)T阀片的外半径T.一一阀片的内半径E阀片弹性模量,取2.110 Pa从大小挠度的计算式（4）和式（6）比较，可以看出,两种计算公式的计算方法基本一致，仅仅是系数G,和G,的算法不一样。G,的计算方法参考文献 5,Gz的计算方法参考机械设计手册。2.4阀片变形有限元分析由于阀片挠度变形系数计算是基于均布载荷模型，而实际模型是阀片受非连续局部载荷作用。所以有必要建立阀片有限元分析模型，分析阀片变形与压强之间的关系。63液压气动与密封/2 0 2 4年第4期1）阀片有限元分析模型建立阻尼阀的阀片一侧为6 个圆形加载区域,且这6个圆形区域是不连续的,另外一侧为圆环形的约束区域，模型结构相关尺寸如图6 所示。局部载荷区63420d42系数与阀片变形量之间的曲线关系如图9所示。C:局部载荷6 内孔16TotalDeformationType:Total DeformationUnitm.Time:302020/5/2716:550.00047799Max0.000443840.00040970.000375560.000341420.000307280.000273130.000238990.000204850.000170710.000136570.000102436.82848-53.4142e-5OMinANSYSR15.00.000图8 模型变形云图固定约束区Fig.8 Comparison of damping force calculation图6 模型结构尺寸under large and small deflectionsFig.6 Model structural dimensions2.30e-020根据模型结构尺寸建立的有限元实体加载模型如2.20e-020图7 所示。2.10e-020Fixed SuppontC局部载荷6 内孔16Time:1.s2020/5/2716:54Fixed SuppontC局部载荷6 内孔16Pressure2020/5/2716:55Time:1.sPressure:65538PaComponents:o.o,o.PaFig.7 Finite element loading model structure2）有限元分析结果对模型进行约束和加载，模型变形云图如图8 所示。可发现，当其他条件不变的情况下，变形系数不是一定值,而是随载荷和阀片变形的变化而变化。变形640.020(m)0.0102.00e-020ANSYSR15.00.0000.020(m)0.0100.0000.010图7 有限元加载模型结构1.90e-0201.80e-0201.70e-0201.60e-0200.00000.00010.00020.00030.00040.0005变形量/m图9变形系数-变形量关系曲线Fig.9 Deformation coefficient deformation amountrelationship curveANSYS3减振器阻尼力计算R15.0根据第一章的分析，当减振器的运动速度大于阻尼阀开阀速度时,阻尼阀的阀片开启,此时,阻尼力由3部分组成：（1）油液流经常通孔产生的阻尼力；（2）阻尼阀孔产生的节流阻尼力；（3）阻尼阀阀片变形所形成的环形缝隙产生的阻0.020(m)尼力 8 由式(3）、式（4)和式（6)可推导出缝隙节流阻尼力计算公式：FE8,h3+8PG.2(6G,u,ln(R/r)式中：n一一阻尼孔个数8f 一阀片变形量n,TAthA(7)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024S1阀片开启高度1600G,一阀片变形系数,大挠度按照 G.i计算,小15001400F挠度按照G，计算，有限元分析按照图91300F1200F曲线计算11001000d,一阻尼孔直径油压减振器的阻尼力呈现明显的非线性特性,故液压油流经阻尼阀的压力-流量特性也表现出非线性特性 9-1通过上文的分析建立的高速列车液压减振器阻尼力计算模型，即构建压降、流量以及减振器结构参数之间的定量关系模型。由式（2)和式（7）,可以得到减振器任意速度下的阻尼特性。当U开网时，按照式(2)计算阻尼力；当U开阀时,按照式(7)计算阻尼力。参考某种型号高铁减振器，计算模型相关参数如表1 所示。表1计算参数Tab.1Calculation parameters参数密度p/kg m-3常通孔个数no常通孔直径d/m油液作用面积A/m阀片等效厚度h/m阀片变形系数(大挠度）Gl阀片变形系数(小挠度）Gz动力黏度,/Pa s流量系数u阻尼孔直径d,/m阻尼孔数量n节流孔外半径R/m阻尼孔半径r/m压力缸面积A红/m活塞杆截面积A杯/m通过建立参数模型，对减振器阻尼进行计算拟合，计算结果拟合曲线如图10 所示。9008007006005004003002001000Fig.10Comparison of damping force curves4试验验证为了验证上述计算与实际阻尼力的差异，对该减振器进行阻尼力试验，获取减振器各速度下的阻尼力数据。图10 为基于大挠度变形系数、小挠度变形系数、数值有限元分析变形系数下的计算阻尼力与试验测试阻840尼力的比较。对比可知，在减振器速度较低时，也就是阀片开阀前，各种阻尼力计算方式与试验阻尼力曲2线基本吻合；开阀后，试验阻尼力曲线斜率较大，大挠0.0018度变形系数、小挠度变形系数、有限元分析变形系数下阻尼力曲线相对较小,其中,大挠度阻尼力偏低，与0.001649实际相差较大，有限元分析方法与实际阻尼力最为0.000340接近。5.79e-20通过计算结果与试验的比较可以看出，阀片变形2.08e-20系数对最终阻尼力的计算影响很大，通过大挠度方法计算出的阀片变形系数偏小,所以阻尼力计算结果与0.01试验相差最大，而有限元分析法导出的阀片变形系数0.72不是一个定值,是随阀片变形量的变化而变化的,所以0.006阻尼力计算结果最接近试验值。65结论0.004通过对阀片结构油压减振器结构、工作原理和阻尼力形成机理进行分析，结合阀片实际受力情况建立0.003了阻尼力计算模型和阀片有限元分析模型。通过计算0.001963结果和试验数据结果间的比较，可得出下列结论：0.000314（1）开阀前，各种计算方法的阻尼力曲线与试验数据相吻合；开阀后，有限元方法最为接近试验数据，说明阀片有限元模型可以较好的描述减振器开阀前后的阻尼特性，而其他模型仅能描述开阀前的阻尼65大挠度变形系数阻尼力小挠度变形系数阻尼力试验阻尼力有限元分析系数阻尼力0.10.2速度/ms-1图10 阻尼力曲线比较0.30.40.50.6液压气动与密封/2 0 2 4年第4期特性。（2）有限元分析法可作为今后阀片式减振器阻尼力特性调试的指导依据。可通过获取各活塞结构下阀片变形系数与变形量的关系，然后基于该阀片系数进行阻尼力计算，拟合出符合阻尼力要求的相关阀片及常通孔参数，指导减振器的后续调试工作。（3）有限元分析法与实际值仍然存在偏差，说明基于该方法仍然需要改进，这将是下一阶段的重点工作。参考文献1杨明亮，李人宪，丁渭平，等.阀系参数对高速列车液压减振器阻尼特性的影响 J.西南交通大学学报,2 0 14,30(3):291-296.YANG Mingliang,LI Renxian,DING Weiping,et al.Influenceof Valves Parameters on Damping Characteristics of HydraulicSshock Absorber for High-Speed Trains J.Journal ofSouthwest Jiaotong University,2014,30(3):291-296.2张莹.双筒阀片型减振器的阻尼特性及动力学研究 D.南京：南京农业大学，2 0 17.ZHANG Ying.Research of Double Tube Valve Plate TypeShock Absorber Characteristics and Its Effects on VehicleDynamics D.Nanjing:Nanjing Agricultural University,2017.3李朝峰,余厚鑫，李超，等.弹支阀片双筒液压减振器的阻尼特性J.东北大学学报（自然科学版）,2 0 18,39（10）：492 496.LI Chaofeng,SHE Houxin,LI Chao,et al.DampingCharacteristics of Twin-tube Hydraulic Shock Absorber withElastic Supporting Slices J.Journal of NortheasternUniversity(Natural Science),2018,39(10):492-496.4吕宝占，张莹，邓晓亭，等.汽车减振器复原阀片小挠度计算与公式修正 J.机械设计与制造,2 0 19（2）：2 6 1-2 6 4.LV Baozhan,ZHANG Ying,DENG Xiaoting,et al.SmallDeflection Formula for Calculation and Correction ofAutomobile Damper Valve Plate in Rebounding Stroke J.Machinery Design&Manufacture,2019(2):261-264.5 韦勇，赵亮，康雨.基于大挠度理论的减振器阀片精确变形模拟和研究J.中国机械工程，2 0 15,2 6（11）：1556-1561.引用本文：吴忠发，周元辉，颜志军,等.阀片式油压减振器阻尼特性计算方法研究 J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（4)：6 1-6 6.WU Zhongfa,ZHOU Yuanhui,YAN Zhijun,et al.Research on the Calculation Method of Damping Characteristics for Valve PlateHydraulic Shock Absorber J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(4):61-66.66WEI Yong,ZHAO Liang,KANG Yu.Accurate Simulationand Investigation on Valve Performance of Shock AbsorberBased on Large Deflection Theory J.China MechanicalEngineering,2015,26(11):1556-1561.6周长城，顾亮.减振器节流阀片拆分为多片叠加的设计方法 J.农业工程学报,2 0 0 6,2 2(11):12 1-12 5.ZHOU Changcheng，G U L i a n g.Me t h o d f o r D e s i g n o fSuperposition Throttle-slice of Damper J.Transactions ofthe CSAE,2006,22(11):121-125.7周长城，赵力航,顾亮.减振器叠加节流阀片的研究 J.北京理工大学学报,2 0 0 6,2 6（8）：6 8 1-6 8 4.ZHOU Changcheng,ZHAO Lihang,GU Liang.Study onSuperposition Throttle-slices of Damper J.Transactions ofBeijing Institute of Technology,2006,26(8):681-684.8周安江，杨礼康，杜嘉鑫，等.减振器阀片尺寸对阻尼力影响仿真及试验研究 J.浙江科技学院学报，2 0 18,30（5）：421-428.ZHOU Anjiang,YANG Likang,DU Jiaxin,et al.ExperimentalStudy and Simulation Study on the Impact of Absorber ValveSizes on Damping Forces J.Journal of Zhejiang Universityof Science and Technology,2018,30(5):421-428.9徐小毛，池茂儒，金学松，等.基于SIMPACK研究电机横向减振器与列车动力学性能关系J.液压气动与密封，2021,41(11):15-18.XU Xiaomao,CHI Maoru,JIN Xuesong,et al.The Study onRelationship between Motor Lateral Damper and VehicleDynamic Performance of Train Base on SIMPACK J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2021,41(11):15-18.10陈辉,王磊.机车用油压减振器常见故障分析J.液压气动与密封,2 0 18,38(3):7 7-7 9.CHEN Hui,WANG Lei.Common Fault Analysis of HydraulicDamper for Locomotive J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2018,38(3):77 79.11卫洪涛,宋雪柯,王振宁,等.一种基于电磁弹簧的智能减振器设计与研究 J.机电工程,2 0 2 2,39（1）：32-39.WEI Hongtao,SONG Xueke,WANG Zhenning,et al.Intelligent Vibration Absorber Based on ElectromagneticSpring J.Journal of Mechanical&Electrical Engineering,2022,39(1):32 39.