毕业论文机车车辆油压减震器设计.doc

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1、中国石油大学毕业设计（论文）题 目： 机车车辆油压减振器设计 学习中心： 年级专业： 机械设计制造及自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 导师单位： 论文完成时间： 年 月 日毕业设计（论文）任务书发给学员 1设计(论文)题目： 2学生完成设计(论文)期限： 年 月 日至 年 月 日 3设计(论文)课题要求： 4实验（上机、调研）部分要求内容： 5文献查阅要求： 6发 出 日 期： 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 手写 学 生 签 名： 手写 摘 要油压减振器是铁道机车车辆上的一个重要部件。由于机车车辆的车轮与钢轨面之间是钢对钢的接触，因此，车轮表面的不规

2、则和轨道的不平顺都直接经车轮传到悬挂部件上去 ，使机车车辆各部分高频和低频振动。如果这种振动不经过减振器来衰减，就会降低机械部件的结构强度和使用寿命，恶化运行品质。油压减振器其性能优劣直接影响到行车的安全性和舒适性。尤其近年来我国铁路进入一个飞速发展时期，特别是在铁路跨越式发展政策的指引下，我国铁路将会进入一个全新的发展阶段。由于铁路的提速和城市轨道交通的迅速发展，凸显出对高性能液压减振器的需求，但国内生产的液压减振器还不能满足这种需求，这种状况是由于减振器试验设备落后造成的。因此，研制高速列车减振器试验台就具有十分重要的实际意义，因此，有必要使用性能良好的减振器 。 故以实例对液压减振器阻力

3、特性进行了分析，提出了实现拉伸和压缩对称特性的措施。关键词：机车车辆，油压减振器，阻力特性，分析，参数目 录第1章 前言1第2章 油压减振器分类2第3章油压减振器阻力特性分析43.1 液压减振器阻力特性的计算43.1.1 拉伸和压缩时的阻力介绍43.1.2单向流动减振器的拉伸和压缩阻力73.2 影响减振器阻力特性的主要因素93.2.1 节流阀的结构和参数93.2.2 结构参数对阻力特性的影响93.3 液压双向流动减振器阻力特性分析123.3.1 拉伸阻力特性123.3.2 压缩阻力特性133.4实现拉伸和压缩对称特性的措施13第4章 新型油压减振154.1 主要技术参数及其基本结构154.1.

4、1 主要技术参数154.1.2 基本结构164.2 作用原理174.3 减振器的特点184.4油压减振器的阻尼特性与阻尼系数18第5章 结论21参考文献22致谢23第1章 前言人类的交通史也是人类的发展史。展望新世纪，以轮轨系统为主体的我国高速及超告诉列车线路将形成纵横全国的网络。此外，在常速下常导型磁悬浮列车特别宁静，毫无污染，而且投资小于地铁，在未来城市交通中，将受到居民的热烈欢迎。过去，由于列车运行的速度比较低，减振器的作用不太明显，因此，人们对其没有给予足够的重视，所应用的减振器性能比较低。如今，“高速重载”是铁路营运的发展方向，随着列车提速进程的加快，机车、车辆运营中出现了很多前所未

5、有的问题，有的在更换减振器后，问题得到了解决。鉴于液压减振器作为机车车辆走行机构的重要组成部件之一，其性能优劣直接影响到机车车辆运行的稳定性和安全性。因此，在机车车辆运行过程当中必须确保减振器能够保持其性能的可靠性和稳定性。所以对于油压减振器的性能提高是刻不容缓的。故下面就油压减振器阻力特性进行了分析，提出了实现拉伸和压缩对称特 性的措施。以及新型油压减振器主要技术参数、作用原理和结构特点的简单介绍，并分析了油压减振器的阻尼特性与阻尼系数的关系，并简介了油压减振器应采用的新的试验方法。 第2章 油压减振器分类从不同的角度出发，可以把液压系统分成不同的形式。（1）按油液的循环方式，液压系统可分为

6、开式系统和闭式系统。开式系统是指液压泵从油箱吸油，油经各种控制阀后，驱动液压执行元件，回油再经过换向阀回油箱。这种系统结构较为简单，可以发挥油箱的散热、沉淀杂质作用，但因油液常与空气接触，使空气易于渗入系统，导致机构运动不平稳等后果。开式系统油箱大，油泵自吸性能好。闭式系统中，液压泵的进油管直接与执行元件的回油管相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。其结构紧凑，与空气接触机会少，空气不易渗入系统，故传动较平稳。工作机构的变速和换向靠调节泵或马达的变量机构实现，避免了开式系统换向过程中所出现的液压冲击和能量损失。但闭式系统较开式系统复杂，因无油箱，油液的散热和过滤条件较差。为补偿系统中的泄漏

7、，通常需要一个小流量的补油泵和油箱。由于单杆双作用油缸大小腔流量不等，在工作过程中会使功率利用下降，所以闭式系统中的执行元件一般为液压马达。（2）按系统中液压泵的数目，可分为单泵系统，双泵系统和多泵系统。（3）按所用液压泵形式的不同，可分为定量泵系统和变量泵系统。变量泵的优点是在调节范围之内，可以充分利用发动机的功率，但其结构和制造工艺复杂，成本高，可分为手动变量、尽可能控变量、伺服变量、压力补偿变量、恒压变量、液压变量等多种方式。（4）按向执行元件供油方式的不同，可分为串联系统和并联系统。串联系统中，上一个执行元件的回油即为下一个执行元件的进油，每通过一个执行元件压力就要降低一次。在串联系统

8、中，当主泵向多路阀控制的各执行元件供油时，只要液压泵的出口压力足够，便可以实现各执行元件的运动的复合。但由于执行元件的压力是叠加的，所以克服外载能力将随执行元件数量的增加而降低。并联系统中，当一台液压泵向一组执行元件供油时，进入各执行元件的流量只是液压泵输出流量的一部分。流量的分配随各件上外载荷的不同而变化，首先进入外载荷较小的执行元件，只有当各执行元件上外载荷相等时，才能实现同时动作。此外，还有新型油压减振器，新型油压减振器包括一系悬挂用垂向油压减振器，二系悬挂用垂向、横向和抗蛇行油压减振器，以及用于连接车体并驱动制动单元的耦合减振器。全液压传动机械性能的优劣，主要取决于液压系统性能的好坏，

9、包括所用元件质量优劣，基本回路是否恰当等。系统性能的好坏，除满足使用功能要求外，应从液压系统的效率、功率利用、调速范围和微调特性、振动和噪声以及系统的安装和调试是否方便可靠等方面进行。现代工程机械几乎都采用了液压系统，并且与电子系统、计算机控制技术结合，成为现代工程机械的重要组成部分。第3章油压减振器阻力特性分析3.1 液压减振器阻力特性的计算 液压减振器按照液流方向可以分为油液单向循环流动和双向往复流动 2种类型。它们的基本动作都是拉伸和压缩。当活塞杆相对于缸筒作拉伸和压缩运动时，内部的油液通过节流孔在流动的过程中产生阻力，耗散能量 。 3.1.1 拉伸和压缩时的阻力介绍 减振器拉伸时，阻力

10、计算简图如图1所示。对活塞杆处液流截面和节流孔处截面利用利方程可推导更为明显这表明垂向减振器安装方式在减小车辆垂向振动的同时，更能有效地抑制车辆的横向振动。 图3-1为安装横向减振器时车辆前后端平稳性指标的变化情况。从计算结果来看,安装横向减振器时,当阻尼系数小于100kNsm时，随着阻尼系数的增大，车辆前后端的横向平稳性指标显著下降，但垂向有所增大；当阻尼系数达到100kNsm时，继续增加阻尼系数各观察点的平稳性指标变化不大。图3-1 安装横向减振器时车辆平稳性（a）前端；（b）后端表 1是同时安装横向和垂向减振器的计算结果。当横向和垂向阻尼系数达到50KN.S/M 时,车辆的横向和垂向平稳

11、性指标同时明显下降。表3-1 同时安装横向和垂向减振器时平稳性指标计算结果在车辆之间安装适当的横向和垂向减振器可明显减小由线路不平顺随机激扰所引起的列车振动响应。不管是垂向还是横向减振器都是在抑制车辆的横向振动方面更有效果。当横向和垂向减振器同时安装时，垂向振动也可以得到较好的抑制 。出拉伸阻力表达式为： （1）式中：活塞上部液流的截面积； 液体的重率 ； 孔口流量系数 ； 节流孔面积 ； 活塞运动速度。 上式表示拉 伸阻力与运动速度的平方成正 比， 与 节流孔面积的平方成反比。 减振器压缩时， 计算简图如图3-1-2（b）所示。 与拉伸时的情况相仿， 同样 由伯努利方程可得流经节流孔 1与

12、2 的流量公式： （2）压缩阻力的计算公式为： （3）式中： 活塞杆截面积； 节流孔2处流量系数； 节流孔2处节流面积 。 比较式(3)与式(1)可见，如果拉伸和压缩的节流孔面积相同，则式(3)可表示为： （4）从上式可看出压缩阻力大于拉伸阻力。拉伸和 压 缩方 向的阻力是不对称的，对于双向流动的减振器，要使拉伸和压缩方 向的阻力特性对称，就必须分别设 置拉伸和压缩时的节流孔面积 。 图3-2(a)拉伸时的计算简图(b)压缩时的计算简图3.1.2单向流动减振器的拉伸和压缩阻力 单向流动减振器的计算简图如图 3所示 。与前面 的分析相似 ， 经过节流孔 1 的流量 Q 为： 式中： 活塞运动速度

13、 ； 活塞上部的油压截面积 。 拉伸阻力为： （5）当减振器压缩时，活塞上的单向阀开启，底阀上的单向阀关闭，P=P，此时经过节流孔1的流量为： 式中： 活塞下部油压的截面积； 活塞杆的截面积。 所以压缩阻力为： （6）由式(5)与式(6)可知，当时，即当活塞杆的截面积等于压力缸的截面积的一半时，阻力有对称性。实际上，几乎所有的单向流动减振器都具有拉压对称特性。 图3-3单向流动减振器的计算减图3.2 影响减振器阻力特性的主要因素 3.2.1 节流阀的结构和参数 不同类型的节流阀， 其结构虽然各不相同， 但基本 参数主要都是初始节流孔、可变节流孔、 弹簧的刚度和 弹簧的初压缩力。3.2.2 结构

14、参数对阻力特性的影响 1 节流孔的面积 变化对阻力特性的影响各种结构参数的影响最终表现在节流孔面积随压力的变化上， 以下对图 3-2-1的节流阀考虑几种特例进行分析。( 1 )设弹簧的刚度非常小， 且初压缩力近于 0 ， 此 时节流孔的面积为常数 ， 即。由式( 5 )知，拉伸阻力为 ： （7）其中， 常数，即阻力与速度平方成正比 。 ( 2 )设可动心阀上的节流孔=0，弹簧初压力为0，节流孔的面积与阻力成正比， 即，由式(I)式(5)知，拉伸阻力为：即： （8） 其中，常数，即阻力与速度的2次方成正比。 ( 3 )设初始节流孔=0，弹簧初压力为0，若要求阻力与速度成正比，此时节流孔应随压力按

15、某种规律变化,由式(5)得： （9） 则：；即当阻力与节流孔的面积平方成正比时，C保持为常数，阻力具有线性特性 。 对以上 3种情况，以柯尼O2A一1612型减振器为例进行计算， 压力缸直径为4 9mm， 活塞杆直径为347 mm，节流系统如图3-2所示，节流孔f o 的直径为1 mm，f的直径为2mm，的直径为0.5mm(3孔),相应的最大节流孔的面积为,即f=3.73。铭牌上要求当活塞速度为0.25 ms时，阻力应为2500N,计算中取=0.89，由此可计算出阻力特性结果。图3-5(a) 是节流孔的面积与阻力的 关系曲线 ， 图 3-5(b) 是阻力随速度变化的特性曲线( 图3-6 、 图

16、 3-7 亦如此 ) 。 2 初始节流孔对阻力特性的影响 假定弹簧的刚度一定，但初压缩力很小，节流系统有一个初始节流孔,其面积为。同时有一个可变节流孔，其随压力大而成比例增大。以图3-1的节流系统为例，当初始节流孔的直径为1mm1.4mm和1.8mm时，相应的初始节流孔面积 为0. 78、1.45 和 2.45，弹簧的刚度设 计成使减振器阻力达到 2537 N时，节流孔面积达到 3.73 mm ，3种情况的阻力特性计算结果如图 3-4 所示。由图3-5可见，具有一定的初始节流孔并配合适当刚度的弹簧，可以得到近似的线性特性。 图3-1节流孔面积对阻尼特性的影响图3-2初始节流对特性的影响3 弹簧

17、的初压缩力对阻力的影响在上面的实例中，如果对于直径1.4mm的初始节流孔,令其弹簧有不同的初压缩力， 则其特性如图3-3所示。可见，一定的初始节流孑L和适当的弹簧刚度、适当的弹簧初压缩力相配合，同样可以得到近似的线性 特性 。图3-3弹簧初压力对阻尼特性的影响3.3 液压双向流动减振器阻力特性分析 对于双向往复式液流的减振器，以迪斯潘减振器为例，对拉伸压缩方向的阻力特性进行讨论 。 3.3.1 拉伸阻力特性 对于迪斯潘这样的双向液流减振器， 其拉伸特性的规律与单向液流减振器基本相同。由于活塞杆的直径较小，其节流孔的面积要大得多。例如，对于活塞直径为50 mm、 活塞杆直径为22 mm 的减振器

18、，如果同样要求在速度为0.25 ms时具有2500N的拉伸阻力,则按式(1)计算，当初始节流孑L面积， N时，总节流面积；弹簧的初压缩力很小，且弹簧具有适当刚度，减振器具有近似线性阻尼特性。 3.3.2 压缩阻力特性 当双向液流减振器压缩时，其阻力将同时产生于活塞上的节流孔和底阀上的节流孔，所以与拉伸特性有所不同。由式(4)可知，如果活塞上拉伸和压缩时的节流孔相同， 则压缩阻力肯定大于拉伸阻力，且压缩阻力与拉伸阻力的不对称率为： 则当D=50 mm，d=2m时, 拉伸和压缩的不对称特性如图8所示。 图3-4拉伸与压缩阻力的不对称性加大压力缸的直径，可以减小不对称率。上例中若取D=70 mm，d

19、=5mm，则不对称率可降为6.8 。为实现拉压方向的阻力对称，可以从节流孔的设计上采取措施 。 3.4实现拉伸和压缩对称特性的措施 根据前面的分析可知，当初始节流孑L一定时，实现拉伸和压缩阻力特性基本对称的措施之一是压缩节流阀的弹簧刚度略小于拉伸节流阀的弹簧刚度。实现拉压对称的另一措施是取拉伸和压缩节流阀的弹簧刚度相同，但在拉伸节流阀上设置一个比节流阀略大 的弹簧初压缩力，同样可以得到拉伸和压缩方向基本对称的线性特性。通过对阻力特性和节流孔面积变化关系的讨论得知,可以根据节流孔面积变化的要求来设计弹簧的刚度。第4章 新型油压减振新型油压减振器包括一系悬挂用垂向油压减振器，二系悬挂用垂向、横向和

20、抗蛇行油压减振器，以及用于连接车体并驱动制动单元的耦合减振器。这5种减振器的技术参数与以往的减振器的性能要求完全不同，测试方法也不一样，尤其是抗蛇行油压减振器和耦合减振器，在国内研制尚屑首次。4.1 主要技术参数及其基本结构 4.1.1 主要技术参数附表 几种减振器的技术参数5种减振器的主要技术参数见附表。4.1.2 基本结构 5种减振器的基本结构大体相同， 主要区别是： ( 1 )活塞的行程以及接头的安装尺寸不同； ( 2 )GS H、GYAW、G OH 3 种水平布置的减振器多了橡胶囊 ； ( 3 )GY AW、GOH的节流阀与另外3种不同。 基本结构见图 4-1、 图 4-2 ，G S

21、V、GS H、GYAW 图略。1上接头 2橡胶球较 3销轴 4防尘罩组成 5活塞杆 6防尘圈 7压盖；8密封圈；9 油封圈；10螺盖；110型密封圈 12密封圈 13活塞 14节流阀弹簧 15调节螺钉 16压缩阀 （一）17压缩阀（二）18 回油阀片 19回油阀座20 底阀座 21弹簧螺盖22底阀座弹簧 23底阀压缩阀24油缸 25储油罐 26液压油 27拉伸阀（一） 28拉伸阀（二） 29导承图4-1 一系垂向简振器1上接头 2橡胶球较 3销轴 4防尘罩组成 5活塞杆 6防尘圈 7压盖 8密封圈9 油封圈 10螺盖110型密封圈 12密封圈13活塞 14节流阀弹簧 15调节螺钉 16压缩阀

22、（一） 17压缩阀（二）18 回油阀片 19回油阀座20 底阀座 21弹簧螺盖22底阀座弹簧 23底阀压缩阀24油缸 25储油罐 26液压油 27拉伸阀（一） 28拉伸阀（二） 29卡环 30紧固带 31橡胶气囊 32导承图4-2 耦合减振器4.2 作用原理 5种减振器的工作原理基本一致，下面以一系垂向减振器为例来加以说明。当拉伸运动时，活塞I3向上移动，油缸24上部油压上升通过拉伸阀27、28压缩节流阀弹簧l4，使拉伸阀27、28下移阀口打开，油通过阀口流入下腔。产生阻力由于上部活塞杆5占有一定的油的体积，活塞上升时，下腔的油量不足。产生负压使底阀座上的回油阀座l9上升,离开底阀座20，油从

23、储油缸通过回油阀座l9与底阀座20之间的开口进入油缸24下腔补充油量。当压缩运动时，活塞l3向下移动，下部油压上升一部分油通过压缩阀16 、17压缩节流阀弹簧 14 ，使压缩阀l6 、17向上移动，阀口打开，油通过阀口进入油缸上腔产生阻力另一部分油通过底阀压缩阀23、压缩底阀座弹簧22， 使底阀压缩阀23下移，阀口打开，油通过阀口进入储油缸25产生阻力。因此压缩阻力是由压缩阀16、17和底阀压缩阀23共同产生的。GPV、GSV、GSH3种减振器，其节流阀口采用柱面开口节流形式；而GYAW和GOH2种减振器其节流阀口采用环状节流形式。4.3 减振器的特点 （1）减振节流系统在节流阀上采用了高应力

24、节流 弹簧。该弹簧采用特殊的材料和工艺处理，最大切r max为 107.8MP a。该节流系统可以方便地调节不同的阻尼特性，性能稳定。工作可靠。 （2）减振器油缸采用冷拔精密薄壁无缝钢管制造，内孔进行珩磨处理活塞与缸之间采用两道由填充聚四氟乙烯材料制成的导向滑环。耐磨性能好（3） GY AW 和GO振器采用了环状节流系统，动作灵活，卸荷性能良好。 （4） 减振密封系统采用了新研制的双保险密封结构。采用此密封材料的油压减振器已批量用于8G型和 SS 型电力机车上。 基本上能保证油压减振器在机车一个架修期内不检修( 不因密封漏油使减振器失效 ) 。 （5)GSH型、GYAW 型和GOH 型横向放置

25、的油压减振器采用了橡胶气囊，取消了传统的外油包结构，节省了安装空间。 （6) 所有减振器的上下连接均采用三辨式和套筒式橡胶弹性球铰 4.4油压减振器的阻尼特性与阻尼系数油压减振器的阻力与活塞振动速度有关，速度越高，阻力越大以往了理论计算和实用上的方便 通常认为阻尼力 F与活塞振动速度 的一次方成正比即用线性阻尼系数 c表示油压减振器的减振能力 用公式表达为F=C V， 此时的 值按减振器的实际工况来确定 目前， 我国铁路机车车辆油压减振器的研究分析和生产检验， 基本是按 V-0.06ms0 .07 ms来考虑的随着世界各国铁路机车车辆运行速度的不断提高，油压减振器的实际工况也在不断变化。一系悬

26、挂、二系悬挂垂向设置、横向设置、纵向设置的各种减振器的使用工况、振动速度都不相同。这就要求不同位置的油压减振器接不同的振 动速度V来确定减振能力。与此同时随着计算理论和计算手段的不断发展。在进行机车车辆动力学分析研究时。可以不要求油压减振器的粘性阻尼简化为线性阻尼。因此，目前各国的高速机车车辆在设计研究和生产时。对所需油压减振器的减振能力提出的技术参数为在某一振动速度下的减振阻力，而不是阻尼系数c。 经过设计、计算和研究、试制，5种减振器的阻力F与振动速度的阻尼特性曲线见图4-4图4-5 由于 5 种减振器 的验收标准是针对振 动速度 与相应 的 阻尼力，而言，GOH型减振器。从国外同类型减振

27、器的试验资料，尤其是 KON1减振器公司的试验资料了解到，为了实现 GY AW 型减振器 V=0.01 ms的活塞速度，试验台滑块行程要大于50mm， 滑块往复频率必须小于l0次分才能满足要求。为此 ， 我们自行研制、开发了一种多功能减振器试验台， 其主要技术参数为：滑块往复频率3次分75次分( 无级可调) 滑块行程0rnm200mm( 无级可调) 减振器安装中心距200mm1000mm 最大阻力负载18kN调遣 电机功11kW试 验台校正系数按不同传动比分为个等级：205.50,106.90,90.00,74.67,69.17 Nc m。 图4-3 一系垂向减振器F-V曲线图4-4 一系垂向

28、减振器F-V曲线图4-5二系垂向减振器F-V曲线图4-6 抗蛇型减振器F-V曲线图4-7耦合减振器F-V曲线第5章 结论在车辆之间安装适当的横向和垂向减振器可明显减小由线路不平顺随机激扰所引起的列车振动响应。不管是垂向还是横向减振器都是在抑制车辆的横向振动方面更有效果。当横向和垂向减振器同时安装时，垂向振动也可以得到较好的抑制。 新型油压减振器以及多功能减振器试验台的研制成功。对我国机车用油压减振器的研制和开发起到了积极的促进作用。特别是抗蛇形减振器和耦合减振器，其性能指标基本上达到了进口油压减振器的水平为用国产抗蛇形减振器代替进口抗蛇形减振器打下了坚实的基础。 参考文献1杨国桢.液压减振器的

29、阻力特性和线性减振器的研究A .1963年铁路科学技术论文 2刘清华等编译.德国磁悬浮列车，成都：电子科技出版社,1995.3王家素，王素玉.超导应用技术.成都：电子科技出版社，1995.4戴维慈.高速超导磁悬浮超导铁道技术.香山会议论文集，1994.致 谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里我要衷心感谢我的导师老师。徐老师平日里工作繁忙，但在我做毕业设计的每个阶段，他都给予了我悉心的指导，为我们及时纠正毕业设计中出现的错误。除了敬佩赵老师的专业水平外，他严谨的治学态度和孜孜不倦的科研精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。