減振器安裝剛度對機車車輛固有頻率的影響

周曉莉，陳 康

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

減振器安裝剛度對機車車輛固有頻率的影響

周曉莉，陳 康

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

運用SIMPACK仿真軟件建立機車車輛的整車動力學(xué)計算模型，分析一系垂向減振器，二系垂向和橫向減振器安裝剛度對車輛固有頻率的影響。結(jié)果表明，減振器安裝剛度對構(gòu)架和車體的固有頻率均有影響，為機車車輛設(shè)計提供相應(yīng)的參考。

動力學(xué)；減振器；安裝剛度；固有頻率

車輛固有頻率和振型的分析對轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)設(shè)計非常重要。軌道車輛運行時，應(yīng)確保車輛系統(tǒng)的固有頻率避開外界的激勵頻率，從而避免“共振”現(xiàn)象的發(fā)生，保證車輛的運行品質(zhì)。車輛的固有頻率和振型與車輛本身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，各組成部件對車輛的固有頻率及振型的影響程度是不一致的。其中，減振器對機車車輛固有頻率有顯著影響。通過SIMPACK仿真軟件建立整車動力學(xué)模型，分析了轉(zhuǎn)向架一系垂向減振器，二系垂向和橫向減振器的安裝剛度對車體及構(gòu)架固有頻率的影響，為減振器安裝剛度的選取提供依據(jù)，進(jìn)而為轉(zhuǎn)向架的設(shè)計及動力學(xué)計算提供一定的參考。

1 減振器模型

減振器兩端接頭處均裝有各種橡膠關(guān)節(jié)，按結(jié)構(gòu)形式可分為5類：橡膠墊式、無外套橋式、無外套銷式、球形橋式和球形銷式，主要由安裝位置和連接部件結(jié)構(gòu)來共同決定［1］。橡膠關(guān)節(jié)具有軸向、徑向和偏轉(zhuǎn)三向剛度，因此在車輛系統(tǒng)動力學(xué)計算中應(yīng)考慮減振器兩端安裝剛度的影響。為了簡化計算和分析，本文僅考慮沿減振器安裝方向的安裝剛度影響，而忽略其他方向安裝剛度的影響。其等效模型見圖1（a）所示，設(shè)減振器阻尼系數(shù)為C，減振器兩端接頭處的剛度及內(nèi)部的油壓剛度的等效剛度為K。

基于上述假設(shè)，建立單自由度質(zhì)量—彈簧—阻尼的自由振動模型分析減振器端部安裝剛度對系統(tǒng)固有頻率的影響，如圖1（b）所示。其振動方程如下

在SIMPACK仿真軟件中建立上述模型，參數(shù)以某轉(zhuǎn)向架構(gòu)架1/4垂向振動模型參數(shù)為例，其中質(zhì)量M為600 kg，彈簧剛度K0為1.176 MN/m，阻尼系數(shù)C為19 600 N/m s－1。計算結(jié)果見表1，表明減振器端部安裝剛度對系統(tǒng)固有頻率有較大的影響。當(dāng)不考慮減振器安裝剛度時，系統(tǒng)固有頻率為7.05 Hz，當(dāng)剛度值取1.0 MN/m時，系統(tǒng)的固有頻率為8.64 Hz，隨著減振器端部的安裝剛度值逐漸增大，系統(tǒng)的固有頻率逐漸減小。

2 整車動力學(xué)模型

該模型由車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對、一系懸掛裝置和二系懸掛裝置等組成。其中，一系懸掛裝置由軸箱彈簧、一系垂向減振器及軸箱拉桿組成；二系懸掛裝置由高圓彈簧、二系垂向減振器及二系橫向減振器組成。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架通過一系懸掛裝置和輪對連接，車體通過二系懸掛裝置坐在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。該模型中有6個一系垂向減振器，4個二系垂向減振器和8個二系橫向減振器。一系、二系垂向減振器參數(shù)主要影響車輛系統(tǒng)的垂向動力學(xué)性能，而二系橫向和抗蛇行減振器參數(shù)主要影響車體的橫向動力學(xué)性能［2］。因此，主要考慮一系、二系垂向減振器安裝剛度對構(gòu)架和車體的垂向振動固有頻率的影響，以及二系橫向減振器安裝剛度對構(gòu)架和車體的橫向振動固有頻率的影響。

選取了3組車輛動力學(xué)計算參數(shù)，主要區(qū)別在于一系及二系懸掛參數(shù)的不同。其中，參數(shù)組1中一系懸掛垂向剛度較小，二系懸掛垂向剛度較大；參數(shù)組2中一系懸掛垂向剛度較大，二系懸掛垂向剛度較小；參數(shù)組3中一系懸掛垂向剛度與二系懸掛垂向剛度相差較小，見表2所示。

3 計算結(jié)果及分析

利用機車車輛整車動力學(xué)模型對一系垂向減振器、二系垂向減振器和橫向減振器的安裝剛度對構(gòu)架和車體的固有頻率的影響進(jìn)行了仿真計算，現(xiàn)分析如下。

3.1 一系垂向減振器

表格中的B代表構(gòu)架，C代表車體。表3、表4和表5的計算結(jié)果表明，一系垂向減振器安裝剛度對構(gòu)架垂向振動固有頻率的影響較大，但對車體垂向振動固有頻率的影響較小。當(dāng)一系垂向減振器安裝剛度值取5.0 MN/m時，構(gòu)架的浮沉及點頭固有頻率分別達(dá)到最大值。

對比3組車輛動力學(xué)參數(shù)的計算結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)：

（1）按參數(shù)組1計算時，構(gòu)架浮沉固有頻率值最大，點頭固有頻率值最小，車體的垂向振動固有頻率最小，且構(gòu)架的點頭固有頻率值變化最大，浮沉固有頻率值變化最小；

（2）按參數(shù)組2計算時，構(gòu)架浮沉固有頻率值最小，點頭固有頻率值最大，且構(gòu)架的點頭固有頻率值變化最小，浮沉固有頻率值變化最大；

（3）按參數(shù)組3計算時，車體的垂向振動固有頻率值最大。

因此在轉(zhuǎn)向架設(shè)計及分析計算車輛固有頻率和振型時，應(yīng)當(dāng)考慮一系垂向減振器安裝剛度的影響。由于一系垂向減振器安裝剛度對構(gòu)架的垂向振動固有頻率的影響較大，在貨車轉(zhuǎn)向架設(shè)計及計算時，不能忽略該安裝剛度的影響，在貨車運行時使車輛系統(tǒng)的固有頻率避開外界的激勵頻率，避免共振現(xiàn)象，確保運送貨物的完整性。

同時，3組動力學(xué)參數(shù)的計算結(jié)果表明，當(dāng)選取不同的一系及二系懸掛參數(shù)時，一系垂向減振器安裝剛度對構(gòu)架和車體的垂向振動固有頻率的影響程度不相同。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)轉(zhuǎn)向架具體的設(shè)計要求及懸掛參數(shù)，綜合考慮，合理的選擇一系垂向減振器安裝剛度。

3.2 二系垂向減振器

表6、表7和表8的計算結(jié)果表明，二系垂向減振器安裝剛度對構(gòu)架的垂向振動固有頻率影響較大，而對車體的垂向振動固有頻率影響較小。與一系垂向減振器安裝剛度對構(gòu)架和車體垂向振動固有頻率的影響相比，二系垂向減振器的安裝剛度對構(gòu)架的浮沉固有頻率的影響更大，對構(gòu)架的點頭固有頻率影響較小，對車體的點頭固有頻率影響較小。當(dāng)二系垂向減振器安裝剛度值取5.0 MN/m時，構(gòu)架的浮沉及點頭固有頻率分別達(dá)到最大值。

對比3組車輛動力學(xué)參數(shù)的計算結(jié)果還可以看到：

（1）按參數(shù)組1的參數(shù)計算時，構(gòu)架浮沉固有頻率值最大，點頭固有頻率值最小，車體的垂向振動固有頻率最小，且構(gòu)架的點頭固有頻率值變化最大，浮沉固有頻率值變化最小；

（2）按參數(shù)組2的參數(shù)計算時，構(gòu)架浮沉固有頻率值最小，點頭固有頻率值最大，且構(gòu)架的點頭固有頻率值變化最小，浮沉固有頻率值變化最大；

（3）按參數(shù)組3的參數(shù)計算時，車體的垂向振動固有頻率值最大。

因此在轉(zhuǎn)向架設(shè)計及分析計算車輛固有頻率和振型時，不能忽略二系垂向減振器安裝剛度對其固有頻率的影響。上述分析結(jié)果還表明，當(dāng)選取不同的一系及二系懸掛參數(shù)時，二系垂向減振器安裝剛度對構(gòu)架和車體的垂向振動固有頻率的影響程度也不一致。因此，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)轉(zhuǎn)向架具體的設(shè)計要求及懸掛參數(shù)，綜合考慮，選擇合適的二系垂向減振器安裝剛度。

3.3 二系橫向減振器

表9、表10和表11的計算結(jié)果表明，二系橫向減振器安裝剛度對構(gòu)架的橫向振動固有頻率影響不大，但對車體的橫移及搖頭固有頻率影響較大，對車體的側(cè)滾固有頻率影響較小。

對比3組車輛動力學(xué)參數(shù)的計算結(jié)果還可以看到：

（1）按參數(shù)組1計算時，車體橫移固有頻率值變化最小，搖頭固有頻率值變化最大；

（2）按參數(shù)組2計算時，車體橫移固有頻率值變化最大，搖頭固有頻率值變化最小；

（3）按參數(shù)組3計算時，車體的側(cè)滾固有頻率值最大。

因此，在分析計算車體振動固有頻率和振型時，應(yīng)當(dāng)考慮二系橫向減振器安裝剛度值的影響，避免共振，保證車輛運行的舒適度及安全性。

4 結(jié)束語

通過對一系垂向減振器、二系垂向減振器和二系橫向減振器的安裝剛度對構(gòu)架及車體固有頻率影響的分析，初步可得出以下結(jié)論：

（1）一系垂向減振器和二系垂向減振器的安裝剛度對構(gòu)架的垂向振動固有頻率影響較大，但對車體的垂向振動固有頻率影響較小；

（2）二系橫向減振器的安裝剛度對構(gòu)架的橫向振動固有頻率影響較小，但對車體的橫移和搖頭固有頻率影響較大；

（3）當(dāng)選取不同的一系懸掛和二系懸掛參數(shù)時，一系垂向減振器和二系垂向減振器的安裝剛度對構(gòu)架的固有頻率的影響程度不一致。在一系懸掛垂向剛度較小，二系懸掛垂向剛度較大的情況下，構(gòu)架的點頭固有頻率值變化最大，浮沉固有頻率值變化最小；而對于一系懸掛垂向剛度較大，二系懸掛垂向剛度較小的情況，構(gòu)架的點頭固有頻率值變化最小，浮沉固有頻率值變化最大。

（4）當(dāng)選取不同的一系懸掛和二系懸掛參數(shù)時，二系橫向減振器的安裝剛度對車體的橫向振動固有頻率有不同程度的影響。在一系懸掛垂向剛度較小，二系懸掛垂向剛度較大的情況下，車體橫移固有頻率值變化最小，搖頭固有頻率值變化最大；而對于一系懸掛垂向剛度較大，二系懸掛垂向剛度較小的情況，車體橫移固有頻率值變化最大，搖頭固有頻率值變化最小；當(dāng)一系懸掛垂向剛度與二系懸掛垂向剛度相差不大的情況下，車體的側(cè)滾固有頻率值最大。

減振器的安裝剛度對構(gòu)架及車體的固有頻率有一定的影響，如果只考慮某一方面的影響，則難免會顧此失彼產(chǎn)生矛盾，因此，在設(shè)計轉(zhuǎn)向架及建立車輛動力學(xué)計算模型時，應(yīng)綜合考慮，選取合理的參數(shù)。分析車輛固有頻率和振型時，應(yīng)充分考慮減振器安裝剛度的影響。在車輛運行時，盡量使激勵頻率避開車輛系統(tǒng)的固有頻率，減少共振，保證乘客的乘坐舒適度、安全性以及貨物的完整性。

［1］ 楊國楨，王福天.機車車輛液壓減振器［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［2］ 趙云生.油壓減振器的安裝剛度對車輛動力學(xué)性能的影響［J］.鐵道車輛，1997，35（5）：5-9.

Influence of Damper Stiffness to Natural Frequency of Rolling Stocks

ZHOU Xiaoli，CHEN Kang
（Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

Using the simulation software SIMPACK to establish a vehicle dynamics model，this paper analyzes the influence of the installation stiffness of the primary vertical damper，the second and lateral damper.The results show that the installed stiffness of the damper has a certain impact on the natural frequency of the bogie and the body，which provides reference for the design of the vehicles.

dynamics；damper；installing stiffness；natural frequency

U260.331＋.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.09

1008－7842（2014）05－0039－04

9—）女，研究生（

2014－02－27）