動車組車下懸掛設備吊裝性能分析

王鵬等

摘 要：建立了包含車下設備的鐵道車輛動力學模型，設計了車下設備隔振元件參數，并對隔振元件參數、設備質量及吊掛位置對車體振動及設備自身振動的影響進行了分析。結果表明，合理設立吊掛參數可有效減小車體彈性振動。根據本文的研究，吊掛在車體縱向中心位置附近的大質量設備采用彈性懸掛時能夠有效抑制車體的彈性振動。輕質量設備（小于1000kg）對于車體彈性振動抑制效果很小；分布在車體兩端的車下設備對車體一階垂彎振動抑制效果很小。另外，對位于端部且質量不大的車下部件，可以采用剛性連接。

關鍵詞：動車組；車下設備；彈性懸掛；隔振設計

引言：隨著我國鐵路裝備事業的發展，動車組已越來越普偏地馳騁在祖國的大江南北，越來越多的人們選擇動車組出行。隨著列車速度的不斷提高，動車組的其安全性能備受關注。由于目前動車組均采用動力分散技術，一些大型設備直接影響其安全性能的就是車下，有些設備重量高達3t以上，故科學合理選擇車下設備的吊掛方式及吊掛參數無論對動車組本身還是設備自身都尤為重要，這不僅影響吊掛設備能否正常工作，還對動車組的安全性能有著至關重要的影響。本文對某型動車組其中一節車的車下設備吊裝方式的選擇、隔振元件參數的設計進行了分析，得出了動車組車下設備吊裝的一般設計依據。

一、動車組車下設備的布置方式

如圖1所示是動車組中間車車下設備排布示意，由圖可以看出，列車兩端分別是污水箱和空調系統的廢排單元，轉向架之間分別布置著逆變器、制動風缸、牽引變壓器以及變流器。車下設備均吊裝在車體底架邊梁上，通過減振元件與車體底架相連，所有設備均位于封閉的設備艙內。

二、簡化垂向耦合振動模型分析

建立等效歐拉伯努利梁車體與設備垂向耦合振動模型如圖2所示，研究車下設備對車體自振特性的影響。前后轉向架位置通過并聯的彈簧和阻尼進行彈性支撐。圖中Mc標示車體質量，E標示彈性模量，I標示截面慣性矩，ρ標示密度，A標示截面積，Me標示設備質量，k1標示空氣彈簧剛度， c1標示空氣彈簧 ，k2標示懸掛設備剛度，c2標示懸掛設備阻尼。

將車體視為均質歐拉梁，運用梁的彈性振動理論，車體振動的偏微分方程可以表示為：

三、隔振元件參數設計

圖3[2]給出了各種阻尼比情況下，隔振傳遞率隨變化的曲線。隔振傳遞率越小表明通過隔振系統傳遞的力或運動也越小，隔振效果就越好。

因此對于消極隔振而言，隔振元件的頻率最好設置在

5～8.44Hz之間。另外，根據隔振理論]得知，為了限制共振區附近的振動，實際中常取阻尼比為0.05～0.20。由于鐵道車輛車下設備的隔振元件往往采用橡膠件，橡膠的阻尼比一般為

0.075～0.05，阻尼比不能太高，否則橡膠很容易發熱，加速老化和蠕變過程。

四、車下吊裝設備振動性能分析

（一）牽引變壓器。本文所研究的車下吊裝牽引變壓器重量約為4000kg，在列車下方的布置位置如圖1所示，設備中心距離車體中心的距離約為0.5m，圖4為設計頻率f=9.81Hz和設備采用剛性連接時車體加速度響應幅頻特性曲線，由圖可以看出采用彈性懸掛可大大降低車體的彈性振動。

（二）牽引變流器。本文所研究的車下吊裝牽引變壓器重量約為1700kg，在列車下方的布置位置如圖1所示，設備中心距離車體中心的距離約為3m，圖5為設計頻率f=10.43Hz和設備采用剛性連接時車體加速度響應幅頻特性曲線，由圖可以看出采用彈性懸掛可大大降低車體的彈性振動。

（三）廢排單元。本文所研究的車下吊裝廢排單元重量約為140kg，在列車下方的布置位置如圖1所示，設備中心距離車體中心的距離約為23m，圖6為設計頻率f=11.81Hz和設備采用剛性連接時車體加速度響應幅頻特性曲線，由圖可以看出采用彈性連接與采用剛性連接情況相比減振效果不明顯，即輕質量且遠離車體中心的設備對降低車體一階垂彎的彈性振動效用很小。

結論：根據所建立的簡化車體與設備垂向耦合振動模型，分析設備懸掛系統自振頻率對車體幅頻特性的影響。從圖可以看出車下設備采用彈性吊掛方式要比采用剛性連接時的車體振動加速度幅值要小，表明采用彈性懸掛系統有助于削弱設備對車體彈性振動的影響，能提高車輛的運行平穩性。

吊掛在車體縱向中心位置的大質量設備采用彈性懸掛時能夠有效抑制車體的彈性振動，與采用剛性連接時相比減振效果顯著。從圖可看出，輕質量設備（小于1000kg）對于車體彈性振動抑制效果很小，與采用剛性連接相比效果很小；分布在車體兩端位置的設備對車體一階垂彎振動抑制效果很小。對像廢排單元位于端部且質量不大的車下部件，建議采用剛性連接。

參考文獻：

[1] 宮島，周勁松，孫文靜，等.車下吊設備對高速列車彈性車體垂向運行平穩性影響[J].中國工程機械學報，2011，9（4）：405-409.

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