高速列車車體下吊設(shè)備隔振設(shè)計及試驗研究

鄧 海 宮 島 周勁松 馬敏納

(1.北車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春;2.同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海;3.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，201804，上海∥第一作者，高級工程師)

高速列車采用的是動力分散技術(shù)，許多的牽引變流器、輔助變流器等設(shè)備直接吊掛在高速列車車體客室下;個別設(shè)備可重達幾噸，往往自身還具有振動激勵源。因而，如果采取不適當(dāng)?shù)牡鯍旆绞剑瑢?dǎo)致車下設(shè)備振動異常，會直接影響車輛運行的舒適性和平穩(wěn)性，嚴重的甚至將影響車輛運營的可靠性及安全性［1］。

現(xiàn)國內(nèi)外專門對高速列車車體客室下吊掛設(shè)備隔振設(shè)計的研究較少，大多數(shù)以車體下設(shè)備懸掛結(jié)構(gòu)或布局為研究對象。本文以國產(chǎn)某型號高速動車組為對象，以車輛模態(tài)參數(shù)為匹配原則，設(shè)計隔振元件參數(shù)［2］。為了給隔振元件參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)，本文建立了車輛有限元模型，分析了該高速列車整備狀態(tài)模態(tài)，并設(shè)計了各設(shè)備模態(tài)頻率規(guī)劃表［3］。最后，通過對車體下設(shè)備現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)處理，同時從時域和頻域分析驗證了隔振元件參數(shù)設(shè)計的合理性。

1 車體下設(shè)備彈性吊掛隔振元件設(shè)計

模態(tài)匹配最基本的原則是在設(shè)計上保證車體承載結(jié)構(gòu)、車體局部結(jié)構(gòu)及其各子系統(tǒng)的模態(tài)頻率不與吊掛設(shè)計設(shè)備及懸掛激勵頻率發(fā)生共振。車體彈性體及各子系統(tǒng)主要的振動頻率都在5～80 Hz以內(nèi)，子系統(tǒng)之間很可能出現(xiàn)模態(tài)耦合的情況。因此，在設(shè)計過程中，模態(tài)匹配的理想狀態(tài)是實現(xiàn)各系統(tǒng)自身的模態(tài)彼此解耦，同時所有相鄰的系統(tǒng)模態(tài)彼此解耦［4－5］。

1.1 高速列車車體整備狀態(tài)模態(tài)

了解車體整備狀態(tài)模態(tài)對于確定隔振元件參數(shù)有著重要的意義，它決定了隔振懸掛頻率的最佳匹配范圍。

以某廠的國產(chǎn)高速列車的車輛參數(shù)為依據(jù)，建立三維模型并離散成有限元模型。對此模型進行不包括彈性吊掛設(shè)備的整備狀態(tài)下的模態(tài)計算，得到高速列車車體的模態(tài)參數(shù)(如表1所示)。

1.2 隔振元件設(shè)計

1.2.1 依據(jù)隔振理論選擇下吊設(shè)備自振頻率

根據(jù)鐵道車輛下吊設(shè)備的振動特性，將車體至下吊設(shè)備的振動傳遞設(shè)計為消極隔振，設(shè)備至車體的振動傳遞設(shè)計為積極隔振［6］。

表1 整備狀態(tài)下車體主要低階模態(tài)參數(shù)

根據(jù)消極隔振理論，不論阻尼多大，要達到隔振目的，車體模態(tài)頻率與支承系統(tǒng)固有頻率比值必須滿足大于的條件。如果由于其他原因只能將該頻率比值設(shè)計在小于的區(qū)域，那需使其值低于0.4。根據(jù)上述條件，可得到隔振元件頻率范圍。

由表1可知，8.234 Hz附近產(chǎn)生車體菱形變形，11.780 Hz附近產(chǎn)生車體垂向一階彎曲變形。由于垂向一階彎曲振動對于垂向振動貢獻量比菱形變形大得多，據(jù)此使用一階垂彎頻率為基本參數(shù)設(shè)計隔振頻率(選擇為11.780 Hz)。又因為車輛剛體振動一般聚集在0～2 Hz，故選擇為2 Hz。則根據(jù)隔振理論可得:

根據(jù)功能需求分析，基于移動終端的頂崗實習(xí)管理系統(tǒng)需要設(shè)置基本信息管理、公共文件管理、動態(tài)監(jiān)控管理、在線指導(dǎo)、考核評價五大功能模塊。

因此，對于消極隔振而言，隔振懸掛最好設(shè)置在5.000～8.329 Hz之間。由于下吊設(shè)備中很多激勵源包括電機、風(fēng)機等，這些設(shè)備的激勵頻率往往遠遠高于此數(shù)值，因此該數(shù)值范圍仍然可以滿足主動隔振設(shè)計要求，同時還滿足了聲學(xué)性能的要求。

1.2.2 隔振參數(shù)選擇

靜撓度是選擇車下設(shè)備吊掛橡膠件剛度、橡膠件個數(shù)的重要設(shè)計依據(jù)［7］，因此，結(jié)合工程實際，在后續(xù)分析中采用吊掛靜撓度為參數(shù)。彈性隔振元件自振頻率為:

式中:

kd——隔振懸掛動剛度;

kst——隔振懸掛靜剛度;

δst——靜撓度;

m——懸掛物體質(zhì)量;

d——動靜剛度比，取值 1.45。

則可知靜撓度為:

根據(jù)一般情況，在本研究中的橡膠件材質(zhì)選擇天然膠。假設(shè)動靜剛度比為1.45時，選擇的隔振元件靜撓度為8～10 mm，其對應(yīng)的下吊設(shè)備自振頻率為6.0～6.7 Hz，可以滿足隔振要求;且這樣選擇設(shè)備自振頻率對減小設(shè)備傳至車體的高頻振動減振效果更明顯。

1.2.3 振動傳遞分析

當(dāng)選擇自振頻率為6.0～6.7 Hz、天然膠的阻尼比為0.06、車體振動頻率為0～2 Hz及7 Hz以上時，車體至下吊設(shè)備的振動位移傳遞率分析見圖1和圖2。對于積極隔振而言，車下設(shè)備至車體的動力傳遞系數(shù)分析與此結(jié)果相同。

圖1 0～2 Hz時的振動位移傳遞率

圖2 7 Hz以上時的振動位移傳遞率

從圖1可以看到，在0～2 Hz頻率范圍內(nèi)，隔振懸掛使得車體至下吊設(shè)備的振動傳遞有放大作用。從圖2可以看到，該隔振懸掛對應(yīng)8.5 Hz以上的振動輸入有衰減作用。當(dāng)激勵頻率為9.2 Hz和10 Hz時，即可獲得24%和45%的減振效率;當(dāng)激勵頻率為100 Hz時，減振效率即達99.09%，即99.09%的振動在隔振懸掛中被衰減了，這對減小下吊設(shè)備至車體的動力作用及噪聲傳遞有非常好的功效。

2 隔振設(shè)計方案

本文要研究的車輛，其懸掛的下吊設(shè)備主要有車載電源箱、制動控制單元、空壓機、雙輔助變流器以及牽引變流器等［1，3］。為有效避免下吊設(shè)備與車體或者下吊設(shè)備之間的共振，需對主要下吊設(shè)備模態(tài)頻率進行規(guī)劃，以避開車體固有頻率位置。

根據(jù)表1的車體模態(tài)參數(shù)值、模態(tài)匹配原則以及1.2節(jié)的隔振設(shè)計結(jié)果，建立了模態(tài)規(guī)劃設(shè)計表如表2所示。

以模態(tài)規(guī)劃表為指導(dǎo)，運用公式(2)并考慮各個車下設(shè)備的特點，設(shè)計出各個下吊設(shè)備的隔振剛度值;利用Simpack多體動力學(xué)軟件建立設(shè)備懸掛模型，并計算出設(shè)備浮沉、搖頭、側(cè)滾及點頭模態(tài)頻率(如表3所示)。可以看到，其浮沉頻率符合表2中的規(guī)劃值。

表2 高速列車車體模態(tài)頻率規(guī)劃表

表3 高速列車車體隔振設(shè)計方案匯總

3 車下設(shè)備振動測試

為了驗證隔振設(shè)計的合理性和準(zhǔn)確性，在國內(nèi)某高速客運專線上，在運行狀態(tài)下，對動車組車底包括蓄電池、變壓器、輔助變流器箱、車載電源電氣箱、牽引變流器、雙倍輔助變流器箱等設(shè)備進行了測試。目的是為了獲得測試產(chǎn)品在動車組實際運行狀態(tài)下的減振情況和產(chǎn)品上的振動響應(yīng)，以驗證高速列車下吊隔振設(shè)計的合理性。根據(jù)振動測試標(biāo)準(zhǔn)要求，分別在試驗測試產(chǎn)品的減振塊上承載點和下承載點的垂向和橫向布置了加速度傳感器。本文以位于動車車底中部的牽引變流器以及雙輔助變流器測試結(jié)果為例進行說明。兩個設(shè)備測點布置分別如圖3和圖4所示。

圖3 牽引變流器測點圖

圖4 雙輔助變流器測點位置圖

本文主要選取速度為160 km/h、180 km/h、200 km/h、250 km/h和300 km/h時車下設(shè)備的振動情況為研究對象。在160 km/h到200 km/h速度之間，每行駛20 km采集1次數(shù)據(jù)，每次采集數(shù)據(jù)的時間在5 min以上;在200～300 km/h速度之間，每行駛50 km采集1次數(shù)據(jù)，每次采集數(shù)據(jù)的時間在5 min以上，采樣頻率為512 Hz。

4 測試結(jié)果及分析

4.1 時域結(jié)果分析

對測試的數(shù)據(jù)進行處理［9］，得到車下設(shè)備在不同速度下各通道的加速度均方根值(RMS值)。圖5、圖6分別為所測牽引變流器橫向與垂向加速度有效值隨速度變化的趨勢圖。圖7、圖8分別為所測牽引變流器橫向與垂向加速度有效值隨速度變化的趨勢圖。通過對RMS加速度值的統(tǒng)計、分析可得以下結(jié)論:

(1)設(shè)備上各測點隨著列車運行的速度的增加，其橫向和垂向振動加速度有效值也逐漸增加。

(2)設(shè)備上各測點的橫向加速度均方值都比同測點垂向的加速度均方值小，而且隨著列車運行速度的增長其差距越來越大。

(3)設(shè)備上各測點的垂向方向均方值都比下吊設(shè)備吊掛處的車體上相對應(yīng)測點的均方值大，而且隨著列車運行速度的增大其差距也逐漸增大。

(4)由分析可知，在各速度下都未發(fā)生車體與設(shè)備的劇烈共振現(xiàn)象。

圖5 牽引變流器橫向RMS值隨速度變化趨勢圖

圖6 牽引變流器垂向RMS值隨速度變化趨勢圖

圖7 雙輔助變流器橫向RMS值隨速度變化趨勢圖

圖8 牽引變流器垂向RMS值隨速度變化趨勢圖

4.2 頻域分析結(jié)果

為進一步研究高速列車下吊設(shè)備振動情況，將時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號，對列車速度為160 km/h與300 km/h的情況進行分析。圖9、圖10分別為牽引變流器及其吊點上方車體位置的橫向及垂向加速度的幅值譜圖。由圖中可看出，對舒適性影響較大區(qū)段內(nèi)設(shè)備幅值譜隨速度變化的情況。圖中僅列出了20 Hz以下的設(shè)備振動頻譜特征。

圖9 牽引變流器及其吊點上方車體位置橫向加速度幅頻結(jié)果

通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，隨著列車運行速度的提高，各頻段的振幅也隨之加劇，其中最明顯的是設(shè)備高頻振動加劇。下吊設(shè)備2 Hz以下振動能量成分對應(yīng)于車體的剛體振動模態(tài)，即主要由車體振動激勵導(dǎo)致的設(shè)備振動。其它頻率內(nèi)的振動，由設(shè)備整體的剛體、彈性體及設(shè)備自激振動及車體傳至設(shè)備的振動構(gòu)成。

圖10 牽引變流器及其吊點上方車體位置垂向加速度幅頻結(jié)果

5 結(jié)語

本文以模態(tài)匹配和隔振設(shè)計原理為基礎(chǔ)，設(shè)計了下吊設(shè)備的隔振懸掛參數(shù)。通過在線測試數(shù)據(jù)的時域和頻域分析發(fā)現(xiàn)，在各速度值下都未發(fā)生車體與設(shè)備的劇烈共振現(xiàn)象。目前該型高速列車投入正式運營已近1年，對該車型長期振動監(jiān)控情況表明，車輛運行平穩(wěn)性指標(biāo)為優(yōu)，設(shè)備振動正常。這表明所采用的設(shè)計方法正確，隔振參數(shù)設(shè)置合理。

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