關于地鐵車輛空壓機吊裝結構減振方式及特性的研究

湯晏寧，高 陽，郭偉強

（中車長春軌道客車股份有限公司 工程中心工程實驗室，吉林長春130062）

地鐵與輕軌

關于地鐵車輛空壓機吊裝結構減振方式及特性的研究

湯晏寧，高 陽，郭偉強

（中車長春軌道客車股份有限公司 工程中心工程實驗室，吉林長春130062）

通過對空壓機吊裝結構的模態計算、試驗測試、以及減振器性能特點的研究，探討和分析了地鐵車輛空壓機吊裝結構應用不同減振方式對地鐵車輛振動特性的影響，并進行了空壓機吊裝結構減振特性正向設計的研究。

地鐵車輛；減振特性；正向設計；研究

隨著社會的發展與進步，地鐵車輛的乘坐舒適度也越來越受到重視，因此，在車輛的設計研發過程中，對車下設備的吊裝結構的減振方式也提出異常嚴格的要求。

眾所周知，吊裝在車下的空氣壓縮機是引起地鐵車輛振動的主要振源之一，在其正常工作狀態下，空壓機自身的振動會導致其吊裝結構和底架結構的振動，進而影響地鐵車輛的舒適性能。本文通過對空壓機吊裝結構的模態分析、對不同減振器的性能特點分析、對空壓機吊裝結構的振動特性測試分析，從振動的傳遞路徑上探討和研究空壓機吊裝結構的不同減振方式對整車振動特性的影響。

1 空壓機吊裝結構的模態計算

（1）空壓機吊裝結構如圖1、圖2所示。

圖1 空壓機吊裝結構安裝示意圖

（2）空壓機吊裝結構的材料及相關參數見表1。

（3）空壓機吊裝結構的模態計算結果見表2。

圖2 空壓機吊裝結構模態計算模型

表1 空壓機吊裝結構的材料參數表

表2 空壓機吊裝結構的模態計算結果

2 擬采用的減振器的特性闡述

目前，擬采用橡膠減振器和彈簧減振器進行減振設計，下面針對兩種減振器進行其結構特性的分析。

2.1 橡膠減振器固有頻率及性能特點分析

通過理論研究分析，可知橡膠減振器的固有頻率特性和結構性能特點如圖3及表3所示：

圖3 橡膠減振器結構示意圖

因此，由上述分析可知，該空壓機橡膠減振器的固有頻率約為12～15 Hz；

橡膠彈簧是一種高分子彈性體，內部摩擦大，減振能力強，有利于越過共振區，彈性模量比金屬小得多，可產生較大彈性形變，衰減高頻振動和噪聲，具有壽命長、抗腐蝕、耐寒性，優良的防水性、氣密性、電絕緣性等優點，與其他金屬彈簧相比，減振能力強，緩沖效果好，噪聲小。

表3 橡膠減振器技術參數及外形尺寸表

2.2 彈簧減振器固有頻率及結構性能特點分析

通過理論研究分析，可知彈簧減振器的結構特點及固有頻率特性如圖4及表4所示。

由上述分析可知，該空壓機彈簧減振器的固有頻率約為5～15 Hz；彈簧隔振器主要由金屬材料構成，具備靜態壓縮量大，固有頻率低，低頻隔振良好；耐受油、水和溶劑等侵蝕，不受溫度變化的影響；不會老化或蠕變；大量生產時特性變化很小。

但由于其材料特性的影響，在選用彈簧減振器的同時應考慮如下因素：①本身阻尼極小（阻尼比約0.005），以致共振時傳遞率非常大；②高頻時容易沿鋼絲傳遞振動；③容易產生搖擺運動，因而必須加上外阻尼（如金屬絲、橡膠、毛氈等）和惰性塊。

表4 彈簧減振器參數

通過對兩種減振器結構特性的研究分析，并依據空壓機吊裝結構的模態計算結果，我們一致認為，橡膠減振器能夠很好地隔斷10 Hz以上的激發頻率，并且其衰減能力強，能夠更好地衰減高頻振動能量，該吊裝結構擬采用橡膠減振器的減振方式。

3 兩種減振器減振特性的測試分析

3.1 兩種減振器的懸掛方式闡述

某地鐵車輛空壓機分別采用彈簧減振器和橡膠彈簧減振器將其吊裝在車下橫梁處，如圖5和圖6所示。

圖5 彈簧減振器的懸掛方式

圖6 橡膠減振器的懸掛方式

3.2 試驗儀器

表5 主要測試儀器

3.3 試驗測點布置

振動傳感器分別從空壓機表面、減振器上下位置、空壓機吊梁、底架下表面、車內地板上表面等沿振動傳遞路徑進行布置，共12個測點，如圖7及表6所示；

圖7 空壓機吊裝結構及振動傳感器布置示意圖

表6 測點位置說明

3.4 車輛試驗工況

車輛靜止，空壓機單獨啟動，每次連續工作60 s時間，測試3次；

3.5 測點振動評定參數

車輛在靜止狀態下，單獨啟動空壓機，使其正常工作60 s，分析各個測點在內1 000 Hz范圍內的振動加速度值。

3.6 測試結果分析

通過對試驗數據進行分析，研究不同減振器在主要傳遞路徑上的各測點的振動頻譜特性，如圖8～圖11所示。

圖8 減振器上方位置振動對比圖

圖9 吊耳附近振動對比圖

圖10 底架下表面位置振動對比圖

圖11 車內地板上表面振動對比圖

注：文中空壓機的額定工作頻率為24 Hz。

空壓機采用不同的減振器，相同位置處測點的振動加速度測試結果如表7所示：

由上述試驗結果可知，采用橡膠減振器后，空壓機自身及其吊裝結構的振動加速度值均有大幅度減小，其產生的中頻振動能量大部分被衰減和吸收，對于低頻，尤其是20～25 Hz附近的振動能量只有極少部分被傳入車體及內部，而人體對這種振動特性感覺不明顯，因此保證了地鐵車輛運行的平穩性和乘坐舒適度。

表7 不同測點的振動加速度分析結果 m·s－2

4 橡膠減振器的應用特點

現階段，橡膠減振器被使用的范圍越來越廣，不僅在汽車、火車、輪船、飛機等交通工具，就連工業上各種設備、民用建筑的設備減振工程中都應用到，其應用特點如下：

橡膠減振器的最大優點是阻尼大，在共振頻率附近有較好的減振效果，并適用于垂直、水平、旋轉方向的隔振，勁度具有較寬的范圍可供選擇。

橡膠減振器的缺點是隔振性能易受溫度影響，在低溫下使用，性能不好。靜態壓縮量低且固有頻率高于5 Hz，因此這種減振器對具有較低的干擾頻率（固有頻率低于5 Hz）不適用。

設計和選用橡膠隔振器的關鍵是準確估算其勁度和固有頻率，以使承受載荷在其允許范圍內。此外還應注意，靜負荷時的最大壓縮量不應超過原長度的10%～15%，以保證一定使用壽命。

5 結束語

通過對空壓機吊裝結構的模態計算、不同減振器性能特點的研究以及吊裝結構的振動測試分析，可知應用橡膠減振器對工作狀態的空壓機及其吊裝結構產生的中、低頻振動能量具有很好的吸收作用，改善了由于空壓機自身振動引起的地板結構振動嚴重的現象，保證了地鐵車輛乘坐的舒適度，并且在設計上滿足空壓機吊裝結構的減振特性要求。

綜上，通過仿真計算指導設計，試驗測試驗證設計的技術手段，證實了該地鐵車輛采用橡膠減振器是滿足其結構的減振要求的，并具備豐富的理論基礎和可靠的試驗數據，很好地實現了在車輛研發過程中對空壓機吊裝結構減振方式的正向設計。

［1］ 馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［2］ 湯普森.鐵路噪聲與振動：機理，模型和控制方法［R］.北京：中國鐵道科學研究院節能環保勞衛研究所，2013.

［3］ 吳昌林，張衛國，姜柳林.機械設計（第3版）［M］.武漢：華中科技大學出版社，2011.

Research on Vibration Damping Method and Characteristic for Air Compressor Hoisting Structure of Subway Vehicles

TANG Yanning，GAO Yang，GUO Weiqiang
（CRRC Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

By the modal calculation，testing and vibration damper performance of air compressor hoisting structure，this paper discusses and analyzes the different vibration damping methods’effect on the vibration performance of subway vehicles，and carries out the topdown design of vibration damping characteristics for air compressor hoisting structure.

subway vehicles；vibration damping characteristics；top-down design；research

U239.5

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.22

1008－7842（2016）06－0086－04

7—）女，高級工程師（

2016－07－26）