整備車輛懸掛系統垂向衰減特性分析

整備車輛懸掛系統垂向衰減特性分析

王秀剛1，蘇建2

( 1.中國南車集團青島四方機車車輛股份有限公司國家高速動車組總成工程技術研究中心，山東青島266111; 2.吉林大學交通學院，吉林長春130022)*

針對車輛系統的振動特點，搭建了雙質量系統垂向分析模型;基于懸掛系統的線性假設理論，求解懸掛垂向衰減方程，探究了懸掛垂向衰減的規律;以某型高速動車組為例進行了實車試驗，測得了車輛一位端、二位端以及車輛中部截面垂向衰減曲線，試驗結果表明懸掛系統垂向振動以指數形式衰減;同時，驗證了被試車輛一位端及二位端懸掛參數匹配的差異性，為車輛參數優化提供了數據積累及技術支持.

整備車輛;懸掛;振動模型;垂向衰減特性;試驗方法

0 引言

轉向架是列車行駛的核心部件，懸掛系統是軌道振動沖擊傳遞的媒介，其垂向衰減能力的評估至關重要［1］.實際運行線路中存在多種復雜的振動源，引起輪軌系統垂向的動態相互作用，并通過輪對、懸掛傳至車體，使車輛運行平穩性及舒適性降低［2］，影響車輛行駛的運行性能.

目前懸掛系統垂向衰減性能的測定主要集中于仿真計算［3-6］和室內臺架試驗.仿真結果因對系統某些結構或參數進行簡化，結果有一定的局限性;而傳統的懸掛彈簧、減振器單部件性能測試不能準確的反映整備狀態下懸掛系統的整體性能.針對此類問題，本文提出一種懸掛垂向衰減的試驗方法，重點研究了整備車輛懸掛垂向衰減規律，為整車懸掛參數匹配優化提供理論及數據支持.

1 懸掛垂向衰減試驗方法

本文依托吉林大學研發的車輛懸架振動衰減試驗系統［7-8］對某型動車組進行了研究.圖1所示，試驗時將被試車輛停至室內鋪設的軌道上，將四套振動衰減釋放裝置在一位端、二位端架車位，通過液壓系統將車體升起一定高度后，觸發電控系統使衰減釋放裝置迅速跌落，車體失去支撐在重力作用下做有阻尼的振動衰減運動;同時，運用位移傳感器記錄車體斷面振動的位移變化，進一步分析懸掛系統的垂向衰減特性，圖2為試驗現場.

2 車輛垂向振動分析模型

軌道車輛是多自由度、多剛體的復雜系統，若以完整的車輛系統研究懸掛的衰減特性將會十分復雜，所得結果亦難易進行直觀的判斷.因此，文中將車輛系統簡化為單論對、單質量塊的有線性阻尼的輪對－簧上質量系統［9］，建立垂向振動模型，圖3所示.該模型中僅考慮車體的質量Mc，忽略構架的質量，并將一系、二系懸掛的剛度及阻尼

圖3 輪對－簧上質量模型

設整備狀態下，懸掛系統彈簧的靜撓度為fs，并考慮到車體重力對彈簧靜撓度的影響，建立車輛靜平衡位置力學方程:

式中，fsz為彈簧系統靜撓度; g為重力加速度.

根據前述懸掛垂向衰減的試驗方法，車體舉升到一定高度后的自由落體振動后，車輛系統的平衡被破壞，根據牛頓第二定律建立輪對－簧上質量系統的運動方程:

結合式( 1)及( 2)，得到:

3 垂向衰減振動規律分析

設方程( 4)的解為Z = Asin(ωt +φ)，則有

為探究懸掛衰減振動時振幅A及相位角φ的運動規律，將振幅及相位角考慮成時間的函數，即用A( t)及φ( t)表示，則有

對式( 6)求一階導數，則有

結合式( 5)及式( 7)，可以得出

對式( 7)求二階導數，則有

結合方程( 8)及( 10)，可求解出振幅A( t)及相位角φ( t)隨時間的變化關系，即

進一步，可求解出懸掛系統振幅及相位角振動隨時間的變化關系，即

式中，A0及φ0為常數.

綜上所述，可知線性阻尼的系統做垂向自由振動時，振幅隨時間指數地衰減，而相位角則不隨時間變化，為初始相位.

方程( 13)的解可表述為

車輛設計過程中，懸掛垂向振動的阻尼比ξ較小，一般取0.2～0.4，屬于弱阻尼狀態，系統的固有頻率

由此可得系統垂向衰減振動方程:

4 試驗方法及測點分布

試驗采用位移傳感器對車體振動進行采集，測點分布如圖4所示.為能全面反映懸掛的衰減規律，將車體劃分為3個截面，即一位端轉向架中心截面、二位端轉向架中心截面及車體的中心截面，位移傳感器布置在各截面橫向方向的兩端.試驗時，采取將車體舉升到一定高度后自由釋放的方法，測定車體衰減振動時各截面的位移變化，分析并懸掛系統的衰減振動特性.

圖4 傳感器測點分布

5 試驗結果

5.1一位端

圖5所示，試驗得出截面1中測點1及測點2的振動衰減曲線，分析可知一位端轉向架兩側的懸掛衰減趨勢一致;懸掛阻尼消耗了系統振動的能量，每周期的振幅都有一定程度的衰減;對比測點1側懸掛，測點2側懸掛的振幅在后期表現出較大的衰減程度，可知一位端轉向架兩側的懸掛參數匹配不同.

圖5 截面1衰減特性曲線

結合截面1中測點的衰減振動曲線及數據擬合算法，求解出一位端轉向架懸掛系統衰減曲線峰值及谷值振幅的衰減方程，即f( t) = 19. 7e－0.8735t及f( t) =－11.88e－0.7931t，顯然懸掛的振幅以指數形式衰減;同時，可判定峰值振幅的衰減速度大于谷值，減振器在拉伸行程的阻尼大于壓縮行程的阻尼，表現出一定的非線性阻尼特性.

5.2二位端

圖6所示，試驗得到截面2中測點5及測點6的振動衰減曲線，結果表明二位端轉向架兩側的懸掛衰減趨勢基本一致.但在標記區域D中二位端轉向架懸掛的衰減產生“削峰”現象，處于減振器的拉伸行程;二位端懸掛振幅衰減程度遠大于一位端，其垂向衰減能力優于一位端.

根據截面2的衰減振動曲線，可得出二位端轉向架懸掛峰值及谷值振幅的振動方程，即f( t) = 21.59e－1.692t及f( t) =－21.58e－2.463t，顯然系統振幅以指數形式衰減;同時，可判定谷值振幅的衰減速度大于峰值，減振器在壓縮行程的阻尼大于拉伸行程的阻尼.

5.3車體中間截面

如圖7所示，試驗得到截面3中測點3及測點4的振動衰減曲線，其結果反映整備車輛懸掛系統的平均衰減能力，兩測點的衰減曲線基本吻合.

圖7 截面7衰減特性曲線

根據截面3測定結果得出系統峰值及谷值振幅的平均衰減方程，即f( t) = 20.5e－1.296t及f( t) = －14.87e－1.522t，可知系統振幅以指數形式衰減;同時，可判定谷值振幅的衰減速度大于峰值，懸掛減振器總體上表現為壓縮行程的阻尼大于拉伸行程的阻尼.

6 結論

本文提出一種懸掛垂向衰減的試驗方法，建立了車輛輪對－簧上質量系統的模型，從理論角度分析了懸掛系統的垂向衰減的性質，并對某型車輛進行了試驗，結論如下:

( 1)理論分析表明，線性阻尼懸掛系統垂向衰減的振幅隨時間指數性變化，相位角則不隨時間變化，為初始相位;

( 2)試驗結果表明，被試車輛懸掛衰減以指數形式變化;二位端懸掛垂向衰減能力優于一位端，兩端部懸掛參數匹配具有一定差異性;車體中部截面兩測點的衰減曲線基本吻合，說明整備車輛懸掛系統平均衰減能力良好.

［1］顧永輝.軌道車輛垂向振動性能研究及減振器阻尼參數選擇［D］.上海:上海交通大學，2008.

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Analysis of Vertical Attenuation Characteristics of Suspension System based on Whole Vehicle

WANG Xiugang1，SU Jian2
( 1.National Engineering Center for High-Speed EMU，CSR Qingdao Sifang Co，.Ltd，Qingdao 266111，China; 2.College of Transportation，Jilin University，Changchun 130022，China)

According to the vibration characteristic of the vehicle，an analysis model for the whole vehicle based on double mass system was generated.Based on the linear hypothesis theory，attenuation equation were calculated，and the regularity of amplitude attenuation with damp was carried out.By experiment，car attenuation curves of the first end，second end and middle cross-section were measured.The result proves that vertical attenuation characteristic of suspension system amplitudes are exponential change.Meanwhile，the parameter matching difference between the first end and second end is verified，which provides data accumulation and technical assistance for the parameter optimization of the vehicle.

whole vehicle; suspension; vibration model; vertical attenuation characteristics; test method

A

1673-9590( 2016) 01-0021-04

2015-06-17

國家“十二五”支撐計劃資助項目( 2011BAG10B01) ;吉林省科科技廳科技計劃重點資助項目

( 20080356)

王秀剛( 1986－)，男，工程師，博士，主要從事軌道車輛動力學的研究E-mail: wangxiugang0504@163.com.的用等效剛度Kdz及等效阻尼Cdz表示.