高鐵車輛橫向振動(dòng)耦合機(jī)制及其減振技術(shù)對策

劉玉霞 祁 松

中車長春軌道客車股份有限公司

1、車體橫向耦合振動(dòng)

剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)是在近些年發(fā)展起來的一種接口處理技術(shù)，其通過在廣義空間的鋼體運(yùn)動(dòng)與在笛卡爾空間的柔性體彈性變形之間，讓質(zhì)量陣耦合的動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)能夠得以實(shí)現(xiàn)，以解決柔性體結(jié)構(gòu)處理過程中存在的問題廣義空間約束實(shí)際上就是指物理力學(xué)的外部約束概念，并采用拓?fù)潢P(guān)系對其進(jìn)行補(bǔ)充描述拓?fù)潢P(guān)系主要是指一個(gè)以上的剛體間存在的相互關(guān)系，例如大部分懸掛元件在高鐵車組中，大多數(shù)車體走行部接口關(guān)系的構(gòu)成都是利用搖枕來實(shí)現(xiàn)笛卡爾空間約束是一種與廣義空間約束存在相對關(guān)系的理論，主要是指物理學(xué)的內(nèi)部約束蓋簾，這種約束的形成和柔性車體的動(dòng)澆度、柔性車體的彈性形變有很大關(guān)系由模態(tài)綜合法可知，約束模態(tài)主要指的是：在固定交界面法中，由單位約束自由度位移造成的靜態(tài)變形有資料顯示，當(dāng)車體搖頭的阻尼過大時(shí)，會(huì)對柔性車體的狀態(tài)造成影響，出現(xiàn)耳重的橫向振動(dòng)情況，車體的橫向振動(dòng)部位主要集中在其中部地板處，導(dǎo)致該部位的加速度明顯較車體前后地板要高。

2、車輛模型簡述

車輛由剛性底盤(車身)、懸架、輪胎等元件組成，各元件在空間具有浮沉、伸縮、側(cè)滑、俯仰、橫擺、側(cè)傾6個(gè)自由度(3個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng))，它們之間通過線性或非線性的各種阻尼器和彈簧元件連接。由于車體、懸架及輪胎各部件沿車輛運(yùn)行方向的縱向振動(dòng)(伸縮)對橋梁的豎向和橫向振動(dòng)幾乎無影響，因此在車輛模型中一般不考慮各剛體的伸縮位移。這樣，每個(gè)剛體實(shí)際上需考慮5個(gè)自由度。車輛豎向與橫向振動(dòng)之間的耦合效應(yīng)較弱，同時(shí)為了計(jì)算上的簡便，有時(shí)往往將車輛豎向與橫向振動(dòng)分平面進(jìn)行。這樣，在研究車輛豎向耦合振動(dòng)問題時(shí)，只考慮車體、懸架與輪胎的浮沉、俯仰自由度。

3、影響車下吊掛質(zhì)量的因素

(1)鋼軌動(dòng)撓度和車輪動(dòng)荷對比分析表明：軌道不平順波長越短，車輪動(dòng)荷越強(qiáng)，鋼軌動(dòng)撓度變化也越大。小缺陷是指軌道不平順波長小于轉(zhuǎn)向架軸距的輪軌激擾作用。而敏感波長則是以車輛定距作為基數(shù)來劃分的軌道不平順波長，如對車體沉浮模態(tài)或車體1階垂向彎曲模態(tài)的敏感波長，對車體點(diǎn)頭模態(tài)或車體2階垂向彎曲模態(tài)的敏感波長，等等。在滿足槡2原則的前提條件下，軌道小缺陷激擾，如同“搓板路”一樣，將對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)生一系列強(qiáng)迫振動(dòng)。因此，日系車輛提速300km/h以上運(yùn)用將進(jìn)一步暴露日系空簧硬懸掛的非線性問題，即柔性車體垂向加速度響應(yīng)頻帶增寬，導(dǎo)致車下質(zhì)量共振并造成其安裝吊架開裂嚴(yán)重事故。

(2)新一代輕量化高速車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究正在努力解決整體結(jié)構(gòu)形式所存在的技術(shù)問題。鋁合金車體整體結(jié)構(gòu)形式具有如下不足：①由于“無骨架無縱梁”，因而整裝車體下部/上部1階橫向彎曲模態(tài)頻率較低，約14/19Hz。抗蛇行高頻阻抗越強(qiáng)，車體地板橫向振動(dòng)越強(qiáng)烈。在超高速運(yùn)行下甚至有可能轉(zhuǎn)變?yōu)檐圀w上部(車頂)橫向振動(dòng)。②由于前位與后位轉(zhuǎn)向架上方的地板局部模態(tài)頻率較低，稍高于30Hz，因而車下質(zhì)量有源激擾極易引起前部與后部地板振動(dòng)。這無疑對鋁合金車體疲勞壽命構(gòu)成負(fù)面影響。新一代輕量化高速車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正在努力研究輕質(zhì)骨架與泡沫復(fù)合板混合結(jié)構(gòu)形式，雙層車體，其下層作為電氣輔助設(shè)備艙。

4、車下質(zhì)量橡膠吊掛優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 車下與車上加速度評價(jià)

以地板橫向加速度的全頻域(R MS)3σ作為技術(shù)指標(biāo)，重新評估車上與車下振動(dòng)。如上所述，車上主要是指中部地板，而車下則為較大的車下質(zhì)量，如雙輔變頻及冷卻設(shè)備，約6.6t。如圖6所示，橡膠吊掛的浮板效應(yīng)對車下質(zhì)量(如雙輔變頻)將產(chǎn)生積極的影響，而對中部地板橫向加速度則具有極值特征，即比例阻尼取0.5%，中部地板橫向加速度全頻域(R MS)3σ最小。

4.2 橡膠吊掛動(dòng)荷系數(shù)評估

決定車體的結(jié)構(gòu)疲勞度的關(guān)鍵因素之一是動(dòng)荷數(shù)，無論何種振動(dòng)均會(huì)因?yàn)檐圀w的異常動(dòng)態(tài)，對車動(dòng)荷特征造成影響，使其發(fā)生變化這種變化在高集裝箱的重載車體部分比較常見，由于轉(zhuǎn)向架搖枕掛的斜楔卡滯現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)垂向振動(dòng)，且高的車體結(jié)構(gòu)較為特殊，或造成其集裝箱腳部動(dòng)荷增大進(jìn)而致使高鐵容易出現(xiàn)橫梁開焊的現(xiàn)象可見，高車輛的異常動(dòng)態(tài)和其動(dòng)荷特征之間存在較為復(fù)雜的關(guān)系。若高鐵采用持續(xù)穩(wěn)定的安全運(yùn)營，動(dòng)荷時(shí)域里基本上符合高斯正態(tài)分布，奇異系數(shù)在2.0周圍浮動(dòng)當(dāng)高鐵的走行部動(dòng)態(tài)情況出現(xiàn)異常，例如當(dāng)其處于道長波不平順激擾時(shí)，車軸橫向力會(huì)突然加大，就導(dǎo)致奇異系數(shù)高于2.0當(dāng)高鐵的轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定的形振蕩加強(qiáng)，使車行過程中的頻響偏離高斯平穩(wěn)過的頻響特征，全頻域(RMS)值佑算高于實(shí)際情況就會(huì)導(dǎo)致奇異系數(shù)低于2.0。根據(jù)以上三點(diǎn)分析，為確保高鐵車組滿足基本的運(yùn)行年限，達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益，可以采取：將高鐵的最高速度控制在350一380km/h，減小車組受到的比例阻尼二車身轉(zhuǎn)向架采用統(tǒng)一的優(yōu)良配置，降低走行部超常工況所造成的攝動(dòng)影響二將車下的質(zhì)量像膠吊掛進(jìn)行優(yōu)化，合理利用橡膠吊掛的浮板效應(yīng)，避免柔性車體橫向抖振。

結(jié)束語

總而言之，在高鐵車組對于其本身的安全性和車內(nèi)乘客的舒適型要求越來越高的今天，解決車身的橫向振動(dòng)是一個(gè)重要的研究課題通過在車體和車下吊掛像膠設(shè)備，利用其高彈性和粘彈性等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地幫助解決高鐵車體在減振方面的問題。

[1]徐金輝.高速車輛—軌道耦合系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)分析及軌道不平順評價(jià)方法研究[D].西南交通大學(xué)，2016.