略議懸吊設備不均衡振動在車體振動中的作用

鹿中方

摘 要：社會經濟的飛速發展給我國高速動車的發展帶來了較大的挑戰，結合當前的高速動車組線路測試現狀不難看出，車下設備不均衡振動將會導致車體的異常振動。基于此，我們需要認真研究懸吊設備不均衡振動在車體振動中的作用，經過研究發現，科學選擇懸掛參數能夠有效降低車體振動，當然在實際工作中也容易受到橡膠彈簧制造技術的約束，需要我們進一步探究。

關鍵詞：車下懸吊設備；不均衡振動；車體振動

高速客車車體的輕量化設計是高速鐵路發展的基本設計準則之一。輕量化設計有效減小了輪軌間的相互作用，降低制造成本，同時也造成了車體結構剛度的降低，從而導致了乘客乘坐舒適度的下降。因此，考慮車體彈性作用的車輛振動問題已成為國內外學者研究的重點。目前，世界上的多數動車組采用動力分散的牽引方式，代替了原來機車連掛的牽引方式，為此將牽引變壓器、牽引變流器和風機等附屬設備懸掛安裝在車體下部的設備艙，但是旋轉風機等懸吊設備本身具有激勵源，可能加劇車體的彈性振動，因此在考慮車體彈性振動時無法忽略車下懸吊設備的影響，尤其是有源旋轉設備的影響。

1剛柔耦合動力學仿真分析

1.1 模型的建立

本節基于ANSYS和SIMPACK建立考慮車體彈性和車下有源旋轉設備的剛柔耦合動力學模型，研究不同懸吊方式和不均衡振動量對車體彈性振動的影響，并基于該模型提出合理的車體減振措施。根據動車組車體的實際結構和板厚，對車體的有限元模型進行修改，計算得到整備狀態下車體的前幾階主要模態頻率，包括有一階垂彎、扭轉、呼吸等，車體采用殼單元進行網格劃分，全車共劃分節點125 986個，單元數194 475個。由于有限元中大量的自由度導致動力學求解時間的嚴重損耗，為避免該問題的出現，在有限元軟件中采用矩陣縮減方法對車體模型進行處理，獲得車體的子結構模型，包括質量矩陣、剛度矩陣和幾何文件信息。通過動力學和有限元軟件的接口程序可以獲得所需的彈性車體模型。高速動車組上的有源旋轉振動設備很多，本文以換氣裝置的旋轉風機為例，該類型的旋轉風機在動力分散式的動車組上廣泛使用，具有很好的代表性，旋轉設備距離車體中心縱向距離0.625m，橫向距離0.64m。

1.2 仿真分析結果

1.2.1 連接方式的影響

鐵道車輛懸掛系統設計具有多樣性，不同的車輛具有不同類型的懸掛方式。在動車組車輛的車下懸吊系統中，存在剛性和彈性兩種懸掛方式，本節比較分析了兩種懸掛方式對車體彈性振動的影響。速度為300km/h采用剛性和彈性連接方式下，旋轉設備上方車體地板的垂向振動加速度時域和頻域分析。剛性連接下車體地板的垂向振動明顯大于彈性連接。在彈性連接下，車體地板面的最大振動加速度為0.731m/s2，而剛性連接下的最大垂向振動加速度為1.598m/s2，是彈性振動的2.196倍，這說明了彈性連接可以有效地降低車下懸吊設備傳遞到車體上的振動。地板垂向振動加速度的頻譜分析，風機上方車體的垂向振動能量主要集中在52.5Hz，即風機轉子的不均衡振動傳遞到車體。剛性連接在52.5Hz附近能量明顯高于彈性連接，這反映了車體在彈性連接下的振動加速度明顯小于剛性連接的根本原因是彈性懸掛降低了風機轉子的不均衡振動，從圖中也可以看出在其他頻率下，二者之間的振動差異較小。兩種懸吊方式之間的差異較小，剛性連接下車體最大振動加速度為0.743m/s2，而彈性連接下的最大值為0.732m/s2，這說明當車下有源旋轉設備的轉動不均衡量很小時，兩種懸吊方式下車體振動的差異較小。該分析結果與無源懸掛設備振動的結論是類似的，進一步驗證了仿真分析的準確性。

1.2.2 轉動不均衡量的影響

從上述分析可知，車下有源旋轉設備的轉動不均衡量對車體振動的影響明顯，只有當轉動不均衡量較大時，彈性連接才可以有效地降低有源設備傳遞到車體上的振動，為此，本節主要研究分析在不同速度級下轉動不均衡量與車體和設備振動之間的關系。在不同速度級下轉動不均衡量與設備上方車體垂向振動均方根值之間的關系，可以看出，當車輛運行速度為100km/h時，車體振動均方根值從0.085m/s2增加到0.295m/s2，增加了3.46倍；而在300km/h速度下，車體的垂向振動從0.173m/s2增加到0.333m/s2，僅增加了1.92倍。隨著不均衡振動的增大，車體振動明顯加劇，并且振動增加速率先慢后快。在不同速度下不均衡量對車體振動的影響規律是相似的，當轉子不均衡量較小時，各速度下的車體振動差異明顯，隨著不均衡量的增大，車體振動之間的差值減小，這說明設備的不均衡振動引起的車體振動逐漸成為車體振動的主要來源。旋轉設備的垂向振動仿真結果，該結果反映了旋轉設備垂向振動基本與不均衡量的變化成正比關系，并且車輛運行速度的增大不會影響風機自身的振動。

2 車體減振措施分析

通過以上分析可以看出，有源旋轉設備的不均衡振動加劇了車體的彈性振動，降低了旅客乘坐舒適度，因此，車體減振措施成為車下懸掛系統的研究重點。顯然，定期清潔旋轉設備是有效的車體減振措施。本文主要分析其他兩種可行的減振措施：合理選取車下懸掛匹配參數和采用多級隔振系統。

2.1 合理選取懸掛參數

針對車下有源懸吊設備來說，懸吊系統采用彈性連接明顯優于剛性連接，這說明了采用彈性連接是降低車體振動的有效措施，前提條件是合理選取有源設備與車體之間的懸掛參數。對于橡膠彈簧來說，主要的評價參數是剛度和阻尼比。車下旋轉設備上方車體和車體中部的垂向振動隨懸掛剛度的變化規律。可以看出，隨著懸掛剛度的增大，車體的振動不斷加劇，振動均方根值從0.172m/s2增加到0.438m/s2，說明懸掛剛度的增大使得更多旋轉設備的不均衡振動能量傳遞到車體。可以看出，隨著懸掛剛度的增大，車體中部的垂向振動先保持不變后明顯增大，而且垂向振動均方根值從0.195m/s2增加到0.262m/s2，增加幅值明顯小于設備上方地板面的振動，說明車下旋轉設備對車體振動的影響主要表現形式是車體的局部振動，但是不合理的懸掛參數會擴大車體振動范圍。從設備上方車體的振動特性來說，合理的懸掛剛度越小越好；從車體中部的振動來說，合理的懸掛剛度在0～0.25MN/m之間，剛度增大也會惡化車體中部29的振動。根據減振理論可知，在實際隔振設計中，為了降低系統的固有頻率，一般選取減振系統的頻率比在2.5～5范圍內，參考旋轉設備的固有參數，橡膠彈簧的合理選取范圍為0.16～0.66MN/m。因此，將橡膠彈簧剛度設計為0.2MN/m是合理的。

2.2 多級隔振系統

在旋轉設備單級隔振系統研究中，橡膠彈簧剛度應該選取0.2MN/m，阻尼比選取0.05，但是在現實生產中橡膠彈簧的剛度無法滿足設計需求，實際的安裝剛度為0.588MN/m，遠大于設計剛度，從上述分析可知，橡膠彈簧剛度的增大不僅會導致車體局部振動的增大，而且可能會引起局部振動范圍的進一步擴大，鑒于此，提出采用多級隔振系統方法降低車體振動。

3結論

（1）高速動車組的車下旋轉設備上方車體地板出現異常振動現象，主要原因是車輛長期服役運行造成車下旋轉設備不均衡振動加劇，定期對旋轉設備進行清潔工作可以有效降低轉動不均衡量，從而減小對車體彈性振動的影響。（2）車下懸吊有源旋轉設備的不均衡振動對車體局部振動影響較大，轉動不均衡量的增大惡化了車體的彈性振動及旅客乘坐舒適度，并且車體的局部振動范圍也隨之增大；采用彈性懸吊方式可以有效降低車體的彈性振動，與剛性懸吊對比，轉動不均衡量的增大會使彈性連接的優勢更加突出。（3）合理的懸掛參數可以降低車體的彈性振動，減振措施便于實施，但是實際減振效果受到橡膠彈簧制造技術的影響；采用多級懸掛參數可以有效降低車體彈性振動，但是系統結構更加復雜，每級系統的懸掛參數均需要合理設計。