車(chē)載設(shè)備機(jī)械抗振方法研究

趙奎，張玉石，孫佳隆

（青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東 青島 266061）

高鐵列車(chē)的飛速發(fā)展大大便利了出行。由于其速度快、安全性能高、車(chē)內(nèi)噪音小的特點(diǎn)，越來(lái)越受到旅客的青睞。但是，高鐵列車(chē)的高速度也是車(chē)外振動(dòng)量大、噪音大的重要影響因素。據(jù)相關(guān)報(bào)道，高鐵列車(chē)的主要噪音源為車(chē)輪振動(dòng)。鐵路軌道系統(tǒng)是通過(guò)扣件將鋼軌、道床和軌枕連接并組合而成。由于高鐵列車(chē)在行駛過(guò)程中，是由升沉、點(diǎn)頭、搖頭、橫擺、伸縮、側(cè)滾這六種基本振動(dòng)耦合而成的。因此，高鐵運(yùn)行過(guò)程中，鋼軌所受載荷主要為：垂直方向的車(chē)輛載荷、列車(chē)對(duì)鋼軌的沖擊載荷。這是車(chē)輪產(chǎn)生噪音的重要原因。國(guó)內(nèi)外有研究指出，列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)高鐵振動(dòng)的傳播有著重要的作用。當(dāng)高鐵運(yùn)行的速度大于規(guī)定的瑞利波波速時(shí)，環(huán)境振動(dòng)將顯著增大。一般認(rèn)為，高鐵振動(dòng)的頻率范圍在30～80HZ。而車(chē)載精密設(shè)備的許振范圍在20～50HZ。而且，振動(dòng)將導(dǎo)致車(chē)載設(shè)備的導(dǎo)電性能下降、可靠性降低，嚴(yán)重的會(huì)使設(shè)備失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致的車(chē)載設(shè)備失效約占設(shè)備失效總數(shù)的27%。因此，研究車(chē)載設(shè)備的機(jī)械抗振方法，提高設(shè)備的可靠性是必要的。

高鐵列車(chē)具有運(yùn)行速度范圍大，振動(dòng)頻率范圍大的特點(diǎn)。因此，其機(jī)械抗振方法應(yīng)在寬頻范圍內(nèi)均具有良好的減振效果。傳統(tǒng)的方法是在機(jī)箱與機(jī)架連接板之間加裝隔振器的方法減弱振動(dòng)。但是，該方法存在明顯不足。首先，由于隔振器安裝于機(jī)箱與機(jī)架之間，隔振器在承受機(jī)箱重量的條件下，仍需有一定的彈性。根據(jù)車(chē)載設(shè)備的彈性剛度理論，當(dāng)變形量越大時(shí)，隔振器的減振效果越弱。其次，該方法雖然有一定的減弱振幅效果，但是，增大后的剛度會(huì)帶來(lái)較大的振動(dòng)頻率。尤其當(dāng)列車(chē)的振動(dòng)與車(chē)載設(shè)備的振動(dòng)同頻時(shí)，共振的巨大破壞作用反而更容易損壞設(shè)備。因此，為了提高車(chē)載設(shè)備的安全性和可靠性，研究車(chē)載設(shè)備的機(jī)械抗振方法，對(duì)于提高車(chē)載設(shè)備壽命，降低運(yùn)行及維護(hù)成本，增加設(shè)備的安全性具有重要意義。

1 振動(dòng)來(lái)源

1.1 車(chē)輛本體振動(dòng)

高鐵動(dòng)車(chē)組每節(jié)車(chē)廂均有動(dòng)力，但是，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，由于每節(jié)車(chē)廂各自所處的負(fù)載等狀態(tài)不同，因此在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)體本身會(huì)發(fā)生涌式振動(dòng)。此種振動(dòng)方式雖然振幅較大但是頻率較低。另外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)傳遞到車(chē)身，也會(huì)導(dǎo)致車(chē)內(nèi)振動(dòng)。此種振動(dòng)方式振幅較小，但是頻率較高。

1.2 軌道振動(dòng)

車(chē)輪振動(dòng)主要有兩方面原因，一方面是鋼軌有固定的長(zhǎng)度，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至鋼軌連接處時(shí)，由于鋼軌連接處兩側(cè)所受壓力不同，進(jìn)而下沉變形量不同，因此鋼軌連接處高低不平。當(dāng)高速運(yùn)行的列車(chē)經(jīng)過(guò)不平整的鋼軌連接處時(shí)，會(huì)發(fā)生微弱碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生周期性的振動(dòng)。此種振動(dòng)方式振動(dòng)頻率和振幅都較高。另一方面，鋼軌本身有一定的弧度，尤其是在轉(zhuǎn)彎時(shí)鋼軌的弧度尤為明顯。當(dāng)列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，車(chē)輪與鐵軌產(chǎn)生摩擦碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度越快時(shí)，由于鋼軌所導(dǎo)致的振動(dòng)將越強(qiáng)。

1.3 風(fēng)致振動(dòng)

由于空氣分子的存在，當(dāng)高鐵在空氣分子中移動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生風(fēng)。然而，高速物體在風(fēng)中穿梭時(shí)，會(huì)產(chǎn)生流體效應(yīng)。由于高速物體兩側(cè)的氣壓高低不同，當(dāng)高鐵連續(xù)在氣壓不同的氣體中穿梭時(shí)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，簡(jiǎn)稱風(fēng)致振動(dòng)。風(fēng)致振動(dòng)在高鐵低速運(yùn)行時(shí)不太明顯，甚至可以忽略。尤其在高速運(yùn)行時(shí)，風(fēng)致振動(dòng)傳遞到車(chē)身，會(huì)使得車(chē)身因振動(dòng)而搖擺。搖擺的車(chē)身將進(jìn)一步增大車(chē)身本體振動(dòng)和軌道振動(dòng)。風(fēng)致振動(dòng)具有振幅和頻率都較高的特點(diǎn)。當(dāng)振動(dòng)傳遞到車(chē)身內(nèi)時(shí)，對(duì)于車(chē)內(nèi)設(shè)備的振動(dòng)影響很大。

2 抗振方法

導(dǎo)致車(chē)載設(shè)備失效的主要因素為振動(dòng)頻率及振幅。因此，降低振動(dòng)頻率和振幅有助于減弱振動(dòng)的破壞失效。在設(shè)備整體的角度上看，設(shè)備振動(dòng)主要分為機(jī)械振動(dòng)和機(jī)載振動(dòng)。其中，機(jī)械振動(dòng)為設(shè)備的固有振動(dòng)，是設(shè)備的一種屬性；機(jī)載振動(dòng)為設(shè)備安裝在工作環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的一種振動(dòng)現(xiàn)象，機(jī)載振動(dòng)受載機(jī)的頻率影響很大。

2.1 降低機(jī)械振動(dòng)方法

（1）加強(qiáng)筋增強(qiáng)法。由于鈑金件具有成型快、重量輕、可加工成為復(fù)雜殼體的特性，因此，鈑金殼體廣泛應(yīng)用于車(chē)載設(shè)備領(lǐng)域。但是，尺寸較大的殼體易產(chǎn)生受迫振動(dòng)，而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。振動(dòng)能量需要完全被機(jī)械結(jié)構(gòu)吸收后，才能停止振動(dòng)。針對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱而引起的振動(dòng)損傷，可應(yīng)用加強(qiáng)筋增強(qiáng)法，即在薄壁殼體表面加裝或沖壓加強(qiáng)筋以便提高殼體的抗振性能。加強(qiáng)筋的尺寸及密度需根據(jù)板材的厚度及面積綜合確定。一般情況下，板材厚度越小、面積越大，所需加強(qiáng)筋尺寸及密度越大。

（2）肋板增強(qiáng)法。在大尺寸件的焊接及角接等應(yīng)用領(lǐng)域，由于焊點(diǎn)的變形或板材較薄等原因，振動(dòng)力在杠桿的作用下，使得結(jié)構(gòu)件最終承受力較大，而極易產(chǎn)生振動(dòng)失效。肋板增強(qiáng)法是在直角連接板之間加裝增強(qiáng)肋板的方法，以減弱受迫振動(dòng)，從而降低整體振動(dòng)頻率及振動(dòng)強(qiáng)度。肋板的安裝尺寸及安裝密度與板材的厚度及尺寸有關(guān)。當(dāng)板材越薄、板材尺寸越大時(shí)，所需安裝肋板的尺寸越大、安裝密度越大。

2.2 降低機(jī)載振動(dòng)的方法

機(jī)載頻率及振幅主要由車(chē)載設(shè)備和車(chē)輛振動(dòng)疊加產(chǎn)生。采用普通的螺栓連接方式時(shí)，車(chē)輛與設(shè)備可看作一個(gè)剛性物體，此時(shí)，車(chē)輛的振動(dòng)完全被傳遞到車(chē)載設(shè)備，此方法抗振能力較差。本研究采用橡膠墊-彈簧副的方法減弱振幅和振動(dòng)頻率，進(jìn)而將車(chē)輛振動(dòng)向車(chē)載設(shè)備的傳遞減弱，從而達(dá)到降低機(jī)載頻率的目的。

圖1為橡膠墊-彈簧副安裝示意圖。機(jī)架與螺栓之間采用橡膠墊片隔開(kāi)，減弱了剛性物體之間的直接振動(dòng)傳遞。此外，橡膠墊片的高彈性可作為一級(jí)隔振單元，從而減緩振動(dòng)對(duì)機(jī)載設(shè)備的影響。在橡膠墊片上方連接有彈簧，其為儲(chǔ)能單元，可依靠慣性作用，將振幅和頻率進(jìn)行吸收或者補(bǔ)償，進(jìn)而減弱振動(dòng)的影響。在具體實(shí)施過(guò)程中，需要通過(guò)連接螺母將彈簧設(shè)置一定的預(yù)緊力，將彈簧壓縮至許振范圍內(nèi)。

圖1 橡膠墊-彈簧副安裝示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究高鐵列車(chē)的振動(dòng)形式、振動(dòng)來(lái)源及車(chē)輛振動(dòng)對(duì)車(chē)載設(shè)備的影響，本研究提出了加強(qiáng)筋增強(qiáng)法、肋板增強(qiáng)法。通過(guò)增強(qiáng)機(jī)械殼體強(qiáng)度以降低設(shè)備的機(jī)械頻率，提出通過(guò)采用橡膠墊-彈簧副的方法，將車(chē)載設(shè)備與車(chē)輛機(jī)架軟性連接，從而降低機(jī)載頻率。需要指出的是，本項(xiàng)研究仍處于初級(jí)階段，后續(xù)成果的取得將陸續(xù)發(fā)布。本研究目的是為車(chē)載設(shè)備的安裝提供一種方法，進(jìn)而提高設(shè)備的運(yùn)行壽命和可靠性。