市域鐵路動(dòng)車組車下彈性吊掛設(shè)備對(duì)車體振動(dòng)和乘坐舒適性的影響

韋海菊 鄧 銳

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，高級(jí)工程師)

隨著我國城市軌道交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展，市域列車融合了地鐵車輛的便捷特點(diǎn)，同時(shí)借鑒了高速動(dòng)車組的成熟技術(shù)，成為城際之間和城鄉(xiāng)之間重要的交通組成部分。隨著運(yùn)行速度的大幅度提升和車輛輕量化技術(shù)的普及，軌道車輛由于振動(dòng)影響而引起的乘坐舒適性問題日益凸顯。車輛的振動(dòng)特性與車輛動(dòng)態(tài)運(yùn)行品質(zhì)息息相關(guān)[1-2]，因此，在對(duì)列車動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)中，對(duì)乘客乘坐舒適性方面的探究在城市軌道交通列車發(fā)展研究中頗為重要。文獻(xiàn)[3-6]表明：通過優(yōu)化列車與車下設(shè)備之間的連接關(guān)系可改變車體的彈性模態(tài)頻率，從而降低車體彈性振動(dòng)，提高車輛的乘坐舒適性。

本文主要研究了彈性吊掛對(duì)市域鐵路動(dòng)車組車輛的振動(dòng)和乘坐舒適性的影響，建立了車體有限元模型和剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)相關(guān)結(jié)果，驗(yàn)證了車下變壓器吊掛剛度的范圍及最佳位置，此外還驗(yàn)證了有關(guān)設(shè)計(jì)的合理性。

1 車體仿真模型建立

1.1 車下彈性吊掛設(shè)備方案

目前，我國市域鐵路動(dòng)車組的小型設(shè)備吊掛方式多用螺栓剛性連接，而大型設(shè)備大多使用彈性吊掛方式[8]。車輛車下彈性吊掛設(shè)備包含制動(dòng)設(shè)備、電氣設(shè)備及空調(diào)設(shè)備等。本文主要以變壓器和風(fēng)源模塊(空壓機(jī))作為研究對(duì)象，分析設(shè)備的彈性吊掛設(shè)計(jì)。

由于變壓器和空壓機(jī)的質(zhì)量及吊點(diǎn)數(shù)量有所差別，因此，在建模中車底架的部分細(xì)節(jié)不可省略。由于車底架邊梁剛度較大，通常將大型設(shè)備如變壓器等吊掛于車底架邊梁上;風(fēng)源設(shè)備則是吊掛于縱梁上，而縱梁再通過螺栓連接到車底架邊梁上。

1.2 車體有限元模型

本文研究的市域動(dòng)車組車體由車頭、車頂、端墻、側(cè)墻和底架組成，采用整體承載無中梁筒形結(jié)構(gòu)形式。

將三維模型導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行建模。其主要包括：用殼單元模擬車體型材結(jié)構(gòu)；采用質(zhì)量點(diǎn)模擬車下吊掛設(shè)備，質(zhì)量點(diǎn)坐標(biāo)為吊掛設(shè)備的設(shè)計(jì)重心，質(zhì)量點(diǎn)質(zhì)量與吊掛設(shè)備實(shí)際質(zhì)量相等。在AW0(空載)工況下，車體整備質(zhì)量為29.3 t(整車載荷不包含轉(zhuǎn)向架)。

將變壓器吊掛在車體邊梁，選取對(duì)應(yīng)位置的4個(gè)吊點(diǎn)進(jìn)行吊掛?？諌簷C(jī)吊掛在縱梁上，同樣在對(duì)應(yīng)三維模型位置選取4個(gè)吊掛點(diǎn)。

1.3 吊掛方式

剛性吊掛是指設(shè)備以固定接觸的形式與車體相連接,設(shè)備的振動(dòng)直接傳導(dǎo)至車體,這種吊掛方式一般適用于小型設(shè)備。

空壓機(jī)設(shè)置與變壓器一致，不同的是空壓機(jī)的連接點(diǎn)在縱梁上，其余所有設(shè)備為剛性吊掛，完整的車體有限元模型見如圖1所示。

圖1 列車車體有限元模型

2 車體彈性吊掛設(shè)備對(duì)車輛振動(dòng)的影響

2.1 設(shè)計(jì)吊掛頻率范圍

車體二位端地板垂向振動(dòng)受二階垂彎模態(tài)影響最大，故吊掛變壓器垂向激勵(lì)源為0～2 Hz的剛體振動(dòng)和12.3 Hz的二階垂彎模態(tài)，以此參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)消極隔振理論可得:

(1)

(2)

式中:

ωn——吊掛變壓器系統(tǒng)的固有頻率;

ω1——二階型彎模態(tài)的振動(dòng)頻率,取12.3 Hz;

ω2——?jiǎng)傮w振動(dòng)頻率,取2.0 Hz。

由此可知，根據(jù)消極隔振理論，吊掛頻率應(yīng)設(shè)置為5～9 Hz。計(jì)算得到的變壓器吊掛頻率及動(dòng)剛度見表1，變壓器風(fēng)源模塊的吊掛頻率及動(dòng)剛度見表2，由表1和表2可知，變壓器和風(fēng)源模塊各吊點(diǎn)吊掛動(dòng)剛度隨著吊掛頻率的增大而增大。變壓器各吊點(diǎn)編號(hào)示意圖見圖2。空壓機(jī)風(fēng)源模塊各吊點(diǎn)編號(hào)示意圖見圖3。

表1 變壓器吊掛頻率及動(dòng)剛度

表2 變壓器風(fēng)源模塊的吊掛頻率及動(dòng)剛度

圖2 變壓器各吊點(diǎn)編號(hào)示意圖

圖3 風(fēng)源模塊各吊點(diǎn)編號(hào)示意圖

2.2 吊掛頻率對(duì)車輛運(yùn)行乘坐舒適度的影響

乘坐舒適程度可更直觀、更直接地體現(xiàn)吊掛頻率的改變對(duì)列車振動(dòng)情況的影響。因此，以舒適度為判斷依據(jù)，計(jì)算出空壓機(jī)風(fēng)源模塊和變壓器最適合的同一吊掛頻率。

2.2.1 空氣彈簧激勵(lì)

列車運(yùn)行時(shí)，吊掛頻率會(huì)影響車輛的振動(dòng)舒適性，本文建立了列車在整備狀態(tài)下的剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型以探究優(yōu)化下的吊掛設(shè)計(jì)剛度，如圖4所示。

圖4 列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

為建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型需要先對(duì)車體有限元模型進(jìn)行縮聚，將得到的輸出文件導(dǎo)入至相關(guān)軟件中生成柔性體文件，再將此文件導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)軟件中，建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。除車體以外其他部件仍考慮為剛體。有限元的剛體模型和剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型模態(tài)計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示，其中最大對(duì)比誤差為6.19%，由此可知，縮聚前后的結(jié)果偏差不大，剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型能夠滿足計(jì)算要求。

表3 兩種模型前5階彈性模態(tài)對(duì)比

在動(dòng)力學(xué)軟件中設(shè)置列車運(yùn)行最高速度為140 km/h，同時(shí)為考慮軌道不平順，添加了美國五級(jí)譜作為軌道譜。而空氣彈簧作為連接轉(zhuǎn)向架和車體的中間部件，會(huì)將車下激勵(lì)向上傳遞給車體，故仿真要輸出空氣彈簧所受的力。

2.2.2 車輛運(yùn)行乘坐舒適度分析

ISO 2631-1:1997《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體處于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第1部分:一般要求》的國際標(biāo)準(zhǔn)是基于大量研究數(shù)據(jù)而制訂的[7]。此標(biāo)準(zhǔn)在各國的軌道交通領(lǐng)域認(rèn)可度較高，應(yīng)用廣泛。ISO 2631-1：1997中的振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在空氣彈簧處施加仿真計(jì)算得到三向激擾力，計(jì)算0.1～80.0 Hz的頻率響應(yīng)(以下簡稱“頻響”)，分別選取車體一位端地板、二位端地板、中心地板和變壓器上方地板等4個(gè)點(diǎn)測試車體整體振動(dòng)的乘坐舒適度。

根據(jù)頻響計(jì)算結(jié)果，計(jì)算在列車運(yùn)行最高速度為140 km/h時(shí)，剛性吊掛下和不同剛度的彈性吊掛下，各測試點(diǎn)的計(jì)權(quán)均方根振動(dòng)加速度總量，見表5。

由表5可知，無論是剛性吊掛或是彈性吊掛，在列車運(yùn)行最高速度為140 km/h時(shí)，除車體二位端地板測試點(diǎn)外，其他測試點(diǎn)的振動(dòng)加速度總量均處于0.315 m/s2以下，均為無不舒適的感受。在列車運(yùn)行中，變壓器的剛性振動(dòng)向車體二位端地板傳遞了較大的振動(dòng)能量，故在所有測試點(diǎn)中，振動(dòng)程度最劇烈的是車體二位端地板位置。而當(dāng)采用彈性吊掛時(shí)，車體二位端振動(dòng)總量較采用剛性吊掛時(shí)有所下降。這表明彈性吊掛對(duì)變壓器的剛性振動(dòng)向車體二位端地板傳遞能量的衰減作用起到了積極影響，提高了振動(dòng)舒適性。

表5 最高速度為140 km/h時(shí)不同吊掛方式各測試點(diǎn)的振動(dòng)加速度總量

彈性吊掛與傳統(tǒng)剛性吊掛相比，其振動(dòng)加速度總量均有所下降。可見，彈性吊掛的減振效果最好。對(duì)比彈性吊掛結(jié)果可以看出，2個(gè)設(shè)備同時(shí)選擇吊掛頻率為8 Hz時(shí)，各個(gè)測試點(diǎn)的振動(dòng)總量相對(duì)最小，故選擇此吊掛頻率對(duì)應(yīng)的吊掛剛度可有效提高車輛運(yùn)行的乘坐舒適度。

3 結(jié)語

綜上所述，改變?cè)O(shè)備吊掛方式能夠有效降低車輛振動(dòng)，使車下設(shè)備與車體模態(tài)分離。根據(jù)車輛運(yùn)行的乘坐舒適度計(jì)算分析可得：

1)彈性吊掛比剛性吊掛削減了更多車輛地板上測點(diǎn)的振動(dòng)加速度總量，其中吊掛頻率為8 Hz時(shí)削減最多，使車輛運(yùn)行的乘坐舒適性得以有效提升；

2)本文提出的彈性吊掛設(shè)計(jì)方案相較于剛性吊掛，可以對(duì)激勵(lì)源變壓器對(duì)車體的動(dòng)力影響進(jìn)行隔離，同時(shí)可削減地板各測點(diǎn)計(jì)權(quán)均方根振動(dòng)加速度總量。

本文提出的彈性吊掛設(shè)計(jì)方案能夠完善車下設(shè)備與車體直接連接的減振設(shè)計(jì)依據(jù)，可為提高車輛乘坐舒適性設(shè)計(jì)提供思路。