軌道車輛懸掛參數對動車組垂向振動影響研究

熊聰，王建斌，屈升

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610000)

0 引言

軌道車輛振動問題一直是相關研究人員重點關注的問題。近年來隨著動車組運行速度的不斷提高，人們對于動車組的運行平穩性也提出了更高的要求。許多鐵路發達國家都有自己的運行平穩性評價體系，如我國的GB/T 5599、歐洲的UIC513、國際標準ISO2613等。動車組的振動問題不僅影響著動車組的運行平穩性，對轉向架等結構也將產生一定程度的疲勞損傷甚至疲勞斷裂，威脅人們的生命安全，而一系、二系懸掛參數的正確選取能有效降低動車組的振動水平。

陸銘等利用SIMPACK建立了17體、50自由度的某型動車組單節車模型，仿真分析了一系垂向減振器阻尼、二系垂向減振器阻尼和抗蛇行減振器失效對其運行平穩性的影響[1]；崔利通等針對某型動車組在線運行時出現車體異常抖動問題，通過仿真分析和線路試驗表明，優化抗蛇行減振器能夠滿足磨耗輪狀態下車輛運行穩定性和平穩性要求，避免出現車體抖動問題，新參數抗蛇行減振器不會對車輪磨耗產生不利影響[2]；汪群生等基于國內某型高速動車組車下旋轉設備的振動測試試驗, 建立考慮車體彈性和車下旋轉設備不均衡振動的剛柔耦合動力學模型, 分析車下旋轉設備兩級懸掛方式對車體和旋轉設備振動行為的影響[3]；石懷龍等基于動力吸振原理進行多個車下設備的最優懸掛頻率設計，建立彈性車體和車下設備的垂向耦合振動數學模型，研究不同設備懸掛頻率、聯接阻尼、質量和安裝位置條件下的車體振動分布規律[4]；石懷龍等建立了車輛系統數學模型,理論分析了影響轉向架懸掛剛度的主要參數，并利用參數試驗臺對某高速動車組進行懸掛剛度測試,總結了不同條件下的結果分布規律，以驗證數學模型和理論分析的可信性[5]；羅光兵等將車體考慮成等截面歐拉梁, 建立了車輛剛柔耦合的垂向動力學簡化模型，考慮了設備彈性懸掛和剛性懸掛兩種連接方式對車體振動的影響[6]。

本文通過把構架和車體簡化為兩個單獨的質量塊，建立兩個自由度系統的數學模型，得到構架和車體分別與基礎振動的振動位移和振動加速度的傳遞率；通過改變一系和二系的懸掛參數，得到構架和車體振動傳遞的變化規律。

1 兩自由度振動分析

圖1所示為基礎作為輸入的傳統兩自由度系統模型。

圖1 兩自由度系統模型

動力學微分方程為

(1)

拉氏變換后得到

(2)

于是由式(2)可得位移x1、x2對輸入x的傳遞函數為：

X1(s)/X(s)=[m2c1s3+(m2k1+c1c2)s2+(k1c2+k2c1)s+k1k2]/{m1m2s4+[m1c2+m2(c1+c2)]s3+[m1k2+m2(k1+k2)+c1c2]s2+(k1c2+k2c1)s+k1k2}

(3)

X2(s)/X(s)=[c1c2s2+(k1c2+k2c1)s+k1k2]/{m1m2s4+[m1c2+m2(c1+c2)]s3+[m1k2+m2(k1+k2)+c1c2]s2+(k1c2+k2c1)s+k1k2}

(4)

則從基礎振源到一系、二系減振體的絕對位移傳遞率表達式為：

(5)

(6)

則基礎振源到一系、二系減振體的絕對加速度傳遞率表達式為

(7)

2 動車組參數變化

影響基礎至一系減振體、二系減振體傳遞率的因素主要有一系和二系的頻率、質量及阻尼比，采用控制變量的方法對動車組參數變化進行研究分析。用兩自由度系統數值仿真動車組變化時，動車組主要參數如表1所示。

表1 動車組基本物理參數

圖2為二系阻尼比ζ2的變化對車體和構架振動位移、振動加速度的影響。由圖2(a)、圖2(b)可知，隨著ζ2的增大，對車體低頻位移振動傳遞有明顯衰減作用，對構架的高頻位移振動有明顯放大作用，對車體的高頻位移振動和構架的低頻位移振動作用較小；即二系阻尼對車體低頻和構架高頻位移振動影響顯著。由圖2(c)、圖2(d)可知，二系阻尼對車體加速度振動傳遞影響顯著，對構架影響較小(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

圖2 二系阻尼比ζ2的變化影響

綜上所述，二系阻尼主要影響車體的振動，隨著二系阻尼的增加，車體的低頻振動得到抑制，高頻振動得到放大。

圖3為一系阻尼比ζ1的變化對車體和構架振動位移、振動加速度的影響。由圖3(a)、圖3(c)可知，一系阻尼的變化除對車體的高頻振動加速度顯著外，對車體的影響甚微。由圖3(b)、圖3(d)可知，一系阻尼的變化對構架低頻振動影響不大，隨著一系阻尼的增加，構架的高頻振動傳遞能顯著衰減，隨著頻率進一步增加，構架的超高頻加速度振動傳遞反而變大。

圖3 一系阻尼比ζ1的變化影響

綜上所述，一系阻尼變化對車體影響不大，主要影響構架的振動，隨著阻尼的增加，構架的高頻振動加速度傳遞先衰減后又變大。

圖4 二系剛度ks的變化影響

由圖5可知，一系剛度kp的變化除產生與二系剛度相同的頻率漂移現象外，對車體和構架的影響情況更復雜。車體和構架的低頻振動位移傳遞率隨一系剛度增加而降低，車體的高頻振動速度傳遞率變化顯著而構架的高低頻振動加速度傳遞率都較為明顯。

圖5 一系剛度kp的變化影響

綜上所述，一系剛度除對車體的高頻振動加速度影響顯著外，對車體的振動影響不大，主要影響構架的振動水平。

3 結語

本文通過改變動車組的懸掛參數，對比車體和構架的振動情況，得出了以下一些結論。

1)二系阻尼主要影響車體的振動，隨著二系阻尼的增加，車體的低頻振動得到抑制，高頻振動得到放大。

2)一系阻尼變化對車體影響不大，主要影響構架的振動，且影響規律較復雜，應綜合考慮選擇合適的一系阻尼。

3)二系剛度的變化對車體、構架影響都不大，但會對車體和構架的振動峰值頻率產生漂移。

4)一系剛度的變化除對車體和構架的振動峰值頻率產生漂移外，主要對構架的振動水平影響較大。