基于SIMPACK的車(chē)下設(shè)備垂向隔振參數(shù)研究

班希翼，陳 然

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

在高速列車(chē)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，列車(chē)驅(qū)動(dòng)方式逐步變?yōu)榉稚⑹津?qū)動(dòng)，大部分列車(chē)設(shè)備主要以剛性或彈性?xún)煞N連接方式下掛于車(chē)體底架?，F(xiàn)代列車(chē)不斷追求輕量化等有利于列車(chē)提速的設(shè)計(jì)方案，而這些因素又極易引起軌道激擾頻率升高，更易造成列車(chē)與下掛設(shè)備間的共振，影響列車(chē)設(shè)備的穩(wěn)定性，降低設(shè)備使用壽命[1]。高速列車(chē)中針對(duì)隔振系統(tǒng)中隔振元件剛度與阻尼的研究較少。以柴油發(fā)電機(jī)組作為車(chē)輛的動(dòng)力設(shè)備，采用雙層隔振系統(tǒng)下掛于車(chē)體底架，在列車(chē)運(yùn)行時(shí)對(duì)列車(chē)的安全性與舒適性均會(huì)產(chǎn)生影響。本研究針對(duì)列車(chē)及柴油發(fā)電機(jī)組，依據(jù)多體動(dòng)力學(xué)建立起列車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型[2]，研究在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中雙層隔振系統(tǒng)參數(shù)的變化情況。

以設(shè)備振動(dòng)烈度大小為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，研究車(chē)下具有雙層隔振系統(tǒng)的動(dòng)力包一級(jí)和二級(jí)減振彈簧的最佳剛度和最佳阻尼。

1 仿真分析與結(jié)果

以通過(guò)兩級(jí)橡膠彈簧下掛于列車(chē)底架的柴油發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象動(dòng)力包，其中一級(jí)隔振系統(tǒng)為四個(gè)實(shí)現(xiàn)列車(chē)車(chē)體與柴油發(fā)電機(jī)組公共構(gòu)架連接的橡膠彈簧，二級(jí)隔振系統(tǒng)為五個(gè)實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組公共構(gòu)架與柴油發(fā)電機(jī)組連接的橡膠彈簧，如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組雙層隔振系統(tǒng)示意圖

柴油發(fā)電機(jī)組剛體振動(dòng)形式主要包括橫移、沉浮、點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾，通過(guò)ANSYS仿真計(jì)算以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，隔振系統(tǒng)中垂向振動(dòng)為主要影響因素，故著重對(duì)沉浮、點(diǎn)頭及側(cè)滾這三類(lèi)振動(dòng)形式進(jìn)行分析。

公共構(gòu)架沉浮：

公共構(gòu)架點(diǎn)頭：

公共構(gòu)架側(cè)滾:

←(k21l21-y′-k22l22-y′-k23l23-y′+k24l24-y′+k25l25-x′)→

←z2+(c21l21-y′-c22l22-y′-c23l23-y′+←c24l24-x′+→

←k23l23-xl23-y′-k24l24-xl24-y′-k25l25-xl25-y′)α2-→

←(c21l21-xl21-y′+c22l22-xl22-y′+c23l23-xl23-y′-→

←k22l22-xl22-y′+k23l23-xl23-y′+k24l24-xl24-y′+→

←k25l25-xl25-y′)β2-(c21l21-xl21-y′+c22l22-xl22-y′+→

柴油發(fā)電機(jī)組沉?。?/p>

柴油發(fā)電機(jī)組點(diǎn)頭：

柴油發(fā)電機(jī)組側(cè)滾：

通過(guò)ANSYS仿真計(jì)算及對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，隔振系統(tǒng)中垂向振動(dòng)為主要影響因素，因此主要針對(duì)起連接作用的橡膠彈簧的垂向剛度及垂向阻尼兩大參數(shù)進(jìn)行研究[3]。

選用隔振系統(tǒng)中原始的橡膠彈簧參數(shù)利用仿真軟件進(jìn)行車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算[4]，計(jì)算結(jié)果表明所選參數(shù)已初步滿(mǎn)足基本要求。為進(jìn)一步優(yōu)化隔振參數(shù)，研究柴油發(fā)電機(jī)組在不同的一級(jí)隔振參數(shù)和二級(jí)隔振參數(shù)下振動(dòng)烈度的變化情況，從而為車(chē)下設(shè)備隔振參數(shù)選取提供參考。一級(jí)與二級(jí)橡膠彈簧的垂向初始隔振參數(shù)如表1所示[5]。

表1 柴油發(fā)電機(jī)初始垂向隔振參數(shù)

1.1 一級(jí)隔振器垂向剛度與垂向阻尼分析

將K1作為一級(jí)隔振系統(tǒng)4個(gè)橡膠彈簧的垂向剛度，C1作為垂向阻尼。采用單一變量法在SIMPACK中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，計(jì)算工況如表2所示。

表2 一級(jí)垂向剛度與垂向阻尼計(jì)算工況

在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算時(shí)，車(chē)輛運(yùn)行速度選取在20～100 km/h范圍內(nèi)，大致分為5種速度等級(jí)。完成計(jì)算后分別提取柴油發(fā)電機(jī)組上所設(shè)置響應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各類(lèi)工況下的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，處理數(shù)據(jù)后獲得柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度[6]。圖2和圖3分別顯示了計(jì)算結(jié)果。

圖2 各速度等級(jí)下一級(jí)垂向剛度的變化對(duì)柴油發(fā)電機(jī)振動(dòng)烈度的影響

圖3 各速度等級(jí)下一級(jí)垂向阻尼的變化對(duì)柴油發(fā)電機(jī)振動(dòng)烈度的影響

圖2表明：當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度處于20～60 km/h范圍內(nèi)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度會(huì)隨著K1的增大而減?。划?dāng)列車(chē)運(yùn)行速度達(dá)到80 km/h時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度在一級(jí)橡膠彈簧的垂向剛度為1.2K1時(shí)獲得最小值。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，可知一級(jí)懸掛橡膠彈簧垂向剛度在(0.6K1，1.2K1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。

圖3表明：當(dāng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)速分別為20 km和40 km時(shí)，一級(jí)隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C1，1.2C1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；當(dāng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)速為60 km和80 km時(shí)，一級(jí)隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.6C1，C1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；當(dāng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)速達(dá)到100 km時(shí)，一級(jí)隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C1，1.2C1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。綜上所述，一級(jí)隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C1，C1)區(qū)間內(nèi)可獲取最優(yōu)值。

1.2 二級(jí)隔振器垂向剛度與垂向阻尼分析

將K2作為二級(jí)隔振系統(tǒng)5個(gè)橡膠彈簧的垂向剛度，C2作為垂向阻尼。采用單一變量法在SIMPACK中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，計(jì)算工況如表3所示。

表3 二級(jí)垂向剛度和垂向阻尼計(jì)算工況

在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算時(shí)，車(chē)輛運(yùn)行速度選取在20～100 km/h范圍內(nèi)，大致分為5類(lèi)速度等級(jí)。完成計(jì)算后分別提取柴油發(fā)電機(jī)組上所設(shè)置響應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各類(lèi)工況下的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，處理數(shù)據(jù)后獲得柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度。圖4和圖5顯示了計(jì)算結(jié)果。

圖4 各速度級(jí)下二級(jí)隔振器垂向剛度的變化對(duì)動(dòng)力包振動(dòng)烈度的影響

圖5 各速度級(jí)下二級(jí)隔振器垂向阻尼的變化對(duì)動(dòng)力包振動(dòng)烈度的影響

圖4表明：當(dāng)列車(chē)速度處于20～60 km/h范圍內(nèi)時(shí)，二級(jí)隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.8K2，1.2K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；當(dāng)列車(chē)以80 km/h速度運(yùn)行時(shí)，二級(jí)隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.6K2，K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；當(dāng)列車(chē)速度達(dá)到100 km/h時(shí)，二級(jí)隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.8K2，1.2K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。綜上所述，二級(jí)隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.8K2，K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。

圖5表明：隨著二級(jí)隔振橡膠彈簧垂向阻尼逐步偏離原始參數(shù)，柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度會(huì)不斷增大，當(dāng)隔振系統(tǒng)的垂向阻尼在(0.8C2，1.2C2)區(qū)間內(nèi)取值時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)的振動(dòng)烈度較小[7]。

2 結(jié)語(yǔ)

(1)結(jié)果表明：由于在系統(tǒng)振動(dòng)過(guò)程中，阻尼值參數(shù)有利于降低系統(tǒng)的共振幅度，并加快機(jī)構(gòu)振動(dòng)幅度的衰減，故隔振橡膠彈簧參數(shù)中阻尼值對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)烈度指標(biāo)的影響更加顯著。從對(duì)研究對(duì)象振動(dòng)烈度指標(biāo)的影響來(lái)看，二級(jí)隔振橡膠彈簧參數(shù)比一級(jí)隔振橡膠彈簧參數(shù)影響更大。

(2)以研究對(duì)象的振動(dòng)烈度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，一級(jí)隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.6K1，1.2K1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；一級(jí)隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C1，C1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；二級(jí)隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.8K2，K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；二級(jí)隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C2，C2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。綜上所述，從設(shè)備振動(dòng)烈度方面考慮，合理范圍內(nèi)整體減小隔振系統(tǒng)中橡膠彈簧的隔振參數(shù)，可以有效降低設(shè)備的振動(dòng)烈度指標(biāo)，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命并優(yōu)化設(shè)備的使用可靠性。