車下設(shè)備對(duì)車體振動(dòng)的影響

宗玉成 中車長春軌道客車股份有限公司

一、車下設(shè)備對(duì)車體自振特性的影響

等效歐拉伯努利梁車體前后轉(zhuǎn)向架位置通過并聯(lián)的彈簧和阻尼進(jìn)行彈性支撐，車下設(shè)備為剛體，包含浮沉和點(diǎn)頭2個(gè)自由度，通過橡膠彈簧與車體連接。此外，當(dāng)設(shè)備懸掛系統(tǒng)是剛性時(shí)，車體振動(dòng)的峰值相對(duì)于車體的垂向彎曲頻率降低了很多，這說明車下設(shè)備采用剛性懸掛降低了車體結(jié)構(gòu)的垂向彎曲頻率，對(duì)車體振動(dòng)起到惡化作用。而當(dāng)車下設(shè)備采用彈性懸掛系統(tǒng)時(shí)，車體振動(dòng)由單峰值變?yōu)殡p峰值，而且彈性懸掛的放大系數(shù)幅值要低于剛性懸掛，其是因車下設(shè)備采用彈性懸掛時(shí)與車體發(fā)生了耦合振動(dòng)。因此，車下設(shè)備采用彈性懸掛系統(tǒng)時(shí)能在一定程度上抑制車體的彈性振動(dòng)。

二、剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析

1.建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

為建立車體彈性振動(dòng)和車下設(shè)備的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，要先建立完整的車體有限元模型。根據(jù)模態(tài)疊加法原理，將車體有限元模型中計(jì)算出的子結(jié)構(gòu)文件和模態(tài)計(jì)算結(jié)果文件，通過有限元與多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK接口程序FEMBS生成彈性體輸入文件，再通過選取合適的標(biāo)志點(diǎn)及特征模態(tài)等信息，生成用于動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算的彈性車體標(biāo)準(zhǔn)輸入文件，最終完成單車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的建立。模型中包含1個(gè)彈性車體、2個(gè)構(gòu)架、8個(gè)軸箱、4個(gè)輪對(duì)、若干車下設(shè)備。其中對(duì)車體考慮了前30階彈性振動(dòng)模態(tài)，而其他部件全部視為剛體。整個(gè)系統(tǒng)包含59個(gè)剛體自由度與30階模態(tài)的彈性車體自由度。

模型中除考慮一二系懸掛等效力元的非線性特性外，還對(duì)車下設(shè)備的彈性懸掛系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)置。其中橡膠彈簧被廣泛應(yīng)用于軌道車輛的車下設(shè)備懸掛系統(tǒng)中，不僅能提供3個(gè)方向的剛度，還可提供一定的減振阻尼效應(yīng)。有很多橡膠彈簧的簡化模型，其中描述橡膠減振器動(dòng)態(tài)特性最簡單的力學(xué)模型是Kelvin-Voight模型，由單個(gè)線性彈簧和單個(gè)阻尼器并聯(lián)組成。在大多數(shù)情況下，這種簡單的Kelvin-Voight模型較適用，不過這種適用被限定在一定頻率范圍內(nèi)。阻尼器使該模型的頻率相關(guān)性明顯，但隨著頻率增加，這種模型將不能反映橡膠材料的實(shí)質(zhì)特性，因此，又提出一種新的描述橡膠彈簧的力學(xué)模型，在Kelvin-Voight模型中的阻尼器上增加了一個(gè)串聯(lián)彈簧。這意味著模型的等效剛度可任意變化，并隨著激擾頻率的增加等效剛度會(huì)逐漸增大。這種改進(jìn)的Kelvin-Voight模型與橡膠彈簧的試驗(yàn)結(jié)果匹配，可很好地描述橡膠彈簧的高頻動(dòng)剛度特性。

2.仿真結(jié)果

（1）車下設(shè)備剛性與彈性懸掛。采用車下設(shè)備彈性和剛性2種懸掛方式的車體振動(dòng)加速度幅值，前者比后者小。這表明車下設(shè)備彈性懸掛系統(tǒng)的采用，有助于削弱設(shè)備對(duì)車體彈性振動(dòng)的影響，從而提高車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。隨著速度的增加，車下設(shè)備彈性懸掛方式的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)得越明顯。當(dāng)車輛運(yùn)行速度低于200 km·h-l時(shí)，車下設(shè)備剛性和彈性懸掛車體振動(dòng)區(qū)別不大，因此，車下設(shè)備可通過螺栓固結(jié)在車體下面。但當(dāng)車輛運(yùn)行速度超出200 km·h-l時(shí)，車下設(shè)備彈性懸掛的優(yōu)勢(shì)會(huì)顯得更明顯，所以高速運(yùn)行的車輛采用車下設(shè)備彈性懸掛十分必要，既能降低車體振動(dòng)水平，提高車輛運(yùn)行平穩(wěn)性，又能減小懸掛的高頻振動(dòng)，提高其使用壽命。

（2）車下設(shè)備偏載。當(dāng)車下設(shè)備安裝在車體結(jié)構(gòu)不同位置時(shí)，易導(dǎo)致整備車體重心偏移，會(huì)加劇車體振動(dòng)問題。主要存在2種偏載形式，即橫、縱向偏載。為研究偏載對(duì)車體振動(dòng)的影響，本文對(duì)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。

車下設(shè)備橫向偏載會(huì)對(duì)車體中部的橫向平穩(wěn)性造成重要影響，對(duì)車體中部垂向平穩(wěn)性影響不大。當(dāng)車下設(shè)備橫向偏載距離超出0.25 m時(shí)，對(duì)車體中部橫向平穩(wěn)性影響會(huì)急劇上升。當(dāng)橫向不存在偏載時(shí)，車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)只有1.3，一旦橫向偏載達(dá)到1 m時(shí)，車體橫向平穩(wěn)性則提高到1.9，上升幅度超過了40%，因此，在設(shè)計(jì)車下設(shè)備配置方案時(shí)應(yīng)盡量減小橫向偏載的出現(xiàn)，若實(shí)在不能避免盡量控制在0.25 m之內(nèi)。

另外，車下設(shè)備縱向偏載影響車體中部的垂向平穩(wěn)性，而對(duì)車體中部橫向平穩(wěn)性的影響不是很明顯。隨著車下設(shè)備縱向偏載的增大，車體中部的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)會(huì)變大。當(dāng)縱向偏載量超出2.5 m時(shí)，車輛垂向平穩(wěn)性會(huì)急劇增加。尤其在低于300 km·h-l速度情況下運(yùn)行時(shí)，變化趨勢(shì)會(huì)更突出。當(dāng)車下設(shè)備不存在縱向偏載時(shí)，車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)為2.05，但當(dāng)縱向偏載達(dá)到5 m時(shí)，車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)則達(dá)到2.3，上升10%以上，因此，對(duì)車下設(shè)備縱向配重設(shè)計(jì)應(yīng)盡量控制在2.5 m之內(nèi)。

（3）車下設(shè)備懸掛參數(shù)。車下設(shè)備彈性懸掛能抑制車體彈性振動(dòng)，但若車下設(shè)備彈性懸掛參數(shù)選擇不合理也可能增加車體彈性振動(dòng)，因此，有必要對(duì)車下設(shè)備懸掛參數(shù)與車體間的匹配關(guān)系進(jìn)行深入研究。

隨著車下設(shè)備懸掛頻率的增大，車體中部垂向平穩(wěn)性和振動(dòng)加速度RMS值都呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)車下設(shè)備的懸掛頻率處于12.5 Hz左右時(shí)，車體中部的振動(dòng)響應(yīng)最小，平穩(wěn)性指標(biāo)低于2.2。當(dāng)車下設(shè)備的懸掛頻率低于11 Hz時(shí)，與車下設(shè)備剛性懸掛相比，彈性懸掛反而加劇了車體中部的彈性振動(dòng)，平穩(wěn)性指標(biāo)最大值超出2.5。當(dāng)車下設(shè)備懸掛頻率大于12.5 Hz時(shí)，隨著車下設(shè)備懸掛頻率的增大，車體中部的平穩(wěn)性也呈增大趨勢(shì)，并最終趨于剛性懸掛的平穩(wěn)性指標(biāo)。由此可見，只有當(dāng)車下設(shè)備的懸掛頻率接近車體垂向彎曲頻率時(shí)，車體振動(dòng)響應(yīng)才會(huì)最小，其是因作為無源振動(dòng)設(shè)備的懸掛頻率接近車體垂向彎曲頻率時(shí)能起到動(dòng)力吸振器作用。

此外，當(dāng)車下設(shè)備懸掛頻率高于12.5 Hz時(shí)，其阻尼比對(duì)車體中部振動(dòng)影響小。但當(dāng)車下設(shè)備懸掛頻率低于12.5 Hz時(shí)，其阻尼比對(duì)車體中部振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生重大影響，隨著阻尼比的增加車體中部振動(dòng)響應(yīng)幅值會(huì)降低，因此，車下設(shè)備橡膠彈簧阻尼只有在一定范圍內(nèi)才會(huì)起作用，否則提高其阻尼基本無太大作用。