橡膠掛件在高鐵車輛橫向振動耦合機制及其減振技術中的應用

劉寅,周峰

（南京七四二五橡塑有限責任公司，江蘇 南京 210028）

隨著近年來高鐵行業的不斷發展，列車的行駛速度逐步加快，確保高鐵在運行過程中的安全和舒適性成為了現今高鐵提速過程中主要重視的內容。在現今時速達到300 km的大多高鐵設備中，軌道不平以及由于輪軌間的強烈相互作用會導致車體產生劇烈的耦合振動，導致車下的吊掛設備也受到強烈的振動和沖擊。這種情況下產生的劇烈震動會很大程度上影響車內乘客的舒適程度，嚴重時還會導致車下吊掛設備出現斷裂。歐洲進口的車輛，其橫向振動耦合機制技術特點較為鮮明，車體在運行過程中，其走行部接口部位就會對橫向高頻振動能量形成一種傳遞媒介，這一機制大多都基于橫向非保守系統。目前，高鐵企業要實現高鐵經濟效益最大化的目標，就需要及時解決高鐵鋁合金車體橫向彈性振動問題，以提高高鐵的安全性和耐久性，可以通過采用剛柔耦合仿真技術來對這一技術制定有效的減振技術，大大減少其受到的阻力，完成該項技術的正常發展。

1 車體橫向耦合振動

剛柔耦合仿真技術是在近些年發展起來的一種接口處理技術，其通過在廣義空間的鋼體運動與在笛卡爾空間的柔性體彈性變形之間，讓質量陣耦合的動態仿真技術能夠得以實現，以解決柔性體結構處理過程中存在的問題。廣義空間約束實際上就是指物理力學的外部約束概念，并采用拓撲關系對其進行補充描述。拓撲關系主要是指一個以上的剛體間存在的相互關系，例如大部分懸掛元件。在高鐵車組中，大多數車體走行部接口關系的構成都是利用搖枕來實現。笛卡爾空間約束是一種與廣義空間約束存在相對關系的理論，主要是指物理學的內部約束蓋簾，這種約束的形成和柔性車體的動撓度、柔性車體的彈性形變有很大關系。由模態綜合法可知，約束模態主要指的是：在固定交界面法中，由單位約束自由度位移造成的靜態變形。有資料顯示，當車體搖頭的阻尼過大時，會對柔性車體的狀態造成影響，出現嚴重的橫向振動情況，車體的橫向振動部位主要集中在其中部地板處，導致該部位的加速度明顯較車體前后地板要高。

二系橫向懸掛作為柔性車體及車下質量橫向耦合振動傳遞能量的主要途徑，對高鐵減震技術的研究具有十分重要的意義。耦合振動需要有以下三個力學要素：激擾車體出現異常的能量、耦合條件以及能量的傳遞途徑。當車體的橫向激擾頻率過高，激擾能量達到一定程度時，二系橫向懸掛作為能量傳遞途徑就會出現相位滯后情況，滿足了耦合震動的三大力學要素，進而促使車體出現耦合振動。因此，柔性車體出現橫向振動一般都會存在一個橫向振動耦合機制，而橫向振動耦合機制的形成和車體搖頭的阻尼過大有很大關系，車體搖頭的阻尼過大是其比較鮮明的一大特點，橫向耦合機制的這一特點一般都只會出現在大型車輛上。此外，車體對走行部接口產生的作用，能夠對車體搖頭的阻尼產生很大影響，需要格外注意。

以拖車TC02/07為例，根據車體中柔性車體的有限元模型（如圖1）進行設計。根據上文所述，結合車體荷載進行考慮，對相關主節點進行簡化，設計車上車下質量附著約束(如圖2、圖3)。

圖1 柔性車體的有限元模型

圖2 車上附著質量約束設計

圖3 車下附著質量約束設計

圖4 剛柔耦合的整車模型

2 橡膠吊掛的浮板效應

以上文的描述和分析為基礎對相加吊掛的浮板效應進行研究。當木板漂浮在水面時，其表面的張力得到增強，加大其阻尼耗散，這種阻尼耗散作用被稱為浮板效應。浮板效應通常被用于近海戰艦等船體上，在主船體的兩翼分別安裝兩個處于半滑行狀態的輔助船體，以減輕浪涌對船體產生的激擾能量，能夠有效保證船體在水面上平穩行駛，提高其行駛的安全性。在此過程中，主船體兩翼輔助船不能夠處于完全滑行狀態，否則會得到完全相反的效果，讓船體行駛更加顛簸，不利于正常水面行船。在某些情況，根據實際情況下利用一定比例阻尼，將橡膠吊掛安裝在車體下，使其形成浮板效應，對車下質量較大形成的過量橫向振動能量進行耗散，衰減鋁合金車體下部的振動。歐洲車輛并無常規意義上的垂向彈性吊掛，其車下質量橡膠吊掛只是單純的利用橡膠吊掛的浮板效應來減小柔性車體的橫向振動情況。

由以上分析可知，可以通過以下幾個方面來優化橡膠吊掛：

（1）按照相關行業國標規定，對車下質量橫向加速度進行約束，能夠有效防止高鐵的振能量過大；

（2）減小車體中部底板橫向加速度。

3 橡膠吊掛的優化設計

為確保高鐵車輛能夠達到基本的使用年限，通過以下三個方面對車下質量橡膠吊掛的優化，可以幫助高鐵車輛很好地減輕阻力，減輕高鐵在運行過程中的振動，增加其車下車身吊掛設備的安全性與車內乘客的舒適性。

3.1 對車體上下的加速度進行控制

采用地板橫向加速度全頻域(RMS) 為技術指標，對車體上下的加速度進行評價和控制。其中車輛上主要是車內中部地板，車下則包含較大的車下設備（雙輔變頻和冷卻設備）質量。橡膠吊掛的浮板效應對于車下質量都將產生積極的影響，對于車內中不地板的橫向加速度則為極值特性，即當比例阻尼值設為0.5%時，車體中部地板的橫向加速度全頻域(RMS) 能夠達到最小值，得到有效控制。

3.2 橡膠吊掛的質量優化

通過對橡膠吊掛自身的質量參數優化來合理利用浮板效應，車中的橫向振動與垂向振動不同，若比例阻尼增高，車下質量將會對車體下部的橫向振動起到非常強烈的帶動作用，使柔性車體橫向振動增強，導致車內地板的振動等。

3.3 橡膠吊掛動荷系數評估

決定車體的結構疲勞度的關鍵因素之一是動荷系數，無論何種振動均會因為車體的異常動態，對車輛動荷特征造成影響，使其發生變化。這種變化在高鐵集裝箱的重載車體部分比較常見，由于轉向架搖枕懸掛的斜楔卡滯現象，會導致其出現垂向振動，且高鐵的車體結構較為特殊，或造成其集裝箱腳部動荷增大，進而致使高鐵容易出現橫梁開焊的現象。可見，高鐵車輛的異常動態和其動荷特征之間存在較為復雜的聯系。

若高鐵采用持續穩定的安全運營，動荷時域里程基本上符合高斯正態分布，奇異系數在2.0周圍浮動。當高鐵的走行部動態情況出現異常，例如當其處于軌道長波不平順激擾時，車軸橫向力會突然加大，就會導致奇異系數高于2.0。當高鐵的轉向架不穩定的蛇形振蕩加強，使車行過程中的頻響偏離高斯平穩過程的頻響特征，全頻域（RMS）值估算高于實際情況，就會導致奇異系數低于2.0。

根據以上三點分析，為確保高鐵車組滿足基本的運行年限，達到最大的經濟效益，可以采取：將高鐵的最高速度控制在350～380 km/h，減小車組受到的比例阻尼；車身轉向架采用統一的優良配置，降低走行部超常工況所造成的攝動影響；將車下的質量橡膠吊掛進行優化，合理利用橡膠吊掛的浮板效應，避免柔性車體橫向抖振。

4 結束語

總而言之，在高鐵車組對于其本身的安全性和車內乘客的舒適型要求越來越高的今天，解決車身的橫向振動是一個重要的研究課題。通過在車體和車下吊掛橡膠設備，利用其高彈性和粘彈性等優點，設置合理的動荷系數，來保證高鐵車組的正常運行。其中采用的橫向振動耦合機制是指以二系橫向懸掛構成的車體，作為走行部接口傳遞媒介，所形成的橫向高頻振動耦合機制。這一機制利具有很強的抗蛇行高頻阻抗能力，并能夠增大車體搖頭阻尼，采用鋁合金車體三大特性，通過控制高鐵速度、加強車身相應設備的質量、合理利用橡膠吊掛的浮板效應，可以很好地幫助解決高鐵車體在減振方面的問題。

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