高鐵車輛橫向振動耦合機制及其減振技術對策

劉玉霞 祁 松

中車長春軌道客車股份有限公司

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澆度、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，出現耳重的橫向振動情況，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。

2、車輛模型簡述

車輛由剛性底盤(車身)、懸架、輪胎等元件組成，各元件在空間具有浮沉、伸縮、側滑、俯仰、橫擺、側傾6個自由度(3個平動和3個轉動)，它們之間通過線性或非線性的各種阻尼器和彈簧元件連接。由于車體、懸架及輪胎各部件沿車輛運行方向的縱向振動(伸縮)對橋梁的豎向和橫向振動幾乎無影響，因此在車輛模型中一般不考慮各剛體的伸縮位移。這樣，每個剛體實際上需考慮5個自由度。車輛豎向與橫向振動之間的耦合效應較弱，同時為了計算上的簡便，有時往往將車輛豎向與橫向振動分平面進行。這樣，在研究車輛豎向耦合振動問題時，只考慮車體、懸架與輪胎的浮沉、俯仰自由度。

3、影響車下吊掛質量的因素

(1)鋼軌動撓度和車輪動荷對比分析表明：軌道不平順波長越短，車輪動荷越強，鋼軌動撓度變化也越大。小缺陷是指軌道不平順波長小于轉向架軸距的輪軌激擾作用。而敏感波長則是以車輛定距作為基數來劃分的軌道不平順波長，如對車體沉浮模態或車體1階垂向彎曲模態的敏感波長，對車體點頭模態或車體2階垂向彎曲模態的敏感波長，等等。在滿足槡2原則的前提條件下，軌道小缺陷激擾，如同“搓板路”一樣，將對轉向架構架產生一系列強迫振動。因此，日系車輛提速300km/h以上運用將進一步暴露日系空簧硬懸掛的非線性問題，即柔性車體垂向加速度響應頻帶增寬，導致車下質量共振并造成其安裝吊架開裂嚴重事故。

(2)新一代輕量化高速車體結構設計研究正在努力解決整體結構形式所存在的技術問題。鋁合金車體整體結構形式具有如下不足：①由于“無骨架無縱梁”，因而整裝車體下部/上部1階橫向彎曲模態頻率較低，約14/19Hz。抗蛇行高頻阻抗越強，車體地板橫向振動越強烈。在超高速運行下甚至有可能轉變為車體上部(車頂)橫向振動。②由于前位與后位轉向架上方的地板局部模態頻率較低，稍高于30Hz，因而車下質量有源激擾極易引起前部與后部地板振動。這無疑對鋁合金車體疲勞壽命構成負面影響。新一代輕量化高速車體結構設計正在努力研究輕質骨架與泡沫復合板混合結構形式，雙層車體，其下層作為電氣輔助設備艙。

4、車下質量橡膠吊掛優化設計

4.1 車下與車上加速度評價

以地板橫向加速度的全頻域(R MS)3σ作為技術指標，重新評估車上與車下振動。如上所述，車上主要是指中部地板，而車下則為較大的車下質量，如雙輔變頻及冷卻設備，約6.6t。如圖6所示，橡膠吊掛的浮板效應對車下質量(如雙輔變頻)將產生積極的影響，而對中部地板橫向加速度則具有極值特征，即比例阻尼取0.5%，中部地板橫向加速度全頻域(R MS)3σ最小。

4.2 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數，無論何種振動均會因為車體的異常動態，對車動荷特征造成影響，使其發生變化這種變化在高集裝箱的重載車體部分比較常見，由于轉向架搖枕掛的斜楔卡滯現象，會導致其出現垂向振動，且高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，高車輛的異常動態和其動荷特征之間存在較為復雜的關系。若高鐵采用持續穩定的安全運營，動荷時域里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，例如當其處于道長波不平順激擾時，車軸橫向力會突然加大，就導致奇異系數高于2.0當高鐵的轉向架不穩定的形振蕩加強，使車行過程中的頻響偏離高斯平穩過的頻響特征，全頻域(RMS)值佑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?。簩⒏哞F的最高速度控制在350一380km/h，減小車組受到的比例阻尼二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二將車下的質量像膠吊掛進行優化，合理利用橡膠吊掛的浮板效應，避免柔性車體橫向抖振。

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像膠設備，利用其高彈性和粘彈性等優點，可以很好地幫助解決高鐵車體在減振方面的問題。

[1]徐金輝.高速車輛—軌道耦合系統隨機振動分析及軌道不平順評價方法研究[D].西南交通大學，2016.