車輛底架懸掛裝置減振器彈簧設計方法研究

李楊，巨建民

(1.中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學 土木工程學院，遼寧 大連 116028 )

車輛底架懸掛裝置減振器彈簧設計方法研究

李楊1，巨建民2

(1.中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學 土木工程學院，遼寧 大連 116028 )

為減小懸掛裝置的振動，需要在車體和懸掛裝置之間安裝減震器 .減震器的設置，對振動效應的影響較大 .首先建立了車輛 -懸掛裝置的動力學模型 ,模型中特殊考慮了懸掛裝置及減震器的動力學性質 .并將減震器性能作為設計參數 .運用矩陣攝動理論，推導出了減震器彈簧對頻率的影響 .采用該理論，可方便的對減震器的彈簧進行設計，使懸掛系統避開一些敏感頻率 ,達到減震、預防共振發生的目的 .

軌道車輛；懸掛裝置；減震器；減震

0 引言

動車組是高速列車常用的驅動模式 .為保證動車組車輛的正常供給和使用要求，一般在車體底架需要安裝很多附屬裝置 .如蓄電池組、變壓變流器等 .這些裝置一般體積較大，重量較重，在行駛過程中與車體發生耦合振動 .如設計不當，懸掛裝置可能會產生劇烈振動或共振發生 .由于車體及懸掛裝置的結構都是預先設定，其自身的動力學性能已經很難改變 .有效減少懸掛裝置的振動或避免共振現象發生的方法是在車體與懸掛裝置之間加設減震器 .常規的減震器包括橡膠減震器、液壓減震器、復合材料減震器等 .不同的減震器具有不同的動態性能 .常規設計中一般比較關注減震器的剛度和阻尼能力 .不同剛度和阻尼對車輛—懸掛裝置的耦合振動影響不同 .參數設計不當，起不到應有的減震效果[1-2].如何較合理的確定減震器的參數，這里從車輛—懸掛裝置耦合振動的基本理論出發，運用振動攝動原理對該問題進行分析了研究 .

1 車輛—懸掛裝置耦合振動系統

車輛在行駛過程中處于運動狀態.懸掛裝置連接于車輛底架上.兩者互相之間形成動力耦合,動態特性和響應互相影響.為較準確地研究懸掛裝置的動態響應，盡量應考慮車體變形的動態特性.車輛在軌道上運行時的動力學計算模型已有過大量研究[3-8].一般將車體視為彈性體，考慮車體與轉向架、車輪、軌道、路基等的動態連接作用，形成一個完整的車輛運行狀態的動力學方程.由于分析的重點不在于車輛或車體，主要目的是了解懸掛裝置的振動.故對車輛軌道系統的計算模型可以進行簡化.車體可作為剛體或彈性體.對于懸掛裝置，可按其部件組成建立較完整詳細的力學模型.車輛—懸掛裝置的力學模型如圖1所示.圖1中耦合模型分車體、轉向架、輪對、懸掛裝置等幾個大部件.對車輛系統的建?？刹捎媒浀浞椒?這里主要說明車體與懸掛裝置的連接模式.

圖1 車輛—懸掛裝置耦合振動系統

如圖1中，將車體與減震器之間的對接點稱為車體出口點.如果采用有限元的離散化方法.系統自由度可被分為車輛內部節點位移uv， 懸掛系統內部節點位移us.

依照結構動力學理論可建立車輛—懸掛裝置系統耦合振動方程如下：

(1)

在式(1)中MVV和MSS分別為車輛和懸掛裝置內部位移與出口點位移對應的耦合矩陣.

MLLV和MLLS分別為車體與懸掛裝置連接自由度質量矩陣.MVL和MLS為連接自由度耦合質量矩陣，采用集中質量矩陣時其為零矩陣.阻尼矩陣和剛度矩陣中的相應項具有相似的意義.CT和KT為減震器的阻尼矩陣和剛度矩陣.一般為互相獨立的對角矩陣.對角線數值為某個減震器在指定方向的阻尼系數和彈簧剛度.

2 懸掛系統振動頻率分析的攝動方法

式(1)是一個包含車體—轉向架—輪對—懸掛裝置的復雜系統的動力學方程.在該方程中，減震器對系統頻率的影響并不直觀.為了方便研究減震器的彈性系數對頻率的影響.可采用矩陣攝動方法.矩陣攝動理論是分析大系統動力學問題較為成熟的方法 .被成功運用在航天、機械、土木等工程領域[9].

一般來說，減震器彈簧的彈性系數較車體和懸掛裝置自身的結構剛度引起的彈性系數相比小很多.因此按照攝動理論，可將減震器引起的彈性項看成攝動項，重新寫為

(2)

其中,ε為一小參數，攝動參數為K攝動剛度矩陣.常規狀態下的無阻尼模態方程對應的特征值問題可以寫為如下方程

(3)

其中,λ代表系統特征值，為頻率的平方.MA和KA為方程(1)中不計減震器彈性項的總質量矩陣和剛度矩陣.而矩陣由式(2)確定，為減震器彈性產生的剛度矩陣變化.

(4)

根據矩陣攝動法的思想，由剛度攝動矩陣引起的結果，其解特征值λ和u特征向量亦可展成攝動級數.就是

(5)

(6)

其中,λi、ui為特征值和特征向量的i階攝動修改值.將式(5)、(6)代入式(3)中比較攝動項同次冪的系數，得到關于不同攝動次數的求解方程

ε0次攝動：

(7)

ε1次攝動：

(8)

ε2次攝動：

(9)

其余高于2次的攝動項不一一列出.

從式(7)可以看出，其計算結果是不考慮減震器剛度的整體動力模態解.實際代表兩個互不耦合的特征值問題.分別為

(10)

(11)

第一方程是車輛系統動力學模態方程，第二方程為懸掛系統動力學模態方程.

(12)

(13)

如果計算出了各階攝動值，特征向量(即振型向量)可由式(8)(9)得到.對于大部分結構問題，二階攝動結果已具有較高的精度.一般均能滿足工程要求.

3 減震器對頻率影響分析

一般來說，如果屬于初步設計，可以將車體作為剛體看待.這樣，車輛部分的位移量可以不考慮.即,uV=0,uVL=0，攝動方程僅包含懸掛系統和減震器部分的計算.如果振型對質量標準化.則式(12)可以寫為：

(14)

計算得到大大簡化.

從另一方面講，一階攝動解也代表了當減震器剛度變化時，懸掛系統頻率的變化.因此有

(15)

因為uSL0是由懸掛系統自身質量和剛度所確定，不隨減震器剛度變化.

4 算例分析與結論

圖2是某車輛懸掛結構的變壓器冷卻系統的風機組裝置.其質量大約為360 kg.首先對風機組自身進行了動力學分析.之后按照本文方法，在風機組四個位置施加橡膠減震器.經過設計對比，選定的彈簧垂向剛度為(前)543，(后)289 kN/m,側向剛度為(前)1086和(后)578 kN/m.頻率對比如表1所示.

圖2 送風機計算模型

表1 加入減震器之后懸掛系統頻率對比 Hz

由于未加減震器前認為風機組是剛性懸掛的，故其頻率較大.加入減震器后頻率大幅降低.車體底架下的懸掛裝置是車輛設備中的一部分.其安全可靠性對車輛影響甚大.為使懸掛系統有較好的動態性能.這里采用矩陣攝動理論，推導出了減震器彈簧對頻率的影響.采用該理論，可方便的對減震器的彈性進行設計，使懸掛系統避開一些敏感頻率.達到減震預防共振發生的目的.

[1]吳會超 .高速動車組車體與車下設備耦合振動研究[D] .成都：西南交通大學，2012.

[2]張萌 ,于金朋.高速車體與吊掛設備的諧振特性研究[J]. 機械設計與制造,2016(1):221-224.

[3]翟婉明．車輛—軌道耦合動力學[M]．北京:科學出版社，2007:20-87.

[4]OFIERZYNSKI M, BRUNDISH V .Fortsshritte in der strukturdynanik Von shienenfahrzeugen[J]．Der Eisenbahningeniear, 1998,49: 54 -58.

[5]陳澤深，王成國．車輛—軌道系統高中低頻動力學模型的理論特征及其應用范圍的研究[J]．中國鐵道科學 ,2004(4)：1-10.

[6]粱波，蔡英，朱東生．車—路垂向耦合系統的動力分析[J]．鐵道學報，2000(5)：65 -70.

[7] 翟婉明，王開元．車輛—軌道耦合動力學理論在現代機車車輛設計中的應用實踐[J]．鐵道學報，2004，(4)：15 -23.

[8]陳塑寰 .結構動態設計的攝動理論[M].北京 .科學出版社，2007:24-50.

[9]巨建民，蒙秋男 .具有一般阻尼的結構動力學模態分析的矩陣攝動法[C] .中國力學學會青年工作委員會第三屆學術年會論文集 ,北京：萬國學術出版社，2000:152-156.

Study of Design Method of Shock Absorber Spring Device of Vehicle Chassis Suspension

LI Yang1, JU Jianmin2

(1.CRRC Dalian Institute Co., Ltd, Dalian 116028, China;2.School of Civil and Safety Engineering，Dalian Jiaotong University， Dalian 116028 ，China )

In order to reduce the vibration of the suspension device, an absorber is arranged between the vehicle body and the suspension device. The setting of the shock absorber has great influence on the vibration effect. Firstly, the dynamic model of the vehicle suspension system is established. In the model, the dynamic characteristics of suspension and shock absorber are considered, and the performance of shock absorber is considored as the design parameter. Based on the matrix perturbation theory, the influence of the spring on the frequency of the shock absorber is derived. By adopting the theory, the elastic design of the shock absorber can be easily carried out, so that the suspension system can avoid some sensitive frequency and achieve the purpose of preventing resonance.

rail vehicle; suspension device; shock absorber; shock absorption

1673- 9590(2017)04- 0079- 04

2016-11-07

李楊(1985-)，女，工程師，碩士,主要從事鐵道車輛及相關裝備的設計的研究E- mail:liyang@dlri.chinacnr.com.

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