吊掛設備對高速列車彈性車體垂向振動特性的影響

陳翔宇 繆炳榮 雒耀祥 蔣釧應 楊樹旺

摘 要：為了研究車下吊掛設備對高速列車車體彈性振動的影響，文章搭建了車體與吊掛設備的剛柔耦合垂向動力學模型，通過對比剛柔耦合模型和多剛體模型的加速度功率譜密度研究了車體柔性對車輛垂向振動特性的影響;通過控制變量法改變吊掛設備的懸掛參數，分析了不同的懸掛系統頻率、懸掛系統阻尼比和懸掛質量對車體中心位置的加速度幅頻特性的影響;最后，將吊掛設備視為動力吸振器，采用Jacquot動力吸振器參數優化理論對懸掛參數進行優化。結果表明，合理的選擇吊掛設備的懸掛參數可以有效的抑制的車體彈性振動。

關鍵詞：吊掛設備;功率譜密度;幅頻特性;DVA

中圖分類號：U270.1+1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-99-07

Abstract： In order to study the influence of suspended devices on the elastic vibration of high-speed railway vehicle， this paper builds a rigid-flexible coupled vertical dynamics model of vehicle body and suspension equipment. Firstly， by com -pares the acceleration power spectrum of rigid-flexible coupling model and multi-rigid model， the effects of vehicle body flexibility on vertical vibration of vehicle has been studied; Secondly， the suspension parameters of the suspended devices are changed， such as the frequency of suspension systems， the damping ratio of the suspension system and the suspension mass， then， the acceleration amplitude and frequency characteristics of to the center position of the vehicle body has been analyzed. Finally， the suspension equipment is regarded as the dynamic vibration absorber. The optimization of the suspension parame -ters by JACQUOT dynamic vibration absorber parameter optimization theory shows that the suspension parameters of the suspension equipment can effectively suppress the elastic vibration of the vehicle body.

Keywords： suspended devices; power spectral density; amplitude-frequency characteristics; DVA

引言

與其他交通工具相比，高速列車的速度和舒適度是其最重要的核心競爭力。但隨著車輛運行速度的提高及車體輕量化導致的剛度不足等問題的出現，車體自身的彈性振動對車輛運行品質的影響越來越顯著。鐵道車輛車體振動可分為剛性和彈性兩種模態。影響垂向乘坐舒適性的剛性模態是沉浮，俯仰和滾轉模態，這些模態通常位于1 Hz左右的相對較低的頻率范圍內[1];彈性模態是指車體的扭曲和彎曲變形模態，影響到垂向乘坐舒適性的彈性模態大多數是一階彈性模態，這種模態經常發生在接近4到10 Hz的頻率范圍內，而人類往往對此頻率十分敏感[2]。為了體現車體的動態響應過程，必須考慮車體的彈性振動。此外，彈性振動除了會導致列車乘客對特定頻率范圍內的振動十分敏感，影響到其乘坐舒適度，同時也可能會導致車體疲勞，影響到車輛的動態性能和使用壽命[3][4]。

國內外針對于彈性車體的垂向振動特性做了大量研究，Dumitriu M、Carlbom等人對軌道車輛的車體結構動力學進行了全面研究。這些研究通過搭建數值仿真模型來模擬研究了車體結構在不同等級的軌面激勵作用下的彈性振動以及乘坐舒適度的差異[5][6][7];Diana G等人對主要影響車體舒適性能的參數進行了靈敏度分析，發現特定的軌道波長和車速可能會對車體模態的振動水平產生重大影響[8]。周勁松等人建立了包含結構阻尼的鐵道車輛垂向剛柔耦合動力學模型，并運用該模型，采用基于虛擬激勵法的快速平穩性算法，研究了鐵道客車車體彈性對運行平穩性的影響。研究結果表明，當車體彈性低至一定數值時，將導致車體強烈振動，運行速度越高，對車體的剛性要求越高[9]。宮島等人建立了包含車體彈性的鐵道車輛垂向剛柔耦合系統動力學模型，提出了基于格林函數法的車輛系統運動偏微分方程求解方法，計算獲得車體振動加速度功率譜及車輛運行平穩性，分析了幾何濾波與車體彈性共振的關系[10]。

安裝在車體底架上的吊掛設備是影響乘客乘坐舒適性的關鍵部件，因為他們質量往往很大，吊掛設備與車體之間的耦合振動能夠對車體的振動模態產生顯著的影響。鄔平波等人建立了一個剛柔耦合的車輛系統動力學模型，根據梁的模態分析理論對設備的懸架參數進行了優化。另外，還從車體模態的角度分析了底架設備的懸架參數與車體模態頻率之間的關系[11]。Sun W等人建立了鐵道車輛與車下懸掛設備的剛柔耦合垂向動力學模型，并利用該模型，采用協方差法分析了吊掛設備的不同懸掛方法對高速列車運行質量的影響。[12]。但是上述研究少有將吊掛設備視為動力吸振器設備（以下簡稱DVA），并利用DVA的特性消減彈性車體（歐拉伯努利梁）彈性振動的相關研究。

基于環境的亮度可調節的汽車智能前照燈的調節方法，其程序設計方法如圖4所示。

首先，基于感知模塊采集的車速信息預估當前車輛的行駛環境工況，并結合其路況的復雜程度將其劃分為低速復雜工況、中速城市工況以及高速簡單工況[6]。對于地庫、停車場、十字路口等行人車輛較多，且汽車行駛速度小于30km/h的行駛環境工況定義為低速復雜工況;對于有照明條件的城市道路、隧道、橋洞等具有一定照明條件，且汽車行駛速度小于60km/h的行駛環境工況定義為中速城市工況;對于高速公路、高架橋等道路狀況較好，且行駛速度大于60km/h的行駛環境工況定義為高速簡單工況。

其次，依據光敏傳感器采集的環境亮度信息對當前汽車所處環境的亮度進行判斷，并依據法規GB5920-2008及ECE R123計算出當前行駛環境工況下的照明亮度[7]。最后，通過主控模塊將當前汽車行駛環境亮度與最佳照明亮度進行對比，通過PID的控制方法，實現前照燈的自適應亮度調節，在兼具節能性與安全性的前提下，達到最優的照明效果[8]。

4 結論

本文針對當前汽車照明中存在的車燈亮度單一、視距較短、不能隨汽車行駛環境工況的變化自動調節亮度等問題，創新性地提出了一種基于環境的亮度可調節汽車智能前照燈系統，并對具體介紹了該系統的工作原理，同時設計了光敏傳感器電路及LED燈驅動電路。但是考慮到篇幅以及本文作者知識的局限性，目前只能做出一個較為簡潔的系統介紹。

希望文章可以對自適應前照燈系統的發展有著積極的促進作用，可以讓汽車照明亮度調節應用到更多的車輛上，真正的做到科技為人服務的目的，為汽車行業的發展做出貢獻。

參考文獻

[1] 鄭志軍.智能前照燈系統的發展[J].中國照明電器，2006（06）：8-11.

[2] 羅德智，牛萍娟，郭云雷，劉雷，孫玉楷.汽車前照大燈智能化的現狀與發展[J].照明工程學報，2017，28（05）：72-78.

[3] 高小靜.自適應前照明系統的研究[D].北京理工大學，2016.

[4] 劉新良，遲永濱.汽車AFS頭燈隨動轉向規律研究[J].機械設計與制造，2011（08）：131-133.

[5] 孟昭軍，魏生越，張祥軍，薄化鋼.汽車智能LED前照燈照明系統算法研究[J].燈與照明，2015，39（01）：30-33.

[6] 劉永斌.多種路況下智能前大燈控制系統研究[D].河南科技大學，2018.

[7] 卜偉理. AFS（前照燈自適應）系統相關法規的研究分析[D].上海交通大學，2009.

[8] 孟昭軍，魏生越，張祥軍，薄化鋼.汽車智能LED前照燈照明系統算法研究[J].燈與照明，2015，39（01）：30-33.