車下設備對車體振動的影響

宗玉成 中車長春軌道客車股份有限公司

一、車下設備對車體自振特性的影響

等效歐拉伯努利梁車體前后轉向架位置通過并聯(lián)的彈簧和阻尼進行彈性支撐，車下設備為剛體，包含浮沉和點頭2個自由度，通過橡膠彈簧與車體連接。此外，當設備懸掛系統(tǒng)是剛性時，車體振動的峰值相對于車體的垂向彎曲頻率降低了很多，這說明車下設備采用剛性懸掛降低了車體結構的垂向彎曲頻率，對車體振動起到惡化作用。而當車下設備采用彈性懸掛系統(tǒng)時，車體振動由單峰值變?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，其是因車下設備采用彈性懸掛時與車體發(fā)生了耦合振動。因此，車下設備采用彈性懸掛系統(tǒng)時能在一定程度上抑制車體的彈性振動。

二、剛柔耦合動力學仿真分析

1.建立剛柔耦合動力學模型

為建立車體彈性振動和車下設備的剛柔耦合動力學模型，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算出的子結構文件和模態(tài)計算結果文件，通過有限元與多體動力學軟件SIMPACK接口程序FEMBS生成彈性體輸入文件，再通過選取合適的標志點及特征模態(tài)等信息，生成用于動力學仿真計算的彈性車體標準輸入文件，最終完成單車剛柔耦合動力學模型的建立。模型中包含1個彈性車體、2個構架、8個軸箱、4個輪對、若干車下設備。其中對車體考慮了前30階彈性振動模態(tài)，而其他部件全部視為剛體。整個系統(tǒng)包含59個剛體自由度與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，還對車下設備的彈性懸掛系統(tǒng)進行了設置。其中橡膠彈簧被廣泛應用于軌道車輛的車下設備懸掛系統(tǒng)中，不僅能提供3個方向的剛度，還可提供一定的減振阻尼效應。有很多橡膠彈簧的簡化模型，其中描述橡膠減振器動態(tài)特性最簡單的力學模型是Kelvin-Voight模型，由單個線性彈簧和單個阻尼器并聯(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質(zhì)特性，因此，又提出一種新的描述橡膠彈簧的力學模型，在Kelvin-Voight模型中的阻尼器上增加了一個串聯(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逐漸增大。這種改進的Kelvin-Voight模型與橡膠彈簧的試驗結果匹配，可很好地描述橡膠彈簧的高頻動剛度特性。

2.仿真結果

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

（2）車下設備偏載。當車下設備安裝在車體結構不同位置時，易導致整備車體重心偏移，會加劇車體振動問題。主要存在2種偏載形式，即橫、縱向偏載。為研究偏載對車體振動的影響，本文對剛柔耦合動力學模型進行仿真分析。

車下設備橫向偏載會對車體中部的橫向平穩(wěn)性造成重要影響，對車體中部垂向平穩(wěn)性影響不大。當車下設備橫向偏載距離超出0.25 m時，對車體中部橫向平穩(wěn)性影響會急劇上升。當橫向不存在偏載時，車體橫向平穩(wěn)性指標只有1.3，一旦橫向偏載達到1 m時，車體橫向平穩(wěn)性則提高到1.9，上升幅度超過了40%，因此，在設計車下設備配置方案時應盡量減小橫向偏載的出現(xiàn)，若實在不能避免盡量控制在0.25 m之內(nèi)。

另外，車下設備縱向偏載影響車體中部的垂向平穩(wěn)性，而對車體中部橫向平穩(wěn)性的影響不是很明顯。隨著車下設備縱向偏載的增大，車體中部的垂向平穩(wěn)性指標會變大。當縱向偏載量超出2.5 m時，車輛垂向平穩(wěn)性會急劇增加。尤其在低于300 km·h-l速度情況下運行時，變化趨勢會更突出。當車下設備不存在縱向偏載時，車體垂向平穩(wěn)性指標為2.05，但當縱向偏載達到5 m時，車體垂向平穩(wěn)性指標則達到2.3，上升10%以上，因此，對車下設備縱向配重設計應盡量控制在2.5 m之內(nèi)。

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

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

此外，當車下設備懸掛頻率高于12.5 Hz時，其阻尼比對車體中部振動影響小。但當車下設備懸掛頻率低于12.5 Hz時，其阻尼比對車體中部振動會產(chǎn)生重大影響，隨著阻尼比的增加車體中部振動響應幅值會降低，因此，車下設備橡膠彈簧阻尼只有在一定范圍內(nèi)才會起作用，否則提高其阻尼基本無太大作用。