鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械司機(jī)室減振系統(tǒng)的研究

李 杰

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，工作環(huán)境的舒適性越來越為人們所重視，機(jī)車的振動作為衡量司乘人員工作舒適性的一個重要指標(biāo)[1]。 這一指標(biāo)同樣適用于鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械，鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械由于車輛工作性質(zhì)振動問題尤為突出，開展鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械司機(jī)室減振研究顯得尤為重要。

1 常用隔振器

鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械整機(jī)中主要運用到以下兩種隔振形式：一種為主動隔振，又稱為積極隔振，例如，在發(fā)動機(jī)、主發(fā)電機(jī)組等激振源與車體鋼結(jié)構(gòu)之間增加彈性支承結(jié)構(gòu)，以降低自身振動向車架傳遞；另一種隔振形式為被動隔振，又稱為消極隔振，是將主動、半主動元件引入到振動系統(tǒng)中，以不同的控制策略針對工作環(huán)境改變這些元件參數(shù)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)振動特性的目的，例如，在司機(jī)室與車架之間增加彈性支承結(jié)構(gòu)，以降低車架振動向司機(jī)室的傳遞。 司機(jī)室設(shè)計過程中，多采用被動隔振的方式達(dá)到減振目的，常用的隔振器為板式減振器和杯式減振器，如圖1 所示。

圖1 常用隔振器

2 隔振器壓縮試驗

司機(jī)室的隔振效果主要取決于懸置元件以及其參數(shù)的選取[2]，通過壓縮試驗平臺采集試件的位移-力曲線。 橡膠板規(guī)格：25 mm×180 mm×300 mm，壓縮板式減振器的橡膠板時，上下各用一塊平直鋼板夾住試件，以保證試件受力均勻，如圖2（a）所示；壓縮杯式減振器時，將試件放入加工好的套筒型工裝，以保證試件中部橡膠正常剪切變形，如圖2（b）所示。 由于橡膠屬于非線性材料，壓縮過程需緩慢進(jìn)行，以保證位移-力曲線的準(zhǔn)確性。

圖2 試驗過程

試驗采集了板式減振器的兩種橡膠板（紅、棕）、杯式減振器的位移（mm）-力曲線（KN），每組試驗包含三個試件。

橡膠板（紅）壓縮量10 mm，試驗數(shù)據(jù)如下：

圖3 橡膠板（紅）壓縮10 mm

試驗結(jié)果： 三個試件位移-力曲線的變化趨勢一致，同材質(zhì)不同試件在相同位移下力的差異很小，即：材料屬性及形狀尺寸決定了該橡膠板的位移—力曲線特性。此外，在10 mm 的壓縮量范圍內(nèi)，該種橡膠板的剛度變化不大。

橡膠板（棕）壓縮量10 mm，試驗數(shù)據(jù)如下：

圖4 橡膠板（棕）壓縮10 mm

試驗結(jié)果可得： 三個試件位移-力曲線的變化趨勢是一致的，同材質(zhì)不同試件在相同位移下力的差異很小。此外，在10 mm 的壓縮量范圍內(nèi)，該種橡膠板的剛度變化也不大。

杯式減振器壓縮量10 mm，試驗數(shù)據(jù)如圖5 所示：

圖5 杯式壓縮10 mm

試驗結(jié)果可得：三個試件位移-力曲線的變化趨勢是一致的，同材質(zhì)不同試件在相同位移下力的差異很小，此外，在10 mm 的壓縮量范圍內(nèi)，該杯式減振器的剛度基本為恒定值。

對比板式減振器兩種橡膠板和杯式減振器的位移-力曲線，如圖6 所示：

圖6 位移-力曲線對比

綜合試驗可得：在10 mm 壓縮范圍內(nèi)，剛度：橡膠板（紅）＞橡膠板（棕）＞杯式減振器。

3 理論分析及試驗數(shù)據(jù)處理

在選用隔振器時，必須明確振動系統(tǒng)的主要激勵頻率及隔振器的適用范圍。

隔振器適用范圍：

式中：f 為激勵頻率；f0為隔振器固有頻率。

當(dāng)隔振系統(tǒng)阻尼系數(shù)D≤0.2 時 （一般橡膠具有不大的阻尼，通常不考慮），隔振器固有圓頻率可寫作：

式中：kd為隔振器動剛度；m 為隔振器承重質(zhì)量。

又有：

式中：f 為隔振器固有頻率。

聯(lián)立則有：

通過試驗獲取的隔振器位移-力曲線可以得到隔振器的靜剛度ks，而橡膠的動靜剛度比是材料自身的特性，一般來說橡膠的變形量不超過橡膠受試方向厚度的20%時， 隔振器在以不超過橡膠厚度的5%的振幅和5～60 Hz 交變載荷作用下，動靜剛度比的范圍為1.2～1.5，本文取動靜剛度比 n=1.5，則有：

根據(jù)式（4）及試驗數(shù)據(jù)，求得常用隔振器載荷-固有頻率曲線如圖7 所示：

圖7 載荷-固有頻率曲線

由上圖可知，在1～10 kN 的載荷范圍內(nèi)，隨著載荷增大，隔振器的固有頻率減小，且固有頻率：杯式減振器＜板式減振器（棕）＜板式減振器（紅）。

4 隔振器適用范圍

橡膠隔振器在重載下會有較大蠕變（特別在高溫時），不應(yīng)受超過15%～20%（壓縮）或20%～30%（剪切）的持續(xù)變形。 若司機(jī)室采用四個相對重心對稱分布的隔振器進(jìn)行支承，計算各隔振器在允許變形量范圍內(nèi)（壓縮容許變形取15%，剪切容許變形取20%）的載荷區(qū)間（司機(jī)室重量下限取1 600 kg）及對應(yīng)的固有頻率，如表1 所示。

*表示：杯式減振器壓縮到極限位置時，壓縮量為10 mm，而非20%的剪切允許變形量。

表1 隔振器變形量及固有頻率

上表2 中適用頻率下限為適用的最小激勵頻率，即當(dāng)激勵頻率≥適用頻率下限時，所選隔振器可起到良好的隔振效果。 板式減振器（紅）相比板式減振器（棕）可以承受更大的載荷，但當(dāng)載荷均在兩者的允許范圍內(nèi)時，板式減振器（棕）可以達(dá)到更低的固有頻率，即隔振效果更佳。 杯式減振器適用于相對更低的激勵頻率。 隔振器具體選用時，可參照表2 及圖7。

選用隔振器時，先確定主要振動激勵源的激勵頻率，再根據(jù)司機(jī)室重量選擇合適的隔振器。 例如，主要激勵頻率為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)頻，頻率為30Hz，司機(jī)室重量為1 600 kg，選用四個隔振器，則單個隔振器載荷為400kg，根據(jù)圖7 可得，在400 kg 載荷下，杯式減振器固有頻率為9.8 Hz，板式減振器（棕）為13.1 Hz，板式減振器（紅）為14.9 Hz，對應(yīng)的適用頻率下限分別為24.5 Hz、32.8 Hz、37.3 Hz，激勵頻率大于杯式減振器適用頻率下限，但小于板式減振器（棕）、板式減振器（紅）適用頻率下限，故應(yīng)選用杯式減振器作為司機(jī)室隔振器，以起到良好的隔振效果。

一般情況下，車輪轉(zhuǎn)頻在10 Hz 以內(nèi)，軌面激勵頻率則更低（2 Hz 以內(nèi)），故常用隔振器對于輪軌激勵來說是起不到有效隔振作用的， 甚至還會將振動放大。 此外，當(dāng)激勵頻率很低時，隔振系統(tǒng)固有頻率必須足夠低，這意味著彈性元件的剛度要很小，但剛度很小的隔振系統(tǒng)往往會在一定載荷下產(chǎn)生彈性元件失穩(wěn)現(xiàn)象，或因超過彈性極限而失去隔振意義，因此，在這種情況下，應(yīng)通過轉(zhuǎn)向架（金屬彈簧可以達(dá)到更低的固有頻率）隔離低頻振動。 若主要激勵頻率為低頻，建議司機(jī)室直接與車架焊接或剛性連接，以避免隔振器起到副作用。

表2 隔振器適用頻率范圍

5 結(jié)語

通過壓縮試驗獲取了特定隔振器的力學(xué)參數(shù)，并運用理論分析的方法， 確定了隔振器的適用范圍，為隔振器選型提供依據(jù)。 同時，給出了司機(jī)室隔振器的選型方法，為司機(jī)室減振設(shè)計提供理論依據(jù)。