一種軌道工程車車體振動原因分析及隔振優化措施探討

張高鋒

摘要：本文對一種軌道工程車出現車體振動過大的現象，參照標準TB/T 3550.1-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體：客車車體》并結合有限元分析軟件，從動力裝置與車體結構方面分析、探討其產生振動的原因及隔振優化措施。

關鍵詞：軌道工程車;車體振動;有限元分析;隔振優化

中圖分類號：[U273.1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0071-02

0 ?引言

目前我國鐵路技術裝備水平的快速提升、運輸能力的快速擴充，以適應經濟社會又好又快發展對鐵路運輸的迫切要求。振動作為一種普遍存在的現象在軌道交通牽引機車上同樣存在，通常有規律輕微的振動對機車及車內司乘人員并不會產生太大影響，然而當車輛由于自身結構、動力裝置、外界環境等因素變化而產生較大振動，甚至共振時，不僅會使車輛各零部件故障率增加，同時也會導致機破、臨修等事件概率的大幅上升，久而久之甚至會危及人員安全[1-2]。

該軌道工程車為內燃電傳車，內燃電傳車以內燃機作為動力來源，輸出的能量通常作用到發電機上，發出的電能經過一系列的變換最終提供給牽引電機，用于驅動電機旋轉，帶動輪對運動，實現機車移動。因此，內燃傳動機車的振動也多與其內燃機、發電機等存在一定聯系，本文從動力裝置與車體結構方面出發，分析、探討其產生振動的原因及隔振優化措施。

1 ?整車設計來源及車體結構介紹

1.1 整車設計來源

該型重型軌道車是以某半車棚軌道車為原型車（以下簡稱原型車），原型車主要用于200km/h及以上線路維修中的材料、工具、人員運輸，可作為各種鐵路施工和信息化檢測技術的設備裝載平臺，也可適應我國其它標準軌距的鐵路。整車形式如圖1所示。

1.2 車體結構介紹

該型重型軌道車在原型車設計基礎沿用動力配置并將車棚形式由半棚改為全棚，并沿用動力系統配置。該車車體為整體承載式結構，整體承載式車體均為棚式車體[3]。車體長21000mm，寬3100mm，定距為14500mm。車體包括車架和車棚，自重20t，車體外形圖如圖2所示。

2 ?振動原因分析

整車運行過程中振源主要為輪軌關系、自身動力系統等，本文從動力系統配置與車體結構方面進行分析。通過對動力系統、隔振系統、車體模態分析方面查明車體振動原因。

2.1 原型車動力系統及車體配置情況

原型車發動機為采用12.8L的電噴柴油發動機，在柴油機額定轉速1800rpm時，柴油機激振頻率為30Hz。此類車輛采用大功率的內燃機，傳遞能量大，因此配備隔振系統吸收發電機組振動能量及衰隔振動。

以發動機為基準建立隔振裝置坐標系，X方向為柴油機的曲軸軸線方向，以發動機的寬度方向為Y方向，以垂直方向為Z方向，隔振系統坐標系示意圖如圖3所示。隔振系統垂直方向固有頻率為12.40Hz，見表1。

對于不同的機車發電機組垂向激勵力對應的隔振效果如圖4所示，可知該隔振系統在30Hz激勵下隔振效果為70%，其具有良好的穩定性和隔振性能。

標準TB/T 3550.1-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體：客車車體》要求車體的剛度應確保整備狀態下車體的一階彎曲自振頻率與轉向架的點頭和浮沉自振頻率的比值大于1.4或車體的一階垂向彎曲自振頻率不低于10Hz[4]，經有限元仿真計算，原型車模態分析結果顯示車體的垂向彎曲固有頻率為11Hz大于10Hz，滿足標準剛度要求，車體垂向彎曲振型如圖5所示。

綜合以上計算，在柴油機額定轉速1800rpm時，柴油機基頻為30Hz，其共振頻率范圍為～30×Hz（約為21～42Hz），車體的垂向彎曲固有頻率為11Hz，遠離額定轉速下柴油機基頻共振范圍，整車運行過程中，未出現共振現象，車輛使用狀況良好。

2.2 該重型軌道車車體振動原因分析

該型重型軌道車在原型車設計基礎沿用動力配置并將車棚形式由半棚改為全棚，并沿用其動力系統配置。經有限元仿真分析，車體的一階垂向彎曲振動頻率為26.91Hz大于10Hz，滿足標準剛度要求，車體垂向彎曲振型如圖6所示。

車體一階垂向彎曲振動頻率26.91Hz處于柴油機基頻共振范圍～30×Hz（約為21～42Hz）內，故整車運行過程中，出現車體易出現振動過大現象。

3 ?隔振優化建議

根據上述分析可知，該型軌道工程車由于車體一階垂向彎曲自振頻率接近柴油機基頻引起整車運行過程中出現車體振動過大現象，結合隔振系統作用及發電機組選型、車體結構設計多方面考慮，可從以下三個方面進行隔振優化：

①選擇適配的隔振系統。在不改變發電機組選型及車體結構的基礎上，提升隔振系統隔振效果以衰隔振動，可參考選取在30Hz激勵下隔振效果為90%以上的隔振系統，此優化方案在整車成型后最容易實施。

②更改發動機選型，改善額定轉速下柴油機基頻。在兼顧隔振系統等其他系統穩定性基礎上，使額定轉速下柴油機基頻遠離車體一階垂向彎曲振動頻率，此優化方案在整車成型后更改難度較大。

③優化車體結構，優化車體一階垂向彎曲固有頻率，使車體一階垂向彎曲固有頻率遠離額定轉速下柴油機基頻，此優化方案在整車成型后更改難度最大。

4 ?結論

本文從動力裝置與車體結構方面對該型軌道工程車輛車體振動過大原因進行分析，提出有效的隔振優化建議并評估各措施實施難易程度，對于提高該型軌道工程車使用體驗及運行壽命有重大意義，也為類似車輛設計及隔振方法選擇提供參考。

參考文獻：

[1]段欣欣.大功率交流傳動內燃機車振動測試分析及處理方法[J].鐵道機車與動車，2017（3）：27-30.

[2]蔣濟雄.我國軌道交通牽引機車振動研究現狀分析[J].機械工程師，2015（5）：139-141.

[3]鮑維千.內燃機車總體及走行部[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[4]國家鐵路局.TB/T 3550.1-2019，機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體：客車車體[S].