基于顆粒阻尼的高速列車動力包構架減振研究*

王興民，許展豪，肖望強，賈尚帥，潘德闊

（1 中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035；2 廈門大學 航空航天學院，福建廈門361005）

高速動車組動力包發(fā)揮承載、導向、減振、牽引、制動的重要作用，是高速動車組的核心零部件［1-2］。高速動車組動力包構架是動力包的重要承載部分，是其他零部件安裝的基礎［3-4］，目前普遍采用在動力包構架支座處安裝橡膠隔振器的方法減少其振動，隔振效果約為80%，其振動仍需進一步被減小［5-6］。

針對此問題，文中基于顆粒阻尼研究、設計、制造一種新型的顆粒阻尼器以增加構架阻尼，減少構架振動。顆粒阻尼技術是一種被動振動控制技術：將金屬或非金屬顆粒以一定的填充率放入特定的結構空腔中，隨著沖擊或振動，顆粒與顆粒之間以及顆粒與結構空腔體內壁之間產生碰撞和摩擦，消耗系統(tǒng)能量，減少系統(tǒng)振動。研究顆粒阻尼的方法有顆粒動力學法、離散元法、多相流理論等，其中離散元方法可以更合理定量地分析顆粒阻尼器耗能情況［7］。轉向架結構不宜改動，使用時間長，而顆粒阻尼技術有對原結構改動小，耐久性好等特點，在動力包轉向架上應用顆粒阻尼技術，能有效減少其振動［8］。

基于有限元方法搭建高速列車動力包框架結構模型綜合試驗臺，通過模態(tài)測試試驗驗證模型的有效性，基于顆粒阻尼技術設計1∶3的小試試驗并優(yōu)化顆粒參數(shù)及其布置方案［9］。采集數(shù)據(jù)并分析后可知，動力包構架模型振動最多降低57.98%。基于優(yōu)化后的顆粒參數(shù)設計、制造顆粒阻尼器，在整車上進行1∶1的實車試驗并采集分析數(shù)據(jù)，在高速列車動力包構架上安裝阻尼器并進行試驗，數(shù)據(jù)表明動力包構架在主振方向上的振動平均減少55.77%。

1 動力包有限元分析

采用有限元法建立和動力包框架結構參數(shù)相同的模型，如圖1所示，劃分網(wǎng)格時使用二階四面體實體單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格過渡速度為慢。尺寸參數(shù)與動力包框架結構相同，在電機掛鉤處添加電機激勵，框架材料為碳素結構鋼，彈性模量為206 MPa，泊松比為0.3。產生相對滑移的零部件之間的摩擦系數(shù)為0.2，根據(jù)圣維南原理優(yōu)化了動力包框架結構上微小的特征和螺紋孔。

圖1 試驗構架有限元模型

模型的前3階模態(tài)頻率見表1，第2階模態(tài)頻率為23.96 Hz，第3階模態(tài)頻率為30.36 Hz，其對應的模態(tài)振型如圖2所示，主要表現(xiàn)為橫向扭轉變形和垂向擺動。

圖2 試驗構架2、3階振型圖

表1 構架模型模態(tài)頻率對比表

根據(jù)有限元分析所得的構架振型，進一步試驗測試構架的固有頻率，以驗證構架模型的有效性。

2 動力包構架模型設計

2.1 動力包構架模態(tài)試驗

將高速動車組動力包框架結構置于試驗臺上，在其上表面等間距放置24個傳感器，如圖3所示，收集其振動數(shù)據(jù)并用PolyMax法進行模態(tài)參數(shù)識別，可得各階參數(shù)見表2。

圖3 動力包構架測點布置圖

表2 構架各階模態(tài)頻率

表2中，第3階模態(tài)頻率為24.043 Hz，第4階模態(tài)頻率為30.243 Hz。動力包構架3、4階振型如圖4所示，第3階模態(tài)振型主要為構架水平方向的扭轉變形；第4階模態(tài)振型以構架垂向擺動為主，柴油機固定板處的負載使得該處相對變形量較大。

圖4 動力包構架3、4階振型

2.2 動力包構架模型模態(tài)試驗

根據(jù)構架的模態(tài)測試結果，設計與構架比例相同的1∶3試驗模型，制造動力包構架試驗模型，加工完成的試驗構架如圖5所示。采用多點輸入輸出的錘擊法對其進行模態(tài)測試，得到試驗構架的頻響函數(shù)，分析得到的試驗構架前7階頻率，見表3。

表3 轉向架前7階模態(tài)頻率

圖5 試驗構架模態(tài)試驗

試驗構架的第5階模態(tài)測試振型，主要表現(xiàn)橫向扭轉變形，對應頻率為24.05 Hz；試驗構架的第7階模態(tài)測試振型，主要表現(xiàn)垂向擺動，對應頻率為30.27 Hz，所設計試驗構架與動力包構架在相同頻率附近有相近的模態(tài)，達到設計要求。

2.3 動力包構架模態(tài)對比

由圖2和圖4對比可知，構架有限元分析模態(tài)的2階、3階振型與構架試驗模態(tài)的3階、4階振型基本相同。將表1～表3進行對比，得到仿真模態(tài)、試驗模態(tài)、模型模態(tài)的固有頻率分布，如圖6所示。

由圖6可知，有限元仿真模態(tài)、試驗測試模態(tài)、模型測試模態(tài)都在24 Hz和30 Hz附近有基本相同的振型。以轉向架構架模型為減振對象進行的減振研究工作具有說服力和有效性，對轉向架構架的減振有重要意義和應用價值。

圖6 仿真模態(tài)、試驗模態(tài)、模型模態(tài)的固有頻率分布圖

3 顆粒阻尼器參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗臺設計

在動力包構架模型的基礎上，搭建包括激振系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在內的試驗平臺，各個運行工況下動力包構架的振動測試結果如圖7所示。

圖7 不同檔位下動力包構架振動加速度圖

在前7擋，動力包構架的振動隨著電機檔位的提高而變大，當動力包構架在7檔運行時，其振動最大，使用激振器模擬動力包構架在7檔時所受到的振動。在搭建試驗平臺后，以試驗為主要方法，研究并優(yōu)化顆粒阻尼器布局方法及其填充率，阻尼顆粒粒徑及其材料等參數(shù)。

3.2 顆粒阻尼器布局優(yōu)化

將動力包構架劃分為6個區(qū)域并對應6種方案，如圖8所示，分別在6個區(qū)域上填充等質量的不銹鋼阻尼顆粒，在電機掛鉤處添加70 Hz的激勵，分別采集4個測點的振動加速度并取平均值，將結果與無顆粒情況下動力包構架的振動進行對比，結果見表4。

圖8 顆粒阻尼器布局方案

由表4可知，方案2、方案4、方案5、方案6減振效果明顯比其他方案好，其他2個減振效果較差。在2、4、5、6號模態(tài)區(qū)上添加阻尼顆粒，使用的阻尼顆粒總質量不變，得到4個測點的平均減振效果為40.20%。

表4 各個方案減振效果對比表

由圖9可知，將顆粒填入2號、4號、5號、6號模態(tài)區(qū)時，阻尼顆粒的減振效果最好。

圖9 各個方案減振效果對比圖

3.3 阻尼顆粒材料優(yōu)化

在圖10中的激勵位置分別添加相同振幅和頻率的激勵，掃描頻率包含構架工作的各個工況的激勵頻率。按照上文中所得的優(yōu)化填充方案，選擇顆粒規(guī)格為直徑3 mm的光滑碳鋼（表面鍍鋅）顆粒、鐵合金顆粒、不銹鋼顆粒、銅合金顆粒、鉛合金顆粒、鎢合金顆粒，分別統(tǒng)計使用不同材質阻尼顆粒后結構響應的均方根值，測得減振效果如圖10所示，圖中所用數(shù)據(jù)見表5。

圖10 不同粒徑減振效果對比圖

在主振方向上，結構在填充鎢合金后響應值最小，減振效果最佳，其次是銅合金顆粒。在非主振方向，鎢合金顆粒減振效果較好，碳鋼和銅合金次之，鉛合金最差。鎢合金的經(jīng)濟性較差，最終選用不銹鋼材質的阻尼顆粒。

3.4 阻尼顆粒直徑優(yōu)化

在相同工況和填充方案的基礎上，研究鐵合金顆粒最佳粒徑，分別統(tǒng)計填充0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm鐵合金顆粒的結構模型響應值如圖11所示。

圖11 不同粒徑減振效果對比圖

表6 不同粒徑下結構響應對比表

這是因為顆粒耗能主要由碰撞與摩擦耗能組成，在不同的顆粒直徑填充下，顆粒的主要耗能方式不同。當顆粒粒徑太小時，接觸面大幅增大，摩擦耗能多，非彈性碰撞耗能降低，顆粒不能充分運動；當顆粒粒徑太大時，單次碰撞耗能增大，但過少的顆粒減少碰撞和摩擦的次數(shù)，耗能減少，減振效果變差；在粒徑適當時，顆粒之間碰撞與摩擦充足，耗能高。

3.5 顆粒阻尼器填充率優(yōu)化

維持工況和填充方案不變，分別測試填充率為70%、80%、90%、95%的顆粒阻尼器的減振效果對比如圖12所示，圖中所用數(shù)據(jù)見表7。

圖12 不同填充率減振效果對比圖

表7 不同填充率減振效果對比表

由表7可知，在相同的情況下，填充率為90%的顆粒阻尼器顆粒阻尼效果最佳，選擇不銹鋼材質、粒徑2 mm的阻尼顆粒，填充率90%的顆粒阻尼器對動力包構架進行減振試驗，減振效果為57.98%。當顆粒阻尼器填充率過高時，顆粒之間可運動的間隙減少，摩擦和碰撞受到限制，顆粒耗能不足；當顆粒阻尼器填充率太低時，顆粒和顆粒阻尼器之間的非彈性碰撞和摩擦次數(shù)減少，所以耗能減少。在此情況下，顆粒填充率和顆粒粒徑的參數(shù)分別為90%和2 mm時減振效果最佳。

綜上所述，最終使用的優(yōu)化方案為：阻尼顆粒粒徑2 mm，填充率90%，材質為不銹鋼，添加在2、4、5、6號模態(tài)區(qū)。在動力包框架結構模型綜合試驗臺上進行1∶3的小試試驗，減振效果為57.98%。

4 轉向架構架減振試驗

4.1 顆粒阻尼器制造及安裝

依據(jù)試驗所得的最優(yōu)參數(shù)，設計制造顆粒阻尼器并填充2 mm的不銹鋼阻尼顆粒，填充率為90%。顆粒阻尼器采用矩形扁平結構外形。為了保持轉向架的結構完整以及較好的試驗效果，試驗采用磁鐵貼合的方式連接阻尼器和動力包框架結構，如圖13所示。阻尼器底部平整以更好的貼合磁鐵，阻尼器相關參數(shù)為上文所得的最優(yōu)顆粒參數(shù)。

圖13 阻尼器裝配圖

4.2 轉向架構架減振試驗設備

以列車運行時的工況為準，列車電機檔位分別為怠速以及1～8檔，以構架與車廂接觸的4個邊角為測點，統(tǒng)計比較安裝顆粒阻尼器前后構架各個測點的振動加速度及響應曲線。

4.3 減振試驗結果及分析

第7檔是結構響應加速度值最大的檔位，第8檔是列車運行過程中速度最快的檔位，安裝粒子阻尼器前后第7檔、第8檔的減振效果見表8。在垂向（主振方向），當列車在第7檔運行時，減振前構架的響應加速度均方根值為0.615 m/s2；減振后結構的響應加速度均方根值為0.272 m/s2，減振效果達到55.77%。當列車在第8檔運行時，減振前結構的響應值為0.492 m/s2；減振后結構的響應加速度均方根值降低為0.237 m/s2，減振效果為51.83%。

表8 各工況下振動加速度

為更直觀觀察安裝阻尼器前后的減振效果，選取振動較大的一號測點垂向數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析，如圖14、圖15所示。其中紅色線為未增加顆粒阻尼器時結構的響應曲線，黑色線為增加顆粒阻尼器后結構的響應曲線。由圖可知無論列車在第7檔還是第8檔運行，顆粒阻尼器都具有顯著的減振效果。對比實驗室構架與實際構架的減振效果，兩者減振效果基本吻合，說明基于模態(tài)參數(shù)設計的模型可以很好的表征實際研究對象的振動特性，具有較強的工程實踐意義。

由圖14可知，對于7檔和8檔2個工況，安裝顆粒阻尼器后，動力包框架的振動明顯減少。由圖15可知，對于大于200 Hz的高頻振動，顆粒阻尼器減振效果更加突出。

圖14 增加粒子阻尼器前后結構響應曲線（時域）

圖15 增加粒子阻尼器前后結構響應曲線（頻域）

5 結論

（1）搭建高速動車組動力包框架結構模型綜合試驗臺，設計4個組別共計21種顆粒阻尼填充方案，以減振前后構架加速度變化量為衡量減振效果的標準，試驗對比分析得到顆粒阻尼器填充率和顆粒材質、粒徑的最優(yōu)參數(shù)，最終減振效果達到了57.98%。通過試驗驗證了有限元計算結果并證實將顆粒阻尼減振技術應用于高速動車組動力包上可以取得良好的效果，試驗證實了該技術具備進行實車試驗的可行性。

（2）在顆粒阻尼器布局優(yōu)化試驗中出現(xiàn)安裝顆粒阻尼器后結構模型出現(xiàn)了振動基本不減少的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的原因是在部分試驗方案中由于阻尼器設置造成系統(tǒng)質量的不平衡，且系統(tǒng)處于非剛性連接狀態(tài)。這種現(xiàn)象也啟示在后續(xù)設計工作應注意動力包構架的質量平衡性。

（3）根據(jù)模型對比試驗所得的參數(shù)設計實車減振方案，最終取得了目標工況下振動降低55.77%的良好效果，顆粒阻尼技術對200 Hz以上高頻振動的減振效果更為明顯。實車試驗證實了有限元仿真和模型試驗的有效性，將顆粒阻尼應用于高速動車組動力包構架減振的可行性。