溫變對高速列車一系懸掛高頻傳振特性的影響

劉浩楠，王 奇，韓 健，關慶華，肖新標

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都610031；2.西南交通大學 機械工程學院，成都610031)

我國國土遼闊、南北跨度較大，由于緯度、季節、晝夜變化等原因，高速列車運行過程中所處的環境溫度會產生大幅度的變化。轉向架懸掛部件尤其是含橡膠材料的懸掛件和液壓減振器，結構中包含對溫度變化比較敏感的橡膠、油液等材料，溫度變化對其振動傳遞特性的影響不可忽略。高速列車一系懸掛件在轉向架系統中起到支撐和減振的作用，隨著列車速度的提高、車輪多邊形和鋼軌短波不平順加劇等原因，需要關注的輪軌激勵的頻率范圍增大，輪軌接觸處的高頻振動經轉向架一系各懸掛件傳至構架，會影響列車運行的舒適性和安全性。研究表明，當溫度改變時轉向架振動會產生變化[1]，因此，有必要研究溫度變化對高速列車一系懸掛件傳遞特性以及轉向架高頻振動的影響。

國內外學者研究發現[2]，高速列車在低溫環境下運行時，低溫對轉向架一系懸掛系統隔振性能會產生不同程度的影響，甚至會造成懸掛系統失效，影響列車運行安全。Gong等[3]建立了橡膠單元的非線性模型，考慮了溫度、振動頻率和振動幅值的相關性，研究表明，隨著溫度的降低，橡膠元件的動剛度及阻尼系數有所增加。徐騰養等[4]對我國某高速列車抗蛇行減振器進行高低溫試驗，分析了油液溫度對減振器動態特性的影響，試驗結果表明，隨著溫度的降低，減振器動態剛度增加。Alexander 等[5]建立了轉向架系統整體有限元模型，并對轉向架振動傳遞路徑進行了分析，確定了主動振動控制系統的最佳安放位置。任尊松等[6]、劉永乾等[7]在ANSYS 軟件環境下，建立了高速列車轉向架構架和輪對有限元模型，模型中對軸箱及一系懸掛進行簡化，研究了高頻載荷在轉向架系統中的傳遞規律。Liu 等[8]建立了“輪對-一系懸掛-構架”的有限元模型，探究了一系各懸掛件剛度對轉向架一系高頻隔振性能的影響。

現有研究主要針對懸掛件低頻溫變特性，對其高頻溫變特性鮮有關注。本文主要目的是研究溫變對高速列車轉向架高頻振動的影響，通過試驗得到一系懸掛件的高頻傳遞特性，并根據試驗結果建立懸掛件溫變等效模型。結合轉向架整體有限元模型，研究不同溫度下一系懸掛隔振性能及轉向架的高頻振動變化規律。研究有助于理解和掌握轉向架振動的溫變規律，可為高速列車減振降噪措施提供理論基礎。

1 懸掛件溫變特性試驗

試驗中選取我國某型高速列車的一系鋼彈簧座、一系轉臂節點和一系垂向減振器等典型一系懸掛件為試驗對象，基于自由狀態下頻響函數測試方法，分別對一系各懸掛件進行一定溫度范圍內的頻響函數測試，得到一系各懸掛件在不同溫度條件下頻響函數的變化規律。根據高速列車轉向架一系懸掛在實際裝配狀態下的受力情況，對鋼彈簧座進行軸向傳遞特性測試；對轉臂節點進行軸向和徑向傳遞特性測試；對于液壓減振器，進行兩種狀態的測試，狀態一：測量液壓減振器油液腔傳遞特性，以得到溫度對減振器油液腔（油液+套筒結構）傳遞特性的影響；狀態二：測量減振器整體傳遞特性，以得到溫度對減振器整體（橡膠節點+油液+套筒結構）傳遞特性影響。

1.1 試驗方法及步驟

通過頻響測試法獲取懸掛部件的振動傳遞特性。如圖1所示，將所測懸掛件用彈性繩懸吊，模擬自由邊界條件。在懸掛件響應點布置加速度傳感器，在激勵點布置力傳感器，將力傳感器連接電磁激振器。測試前，將所測懸掛件放入高低溫試驗箱中進行溫度控制，使其達到試驗所需溫度，溫度控制時間不少于24 h。測試時，使用激振器進行激勵，由數據采集設備采集力信號與加速度信號，最后得到所測試件頻響函數。本試驗測試的樣件來自于我國某型號高寒動車組，其最佳阻尼溫度范圍為-10 ℃～-30 ℃，因此，測試溫度范圍選取-30 ℃～30 ℃。測試溫度點為30 ℃、測試時的環境溫度為0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃。試驗時避免周圍有較大振動源，保證試件無明顯外界激勵源干擾，并且保證測試在懸掛件溫控后短時間內完成，在測試過程中使用溫度測量設備持續對所測懸掛件溫度進行監測，若發現溫度變化過大，超出百分之五，則放棄測試，試件重新放回溫控箱，待溫度達到要求后再重新進行試驗。

圖1 懸掛件測試安裝示意圖

1.2 懸掛件溫變特性結果分析

通過試驗得到不同溫度下各懸掛件頻響函數，圖2 和圖3 分別給出了不同溫度下鋼彈簧座和轉臂節點0～2 000 Hz頻段內的頻響函數測試結果。

從圖2可知，隨著溫度逐漸降低，鋼彈簧座頻響函數峰值頻率明顯向高頻偏移，并且其頻響函數峰值逐漸減小。從圖3可知，隨著溫度逐漸降低，轉臂節點徑向和軸向頻響函數峰值頻率明顯向高頻偏移，并且其頻響函數峰值逐漸減小。

圖2 鋼彈簧座頻響函數

圖3 轉臂節點頻響函數

綜上，在-30 ℃至30 ℃之間，隨著溫度逐漸降低，含橡膠材料懸掛件頻響函數峰值頻率明顯向高頻偏移，并且其頻響函數幅值逐漸減小。主要原因是：頻率大小與剛度成正比，幅值大小與阻尼成反比，隨著溫度的降低，懸掛件中橡膠材料的剛度和阻尼逐漸增大。李密等[9]對某高速列車轉臂橡膠節點進行了溫變特性試驗，研究了橡膠節點的剛度、阻尼溫變特性，得到了相同的規律。

圖4給出了不同溫度下減振器兩種狀態的頻響函數測試結果。

由圖4(a)可知，隨著溫度逐漸降低，減振器油液腔的頻響函數峰值頻率明顯向高頻偏移，并且其頻響函數幅值逐漸增大。由于測試主要關注的是高頻傳遞特性，且電磁激振器的幅值較小，可以認為在激勵過程中液壓閥趨于閉合狀態。此時的液壓油可以視為液壓彈簧，液壓彈簧的剛度與油液的體積模量有關。因此，隨著溫度的降低，體積模量增大，液壓彈簧剛度增大，從而導致頻響函數峰值頻率增大。隨著峰值頻率逐漸向高頻移動，液壓閥愈加趨于閉合狀態，導致其阻尼性降低，致使主頻幅值逐漸增大。

由圖4(b)可知，隨著溫度逐漸降低，減振器整體頻響函數峰值頻率明顯向高頻偏移，但是其頻響函數幅值在-10 ℃以上逐漸減小，在-10 ℃以下逐漸增大。由于減振器同時包含油液和橡膠，所以其傳遞特性受到橡膠和油液溫變特性共同影響。綜合以上測試結果分析，隨著溫度的降低，減振器橡膠節點和油液腔的傳遞函數峰值頻率都逐漸增大，而其幅值變化正相反。

圖4 液壓減振器頻響函數

綜上分析,在-10 ℃之前，減振器溫變特性的主導因素是橡膠節點的溫變特性；在-10 ℃之后，減振器溫變特性的主導因素是減振器油液腔的溫變特性。

2 懸掛件溫變特性仿真

為探究高速列車各懸掛件溫變特性對轉向架結構振動傳遞的影響，基于懸掛件溫變特性試驗結果，建立一系各懸掛件溫變特性等效模型，此有限元模型可模擬不同溫度下懸掛件的傳遞特性變化規律，進而結合轉向架整體有限元模型，對不同溫度下各懸掛件路徑傳遞特性進行仿真分析。

2.1 溫變特性有限元模型

根據試驗結果分析得到，溫度對懸掛件（一系轉臂節點、鋼彈簧座、液壓減振器）的影響主要體現在橡膠材料和油液腔的剛度和阻尼的變化，剛度和阻尼的變化導致了懸掛件傳遞函數的峰值頻率和幅值大小的變化。懸掛件溫變特性有限元模型的建立可等效于對橡膠材料和油液腔剛度和阻尼的模擬。

如圖5 所示，以轉臂節點和液壓減振器為例說明。轉臂節點是一種金屬-橡膠彈性元件，是軸箱與構架之間傳遞牽引力和制動力的重要連接部件，依靠中間橡膠層的彈性變形實現減振作用。轉臂節點為多層結構，可分為金屬外圈、中間橡膠層和金屬內圈，如圖5(a)所示，基于有限元建模軟件建立轉臂節點有限元模型，其中，橡膠材料粘連于在金屬內外圈中央，因此金屬與橡膠之間不存在相對移動，不同材料模型之間采用共節點方式連接,不考慮結構預應力。定義金屬內外圈鋼材料的材料屬性，根據試驗結果賦予中間橡膠層橡膠材料的材料屬性。對于鋼彈簧座和液壓減振器兩端橡膠節點，采用與轉臂節點相同的建模方法。

液壓減振器是以中間液壓油液腔為主體部分的阻尼器，兩端為橡膠節點結構。在實際工作中，振動會經液壓減振器一端橡膠節點傳至油液腔部分，經過油液腔中活塞桿、油液及內筒的相互作用消耗一部分振動能量后，傳至另一端橡膠節點。當液壓減振器在承受高頻振動激勵時，振動的幅值會很小，油液腔內的油液幾乎處于不可流動狀態，此時腔中的油液可以等效為液壓彈簧。如圖5(b)所示，在建模時，對于液壓減振器兩端橡膠節點采用與轉臂節點相同的建模方法，定義其中橡膠材料相應的材料屬性；對于液壓減振器內外筒及油液腔部分，將中間油液（液壓彈簧）部分等效為實體單元進行建模，根據試驗結果對這部分模型等效的剛度和阻尼進行賦值。將橡膠節點與液壓彈簧間的內外筒部分等效成兩個金屬桿，采用實體單元建模，賦予其相應的鋼材料的材料屬性。

圖5 懸掛件傳遞特性分析模型

在材料屬性中，彈性模量是決定材料剛度大小的參數，阻尼比是決定材料阻尼大小的參數。參照多變量曲線逼近理論，對模型的頻響函數進行計算，通過調整模型材料參數，使得仿真與測試得到的懸掛件頻響函數逼近，從而確定不同溫度下各懸掛件材料的彈性模量和阻尼比，將不同溫度下的材料參數賦予模型，得到各懸掛件溫變特性有限元模型，即可有效模擬懸掛件的溫變特性。

2.2 懸掛件溫變特性仿真結果對比

對懸掛件等效模型進行諧響應分析，得到不同溫度下懸掛件溫變特性等效模型的頻響函數。圖6給出了不同溫度下轉臂節點徑向和液壓減振器兩種狀態的頻響函數仿真結果,其中同種格式的線條代表相同溫度。

如圖6 所示，6 種不同溫度下轉臂節點、液壓減振器油液腔和液壓減振器整體頻響函數仿真結果與測試結果的頻響函數在峰值頻率和變化趨勢上均一致。仿真與測試結果吻合較好，轉臂節點及液壓減振器溫變特性有限元等效模型可有效模擬懸掛件的溫變特性。

圖6 懸掛件溫變特性仿真結果

3 轉向架振動溫變特性仿真

在實際應用中，高速列車轉向架及車體在1 000 Hz 以內的振動被定義為中高頻振動。由1.2 節可知，不同溫度下，鋼彈簧座頻響函數峰值頻率變化范圍在200 Hz～1 000 Hz 之間；轉臂節點徑向頻響函數在0～1 000 Hz之間內無明顯變化；液壓減振器頻響函數在200 Hz～1 000 Hz之間有明顯變化。為研究轉向架高頻振動溫變特性，對輪軌激勵下轉向架系統200 Hz～1 000 Hz頻段內的振動特性進行計算分析，探究懸掛件溫變特性對轉向架振動的影響。

如圖7 所示，參考我國某型高速列車轉向架結構參數[8]，建立轉向架系統高頻振動有限元模型，模型中包含一系各懸掛件溫變特性有限元模型。在應用轉向架模型進行計算前，在枕梁與車體接觸面施加半車體重量的均布載荷，同時考慮重力效應進行預應力計算，然后再進行諧響應分析，確定轉向架系統振動特性。基于懸掛件溫變特性試驗結果，按照不同環境溫度下各懸掛件材料剛度和阻尼的變化設置對應材料參數。

圖7 轉向架系統高頻振動有限元模型

根據車輪、鋼軌表面粗糙度譜實測值，采用TWINS 模型輪軌力計算方法[10]，計算得到輪軌力。如圖8所示，將垂向輪軌力分別輸入到轉向架4個車輪的名義滾動圓位置，取一系減振器上構架、鋼彈簧上構架、轉臂節點上構架及軸箱處為響應點，分別獲取轉向架減振器、鋼彈簧、轉臂節點上構架以及軸箱的垂向振動加速度，探究溫度對轉向架軸箱和構架振動加速度的影響。

圖8 轉向架測點示意圖

轉向架是一個多懸掛件耦合的系統，構架上每個響應點的振動加速度都是一系懸掛各路徑振動傳遞共同貢獻的結果。對轉向架構架3個位置振動加速度取平均加速度級，得到轉向架構架總振動加速度級，對于軸箱加速度同樣取其加速度級。

基準參考加速度取a=1×10-6m/s2。加速度級總值計算公式如下：

式中：a（ii=1,2,3,n=3）為構架3 個位置處的加速度。為研究不同溫度下轉向架系統一系懸掛的隔振性能，將構架處3個響應點的振動能量求和，將其平均值與軸箱的振動能量做比值，并以加速度級dB值表示，軸箱與構架之間在200 Hz～1 000 Hz 頻段內加速度差總值H如式(2)所示[6]。軸箱構架加速度級差在一定程度上代表了一系懸掛的隔振性。

式中：a1、a2、a3分別代表一系減振器上構架、鋼彈簧上構架、轉臂節點上構架響應點的振動加速度；a0表示軸箱處的振動加速度。

圖9 給出了200 Hz～1 000 Hz 不同溫度下轉向架構架、軸箱的加速度級總值以及軸箱構架加速度級差總值。

圖9 軸箱、構架加速度級總值及加速度級差

在30 ℃時軸箱加速度級最小，為138.4 dB，隨著溫度的降低，軸箱的加速度總值呈上升趨勢，尤其在低溫時變化最為顯著，在-30 ℃時，達到最大值151.8 dB，溫度變化導致的軸箱加速度級最大差值達13.4 dB。受軸箱加速度和一系懸掛件溫變特性影響，構架處加速度級總值隨溫度變化趨勢較為平緩，不過總體上亦呈上升趨勢，加速度級先降低，在12 ℃時最小，為130.7 dB，但隨著溫度的降低，在-30 ℃時，達到最大值134.3 dB，溫度變化導致的構架加速度級最大差值達3.6 dB。

軸箱和構架的加速度隨溫度降低呈增加趨勢，軸箱、構架加速度級差亦隨著溫度的降低而增加，主要的原因是一系懸掛中含橡膠材料的懸掛件較多，懸掛件試驗結果顯示，含橡膠材料懸掛件阻尼隨溫度降低而增加，導致軸箱的振動加速度經在一系傳遞時幅值減弱，一系懸掛隔振性能有所提高。

經初步分析可知，軸箱加速度所呈現隨溫度降低而升高的變化規律是由鋼彈簧座在高頻段（800 Hz～1 000 Hz）溫變特性所導致，在此頻段內，鋼彈簧座頻響函數幅值隨溫度降低而升高，因而影響軸箱加速度，但其具體原因還有待進一步研究。

4 結語

針對高速列車轉向架系統振動傳遞隨溫度變化問題，采取試驗與有限元仿真相結合的方法，對一系懸掛件溫變特性、轉向架一系高頻傳振特性及隔振性能進行研究，得到如下結論：

（1）含橡膠材料的懸掛件（轉臂節點、鋼彈簧座）傳遞特性受溫度變化影響較為顯著。在-30 ℃～30 ℃溫度區間，隨著溫度的降低，其峰值頻率明顯向高頻偏移，并且其頻響函數幅值逐漸減小，這主要是由橡膠材料彈性模量及阻尼隨溫度變化所導致。

（2）溫度的變化對液壓減振器傳遞特性影響較大，在-30 ℃～30 ℃區間，隨著溫度逐漸降低，液壓減振器頻響函數峰值頻率明顯向高頻偏移；其頻響函數幅值在-10 ℃以上逐漸減小，在-10 ℃以下逐漸增大，這是液壓減振器油液腔與兩端橡膠節點溫變特性共同影響的結果。在-10 ℃以上，液壓減振器溫變特性的主導因素是橡膠節點；在-10 ℃以下，減振器溫變特性的主導因素是減振器油液腔。

（3）隨著溫度降低，轉向架軸箱及構架加速度級總值總體上呈現增大的趨勢，均在-30 ℃時達到最大值；受溫度影響，軸箱最大加速度級差值達13.4 dB；相對于軸箱，構架最大加速度級差值較小，為3.6 dB。受一系懸掛件材料阻尼隨溫度降低而增大的規律影響，隨溫度降低，軸箱、構架加速度級差值呈現增加趨勢，一系懸掛隔振性能提高，-30 ℃時一系懸掛隔振效果最好。

上述結論對高速列車轉向架振動溫變特性規律進行了總結，能夠為進一步研究高速列車溫變特性提供參考。