高速列車(chē)整備車(chē)體諧振分析

于金朋，余建勇，張立民

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031;2.中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035)

0 引言

高速列車(chē)車(chē)體主要是由鋁合金車(chē)體、車(chē)體設(shè)備以及各連接件組成，車(chē)輛系統(tǒng)振動(dòng)不僅包含車(chē)體結(jié)構(gòu)固有的剛體振動(dòng)和彈性振動(dòng)，還包含各設(shè)備的剛體和彈性振動(dòng)，整備車(chē)體是一個(gè)剛?cè)狁詈系南到y(tǒng)，其各階振動(dòng)模態(tài)由車(chē)體結(jié)構(gòu)的剛體振動(dòng)、彈性振動(dòng)以及設(shè)備的剛體振動(dòng)和彈性振動(dòng)疊加而成.

高速車(chē)體在線(xiàn)路運(yùn)行中，在軌道不平順的隨機(jī)激勵(lì)等作用力下，車(chē)體將產(chǎn)生各階模態(tài)耦合振動(dòng).此外，車(chē)下吊掛設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)(電機(jī)因旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡產(chǎn)生振動(dòng)，變速箱內(nèi)部因齒輪嚙合撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)等［1］)容易與車(chē)體之間產(chǎn)生諧振，造成振動(dòng)加劇，從而損害車(chē)體、車(chē)下吊掛設(shè)備以及設(shè)備與車(chē)體的聯(lián)接件.

1 諧振避免原則

車(chē)體振動(dòng)是多部位、多振源以及多種形式振動(dòng)的疊加.為避免車(chē)體和設(shè)備諧振，除計(jì)算車(chē)體垂向振動(dòng)頻率外，還應(yīng)分析計(jì)算設(shè)備振動(dòng)頻率.根據(jù)振動(dòng)學(xué)原理可知，當(dāng)設(shè)備安裝剛度K和質(zhì)量M已知時(shí)，設(shè)備振動(dòng)頻率

車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車(chē)內(nèi)部件和車(chē)體結(jié)構(gòu)的參數(shù)眾多，而決定整備車(chē)體一階垂彎振動(dòng)頻率的參數(shù)主要是車(chē)體和設(shè)備的剛度、質(zhì)量、振動(dòng)頻率等固有參數(shù).本文從車(chē)體和設(shè)備的質(zhì)量匹配、剛度匹配和頻率匹配三方面來(lái)研究車(chē)體與設(shè)備之間的諧振.

1.1 設(shè)備和車(chē)體質(zhì)量匹配

整備車(chē)體系統(tǒng)二系垂向懸掛剛度較小，車(chē)體的前兩階模態(tài)主要表現(xiàn)為車(chē)體結(jié)構(gòu)的垂向剛體振動(dòng)和點(diǎn)頭剛體振動(dòng)，而三階和四階模態(tài)則隨設(shè)備參數(shù)的不同，包含不同成分的車(chē)體結(jié)構(gòu)與設(shè)備的垂向剛體振動(dòng)以及車(chē)體結(jié)構(gòu)的一階垂彎振動(dòng).

結(jié)合理論分析，當(dāng)設(shè)備的質(zhì)量較小時(shí)(小于車(chē)體結(jié)構(gòu)(含剛性安裝設(shè)備)質(zhì)量的1/10)，設(shè)備參數(shù)對(duì)整備車(chē)體一階垂彎頻率影響較小，此時(shí)可考慮設(shè)備采用剛性安裝方，當(dāng)設(shè)備的質(zhì)量較大時(shí)(大于車(chē)體結(jié)構(gòu)(含剛性安裝設(shè)備)質(zhì)量的1/10)，應(yīng)考慮彈性安裝方式.

1.2 設(shè)備和車(chē)體剛度匹配

車(chē)體被隔振設(shè)備的非剛性對(duì)隔振效果有較大的影響，可以通過(guò)四端參數(shù)方法進(jìn)行分析.車(chē)下設(shè)備通過(guò)彈性安裝在車(chē)體上，設(shè)備本身部分假設(shè)成為絕對(duì)剛體，其質(zhì)量為M.設(shè)備安裝角可假設(shè)成為一個(gè)受剪的短梁.相當(dāng)于認(rèn)為設(shè)備角座受載荷時(shí)，由于彎曲而引起的變形將大于由剪切引起的變形，理論上按照剪切計(jì)算.設(shè)備角座的質(zhì)量mF，垂向復(fù)剛度為，隔振器為橡膠隔振器時(shí)其剛度為 K*，其簡(jiǎn)化模型如圖1所示.

圖1 彈性角座設(shè)備的彈性安裝簡(jiǎn)化模型

由于角座的剛度和隔振器的剛度相當(dāng)于串聯(lián)情況，故彈性支承裝置的固有頻率可以按下式子進(jìn)行計(jì)算:

NR是當(dāng)設(shè)備角座阻尼損耗因子和橡膠阻尼損害因子ηF，ηI同時(shí)為零時(shí)，傳遞率的第一個(gè)峰值.可以用下式進(jìn)行計(jì)算:

當(dāng) γF及γ很大時(shí).圖2為設(shè)備彈性角座的傳遞率曲線(xiàn)，圖中=40，γ =5，25，100，角座阻尼耗散因子為 ηF=0.01，隔振器阻尼耗散因子 ηI=0.05.當(dāng) γF和 γ相當(dāng)大時(shí)(γ＞5)，則角座第一個(gè)共振頻率的數(shù)值解為:

圖2 設(shè)備角座彈性傳遞率曲線(xiàn)

通過(guò)圖中可以看出角座剛度KF與隔振器剛度K之比增大時(shí)，高頻波動(dòng)效應(yīng)相對(duì)減小.因而ω1越大越好，為此設(shè)計(jì)時(shí)要求設(shè)備角座剛度和質(zhì)量之比越大越好［2-3］.

選用橡膠件的剛度時(shí)，應(yīng)考慮橡膠件的靜、動(dòng)剛度變化范圍，保證在橡膠件動(dòng)剛度下，設(shè)備的剛體垂向振動(dòng)頻率不大于車(chē)體結(jié)構(gòu)(含剛性安裝設(shè)備)一階垂彎頻率的.

1.3 設(shè)備和車(chē)體頻率匹配

設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于各種激勵(lì)因素的存在，振動(dòng)通常不可避免.振動(dòng)不但影響設(shè)備的正常工作，還會(huì)影響車(chē)體本身結(jié)構(gòu)和部件的損害或降低使用壽命，因而有效地隔離振動(dòng)是列車(chē)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題［4-5］.為減小振動(dòng)的傳遞，通常在設(shè)備與車(chē)體之間加裝彈簧或橡膠等隔振材料，相當(dāng)于在設(shè)備和車(chē)體之間有彈簧和阻尼器隔開(kāi).

為避免設(shè)備與車(chē)體結(jié)構(gòu)(含剛性安裝設(shè)備)一階垂彎發(fā)生共振而導(dǎo)致整備車(chē)體一階垂彎頻率急劇減小，大質(zhì)量設(shè)備的垂向剛體振動(dòng)頻率應(yīng)小于倍車(chē)體結(jié)構(gòu)(含剛性安裝設(shè)備)一階垂彎頻率.在設(shè)備的垂向剛體振動(dòng)頻率小于倍車(chē)體結(jié)構(gòu)一階垂彎頻率的前提下，增加設(shè)備的垂向剛體振動(dòng)頻率有助于提高整備車(chē)體的一階垂彎頻率［6-7］.

2 設(shè)備與車(chē)體諧振

2.1 諧振計(jì)算

在ANSYS環(huán)境下，以某高速列車(chē)車(chē)體為研究對(duì)象，分析設(shè)備剛度對(duì)車(chē)體的影響.分別對(duì)該車(chē)車(chē)體和整備狀態(tài)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，確定3種計(jì)算工況進(jìn)行分析.

(1)對(duì)車(chē)體進(jìn)行仿真分析，此種工況下車(chē)體上無(wú)設(shè)備.表1列出了車(chē)體結(jié)構(gòu)各階自振頻率;車(chē)體一階垂彎模態(tài)振型圖，如圖3所示;

表1 車(chē)體自振頻率

(2)車(chē)體為整備整備狀態(tài)(橡膠靜剛度，單輔變流器剛性安裝)，車(chē)下部分設(shè)備和車(chē)體的垂向模態(tài)參數(shù)如表2.車(chē)體整備狀態(tài)一階垂向彎曲振動(dòng)頻率為12.147 Hz，如圖4所示;

圖3 車(chē)體一階垂彎模態(tài)振型圖

表2 車(chē)體自振頻率

圖4 廢排單元?jiǎng)傮w垂向振動(dòng)與車(chē)體一階垂彎耦合

(3)車(chē)體為整備整備狀態(tài)(橡膠動(dòng)剛度，單輔變流器剛性安裝)，車(chē)下部分設(shè)備和車(chē)體的垂向模態(tài)參數(shù)如表3所示;車(chē)體整備狀態(tài)一階垂向彎曲振動(dòng)頻率為11.215 Hz，如圖5所示.

通過(guò)以上仿真計(jì)算，對(duì)車(chē)下設(shè)備和車(chē)體諧振分析如下:

在車(chē)體整備狀態(tài)(橡膠靜剛度、單輔變流器剛性安裝)下，廢排單元的垂向振動(dòng)與車(chē)體的一階垂彎模態(tài)在12.147 Hz處相疊加，垂向產(chǎn)生共振。廢排單元?jiǎng)傮w的垂向振動(dòng)、單輔變流器垂向振動(dòng)、車(chē)體的一階垂彎模態(tài)在12.416 Hz產(chǎn)生諧振.

車(chē)體整備狀態(tài)振動(dòng)模態(tài)(橡膠動(dòng)剛度、單輔變流器剛性安裝)下，牽引變流器剛體垂向振動(dòng)與車(chē)體的一階垂彎模態(tài)在11.215 Hz處發(fā)生諧振，變壓器剛體垂彎振動(dòng)、車(chē)體一階垂彎、開(kāi)關(guān)柜安裝處地板局部振動(dòng)在11.574 Hz處發(fā)生共振.

表3 車(chē)下部分設(shè)備和車(chē)體的垂向模態(tài)參數(shù)

圖5 牽引變流器剛體垂向振動(dòng)+車(chē)體一階垂彎

2.2 諧振分析

經(jīng)過(guò)對(duì)該高速列車(chē)車(chē)體的仿真分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)車(chē)體的一階垂彎頻率在11～14 Hz，而車(chē)體彈性安裝的設(shè)備中變壓器及冷卻單元、牽引變流器、輔助變流器和冷卻器的質(zhì)量較大，應(yīng)避開(kāi)11～14 Hz頻率段，以避免發(fā)生諧振;

(2)為了提高車(chē)體整備狀態(tài)一階垂彎頻率，單輔變流器的安裝應(yīng)為剛性安裝，而車(chē)下設(shè)備的懸掛剛度應(yīng)保持低的剛度值，不應(yīng)大于4倍靜剛度;

(3)由于車(chē)體地板為大的薄板，其剛度較小，當(dāng)單輔變流器的安裝架直接焊接在地板上時(shí)，將引起地板發(fā)生較大的垂向振動(dòng)，焊縫(尤其是橫向焊縫)容易出現(xiàn)疲勞裂紋;

(4)為了提高車(chē)體整備狀態(tài)一階垂彎頻率，單輔變流器的安裝應(yīng)為剛性安裝，而車(chē)下設(shè)備的懸掛剛度應(yīng)保持低的剛度值，根據(jù)該車(chē)的計(jì)算，不應(yīng)大于4倍靜剛度;

(5)考慮到車(chē)上所有設(shè)備的安裝均會(huì)出現(xiàn)單輔變流器安裝的問(wèn)題，即安裝架焊接在地板上將引起地板大的振動(dòng)，且容易導(dǎo)致焊縫裂紋.因此可采用像車(chē)下設(shè)備吊掛一樣的結(jié)構(gòu)，在底架邊梁的上平面安裝滑塊與安裝座，并通過(guò)銷(xiāo)與設(shè)備安裝架相連，同時(shí)考慮選用一定剛度的橡膠墊，用于減振.

3 懸掛與車(chē)體諧振研究

3.1 車(chē)體模態(tài)參數(shù)

將提取的車(chē)體各階模態(tài)參數(shù)總結(jié)如表4.

表4 車(chē)體模態(tài)參數(shù)表

不同速度級(jí)別下，該車(chē)構(gòu)架空簧座測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的主要頻率.如表5所示.

表5 車(chē)體構(gòu)架空簧座振動(dòng)頻率表

3.2 諧振分析

(1)在200 km/h和390 k m/h速度下，該車(chē)懸掛系統(tǒng)橫向振動(dòng)與車(chē)體搖頭頻率接近，容易產(chǎn)生諧振;

(2)在300 km/h速度下，該車(chē)懸掛模態(tài)一階橫向11.15 Hz與車(chē)體一階菱形頻率接近11.12 Hz，容易產(chǎn)生諧振;懸掛模態(tài)一階垂向振動(dòng)頻率10.93 Hz與車(chē)體一階垂彎頻率10.26 Hz接近，有諧振趨勢(shì);

(3)在350 km/h速度下，懸掛模態(tài)橫向和垂向與車(chē)體模態(tài)頻率相避開(kāi)，避免了車(chē)體和懸掛模態(tài)的諧振.

4 結(jié)論

(1)針對(duì)該車(chē)車(chē)體仿真計(jì)算結(jié)果，為了提高車(chē)體整備狀態(tài)一階垂彎頻率，質(zhì)量較大的車(chē)下設(shè)備應(yīng)為剛性安裝，而車(chē)下設(shè)備的懸掛剛度應(yīng)保持低的剛度值.由于車(chē)體設(shè)備安裝架焊接在地板上，將引起地板大的振動(dòng)，且容易導(dǎo)致焊縫裂紋.對(duì)此在底架邊梁的上平面安裝滑塊與安裝座，并通過(guò)銷(xiāo)子與設(shè)備安裝架相連，同時(shí)考慮選用一定剛度的橡膠墊，用于避免諧振;

(2)結(jié)合線(xiàn)路模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，車(chē)體一階垂彎、一階菱形頻率主要在10～14 Hz范圍內(nèi).車(chē)體運(yùn)行在不同的速度級(jí)別下，懸掛系統(tǒng)振動(dòng)頻率范圍主要集中在10～12 Hz，20～40 Hz頻率范圍當(dāng)懸掛振動(dòng)頻率與車(chē)體固有頻率較為靠近時(shí)，容易激發(fā)車(chē)體和懸掛設(shè)備的諧振.

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