車下設(shè)備懸掛剛度對車輛平穩(wěn)性影響

吳會超，鄔平波

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都610031)

高速客車車體的輕量化能夠有效降低輪軌之間的作用力,并且能夠節(jié)省大量的制造成本。但車體輕量化往往會導(dǎo)致車體剛度不足，引起車體振動惡化，旅客乘座舒適度下降。國內(nèi)外學(xué)者運用剛?cè)狁詈系木€性以及非線性模型，分析研究了車體彈性對車輛運行品質(zhì)的影響[1―7]。這些研究表明，車體的1階垂向彎曲頻率過低會使客車垂向平穩(wěn)性迅速惡化。目前，高速客車大量采用設(shè)備車下懸掛的設(shè)計方式，而設(shè)備本身的自重在整個車體中所占的百分比越來越大。這種設(shè)計方式必然會對車體的垂向彎曲剛度產(chǎn)生重要影響，從而大大降低車體的1階垂向彎曲頻率。國內(nèi)外對于設(shè)備懸掛系統(tǒng)一般采用剛性和彈性兩種懸掛方式，而彈性懸掛技術(shù)的采用有助于控制設(shè)備對車體彈性振動的影響，從而提高車輛的運行平穩(wěn)性。

本文主要以CRH3型高速動車組為研究對象，通過建立考慮車體彈性和設(shè)備的客車剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)模型，深入研究了車下設(shè)備懸掛剛度對車體地板振動的影響，進而研究對車輛運行平穩(wěn)性的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 車體有限元模型

CRH3型動車組的車體模型主要采用四節(jié)點殼單元SHELL63以及質(zhì)量點單元MASS21進行離散。整個車體總共劃分為74 093個單元，52 133個節(jié)點。車體各部分的板厚根據(jù)實際情況進行設(shè)置，車體有限元離散模型如圖1所示。

圖1 CRH3型動車車體結(jié)構(gòu)的有限元模型

為了考慮車體的彈性振動，本文截取了車體的前10階模態(tài)。下面只列舉其中幾個比較重要的模態(tài)，如圖2所示。

圖2 車體模態(tài)計算結(jié)果

1.2 剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)理論基礎(chǔ)

彈性體任意一點的運動位移可以描述為彈性體的小變形與物體整體運動的疊加，如圖3所示

圖3 彈性體動力學(xué)示意圖

式中rB(t)為彈性體上節(jié)點的位置矢量；A(t)為轉(zhuǎn)移矩陣；rA(t)為總體慣性坐標(biāo)系到彈性體參考坐標(biāo)系的位置矢量；c為彈性體參考坐標(biāo)系到彈性體未變形時的節(jié)點位置矢量；u(c,t)為彈性體上節(jié)點的微小彈性變形矢量；t為時間變量。

在SIMPACK軟件中，彈性體的變形由Rite法得到。彈性變形位移矢量u(c,t)由模態(tài)或振型函數(shù)uj(c)與時間函數(shù)qj(t)的模態(tài)坐標(biāo)線性組合來描述

利用Rite法，彈性體無限個自由度模態(tài)可以縮減為有限的幾個振型來表示。為了考慮車體的彈性振動，利用SIMPACK軟件建立CRH3型高速動車組的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。該模型是由1個彈性車體、2個構(gòu)架、4個輪對、8個轉(zhuǎn)臂、1個牽引變壓器、1個牽引變壓器冷卻單元、1個牽引變流器、1個牽引變流器冷卻單元、1個廢排單元總共19個剛體以及1個彈性體組成。整個系統(tǒng)包含59個剛體自由度以及10階模態(tài)的彈性車體自由度。如圖4所示。

圖4 動車剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型

2 整備狀態(tài)下仿真與測試模態(tài)的驗證

為了驗證本文中仿真模型的可靠性，進行了車體整備狀態(tài)模態(tài)試驗與仿真對比分析。其中模態(tài)測試結(jié)果是根據(jù)多段平穩(wěn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過模態(tài)參數(shù)識別，將多次參數(shù)識別算術(shù)平均后的最終結(jié)果。仿真與測試的對比情況如表1所示[8]。

從表中可以看出，整備狀態(tài)下車體模態(tài)的仿真與測試結(jié)果從工程應(yīng)用的角度考慮，可以認為基本上保持一致。誤差率處于百分之十之內(nèi)，能夠用于指導(dǎo)工程實踐。

表1 仿真與測試模態(tài)參數(shù)對比結(jié)果

3 仿真結(jié)果分析

本文重點分析了CRH3型動車組的車下設(shè)備采用不同的聯(lián)接方式對車體彈性振動以及設(shè)備懸掛剛度對車輛平穩(wěn)性的影響。由于線路激勵具有隨機性，并且動力學(xué)計算認為軌道的隨機輸入是各態(tài)歷經(jīng)的；因此，可以用一段有限長的時間歷程曲線來模擬實際線路上的運行情況。仿真過程中采用了實測的京津客運專線線路譜，其中軌道具有4個方向的不平順。

為了更好的理解車下設(shè)備懸掛剛度對車輛平穩(wěn)性的影響，文中重點分析了車下五種設(shè)備的懸掛剛度變化。這五種車下設(shè)備分布形式如圖4所示。圖中①代表牽引變流器；②代表變流器冷卻單元；③代表變壓器冷卻單元；④代表牽引變壓器；⑤代表廢排單元。

圖5 車下設(shè)備布置示意圖

其中，選定車體中部地板面來考察整車的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，直線軌道上的運行速度設(shè)定為200 km/h和300 km/h兩個速度等級。

3.1 剛性與彈性兩種聯(lián)接方式的對比分析

為了研究剛性與彈性兩種懸掛方式的不同對車體振動的影響，本節(jié)對兩種設(shè)備懸掛方式下的地板上加速度功率譜密度曲線進行了仿真計算。仿真計算中為了使結(jié)果更加合理，計算結(jié)果采集了地板上五個測量點的加速度數(shù)據(jù)如圖6所示，這樣可以更加全面的反應(yīng)車體的整體振動水平。

圖6 車體地板加速度測量點分布圖

根據(jù)測點位置的對稱性，下面只列舉其中的A、B、C三點的結(jié)果進行說明如圖7―圖9所示。從圖中可以看出，彈性聯(lián)接方式與剛性聯(lián)接方式相比，能夠?qū)圀w的垂向彎曲起到一定的抑制作用。因此，可以在一定程度上降低設(shè)備對車體振動的影響。

3.2 不同設(shè)備的懸掛剛度對車輛乘坐品質(zhì)的影響

本節(jié)通過對上節(jié)的高速動車剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型的仿真計算，分析了不同設(shè)備的懸掛剛度對高速動車的乘坐品質(zhì)的影響。其中對乘坐品質(zhì)的評價主要采用平穩(wěn)性指標(biāo)。

指標(biāo)計算主要依據(jù)下式

式中A——振動加速度；

f——為振動頻率；

F(f)——與頻率相關(guān)的加權(quán)系數(shù)。

圖7 車體地板上A點加速度功率譜密度圖

圖8 車體地板上B點加速度功率譜密度圖

圖9 車體地板上C點加速度功率譜密度圖

車下五種設(shè)備隨著其懸掛剛度的不同對車體整體平穩(wěn)性的影響如圖10至圖14所示。從上述分析結(jié)果可以看出，設(shè)備懸掛剛度對車體平穩(wěn)性有著明顯的影響，尤其是對于比較重的設(shè)備例如牽引變壓器與牽引變流器，如果其懸掛剛度設(shè)置不當(dāng)；會大大惡化車體的平穩(wěn)性。從圖10可以看出，當(dāng)車輛運行速度在200 km/h～300 km/h之間時，牽引變壓器橫向懸掛剛度對橫向平穩(wěn)性的影響，呈現(xiàn)一種先減小后增大最終趨于平穩(wěn)的變化趨勢。選取橫向剛度的理想值，應(yīng)該處于0.5 MN/m～1.2 MN/m之間。牽引變壓器垂向懸掛剛度對于垂向平穩(wěn)性的影響規(guī)律和橫向懸掛剛度的影響非常類似，也是存在一個合理值區(qū)間，大概處于3.4 MN/m～4.0 MN/m之間。從圖11中可以看出，當(dāng)車輛運行速度在200 km/h～300 km/h之間時，不管是橫向懸掛剛度還是垂向懸掛剛度，它們的變化對平穩(wěn)性的影響基本遵循與牽引變壓器相同的變化趨勢。牽引變流器橫向剛度的理想值，處于0.3 MN/m～0.7 MN/m之間。牽引變流器垂向剛度的理想值，應(yīng)處于1.4 MN/m～2.2 MN/m之間。剩余三種設(shè)備相對于前兩種設(shè)備自重比較輕，因此它們的懸掛剛度對車體平穩(wěn)性的影響基本上沒有太大的波動。總之，對于本文所研究的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，設(shè)備懸掛橫向剛度對車體橫向平穩(wěn)性的影響，主要體現(xiàn)為先減小后增大的一種趨勢。也就是說設(shè)備的橫向剛度只有在處于一個理想值區(qū)間才能降低車下設(shè)備對車體振動的影響。相比較而言，設(shè)備質(zhì)量越重以及離車體中部越近，其對車體中部橫向平穩(wěn)性的影響越明顯。而對于那些比較輕的設(shè)備如牽引變壓器冷卻器及牽引變流器冷卻器等等，它們的橫向剛度變化對車體的橫向平穩(wěn)性的影響比較小。設(shè)備懸掛垂向剛度對車體垂向平穩(wěn)性的影響，體現(xiàn)的變化趨勢與橫向剛度類似。從總體上來看，當(dāng)設(shè)備的垂向剛度處于合理值區(qū)間時，其對車體中部的平穩(wěn)性起到抑制作用，因此必須優(yōu)化車下設(shè)備彈性懸掛系統(tǒng)的剛度參數(shù)使其處于最優(yōu)范圍。

圖10 牽引變壓器懸掛剛度對平穩(wěn)性的影響

4 結(jié)語

本文建立了CRH3型高速動車組剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)模型，通過數(shù)值仿真計算主要得出的結(jié)論如下：

(1)彈性聯(lián)接方式與剛性聯(lián)接方式相比，能夠?qū)圀w的垂向彎曲起到一定的抑制作用，因此可以在一定程度上降低設(shè)備對車體彈性振動的影響；

(2)設(shè)備懸掛橫向剛度對車體橫向平穩(wěn)性的影響，主要體現(xiàn)為先減小后增大的變化趨勢。也就是說設(shè)備的橫向剛度有一個合理的選取區(qū)間，因此針對即定的車型要合理的選擇設(shè)備懸掛參數(shù)；

(3)設(shè)備懸掛垂向剛度對車體垂向平穩(wěn)性的影響規(guī)律與橫向剛度非常類似。從總體上來看，設(shè)備的垂向剛度都存在一個合理值區(qū)間，在這個區(qū)間之內(nèi)，垂向剛度對車體中部的平穩(wěn)性起到抑制作用。因此當(dāng)車下設(shè)備采用彈性懸掛系統(tǒng)時必須優(yōu)化其垂向懸掛參數(shù)；

圖11 牽引變流器懸掛剛度對平穩(wěn)性的影響

圖12 牽引變壓器冷卻單元懸掛剛度對平穩(wěn)性的影響

圖13 牽引變流器冷卻單元懸掛剛度對平穩(wěn)性的影響

(4)總體上，不管是設(shè)備橫向剛度還是垂向剛度對車體振動的影響與設(shè)備本身的自重和懸掛位置有很大關(guān)系。當(dāng)設(shè)備質(zhì)量越重以及離車體中部越近時，相應(yīng)的設(shè)備懸掛剛度的改變對車體中部平穩(wěn)性的影響越明顯。

圖14 廢排單元懸掛剛度對平穩(wěn)性的影響

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