減振器安裝剛度對(duì)機(jī)車車輛固有頻率的影響

周曉莉，陳 康

（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）

減振器安裝剛度對(duì)機(jī)車車輛固有頻率的影響

周曉莉，陳 康

（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）

運(yùn)用SIMPACK仿真軟件建立機(jī)車車輛的整車動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，分析一系垂向減振器，二系垂向和橫向減振器安裝剛度對(duì)車輛固有頻率的影響。結(jié)果表明，減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架和車體的固有頻率均有影響，為機(jī)車車輛設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。

動(dòng)力學(xué)；減振器；安裝剛度；固有頻率

車輛固有頻率和振型的分析對(duì)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)非常重要。軌道車輛運(yùn)行時(shí)，應(yīng)確保車輛系統(tǒng)的固有頻率避開(kāi)外界的激勵(lì)頻率，從而避免“共振”現(xiàn)象的發(fā)生，保證車輛的運(yùn)行品質(zhì)。車輛的固有頻率和振型與車輛本身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，各組成部件對(duì)車輛的固有頻率及振型的影響程度是不一致的。其中，減振器對(duì)機(jī)車車輛固有頻率有顯著影響。通過(guò)SIMPACK仿真軟件建立整車動(dòng)力學(xué)模型，分析了轉(zhuǎn)向架一系垂向減振器，二系垂向和橫向減振器的安裝剛度對(duì)車體及構(gòu)架固有頻率的影響，為減振器安裝剛度的選取提供依據(jù)，進(jìn)而為轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)計(jì)算提供一定的參考。

1 減振器模型

減振器兩端接頭處均裝有各種橡膠關(guān)節(jié)，按結(jié)構(gòu)形式可分為5類：橡膠墊式、無(wú)外套橋式、無(wú)外套銷式、球形橋式和球形銷式，主要由安裝位置和連接部件結(jié)構(gòu)來(lái)共同決定［1］。橡膠關(guān)節(jié)具有軸向、徑向和偏轉(zhuǎn)三向剛度，因此在車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算中應(yīng)考慮減振器兩端安裝剛度的影響。為了簡(jiǎn)化計(jì)算和分析，本文僅考慮沿減振器安裝方向的安裝剛度影響，而忽略其他方向安裝剛度的影響。其等效模型見(jiàn)圖1（a）所示，設(shè)減振器阻尼系數(shù)為C，減振器兩端接頭處的剛度及內(nèi)部的油壓剛度的等效剛度為K。

基于上述假設(shè)，建立單自由度質(zhì)量—彈簧—阻尼的自由振動(dòng)模型分析減振器端部安裝剛度對(duì)系統(tǒng)固有頻率的影響，如圖1（b）所示。其振動(dòng)方程如下

在SIMPACK仿真軟件中建立上述模型，參數(shù)以某轉(zhuǎn)向架構(gòu)架1/4垂向振動(dòng)模型參數(shù)為例，其中質(zhì)量M為600 kg，彈簧剛度K0為1.176 MN/m，阻尼系數(shù)C為19 600 N/m s－1。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，表明減振器端部安裝剛度對(duì)系統(tǒng)固有頻率有較大的影響。當(dāng)不考慮減振器安裝剛度時(shí)，系統(tǒng)固有頻率為7.05 Hz，當(dāng)剛度值取1.0 MN/m時(shí)，系統(tǒng)的固有頻率為8.64 Hz，隨著減振器端部的安裝剛度值逐漸增大，系統(tǒng)的固有頻率逐漸減小。

2 整車動(dòng)力學(xué)模型

該模型由車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對(duì)、一系懸掛裝置和二系懸掛裝置等組成。其中，一系懸掛裝置由軸箱彈簧、一系垂向減振器及軸箱拉桿組成；二系懸掛裝置由高圓彈簧、二系垂向減振器及二系橫向減振器組成。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架通過(guò)一系懸掛裝置和輪對(duì)連接，車體通過(guò)二系懸掛裝置坐在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。該模型中有6個(gè)一系垂向減振器，4個(gè)二系垂向減振器和8個(gè)二系橫向減振器。一系、二系垂向減振器參數(shù)主要影響車輛系統(tǒng)的垂向動(dòng)力學(xué)性能，而二系橫向和抗蛇行減振器參數(shù)主要影響車體的橫向動(dòng)力學(xué)性能［2］。因此，主要考慮一系、二系垂向減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架和車體的垂向振動(dòng)固有頻率的影響，以及二系橫向減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架和車體的橫向振動(dòng)固有頻率的影響。

選取了3組車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算參數(shù)，主要區(qū)別在于一系及二系懸掛參數(shù)的不同。其中，參數(shù)組1中一系懸掛垂向剛度較小，二系懸掛垂向剛度較大；參數(shù)組2中一系懸掛垂向剛度較大，二系懸掛垂向剛度較??；參數(shù)組3中一系懸掛垂向剛度與二系懸掛垂向剛度相差較小，見(jiàn)表2所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

利用機(jī)車車輛整車動(dòng)力學(xué)模型對(duì)一系垂向減振器、二系垂向減振器和橫向減振器的安裝剛度對(duì)構(gòu)架和車體的固有頻率的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算，現(xiàn)分析如下。

3.1 一系垂向減振器

表格中的B代表構(gòu)架，C代表車體。表3、表4和表5的計(jì)算結(jié)果表明，一系垂向減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架垂向振動(dòng)固有頻率的影響較大，但對(duì)車體垂向振動(dòng)固有頻率的影響較小。當(dāng)一系垂向減振器安裝剛度值取5.0 MN/m時(shí)，構(gòu)架的浮沉及點(diǎn)頭固有頻率分別達(dá)到最大值。

對(duì)比3組車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)：

（1）按參數(shù)組1計(jì)算時(shí)，構(gòu)架浮沉固有頻率值最大，點(diǎn)頭固有頻率值最小，車體的垂向振動(dòng)固有頻率最小，且構(gòu)架的點(diǎn)頭固有頻率值變化最大，浮沉固有頻率值變化最??；

（2）按參數(shù)組2計(jì)算時(shí)，構(gòu)架浮沉固有頻率值最小，點(diǎn)頭固有頻率值最大，且構(gòu)架的點(diǎn)頭固有頻率值變化最小，浮沉固有頻率值變化最大；

（3）按參數(shù)組3計(jì)算時(shí)，車體的垂向振動(dòng)固有頻率值最大。

因此在轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)及分析計(jì)算車輛固有頻率和振型時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮一系垂向減振器安裝剛度的影響。由于一系垂向減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架的垂向振動(dòng)固有頻率的影響較大，在貨車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)及計(jì)算時(shí)，不能忽略該安裝剛度的影響，在貨車運(yùn)行時(shí)使車輛系統(tǒng)的固有頻率避開(kāi)外界的激勵(lì)頻率，避免共振現(xiàn)象，確保運(yùn)送貨物的完整性。

同時(shí)，3組動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)選取不同的一系及二系懸掛參數(shù)時(shí)，一系垂向減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架和車體的垂向振動(dòng)固有頻率的影響程度不相同。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)轉(zhuǎn)向架具體的設(shè)計(jì)要求及懸掛參數(shù)，綜合考慮，合理的選擇一系垂向減振器安裝剛度。

3.2 二系垂向減振器

表6、表7和表8的計(jì)算結(jié)果表明，二系垂向減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架的垂向振動(dòng)固有頻率影響較大，而對(duì)車體的垂向振動(dòng)固有頻率影響較小。與一系垂向減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架和車體垂向振動(dòng)固有頻率的影響相比，二系垂向減振器的安裝剛度對(duì)構(gòu)架的浮沉固有頻率的影響更大，對(duì)構(gòu)架的點(diǎn)頭固有頻率影響較小，對(duì)車體的點(diǎn)頭固有頻率影響較小。當(dāng)二系垂向減振器安裝剛度值取5.0 MN/m時(shí)，構(gòu)架的浮沉及點(diǎn)頭固有頻率分別達(dá)到最大值。

對(duì)比3組車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果還可以看到：

（1）按參數(shù)組1的參數(shù)計(jì)算時(shí)，構(gòu)架浮沉固有頻率值最大，點(diǎn)頭固有頻率值最小，車體的垂向振動(dòng)固有頻率最小，且構(gòu)架的點(diǎn)頭固有頻率值變化最大，浮沉固有頻率值變化最?。?/p>

（2）按參數(shù)組2的參數(shù)計(jì)算時(shí)，構(gòu)架浮沉固有頻率值最小，點(diǎn)頭固有頻率值最大，且構(gòu)架的點(diǎn)頭固有頻率值變化最小，浮沉固有頻率值變化最大；

（3）按參數(shù)組3的參數(shù)計(jì)算時(shí)，車體的垂向振動(dòng)固有頻率值最大。

因此在轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)及分析計(jì)算車輛固有頻率和振型時(shí)，不能忽略二系垂向減振器安裝剛度對(duì)其固有頻率的影響。上述分析結(jié)果還表明，當(dāng)選取不同的一系及二系懸掛參數(shù)時(shí)，二系垂向減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架和車體的垂向振動(dòng)固有頻率的影響程度也不一致。因此，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)轉(zhuǎn)向架具體的設(shè)計(jì)要求及懸掛參數(shù)，綜合考慮，選擇合適的二系垂向減振器安裝剛度。

3.3 二系橫向減振器

表9、表10和表11的計(jì)算結(jié)果表明，二系橫向減振器安裝剛度對(duì)構(gòu)架的橫向振動(dòng)固有頻率影響不大，但對(duì)車體的橫移及搖頭固有頻率影響較大，對(duì)車體的側(cè)滾固有頻率影響較小。

對(duì)比3組車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果還可以看到：

（1）按參數(shù)組1計(jì)算時(shí)，車體橫移固有頻率值變化最小，搖頭固有頻率值變化最大；

（2）按參數(shù)組2計(jì)算時(shí)，車體橫移固有頻率值變化最大，搖頭固有頻率值變化最??；

（3）按參數(shù)組3計(jì)算時(shí)，車體的側(cè)滾固有頻率值最大。

因此，在分析計(jì)算車體振動(dòng)固有頻率和振型時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮二系橫向減振器安裝剛度值的影響，避免共振，保證車輛運(yùn)行的舒適度及安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一系垂向減振器、二系垂向減振器和二系橫向減振器的安裝剛度對(duì)構(gòu)架及車體固有頻率影響的分析，初步可得出以下結(jié)論：

（1）一系垂向減振器和二系垂向減振器的安裝剛度對(duì)構(gòu)架的垂向振動(dòng)固有頻率影響較大，但對(duì)車體的垂向振動(dòng)固有頻率影響較??；

（2）二系橫向減振器的安裝剛度對(duì)構(gòu)架的橫向振動(dòng)固有頻率影響較小，但對(duì)車體的橫移和搖頭固有頻率影響較大；

（3）當(dāng)選取不同的一系懸掛和二系懸掛參數(shù)時(shí)，一系垂向減振器和二系垂向減振器的安裝剛度對(duì)構(gòu)架的固有頻率的影響程度不一致。在一系懸掛垂向剛度較小，二系懸掛垂向剛度較大的情況下，構(gòu)架的點(diǎn)頭固有頻率值變化最大，浮沉固有頻率值變化最??；而對(duì)于一系懸掛垂向剛度較大，二系懸掛垂向剛度較小的情況，構(gòu)架的點(diǎn)頭固有頻率值變化最小，浮沉固有頻率值變化最大。

（4）當(dāng)選取不同的一系懸掛和二系懸掛參數(shù)時(shí)，二系橫向減振器的安裝剛度對(duì)車體的橫向振動(dòng)固有頻率有不同程度的影響。在一系懸掛垂向剛度較小，二系懸掛垂向剛度較大的情況下，車體橫移固有頻率值變化最小，搖頭固有頻率值變化最大；而對(duì)于一系懸掛垂向剛度較大，二系懸掛垂向剛度較小的情況，車體橫移固有頻率值變化最大，搖頭固有頻率值變化最??；當(dāng)一系懸掛垂向剛度與二系懸掛垂向剛度相差不大的情況下，車體的側(cè)滾固有頻率值最大。

減振器的安裝剛度對(duì)構(gòu)架及車體的固有頻率有一定的影響，如果只考慮某一方面的影響，則難免會(huì)顧此失彼產(chǎn)生矛盾，因此，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架及建立車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型時(shí)，應(yīng)綜合考慮，選取合理的參數(shù)。分析車輛固有頻率和振型時(shí)，應(yīng)充分考慮減振器安裝剛度的影響。在車輛運(yùn)行時(shí)，盡量使激勵(lì)頻率避開(kāi)車輛系統(tǒng)的固有頻率，減少共振，保證乘客的乘坐舒適度、安全性以及貨物的完整性。

［1］ 楊國(guó)楨，王福天.機(jī)車車輛液壓減振器［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［2］ 趙云生.油壓減振器的安裝剛度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響［J］.鐵道車輛，1997，35（5）：5-9.

Influence of Damper Stiffness to Natural Frequency of Rolling Stocks

ZHOU Xiaoli，CHEN Kang
（Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

Using the simulation software SIMPACK to establish a vehicle dynamics model，this paper analyzes the influence of the installation stiffness of the primary vertical damper，the second and lateral damper.The results show that the installed stiffness of the damper has a certain impact on the natural frequency of the bogie and the body，which provides reference for the design of the vehicles.

dynamics；damper；installing stiffness；natural frequency

U260.331＋.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.09

1008－7842（2014）05－0039－04

9—）女，研究生（

2014－02－27）