動(dòng)車組車下懸掛設(shè)備吊裝性能分析

王鵬等

摘 要：建立了包含車下設(shè)備的鐵道車輛動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了車下設(shè)備隔振元件參數(shù)，并對(duì)隔振元件參數(shù)、設(shè)備質(zhì)量及吊掛位置對(duì)車體振動(dòng)及設(shè)備自身振動(dòng)的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，合理設(shè)立吊掛參數(shù)可有效減小車體彈性振動(dòng)。根據(jù)本文的研究，吊掛在車體縱向中心位置附近的大質(zhì)量設(shè)備采用彈性懸掛時(shí)能夠有效抑制車體的彈性振動(dòng)。輕質(zhì)量設(shè)備（小于1000kg）對(duì)于車體彈性振動(dòng)抑制效果很小；分布在車體兩端的車下設(shè)備對(duì)車體一階垂彎振動(dòng)抑制效果很小。另外，對(duì)位于端部且質(zhì)量不大的車下部件，可以采用剛性連接。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；車下設(shè)備；彈性懸掛；隔振設(shè)計(jì)

引言：隨著我國(guó)鐵路裝備事業(yè)的發(fā)展，動(dòng)車組已越來(lái)越普偏地馳騁在祖國(guó)的大江南北，越來(lái)越多的人們選擇動(dòng)車組出行。隨著列車速度的不斷提高，動(dòng)車組的其安全性能備受關(guān)注。由于目前動(dòng)車組均采用動(dòng)力分散技術(shù)，一些大型設(shè)備直接影響其安全性能的就是車下，有些設(shè)備重量高達(dá)3t以上，故科學(xué)合理選擇車下設(shè)備的吊掛方式及吊掛參數(shù)無(wú)論對(duì)動(dòng)車組本身還是設(shè)備自身都尤為重要，這不僅影響吊掛設(shè)備能否正常工作，還對(duì)動(dòng)車組的安全性能有著至關(guān)重要的影響。本文對(duì)某型動(dòng)車組其中一節(jié)車的車下設(shè)備吊裝方式的選擇、隔振元件參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，得出了動(dòng)車組車下設(shè)備吊裝的一般設(shè)計(jì)依據(jù)。

一、動(dòng)車組車下設(shè)備的布置方式

如圖1所示是動(dòng)車組中間車車下設(shè)備排布示意，由圖可以看出，列車兩端分別是污水箱和空調(diào)系統(tǒng)的廢排單元，轉(zhuǎn)向架之間分別布置著逆變器、制動(dòng)風(fēng)缸、牽引變壓器以及變流器。車下設(shè)備均吊裝在車體底架邊梁上，通過減振元件與車體底架相連，所有設(shè)備均位于封閉的設(shè)備艙內(nèi)。

二、簡(jiǎn)化垂向耦合振動(dòng)模型分析

建立等效歐拉伯努利梁車體與設(shè)備垂向耦合振動(dòng)模型如圖2所示，研究車下設(shè)備對(duì)車體自振特性的影響。前后轉(zhuǎn)向架位置通過并聯(lián)的彈簧和阻尼進(jìn)行彈性支撐。圖中Mc標(biāo)示車體質(zhì)量，E標(biāo)示彈性模量，I標(biāo)示截面慣性矩，ρ標(biāo)示密度，A標(biāo)示截面積，Me標(biāo)示設(shè)備質(zhì)量，k1標(biāo)示空氣彈簧剛度， c1標(biāo)示空氣彈簧 ，k2標(biāo)示懸掛設(shè)備剛度，c2標(biāo)示懸掛設(shè)備阻尼。

將車體視為均質(zhì)歐拉梁，運(yùn)用梁的彈性振動(dòng)理論，車體振動(dòng)的偏微分方程可以表示為：

三、隔振元件參數(shù)設(shè)計(jì)

圖3[2]給出了各種阻尼比情況下，隔振傳遞率隨變化的曲線。隔振傳遞率越小表明通過隔振系統(tǒng)傳遞的力或運(yùn)動(dòng)也越小，隔振效果就越好。

因此對(duì)于消極隔振而言，隔振元件的頻率最好設(shè)置在

5～8.44Hz之間。另外，根據(jù)隔振理論]得知，為了限制共振區(qū)附近的振動(dòng)，實(shí)際中常取阻尼比為0.05～0.20。由于鐵道車輛車下設(shè)備的隔振元件往往采用橡膠件，橡膠的阻尼比一般為

0.075～0.05，阻尼比不能太高，否則橡膠很容易發(fā)熱，加速老化和蠕變過程。

四、車下吊裝設(shè)備振動(dòng)性能分析

（一）牽引變壓器。本文所研究的車下吊裝牽引變壓器重量約為4000kg，在列車下方的布置位置如圖1所示，設(shè)備中心距離車體中心的距離約為0.5m，圖4為設(shè)計(jì)頻率f=9.81Hz和設(shè)備采用剛性連接時(shí)車體加速度響應(yīng)幅頻特性曲線，由圖可以看出采用彈性懸掛可大大降低車體的彈性振動(dòng)。

（二）牽引變流器。本文所研究的車下吊裝牽引變壓器重量約為1700kg，在列車下方的布置位置如圖1所示，設(shè)備中心距離車體中心的距離約為3m，圖5為設(shè)計(jì)頻率f=10.43Hz和設(shè)備采用剛性連接時(shí)車體加速度響應(yīng)幅頻特性曲線，由圖可以看出采用彈性懸掛可大大降低車體的彈性振動(dòng)。

（三）廢排單元。本文所研究的車下吊裝廢排單元重量約為140kg，在列車下方的布置位置如圖1所示，設(shè)備中心距離車體中心的距離約為23m，圖6為設(shè)計(jì)頻率f=11.81Hz和設(shè)備采用剛性連接時(shí)車體加速度響應(yīng)幅頻特性曲線，由圖可以看出采用彈性連接與采用剛性連接情況相比減振效果不明顯，即輕質(zhì)量且遠(yuǎn)離車體中心的設(shè)備對(duì)降低車體一階垂彎的彈性振動(dòng)效用很小。

結(jié)論：根據(jù)所建立的簡(jiǎn)化車體與設(shè)備垂向耦合振動(dòng)模型，分析設(shè)備懸掛系統(tǒng)自振頻率對(duì)車體幅頻特性的影響。從圖可以看出車下設(shè)備采用彈性吊掛方式要比采用剛性連接時(shí)的車體振動(dòng)加速度幅值要小，表明采用彈性懸掛系統(tǒng)有助于削弱設(shè)備對(duì)車體彈性振動(dòng)的影響，能提高車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。

吊掛在車體縱向中心位置的大質(zhì)量設(shè)備采用彈性懸掛時(shí)能夠有效抑制車體的彈性振動(dòng)，與采用剛性連接時(shí)相比減振效果顯著。從圖可看出，輕質(zhì)量設(shè)備（小于1000kg）對(duì)于車體彈性振動(dòng)抑制效果很小，與采用剛性連接相比效果很小；分布在車體兩端位置的設(shè)備對(duì)車體一階垂彎振動(dòng)抑制效果很小。對(duì)像廢排單元位于端部且質(zhì)量不大的車下部件，建議采用剛性連接。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宮島，周勁松，孫文靜，等.車下吊設(shè)備對(duì)高速列車彈性車體垂向運(yùn)行平穩(wěn)性影響[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，9（4）：405-409.

[2] 師漢民，黃其柏.機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)——分析·建?！y(cè)試·對(duì)策[M].華中科技大學(xué)出版社，2013.