整備車輛懸掛系統(tǒng)垂向衰減特性分析

整備車輛懸掛系統(tǒng)垂向衰減特性分析

王秀剛1，蘇建2

( 1.中國南車集團青島四方機車車輛股份有限公司國家高速動車組總成工程技術(shù)研究中心，山東青島266111; 2.吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林長春130022)*

針對車輛系統(tǒng)的振動特點，搭建了雙質(zhì)量系統(tǒng)垂向分析模型;基于懸掛系統(tǒng)的線性假設(shè)理論，求解懸掛垂向衰減方程，探究了懸掛垂向衰減的規(guī)律;以某型高速動車組為例進行了實車試驗，測得了車輛一位端、二位端以及車輛中部截面垂向衰減曲線，試驗結(jié)果表明懸掛系統(tǒng)垂向振動以指數(shù)形式衰減;同時，驗證了被試車輛一位端及二位端懸掛參數(shù)匹配的差異性，為車輛參數(shù)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)積累及技術(shù)支持.

整備車輛;懸掛;振動模型;垂向衰減特性;試驗方法

0 引言

轉(zhuǎn)向架是列車行駛的核心部件，懸掛系統(tǒng)是軌道振動沖擊傳遞的媒介，其垂向衰減能力的評估至關(guān)重要［1］.實際運行線路中存在多種復(fù)雜的振動源，引起輪軌系統(tǒng)垂向的動態(tài)相互作用，并通過輪對、懸掛傳至車體，使車輛運行平穩(wěn)性及舒適性降低［2］，影響車輛行駛的運行性能.

目前懸掛系統(tǒng)垂向衰減性能的測定主要集中于仿真計算［3-6］和室內(nèi)臺架試驗.仿真結(jié)果因?qū)ο到y(tǒng)某些結(jié)構(gòu)或參數(shù)進行簡化，結(jié)果有一定的局限性;而傳統(tǒng)的懸掛彈簧、減振器單部件性能測試不能準確的反映整備狀態(tài)下懸掛系統(tǒng)的整體性能.針對此類問題，本文提出一種懸掛垂向衰減的試驗方法，重點研究了整備車輛懸掛垂向衰減規(guī)律，為整車懸掛參數(shù)匹配優(yōu)化提供理論及數(shù)據(jù)支持.

1 懸掛垂向衰減試驗方法

本文依托吉林大學(xué)研發(fā)的車輛懸架振動衰減試驗系統(tǒng)［7-8］對某型動車組進行了研究.圖1所示，試驗時將被試車輛停至室內(nèi)鋪設(shè)的軌道上，將四套振動衰減釋放裝置在一位端、二位端架車位，通過液壓系統(tǒng)將車體升起一定高度后，觸發(fā)電控系統(tǒng)使衰減釋放裝置迅速跌落，車體失去支撐在重力作用下做有阻尼的振動衰減運動;同時，運用位移傳感器記錄車體斷面振動的位移變化，進一步分析懸掛系統(tǒng)的垂向衰減特性，圖2為試驗現(xiàn)場.

2 車輛垂向振動分析模型

軌道車輛是多自由度、多剛體的復(fù)雜系統(tǒng)，若以完整的車輛系統(tǒng)研究懸掛的衰減特性將會十分復(fù)雜，所得結(jié)果亦難易進行直觀的判斷.因此，文中將車輛系統(tǒng)簡化為單論對、單質(zhì)量塊的有線性阻尼的輪對－簧上質(zhì)量系統(tǒng)［9］，建立垂向振動模型，圖3所示.該模型中僅考慮車體的質(zhì)量Mc，忽略構(gòu)架的質(zhì)量，并將一系、二系懸掛的剛度及阻尼

圖3 輪對－簧上質(zhì)量模型

設(shè)整備狀態(tài)下，懸掛系統(tǒng)彈簧的靜撓度為fs，并考慮到車體重力對彈簧靜撓度的影響，建立車輛靜平衡位置力學(xué)方程:

式中，fsz為彈簧系統(tǒng)靜撓度; g為重力加速度.

根據(jù)前述懸掛垂向衰減的試驗方法，車體舉升到一定高度后的自由落體振動后，車輛系統(tǒng)的平衡被破壞，根據(jù)牛頓第二定律建立輪對－簧上質(zhì)量系統(tǒng)的運動方程:

結(jié)合式( 1)及( 2)，得到:

3 垂向衰減振動規(guī)律分析

設(shè)方程( 4)的解為Z = Asin(ωt +φ)，則有

為探究懸掛衰減振動時振幅A及相位角φ的運動規(guī)律，將振幅及相位角考慮成時間的函數(shù)，即用A( t)及φ( t)表示，則有

對式( 6)求一階導(dǎo)數(shù)，則有

結(jié)合式( 5)及式( 7)，可以得出

對式( 7)求二階導(dǎo)數(shù)，則有

結(jié)合方程( 8)及( 10)，可求解出振幅A( t)及相位角φ( t)隨時間的變化關(guān)系，即

進一步，可求解出懸掛系統(tǒng)振幅及相位角振動隨時間的變化關(guān)系，即

式中，A0及φ0為常數(shù).

綜上所述，可知線性阻尼的系統(tǒng)做垂向自由振動時，振幅隨時間指數(shù)地衰減，而相位角則不隨時間變化，為初始相位.

方程( 13)的解可表述為

車輛設(shè)計過程中，懸掛垂向振動的阻尼比ξ較小，一般取0.2～0.4，屬于弱阻尼狀態(tài)，系統(tǒng)的固有頻率

由此可得系統(tǒng)垂向衰減振動方程:

4 試驗方法及測點分布

試驗采用位移傳感器對車體振動進行采集，測點分布如圖4所示.為能全面反映懸掛的衰減規(guī)律，將車體劃分為3個截面，即一位端轉(zhuǎn)向架中心截面、二位端轉(zhuǎn)向架中心截面及車體的中心截面，位移傳感器布置在各截面橫向方向的兩端.試驗時，采取將車體舉升到一定高度后自由釋放的方法，測定車體衰減振動時各截面的位移變化，分析并懸掛系統(tǒng)的衰減振動特性.

圖4 傳感器測點分布

5 試驗結(jié)果

5.1一位端

圖5所示，試驗得出截面1中測點1及測點2的振動衰減曲線，分析可知一位端轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的懸掛衰減趨勢一致;懸掛阻尼消耗了系統(tǒng)振動的能量，每周期的振幅都有一定程度的衰減;對比測點1側(cè)懸掛，測點2側(cè)懸掛的振幅在后期表現(xiàn)出較大的衰減程度，可知一位端轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的懸掛參數(shù)匹配不同.

圖5 截面1衰減特性曲線

結(jié)合截面1中測點的衰減振動曲線及數(shù)據(jù)擬合算法，求解出一位端轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)衰減曲線峰值及谷值振幅的衰減方程，即f( t) = 19. 7e－0.8735t及f( t) =－11.88e－0.7931t，顯然懸掛的振幅以指數(shù)形式衰減;同時，可判定峰值振幅的衰減速度大于谷值，減振器在拉伸行程的阻尼大于壓縮行程的阻尼，表現(xiàn)出一定的非線性阻尼特性.

5.2二位端

圖6所示，試驗得到截面2中測點5及測點6的振動衰減曲線，結(jié)果表明二位端轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的懸掛衰減趨勢基本一致.但在標(biāo)記區(qū)域D中二位端轉(zhuǎn)向架懸掛的衰減產(chǎn)生“削峰”現(xiàn)象，處于減振器的拉伸行程;二位端懸掛振幅衰減程度遠大于一位端，其垂向衰減能力優(yōu)于一位端.

根據(jù)截面2的衰減振動曲線，可得出二位端轉(zhuǎn)向架懸掛峰值及谷值振幅的振動方程，即f( t) = 21.59e－1.692t及f( t) =－21.58e－2.463t，顯然系統(tǒng)振幅以指數(shù)形式衰減;同時，可判定谷值振幅的衰減速度大于峰值，減振器在壓縮行程的阻尼大于拉伸行程的阻尼.

5.3車體中間截面

如圖7所示，試驗得到截面3中測點3及測點4的振動衰減曲線，其結(jié)果反映整備車輛懸掛系統(tǒng)的平均衰減能力，兩測點的衰減曲線基本吻合.

圖7 截面7衰減特性曲線

根據(jù)截面3測定結(jié)果得出系統(tǒng)峰值及谷值振幅的平均衰減方程，即f( t) = 20.5e－1.296t及f( t) = －14.87e－1.522t，可知系統(tǒng)振幅以指數(shù)形式衰減;同時，可判定谷值振幅的衰減速度大于峰值，懸掛減振器總體上表現(xiàn)為壓縮行程的阻尼大于拉伸行程的阻尼.

6 結(jié)論

本文提出一種懸掛垂向衰減的試驗方法，建立了車輛輪對－簧上質(zhì)量系統(tǒng)的模型，從理論角度分析了懸掛系統(tǒng)的垂向衰減的性質(zhì)，并對某型車輛進行了試驗，結(jié)論如下:

( 1)理論分析表明，線性阻尼懸掛系統(tǒng)垂向衰減的振幅隨時間指數(shù)性變化，相位角則不隨時間變化，為初始相位;

( 2)試驗結(jié)果表明，被試車輛懸掛衰減以指數(shù)形式變化;二位端懸掛垂向衰減能力優(yōu)于一位端，兩端部懸掛參數(shù)匹配具有一定差異性;車體中部截面兩測點的衰減曲線基本吻合，說明整備車輛懸掛系統(tǒng)平均衰減能力良好.

［1］顧永輝.軌道車輛垂向振動性能研究及減振器阻尼參數(shù)選擇［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［2］嚴雋耄.車輛工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2003: 31-32.

［3］周勁松，張偉.鐵道車輛彈性車體動力吸振器減振分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2009，30( 3) : 86-90.

［4］王金鳳.鄭西高速鐵路環(huán)境振動衰減特性分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.

［5］曾京，鄔平波.鐵道客車系統(tǒng)的垂向減振分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2006，27( 3) : 62-67.

［6］張洪.基于運行模態(tài)識別的鐵路客車動力學(xué)特性研究［D］.上海:同濟大學(xué)，2005.

［7］劉洪發(fā).高速列車轉(zhuǎn)向架懸掛裝置振動衰減試驗系統(tǒng)研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2012.

［8］吉林大學(xué).一種軌道車輛懸架振動衰減試驗系統(tǒng):中國，CN201110039888.6［P］.2011-9-7.

［9］陸冠東.車輛系統(tǒng)動力學(xué)計算方法研究［M］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［10］顧志平.非線性振動［M］.北京:中國電力出版社，2012.

Analysis of Vertical Attenuation Characteristics of Suspension System based on Whole Vehicle

WANG Xiugang1，SU Jian2
( 1.National Engineering Center for High-Speed EMU，CSR Qingdao Sifang Co，.Ltd，Qingdao 266111，China; 2.College of Transportation，Jilin University，Changchun 130022，China)

According to the vibration characteristic of the vehicle，an analysis model for the whole vehicle based on double mass system was generated.Based on the linear hypothesis theory，attenuation equation were calculated，and the regularity of amplitude attenuation with damp was carried out.By experiment，car attenuation curves of the first end，second end and middle cross-section were measured.The result proves that vertical attenuation characteristic of suspension system amplitudes are exponential change.Meanwhile，the parameter matching difference between the first end and second end is verified，which provides data accumulation and technical assistance for the parameter optimization of the vehicle.

whole vehicle; suspension; vibration model; vertical attenuation characteristics; test method

A

1673-9590( 2016) 01-0021-04

2015-06-17

國家“十二五”支撐計劃資助項目( 2011BAG10B01) ;吉林省科科技廳科技計劃重點資助項目

( 20080356)

王秀剛( 1986－)，男，工程師，博士，主要從事軌道車輛動力學(xué)的研究E-mail: wangxiugang0504@163.com.的用等效剛度Kdz及等效阻尼Cdz表示.