高速列車車體局部結構減振阻尼措施試驗研究

于海然，張立民，張艷斌，孫維光

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111) *

高速列車車體局部結構減振阻尼措施試驗研究

于海然1，張立民1，張艷斌1，孫維光2

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)*

為探究兩種新型阻尼材料(阻尼漿/阻尼片)對車體局部的隔振性能，并用于解決某動車組車體局部異常振動問題.分別對四個車體局部使用三種方案(無阻尼方案、阻尼片方案和阻尼漿方案)進行試驗，利用臺架試驗對測試結果進行時域和頻域的對比分析.結果表明：兩種阻尼材料都能大幅度減小自由衰減振動的幅值和周期，其中阻尼漿方案對車體地板衰減效果較好，而阻尼片方案對側墻和受電弓蓋板衰減效果較好.在5～80Hz頻段內(nèi)，阻尼漿地板隔振頻帶寬，模態(tài)阻尼比大，能有效避免列車在運行中車體局部結構與各子系統(tǒng)模態(tài)頻率發(fā)生耦合共振，而貼阻尼片的中部側墻和受電弓蓋板也是如此.相比阻尼漿，阻尼片安全性高，安裝工藝簡單，在保證結構可靠性的前提下進一步降低了車體的質(zhì)量，具有良好的應用前景.

新型阻尼材料；車體局部；振動衰減；隔振性能

0 引言

高速列車車體的動態(tài)性能是車體設計中的重要技術指標之一，世界各大車輛制造商均在車體研發(fā)流程中將振動與噪聲性能置于和安全性同等重要的地位，車體振動控制方法研究一直是國內(nèi)外眾多學者傾注精力的方向.目前車體振動控制方法主要包括阻尼片/漿在車體振動控制中的運用、壓電原件在振動控制中的應用、基于幾何濾波的振動控制方法和基于動力吸振器的車下設備振動控制法.其中表面阻尼處理是提高結構阻尼、抑制共振、改善結構抗振降噪性能的有效方法之一，其工藝簡單、安全性高，滿足高速列車輕量化設計的要求[1-3].雖然阻尼減振在列車振動控制中的應用已經(jīng)非常廣泛，但使用新型阻尼材料針對高速列車車體局部振動控制的試驗研究還很少，需要結合具體的工程實踐經(jīng)驗，探索其結構的比較和優(yōu)化.基于本次試驗的分析結果，對解決高速列車在運行過程中車體局部振動過大問題給出了一定的解決方法，也為后期的整車模態(tài)匹配設計及驗證提供重要的參考價值.

本文針對國內(nèi)某新型高速動車組整車模態(tài)匹配及設計的要求, 為解決其運行過程中車體局部振動過大的問題，對其四個車體局部采用兩種新型阻尼材料(阻尼漿和阻尼片)通過三種減振方案來進行試驗對比分析，同時結合全局阻尼減振和局部阻尼減振的方法進行實驗結果的分析總結.

1 試驗測試概述

1.1 試樣制備

被測車體為國內(nèi)某標準動車組白車體中間車(Tp03)，先后分別對被測車體的四個局部進行三種阻尼狀態(tài)處理，即無任何阻尼處理的鋁合金結構白車體A1、貼阻尼片(厚度為3 mm)狀態(tài)的白車體A2和涂阻尼漿(厚度為4 mm)狀態(tài)的白車體A3，試驗車體使用橡膠堆四點支撐于實驗臺上使其保持自由支撐狀態(tài).車體在三種不同狀態(tài)下的枕梁地板、中部地板、中部側墻和受電弓蓋板四個局部的對應測點位置均相同，且中部側墻各測點分布在車體同一橫截面內(nèi).測點分布示意圖如圖1所示，圖中長度單位為mm，實驗內(nèi)容如表1所示.圖1(a)、(b)和(c)圖中所示虛線框內(nèi)面積分別表示車體四個局部的實際阻尼處理區(qū)域，其中圖(c)中受電弓蓋板的實際阻尼處理面積為突出車頂部分向下的區(qū)域.

(a)

(b)

(c)

序號試驗內(nèi)容車體狀態(tài)1無阻尼車體A12枕梁地板阻尼測試阻尼片車體A23阻尼漿車體A34無阻尼車體A15中部地板阻尼測試阻尼片車體A26阻尼漿車體A37無阻尼車體A18中部側墻阻尼測試阻尼片車體A29阻尼漿車體A310無阻尼車體A111受電弓蓋板阻尼測試阻尼片車體A212阻尼漿車體A3

1.2 測試分析方法

由于車體各局部的結構參數(shù)是未知的，為獲取各局部結構的振動特性，只能通過試驗方法.基于LMS公司振動噪聲測試分析系統(tǒng)，采用力錘沖擊激勵，車體局部結構多點響應的試驗方案進行研究.通過測量動態(tài)力輸入和振動響應的輸出，計算輸入輸出的頻響函數(shù)，進而利用模態(tài)參數(shù)識別理論進行結構參數(shù)的識別，計算出各局部結構的固有頻率和阻尼比，進而計算出振動衰減系數(shù).并運用相干函數(shù)對試驗結果進行驗證[4-5].

本試驗采取每次在不同局部施加激勵并進行測試的方法，其激勵方式為單點激勵和多點激勵，采用振動時域衰減法和阻尼頻域分析法對試驗結果進行對比分析.由于車體鋁合金結構為較剛硬的構件，單點激勵也能獲得較高的精度，在力錘的使用中應注意避免反跳造成多次沖擊.其中輸入信號為脈沖激勵信號,對其加力窗以去除噪聲信號,輸出信號為衰減振動信號,對其加指數(shù)窗使信號在結束時衰減到0,用來消除截斷誤差[6].每個測點敲擊6次，保證實驗的重復性，敲擊過程中盡量避開各階模態(tài)陣型的節(jié)點，在試驗測試和分析中保證激勵點和響應點的位置不變.

2 試驗結果及分析

2.1 時域衰減對比分析

使用1.2節(jié)中的試驗原理和方法，對車體的每個局部采用三種減振方案，進行力錘敲擊試驗.本次對車體局部進行錘擊試驗選擇錘頭的原則如下：錘擊條件下力錘輸出信號的自功率譜在最高頻率200 Hz處比最大值下降不超過20 dB.線性范圍內(nèi)最大錘擊力作用下測試加速度傳感器的輸出應在滿量程的2/3左右即可.同時為在分析中獲得最優(yōu)的動態(tài)特性，激勵的頻率范圍應與分析帶寬匹配.在本次試驗中選用了kistler-2t型號尼龍錘頭的力錘進行測試.由于力錘的激勵力大小與力錘的質(zhì)量和激勵時間長短有關，由于調(diào)整激勵時的速度需要較多經(jīng)驗，因此試驗時通過調(diào)整錘頭的附加質(zhì)量改變力譜的幅值.為使試驗結果具有可對比性，每個車體局部在三種減振方案下分別選取相同位置的信號輸入點和響應點，其施加單位載荷的方法如表2所示.

表2 三種阻尼狀態(tài)下車體局部敲擊輸入響應點

在進行連續(xù)多次敲擊測試后，選取有效數(shù)據(jù)，截取每個局部的三種減振方案下的輸入力相同的測試結果進行對比分析.圖2給出了車體四個局部在三種狀態(tài)下每個響應測點的自由衰減振動對比分析結果圖.車體各局部在三種減振狀態(tài)下的一階固有頻率、阻尼比和衰減系數(shù)的計算結果如表3所示.

表3 車體各局部在三種減振狀態(tài)下的一階固有頻率、阻尼比和衰減系數(shù)

注：f，ζ，n分別表示第一階固有頻率，阻尼比和時域信號的對數(shù)衰減率.

如圖2(a)，比較三種減振方案下的自由衰減振動的最大振動幅值，無阻尼方案的最大振動幅值相比于信號輸入點的最大幅值衰減了約50%，阻尼片方案衰減了約65%，而阻尼漿方案衰減量最大，達到了80%.結合表3，比較三種減振方案的衰減系數(shù)和阻尼比，阻尼片減振速率小于阻尼漿，但都大于白車體無阻尼方案減振速率.在中部地板的衰減對比分析中，三種減振方案的最大幅值衰減量和枕梁地板幾乎相同，但中部地板三種減振方案的衰減速率相比于枕梁地板要快約20%.對于中部地板，無論是從最大幅值衰減量還是衰減速率比較，阻尼漿方案都要優(yōu)于其它兩種減振方案.由隔振理論可知，在保持結構穩(wěn)定性的基礎上，底階固有頻率(特別是一階固有頻率)的高低決定了該結構傳遞特性以及隔振范圍[7]， 由表3，阻尼漿狀態(tài)的車體地板一階固有頻率最低，模態(tài)阻尼比最大，故隔振范圍更寬，對于車體彈性體和車下設備低頻振動的隔振效果會更加明顯.

(a)枕梁地板測點f 3

(b)中部地板測點f 8

(c) 中部側墻測點c3

(d)受電弓蓋板測點g1

對于中部側墻，由圖2(c)可知，阻尼漿方案和無阻尼方案的最大幅值衰減量相差不大，其衰減量達到55%，阻尼片方案要好于其他兩種方案，衰減量達到65%.對比衰減速率和阻尼比，阻尼片方案要快于阻尼漿方案，相比其它兩種方案的衰減周期，阻尼片方案的一個自由衰減周期時間縮短約一倍.同樣在圖2(d)中，受電弓蓋板在最大幅值衰減量對比中，阻尼片方案比阻尼漿方案減小約5g，衰減量達到75%，振幅衰減最快.結合表3，對比三種狀態(tài)下的衰減系數(shù)和阻尼比，可知阻尼片衰減速率快于阻尼漿，衰減周期更短，減振效果更好.同樣阻尼片狀態(tài)的中部側墻和受電弓蓋板的一階模態(tài)頻率最低，具有更寬的隔振范圍，同時還具有質(zhì)量輕、模態(tài)阻尼比大的優(yōu)點.

2.2 典型頻段頻域結果對比分析

模態(tài)匹配最基本的原則是在設計上保證車體承載結構、車體局部結構和各子系統(tǒng)的模態(tài)頻率不與吊掛設計設備及懸掛激勵頻率發(fā)生共振[8].為了進一步研究兩種阻尼材料的隔振性能，需要在頻域內(nèi)對比分析兩種阻尼材料的隔振性能.因車體彈性體及各子系統(tǒng)主要的振動頻率都在5～80Hz以內(nèi)，為考查較寬頻段內(nèi)的振動衰減特性，對比了典型頻段內(nèi)三種阻尼方案下單位力激勵下的結構振動幅值.利用寬頻帶內(nèi)的衰減特性進行對比，本文選用1/3倍頻程的幅值進行對比.在每一個頻帶內(nèi)計算對應頻率響應函數(shù)的統(tǒng)計均方根值，均分根計算式如下：

式中，xi為各頻段內(nèi)頻率點對應的加速度頻響函數(shù)幅值.

利用上述方法對三種結構情況下各頻率段結構頻響幅值進行對比計算.分別計算出單位力激勵下各有效測點的振動幅值，并分別對三種結構狀態(tài)下各測點的振動幅值求其平均值.其結果用振動加速度有效值隨頻率變化曲線來表示，如圖3～6所示.為方便對比分析，圖中μ表示工程單位，1μ=0.001.

如圖3，在三種減振方案中的各個頻率段，阻尼漿方案的振動加速度有效值最小，無阻尼方案加速度有效值最大，阻尼片方案加速度有效值居中.低頻段(8～20Hz)的兩種有阻尼方案的曲線非常接近，相鄰曲線間相距不超過3μ，隔振效果相差不大，但有阻尼方案的隔振效果明顯好于無阻尼方案；在此點對列車運行舒適度影響較大的區(qū)段內(nèi)(0～20Hz)，阻尼漿減振方案要略好于其他兩種減振方案.為研究車輪滾動激勵與車體結構固有模態(tài)的匹配關系，在識別車體模態(tài)參數(shù)的情況下，需要計算不同速度下車輪滾動激擾的頻率f.在靠近轉向架上方的枕梁地板位置，由于此位置在列車運行時受車輪滾動激擾，當列車在200 ～370km/h速度區(qū)間運行時，車輪滾動激擾頻率f的范圍是19.2～35.6Hz；位于中頻段(20～50Hz)，由圖中可以看出，在此頻率范圍內(nèi)，阻尼漿方案的加速度有效值明顯低于其它兩種減振方案，故從圖中曲線可以看出，阻尼漿減振方案在枕梁地板處對車輪激擾的隔振效果更好.上述所有關于實驗結果的分析，還需要在線路試驗中進一步驗證.

圖3 枕梁底板振動加速度有效值隨頻率變化曲線

如圖4，在幾乎各個頻率段，阻尼漿方案的振動加速度有效值最小，阻尼片方案次之，無阻尼方案最大；在10Hz附近，阻尼片方案的加速度有效值最大，振動沒有被抑制反而被加強.在整個頻段范圍(0～80Hz)，三種減振方案加速度有效值呈現(xiàn)上升趨勢，有阻尼方案的兩條曲線之間的差距逐漸減小，其差值在5～15μ以內(nèi).由于車體中部下方懸掛多個有源設備(牽引變壓器、廢排風機、主空壓機等)，而車體中部地板的振動主要來自車下有源設備的振動激擾， 其有源設備的工作基頻都在80Hz以內(nèi)，而車體彈性體及各子系統(tǒng)主要的振動頻率都在5～80Hz，在車輛運行過程中存在發(fā)生耦合共振的可能性，因此在較寬頻段內(nèi)降低各頻率的振動幅值會有效避免車體及其局部結構與車下設備各頻率耦合共振的發(fā)生.

圖4 中部地板振動加速度有效值隨頻率變化曲線

圖5 中部側墻振動加速度有效值隨頻率變化曲線

由圖5可知，在各個頻率段，三種減振方案的阻尼比幾乎相同，三種減振方案的加速度有效值均呈現(xiàn)上升趨勢.在低頻段(0～20Hz)，三種減振方案加速度有效值變化平緩，三種減振方案相鄰曲線間距約為3μ.阻尼片方案相比阻尼漿加速度有效值下降了約50%，因此車體中部側墻在低頻段的隔振處理中，阻尼片效果要好于阻尼漿.但阻尼漿減振方案中，中部側墻的加速度有效值不但沒有被抑制，反而被加強，而阻尼片減振方案的隔振效果優(yōu)于其它兩種方案.在25Hz附近，三種減振方案效果相同.在中高頻段(25～80Hz)，阻尼片車體加速度有效值比阻尼漿車體降低了10%～30%，三條曲線的之間的差距逐漸變大，在高頻段，阻尼片對中部側墻隔振效果的提升十分顯著.

由圖6可知，在各個頻率段，阻尼漿和阻尼片方案的加速度有效值明顯小于無阻尼方案，在低頻段表現(xiàn)尤為顯著；在12.5Hz以下，阻尼片方案的加速度有效值大于阻尼漿方案，但最大差值不超過6μ.在中高頻段(25～80Hz范圍)，有阻尼方案的加速度有效值基本呈現(xiàn)上升趨勢，但阻尼片方案的加速度有效值在整個頻段內(nèi)變化趨勢平穩(wěn).由于列車在高速運行過程中受電弓的振動會對受電弓蓋板的影響較大，而阻尼片能大幅度降低各頻段的振動幅值，在車體彈性體和車體各局部結構之間容易發(fā)生耦合振動的頻率段(5～80Hz)內(nèi)，有較好的的減振隔振效果，能有效避免受電弓蓋板的耦合共振.從而能避免受電弓蓋板振動過大對整車運行造成的影響.

圖6 受電弓蓋板振動加速度有效值隨頻率變化曲線

3 結論

為評價兩種新型阻尼材料對某高速列車車體局部的隔振性能，分別對三種狀態(tài)下車體的四個局部結構進行了試驗，得到如下結論：

(1)對于自由衰減振動，兩種阻尼材料都表現(xiàn)出了較好的隔振性能，具體來說，阻尼漿方案對枕梁地板和中部地板的隔振效果更好，其阻尼比大衰減速率快.而在中部側墻和受電弓蓋板區(qū)域阻尼片表現(xiàn)出了同樣的優(yōu)于阻尼漿的隔振性能；

(2)在典型頻段(5～80Hz)的試驗結果對比分析中，新型阻尼漿對枕梁地板的隔振效果更好，當列車運行在200km/h～360km/h的速度范圍內(nèi)時，對于車輪激繞頻率(19.2～35.6Hz)段，從圖5分析可知新型阻尼漿的隔振效果要好于新型阻尼片.同樣對于中部地板，幾乎在各個頻率段，新型阻尼漿的加速度有效值的都比阻尼片降低至少15%.能在更大程度上確保車體地板不與車體子系統(tǒng)或車下有源設備發(fā)生共振；對于中部側墻和受電弓蓋板結構， 在典型頻率段(5～80Hz)內(nèi)新型阻尼片加速度有效值曲線變化平穩(wěn)，受共振頻率段干擾較小，故對于中部側墻和受電弓蓋板位置，新型阻尼片的隔振效果更好；

(3)綜合以上試驗數(shù)據(jù)及對比分析結果，初步確定車體的最佳阻尼方案，建議結合全局阻尼減振與局部阻尼減振的方法，即在全局阻尼漿方案的基礎上對車體中部側墻和受電弓蓋板進行阻尼片方案的局部阻尼處理，以使車體能達到最佳的隔振效果.

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下期待發(fā)表文章摘要預報

5種前期水分處理下黑土氮素礦化及硝化反硝化率的變化

王婷,王連峰

(大連交通大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 大連 116028)

摘 要：室內(nèi)培育實驗研究5種不同水分前處理下的黑土(風干土D、保鮮土O、低水分土W1、高水分土W2、淹水土S)，在4種不同含水量條件下的礦化率、硝化率及反硝化率變化.結果顯示，5種前處理下黑土氮素礦化率、硝化率及反硝化率分別在土壤水含量為60%WHC、80%WHC和100%WHC時差異明顯.雖然在4種不同水分含量下，經(jīng)5種不同水分前處理的土壤礦化率差異不顯著，硝化率及反硝化率差異較為顯著.硝化率表現(xiàn)為W1>O>W2>S>D，反硝化率與硝化率的表現(xiàn)截然相反.這表明，土壤水分歷史對硝化反硝化有影響，而對礦化作用的影響不大，水分前處理影響土壤氮素轉化.

Experiment Investigation and Study of Vibration Damping Measures on Local Structure of High-Speed Train Bodies

YU Hairan1，ZHANG Limin1，ZHANG Yanbin2，SUN Weiguang2

(1. State Key Lab. of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. CSR Sifang Locomotive and Rolling Stock Co. Ltd, Qingdao 266111, Shangdong China)

In order to explore two kinds of new type damping materials (damping pulp/damping piece) on the vibration isolation performance of the local structure to a train body and to solve the local abnormal vibration problems on the emu train, three schemes (undamped, damping piece and damping pulp) are used on four emu trains respectively, and the experiment results accept contrastive analysis in time domain and frequency domain by bench test. Results show that the two kinds of damping materials can greatly reduce the amplitude and period of the damped free vibration. Results also show that the damping pulp has a better vibration isolation effect on the floor, and the damping piece has a better vibration isolation effect on the side walls and pantograph plate. The vibration isolation frequency band is wide, and modal damping ratio is high between 5-80Hz frequency on the train floor with damping pulp which could effectively avoid the coupling resonance between local structure of the train and each subsystem modal frequency when the train is in operation. The same is true of the train side walls and pantograph plate with damping piece. Damping piece has some advantages compared to damping pulp such as high safety, simple installation process and further reduce the quality of the car body while ensuring structural reliability.

new damping material; local structure to a car body; vibration damping; performance of vibration isolation

1673- 9590(2017)02- 0015- 06

2016-03-12

于海然(1988-)，男，碩士研究生； 張立民(1960-)，男，教授，博士，主要從事高速列車振動控制和模態(tài)分析的研究

A

E- mail:yuhairan23@163.com.