動(dòng)車組列車車下設(shè)備懸掛參數(shù)對(duì)車體振動(dòng)的影響分析

蘭清群,顏 爭(zhēng)

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通與信息工程系，合肥 230051)

動(dòng)車組列車車下設(shè)備懸掛參數(shù)對(duì)車體振動(dòng)的影響分析

蘭清群,顏 爭(zhēng)

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通與信息工程系，合肥 230051)

隨著高速動(dòng)車組技術(shù)的發(fā)展，車體的輕量化設(shè)計(jì)越來(lái)越被重視，但車體的輕量化設(shè)計(jì)會(huì)降低車體的整體剛度，從而會(huì)加劇車體及車下設(shè)備的振動(dòng).建立了考慮大質(zhì)量車下設(shè)備及車體主要自由度的剛?cè)狁詈宪囕v動(dòng)力學(xué)模型，并利用模型分析了車下設(shè)備懸掛剛度對(duì)振動(dòng)的影響.結(jié)果表明，車下設(shè)備懸掛系統(tǒng)的橫向和垂向剛度的選擇，應(yīng)該從車體及車下設(shè)備振動(dòng)兩方面考慮，盡量避開(kāi)加速度峰值.這種選取懸掛剛度的方法為工程應(yīng)用提供理論參考.

動(dòng)車組；列車；車下設(shè)備；車體；振動(dòng)

隨著高速列車技術(shù)的發(fā)展，車體的輕量化設(shè)計(jì)越來(lái)越被重視，但是輕量化設(shè)計(jì)也帶來(lái)一系列的問(wèn)題[1]，主要是車體的輕量化設(shè)計(jì)會(huì)降低車體的整體剛度[2]，從而會(huì)加劇車體的振動(dòng)，影響乘坐舒適性[3]，國(guó)內(nèi)外在這方面已經(jīng)有很多研究，如在車體上加裝動(dòng)力吸振裝置或加彈性阻尼材料等[4]，但是，由于國(guó)內(nèi)動(dòng)力分散式高速動(dòng)車組的普及，車下設(shè)備的懸掛參數(shù)及其懸掛位置對(duì)車體動(dòng)力學(xué)性能的影響也日益受到關(guān)注，由于車下設(shè)備總質(zhì)量大，對(duì)于車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性影響比較大，必須合理選取懸掛參數(shù)才能最有效的降低振動(dòng)[3]，因此，基于ANSYS和SIMPACK軟件建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，分析動(dòng)車組列車車下設(shè)備懸掛參數(shù)對(duì)車體振動(dòng)的影響,為動(dòng)車組車下設(shè)備布置設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)及應(yīng)用指導(dǎo).

1 系統(tǒng)模型的建立

首先建立車體的有限元模型，如圖1所示，然后在ANSYS軟件中將車體的模型導(dǎo)入進(jìn)去，用軟件進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，求解得到縮減自由度后的主自由度模態(tài)數(shù)值解.然后通過(guò)接口程序FEMBS將有限元模型和模態(tài)分析結(jié)果導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件[5]，然后利用SIMPACK軟件建立考慮車體彈性的車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示，F(xiàn)EA和SIMPACK聯(lián)合建模數(shù)據(jù)文件流程流程圖如圖3所示.在動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件模型中選取適宜的標(biāo)志點(diǎn)及模態(tài)信息等，即可進(jìn)行基于彈性車體的動(dòng)力學(xué)計(jì)算.由于車輛本

圖1 車體有限元模型

圖2 剛?cè)狁詈宪囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

身就是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，所以在建立理論計(jì)算模型時(shí)要對(duì)一些非主要研究對(duì)象進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，主要是考慮車體的彈性，而對(duì)輪對(duì)和構(gòu)架等均視為剛體部件，忽略其在計(jì)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的彈性變形，因?yàn)檫@些部件的彈性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于車下懸掛系統(tǒng)的彈性，另外，動(dòng)車組各車輛間的作用也需要作一些簡(jiǎn)化，只考慮一節(jié)車的耦合動(dòng)力學(xué)模型.此車輛系統(tǒng)模型是由1個(gè)彈性車體和2個(gè)構(gòu)架、8個(gè)轉(zhuǎn)臂、4個(gè)輪對(duì)、及若干車下設(shè)備構(gòu)成.車下設(shè)備主要考慮牽引變壓器等質(zhì)量較大設(shè)備為彈性體，具體車下設(shè)備的懸掛位置如圖4所示.

圖3 FEA和SIMPACK聯(lián)合建模數(shù)據(jù)文件流程

圖4 車下設(shè)備布置位置示意圖

2 車下設(shè)備懸掛參數(shù)對(duì)振動(dòng)影響分析

車下設(shè)備采用彈性懸掛能夠抑制車體的彈性振動(dòng)，但是如果車下設(shè)備的彈性懸掛參數(shù)選擇不合理也有可能增加車體的彈性振動(dòng)，因此，有必要對(duì)車下設(shè)備懸掛參數(shù)與車體振動(dòng)之間的匹配關(guān)系進(jìn)行研究.車下設(shè)備的振動(dòng)特性可以通過(guò)振動(dòng)加速度的變化趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行分析.但是，由于車下設(shè)備類型比較多，質(zhì)量大小也不一樣，所以主要考慮一些大型設(shè)備的懸掛剛度在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭衅浼铀俣葘?duì)振動(dòng)性能的影響，提取了列車速度設(shè)定為300 km/h 運(yùn)行時(shí)，車體與主要設(shè)備的最大加速度的變化情況.以下重點(diǎn)考慮牽引變壓器及廢排單元兩種設(shè)備的彈性懸掛剛度對(duì)于車體與設(shè)備耦合振動(dòng)影響規(guī)律，牽引變壓器的橫向懸掛剛度對(duì)車體地板面及設(shè)備本身的加速度影響如圖5所示.

圖5 牽引變壓器橫向懸掛剛度對(duì)車體與設(shè)備耦合振動(dòng)影響規(guī)律

從圖5可以看出牽引變壓器懸掛系統(tǒng)橫向剛度的變化對(duì)車體橫向振動(dòng)的影響.隨著橫向剛度的增加，車體橫向振動(dòng)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì).而對(duì)車下設(shè)備牽引變壓器的橫向振動(dòng)的影響，則是逐漸增大最終趨于平緩.因此，在選擇牽引變壓器橫向懸掛剛度時(shí)，應(yīng)該避開(kāi)車體振動(dòng)的峰值，即1.2 MN/m以上.

廢排單元的橫向懸掛剛度對(duì)車體地板面及設(shè)備本身的加速度影響如圖6所示.

圖6 廢排單元橫向懸掛剛度對(duì)車體與設(shè)備振動(dòng)影響規(guī)律

從圖6可以看出，廢排單元懸掛系統(tǒng)橫向剛度的變化主要影響的是設(shè)備橫向振動(dòng)，而對(duì)車體橫向的振動(dòng)的影響可以忽略不計(jì).隨著橫向剛度的增大，設(shè)備橫向振動(dòng)呈減小的趨勢(shì)，因此最佳的橫向剛度取值應(yīng)該為0.2 MN/m以上.

牽引變壓器的垂向懸掛剛度對(duì)車體地板面及設(shè)備本身的加速度影響如圖7所示.

圖7 牽引變壓器垂向懸掛剛度對(duì)車體與設(shè)備合振動(dòng)影響規(guī)律

從圖7可以看出，牽引變壓器的垂向懸掛剛度1.5～4 MN/m變化過(guò)程中，車體地板面的垂向最大加速度基本沒(méi)有變化，而車下設(shè)備懸掛系統(tǒng)的垂向剛度的變化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，因此在選取懸掛剛度時(shí)要避開(kāi)峰值影響.

廢排單元的垂向懸掛剛度對(duì)車體地板面及設(shè)備本身的加速度影響如圖8所示.

從圖8可以看出，廢排單元的垂向懸掛剛度變化對(duì)車體的振動(dòng)影響也不大，但對(duì)設(shè)備本身的振動(dòng)影響比較大，并且會(huì)出現(xiàn)峰值，在選取懸掛剛度時(shí)要盡量避開(kāi)峰值影響，因此車下設(shè)備懸掛系統(tǒng)的垂向剛度的選擇，應(yīng)該更多的考慮設(shè)備振動(dòng)情況.

3 結(jié)論

(1)建立了考慮大質(zhì)量車下設(shè)備及車體的主要自由度的剛?cè)狁詈宪囕v動(dòng)力學(xué)模型，為研究車下設(shè)備與車體的耦合振動(dòng)提供建模思路.

(2) 車下設(shè)備必須采用彈性懸掛，才能最大程度的減少車體的彈性振動(dòng)，但要達(dá)到良好的減振效果，選取合適的懸掛剛度顯得尤為重要.合理的車下設(shè)備懸掛剛度的選取方法可為工程應(yīng)用提供理論參考和驗(yàn)證性分析.

圖8 廢排單元垂向懸掛剛度對(duì)車體與設(shè)備振動(dòng)影響規(guī)律

(3)車下設(shè)備垂向懸掛剛度的變化對(duì)車體振動(dòng)的影響較小，車下設(shè)備懸掛系統(tǒng)的垂向剛度的選擇，應(yīng)該更多的考慮設(shè)備振動(dòng)情況.

[1] 趙陽(yáng)陽(yáng)，劉 士，張 偉． 車體下吊懸吊方式和彈性懸置質(zhì)量對(duì)車體模態(tài)頻率的影響[J]． 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，30(3)：326-329．

[2] 周勁松，張 偉，孫文靜，等． 鐵道車輛彈性車體動(dòng)力吸振器減振分析[J]． 中國(guó)鐵道科學(xué)，2009，30(3)：86-90．

[3] 羅光兵，曾 京． 車下設(shè)備的懸吊方式及懸掛參數(shù)匹配研究[J]． 現(xiàn)代制造工程，2013(5):1-6

[4] 黃彩虹，曾 京． 基于約束阻尼層的高速客車車體彎曲振動(dòng)的抑制[J]． 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010，10(1)：36-41．

[5] 康洪軍，曾 京，張衛(wèi)華，等． 高速綜合檢測(cè)列車車體與車下設(shè)備耦合振動(dòng)分析[J]． 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35(6)：62-66．

[6] 鄔平波，薛世海，楊晨輝． 基于彈性車體模型的高速客車動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J]． 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2005，5(2):5-8

[7] Liu K F， Coppola G． Optimal Design of Damped Dynamic Vibration Absorber for Damped Primary Systems[J]． Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering，2010，34(1):119-136

Effects of Suspended Parameters of Under-frame Equipment of EMU Train on Vibrations of Car-body

LAN Qing-qun,YAN Zheng

(Department of Urban Rail Transit and Information Engineering, Anhui Communications Vocational and Technical College, Hefei 230000, China)

As the development of high-speed train technology, the lightweight design of the car body has attracted more and more attention, but the lightweight design of the car body will reduce the overall stiffness of the car body, which will increase the vibration of the car body and the under-frame equipment. The rigid-flexible-coupled dynamic model of a vehicle is built considering great quality vehicle equipment and DOF of vehicle body. The influence on the vibration of the variable suspension stiffness of equipment under the vehicle is analyzed by this model. The results show that the lateral and vertical stiffness of the suspension system of the vehicle should be considered from two aspects of the vibration of car body and the under-frame equipment so as to avoid the peak value of acceleration. The method of selecting suspension stiffness provides theoretical reference for engineering application.

EMU; train; under-frame equipment; car-body; vibration

2016-08-28

安徽省自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2015A447)，安徽省大規(guī)模在線開(kāi)放課程項(xiàng)目(2015mooc146).

蘭清群(1987-)，女，碩士，講師，研究方向：車輛強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué).

U270

A

1671-119X(2017)01-0041-04