低溫下空壓機引起的城鐵車車體異常振動淺析

李艷嬌 華鵬

摘 要：對城鐵車輛空壓機吊裝結構所應用的橡膠減振器隨溫度變化的振動試驗測試，以及對橡膠減振器材料參數(shù)低溫性能的研究，探討和分析了城鐵車輛空壓機吊裝結構低溫下橡膠減振器的動態(tài)特性，為城鐵車輛空壓機吊裝結構減振特性正向設計提供參考。

關鍵詞：城鐵車輛；橡膠減振器；低溫動態(tài)特性

1.前言

2013年9月26日，我國第一條高寒地鐵哈爾濱一號線開通試運營，2017年6月30日長春地鐵一號線開通試運營，隨著高寒地區(qū)城鐵車需求量的增加，有必要對運營在低溫環(huán)境下城鐵車進行研究。吊裝在車下的空氣壓縮機是引起城鐵車輛振動的主要振源之一，通常通過安裝橡膠減振器減振。高寒地區(qū)的冬天降溫幅度大時橡膠有超彈態(tài)變?yōu)椴ＡB(tài)，橡膠減振器的動剛度增大，減振效果變弱，引起城鐵車車體的異常振動，影響乘坐舒適性，本文通過城鐵車在環(huán)境室開啟空壓機，調控溫度的變化來分析橡膠減振器的動態(tài)特性隨溫度的變化情況，研究空壓機減振結構在不同溫度下的動態(tài)特性，為低溫下空壓機引起的整車異常振動查找原因，為整車車輛的正向設計提供參考。

2.低溫條件下橡膠減振器材料參數(shù)的確定

2.1橡膠減振器的幾何非線性

橡膠減振器工作過程中，盡管應變不大，但是其位移和形狀變化較大，屬于幾何非線性問題，其動力學方程為：

（1）

式中：[M] 為橡膠減振器的質量矩陣；[C] 為橡膠減振器的阻尼矩陣；[K]0 為切線動剛度矩陣，表示模態(tài)與動載荷增量間的關系；[K]σ 為初始動應力剛度矩陣，表示初始動應力對結構動剛度的影響；[K]L 為模態(tài)中大幅值動剛度矩陣，表示模態(tài)中大的振型值對結構動剛度的影響；{δq（t+△t）} 為節(jié)點坐標的增量矢量；{F（t+△t）} 為體積載荷矢量；{T+（t+△t）} 為面積載荷矢量；{P（t+△t）} 為動應力在節(jié)點上的等價合力矢量。

2.2橡膠減振器的材料非線性

橡膠減振器的材料是一種各項同性且體積不可變的超彈性材料，由于城鐵車的空壓機吊裝結構所安裝的橡膠減振器在振動過程中的變形小于100%，選用Mooney-Rivlin模型模擬橡膠材料是較為合適的。Mooney-Rivlin模型的應變能表達式：

（2）

（3）

（4）

式中：C01 和C10 為超彈性材料的參數(shù)； 和 為應變常量；λ1 、λ2 和λ3 為拉伸方向x、y和z的伸長量；Jel 為彈性體積比。

2.3不同低溫條件下橡膠減振器的材料參數(shù)

橡膠減振器由橡膠材料和尼龍材料共同組成，橡膠材料的超彈性參數(shù)C01 和C10 可通過經驗公式推導如下：

； ； （5）

式中：G為橡膠材料的剪切模量；E為橡膠材料的彈性模量；γ 通常取0.47；

表1 橡膠材料在不同溫度時的剪切模量

溫度（℃） -10 -20 -30 -40

剪切模量（MPa） 1.2 1.5 2 2.5

通過計算，得到橡膠材料的超彈性參數(shù)如表2所示。

表2 橡膠材料在不同溫度時的超彈性參數(shù)

溫度（℃） -10 -20 -30 -40

C01 4.7 5.88 7.84 9.8

C10 1.20 1.47 1.96 2.45

表3 不同溫度下尼龍材料的彈性模量

溫度（℃） -10 -20 -30 -40

彈性模量（MPa） 2662 3137 3632 4090

3.環(huán)境室內空壓機橡膠減振器動態(tài)性能的低溫試驗的試驗工況

3.1試驗測點布置

振動傳感器分別從空壓機表面（測點1）、減振器上下位置（測點2和3）、空壓機吊梁（測點4）、底架下表面（測點5）、車內地板上表面（測點6）沿振動傳遞路徑進行布置，共6個測點。

3.2環(huán)境室中試驗溫度的調控

開啟空壓機，試驗從40℃開始，每降10℃測試一次，直至零下60℃結束。

3.3車輛試驗工況

車輛靜止，空壓機單獨啟動，每次連續(xù)工作60s時間，測試3次。

3.4測點振動評定參數(shù)

車輛在靜止狀態(tài)下，單獨啟動空壓機，使其正常工作60s，分析各個測點在內1000Hz范圍內的振動加速度值。

3.5測試結果分析

滯環(huán)面積即為材料振動一周損耗的能量，OABCO所圍的面積為最大彈性儲能，通過測量遲滯回線包圍的面積，對材料的阻尼耗能做出定量分析。公式（6）和公式（7）分別為儲能剛度和耗能剛度計算公式。

（6）

（7）

式中：τ 為遲滯時間，k 為動剛度， ω為固有頻率。

在能量耗散時遵循如下規(guī)律：ω→∞，X→k （控制振幅），

（吸能頻帶）。因此形成一個特定的吸能頻帶，頻帶位置由遲滯時間τ 的倒數(shù)確定。損耗因子為耗能剛度與儲能剛度之比。

4.結論

橡膠減振器隨著溫度的降低，由超彈態(tài)變?yōu)椴ＡB(tài)，減振效果降低，從而引起車體的異常振動?？梢酝ㄟ^改變橡膠的材料成分，形成抗低溫復合材料橡膠，達到減振能力強，緩沖效果好，噪聲小的目的。提高橡膠減振器在低溫環(huán)境下的減振性能，增強了減振效果，提高了乘坐舒適性，提升了城鐵車輛在高寒地區(qū)運營的平穩(wěn)性，實現(xiàn)了在車輛研發(fā)過程中對空壓機吊裝結構減振方式的正向設計。

參考文獻：

[1]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]湯普森.鐵路噪聲與振動：機理，模型和控制方法[R].北京：中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，2013.

[3]吳昌林，張衛(wèi)國，姜柳林.機械設計（第3版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

作者簡介：

李艷嬌（1991年-），女，漢族，吉林省長春市人，吉林大學碩士研究生，中車長春軌道客車股份有限公司 國家工程研究中心，工程師。