某地鐵車輛橫向減振器對平穩(wěn)性的影響及優(yōu)化

趙 軍，宗凌瀟，曲天威，馬衛(wèi)華

1 引言

某地鐵車輛在運行過程中，出現(xiàn)了車體振動劇烈的問題，車輛橫向振動十分明顯，并且伴隨有車體的搖頭運動。初步判斷，出現(xiàn)這種現(xiàn)象與轉(zhuǎn)向架橫向減振器阻尼的設置不當有關(guān)。

在地鐵車體與轉(zhuǎn)向架之間安裝橫向減振器能夠抑制車體與轉(zhuǎn)向架的相對橫移和搖頭運動，從而提高其運行品質(zhì)。橫向減振器對車輛性能影響主要通過其阻尼參數(shù)與布置方式實現(xiàn)，相對與減振器的布置方式，其阻尼值設置對列車性能影響更大[1]。橫向減振器阻尼的設置可以顯著抑制車體與轉(zhuǎn)向架的振動位移，但有可能使車輛在自由間隙內(nèi)的振動加速度增大[2]。

文獻[3-9]針對減振器的阻尼特性、工作原理及其對車輛動力學性能的影響展開了大量的研究，建立了減振器的數(shù)值模型、研究了減振器參數(shù)與結(jié)構(gòu)對性能的影響并對減振器參數(shù)進行了優(yōu)化。研究人員對隔振類型減振器的工作特性、參數(shù)等的仿真研究已經(jīng)相當成熟。然而，相關(guān)研究大多局限在理論分析階段，缺乏實際工程應用和線路綜合試驗驗證，目前國內(nèi)針對地鐵車輛二系橫向減振器的線路測試研究還較為罕見。

地鐵車輛在每轉(zhuǎn)向架中部平行對稱布置了兩個橫向減振器，每個減振器的阻尼取值為60kNs/m。針對該地鐵車輛的振動劇烈問題，建立了動力學模型、進行了線路試驗，在仿真中采用控制變量的方法對可能影響到試驗的因素進行了分析，在仿真和試驗中均以地鐵車輛橫向平穩(wěn)性為評價標準，結(jié)合二系橫向減振器的布置及阻尼取值，分析了橫向減振器對車輛平穩(wěn)性的影響，提出了解決車輛橫向振動劇烈的優(yōu)化方案。

2 動力學模型

根據(jù)該地鐵車輛實際結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)，建立了動力學模型，如圖1所示。模型由1個車體、2個轉(zhuǎn)向架、4個輪對、2個直線電機和14根直線電機吊桿等剛體組成，在模型中采用了兩個橫向減振器的對稱布置方式。仿真中，采用與該地鐵線路不平順相近的美國五級線路軌道譜作為不平順輸入。

圖1 地鐵車輛動力學模型Fig.1 Metro Vehicle Dynamic Model

3 參數(shù)取值范圍分析

二系橫向減振器阻尼參數(shù)的設置對車輛的橫向平穩(wěn)性有很大影響，而對于不同的地鐵車輛，其最優(yōu)阻尼值都是不同的，因而首先需要了解該地鐵車輛橫向減振器阻尼參數(shù)取值的合理范圍。我國對車輛平穩(wěn)性的評價和測試以平穩(wěn)性指標作為主要的評價標準，車輛平穩(wěn)性指標評價標準[10]，如表1所示。在上述動力學模型的基礎上，分別計算車輛在（60～90）km/h各速度下運行時，橫向減振器阻尼值變化對車輛平穩(wěn)性的影響結(jié)果，如圖2所示。

表1 我國車輛平穩(wěn)性指標評定等級Tab.1 Vehicle Stability Index Rate

圖2可以看出，在該地鐵車輛從（60～90）km/h的四個速度下，單個橫向減振器阻尼值在（25～30）kNs/m范圍內(nèi)時前后司機室橫向平穩(wěn)性指標最優(yōu)，因此對于該地鐵車輛，其橫向減振器的總阻尼值取值最優(yōu)范圍應是（50～60）kNs/m。

圖2 前后司機室橫向平穩(wěn)性隨阻尼值及速度的變化Fig.2 The Front and Rear Cab Lateral Stability Change Along with the Damping and Vehicle Speed

二系橫向減振器的安裝節(jié)點通過橡膠關(guān)節(jié)分別和構(gòu)架、車體連接，橡膠節(jié)點剛度值的選取對車輛的橫向動力學表現(xiàn)也會有一定的影響，仿真中比較了車速60km/h下不同剛度值對車輛橫向平穩(wěn)性的影響，仿真結(jié)果，如圖3所示。

從圖3可以看出，雖然橡膠節(jié)點剛度的增大，平穩(wěn)性指標有改善趨勢，但是變化范圍＜0.05因此剛度對該地鐵車輛的橫向平穩(wěn)性影響很小，經(jīng)仿真驗證，在其他車速下，剛度對車輛橫向平穩(wěn)的影響可以忽略。

圖3 前后司機室橫向平穩(wěn)性隨剛度的變化Fig.3 The Front and Rear Cab Lateral Stability Change Along with the Stiffness

4 減振器數(shù)量對平穩(wěn)性影響

前述仿真結(jié)果表明，該地鐵車輛單個橫向減振器阻尼取值范圍應為（25～30）kNs/m。線路試驗中，列車每個轉(zhuǎn)向架安裝兩個減振器，每個減振器的阻尼值為60kNs/m，單個減振器阻尼值剛好滿足最優(yōu)阻尼值范圍，因此在線路試驗中，可以考慮拆掉一個油壓減振器的方法來模擬優(yōu)化后的減振器阻尼情況。

車輛橫向減振器最優(yōu)取值與車輛多體動力學模型中各部分的質(zhì)量、懸掛剛度、外部激勵有關(guān)，理論上可以認為采用兩個平行布置的30kNs/m的橫向減振器和采用一個60kNs/m的橫向減振器對系統(tǒng)的減振效果相差不大，為了進一步驗證兩種方法的差異，借助動力學模型進行了仿真對比。仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖中兩條折線分別為單個油壓橫向減振器的阻尼力及雙油壓橫向減振器兩減振器阻尼力之和，兩種情況下減振器總的阻尼力基本一致，因此認為在線路試驗中，拆除一個油壓減振器條件下的車輛動力學性能與原有兩個油壓減振器阻尼更換為30kNs/m一致。因為拆除一個油壓減振器阻尼更加便捷，因此在仿真和線路試驗階段，充分對比了單個油壓減振器和雙油壓減振器對車輛平穩(wěn)性指標的影響。

圖4 單雙橫向減振器阻尼力對比Fig.4 The Damping Force Contrast of Single and Double Dampers

5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上文分析，建立了單橫向減振器地鐵車輛動力學模型和雙橫向減振器地鐵車輛動力學模型。除了每個轉(zhuǎn)向架采用的橫向減振器數(shù)量不同之外，兩種地鐵車輛動力學模型完全一致。仿真結(jié)果，如圖5所示。其中圖5（a）、圖5（b）分別為采用單、雙橫向減振器時車體前后端的橫向平穩(wěn)性指標。

從中可以看出，在分析速度從（60～100）km/h時，地鐵車輛的平穩(wěn)性指標隨著速度的增大而增大，當車輛達到80km/h以上速度時，采用單橫向減振器的地鐵車輛的平穩(wěn)性指標明顯比采用雙橫向減振器的地鐵車輛的平穩(wěn)性更好。

圖5 車輛前后端橫向平穩(wěn)性對比Fig.5 The Lateral Stability Contrast of Vehicle Front and Rear

動力學仿真結(jié)果表明，從改善地鐵車輛運行平穩(wěn)性的角度考慮，通過將該地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的橫向減振器阻尼減半，即拆除一個當前的橫向油壓減振器，可以明顯改善車輛的平穩(wěn)性。

6 線路試驗

通過對地鐵車輛的動力學仿真，模擬了單、雙橫向減振器對車輛平穩(wěn)性的影響。需要指出的是，采用動力學仿真也有一定的局限性：（1）運行線路的不平順有一定的差異。（2）采用簡化的車輛多體系統(tǒng)動力學模型難以完全反應車輛的動力學特點。鑒于橫向減振器是關(guān)系車輛運行平穩(wěn)性的關(guān)鍵部件，在對其進行優(yōu)化分析時，對車輛進行線路試驗是十分重要的。

6.1 平穩(wěn)性試驗測點布置

在地鐵車輛兩個測點安裝橫向和垂向加速度傳感器。兩個測點分別布置在前后轉(zhuǎn)向架中心上方一側(cè)1m車體底板面上[10]。每個測點各布置一個橫向傳感器和垂向傳感器，用于測量行車過程中車體的橫向和垂向振動加速度，具體布置，如圖6所示。

圖6 傳感器布置Fig.6 The Sensor Placement

6.2 平穩(wěn)性試驗數(shù)據(jù)處理方法

試驗采集的加速度數(shù)據(jù)主要依據(jù)《鐵道機車動力學性能實驗鑒定方法及評定標準》（TB/T 2360-93）進行處理[11]。

車輛在實際運行中所測得的加速度信號是連續(xù)的隨機振動信號。平穩(wěn)性的分析方法主要有頻域法和時域法兩種，采用時域法進行分析。

計算平穩(wěn)性指標時，為了防止高頻振動的干擾，采集到的加速度信號通過截止頻率為40Hz的低通濾波器進行濾波，采集頻率500Hz。在車輛實際運行試驗中地鐵車輛的速度是隨時間變化的。為了盡可能讓車輛速度對其平穩(wěn)性影響較小，這里借鑒UIC513R標準，以5s時間作為一個計算單元，分別計算每個5s內(nèi)的車輛平穩(wěn)性指標[12]。

6.3 試驗結(jié)果分析

線路試驗對比了該地鐵車輛采用單、雙油壓橫向減振器工況下的橫向平穩(wěn)性，兩次試驗車輛均采用ATO模式運行，即保證兩次試驗在任意相同的車站間保持相同的運行速度，在此基礎上可充分對比兩次試驗測量得到的平穩(wěn)性指標。

選取車輛在一段直線線路上的橫向平穩(wěn)性進行對比，如圖7所示。圖中曲線為列車運行速度變化的曲線，階梯狀折線圖為車體橫向平穩(wěn)性變化趨勢。

從對比圖的平穩(wěn)性角度看，平穩(wěn)性折線圖與速度的關(guān)系較大，整體趨勢與速度增減趨勢相吻合。從前后兩個工況下平穩(wěn)性指標折線圖對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然兩個區(qū)段平穩(wěn)性指標趨勢相同，但是單減振器的平穩(wěn)性指標明顯低于雙減振器平穩(wěn)性指標。從區(qū)間出現(xiàn)的平穩(wěn)性指標最大值來看，在此區(qū)間橫向平穩(wěn)性指標從良好變成優(yōu)秀。無論從整體還是從最大平穩(wěn)性指標都可以反映出單減振器下車輛的平穩(wěn)性要優(yōu)于雙減振器下車輛的平穩(wěn)性。

圖7 采用單、雙橫向減振器工況的車輛橫向平穩(wěn)性對比Fig.7 The Lateral Stability Contrast of Single and Double Dampers

7 結(jié)論

（1）建立了某直線電機地鐵車輛的動力學模型，針對車輛在運行中出現(xiàn)的車體振動過大，發(fā)現(xiàn)車輛的穩(wěn)定性和二系橫向減振器有關(guān)。對二系橫向減振器的阻尼進行優(yōu)化，從車輛橫向平穩(wěn)性角度進行對比發(fā)現(xiàn)，單減振器下的地鐵車輛的平穩(wěn)性性要明顯優(yōu)于原先雙油壓減振器；

（2）對該地鐵車輛進行了線路試驗，先后得到原車輛和拆掉一個橫向油壓減振器之后兩種狀態(tài)下的車輛平穩(wěn)性指標。結(jié)果表明，采用單減振器的車輛的平穩(wěn)性較好，與仿真結(jié)果一致。