地鐵車體地板振動原因分析及解決措施

邱新鋒

(新譽(yù)龐巴迪牽引系統(tǒng)有限公司，江蘇常州 213166)

當(dāng)前是城市軌道交通快速發(fā)展的年代，為提高車輛的動力性能，城市地鐵車體輕量化設(shè)計(jì)成為了地鐵車輛設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一，但隨著輕量化技術(shù)的應(yīng)用，車身特別是地板的剛度降低，地板下掛載設(shè)備也越來越多使得輔助變流器的功率也在不斷提升，車廂地板振動受變流器內(nèi)部振源的影響越來越顯著。但不論何種車輛，車輛研制中除秉承安全，均衡，輕量化，可維護(hù)性外，還需要考慮乘客乘坐的舒適度。對沈陽地鐵9號線車下輔助變流器設(shè)備箱體吊掛方式及產(chǎn)生的振動進(jìn)行分析研究，并通過采取特殊的減振裝置來減弱車體地板對振源激勵的響應(yīng)，提高乘坐舒適度。

1 背景說明

沈陽地鐵9號線車輛驗(yàn)收中發(fā)現(xiàn)部分車輛的Tc車輔助變流器箱上方客室內(nèi)地板體感振動明顯。現(xiàn)場使用振動儀對地板上的振動進(jìn)行測量，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)體感振動明顯的振動值多在0.5～0.8 m/s2,其中有1列車的甚至達(dá)到了1.2 m/s2。此振動值超過了GB/T 13441中0.315 m/s2評估標(biāo)準(zhǔn)[5]。由于很多車輛都存在振動，沈陽地鐵9號線車輛地板振動應(yīng)屬于共性問題。

2 振動調(diào)查

2.1 調(diào)查方案

為了調(diào)查振動的來源以及振動的影響范圍，在車輛段現(xiàn)場選取1～2列車，并按照以下方法步驟對振動位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。

2.1.1確定振動點(diǎn)位置及范圍。在體感有明顯振感的車廂地板上畫出一個(gè)面積約為(2×2) m的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)均勻分出9個(gè)小單元格。為方便理解，9個(gè)點(diǎn)的位置在記錄時(shí)以區(qū)域周邊的物體來進(jìn)行表示。

2.1.2車輛升弓上電后，輔助變流器開始工作。待工作30 min穩(wěn)定后對9個(gè)單元格內(nèi)的中心點(diǎn)進(jìn)行振動測量。

2.1.3采用排除法，根據(jù)電路圖1所示，分別對輔助變流器箱內(nèi)的冷卻風(fēng)機(jī)，三相濾波變壓器和三相充電變壓器斷電切除。每個(gè)操作完成后再等待10 min，然后再測量地板的振動值。變流器箱體內(nèi)電路圖如圖1所示。

圖1 輔助變流器電路

每步操作完成后所測量的振動值見表1。

表1 Tc2車廂地板處振動值測量 m·s-2

從表1記錄的振動數(shù)據(jù)可以看出：斷開充電變壓器后，地板上的振動值與原始值相比較呈現(xiàn)明顯降低。初步可以判斷振動的來源是由充電變壓器工作產(chǎn)生。

2.2 振動分析

2.2.1振源

此充電變壓器在系統(tǒng)電路中的作用主要是將380 V AC轉(zhuǎn)化為78 V AC后輸出至充電機(jī)模塊整流成110 V DC，為車上110 V DC負(fù)載及蓄電池提供電源和充電。為進(jìn)一步分析振源是否為充電變壓器以及與其負(fù)載工況是否存在一定的關(guān)系?，F(xiàn)場通過斷開一部分負(fù)載(如蓄電池充電)的方法來進(jìn)行測試，同時(shí)對振動現(xiàn)象進(jìn)行了頻譜采集。

通過斷開蓄電池充電刀閘的方法采集到了圖2～圖3的2種頻譜圖。

圖2 刀閘斷開前頻譜圖

圖3 刀閘斷開后頻譜圖

從頻譜圖可以看出，斷開刀閘前的振動頻率在100 Hz，最大振幅為0.422 m/s2;斷開刀閘后振動頻率依然在100 Hz，最大振幅降為0.314 m/s2。通過數(shù)據(jù)對比可以看出充電機(jī)輸出的110 V DC負(fù)載量的大小對充電變壓器的振動是有一定影響的。所測的振動頻率固定在100 Hz，而這一特征充分證明了振動是來自于變壓器。變壓器內(nèi)鐵芯的振動主要是由硅鋼片的磁致伸縮現(xiàn)象以及渦輪作用下硅鋼片之間的互相吸引力引起的。對于工作頻率為50 Hz的變壓器鐵芯而言，除了基頻100 Hz分量以外，200 Hz、分量也較明顯[9]。如圖4所示。

圖4 振動頻譜圖

2.2.2振動傳遞

在振源確認(rèn)后，為便于下一步的問題的解決，還需要對振動傳播過程中振動值的變化進(jìn)行調(diào)查。沈陽9號線地鐵車輛上的輔助變流器箱體采用8處吊腳托掛安裝到車體，如圖5所示。為了分析耦合放大問題。在現(xiàn)場對2節(jié)Tc車的車廂地板和變流器8處吊腳均做了振動測量。測量值如表2～4所示。

對比表3和表4可以得出Tc2車的吊腳振動大于Tc1車。Tc2車的吊腳振動值已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)所要求的0.315 m·s-2。

圖5 變壓器支撐梁安裝結(jié)構(gòu)

表2 Tc1和Tc2車廂地板處振動值 m·s-2

表3 Tc1車輔助變流器吊腳振動值 m·s-2

表4 Tc2車輔助變流器吊腳振動值 m·s-2

為降低地板的振動，對2臺變流器內(nèi)的三相充電變壓器進(jìn)行了更換。并再次對地板進(jìn)行了測量。測量結(jié)果見表5。

表5 對換變壓器后Tc1和Tc2車廂地板處振動值 m·s-2

2.3 振動結(jié)論

根據(jù)多次的測量結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

(1)輔助變流器箱體內(nèi)的充電變壓器是振動的來源。振動通過吊腳傳遞到車廂地板上部。

(2)變流器的吊掛方式以及車廂地板的結(jié)構(gòu)對來自變流器的振動有放大現(xiàn)象。

(3)對地板振動較大的車輛，用振動值偏小的充電變壓器更換可以降低地板上的振動，但由于地板的耦合放大，更換后的效果不明顯。

3 振動解決措施

在更換振源無法完全降低振動的情況下只能從振動的傳播路徑去考慮隔離振動。比如在振源與振動控制對象之間增加隔振器，這樣可以使振動能量限制在振源有限區(qū)域內(nèi)而不向外擴(kuò)散，從而減弱受控對象對振源激勵的響應(yīng)[4]。

通過對車輛振動原因調(diào)查，測量和分析，可知振動的傳播路徑如下：三相充電變壓器→變壓器安裝橫梁→輔助變流器箱體吊梁→車體變流器安裝吊腳→地板。如圖6所示。

圖6 箱體地板振動傳遞

3.1 隔離位置

在現(xiàn)場查看并分析設(shè)備的結(jié)構(gòu)安裝方式。發(fā)現(xiàn)無論變壓器內(nèi)部的安裝(圖5)還是變流器箱體的吊裝在車體，采用的均是螺栓直接接觸的剛性連接，連接中無任何減振措施。所以振動隔離可以選擇在箱體懸掛的吊腳處或充電變壓器內(nèi)部的安裝橫梁處。為降低風(fēng)險(xiǎn)，綜合考慮后選擇在變流器箱體內(nèi)部的橫梁處增加隔振裝置。

3.2 振動隔離裝置設(shè)計(jì)

3.2.1隔離裝置材質(zhì)選擇

減振裝置一般有金屬彈簧減振與橡膠減振兩種不同的材質(zhì)。彈簧減振器的特性適用于低頻設(shè)計(jì)，隔振效果好、荷載范圍廣、工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，對沖擊振動和固體傳聲的隔離有明顯的效果。橡膠減振器相對彈簧減振器有相似的性能，也存在其抗環(huán)境與抗高溫的變化能力較弱，老化壽命較短的劣勢。但橡膠減振器形狀可以自由選擇，尤其對100 Hz及以上頻率減振效果較好，硬度可以通過配方設(shè)計(jì)加以調(diào)整，由于橡膠減振器具有高彈性和黏彈性、沖擊剛度和動剛度較大而彈性模量小、形狀和硬度可以自由選擇調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)[6]。鑒于變流器箱體內(nèi)部安裝空間限制，橡膠減振器易于安裝的特性被優(yōu)先選用。

3.2.2減振器參數(shù)計(jì)算

橡膠減振器需要考慮安裝位置處的空間限制設(shè)計(jì)其形狀。還需要對橡膠減振的一些性能參數(shù)如靜剛度Ks，阻尼系數(shù)ζ及動靜剛度比n等進(jìn)行計(jì)算。

橡膠減振器的性能參數(shù)包括靜態(tài)和動態(tài)。靜態(tài)性能主要是指靜剛度，它表示減振器在穩(wěn)態(tài)載荷作用下抵抗變形的能力。動態(tài)性能表示為動剛度Kd和阻尼，它反映了減振器吸收或衰減振動能量的能力。在簡諧激勵下，橡膠的動態(tài)模量隨著頻率的增加而增加。而阻尼隨著頻率的上升，在某一頻率達(dá)到峰值后開始下降[3]。橡膠減振器所使用的膠料決定了動靜剛度比n，動靜剛度比對振動傳遞和減振效果有較大影響。動靜剛度比越小，橡膠材料的回彈性能越好，振動傳遞效果越好，兩者的比值越趨近于1，振動傳遞性能就越好[8]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(1)

(1)

減振器的隔離和衰減振動的效果是用振動傳動率來衡量的，為響應(yīng)振幅與輸入激勵振幅之比，振動傳遞率簡化如式(2)

(2)

其中公式中λ為激振頻率與橡膠減振器固有頻率之比，即

(3)

其中M為被隔振對象(變壓器)質(zhì)量，Kd為動剛度。

根據(jù)振動傳遞率公式，可得到振動傳遞率η隨頻率比λ和阻尼比ζ變化的曲線，如圖7所示。

圖7 不同阻尼比下隔振率隨頻率比的變化圖

圖8 7 Hz以上振動傳遞分析

如圖7所示可以看出不同阻尼比、頻率和隔振效果關(guān)系為：

(1)當(dāng)λ<1時(shí)，η=1，即當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，無隔振效果。

(2)當(dāng)λ<2時(shí)，η>1，不但不能隔振，反而會有擴(kuò)振的效果，特別是當(dāng)f=fn時(shí)發(fā)生共振。在頻率比λ相同時(shí)，阻尼比ζ越大傳遞率越小，所以在共振區(qū)適當(dāng)增加阻尼可以使傳遞率降低，從而減少振動。

通常人體所能感受的頻率在2～15 Hz。根據(jù)隔振理論可獲得圖8所示，對于7 Hz以上的振動輸入有衰減作用，激勵頻率為10 Hz時(shí)，即可獲得24%和45%的減振效率，當(dāng)激振頻率為100 Hz時(shí)，減振效率即達(dá)99%。因此橡膠減振器的本征頻率在10～30 Hz范圍選擇較為合適。為了獲得較好的隔振效果，在設(shè)計(jì)選擇中間值18 Hz 。這樣獲得的頻率比λ約為5.55。

另外橡膠材料的阻尼與材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)、膠種、填充物的種類和比率、使用溫度與振動頻率等有關(guān)。根據(jù)減振理論，在中高頻段，減振器阻尼比ζ低一些可以提高減振效果，另外由于橡膠的本身特性，ζ也不能太大，否則橡膠容易發(fā)熱，加速老化蠕變的過程。借鑒之前經(jīng)驗(yàn)值橡膠元件的阻尼比一般選擇在7.5%～20%之間[2]。天然橡膠相比其他材質(zhì)橡膠阻尼比最小，本次阻尼比ζ定為15%。

按照理論公式計(jì)算可以得出減振器的動剛度。但在設(shè)計(jì)時(shí)還需要將動剛度轉(zhuǎn)為靜剛度進(jìn)行計(jì)算，因此選擇一個(gè)合適的動靜剛度比。一般橡膠彈性體具有黏彈性，對動載荷表現(xiàn)出黏彈滯后性，因此動靜剛度比通常是大于1[7]。此處選擇動靜剛度比n為1.2。

根據(jù)以上公式可以獲得橡膠減振器的靜剛度Ks；將式(1)和式(4)聯(lián)立得出：

(5)

在本征頻率和動靜剛度比確定的情況下，靜剛度只與自身所承受的載荷有關(guān)并且成線性關(guān)系。當(dāng)所有減振器受載均勻，單臺變壓器的質(zhì)量W=96 kg，安裝固定處按照4個(gè)減振器設(shè)置，我們可以得到單個(gè)減振器的靜剛度應(yīng)不小于Ks=255.560 N/mm 。

最終計(jì)算后的橡膠減振器的參數(shù)靜剛度不小于Ks=255.560 N/mm ；阻尼比ζ為0.15；固有頻率為18 Hz。

3.2.3減振器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

減振器在設(shè)計(jì)中需要具有振動隔離和振動吸收的作用，還要考慮安裝強(qiáng)度及橡膠使用的耐久性問題。在借鑒行業(yè)內(nèi)減振墊的設(shè)計(jì)后，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型的變壓器減振器。減振器主體為天然橡膠。為隔離振動，防止振動通過螺栓傳遞到固定橫梁，減振器設(shè)計(jì)成上下分開相連的結(jié)構(gòu)。為防止緊固過程中橡膠變形，上下相連的孔內(nèi)壁上加了一足夠強(qiáng)度的限位鋼圈，鋼圈的高度略低于橡膠墊被壓后變形量的厚度。為確保鋼圈不移位，限位鋼圈在制造中被直接硫化到橡膠墊下半部分。減振器的機(jī)械結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品硫化效果圖如圖9、圖10所示。

圖9 減振器結(jié)構(gòu)圖

圖10 減振器硫化軸向圖

從減振器安裝后的效果圖可以看出。減振器直接隔離了變壓器與橫梁之間的剛性連接。橡膠與變壓器梁間的完全貼合后，振動可以被橡膠墊進(jìn)行吸收，內(nèi)部的限位鋼圈的硫化橡膠也對螺栓與橫梁間的振動傳遞路徑起到了隔離作用。安裝效果如圖11、圖12所示。

圖11 減振器安裝結(jié)構(gòu)

4 效果驗(yàn)證

減振器設(shè)計(jì)完成后，需要將減振器安裝到車上進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證。在現(xiàn)場對2列振動大車廂地板進(jìn)行了改造前振動測量。然后再將2臺輔助變流器箱內(nèi)充電變壓器上加裝減振器。加裝完成后再次上電測量同一振動點(diǎn)。前后所測量數(shù)據(jù)對比后的圖形如圖13所示。

圖12 減振器安裝效果圖

圖13 安裝減振器后Tc1和Tc車廂地板處振動值

從圖13的測量對比數(shù)據(jù)可以看出新設(shè)計(jì)的減振器隔振性能良好，振動值的降低明顯，體感已無法感受到振動。說明減振器可以解決變壓器本體的振動以及車體結(jié)構(gòu)的耦合放大問題。新設(shè)計(jì)的橡膠減振器已完全可以滿足苛刻的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)束語

通過對車體地板振動問題展開深入調(diào)查,找出了振動的振源及傳遞路徑,在車廂下設(shè)備無法改變吊掛結(jié)構(gòu)的情況下采用了增加減振器的方法。在減振器設(shè)計(jì)過程中，對橡膠減振器的特性進(jìn)行了計(jì)算，提高減振效果和可靠性，解決了變壓器本體振動和車體耦合放大2個(gè)缺陷。新安裝的減振器車輛已經(jīng)安全試運(yùn)行1個(gè)月時(shí)間。但由于橡膠材質(zhì)的客觀原因，橡膠減振器的降振有效壽命研究仍需要后期繼續(xù)跟蹤監(jiān)控。