一種軌道工程車車體振動原因分析及隔振優(yōu)化措施探討

張高鋒

摘要：本文對一種軌道工程車出現(xiàn)車體振動過大的現(xiàn)象，參照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.1-2019《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體：客車車體》并結(jié)合有限元分析軟件，從動力裝置與車體結(jié)構(gòu)方面分析、探討其產(chǎn)生振動的原因及隔振優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：軌道工程車;車體振動;有限元分析;隔振優(yōu)化

中圖分類號：[U273.1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0071-02

0 ?引言

目前我國鐵路技術(shù)裝備水平的快速提升、運輸能力的快速擴充，以適應(yīng)經(jīng)濟社會又好又快發(fā)展對鐵路運輸?shù)钠惹幸?。振動作為一種普遍存在的現(xiàn)象在軌道交通牽引機車上同樣存在，通常有規(guī)律輕微的振動對機車及車內(nèi)司乘人員并不會產(chǎn)生太大影響，然而當(dāng)車輛由于自身結(jié)構(gòu)、動力裝置、外界環(huán)境等因素變化而產(chǎn)生較大振動，甚至共振時，不僅會使車輛各零部件故障率增加，同時也會導(dǎo)致機破、臨修等事件概率的大幅上升，久而久之甚至?xí)＜叭藛T安全[1-2]。

該軌道工程車為內(nèi)燃電傳車，內(nèi)燃電傳車以內(nèi)燃機作為動力來源，輸出的能量通常作用到發(fā)電機上，發(fā)出的電能經(jīng)過一系列的變換最終提供給牽引電機，用于驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，帶動輪對運動，實現(xiàn)機車移動。因此，內(nèi)燃傳動機車的振動也多與其內(nèi)燃機、發(fā)電機等存在一定聯(lián)系，本文從動力裝置與車體結(jié)構(gòu)方面出發(fā)，分析、探討其產(chǎn)生振動的原因及隔振優(yōu)化措施。

1 ?整車設(shè)計來源及車體結(jié)構(gòu)介紹

1.1 整車設(shè)計來源

該型重型軌道車是以某半車棚軌道車為原型車（以下簡稱原型車），原型車主要用于200km/h及以上線路維修中的材料、工具、人員運輸，可作為各種鐵路施工和信息化檢測技術(shù)的設(shè)備裝載平臺，也可適應(yīng)我國其它標(biāo)準(zhǔn)軌距的鐵路。整車形式如圖1所示。

1.2 車體結(jié)構(gòu)介紹

該型重型軌道車在原型車設(shè)計基礎(chǔ)沿用動力配置并將車棚形式由半棚改為全棚，并沿用動力系統(tǒng)配置。該車車體為整體承載式結(jié)構(gòu)，整體承載式車體均為棚式車體[3]。車體長21000mm，寬3100mm，定距為14500mm。車體包括車架和車棚，自重20t，車體外形圖如圖2所示。

2 ?振動原因分析

整車運行過程中振源主要為輪軌關(guān)系、自身動力系統(tǒng)等，本文從動力系統(tǒng)配置與車體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析。通過對動力系統(tǒng)、隔振系統(tǒng)、車體模態(tài)分析方面查明車體振動原因。

2.1 原型車動力系統(tǒng)及車體配置情況

原型車發(fā)動機為采用12.8L的電噴柴油發(fā)動機，在柴油機額定轉(zhuǎn)速1800rpm時，柴油機激振頻率為30Hz。此類車輛采用大功率的內(nèi)燃機，傳遞能量大，因此配備隔振系統(tǒng)吸收發(fā)電機組振動能量及衰隔振動。

以發(fā)動機為基準(zhǔn)建立隔振裝置坐標(biāo)系，X方向為柴油機的曲軸軸線方向，以發(fā)動機的寬度方向為Y方向，以垂直方向為Z方向，隔振系統(tǒng)坐標(biāo)系示意圖如圖3所示。隔振系統(tǒng)垂直方向固有頻率為12.40Hz，見表1。

對于不同的機車發(fā)電機組垂向激勵力對應(yīng)的隔振效果如圖4所示，可知該隔振系統(tǒng)在30Hz激勵下隔振效果為70%，其具有良好的穩(wěn)定性和隔振性能。

標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.1-2019《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體：客車車體》要求車體的剛度應(yīng)確保整備狀態(tài)下車體的一階彎曲自振頻率與轉(zhuǎn)向架的點頭和浮沉自振頻率的比值大于1.4或車體的一階垂向彎曲自振頻率不低于10Hz[4]，經(jīng)有限元仿真計算，原型車模態(tài)分析結(jié)果顯示車體的垂向彎曲固有頻率為11Hz大于10Hz，滿足標(biāo)準(zhǔn)剛度要求，車體垂向彎曲振型如圖5所示。

綜合以上計算，在柴油機額定轉(zhuǎn)速1800rpm時，柴油機基頻為30Hz，其共振頻率范圍為～30×Hz（約為21～42Hz），車體的垂向彎曲固有頻率為11Hz，遠(yuǎn)離額定轉(zhuǎn)速下柴油機基頻共振范圍，整車運行過程中，未出現(xiàn)共振現(xiàn)象，車輛使用狀況良好。

2.2 該重型軌道車車體振動原因分析

該型重型軌道車在原型車設(shè)計基礎(chǔ)沿用動力配置并將車棚形式由半棚改為全棚，并沿用其動力系統(tǒng)配置。經(jīng)有限元仿真分析，車體的一階垂向彎曲振動頻率為26.91Hz大于10Hz，滿足標(biāo)準(zhǔn)剛度要求，車體垂向彎曲振型如圖6所示。

車體一階垂向彎曲振動頻率26.91Hz處于柴油機基頻共振范圍～30×Hz（約為21～42Hz）內(nèi)，故整車運行過程中，出現(xiàn)車體易出現(xiàn)振動過大現(xiàn)象。

3 ?隔振優(yōu)化建議

根據(jù)上述分析可知，該型軌道工程車由于車體一階垂向彎曲自振頻率接近柴油機基頻引起整車運行過程中出現(xiàn)車體振動過大現(xiàn)象，結(jié)合隔振系統(tǒng)作用及發(fā)電機組選型、車體結(jié)構(gòu)設(shè)計多方面考慮，可從以下三個方面進(jìn)行隔振優(yōu)化：

①選擇適配的隔振系統(tǒng)。在不改變發(fā)電機組選型及車體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提升隔振系統(tǒng)隔振效果以衰隔振動，可參考選取在30Hz激勵下隔振效果為90%以上的隔振系統(tǒng)，此優(yōu)化方案在整車成型后最容易實施。

②更改發(fā)動機選型，改善額定轉(zhuǎn)速下柴油機基頻。在兼顧隔振系統(tǒng)等其他系統(tǒng)穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，使額定轉(zhuǎn)速下柴油機基頻遠(yuǎn)離車體一階垂向彎曲振動頻率，此優(yōu)化方案在整車成型后更改難度較大。

③優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化車體一階垂向彎曲固有頻率，使車體一階垂向彎曲固有頻率遠(yuǎn)離額定轉(zhuǎn)速下柴油機基頻，此優(yōu)化方案在整車成型后更改難度最大。

4 ?結(jié)論

本文從動力裝置與車體結(jié)構(gòu)方面對該型軌道工程車輛車體振動過大原因進(jìn)行分析，提出有效的隔振優(yōu)化建議并評估各措施實施難易程度，對于提高該型軌道工程車使用體驗及運行壽命有重大意義，也為類似車輛設(shè)計及隔振方法選擇提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]段欣欣.大功率交流傳動內(nèi)燃機車振動測試分析及處理方法[J].鐵道機車與動車，2017（3）：27-30.

[2]蔣濟雄.我國軌道交通牽引機車振動研究現(xiàn)狀分析[J].機械工程師，2015（5）：139-141.

[3]鮑維千.內(nèi)燃機車總體及走行部[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[4]國家鐵路局.TB/T 3550.1-2019，機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體：客車車體[S].