某地鐵車輛空壓機橡膠減振器的設(shè)計及試驗研究

趙 天,于 磊,樊令舉,劉志國,宋紅光,姜 凌

(1.青島博銳智遠減振科技有限公司,山東 青島 266031;2.中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

制動空壓機是安裝在地鐵車輛車體底部的重要系統(tǒng)設(shè)備,若懸吊方式不當,其啟動時會造成車體地板的異常振動、影響乘客舒適度及車輛運行品質(zhì)。國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)針對車下設(shè)備(包括制動空壓機、牽引變流器、變壓器、充電機、通風機、電池箱等)的吊點布置、懸掛方式等做了大量的研究工作[1-3],認為彈性懸掛方式在某個頻率范圍內(nèi)能夠降低車體的彈性振動,是車下設(shè)備懸吊的最優(yōu)選擇方案之一。文獻[4-9]基于隔振理論或吸振理論對車下設(shè)備系統(tǒng)與車體的耦合振動進行了研究,從而優(yōu)選出最佳的設(shè)備懸掛頻率,但相關(guān)研究均集中在車體設(shè)備耦合振動、懸吊位置布置等整機系統(tǒng)層面,并沒有考慮橡膠減振器本身的結(jié)構(gòu)性能特點。本文從減振器設(shè)計制造的層面對其全開發(fā)設(shè)計周期進行研究,包括減振器的參數(shù)設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算、配方設(shè)計、樣機試制、試驗測試等。

某地鐵公司反饋其地鐵車輛在空壓機啟動時車廂地板異常振動,具體表現(xiàn)為:當開啟空壓機時,車廂內(nèi)部地板有明顯的振動、且噪聲較大,空壓機正上方處站立的乘客有明顯的不適感。業(yè)主要求改進后乘客站立在空壓機正上方車廂地板處無不適感。為進一步量化指標,分別在空壓機本體、懸掛梁、車廂地板等位置測量振動加速度及噪聲分貝值,優(yōu)化后的吊掛方案應明顯優(yōu)于原方案,并滿足業(yè)主的實際體感測試要求。

為解決上述異常振動問題,青島博銳智遠減振科技有限公司(以下簡稱“博銳公司”)為其開發(fā)設(shè)計了一種橡膠減振器,橡膠減振器的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 某地鐵車輛用空壓機減振器開發(fā)設(shè)計流程示意圖

1 減振器參數(shù)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)懸掛參數(shù)設(shè)計

根據(jù)客戶需求描述,設(shè)置此減振器的主要目的是降低空壓機啟動時車廂地板的振感,即降低空壓機至車體的振動傳遞效率。根據(jù)積極隔振理論[10],系統(tǒng)的懸掛頻率應滿足:

(1)

式中:f為空壓機電機轉(zhuǎn)動頻率(即振動輸入激勵源),fn為空壓機彈性吊掛系統(tǒng)的懸掛頻率。

計算空壓機電機轉(zhuǎn)動頻率f=24.17 Hz,并代入式(1),計算得吊掛系統(tǒng)懸掛頻率范圍為:4.8

根據(jù)消極隔振理論[10],系統(tǒng)的懸掛頻率與車體模態(tài)頻率還應滿足:

(2)

式中:f1為車體垂向一階振動彎曲頻率,f1=11 Hz;f2為車體剛體振動頻率,f2=2 Hz。

根據(jù)消極隔振理論計算懸掛頻率范圍并與式(2)求交集,結(jié)果為:5

根據(jù)計算結(jié)果取中值并圓整,則fn=6.5 Hz,并對隔振效果進行校核。根據(jù)文獻[11],振動傳輸率的計算公式為:

(3)

(4)

計算得出,空壓機的振動傳輸率TABS=7.8%,即彈性吊掛系統(tǒng)隔振效率為92.2%。因此,設(shè)計系統(tǒng)懸掛頻率fn=6.5 Hz是合理的,滿足設(shè)計要求。

1.2 減振器剛度參數(shù)設(shè)計

根據(jù)1.1中的懸掛參數(shù)設(shè)計結(jié)果及空壓機質(zhì)量、尺寸、吊掛點數(shù)量及位置即可求解出減振器的剛度參數(shù)。

1.2.1 空壓機吊掛靜剛度

該地鐵車輛的空壓機質(zhì)量m為178 kg,則空壓機吊掛總動剛度kd的求解公式為:

(5)

由式(5)解得:kd=296 N/mm,空壓機吊掛靜剛度kst=kd/p=228 N/mm。其中,p為動靜剛度比,根據(jù)類似產(chǎn)品測試結(jié)果經(jīng)驗,取p=1.3。不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型面、橡膠配方等動靜剛度比略有不同,產(chǎn)品設(shè)計制造完成后對其進行測試,若差別過大,則重新對減振器剛度參數(shù)、設(shè)備懸掛頻率進行計算校核。

1.2.2 空壓機吊掛靜撓度

1.2.3 空壓機各吊掛點承載力及減振器剛度

空壓機吊掛點個數(shù)、質(zhì)心位置及吊掛點安裝位置如圖2所示。

圖2 空壓機吊掛點及質(zhì)心位置示意圖

根據(jù)力平衡及力矩平衡方程可推導出各吊掛點的承載力Fi計算公式如下:

(6)

(7)

(8)

(9)

代入各參數(shù)數(shù)值,即可求得各吊掛點承載力Fi,當?shù)鯍禳c數(shù)量較多時,用此方法計算推導公式較繁瑣,通過有限元軟件直接進行稱重計算效率更高,本文通過有限元稱重的計算結(jié)果如表1所示,其值與用解析公式(6)～式(9)計算結(jié)果一致,根據(jù)Fi及Dst可求解出各吊掛點減振器剛度Ki并對其進行優(yōu)化,結(jié)果如表1所示。

表1 各吊掛點承載力有限元稱重及減振器剛度計算結(jié)果

空壓機彈性吊掛系統(tǒng)懸掛頻率設(shè)計為fn=6.5 Hz,采取4點吊掛型式,需設(shè)計2種橡膠減振器,剛度參數(shù)分別為77 N/mm和47.5 N/mm。

2 減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上文計算出的減振器技術(shù)參數(shù)及客戶提供的安裝接口,設(shè)計出減振器的結(jié)構(gòu)型式如圖3所示(因保密要求,圖中對橡膠套及固定座配合面進行了修改及簡化),其主要特點及優(yōu)勢為:

圖3 空壓機減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

(1) 根據(jù)減振器的技術(shù)參數(shù)特點,決定采取橡膠減振的結(jié)構(gòu)型式,其具有剛度性能易調(diào)節(jié)、隔振隔噪效果好、質(zhì)量低、體積輕、無需維護等優(yōu)點;

(2) 減振器由上固定座、下固定座、橡膠套、聯(lián)接管和聯(lián)接螺栓組裝在一起構(gòu)成,其剛度參數(shù)主要通過設(shè)計及優(yōu)化橡膠套的型面來實現(xiàn),上固定座與車體安裝梁固定,下固定座與空壓機接口配合;

(3) 橡膠套獨立硫化后與金屬零部件組裝在一起,一方面可降低對膠料配方的粘接性能要求,又省去了骨架處理、噴膠等工藝流程,大大節(jié)省了制作成本,且更為環(huán)保;

(4) 為節(jié)省制造成本,不同剛度參數(shù)的橡膠減振器用同一硫化模具制造,技術(shù)參數(shù)通過調(diào)整橡膠配方實現(xiàn)。

2.2 仿真分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中利用有限元計算進行輔助以提高設(shè)計效率,通過多次結(jié)構(gòu)優(yōu)化、計算仿真的循環(huán)過程設(shè)計出最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu),最后對選定的結(jié)構(gòu)進行剛度計算及應力校核等,本文僅介紹對最終選定結(jié)構(gòu)的有限元校核。

2.2.1 有限元校核計算載荷工況

橡膠減振器的有限元校核計算載荷工況如表2所示,分別對2種剛度參數(shù)的橡膠減振器進行剛度計算及超常載荷工況下的應力校核。剛度計算載荷工況依據(jù)為上文求解的減振器總撓度及空壓機振動振幅;超常載荷工況依據(jù)是沖擊載荷下求得的減振器動撓度,沖擊加速度依據(jù)IEC 61373:2010標準[12]中推薦值進行計算。

表2 減振器有限元校核計算載荷工況

2.2.2 有限元模型

采用有限元軟件對橡膠減振器進行計算分析并優(yōu)化,用C3D8R單元模擬金屬單元,用C3D8H模擬節(jié)點中的橡膠單元。通過定義彈性模量和泊松比對金屬材料進行定義,橡膠材料的定義較為復雜,參數(shù)輸入依據(jù)是博銳公司不同配方的本構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫,其基于博銳公司橡膠配方的單軸拉伸、平面拉伸、雙軸拉伸、體積壓縮等基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)積累,不同橡膠廠家配方不同,橡膠材料定義不能通用。建立的橡膠減振器有限元分析模型(簡化示意模型)如圖4所示。

圖4 空壓機橡膠減振器有限元模型示意圖

2.2.3 有限元計算結(jié)果

2種減振器的剛度計算載荷-位移曲線如圖5、圖6所示,剛度計算結(jié)果及最大應力見表3。2種橡膠減振器的剛度結(jié)果均滿足設(shè)計要求,橡膠最大拉應力和金屬應力值較小,能夠滿足設(shè)計要求。

表3 減振器有限元計算結(jié)果

圖5 77 N/mm橡膠減振器的計算載荷-位移曲線

圖6 47.5 N/mm橡膠減振器的計算載荷-位移曲線

2.3 配方設(shè)計

根據(jù)2.2節(jié)的仿真計算結(jié)果及性能要求對配方進行設(shè)計,所設(shè)計配方應滿足減振器的剛度、運行環(huán)境和動靜剛度比等要求,且應具備良好的拉伸性能、疲勞性能、低溫脆性等。選用耐結(jié)晶型的天然橡膠作為主體生膠材料,依據(jù)性能要求對配方參數(shù)進行設(shè)計并通過正交法對其優(yōu)化。因保密要求,不對配方設(shè)計具體方法及配方參數(shù)進行描述。最后設(shè)計的配方能夠滿足性能要求,2種橡膠配方的部分性能測試結(jié)果如表4所示。

表4 2種橡膠配方的部分性能測試結(jié)果

3 樣機測試

完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和配方設(shè)計后進入產(chǎn)品的工藝方案設(shè)計,包括產(chǎn)品模具設(shè)計、模流分析仿真計算、硫化工藝設(shè)計及優(yōu)化、裝配工藝設(shè)計及優(yōu)化等。因保密要求,本文不對此內(nèi)容展開描述。根據(jù)工藝方案試制出2種橡膠減振器樣機,測量其接口尺寸、質(zhì)量、表面處理等一般性能滿足設(shè)計要求。

3.1 靜剛度試驗

對測試合格的2種橡膠減振器樣機進行靜剛度試驗測試,試驗加載位移范圍為0～20 mm,剛度取值位移范圍為7.05～7.95 mm。2種橡膠減振器的靜剛度測試結(jié)果分別為77 N/mm和49 N/mm,均符合設(shè)計要求(公差依據(jù)TB/T 2843—2015定為±15%),測試載荷-位移曲線如圖7所示。

圖7 減振器靜剛度試驗載荷-位移曲線

3.2 動剛度試驗

對2種橡膠減振器樣機進行動剛度試驗測試,加載位移至7.5 mm,以此為零點,動載荷加載位移振幅為±2 mm,掃頻范圍為1～25 Hz。試驗測試結(jié)果如表5所示,頻率為6.5 Hz時2種橡膠減振器的動剛度分別為98.2 N/mm和65.1 N/mm,動靜剛度比均與1.2.1章節(jié)中計算值相差不大,說明橡膠配方及橡膠套型面設(shè)計合理;2種減振器的動剛度測試掃頻曲線如圖8所示,動剛度隨著頻率的增大而變大,但增幅逐漸減小。

表5 橡膠減振器動剛度試驗測試結(jié)果

圖8 減振器動剛度測試掃頻曲線

4 振動測試

應客戶要求,對3種吊掛方案進行裝車振動測試對比,方案1選用金屬減振器(原吊掛方案),方案2、方案3均為博銳公司設(shè)計制造的橡膠減振器,其中方案3選用上文所述的參數(shù),方案2選用客戶指定參數(shù)。試驗儀器采用加速度計、12通道實時頻譜分析儀、自由場傳聲器與預放器。試驗方法為車輛靜止,啟動空壓機后,測量多處位置(測試點1～10)的振動加速度和車體內(nèi)部對應空壓機正上方1.2 m高處的噪聲分貝值,同時,業(yè)主客戶進行體感測試。測試點位置如表6所示,部分試驗測試點照片如圖9所示。

表6 橡膠減振器振動試驗測試點位置

圖9 部分振動試驗測試點照片

對試驗測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理,圖10為不同方案各測試點振動加速度對比圖,3種方案的A計權(quán)噪聲測試結(jié)果分別為68.59 dB、67.52 dB、64.6 dB。分析圖10及噪聲測試結(jié)果可得如下結(jié)論:

圖10 不同方案各測試點振動加速度對比圖

(1) 減振及降噪效果方案3最好,方案2次之,方案1最差;

(2) 本文所設(shè)計的橡膠減振器方案降低了各點的振動加速度值及噪聲分貝值,優(yōu)化效果明顯;

(3) 業(yè)主客戶分別對3種方案進行了體感測試,認為方案3效果最好,振動及噪聲能夠滿足要求。

綜合各測試點減振和隔噪測試數(shù)據(jù),方案3(即本文設(shè)計選型方案)減振及降噪效果最好,滿足客戶要求,表明本文所設(shè)計減振器參數(shù)合理。

5 結(jié)論

為解決某地鐵車輛空壓機啟動時車體異常振動的問題,本文提出了一種結(jié)合橡膠減振器性能特點的懸掛頻率設(shè)計方法,并結(jié)合橡膠配方特性優(yōu)化減振器剛度參數(shù),從而優(yōu)選出減振器的結(jié)構(gòu)型面、配方參數(shù)等,設(shè)計、制作出4種剛度方案的樣機(其中2種為另一個對比方案選用),并進行了型式試驗測試及裝車減振效果對比測試。得出以下結(jié)論:

(1) 綜合積極隔振及消極隔振理論計算結(jié)果,空壓機懸掛頻率設(shè)計為6.5 Hz,空壓機啟動時傳至車體的振動隔振效率為92.2%;

(2) 空壓機吊掛靜剛度為228 N/mm,靜撓度為7.5 mm,振動總撓度為7.05～7.95 mm;

(3) 空壓機采取4點吊掛型式,空壓機電機側(cè)2個吊點橡膠減振器剛度設(shè)計為77 N/mm,另外2個吊點橡膠減振器剛度設(shè)計為47.5 N/mm;

(4) 2種橡膠減振器的樣機靜剛度測試結(jié)果為77 N/mm、49 N/mm,動靜剛度比(f=6.5 Hz時)為1.28、1.33,均符合設(shè)計要求。

本文所設(shè)計的減振器減振及降噪測試結(jié)果明顯優(yōu)于原方案,解決了空壓機啟動時車體地板振動明顯、噪聲較大、乘客不適的問題,獲得了業(yè)主的認可。