蘭清群,顏 爭

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通與信息工程系，合肥 230051)

動車組列車車下設(shè)備懸掛參數(shù)對車體振動的影響分析

蘭清群,顏 爭

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通與信息工程系，合肥 230051)

隨著高速動車組技術(shù)的發(fā)展，車體的輕量化設(shè)計越來越被重視，但車體的輕量化設(shè)計會降低車體的整體剛度，從而會加劇車體及車下設(shè)備的振動.建立了考慮大質(zhì)量車下設(shè)備及車體主要自由度的剛?cè)狁詈宪囕v動力學(xué)模型，并利用模型分析了車下設(shè)備懸掛剛度對振動的影響.結(jié)果表明，車下設(shè)備懸掛系統(tǒng)的橫向和垂向剛度的選擇，應(yīng)該從車體及車下設(shè)備振動兩方面考慮，盡量避開加速度峰值.這種選取懸掛剛度的方法為工程應(yīng)用提供理論參考.

動車組；列車；車下設(shè)備；車體；振動

隨著高速列車技術(shù)的發(fā)展，車體的輕量化設(shè)計越來越被重視，但是輕量化設(shè)計也帶來一系列的問題[1]，主要是車體的輕量化設(shè)計會降低車體的整體剛度[2]，從而會加劇車體的振動，影響乘坐舒適性[3]，國內(nèi)外在這方面已經(jīng)有很多研究，如在車體上加裝動力吸振裝置或加彈性阻尼材料等[4]，但是，由于國內(nèi)動力分散式高速動車組的普及，車下設(shè)備的懸掛參數(shù)及其懸掛位置對車體動力學(xué)性能的影響也日益受到關(guān)注，由于車下設(shè)備總質(zhì)量大，對于車輛運行的平穩(wěn)性影響比較大，必須合理選取懸掛參數(shù)才能最有效的降低振動[3]，因此，基于ANSYS和SIMPACK軟件建立剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，分析動車組列車車下設(shè)備懸掛參數(shù)對車體振動的影響,為動車組車下設(shè)備布置設(shè)計提供一定的理論依據(jù)及應(yīng)用指導(dǎo).

1 系統(tǒng)模型的建立

首先建立車體的有限元模型，如圖1所示，然后在ANSYS軟件中將車體的模型導(dǎo)入進去，用軟件進行模態(tài)計算，求解得到縮減自由度后的主自由度模態(tài)數(shù)值解.然后通過接口程序FEMBS將有限元模型和模態(tài)分析結(jié)果導(dǎo)入動力學(xué)計算軟件[5]，然后利用SIMPACK軟件建立考慮車體彈性的車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型，如圖2所示，F(xiàn)EA和SIMPACK聯(lián)合建模數(shù)據(jù)文件流程流程圖如圖3所示.在動力學(xué)計算軟件模型中選取適宜的標(biāo)志點及模態(tài)信息等，即可進行基于彈性車體的動力學(xué)計算.由于車輛本

圖1 車體有限元模型

圖2 剛?cè)狁詈宪囕v系統(tǒng)動力學(xué)模型

身就是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，所以在建立理論計算模型時要對一些非主要研究對象進行一些簡化，主要是考慮車體的彈性，而對輪對和構(gòu)架等均視為剛體部件，忽略其在計算過程中會產(chǎn)生的彈性變形，因為這些部件的彈性遠遠小于車下懸掛系統(tǒng)的彈性，另外，動車組各車輛間的作用也需要作一些簡化，只考慮一節(jié)車的耦合動力學(xué)模型.此車輛系統(tǒng)模型是由1個彈性車體和2個構(gòu)架、8個轉(zhuǎn)臂、4個輪對、及若干車下設(shè)備構(gòu)成.車下設(shè)備主要考慮牽引變壓器等質(zhì)量較大設(shè)備為彈性體，具體車下設(shè)備的懸掛位置如圖4所示.

圖3 FEA和SIMPACK聯(lián)合建模數(shù)據(jù)文件流程

圖4 車下設(shè)備布置位置示意圖

2 車下設(shè)備懸掛參數(shù)對振動影響分析

車下設(shè)備采用彈性懸掛能夠抑制車體的彈性振動，但是如果車下設(shè)備的彈性懸掛參數(shù)選擇不合理也有可能增加車體的彈性振動，因此，有必要對車下設(shè)備懸掛參數(shù)與車體振動之間的匹配關(guān)系進行研究.車下設(shè)備的振動特性可以通過振動加速度的變化趨勢來進行分析.但是，由于車下設(shè)備類型比較多，質(zhì)量大小也不一樣，所以主要考慮一些大型設(shè)備的懸掛剛度在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭衅浼铀俣葘φ駝有阅艿挠绊懀崛×肆熊囁俣仍O(shè)定為300 km/h 運行時，車體與主要設(shè)備的最大加速度的變化情況.以下重點考慮牽引變壓器及廢排單元兩種設(shè)備的彈性懸掛剛度對于車體與設(shè)備耦合振動影響規(guī)律，牽引變壓器的橫向懸掛剛度對車體地板面及設(shè)備本身的加速度影響如圖5所示.

圖5 牽引變壓器橫向懸掛剛度對車體與設(shè)備耦合振動影響規(guī)律

從圖5可以看出牽引變壓器懸掛系統(tǒng)橫向剛度的變化對車體橫向振動的影響.隨著橫向剛度的增加，車體橫向振動呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢.而對車下設(shè)備牽引變壓器的橫向振動的影響，則是逐漸增大最終趨于平緩.因此，在選擇牽引變壓器橫向懸掛剛度時，應(yīng)該避開車體振動的峰值，即1.2 MN/m以上.

廢排單元的橫向懸掛剛度對車體地板面及設(shè)備本身的加速度影響如圖6所示.

圖6 廢排單元橫向懸掛剛度對車體與設(shè)備振動影響規(guī)律

從圖6可以看出，廢排單元懸掛系統(tǒng)橫向剛度的變化主要影響的是設(shè)備橫向振動，而對車體橫向的振動的影響可以忽略不計.隨著橫向剛度的增大，設(shè)備橫向振動呈減小的趨勢，因此最佳的橫向剛度取值應(yīng)該為0.2 MN/m以上.

牽引變壓器的垂向懸掛剛度對車體地板面及設(shè)備本身的加速度影響如圖7所示.

圖7 牽引變壓器垂向懸掛剛度對車體與設(shè)備合振動影響規(guī)律

從圖7可以看出，牽引變壓器的垂向懸掛剛度1.5～4 MN/m變化過程中，車體地板面的垂向最大加速度基本沒有變化，而車下設(shè)備懸掛系統(tǒng)的垂向剛度的變化過程中會出現(xiàn)一個峰值，因此在選取懸掛剛度時要避開峰值影響.

廢排單元的垂向懸掛剛度對車體地板面及設(shè)備本身的加速度影響如圖8所示.

從圖8可以看出，廢排單元的垂向懸掛剛度變化對車體的振動影響也不大，但對設(shè)備本身的振動影響比較大，并且會出現(xiàn)峰值，在選取懸掛剛度時要盡量避開峰值影響，因此車下設(shè)備懸掛系統(tǒng)的垂向剛度的選擇，應(yīng)該更多的考慮設(shè)備振動情況.

3 結(jié)論

(1)建立了考慮大質(zhì)量車下設(shè)備及車體的主要自由度的剛?cè)狁詈宪囕v動力學(xué)模型，為研究車下設(shè)備與車體的耦合振動提供建模思路.

(2) 車下設(shè)備必須采用彈性懸掛，才能最大程度的減少車體的彈性振動，但要達到良好的減振效果，選取合適的懸掛剛度顯得尤為重要.合理的車下設(shè)備懸掛剛度的選取方法可為工程應(yīng)用提供理論參考和驗證性分析.

圖8 廢排單元垂向懸掛剛度對車體與設(shè)備振動影響規(guī)律

(3)車下設(shè)備垂向懸掛剛度的變化對車體振動的影響較小，車下設(shè)備懸掛系統(tǒng)的垂向剛度的選擇，應(yīng)該更多的考慮設(shè)備振動情況.

[1] 趙陽陽，劉 士，張 偉． 車體下吊懸吊方式和彈性懸置質(zhì)量對車體模態(tài)頻率的影響[J]． 佳木斯大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，30(3)：326-329．

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Effects of Suspended Parameters of Under-frame Equipment of EMU Train on Vibrations of Car-body

LAN Qing-qun,YAN Zheng

(Department of Urban Rail Transit and Information Engineering, Anhui Communications Vocational and Technical College, Hefei 230000, China)

As the development of high-speed train technology, the lightweight design of the car body has attracted more and more attention, but the lightweight design of the car body will reduce the overall stiffness of the car body, which will increase the vibration of the car body and the under-frame equipment. The rigid-flexible-coupled dynamic model of a vehicle is built considering great quality vehicle equipment and DOF of vehicle body. The influence on the vibration of the variable suspension stiffness of equipment under the vehicle is analyzed by this model. The results show that the lateral and vertical stiffness of the suspension system of the vehicle should be considered from two aspects of the vibration of car body and the under-frame equipment so as to avoid the peak value of acceleration. The method of selecting suspension stiffness provides theoretical reference for engineering application.

EMU; train; under-frame equipment; car-body; vibration

2016-08-28

安徽省自然科學(xué)研究項目(KJ2015A447)，安徽省大規(guī)模在線開放課程項目(2015mooc146).

蘭清群(1987-)，女，碩士，講師，研究方向：車輛強度及動力學(xué).

U270

A

1671-119X(2017)01-0041-04