陳翔宇 繆炳榮 雒耀祥 蔣釧應(yīng) 楊樹旺

摘 要：為了研究車下吊掛設(shè)備對高速列車車體彈性振動的影響，文章搭建了車體與吊掛設(shè)備的剛?cè)狁詈洗瓜騽恿W(xué)模型，通過對比剛?cè)狁詈夏Ｐ秃投鄤傮w模型的加速度功率譜密度研究了車體柔性對車輛垂向振動特性的影響;通過控制變量法改變吊掛設(shè)備的懸掛參數(shù)，分析了不同的懸掛系統(tǒng)頻率、懸掛系統(tǒng)阻尼比和懸掛質(zhì)量對車體中心位置的加速度幅頻特性的影響;最后，將吊掛設(shè)備視為動力吸振器，采用Jacquot動力吸振器參數(shù)優(yōu)化理論對懸掛參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)果表明，合理的選擇吊掛設(shè)備的懸掛參數(shù)可以有效的抑制的車體彈性振動。

關(guān)鍵詞：吊掛設(shè)備;功率譜密度;幅頻特性;DVA

中圖分類號：U270.1+1 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）12-99-07

Abstract： In order to study the influence of suspended devices on the elastic vibration of high-speed railway vehicle， this paper builds a rigid-flexible coupled vertical dynamics model of vehicle body and suspension equipment. Firstly， by com -pares the acceleration power spectrum of rigid-flexible coupling model and multi-rigid model， the effects of vehicle body flexibility on vertical vibration of vehicle has been studied; Secondly， the suspension parameters of the suspended devices are changed， such as the frequency of suspension systems， the damping ratio of the suspension system and the suspension mass， then， the acceleration amplitude and frequency characteristics of to the center position of the vehicle body has been analyzed. Finally， the suspension equipment is regarded as the dynamic vibration absorber. The optimization of the suspension parame -ters by JACQUOT dynamic vibration absorber parameter optimization theory shows that the suspension parameters of the suspension equipment can effectively suppress the elastic vibration of the vehicle body.

Keywords： suspended devices; power spectral density; amplitude-frequency characteristics; DVA

CLC NO.： U270.1+1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-99-07

引言

與其他交通工具相比，高速列車的速度和舒適度是其最重要的核心競爭力。但隨著車輛運行速度的提高及車體輕量化導(dǎo)致的剛度不足等問題的出現(xiàn)，車體自身的彈性振動對車輛運行品質(zhì)的影響越來越顯著。鐵道車輛車體振動可分為剛性和彈性兩種模態(tài)。影響垂向乘坐舒適性的剛性模態(tài)是沉浮，俯仰和滾轉(zhuǎn)模態(tài)，這些模態(tài)通常位于1 Hz左右的相對較低的頻率范圍內(nèi)[1];彈性模態(tài)是指車體的扭曲和彎曲變形模態(tài)，影響到垂向乘坐舒適性的彈性模態(tài)大多數(shù)是一階彈性模態(tài)，這種模態(tài)經(jīng)常發(fā)生在接近4到10 Hz的頻率范圍內(nèi)，而人類往往對此頻率十分敏感[2]。為了體現(xiàn)車體的動態(tài)響應(yīng)過程，必須考慮車體的彈性振動。此外，彈性振動除了會導(dǎo)致列車乘客對特定頻率范圍內(nèi)的振動十分敏感，影響到其乘坐舒適度，同時也可能會導(dǎo)致車體疲勞，影響到車輛的動態(tài)性能和使用壽命[3][4]。

國內(nèi)外針對于彈性車體的垂向振動特性做了大量研究，Dumitriu M、Carlbom等人對軌道車輛的車體結(jié)構(gòu)動力學(xué)進行了全面研究。這些研究通過搭建數(shù)值仿真模型來模擬研究了車體結(jié)構(gòu)在不同等級的軌面激勵作用下的彈性振動以及乘坐舒適度的差異[5][6][7];Diana G等人對主要影響車體舒適性能的參數(shù)進行了靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)特定的軌道波長和車速可能會對車體模態(tài)的振動水平產(chǎn)生重大影響[8]。周勁松等人建立了包含結(jié)構(gòu)阻尼的鐵道車輛垂向剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，并運用該模型，采用基于虛擬激勵法的快速平穩(wěn)性算法，研究了鐵道客車車體彈性對運行平穩(wěn)性的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)車體彈性低至一定數(shù)值時，將導(dǎo)致車體強烈振動，運行速度越高，對車體的剛性要求越高[9]。宮島等人建立了包含車體彈性的鐵道車輛垂向剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)模型，提出了基于格林函數(shù)法的車輛系統(tǒng)運動偏微分方程求解方法，計算獲得車體振動加速度功率譜及車輛運行平穩(wěn)性，分析了幾何濾波與車體彈性共振的關(guān)系[10]。

安裝在車體底架上的吊掛設(shè)備是影響乘客乘坐舒適性的關(guān)鍵部件，因為他們質(zhì)量往往很大，吊掛設(shè)備與車體之間的耦合振動能夠?qū)圀w的振動模態(tài)產(chǎn)生顯著的影響。鄔平波等人建立了一個剛?cè)狁詈系能囕v系統(tǒng)動力學(xué)模型，根據(jù)梁的模態(tài)分析理論對設(shè)備的懸架參數(shù)進行了優(yōu)化。另外，還從車體模態(tài)的角度分析了底架設(shè)備的懸架參數(shù)與車體模態(tài)頻率之間的關(guān)系[11]。Sun W等人建立了鐵道車輛與車下懸掛設(shè)備的剛?cè)狁詈洗瓜騽恿W(xué)模型，并利用該模型，采用協(xié)方差法分析了吊掛設(shè)備的不同懸掛方法對高速列車運行質(zhì)量的影響。[12]。但是上述研究少有將吊掛設(shè)備視為動力吸振器設(shè)備（以下簡稱DVA），并利用DVA的特性消減彈性車體（歐拉伯努利梁）彈性振動的相關(guān)研究。

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