王興民，許展豪，肖望強，賈尚帥，潘德闊

（1 中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035；2 廈門大學 航空航天學院，福建廈門361005）

高速動車組動力包發(fā)揮承載、導向、減振、牽引、制動的重要作用，是高速動車組的核心零部件［1-2］。高速動車組動力包構(gòu)架是動力包的重要承載部分，是其他零部件安裝的基礎［3-4］，目前普遍采用在動力包構(gòu)架支座處安裝橡膠隔振器的方法減少其振動，隔振效果約為80%，其振動仍需進一步被減?。?-6］。

針對此問題，文中基于顆粒阻尼研究、設計、制造一種新型的顆粒阻尼器以增加構(gòu)架阻尼，減少構(gòu)架振動。顆粒阻尼技術(shù)是一種被動振動控制技術(shù)：將金屬或非金屬顆粒以一定的填充率放入特定的結(jié)構(gòu)空腔中，隨著沖擊或振動，顆粒與顆粒之間以及顆粒與結(jié)構(gòu)空腔體內(nèi)壁之間產(chǎn)生碰撞和摩擦，消耗系統(tǒng)能量，減少系統(tǒng)振動。研究顆粒阻尼的方法有顆粒動力學法、離散元法、多相流理論等，其中離散元方法可以更合理定量地分析顆粒阻尼器耗能情況［7］。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)不宜改動，使用時間長，而顆粒阻尼技術(shù)有對原結(jié)構(gòu)改動小，耐久性好等特點，在動力包轉(zhuǎn)向架上應用顆粒阻尼技術(shù)，能有效減少其振動［8］。

基于有限元方法搭建高速列車動力包框架結(jié)構(gòu)模型綜合試驗臺，通過模態(tài)測試試驗驗證模型的有效性，基于顆粒阻尼技術(shù)設計1∶3的小試試驗并優(yōu)化顆粒參數(shù)及其布置方案［9］。采集數(shù)據(jù)并分析后可知，動力包構(gòu)架模型振動最多降低57.98%?；趦?yōu)化后的顆粒參數(shù)設計、制造顆粒阻尼器，在整車上進行1∶1的實車試驗并采集分析數(shù)據(jù)，在高速列車動力包構(gòu)架上安裝阻尼器并進行試驗，數(shù)據(jù)表明動力包構(gòu)架在主振方向上的振動平均減少55.77%。

1 動力包有限元分析

采用有限元法建立和動力包框架結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的模型，如圖1所示，劃分網(wǎng)格時使用二階四面體實體單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格過渡速度為慢。尺寸參數(shù)與動力包框架結(jié)構(gòu)相同，在電機掛鉤處添加電機激勵，框架材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為206 MPa，泊松比為0.3。產(chǎn)生相對滑移的零部件之間的摩擦系數(shù)為0.2，根據(jù)圣維南原理優(yōu)化了動力包框架結(jié)構(gòu)上微小的特征和螺紋孔。

圖1 試驗構(gòu)架有限元模型

模型的前3階模態(tài)頻率見表1，第2階模態(tài)頻率為23.96 Hz，第3階模態(tài)頻率為30.36 Hz，其對應的模態(tài)振型如圖2所示，主要表現(xiàn)為橫向扭轉(zhuǎn)變形和垂向擺動。

圖2 試驗構(gòu)架2、3階振型圖

表1 構(gòu)架模型模態(tài)頻率對比表

根據(jù)有限元分析所得的構(gòu)架振型，進一步試驗測試構(gòu)架的固有頻率，以驗證構(gòu)架模型的有效性。

2 動力包構(gòu)架模型設計

2.1 動力包構(gòu)架模態(tài)試驗

將高速動車組動力包框架結(jié)構(gòu)置于試驗臺上，在其上表面等間距放置24個傳感器，如圖3所示，收集其振動數(shù)據(jù)并用PolyMax法進行模態(tài)參數(shù)識別，可得各階參數(shù)見表2。

圖3 動力包構(gòu)架測點布置圖

表2 構(gòu)架各階模態(tài)頻率

表2中，第3階模態(tài)頻率為24.043 Hz，第4階模態(tài)頻率為30.243 Hz。動力包構(gòu)架3、4階振型如圖4所示，第3階模態(tài)振型主要為構(gòu)架水平方向的扭轉(zhuǎn)變形；第4階模態(tài)振型以構(gòu)架垂向擺動為主，柴油機固定板處的負載使得該處相對變形量較大。

圖4 動力包構(gòu)架3、4階振型

2.2 動力包構(gòu)架模型模態(tài)試驗

根據(jù)構(gòu)架的模態(tài)測試結(jié)果，設計與構(gòu)架比例相同的1∶3試驗模型，制造動力包構(gòu)架試驗模型，加工完成的試驗構(gòu)架如圖5所示。采用多點輸入輸出的錘擊法對其進行模態(tài)測試，得到試驗構(gòu)架的頻響函數(shù)，分析得到的試驗構(gòu)架前7階頻率，見表3。

表3 轉(zhuǎn)向架前7階模態(tài)頻率

圖5 試驗構(gòu)架模態(tài)試驗

試驗構(gòu)架的第5階模態(tài)測試振型，主要表現(xiàn)橫向扭轉(zhuǎn)變形，對應頻率為24.05 Hz；試驗構(gòu)架的第7階模態(tài)測試振型，主要表現(xiàn)垂向擺動，對應頻率為30.27 Hz，所設計試驗構(gòu)架與動力包構(gòu)架在相同頻率附近有相近的模態(tài)，達到設計要求。

2.3 動力包構(gòu)架模態(tài)對比

由圖2和圖4對比可知，構(gòu)架有限元分析模態(tài)的2階、3階振型與構(gòu)架試驗模態(tài)的3階、4階振型基本相同。將表1～表3進行對比，得到仿真模態(tài)、試驗模態(tài)、模型模態(tài)的固有頻率分布，如圖6所示。

由圖6可知，有限元仿真模態(tài)、試驗測試模態(tài)、模型測試模態(tài)都在24 Hz和30 Hz附近有基本相同的振型。以轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模型為減振對象進行的減振研究工作具有說服力和有效性，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的減振有重要意義和應用價值。

圖6 仿真模態(tài)、試驗模態(tài)、模型模態(tài)的固有頻率分布圖

3 顆粒阻尼器參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗臺設計

在動力包構(gòu)架模型的基礎上，搭建包括激振系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在內(nèi)的試驗平臺，各個運行工況下動力包構(gòu)架的振動測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同檔位下動力包構(gòu)架振動加速度圖

在前7擋，動力包構(gòu)架的振動隨著電機檔位的提高而變大，當動力包構(gòu)架在7檔運行時，其振動最大，使用激振器模擬動力包構(gòu)架在7檔時所受到的振動。在搭建試驗平臺后，以試驗為主要方法，研究并優(yōu)化顆粒阻尼器布局方法及其填充率，阻尼顆粒粒徑及其材料等參數(shù)。

3.2 顆粒阻尼器布局優(yōu)化

將動力包構(gòu)架劃分為6個區(qū)域并對應6種方案，如圖8所示，分別在6個區(qū)域上填充等質(zhì)量的不銹鋼阻尼顆粒，在電機掛鉤處添加70 Hz的激勵，分別采集4個測點的振動加速度并取平均值，將結(jié)果與無顆粒情況下動力包構(gòu)架的振動進行對比，結(jié)果見表4。

圖8 顆粒阻尼器布局方案

由表4可知，方案2、方案4、方案5、方案6減振效果明顯比其他方案好，其他2個減振效果較差。在2、4、5、6號模態(tài)區(qū)上添加阻尼顆粒，使用的阻尼顆?？傎|(zhì)量不變，得到4個測點的平均減振效果為40.20%。

表4 各個方案減振效果對比表

由圖9可知，將顆粒填入2號、4號、5號、6號模態(tài)區(qū)時，阻尼顆粒的減振效果最好。

圖9 各個方案減振效果對比圖

3.3 阻尼顆粒材料優(yōu)化

在圖10中的激勵位置分別添加相同振幅和頻率的激勵，掃描頻率包含構(gòu)架工作的各個工況的激勵頻率。按照上文中所得的優(yōu)化填充方案，選擇顆粒規(guī)格為直徑3 mm的光滑碳鋼（表面鍍鋅）顆粒、鐵合金顆粒、不銹鋼顆粒、銅合金顆粒、鉛合金顆粒、鎢合金顆粒，分別統(tǒng)計使用不同材質(zhì)阻尼顆粒后結(jié)構(gòu)響應的均方根值，測得減振效果如圖10所示，圖中所用數(shù)據(jù)見表5。

圖10 不同粒徑減振效果對比圖

在主振方向上，結(jié)構(gòu)在填充鎢合金后響應值最小，減振效果最佳，其次是銅合金顆粒。在非主振方向，鎢合金顆粒減振效果較好，碳鋼和銅合金次之，鉛合金最差。鎢合金的經(jīng)濟性較差，最終選用不銹鋼材質(zhì)的阻尼顆粒。

3.4 阻尼顆粒直徑優(yōu)化

在相同工況和填充方案的基礎上，研究鐵合金顆粒最佳粒徑，分別統(tǒng)計填充0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm鐵合金顆粒的結(jié)構(gòu)模型響應值如圖11所示。

圖11 不同粒徑減振效果對比圖

表6 不同粒徑下結(jié)構(gòu)響應對比表

這是因為顆粒耗能主要由碰撞與摩擦耗能組成，在不同的顆粒直徑填充下，顆粒的主要耗能方式不同。當顆粒粒徑太小時，接觸面大幅增大，摩擦耗能多，非彈性碰撞耗能降低，顆粒不能充分運動；當顆粒粒徑太大時，單次碰撞耗能增大，但過少的顆粒減少碰撞和摩擦的次數(shù)，耗能減少，減振效果變差；在粒徑適當時，顆粒之間碰撞與摩擦充足，耗能高。

3.5 顆粒阻尼器填充率優(yōu)化

維持工況和填充方案不變，分別測試填充率為70%、80%、90%、95%的顆粒阻尼器的減振效果對比如圖12所示，圖中所用數(shù)據(jù)見表7。

圖12 不同填充率減振效果對比圖

表7 不同填充率減振效果對比表

由表7可知，在相同的情況下，填充率為90%的顆粒阻尼器顆粒阻尼效果最佳，選擇不銹鋼材質(zhì)、粒徑2 mm的阻尼顆粒，填充率90%的顆粒阻尼器對動力包構(gòu)架進行減振試驗，減振效果為57.98%。當顆粒阻尼器填充率過高時，顆粒之間可運動的間隙減少，摩擦和碰撞受到限制，顆粒耗能不足；當顆粒阻尼器填充率太低時，顆粒和顆粒阻尼器之間的非彈性碰撞和摩擦次數(shù)減少，所以耗能減少。在此情況下，顆粒填充率和顆粒粒徑的參數(shù)分別為90%和2 mm時減振效果最佳。

綜上所述，最終使用的優(yōu)化方案為：阻尼顆粒粒徑2 mm，填充率90%，材質(zhì)為不銹鋼，添加在2、4、5、6號模態(tài)區(qū)。在動力包框架結(jié)構(gòu)模型綜合試驗臺上進行1∶3的小試試驗，減振效果為57.98%。

4 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減振試驗

4.1 顆粒阻尼器制造及安裝

依據(jù)試驗所得的最優(yōu)參數(shù)，設計制造顆粒阻尼器并填充2 mm的不銹鋼阻尼顆粒，填充率為90%。顆粒阻尼器采用矩形扁平結(jié)構(gòu)外形。為了保持轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)完整以及較好的試驗效果，試驗采用磁鐵貼合的方式連接阻尼器和動力包框架結(jié)構(gòu)，如圖13所示。阻尼器底部平整以更好的貼合磁鐵，阻尼器相關(guān)參數(shù)為上文所得的最優(yōu)顆粒參數(shù)。

圖13 阻尼器裝配圖

4.2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減振試驗設備

以列車運行時的工況為準，列車電機檔位分別為怠速以及1～8檔，以構(gòu)架與車廂接觸的4個邊角為測點，統(tǒng)計比較安裝顆粒阻尼器前后構(gòu)架各個測點的振動加速度及響應曲線。

4.3 減振試驗結(jié)果及分析

第7檔是結(jié)構(gòu)響應加速度值最大的檔位，第8檔是列車運行過程中速度最快的檔位，安裝粒子阻尼器前后第7檔、第8檔的減振效果見表8。在垂向（主振方向），當列車在第7檔運行時，減振前構(gòu)架的響應加速度均方根值為0.615 m/s2；減振后結(jié)構(gòu)的響應加速度均方根值為0.272 m/s2，減振效果達到55.77%。當列車在第8檔運行時，減振前結(jié)構(gòu)的響應值為0.492 m/s2；減振后結(jié)構(gòu)的響應加速度均方根值降低為0.237 m/s2，減振效果為51.83%。

表8 各工況下振動加速度

為更直觀觀察安裝阻尼器前后的減振效果，選取振動較大的一號測點垂向數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析，如圖14、圖15所示。其中紅色線為未增加顆粒阻尼器時結(jié)構(gòu)的響應曲線，黑色線為增加顆粒阻尼器后結(jié)構(gòu)的響應曲線。由圖可知無論列車在第7檔還是第8檔運行，顆粒阻尼器都具有顯著的減振效果。對比實驗室構(gòu)架與實際構(gòu)架的減振效果，兩者減振效果基本吻合，說明基于模態(tài)參數(shù)設計的模型可以很好的表征實際研究對象的振動特性，具有較強的工程實踐意義。

由圖14可知，對于7檔和8檔2個工況，安裝顆粒阻尼器后，動力包框架的振動明顯減少。由圖15可知，對于大于200 Hz的高頻振動，顆粒阻尼器減振效果更加突出。

圖14 增加粒子阻尼器前后結(jié)構(gòu)響應曲線（時域）

圖15 增加粒子阻尼器前后結(jié)構(gòu)響應曲線（頻域）

5 結(jié)論

（1）搭建高速動車組動力包框架結(jié)構(gòu)模型綜合試驗臺，設計4個組別共計21種顆粒阻尼填充方案，以減振前后構(gòu)架加速度變化量為衡量減振效果的標準，試驗對比分析得到顆粒阻尼器填充率和顆粒材質(zhì)、粒徑的最優(yōu)參數(shù)，最終減振效果達到了57.98%。通過試驗驗證了有限元計算結(jié)果并證實將顆粒阻尼減振技術(shù)應用于高速動車組動力包上可以取得良好的效果，試驗證實了該技術(shù)具備進行實車試驗的可行性。

（2）在顆粒阻尼器布局優(yōu)化試驗中出現(xiàn)安裝顆粒阻尼器后結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)了振動基本不減少的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的原因是在部分試驗方案中由于阻尼器設置造成系統(tǒng)質(zhì)量的不平衡，且系統(tǒng)處于非剛性連接狀態(tài)。這種現(xiàn)象也啟示在后續(xù)設計工作應注意動力包構(gòu)架的質(zhì)量平衡性。

（3）根據(jù)模型對比試驗所得的參數(shù)設計實車減振方案，最終取得了目標工況下振動降低55.77%的良好效果，顆粒阻尼技術(shù)對200 Hz以上高頻振動的減振效果更為明顯。實車試驗證實了有限元仿真和模型試驗的有效性，將顆粒阻尼應用于高速動車組動力包構(gòu)架減振的可行性。