趙奎，張玉石，孫佳隆

（青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東 青島 266061）

高鐵列車的飛速發(fā)展大大便利了出行。由于其速度快、安全性能高、車內(nèi)噪音小的特點，越來越受到旅客的青睞。但是，高鐵列車的高速度也是車外振動量大、噪音大的重要影響因素。據(jù)相關(guān)報道，高鐵列車的主要噪音源為車輪振動。鐵路軌道系統(tǒng)是通過扣件將鋼軌、道床和軌枕連接并組合而成。由于高鐵列車在行駛過程中，是由升沉、點頭、搖頭、橫擺、伸縮、側(cè)滾這六種基本振動耦合而成的。因此，高鐵運行過程中，鋼軌所受載荷主要為：垂直方向的車輛載荷、列車對鋼軌的沖擊載荷。這是車輪產(chǎn)生噪音的重要原因。國內(nèi)外有研究指出，列車運行速度對高鐵振動的傳播有著重要的作用。當(dāng)高鐵運行的速度大于規(guī)定的瑞利波波速時，環(huán)境振動將顯著增大。一般認(rèn)為，高鐵振動的頻率范圍在30～80HZ。而車載精密設(shè)備的許振范圍在20～50HZ。而且，振動將導(dǎo)致車載設(shè)備的導(dǎo)電性能下降、可靠性降低，嚴(yán)重的會使設(shè)備失效。據(jù)統(tǒng)計，因機械振動導(dǎo)致的車載設(shè)備失效約占設(shè)備失效總數(shù)的27%。因此，研究車載設(shè)備的機械抗振方法，提高設(shè)備的可靠性是必要的。

高鐵列車具有運行速度范圍大，振動頻率范圍大的特點。因此，其機械抗振方法應(yīng)在寬頻范圍內(nèi)均具有良好的減振效果。傳統(tǒng)的方法是在機箱與機架連接板之間加裝隔振器的方法減弱振動。但是，該方法存在明顯不足。首先，由于隔振器安裝于機箱與機架之間，隔振器在承受機箱重量的條件下，仍需有一定的彈性。根據(jù)車載設(shè)備的彈性剛度理論，當(dāng)變形量越大時，隔振器的減振效果越弱。其次，該方法雖然有一定的減弱振幅效果，但是，增大后的剛度會帶來較大的振動頻率。尤其當(dāng)列車的振動與車載設(shè)備的振動同頻時，共振的巨大破壞作用反而更容易損壞設(shè)備。因此，為了提高車載設(shè)備的安全性和可靠性，研究車載設(shè)備的機械抗振方法，對于提高車載設(shè)備壽命，降低運行及維護成本，增加設(shè)備的安全性具有重要意義。

1 振動來源

1.1 車輛本體振動

高鐵動車組每節(jié)車廂均有動力，但是，在列車運行過程中，由于每節(jié)車廂各自所處的負(fù)載等狀態(tài)不同，因此在車輛運行過程中，車體本身會發(fā)生涌式振動。此種振動方式雖然振幅較大但是頻率較低。另外，由于發(fā)動機的振動通過機械機構(gòu)傳遞到車身，也會導(dǎo)致車內(nèi)振動。此種振動方式振幅較小，但是頻率較高。

1.2 軌道振動

車輪振動主要有兩方面原因，一方面是鋼軌有固定的長度，當(dāng)列車運行至鋼軌連接處時，由于鋼軌連接處兩側(cè)所受壓力不同，進而下沉變形量不同，因此鋼軌連接處高低不平。當(dāng)高速運行的列車經(jīng)過不平整的鋼軌連接處時，會發(fā)生微弱碰撞，進而產(chǎn)生周期性的振動。此種振動方式振動頻率和振幅都較高。另一方面，鋼軌本身有一定的弧度，尤其是在轉(zhuǎn)彎時鋼軌的弧度尤為明顯。當(dāng)列車高速運行時，車輪與鐵軌產(chǎn)生摩擦碰撞，進而產(chǎn)生振動。當(dāng)列車運行速度越快時，由于鋼軌所導(dǎo)致的振動將越強。

1.3 風(fēng)致振動

由于空氣分子的存在，當(dāng)高鐵在空氣分子中移動時，將會產(chǎn)生風(fēng)。然而，高速物體在風(fēng)中穿梭時，會產(chǎn)生流體效應(yīng)。由于高速物體兩側(cè)的氣壓高低不同，當(dāng)高鐵連續(xù)在氣壓不同的氣體中穿梭時就會產(chǎn)生振動，簡稱風(fēng)致振動。風(fēng)致振動在高鐵低速運行時不太明顯，甚至可以忽略。尤其在高速運行時，風(fēng)致振動傳遞到車身，會使得車身因振動而搖擺。搖擺的車身將進一步增大車身本體振動和軌道振動。風(fēng)致振動具有振幅和頻率都較高的特點。當(dāng)振動傳遞到車身內(nèi)時，對于車內(nèi)設(shè)備的振動影響很大。

2 抗振方法

導(dǎo)致車載設(shè)備失效的主要因素為振動頻率及振幅。因此，降低振動頻率和振幅有助于減弱振動的破壞失效。在設(shè)備整體的角度上看，設(shè)備振動主要分為機械振動和機載振動。其中，機械振動為設(shè)備的固有振動，是設(shè)備的一種屬性；機載振動為設(shè)備安裝在工作環(huán)境下運行時的一種振動現(xiàn)象，機載振動受載機的頻率影響很大。

2.1 降低機械振動方法

（1）加強筋增強法。由于鈑金件具有成型快、重量輕、可加工成為復(fù)雜殼體的特性，因此，鈑金殼體廣泛應(yīng)用于車載設(shè)備領(lǐng)域。但是，尺寸較大的殼體易產(chǎn)生受迫振動，而且持續(xù)時間較長。振動能量需要完全被機械結(jié)構(gòu)吸收后，才能停止振動。針對此類結(jié)構(gòu)強度弱而引起的振動損傷，可應(yīng)用加強筋增強法，即在薄壁殼體表面加裝或沖壓加強筋以便提高殼體的抗振性能。加強筋的尺寸及密度需根據(jù)板材的厚度及面積綜合確定。一般情況下，板材厚度越小、面積越大，所需加強筋尺寸及密度越大。

（2）肋板增強法。在大尺寸件的焊接及角接等應(yīng)用領(lǐng)域，由于焊點的變形或板材較薄等原因，振動力在杠桿的作用下，使得結(jié)構(gòu)件最終承受力較大，而極易產(chǎn)生振動失效。肋板增強法是在直角連接板之間加裝增強肋板的方法，以減弱受迫振動，從而降低整體振動頻率及振動強度。肋板的安裝尺寸及安裝密度與板材的厚度及尺寸有關(guān)。當(dāng)板材越薄、板材尺寸越大時，所需安裝肋板的尺寸越大、安裝密度越大。

2.2 降低機載振動的方法

機載頻率及振幅主要由車載設(shè)備和車輛振動疊加產(chǎn)生。采用普通的螺栓連接方式時，車輛與設(shè)備可看作一個剛性物體，此時，車輛的振動完全被傳遞到車載設(shè)備，此方法抗振能力較差。本研究采用橡膠墊-彈簧副的方法減弱振幅和振動頻率，進而將車輛振動向車載設(shè)備的傳遞減弱，從而達到降低機載頻率的目的。

圖1為橡膠墊-彈簧副安裝示意圖。機架與螺栓之間采用橡膠墊片隔開，減弱了剛性物體之間的直接振動傳遞。此外，橡膠墊片的高彈性可作為一級隔振單元，從而減緩振動對機載設(shè)備的影響。在橡膠墊片上方連接有彈簧，其為儲能單元，可依靠慣性作用，將振幅和頻率進行吸收或者補償，進而減弱振動的影響。在具體實施過程中，需要通過連接螺母將彈簧設(shè)置一定的預(yù)緊力，將彈簧壓縮至許振范圍內(nèi)。

圖1 橡膠墊-彈簧副安裝示意圖

3 結(jié)語

通過研究高鐵列車的振動形式、振動來源及車輛振動對車載設(shè)備的影響，本研究提出了加強筋增強法、肋板增強法。通過增強機械殼體強度以降低設(shè)備的機械頻率，提出通過采用橡膠墊-彈簧副的方法，將車載設(shè)備與車輛機架軟性連接，從而降低機載頻率。需要指出的是，本項研究仍處于初級階段，后續(xù)成果的取得將陸續(xù)發(fā)布。本研究目的是為車載設(shè)備的安裝提供一種方法，進而提高設(shè)備的運行壽命和可靠性。