韋海菊 鄧 銳

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，高級工程師)

隨著我國城市軌道交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展，市域列車融合了地鐵車輛的便捷特點，同時借鑒了高速動車組的成熟技術，成為城際之間和城鄉(xiāng)之間重要的交通組成部分。隨著運行速度的大幅度提升和車輛輕量化技術的普及，軌道車輛由于振動影響而引起的乘坐舒適性問題日益凸顯。車輛的振動特性與車輛動態(tài)運行品質息息相關[1-2]，因此，在對列車動力學性能評價中，對乘客乘坐舒適性方面的探究在城市軌道交通列車發(fā)展研究中頗為重要。文獻[3-6]表明：通過優(yōu)化列車與車下設備之間的連接關系可改變車體的彈性模態(tài)頻率，從而降低車體彈性振動，提高車輛的乘坐舒適性。

本文主要研究了彈性吊掛對市域鐵路動車組車輛的振動和乘坐舒適性的影響，建立了車體有限元模型和剛-柔耦合動力學模型。根據(jù)相關結果，驗證了車下變壓器吊掛剛度的范圍及最佳位置，此外還驗證了有關設計的合理性。

1 車體仿真模型建立

1.1 車下彈性吊掛設備方案

目前，我國市域鐵路動車組的小型設備吊掛方式多用螺栓剛性連接，而大型設備大多使用彈性吊掛方式[8]。車輛車下彈性吊掛設備包含制動設備、電氣設備及空調設備等。本文主要以變壓器和風源模塊(空壓機)作為研究對象，分析設備的彈性吊掛設計。

由于變壓器和空壓機的質量及吊點數(shù)量有所差別，因此，在建模中車底架的部分細節(jié)不可省略。由于車底架邊梁剛度較大，通常將大型設備如變壓器等吊掛于車底架邊梁上;風源設備則是吊掛于縱梁上，而縱梁再通過螺栓連接到車底架邊梁上。

1.2 車體有限元模型

本文研究的市域動車組車體由車頭、車頂、端墻、側墻和底架組成，采用整體承載無中梁筒形結構形式。

將三維模型導入到有限元軟件中進行建模。其主要包括：用殼單元模擬車體型材結構；采用質量點模擬車下吊掛設備，質量點坐標為吊掛設備的設計重心，質量點質量與吊掛設備實際質量相等。在AW0(空載)工況下，車體整備質量為29.3 t(整車載荷不包含轉向架)。

將變壓器吊掛在車體邊梁，選取對應位置的4個吊點進行吊掛。空壓機吊掛在縱梁上，同樣在對應三維模型位置選取4個吊掛點。

1.3 吊掛方式

剛性吊掛是指設備以固定接觸的形式與車體相連接,設備的振動直接傳導至車體,這種吊掛方式一般適用于小型設備。

空壓機設置與變壓器一致，不同的是空壓機的連接點在縱梁上，其余所有設備為剛性吊掛，完整的車體有限元模型見如圖1所示。

圖1 列車車體有限元模型

2 車體彈性吊掛設備對車輛振動的影響

2.1 設計吊掛頻率范圍

車體二位端地板垂向振動受二階垂彎模態(tài)影響最大，故吊掛變壓器垂向激勵源為0～2 Hz的剛體振動和12.3 Hz的二階垂彎模態(tài)，以此參數(shù)設計，根據(jù)消極隔振理論可得:

(1)

(2)

式中:

ωn——吊掛變壓器系統(tǒng)的固有頻率;

ω1——二階型彎模態(tài)的振動頻率,取12.3 Hz;

ω2——剛體振動頻率,取2.0 Hz。

由此可知，根據(jù)消極隔振理論，吊掛頻率應設置為5～9 Hz。計算得到的變壓器吊掛頻率及動剛度見表1，變壓器風源模塊的吊掛頻率及動剛度見表2，由表1和表2可知，變壓器和風源模塊各吊點吊掛動剛度隨著吊掛頻率的增大而增大。變壓器各吊點編號示意圖見圖2?？諌簷C風源模塊各吊點編號示意圖見圖3。

表1 變壓器吊掛頻率及動剛度

表2 變壓器風源模塊的吊掛頻率及動剛度

圖2 變壓器各吊點編號示意圖

圖3 風源模塊各吊點編號示意圖

2.2 吊掛頻率對車輛運行乘坐舒適度的影響

乘坐舒適程度可更直觀、更直接地體現(xiàn)吊掛頻率的改變對列車振動情況的影響。因此，以舒適度為判斷依據(jù)，計算出空壓機風源模塊和變壓器最適合的同一吊掛頻率。

2.2.1 空氣彈簧激勵

列車運行時，吊掛頻率會影響車輛的振動舒適性，本文建立了列車在整備狀態(tài)下的剛-柔耦合動力學模型以探究優(yōu)化下的吊掛設計剛度，如圖4所示。

圖4 列車剛柔耦合動力學模型

為建立剛柔耦合動力學模型需要先對車體有限元模型進行縮聚，將得到的輸出文件導入至相關軟件中生成柔性體文件，再將此文件導入動力學軟件中，建立剛柔耦合動力學模型。除車體以外其他部件仍考慮為剛體。有限元的剛體模型和剛-柔耦合動力學模型模態(tài)計算結果對比如表3所示，其中最大對比誤差為6.19%，由此可知，縮聚前后的結果偏差不大，剛-柔耦合動力學模型能夠滿足計算要求。

表3 兩種模型前5階彈性模態(tài)對比

在動力學軟件中設置列車運行最高速度為140 km/h，同時為考慮軌道不平順，添加了美國五級譜作為軌道譜。而空氣彈簧作為連接轉向架和車體的中間部件，會將車下激勵向上傳遞給車體，故仿真要輸出空氣彈簧所受的力。

2.2.2 車輛運行乘坐舒適度分析

ISO 2631-1:1997《機械振動與沖擊 人體處于全身振動的評價 第1部分:一般要求》的國際標準是基于大量研究數(shù)據(jù)而制訂的[7]。此標準在各國的軌道交通領域認可度較高，應用廣泛。ISO 2631-1：1997中的振動舒適性評價標準如表4所示。

表4 振動舒適性評價標準

在空氣彈簧處施加仿真計算得到三向激擾力，計算0.1～80.0 Hz的頻率響應(以下簡稱“頻響”)，分別選取車體一位端地板、二位端地板、中心地板和變壓器上方地板等4個點測試車體整體振動的乘坐舒適度。

根據(jù)頻響計算結果，計算在列車運行最高速度為140 km/h時，剛性吊掛下和不同剛度的彈性吊掛下，各測試點的計權均方根振動加速度總量，見表5。

由表5可知，無論是剛性吊掛或是彈性吊掛，在列車運行最高速度為140 km/h時，除車體二位端地板測試點外，其他測試點的振動加速度總量均處于0.315 m/s2以下，均為無不舒適的感受。在列車運行中，變壓器的剛性振動向車體二位端地板傳遞了較大的振動能量，故在所有測試點中，振動程度最劇烈的是車體二位端地板位置。而當采用彈性吊掛時，車體二位端振動總量較采用剛性吊掛時有所下降。這表明彈性吊掛對變壓器的剛性振動向車體二位端地板傳遞能量的衰減作用起到了積極影響，提高了振動舒適性。

表5 最高速度為140 km/h時不同吊掛方式各測試點的振動加速度總量

彈性吊掛與傳統(tǒng)剛性吊掛相比，其振動加速度總量均有所下降?？梢?，彈性吊掛的減振效果最好。對比彈性吊掛結果可以看出，2個設備同時選擇吊掛頻率為8 Hz時，各個測試點的振動總量相對最小，故選擇此吊掛頻率對應的吊掛剛度可有效提高車輛運行的乘坐舒適度。

3 結語

綜上所述，改變設備吊掛方式能夠有效降低車輛振動，使車下設備與車體模態(tài)分離。根據(jù)車輛運行的乘坐舒適度計算分析可得：

1)彈性吊掛比剛性吊掛削減了更多車輛地板上測點的振動加速度總量，其中吊掛頻率為8 Hz時削減最多，使車輛運行的乘坐舒適性得以有效提升；

2)本文提出的彈性吊掛設計方案相較于剛性吊掛，可以對激勵源變壓器對車體的動力影響進行隔離，同時可削減地板各測點計權均方根振動加速度總量。

本文提出的彈性吊掛設計方案能夠完善車下設備與車體直接連接的減振設計依據(jù)，可為提高車輛乘坐舒適性設計提供思路。