高速动车组车下设备悬挂与弹性悬挂耦合振动分析

高速动车组车下设备悬挂与弹性悬挂耦合振动分析

0车下设备的弹性车辆轻量化设计使铝合金材料广泛应用于高速车辆的设计中。然而，这种轻量化往往导致车辆的刚性不足和车辆振动的恶化。Suzuki等采用变刚度的Euler梁模拟车体弹性,研究了由于轨道不平顺引起的车体振动和乘坐舒适性问题;Diana等将车体考虑成弹性梁结构,研究了客车的运行舒适度问题;Yong等采用有限长的Timoshenko梁模拟车体结构,研究了轨道车辆在较差线路系统中的振动响应问题;邬平波等在动力学仿真中建立了基于车体弹性和刚性的高速客车非线性动力学模型,分析了车体弹性振动对运行平稳性的影响。以上研究是基于弹性车体的,是将车体与设备作为整体,没有考虑车下设备对车体振动的影响。相关文献的研究表明,过低的车体垂向弯曲频率会降低车体的垂向平稳性。目前,高速动车组附属设备大部分采用车下悬挂的设计方式,必然会影响车体的垂向弯曲频率。为了降低车下设备对车体振动的影响,一种非常有效的方法就是引入车下设备弹性悬挂系统。但是如果设备弹性悬挂参数选择不合理,不但不会降低车下设备对车体振动的影响,还会在一定程度上加剧这种负面效应。本文针对这个问题,系统地研究了车下设备参数对车体振动的影响规律。1车下设备对悬挂系统的振动等效欧拉伯努利梁车体与设备垂向耦合振动模型见图1,前后转向架位置通过并联的弹簧和阻尼进行弹性支撑。图1中:Mc为车体质量;E为弹性模量;I为截面惯性矩;ρ为密度;A为截面积;Me为设备质量;k1为空气弹簧刚度;c1为空气弹簧阻尼;k2为设备悬挂刚度;c2为设备悬挂阻尼。车体的偏微分方程为式中:z(x,t)为车体在x坐标位置处t时刻的位移;μ为车体的内滞阻尼系数;fsj为空气弹簧的第j支撑点的作用力;fei为车下设备的第i悬挂点的作用力;δ为狄拉克函数;xsj为空气弹簧第j支撑位置坐标;xei为车下设备第i悬挂点位置坐标。车下设备为刚体,包含浮沉和点头2个自由度,主要通过橡胶弹簧与车体连接。当只考虑车体的N阶模态时,车体的振动位移为式中:zc(t)为t时刻的车体浮沉位移;θc(t)为t时刻的车体点头位移;Yl(x)为第l阶车体模态形函数;ql(t)为车体模态坐标;L为车体长度。将式(2)代入式(1),得到车体运动完整表达式为式中:ξl为第l车体振型的阻尼比;ωl为第l车体振型的圆频率;Ic为车体点头惯量。车下设备的运动方程为式中:ze(t)、θe(t)分别为设备浮沉位移与点头位移;Ie为设备点头惯量。基于式(1)~(4)和表1中动力学参数(fc与fe分别为车体的弯曲频率与设备的悬挂频率),通过同时在空气弹簧位置加正弦激振的方法,得到车体的幅频特性曲线,即动力放大系数(稳态响应幅值与激励幅值之比)曲线。借助振动模型和数值方法计算了车下设备对车体幅频特性的影响规律,见图2。图2是车下设备分别采用刚性悬挂和弹性悬挂时得到的车体振动幅频特性曲线,可以看出,当设备悬挂系统是刚性时,车体振动的峰值出现在9.8Hz左右,相对于车体的垂向弯曲频率11Hz降低了很多,这说明车下设备采用刚性悬挂降低了车体结构的垂向弯曲频率,对车体振动起到恶化作用。而当车下设备采用弹性悬挂系统时,车体振动由单峰值变为了双峰值,分别为8.4、12.5Hz,而且弹性悬挂的放大系数的幅值要低于刚性悬挂,这主要是因为车下设备采用弹性悬挂时与车体发生了耦合振动,见图3。其中,低阶振型代表车体与设备发生同向振动,而高阶振型代表车体与设备发生反向振动。由此可见,车下设备采用弹性悬挂系统时能够在一定程度上抑制车体的弹性振动。2刚柔耦合车辆动力学模型的建立欧拉伯努利梁模型不能够真正反映实际车体结构的复杂弹性振动,因此,本文基于模态叠加法原理建立了考虑车体弹性振动和车下设备的刚柔耦合车辆系统动力学模型,分析了车下设备参数对车体振动的影响规律。2.1单车刚柔耦合动力学模型的建立为了建立考虑车体弹性振动和车下设备的刚柔耦合动力学模型,需要首先建立完整的车体有限元模型。其中,车体模型主要采用四节点壳单元Shell63与质量点单元Mass21进行离散。整个车体总共划分为716456个单元与621098个节点。根据实际情况设置车体各部分的板厚,有限元离散模型见图4。根据模态叠加法原理,将车体有限元模型中计算出的子结构文件和模态计算结果文件(cad.cdb,struct.sub,eigen.rst),通过有限元与多体动力学软件SIMPACK接口程序FEMBS生成弹性体输入文件(FBI),然后通过选取合适的标志点及特征模态等信息,生成用于动力学仿真计算的弹性车体标准输入文件(SID),最终完成单车刚柔耦合动力学模型的建立,整个流程见图5。模型中主要包含1个弹性车体、2个构架、8个轴箱、4个轮对以及若干车下设备。其中对于车体考虑了前30阶弹性振动模态,而其他部件全部视为刚体。整个系统包含59个刚体自由度与30阶模态的弹性车体自由度。模型中除考虑了一系、二系悬挂等效力元的非线性特性外,还特别对车下设备的弹性悬挂系统进行了设置。其中橡胶弹簧被广泛应用于轨道车辆的车下设备悬挂系统中,见图6,一般来说不仅能够提供3个方向的刚度,而且还可以提供一定的减振阻尼效应。国内外研究人员提出了很多橡胶弹簧的简化模型,其动态特性与试验结果吻合,因此,在工程上得到了广泛的应用。其中描述橡胶减振器动态特性最简单的力学模型就是Kelvin-Voight模型,见图7,该模型由单个线性弹簧(刚度为K)和单个阻尼器(阻尼为C)并联组成,F为作用力。在大多数情况下,这种简单的Kelvin-Voight模型都比较适用,不过这种适用被限定在一定的频率范围之内。阻尼器使得该模型的频率相关性非常明显,但是随着频率的增加,这种模型将不能反映橡胶材料的实质特性,因此,研究人员又提出了一种新的描述橡胶弹簧的力学模型,在Kelvin-Voight模型中的阻尼器上增加了一个串联弹簧(刚度为Ks)。这意味着模型的等效刚度可以在K到K+Ks之间任意变化,并且随着激扰频率的增加等效刚度会逐渐增大。这种改进的Kelvin-Voight模型与橡胶弹簧的试验结果非常匹配,可以很好地描述橡胶弹簧的高频动刚度特性,因此,本文中所有车下设备的悬挂系统也都基于该模型进行设置。为了研究方便,本模型中的原始参数中规定Ks=2K,详细参数见表2。2.2模拟结果分析2.2.1汽车弹性悬挂从图8的对比分析结果可以看出,采用车下设备弹性和刚性2种悬挂方式的车体振动加速度幅值,前者要比后者小。这表明车下设备弹性悬挂系统的采用,有助于削弱设备对车体弹性振动的影响,从而提高车辆的运行平稳性。随着速度的增加车下设备弹性悬挂方式的优点体现得越明显。当车辆运行速度低于200km·h-1时,车下设备刚性和弹性悬挂车体振动区别不是很大,因此,车下设备完全可以通过螺栓固结在车体下面。但是当车辆运行速度超出200km·h-1时,车下设备弹性悬挂的优势会显得更加明显,因此,高速运行的车辆采用车下设备弹性悬挂是有其必要性的,既可以降低车体振动水平,提高车辆运行平稳性,又可以减小悬挂的高频振动,提高其使用寿命。2.2.2横向偏载的影响当车下设备安装在车体结构的不同位置时,容易导致整备车体的重心发生偏移,将会加剧车体的振动问题。现实当中主要存在2种偏载形式,见图9,即横向偏载和纵向偏载。为了研究偏载对车体振动的影响,本文对刚柔耦合动力学模型进行了仿真分析,结果见图10~13。从图10、11中可以看出,车下设备横向偏载会对车体中部的横向平稳性造成重要的影响,对车体中部垂向平稳性的影响不是很大。当车下设备横向偏载的距离超出0.25m时,对车体中部横向平稳性的影响会急剧上升。当横向不存在偏载时,车体横向平稳性指标只有1.3,一旦横向偏载达到1m时,车体横向平稳性则提高到了1.9,上升幅度超过了40%,因此,在设计车下设备的配置方案时应尽量减小横向偏载的出现,如果实在不能避免也应该尽量控制在0.25m之内。从图12、13中的仿真计算结果可以看出,车下设备纵向偏载主要影响车体中部的垂向平稳性,而对车体中部横向平稳性的影响反而不是很明显。随着车下设备纵向偏载的不断增大,车体中部的垂向平稳性指标会变得越来越大。当纵向偏载量超出2.5m时,车辆的垂向平稳性会急剧增加。尤其是在低于300km·h-1速度情况下运行时,这种变化趋势会更加突出。当车下设备不存在纵向偏载时,车体垂向平稳性指标为2.05,但是当纵向偏载达到5m时,车体的垂向平稳性指标则达到2.3,上升10%以上,因此,对于车下设备纵向配重设计应该尽量控制在2.5m之内。2.2.3悬挂频率对悬挂后稳定性的影响欧拉伯努利梁车体模型的分析结果表明车下设备弹性悬挂能够抑制车体的弹性振动,但是如果车下设备的弹性悬挂参数选择不合理也有可能增加车体的弹性振动,因此,有必要对车下设备悬挂参数与车体之间的匹配关系进行更深入的研究。本文针对上述问题采用刚柔耦合动力学模型分析了车下设备悬挂频率对车体振动的影响规律,结果见图14、15,车速为300km·h-1。随着车下设备悬挂频率的增大,车体中部垂向平稳性和振动加速度RMS值都呈现先减小后增大的变化趋势。当车下设备的悬挂频率处于12.5Hz左右时,车体中部的振动响应最小,平稳性指标低于2.2。当车下设备的悬挂频率低于11Hz时,与车下设备刚性悬挂相比,弹性悬挂反而加剧了车体中部的弹性振动,平稳性指标最大值超出了2.5。当车下设备的悬挂频率大于12.5Hz时,随着车下设备悬挂频率的不断增大,车体中部的平稳性也呈不断增大的变化趋势,并最终趋于刚性悬挂的平稳性指标。由此可见只有当车下设备的悬挂频率接近车体的垂向弯曲频率时,车体的振动响应才会最小,主要是因为作为无源振动设备的悬挂频率接近车体的垂向弯曲频率时可以起到动力吸振器的作用。图16、17揭示了车下设备悬挂阻尼比ζ对车体中部振动响应的影响。当车下设备的悬挂频率高于12.5Hz时,其阻尼比对车体中部振动的影响比较小,可以忽略不计。但是当车下设备悬挂频率低于12.5Hz时,其阻尼比对车体中部振动会产生重大的影响,随着阻尼比的增加车体中部振动响应幅值会降低,因此,车下设备橡胶弹簧的阻尼只有在一定的范围才会起到作用,否则提高其阻尼基本没有太大的作用。3两种方法的对比(1)车下设备的弹性悬挂相比刚性悬挂能够降低车体的垂直振动水平与提高垂向弯曲频率。(2)当车辆运行速度低于200km·h-1时,车下设备刚性悬挂和弹性悬挂对车体振动的影响区别较小;一旦车辆运行速度超出200km·h-1时,车