机车车辆车颤振机理分析及解决方案

第4页共6页机车车辆车体颤振机理分析及解决方案1引言车辆运行时，受线路和各种激励的作用，将引起车体整车或车体局部在某方向的振动。如果这种振动超过了某一限度，将严重影响乘客的舒适性。引起车体振动的因素是多方面的，如线路激扰、轮对蛇行运动、转向架振动、车体弹性振动等。正是由于可能产生振动因素的复杂性，使得从振动模态诊断、原因分析排除至问题的解决变得非常困难，简单的数学模型、解析方法、经验判断或线路试验已不能满足需要。随着车辆运行速度的不断提高和车体轻量化的逐步实施，部分机车车辆车体在运行过程中出现了严重的颤振现象。车辆运行过程中的振动是难免的，但出现车体颤振是不允许的。颤振对客车运输带来的不良影响主要表现为：(1)严重影响旅客乘车的舒适性；(2)会导致车辆零部件松动或过早产生疲劳损坏，进而对客车的安全造成隐患。在车辆设计时采取措施从根本上避免车体颤振已成为铁路机车车辆动态设计亟待解决的问题。2颤振现象描述机车车辆车体的颤振通常发生在车辆运行中速(130km／h左右)时，车体内出现较明显的上下和左右抖动现象。由于这种振动现象发生在车辆常用的速度范围内，车体结构的振动压迫车内空气而产生结构噪声，同时车体内装件振动振幅及相位的差异又产生各种摩擦高频噪音，严重影响旅客乘坐舒适性，引起了旅客不满。车辆在运行中发生的颤振是一种非常有害的高频振动，该振动对车体内设备可产生较大的破坏作用，恶化了机车车辆的运行平稳性，危害旅客的身心健康。图1为某客车运行时测得的车辆地板中心的振动加速度频谱(PSD)，从图中可得出车体中部的振动加速度与乘坐舒适度的关系。如图所示，在振动频率为8．4Hz左右的峰值时，车体弯曲振动最大。要改善乘坐舒适性，降低该值是非常必要的。图1中乘坐舒适度值通过滤波叠代算出。数值较大的部分正是人体容易感受到的频率范围。而车体弯曲振动的最大值也在叠代值大的范围内，由此也可以看出，减小车体弯曲振动对改善乘坐舒适性的重要性。从车体结构型式看，车身较长，车体整体刚度不足，固有频率降低，车辆运行中容易产生共振，引起较大噪声。3颤振机理分析由于发生颤振时是部分车体发生颤振，初步判断是发生了共振。必须找出共振频率，从而在设计上进行改进，避免颤振的发生。为全面彻底地分析车体颤振现象，首先应将可能引起车体颤振的各种因素逐一列出，寻找主要原因。造成车体颤振的可能原因包括线路、运行速度、车体弹性、车体局部弹性振动、转向架及车体垂向弯曲弹性振动等因素。下面就每个因素进行分析。3．1线路因素各种车辆在同一线路上运行，在同样的运行速度和同一列车中，有的车辆未出现车体颤振现象，由此可以排除线路的原因。但有些情况下车体出现剧烈抖动与线路有关，如一列车经过某铁路桥时，车内的乘客明显感觉到车体在剧烈的抖动。据测试同一车辆在不同区段(长春一沈阳、秦沈专线、秦皇岛一北京)的车体颤振情况在秦沈专线明显好于其他两段线路。3．2车体弹性模态随着车辆运行速度的提高，由线路不平顺引起的随机激扰的频域加宽，导致车辆垂直和横向振动加速度增大，并通过转向架作用于车体，以较高频率激励出车体的弹性振动。为了确保优良的乘坐舒适性，车体钢结构也必须具有良好的动态特性，要求车体一阶垂向弯曲模态频率不低于10Hz。对车体钢结构来讲，只有当侧墙和车顶的刚度较大至与底架相当时，车体一阶振型表现为“梁”的特性，为一阶弯曲振型。而实际的车体振型并不表现为梁的振动特性，而是同时伴有其他振型和局部的振型。车体为一个空间结构，振型特征已没有梁的—130km／h运行时，转向架的蛇行运动频率与车体局部频率相同或相近，引起共振。无摇动台转向架尤其是无摇枕转向架的车辆表现尤其明显。25T型客车在速度为130～140km／h区段车辆共振现象达到峰值，速度达到160km／h以上共振现象基本消除，车辆运行趋于稳定。不同的车辆共振的速度区段不同，无摇动台车辆的共振速度区段在130km／h左右，应将常用速度和车辆的共振速度区段分开，避免车体颤振。车辆运行速度对车体颤振的影响可以理解为与车辆运行速度有关的激扰在某速度段较大，如轮对、转向架的蛇行运动频率与车体或车体局部的某阶频率相近，引起共振。现车监测表明，车辆运行速度是主要影响因素，通过巡视监听以及监测系统预报振动异常时间，Z15／16次25T型客车振动异常发生时间多在凌晨1：30--4：15期间，此时间段列车运行在秦沈客运专线上，区间平均运行速度在150km／h左右。4解决方案车体颤振问题非常复杂，单从车体、转向架等单方面研究只能从局部自身说明一些原因，局部子系统问题的解决并不能从根本上彻底消除颤振，局部的性能优化并不能代表系统的性能优化。系统特性是各部件相互作用、耦合后综合性能的体现，因此，必须从系统、全局出发，从可能引起振动的各方面人手，对主要影响因素进行综合研究，通过分析计算，找出主导因数，再经过试验、测试等进行验证，最终确定合理的改进方案和必要的整改措施。只有通过合理的系统性的解决方案，才能从根本上解决车体颤振问题。针对以上可能的原因，提出以下车体颤振系统解决方案的要点：(1)建立车体拓扑优化模型，对车体结构进行拓扑优化。通过动力学计算、模态分析和试验相结合，系统全面地研究车体振动影响因素，为车体改进提供参考和依据。(2)由于车体是在较宽频带上有很多共振点的弹性结构体，设计时很难同时满足悬挂及低振动噪声要求。协调方法是提高车体着力点的机械阻抗，即提高着力点附近的刚性，使车体振动减小。(3)在车体各构件中，板件振动对车体的噪声有重要的影响。这是由于板件的声辐射效率较高，在承受振源传人的振动能量时，极易成为结构上的主要发生部位。为减弱板件振动，可在其上设置加强筋以提高其刚度，或加装阻尼带或粘贴减振材料，使振动衰减。(4)加强车体底架、侧墙和车顶的连接，提高车体抗横向菱形变形刚度，即提高Jelly模态频率。对客车车体而言，要针对不同类型的车制定车体的抗菱形变形刚度限度值。(5)对软卧车而言，应将包厢隔断的钢结构部分与车体侧墙、底架和车顶的联结做优化设计，避免在车体模态振动时引起摩擦颤振。5结语(1)车体颤振主要是由共振引起的，其结果造成部分车体振动剧烈。主要原因是车体整体和局部刚度低，与转向架激振频率接近，容易产生共振，引起车体局部振动。提高车体整体抗菱刚度可有效降低车体颤振和噪声。(2)车体一阶垂向弯曲频率、Jelly