劉寅,周峰

（南京七四二五橡塑有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210028）

隨著近年來(lái)高鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，列車的行駛速度逐步加快，確保高鐵在運(yùn)行過(guò)程中的安全和舒適性成為了現(xiàn)今高鐵提速過(guò)程中主要重視的內(nèi)容。在現(xiàn)今時(shí)速達(dá)到300 km的大多高鐵設(shè)備中，軌道不平以及由于輪軌間的強(qiáng)烈相互作用會(huì)導(dǎo)致車體產(chǎn)生劇烈的耦合振動(dòng)，導(dǎo)致車下的吊掛設(shè)備也受到強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊。這種情況下產(chǎn)生的劇烈震動(dòng)會(huì)很大程度上影響車內(nèi)乘客的舒適程度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致車下吊掛設(shè)備出現(xiàn)斷裂。歐洲進(jìn)口的車輛，其橫向振動(dòng)耦合機(jī)制技術(shù)特點(diǎn)較為鮮明，車體在運(yùn)行過(guò)程中，其走行部接口部位就會(huì)對(duì)橫向高頻振動(dòng)能量形成一種傳遞媒介，這一機(jī)制大多都基于橫向非保守系統(tǒng)。目前，高鐵企業(yè)要實(shí)現(xiàn)高鐵經(jīng)濟(jì)效益最大化的目標(biāo)，就需要及時(shí)解決高鐵鋁合金車體橫向彈性振動(dòng)問(wèn)題，以提高高鐵的安全性和耐久性，可以通過(guò)采用剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)來(lái)對(duì)這一技術(shù)制定有效的減振技術(shù)，大大減少其受到的阻力，完成該項(xiàng)技術(shù)的正常發(fā)展。

1 車體橫向耦合振動(dòng)

剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)是在近些年發(fā)展起來(lái)的一種接口處理技術(shù)，其通過(guò)在廣義空間的鋼體運(yùn)動(dòng)與在笛卡爾空間的柔性體彈性變形之間，讓質(zhì)量陣耦合的動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)能夠得以實(shí)現(xiàn)，以解決柔性體結(jié)構(gòu)處理過(guò)程中存在的問(wèn)題。廣義空間約束實(shí)際上就是指物理力學(xué)的外部約束概念，并采用拓?fù)潢P(guān)系對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充描述。拓?fù)潢P(guān)系主要是指一個(gè)以上的剛體間存在的相互關(guān)系，例如大部分懸掛元件。在高鐵車組中，大多數(shù)車體走行部接口關(guān)系的構(gòu)成都是利用搖枕來(lái)實(shí)現(xiàn)。笛卡爾空間約束是一種與廣義空間約束存在相對(duì)關(guān)系的理論，主要是指物理學(xué)的內(nèi)部約束蓋簾，這種約束的形成和柔性車體的動(dòng)撓度、柔性車體的彈性形變有很大關(guān)系。由模態(tài)綜合法可知，約束模態(tài)主要指的是：在固定交界面法中，由單位約束自由度位移造成的靜態(tài)變形。有資料顯示，當(dāng)車體搖頭的阻尼過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)柔性車體的狀態(tài)造成影響，出現(xiàn)嚴(yán)重的橫向振動(dòng)情況，車體的橫向振動(dòng)部位主要集中在其中部地板處，導(dǎo)致該部位的加速度明顯較車體前后地板要高。

二系橫向懸掛作為柔性車體及車下質(zhì)量橫向耦合振動(dòng)傳遞能量的主要途徑，對(duì)高鐵減震技術(shù)的研究具有十分重要的意義。耦合振動(dòng)需要有以下三個(gè)力學(xué)要素：激擾車體出現(xiàn)異常的能量、耦合條件以及能量的傳遞途徑。當(dāng)車體的橫向激擾頻率過(guò)高，激擾能量達(dá)到一定程度時(shí)，二系橫向懸掛作為能量傳遞途徑就會(huì)出現(xiàn)相位滯后情況，滿足了耦合震動(dòng)的三大力學(xué)要素，進(jìn)而促使車體出現(xiàn)耦合振動(dòng)。因此，柔性車體出現(xiàn)橫向振動(dòng)一般都會(huì)存在一個(gè)橫向振動(dòng)耦合機(jī)制，而橫向振動(dòng)耦合機(jī)制的形成和車體搖頭的阻尼過(guò)大有很大關(guān)系，車體搖頭的阻尼過(guò)大是其比較鮮明的一大特點(diǎn)，橫向耦合機(jī)制的這一特點(diǎn)一般都只會(huì)出現(xiàn)在大型車輛上。此外，車體對(duì)走行部接口產(chǎn)生的作用，能夠?qū)圀w搖頭的阻尼產(chǎn)生很大影響，需要格外注意。

以拖車TC02/07為例，根據(jù)車體中柔性車體的有限元模型（如圖1）進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)上文所述，結(jié)合車體荷載進(jìn)行考慮，對(duì)相關(guān)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)車上車下質(zhì)量附著約束(如圖2、圖3)。

圖1 柔性車體的有限元模型

圖2 車上附著質(zhì)量約束設(shè)計(jì)

圖3 車下附著質(zhì)量約束設(shè)計(jì)

圖4 剛?cè)狁詈系恼嚹Ｐ?/p>

2 橡膠吊掛的浮板效應(yīng)

以上文的描述和分析為基礎(chǔ)對(duì)相加吊掛的浮板效應(yīng)進(jìn)行研究。當(dāng)木板漂浮在水面時(shí)，其表面的張力得到增強(qiáng)，加大其阻尼耗散，這種阻尼耗散作用被稱為浮板效應(yīng)。浮板效應(yīng)通常被用于近海戰(zhàn)艦等船體上，在主船體的兩翼分別安裝兩個(gè)處于半滑行狀態(tài)的輔助船體，以減輕浪涌對(duì)船體產(chǎn)生的激擾能量，能夠有效保證船體在水面上平穩(wěn)行駛，提高其行駛的安全性。在此過(guò)程中，主船體兩翼輔助船不能夠處于完全滑行狀態(tài)，否則會(huì)得到完全相反的效果，讓船體行駛更加顛簸，不利于正常水面行船。在某些情況，根據(jù)實(shí)際情況下利用一定比例阻尼，將橡膠吊掛安裝在車體下，使其形成浮板效應(yīng)，對(duì)車下質(zhì)量較大形成的過(guò)量橫向振動(dòng)能量進(jìn)行耗散，衰減鋁合金車體下部的振動(dòng)。歐洲車輛并無(wú)常規(guī)意義上的垂向彈性吊掛，其車下質(zhì)量橡膠吊掛只是單純的利用橡膠吊掛的浮板效應(yīng)來(lái)減小柔性車體的橫向振動(dòng)情況。

由以上分析可知，可以通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)優(yōu)化橡膠吊掛：

（1）按照相關(guān)行業(yè)國(guó)標(biāo)規(guī)定，對(duì)車下質(zhì)量橫向加速度進(jìn)行約束，能夠有效防止高鐵的振能量過(guò)大；

（2）減小車體中部底板橫向加速度。

3 橡膠吊掛的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為確保高鐵車輛能夠達(dá)到基本的使用年限，通過(guò)以下三個(gè)方面對(duì)車下質(zhì)量橡膠吊掛的優(yōu)化，可以幫助高鐵車輛很好地減輕阻力，減輕高鐵在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)，增加其車下車身吊掛設(shè)備的安全性與車內(nèi)乘客的舒適性。

3.1 對(duì)車體上下的加速度進(jìn)行控制

采用地板橫向加速度全頻域(RMS) 為技術(shù)指標(biāo)，對(duì)車體上下的加速度進(jìn)行評(píng)價(jià)和控制。其中車輛上主要是車內(nèi)中部地板，車下則包含較大的車下設(shè)備（雙輔變頻和冷卻設(shè)備）質(zhì)量。橡膠吊掛的浮板效應(yīng)對(duì)于車下質(zhì)量都將產(chǎn)生積極的影響，對(duì)于車內(nèi)中不地板的橫向加速度則為極值特性，即當(dāng)比例阻尼值設(shè)為0.5%時(shí)，車體中部地板的橫向加速度全頻域(RMS) 能夠達(dá)到最小值，得到有效控制。

3.2 橡膠吊掛的質(zhì)量?jī)?yōu)化

通過(guò)對(duì)橡膠吊掛自身的質(zhì)量參數(shù)優(yōu)化來(lái)合理利用浮板效應(yīng)，車中的橫向振動(dòng)與垂向振動(dòng)不同，若比例阻尼增高，車下質(zhì)量將會(huì)對(duì)車體下部的橫向振動(dòng)起到非常強(qiáng)烈的帶動(dòng)作用，使柔性車體橫向振動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致車內(nèi)地板的振動(dòng)等。

3.3 橡膠吊掛動(dòng)荷系數(shù)評(píng)估

決定車體的結(jié)構(gòu)疲勞度的關(guān)鍵因素之一是動(dòng)荷系數(shù)，無(wú)論何種振動(dòng)均會(huì)因?yàn)檐圀w的異常動(dòng)態(tài)，對(duì)車輛動(dòng)荷特征造成影響，使其發(fā)生變化。這種變化在高鐵集裝箱的重載車體部分比較常見(jiàn)，由于轉(zhuǎn)向架搖枕懸掛的斜楔卡滯現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)垂向振動(dòng)，且高鐵的車體結(jié)構(gòu)較為特殊，或造成其集裝箱腳部動(dòng)荷增大，進(jìn)而致使高鐵容易出現(xiàn)橫梁開(kāi)焊的現(xiàn)象?？梢?jiàn)，高鐵車輛的異常動(dòng)態(tài)和其動(dòng)荷特征之間存在較為復(fù)雜的聯(lián)系。

若高鐵采用持續(xù)穩(wěn)定的安全運(yùn)營(yíng)，動(dòng)荷時(shí)域里程基本上符合高斯正態(tài)分布，奇異系數(shù)在2.0周圍浮動(dòng)。當(dāng)高鐵的走行部動(dòng)態(tài)情況出現(xiàn)異常，例如當(dāng)其處于軌道長(zhǎng)波不平順激擾時(shí)，車軸橫向力會(huì)突然加大，就會(huì)導(dǎo)致奇異系數(shù)高于2.0。當(dāng)高鐵的轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定的蛇形振蕩加強(qiáng)，使車行過(guò)程中的頻響偏離高斯平穩(wěn)過(guò)程的頻響特征，全頻域（RMS）值估算高于實(shí)際情況，就會(huì)導(dǎo)致奇異系數(shù)低于2.0。

根據(jù)以上三點(diǎn)分析，為確保高鐵車組滿足基本的運(yùn)行年限，達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益，可以采?。簩⒏哞F的最高速度控制在350～380 km/h，減小車組受到的比例阻尼；車身轉(zhuǎn)向架采用統(tǒng)一的優(yōu)良配置，降低走行部超常工況所造成的攝動(dòng)影響；將車下的質(zhì)量橡膠吊掛進(jìn)行優(yōu)化，合理利用橡膠吊掛的浮板效應(yīng)，避免柔性車體橫向抖振。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在高鐵車組對(duì)于其本身的安全性和車內(nèi)乘客的舒適型要求越來(lái)越高的今天，解決車身的橫向振動(dòng)是一個(gè)重要的研究課題。通過(guò)在車體和車下吊掛橡膠設(shè)備，利用其高彈性和粘彈性等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)置合理的動(dòng)荷系數(shù)，來(lái)保證高鐵車組的正常運(yùn)行。其中采用的橫向振動(dòng)耦合機(jī)制是指以二系橫向懸掛構(gòu)成的車體，作為走行部接口傳遞媒介，所形成的橫向高頻振動(dòng)耦合機(jī)制。這一機(jī)制利具有很強(qiáng)的抗蛇行高頻阻抗能力，并能夠增大車體搖頭阻尼，采用鋁合金車體三大特性，通過(guò)控制高鐵速度、加強(qiáng)車身相應(yīng)設(shè)備的質(zhì)量、合理利用橡膠吊掛的浮板效應(yīng)，可以很好地幫助解決高鐵車體在減振方面的問(wèn)題。

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