班希翼，陳 然

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

在高速列車技術(shù)的發(fā)展過程中，列車驅(qū)動方式逐步變?yōu)榉稚⑹津?qū)動，大部分列車設(shè)備主要以剛性或彈性兩種連接方式下掛于車體底架?，F(xiàn)代列車不斷追求輕量化等有利于列車提速的設(shè)計(jì)方案，而這些因素又極易引起軌道激擾頻率升高，更易造成列車與下掛設(shè)備間的共振，影響列車設(shè)備的穩(wěn)定性，降低設(shè)備使用壽命[1]。高速列車中針對隔振系統(tǒng)中隔振元件剛度與阻尼的研究較少。以柴油發(fā)電機(jī)組作為車輛的動力設(shè)備，采用雙層隔振系統(tǒng)下掛于車體底架，在列車運(yùn)行時(shí)對列車的安全性與舒適性均會產(chǎn)生影響。本研究針對列車及柴油發(fā)電機(jī)組，依據(jù)多體動力學(xué)建立起列車剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型[2]，研究在列車運(yùn)行過程中雙層隔振系統(tǒng)參數(shù)的變化情況。

以設(shè)備振動烈度大小為評判標(biāo)準(zhǔn)，研究車下具有雙層隔振系統(tǒng)的動力包一級和二級減振彈簧的最佳剛度和最佳阻尼。

1 仿真分析與結(jié)果

以通過兩級橡膠彈簧下掛于列車底架的柴油發(fā)電機(jī)組作為研究對象動力包，其中一級隔振系統(tǒng)為四個(gè)實(shí)現(xiàn)列車車體與柴油發(fā)電機(jī)組公共構(gòu)架連接的橡膠彈簧，二級隔振系統(tǒng)為五個(gè)實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組公共構(gòu)架與柴油發(fā)電機(jī)組連接的橡膠彈簧，如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組雙層隔振系統(tǒng)示意圖

柴油發(fā)電機(jī)組剛體振動形式主要包括橫移、沉浮、點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾，通過ANSYS仿真計(jì)算以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，隔振系統(tǒng)中垂向振動為主要影響因素，故著重對沉浮、點(diǎn)頭及側(cè)滾這三類振動形式進(jìn)行分析。

公共構(gòu)架沉?。?/p>

公共構(gòu)架點(diǎn)頭：

公共構(gòu)架側(cè)滾:

←(k21l21-y′-k22l22-y′-k23l23-y′+k24l24-y′+k25l25-x′)→

←z2+(c21l21-y′-c22l22-y′-c23l23-y′+←c24l24-x′+→

←k23l23-xl23-y′-k24l24-xl24-y′-k25l25-xl25-y′)α2-→

←(c21l21-xl21-y′+c22l22-xl22-y′+c23l23-xl23-y′-→

←k22l22-xl22-y′+k23l23-xl23-y′+k24l24-xl24-y′+→

←k25l25-xl25-y′)β2-(c21l21-xl21-y′+c22l22-xl22-y′+→

柴油發(fā)電機(jī)組沉浮：

柴油發(fā)電機(jī)組點(diǎn)頭：

柴油發(fā)電機(jī)組側(cè)滾：

通過ANSYS仿真計(jì)算及對實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，隔振系統(tǒng)中垂向振動為主要影響因素，因此主要針對起連接作用的橡膠彈簧的垂向剛度及垂向阻尼兩大參數(shù)進(jìn)行研究[3]。

選用隔振系統(tǒng)中原始的橡膠彈簧參數(shù)利用仿真軟件進(jìn)行車輛動力學(xué)性能計(jì)算[4]，計(jì)算結(jié)果表明所選參數(shù)已初步滿足基本要求。為進(jìn)一步優(yōu)化隔振參數(shù)，研究柴油發(fā)電機(jī)組在不同的一級隔振參數(shù)和二級隔振參數(shù)下振動烈度的變化情況，從而為車下設(shè)備隔振參數(shù)選取提供參考。一級與二級橡膠彈簧的垂向初始隔振參數(shù)如表1所示[5]。

表1 柴油發(fā)電機(jī)初始垂向隔振參數(shù)

1.1 一級隔振器垂向剛度與垂向阻尼分析

將K1作為一級隔振系統(tǒng)4個(gè)橡膠彈簧的垂向剛度，C1作為垂向阻尼。采用單一變量法在SIMPACK中進(jìn)行動力學(xué)仿真計(jì)算，計(jì)算工況如表2所示。

表2 一級垂向剛度與垂向阻尼計(jì)算工況

在進(jìn)行動力學(xué)仿真計(jì)算時(shí)，車輛運(yùn)行速度選取在20～100 km/h范圍內(nèi)，大致分為5種速度等級。完成計(jì)算后分別提取柴油發(fā)電機(jī)組上所設(shè)置響應(yīng)點(diǎn)對應(yīng)的各類工況下的振動響應(yīng)信號，處理數(shù)據(jù)后獲得柴油發(fā)電機(jī)組的振動烈度[6]。圖2和圖3分別顯示了計(jì)算結(jié)果。

圖2 各速度等級下一級垂向剛度的變化對柴油發(fā)電機(jī)振動烈度的影響

圖3 各速度等級下一級垂向阻尼的變化對柴油發(fā)電機(jī)振動烈度的影響

圖2表明：當(dāng)列車運(yùn)行速度處于20～60 km/h范圍內(nèi)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組的振動烈度會隨著K1的增大而減小；當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到80 km/h時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組的振動烈度在一級橡膠彈簧的垂向剛度為1.2K1時(shí)獲得最小值。通過對仿真結(jié)果的分析，可知一級懸掛橡膠彈簧垂向剛度在(0.6K1，1.2K1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。

圖3表明：當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速分別為20 km和40 km時(shí)，一級隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C1，1.2C1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速為60 km和80 km時(shí)，一級隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.6C1，C1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速達(dá)到100 km時(shí)，一級隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C1，1.2C1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。綜上所述，一級隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C1，C1)區(qū)間內(nèi)可獲取最優(yōu)值。

1.2 二級隔振器垂向剛度與垂向阻尼分析

將K2作為二級隔振系統(tǒng)5個(gè)橡膠彈簧的垂向剛度，C2作為垂向阻尼。采用單一變量法在SIMPACK中進(jìn)行動力學(xué)仿真計(jì)算，計(jì)算工況如表3所示。

表3 二級垂向剛度和垂向阻尼計(jì)算工況

在進(jìn)行動力學(xué)仿真計(jì)算時(shí)，車輛運(yùn)行速度選取在20～100 km/h范圍內(nèi)，大致分為5類速度等級。完成計(jì)算后分別提取柴油發(fā)電機(jī)組上所設(shè)置響應(yīng)點(diǎn)對應(yīng)的各類工況下的振動響應(yīng)信號，處理數(shù)據(jù)后獲得柴油發(fā)電機(jī)組的振動烈度。圖4和圖5顯示了計(jì)算結(jié)果。

圖4 各速度級下二級隔振器垂向剛度的變化對動力包振動烈度的影響

圖5 各速度級下二級隔振器垂向阻尼的變化對動力包振動烈度的影響

圖4表明：當(dāng)列車速度處于20～60 km/h范圍內(nèi)時(shí)，二級隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.8K2，1.2K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；當(dāng)列車以80 km/h速度運(yùn)行時(shí)，二級隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.6K2，K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；當(dāng)列車速度達(dá)到100 km/h時(shí)，二級隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.8K2，1.2K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。綜上所述，二級隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.8K2，K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。

圖5表明：隨著二級隔振橡膠彈簧垂向阻尼逐步偏離原始參數(shù)，柴油發(fā)電機(jī)組的振動烈度會不斷增大，當(dāng)隔振系統(tǒng)的垂向阻尼在(0.8C2，1.2C2)區(qū)間內(nèi)取值時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)的振動烈度較小[7]。

2 結(jié)語

(1)結(jié)果表明：由于在系統(tǒng)振動過程中，阻尼值參數(shù)有利于降低系統(tǒng)的共振幅度，并加快機(jī)構(gòu)振動幅度的衰減，故隔振橡膠彈簧參數(shù)中阻尼值對于柴油發(fā)電機(jī)組振動烈度指標(biāo)的影響更加顯著。從對研究對象振動烈度指標(biāo)的影響來看，二級隔振橡膠彈簧參數(shù)比一級隔振橡膠彈簧參數(shù)影響更大。

(2)以研究對象的振動烈度作為評價(jià)指標(biāo)，一級隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.6K1，1.2K1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；一級隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C1，C1)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；二級隔振橡膠彈簧垂向剛度在(0.8K2，K2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值；二級隔振橡膠彈簧垂向阻尼在(0.8C2，C2)區(qū)間內(nèi)可獲得最優(yōu)值。綜上所述，從設(shè)備振動烈度方面考慮，合理范圍內(nèi)整體減小隔振系統(tǒng)中橡膠彈簧的隔振參數(shù)，可以有效降低設(shè)備的振動烈度指標(biāo)，從而延長設(shè)備的使用壽命并優(yōu)化設(shè)備的使用可靠性。