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吊挂设备对高速列车弹性车体垂向振动特性的影响

陈翔宇 缪炳荣 雒耀祥 蒋钏应 杨树旺

摘 要:为了研究车下吊挂设备对高速列车车体弹性振动的影响,文章搭建了车体与吊挂设备的刚柔耦合垂向动力学模型,通过对比刚柔耦合模型和多刚体模型的加速度功率谱密度研究了车体柔性对车辆垂向振动特性的影响;通过控制变量法改变吊挂设备的悬挂参数,分析了不同的悬挂系统频率、悬挂系统阻尼比和悬挂质量对车体中心位置的加速度幅频特性的影响;最后,将吊挂设备视为动力吸振器,采用Jacquot动力吸振器参数优化理论对悬挂参数进行优化.结果表明,合理的选择吊挂设备的悬挂参数可以有效的抑制的车体弹性振动.

关键词:吊挂设备;功率谱密度;幅频特性;DVA

中图分类号:U270.1+1  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2019)12-99-07

Abstract: In order to study the influence of suspended devices on the elastic vibration of high-speed railway vehicle, this paper builds a rigid-flexible coupled vertical dynamics model of vehicle body and suspension equipment. Firstly, by com -pares the acceleration power spectrum of rigid-flexible coupling model and multi-rigid model, the effects of vehicle body flexibility on vertical vibration of vehicle has been studied; Secondly, the suspension parameters of the suspended devices are changed, such as the frequency of suspension systems, the damping ratio of the suspension system and the suspension mass, then, the acceleration amplitude and frequency characteristics of to the center position of the vehicle body has been analyzed. Finally, the suspension equipment is regarded as the dynamic vibration absorber. The optimization of the suspension parame -ters by JACQUOT dynamic vibration absorber parameter optimization theory shows that the suspension parameters of the suspension equipment can effectively suppress the elastic vibration of the vehicle body.

Keywords: suspended devices; power spectral density; amplitude-frequency characteristics; DVA

CLC NO.: U270.1+1  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2019)12-99-07

引言

与其他交通工具相比,高速列车的速度和舒适度是其最重要的核心竞争力.但随着车辆运行速度的提高及车体轻量化导致的刚度不足等问题的出现,车体自身的弹性振动对车辆运行品质的影响越来越显著.铁道车辆车体振动可分为刚性和弹性两种模态.影响垂向乘坐舒适性的刚性模态是沉浮,俯仰和滚转模态,这些模态通常位于1 Hz左右的相对较低的频率范围内[1];弹性模态是指车体的扭曲和弯曲变形模态,影响到垂向乘坐舒适性的弹性模态大多数是一阶弹性模态,这种模态经常发生在接近4到10 Hz的频率范围内,而人类往往对此频率十分敏感[2].为了体现车体的动态响应过程,必须考虑车体的弹性振动.此外,弹性振动除了会导致列车乘客对特定频率范围内的振动十分敏感,影响到其乘坐舒适度,同时也可能会导致车体疲劳,影响到车辆的动态性能和使用寿命[3][4].

国内外针对于弹性车体的垂向振动特性做了大量研究,Dumitriu M、Carlbom等人对轨道车辆的车体结构动力学进行了全面研究.这些研究通过搭建数值仿真模型来模拟研究了车体结构在不同等级的轨面激励作用下的弹性振动以及乘坐舒适度的差异[5][6][7];Diana G等人对主要影响车体舒适性能的参数进行了灵敏度分析,发现特定的轨道波长和车速可能会对车体模态的振动水平产生重大影响[8].周劲松等人建立了包含结构阻尼的铁道车辆垂向刚柔耦合动力学模型,并运用该模型,采用基于虚拟激励法的快速平稳性算法,研究了铁道客车车体弹性对运行平稳性的影响.研究结果表明,当车体弹性低至一定数值时,将导致车体强烈振动,运行速度越高,对车体的刚性要求越高[9].宫岛等人建立了包含车体弹性的铁道车辆垂向刚柔耦合系统动力学模型,提出了基于格林函数法的车辆系统运动偏微分方程求解方法,计算获得车体振动加速度功率谱及车辆运行平稳性,分析了几何滤波与车体弹性共振的关系[10].

安装在车体底架上的吊挂设备是影响乘客乘坐舒适性的关键部件,因为他们质量往往很大,吊挂设备与车体之间的耦合振动能够对车体的振动模态产生显著的影响.邬平波等人建立了一个刚柔耦合的车辆系统动力学模型,根据梁的模态分析理论对设备的悬架参数进行了优化.另外,还从车体模态的角度分析了底架設备的悬架参数与车体模态频率之间的关系[11].Sun W等人建立了铁道车辆与车下悬挂设备的刚柔耦合垂向动力学模型,并利用该模型,采用协方差法分析了吊挂设备的不同悬挂方法对高速列车运行质量的影响.[12].但是上述研究少有将吊挂设备视为动力吸振器设备(以下简称DVA),并利用DVA的特性消减弹性车体(欧拉伯努利梁)弹性振动的相关研究.

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[4] Yu J P, Zhang W H, Zhang L M, et al. Research on vibration isolation design of suspension equipment for high-speed train [J]. Journal of the Chinese Railway Society, 2017, 39 (1): 33-40 (in Chinese).

[5] Dumitriu M . Influence of suspended equipment on the carbody verti -cal vibration behiour of high-speed railway vehicles[J]. Archive of Mechanical Engineering, 2016, 63(1):145-162.

[6] Dumitriu M , Cruceanu C . Influences of Carbody Vertical Flexibility on Ride Comfort of Railway Vehicles[J]. Archive of Mechanical Engineering, 2017, LXIV(2):219-238.

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[10] 宫岛,周劲松,孙文静,et al.基于格林函数法的铁道车辆弹性车体垂向振动分析[N]. 机械工程学报, 2013, 49(12).

[11] 邬平波,薛世海,杨晨辉.基于弹性车体模型的高速客车动态响应[N].交通运输工程学报,2005,5(2):5-8.

[12] Sun W, Gong D, Zhou J, et al. Influences of Suspended Equipment under Car Body on High-speed Train Ride Quality[J]. Procedia Eng -ineering, 2011, 16(1):812-817.

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