機車車輛車顫振機理分析及解決方案

1、機車車輛車體顫振機理分析及解決方案1 引言 車輛運行時，受線路和各種激勵的作用，將引起車體整車或車體局部在某方向的振動。如果這種振動超過了某一限度，將嚴重影響乘客的舒適性。引起車體振動的因素是多方面的，如線路激擾、輪對蛇行運動、轉(zhuǎn)向架振動、車體彈性振動等。正是由于可能產(chǎn)生振動因素的復(fù)雜性，使得從振動模態(tài)診斷、原因分析排除至問題的解決變得非常困難，簡單的數(shù)學(xué)模型、解析方法、經(jīng)驗判斷或線路試驗已不能滿足需要。 隨著車輛運行速度的不斷提高和車體輕量化的逐步實施，部分機車車輛車體在運行過程中出現(xiàn)了嚴重的顫振現(xiàn)象。車輛運行過程中的振動是難免的，但出現(xiàn)車體顫振是不允許的。顫振對客車運輸帶來的不良影響主要表

2、現(xiàn)為：(1)嚴重影響旅客乘車的舒適性；(2)會導(dǎo)致車輛零部件松動或過早產(chǎn)生疲勞損壞，進而對客車的安全造成隱患。在車輛設(shè)計時采取措施從根本上避免車體顫振已成為鐵路機車車輛動態(tài)設(shè)計亟待解決的問題。2 顫振現(xiàn)象描述機車車輛車體的顫振通常發(fā)生在車輛運行中速(130kmh左右)時，車體內(nèi)出現(xiàn)較明顯的上下和左右抖動現(xiàn)象。由于這種振動現(xiàn)象發(fā)生在車輛常用的速度范圍內(nèi)，車體結(jié)構(gòu)的振動壓迫車內(nèi)空氣而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，同時車體內(nèi)裝件振動振幅及相位的差異又產(chǎn)生各種摩擦高頻噪音，嚴重影響旅客乘坐舒適性，引起了旅客不滿。車輛在運行中發(fā)生的顫振是一種非常有害的高頻振動，該振動對車體內(nèi)設(shè)備可產(chǎn)生較大的破壞作用，惡化了機車車輛的運

3、行平穩(wěn)性，危害旅客的身心健康。 圖1為某客車運行時測得的車輛地板中心的振動加速度頻譜(PSD)，從圖中可得出車體中部的振動加速度與乘坐舒適度的關(guān)系。如圖所示，在振動頻率為84Hz左右的峰值時，車體彎曲振動最大。要改善乘坐舒適性，降低該值是非常必要的。 圖1中乘坐舒適度值通過濾波疊代算出。數(shù)值較大的部分正是人體容易感受到的頻率范圍。而車體彎曲振動的最大值也在疊代值大的范圍內(nèi)，由此也可以看出，減小車體彎曲振動對改善乘坐舒適性的重要性。從車體結(jié)構(gòu)型式看，車身較長，車體整體剛度不足，固有頻率降低，車輛運行中容易產(chǎn)生共振，引起較大噪聲。3 顫振機理分析 由于發(fā)生顫振時是部分車體發(fā)生顫振，初步判斷是發(fā)生了

4、共振。必須找出共振頻率，從而在設(shè)計上進行改進，避免顫振的發(fā)生。為全面徹底地分析車體顫振現(xiàn)象，首先應(yīng)將可能引起車體顫振的各種因素逐一列出，尋找主要原因。造成車體顫振的可能原因包括線路、運行速度、車體彈性、車體局部彈性振動、轉(zhuǎn)向架及車體垂向彎曲彈性振動等因素。下面就每個因素進行分析。31 線路因素 各種車輛在同一線路上運行，在同樣的運行速度和同一列車中，有的車輛未出現(xiàn)車體顫振現(xiàn)象，由此可以排除線路的原因。 但有些情況下車體出現(xiàn)劇烈抖動與線路有關(guān)，如一列車經(jīng)過某鐵路橋時，車內(nèi)的乘客明顯感覺到車體在劇烈的抖動。據(jù)測試同一車輛在不同區(qū)段(長春一沈陽、秦沈?qū)＞€、秦皇島一北京)的車體顫振情況在秦沈?qū)＞€明顯好

5、于其他兩段線路。32 車體彈性模態(tài) 隨著車輛運行速度的提高，由線路不平順引起的隨機激擾的頻域加寬，導(dǎo)致車輛垂直和橫向振動加速度增大，并通過轉(zhuǎn)向架作用于車體，以較高頻率激勵出車體的彈性振動。為了確保優(yōu)良的乘坐舒適性，車體鋼結(jié)構(gòu)也必須具有良好的動態(tài)特性，要求車體一階垂向彎曲模態(tài)頻率不低于10Hz。對車體鋼結(jié)構(gòu)來講，只有當(dāng)側(cè)墻和車頂?shù)膭偠容^大至與底架相當(dāng)時，車體一階振型表現(xiàn)為“梁”的特性，為一階彎曲振型。而實際的車體振型并不表現(xiàn)為梁的振動特性，而是同時伴有其他振型和局部的振型。車體為一個空間結(jié)構(gòu)，振型特征已沒有梁的概念，可分為底架、側(cè)墻和車頂三大部分。 某些車體模態(tài)計算和試驗中頻率最低的振型其實不是

6、一階垂向彎曲，而是Jelly振型頻率最低。Jelly振型表現(xiàn)為車頂和底架反方向橫向彎曲，如圖2所示。在模態(tài)試驗時發(fā)現(xiàn)這種振型穩(wěn)定，在各種工況下振動均非常明顯，振動能量也較大，各工況的振動頻率非常接近。25T型車車體Jelly模態(tài)頻率為8225Hz，車輛整備后該值有所降低，在5Hz左右。這種振型頻率較低，容易與轉(zhuǎn)向架運動產(chǎn)生共振。由于其振動能量較大，對車體結(jié)構(gòu)振動影響較大，對車輛的運行造成非常不利的影響。該振型頻率偏低的原因是某些車體橫斷面抗菱形變形剛度偏低，車頂、底架與側(cè)墻聯(lián)結(jié)薄弱，車頂相對側(cè)墻質(zhì)量較大。 客車車體抗菱形變形剛度可定義為車體中部由側(cè)墻、底架和車頂組成的閉口箱形結(jié)構(gòu)抗菱形變形的剛

7、度。車體抗菱形變形剛度大，則Jelly振型頻率高；反之，車體抗菱形變形剛度小，則Jelly振型頻率低。 由于車體Jelly振型頻率較低，與轉(zhuǎn)向架固有頻率相近，容易被激發(fā)。當(dāng)Jelly模態(tài)被來自轉(zhuǎn)向架的振動激發(fā)后，對中間隔斷較多的軟臥車會產(chǎn)生不利影響。從橫斷面上看車體產(chǎn)生菱形變形，如果軟臥車的抗菱形變形剛度不足，即車體扭轉(zhuǎn)剛度不足，會導(dǎo)致車窗窗框、軟臥包廂鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)的變形，各種結(jié)構(gòu)相互運動(微動)產(chǎn)生撞擊或摩擦發(fā)出聲響，使得墻板、門、床鋪等產(chǎn)生低頻顫振和噪聲。相比之下，硬座車客室內(nèi)無隔斷，即使Jelly剛度較小，也不會引起顫振。33 車體局部彈性振動因素車體局部彈性振動會造成局部振動加劇，這

8、也可能造成振動加速度值較大以至于出現(xiàn)超標的現(xiàn)象。為分析是否是該因素引起車輛振動加速度增大，在線路動力學(xué)試驗時在不同部位布置了加速度測點，不同速度下各測點的振動加速度的變化情況如圖3所示。從圖3可以看出，隨著運行速度的增加，地板和間壁的加速度值略有增加，而側(cè)墻的振動加速度值變化明顯，說明隨著速度增加，車輛的側(cè)墻局部橫向振動急劇增加，顫振是由車體局部彈性振動引起的。速度在130140kmh區(qū)段車輛共振現(xiàn)象達到峰值，車內(nèi)地板、間壁板、頂板、臥鋪及各種掛件、門均發(fā)出“噠”的響聲，地板上振顫感覺非常明顯，橫間壁顫動，特別是臥鋪的振顫使人非常難受。 相同列車的硬臥車也存在共振現(xiàn)象，但明顯好于軟臥車，這與包

9、間不封閉及硬臥三層鋪的剛度有很大關(guān)系。 34 轉(zhuǎn)向架因素： 某次列車運行初期，總體情況較為平穩(wěn)，但走行30萬km后，車體和轉(zhuǎn)向架的顫振問題開始顯露出來，且隨著走行公里數(shù)的增加，顫振問題逐漸增多，特別是轉(zhuǎn)向架垂向振動尤為突出，車輛運行品質(zhì)下降，頻繁發(fā)生轉(zhuǎn)向架故障。通過更換輪對后對車輛振動變化情況的跟蹤，確定了25T型客車轉(zhuǎn)向架初始振動的源頭來自于輪對。對輪對偏心度以及動平衡等問題采取了更換輪對的措施，更換后通過監(jiān)測系統(tǒng)跟蹤，發(fā)現(xiàn)車輛振動情況大幅度降低，沒有發(fā)現(xiàn)其他異常情況。確定是輪對原因后，對振動較為嚴重的車輛采取了及時更換輪對的措施，使25T型客車振動問題得到了有效控制。 上述超過段修標準限度

10、要求的輪對，在25T型客車實際運行中引發(fā)振動，并在短時間內(nèi)惡化車輛運行品質(zhì)，造成了車輛配件損壞?？梢?，有些車體的顫振是由于車輪的高頻激勵引起的，解決的方法是嚴格按標準控制輪對的動平衡。35 運行速度 旅客列車車體顫振一般發(fā)生在110130kmh速度區(qū)段，車輛速度高或低均無顫振現(xiàn)象發(fā)生，這表明車體顫振是由轉(zhuǎn)向架振動引起的共振。當(dāng)車輛在110130kmh運行時，轉(zhuǎn)向架的蛇行運動頻率與車體局部頻率相同或相近，引起共振。無搖動臺轉(zhuǎn)向架尤其是無搖枕轉(zhuǎn)向架的車輛表現(xiàn)尤其明顯。25T型客車在速度為130140 kmh區(qū)段車輛共振現(xiàn)象達到峰值，速度達到160kmh以上共振現(xiàn)象基本消除，車輛運行趨于穩(wěn)定。不同的

11、車輛共振的速度區(qū)段不同，無搖動臺車輛的共振速度區(qū)段在130kmh左右，應(yīng)將常用速度和車輛的共振速度區(qū)段分開，避免車體顫振。 車輛運行速度對車體顫振的影響可以理解為與車輛運行速度有關(guān)的激擾在某速度段較大，如輪對、轉(zhuǎn)向架的蛇行運動頻率與車體或車體局部的某階頻率相近，引起共振?，F(xiàn)車監(jiān)測表明，車輛運行速度是主要影響因素，通過巡視監(jiān)聽以及監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)報振動異常時間，Z1516次25T型客車振動異常發(fā)生時間多在凌晨1：30-4：15期間，此時間段列車運行在秦沈客運專線上，區(qū)間平均運行速度在150kmh左右。4 解決方案車體顫振問題非常復(fù)雜，單從車體、轉(zhuǎn)向架等單方面研究只能從局部自身說明一些原因，局部子系統(tǒng)問

12、題的解決并不能從根本上徹底消除顫振，局部的性能優(yōu)化并不能代表系統(tǒng)的性能優(yōu)化。系統(tǒng)特性是各部件相互作用、耦合后綜合性能的體現(xiàn)，因此，必須從系統(tǒng)、全局出發(fā)，從可能引起振動的各方面人手，對主要影響因素進行綜合研究，通過分析計算，找出主導(dǎo)因數(shù)，再經(jīng)過試驗、測試等進行驗證，最終確定合理的改進方案和必要的整改措施。只有通過合理的系統(tǒng)性的解決方案，才能從根本上解決車體顫振問題。 針對以上可能的原因，提出以下車體顫振系統(tǒng)解決方案的要點： (1)建立車體拓撲優(yōu)化模型，對車體結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化。通過動力學(xué)計算、模態(tài)分析和試驗相結(jié)合，系統(tǒng)全面地研究車體振動影響因素，為車體改進提供參考和依據(jù)。 (2)由于車體是在較寬頻

13、帶上有很多共振點的彈性結(jié)構(gòu)體，設(shè)計時很難同時滿足懸掛及低振動噪聲要求。協(xié)調(diào)方法是提高車體著力點的機械阻抗，即提高著力點附近的剛性，使車體振動減小。 (3)在車體各構(gòu)件中，板件振動對車體的噪聲有重要的影響。這是由于板件的聲輻射效率較高，在承受振源傳人的振動能量時，極易成為結(jié)構(gòu)上的主要發(fā)生部位。為減弱板件振動，可在其上設(shè)置加強筋以提高其剛度，或加裝阻尼帶或粘貼減振材料，使振動衰減。 (4)加強車體底架、側(cè)墻和車頂?shù)倪B接，提高車體抗橫向菱形變形剛度，即提高Jelly模態(tài)頻率。對客車車體而言，要針對不同類型的車制定車體的抗菱形變形剛度限度值。 (5)對軟臥車而言，應(yīng)將包廂隔斷的鋼結(jié)構(gòu)部分與車體側(cè)墻、底架和車頂?shù)穆?lián)結(jié)做優(yōu)化設(shè)計，避免在車體模態(tài)振動時引起摩擦顫振。5 結(jié)語 (1)車體顫振主要是由共振引起的，其結(jié)果造成部分車體振動劇烈。主要原因是車體整體和局部剛度低，