機(jī)車車輛車顫振機(jī)理分析及解決方案

第4頁共6頁機(jī)車車輛車體顫振機(jī)理分析及解決方案1引言車輛運(yùn)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(yán)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(yùn)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(yàn)判斷或線路試驗(yàn)已不能滿足需要。隨著車輛運(yùn)行速度的不斷提高和車體輕量化的逐步實(shí)施，部分機(jī)車車輛車體在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的顫振現(xiàn)象。車輛運(yùn)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(yùn)輸帶來的不良影響主要表現(xiàn)為：(1)嚴(yán)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(jìn)而對客車的安全造成隱患。在車輛設(shè)計(jì)時采取措施從根本上避免車體顫振已成為鐵路機(jī)車車輛動態(tài)設(shè)計(jì)亟待解決的問題。2顫振現(xiàn)象描述機(jī)車車輛車體的顫振通常發(fā)生在車輛運(yùn)行中速(130km／h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(yán)重影響旅客乘坐舒適性，引起了旅客不滿。車輛在運(yùn)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(jī)車車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性，危害旅客的身心健康。圖1為某客車運(yùn)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8．4Hz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(yùn)行中容易產(chǎn)生共振，引起較大噪聲。3顫振機(jī)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)生了共振。必須找出共振頻率，從而在設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，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(yùn)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(jìn)行分析。3．1線路因素各種車輛在同一線路上運(yùn)行，在同樣的運(yùn)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)＞€明顯好于其他兩段線路。3．2車體彈性模態(tài)隨著車輛運(yùn)行速度的提高，由線路不平順引起的隨機(jī)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(shí)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—130km／h運(yùn)行時，轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)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130～140km／h區(qū)段車輛共振現(xiàn)象達(dá)到峰值，速度達(dá)到160km／h以上共振現(xiàn)象基本消除，車輛運(yùn)行趨于穩(wěn)定。不同的車輛共振的速度區(qū)段不同，無搖動臺車輛的共振速度區(qū)段在130km／h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(yùn)行速度對車體顫振的影響可以理解為與車輛運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(bào)振動異常時間，Z15／16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(yùn)行在秦沈客運(yùn)專線上，區(qū)間平均運(yùn)行速度在150km／h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(jìn)行綜合研究，通過分析計(jì)算，找出主導(dǎo)因數(shù)，再經(jīng)過試驗(yàn)、測試等進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定合理的改進(jìn)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(diǎn)：(1)建立車體拓?fù)鋬?yōu)化模型，對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。通過動力學(xué)計(jì)算、模態(tài)分析和試驗(yàn)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(jìn)提供參考和依據(jù)。(2)由于車體是在較寬頻帶上有很多共振點(diǎn)的彈性結(jié)構(gòu)體，設(shè)計(jì)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(diǎn)的機(jī)械阻抗，即提高著力點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(jì)，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，與轉(zhuǎn)向架激振頻率接近，容易產(chǎn)生共振，引起車體局部振動。提高車體整體抗菱剛度可有效降低車體顫振和噪聲。(2)車體一階垂向彎曲頻率、Jelly