弹性悬挂设备对列车整备车体模态的影响分析

为研究弹性悬挂设备对列车整备车体模态的影响,将车体结构等效为自由梁,建立车体结构的n阶垂弯振动方程,并联合车体结构与设备的刚体振动,建立整备车体的刚柔耦合运动方程。通过求解系统运动方程的特征根问题,得到设备的质量、悬挂频率和悬挂位置对整备车体模态的影响规律。结果显示,当弹性悬挂设备的悬挂频率远小于车体结构1阶垂弯频率时,其质量和位置对整备车体模态影响较小,但当其悬挂频率接近车体结构1阶垂弯频率时,将使整备车体1阶垂弯频率急剧减小,且设备越靠近车体中央位置,减小越明显。     

高速列车车下设备模态匹配及试验研究

本文提出计算整备状态下高速列车车体垂向一阶弯曲模态频率的数值及解析方法,研究并阐释车下设备对整备状态下车体模态频率的影响机理。基于解析方法及隔振理论,提出车下设备与车体模态匹配原则,设计车下设备悬挂参数,并针对设计结果进行试验验证。结果表明,数值方法计算精度高,但不便于工程运用,而解析方法在保证计算精度的同时,能够直接运用于车下设备悬挂设计;相对于刚性吊挂而言,车下设备采用弹性吊挂时,整备状态车体的垂向一阶弯曲模态频率会得到明显提升;车体与车下设备模态频率的合理匹配可有效避免二者间共振的发生,针对所研究的高速车辆,当独立设备固有频率设计为6.5Hz时,设备自振频率能够与车体垂向一阶弯曲模态频率有效分开。在整个运行速度区间内,车辆可以获得良好的运行平稳性,同时车下设备振动亦不剧烈。     

高速列车变压器减振设计及试验验证

以高速列车变压器为例,基于隔振理论与车下设备振动特性,提出了变压器减振设计方案,并进行减振效率分析。通过振动测试试验,对变压器减振效果进行验证,结果表明当变压器独立悬挂频率设计为9 Hz时,变压器振动频率可以有效避开车体的模态频率,且振动衰减效果明显。     

整备状态下的轨道交通车辆车体模态计算分析

推导了多自由度刚体振动系统振动频率和特征向量的解析方法,研究了轨道交通车辆车体设备悬挂方式及其垂向悬挂刚度与车体系统振动频率和车体各阶振幅之间的关系。以某轨道交通车辆车体模态分析为例,对车体模态分析过程中悬挂设备的模拟方法、车体内装和设备的刚度,以及乘客质量对车体一阶垂弯和扭转频率的影响进行了深入分析和试验对比。研究结果表明,设备悬挂方式和悬挂刚度的选择对车体频率有非常显著的影响;与试验相比,考虑设备悬挂刚度、内装和设备自身刚度时对车体主要振动模态有显著提升,应在车体结构设计时予以注意;乘客质量对车体主要振动模态频率几乎没有影响。     

基于SIMPACK的车下设备垂向隔振参数研究

以具有双层隔振系统的柴油发电机组为研究对象,对轨道列车车下悬挂设备与列车车体之间的耦合振动进行研究。首先建立起一个三自由度的力学模型进行振动分析,然后据此建立对应的车体-动力包耦合振动微分方程,并推导出动力包的振动烈度与垂向隔振参数之间的函数关系,最终选取振动烈度作为评价准则,研究在双层隔振系统中隔振弹簧的两大参数垂向刚度和垂向阻尼对振动烈度产生的影响。结果显示:列车隔振系统中隔振器刚度主要对列车运行平稳性产生影响,而隔振器阻尼则主要影响列车柴油发电机组的振动烈度;参考列车运行平稳性及柴油发电机组振动烈度两大指标,可以为列车隔振系统参数的选取提供一定的参考依据。     

某动车牵引变压器振动及传递分析

为研究某动车牵引变压器振动及传递特性,测试了变压器在负载开风机状态振动加速度。结果表明:牵引变压器底部振动较小,变压器箱体壁横向(法向面)振动较大,与变压器铁芯横向放置有关。同时,振动烈度能较好的反应变压器振动情况;牵引变压器的振动基频为100 Hz,而且其振动能量绝大部分都集中在100 Hz,倍频处的振动迅速减小;牵引变压器振动经橡胶隔振器传递到车体侧墙及车内地板,振动未出现放大现象。该橡胶隔振器、侧墙内装材料和地板内装材料隔振性能较好。     

某型地铁车辆设备吊挂刚度与车体模态匹配研究

对某型地铁车辆整备状态有限元模型进行了模态和5～100Hz正弦激励仿真计算,分析设备吊挂刚度对车体地板的振动影响。计算结果表明,车下设备吊挂刚度对弹性车体的各种振动模态均有不同程度的影响;车体空气弹簧位置激励时,地板在不同吊挂刚度时的振动响应主要集中在40Hz以内,合适的设备吊挂刚度可有效的降低地板的振动幅值并增加一阶垂弯频率,吊挂刚度对地板在12Hz以上的振动响应影响不大,同时发现刚性吊挂有助于增加车体的刚度;设备激励时,引起地板振动响应主要集中在20Hz以下,激励频率在车体一阶垂弯模态频率附近时,弹性吊挂刚度小于一定值时才能有效地减小地板振动的响应幅值。     

高速动车组牵引变压器振动特性试验研究

为了研究机电耦合作用下高速动车组牵引变压器的振动特性,分析了牵引变压器铁心和绕组的振动机制。基于高速动车组线路振动试验,研究了停车、加速、恒速和过分相区4种工况下牵引变压器振动加速度的时频分布情况,探讨了冷却风机的影响机制,分析了牵引变压器对车体振动和车辆运行平稳性的影响。研究结果表明,在牵引变压器正常工作时,振动能量主要集中在200 Hz和300 Hz这2个频点左右,车体和冷却风机产生的振动能量占比较小,与理论分析结果一致;过分相时牵引变压器横向振动加速度有效值仅为正常工作条件下加速度有效值的7%;冷却风机转动导致牵引变压器垂向加速度有24.6 Hz及二倍频对应的振动分量;受牵引变压器的影响,车体底架加速度值增加了20%,恶化了车辆运行平稳性。     

高速列车几种车下设备悬挂参数设计方法对比分析

为验证高速列车车下设备悬挂参数设计方法的可行性,对目前主要的3种设计方法的应用效果进行了对比分析。首先阐述了隔振设计法、动力吸振器法和动态设计3种方法理论和应用条件;接着以国内某型高速列车牵引变压器悬挂参数设计为例,分别基于3种方法对变压器悬挂参数进行了设计;最后将所设计的悬挂参数代入所建立的车辆设备系统模型中,求解出车辆设备系统的振动特性,从而对比分析了3种设计方法的可行性。研究结果表明,隔振设计法和动力吸振器设计法均未考虑车体设备的耦合振动特性和设备自身振动特性,根据动态设计法将变压器悬挂频率比设计为0.90～1.10时车辆既能拥有较好的乘坐舒适性,变压器也能拥有较好的振动水平;相比传统的2种车下设备设计法,动态设计法具有更高的可行性。研究结论可以为车下设备悬挂参数的设计方法选择提供依据。     

牵引变压器连接刚度对车体与设备振动影响分析

建立了高速综合检测列车牵引变压器及其冷却单元与车体间的刚柔耦合力学模型,研究了利用模态叠加原理计算车体和附属设备耦合系统振动加速度的计算方法。利用数值仿真方法分析了牵引变压器和冷却单元与车体间的连接刚度对车体和设备振动的影响。     

270 km·h-1高速动车模态分析

按弹性体考虑,建立由车体、前后构架和4个轮对轴箱构成的270 km.h-1高速动车模型。采用弹簧单元和拉杆单元模拟一系、二系悬挂及牵引拉杆和轴箱拉杆;设置节点自由度耦合来模拟顶盖与车体其他部件的螺栓连接;在各设备质心位置创建质量单元,用弹簧单元将质量单元与底架上相应设备的支点连接起来以模拟设备质量的影响。用ANSYS软件的Block Lanczos算法提取了270 km.h-1高速动车在考虑设备质量和不考虑设备质量两种情况下的前200阶特征值和特征向量,并对这两种情况下的整车振动特性进行比较分析,得到如下结论:不加设备质量时,与垂向变形相关的振型,其频率明显高于加设备质量时的相应频率;与其他方向变形相关的振型,其相应频率在这两种情况下差异不大;整车刚度按二系悬挂、一系悬挂、车体、构架、车轴的顺序由弱变强;整备状态下车体出现垂向弯曲振型的最低频率为10.42 Hz,满足《200km.h-1以上速度级铁道车辆强度设计及试验规范鉴定暂行规定》的要求。     

车下悬吊设备不均衡振动对车体振动的影响

在高速动车组的线路测试中发现,车下旋转设备的不均衡振动是造成其上方车体地板局部异常振动的主要原因。为研究车下旋转设备与车体耦合振动关系,推导出车下悬吊设备不均衡振动与弹性车体垂向耦合振动的运动方程,描述车体弹性振动与有源旋转设备的位移特性。建立三维车辆刚柔耦合动力学仿真模型,分析车下悬吊设备不均衡振动对车体振动的影响。研究结果表明,有源设备采用弹性和刚性悬挂方式差异明显,弹性悬挂方式的优势随着不均衡振动的加剧逐渐突出;旋转设备不均衡量的增大加剧了车体局部振动,而且会扩大车体异常振动范围。对于本文提出的两种车体减振措施,分析结果表明,合理的悬挂参数可以降低车体的弹性振动,减振措施便于实施,但是实际减振效果受到橡胶弹簧制造技术限制;采用多级悬挂参数可以有效降低车体弹性振动,但是系统结构更加复杂,每级系统的悬挂参数均需要合理设计。     

底架边梁及上弦梁结构刚度对车体结构模态的影响

以25G型硬座车钢结构车体为例,在HyperMesh中利用CQUAD4、CTRIA3等单元建立该车体有限元模型,通过改变底架边梁及上弦梁单位质量的惯性矩来控制车体单位质量刚度的变化。计算结果表明:对于底架边梁,车体一阶垂弯和一阶横弯频率随着底架边梁垂向结构刚度的增加线性递增,初期斜率较高,后期斜率较低;车体一阶垂弯和一阶横弯频率则随底架边梁横向刚度增加全程以二次多项式形式递增。对于上弦梁,车体一阶垂弯频率随着其结构刚度的增加基本不变,而一阶横弯频率则呈二次多项式关系逐渐增加。利用上述模态变化规律,可辅助开展车体固有振动特性研究,有助于针对具体优化部位进行形状和厚度等参数选择,以避开外部激励引起的共振,提升车体钢结构整体模态性能。     

车体弹性效应下的垂向振动特性研究

针对高速列车车体弹性振动影响悬挂部件的安全性及乘坐舒适性问题,建立考虑车体弹性的高速列车垂向刚柔耦合动力学模型,车体视为两端自由均质等截面欧拉-伯努利梁,在频域内研究弹性效应下的振动特性及其传递关系。分析结果表明,在特定轨道不平顺波长激励下,车体对称模态响应为零,而反对称模态响应最大;反对称模态响应为零,而对称模态响应最大。当车体固有频率与激励频率一致时,车体会产生共振。一阶垂弯共振速度与共振波长对列车运营有重要影响,一阶垂弯模态频率处车体相关频响函数加速度传递率最大,对车体振动贡献最大,速度越高,对一阶垂弯频率要求越高。提高车体结构阻尼和一系垂向阻尼、适当降低二系垂向阻尼可提高车体垂向运行平稳性。     

高速动车组车下设备悬挂系统的解耦优化设计方法研究

基于动力吸振理论,优化设计高速动车组车下设备固有频率,并研究车下设备耦合振动对车体振动性能的影响及其机理。随后分别提出了两种车下设备悬挂系统的解耦优化设计方法——正向解耦法和逆向解耦法。以解耦度和最优频率为优化目标,以橡胶元件三向刚度为约束条件,优化设计了橡胶元件的三向刚度。两种优化方法对比分析表明,车下设备以浮沉振动为主的振型均可获得良好的解耦度,振型频率可保持在最优设计频率附近,悬挂系统减振效果明显。与正向解耦法相比,逆向解耦法计算速度较慢,但设计效果更好,减振效果更佳,在实际运用中,可根据具体的计算速度与设计效果要求,合理选择解耦优化方法。     

高速车变压器用橡胶减振器研究

为解决高速车车体悬挂部件牵引变压器、变流器及蓄电池等设备的振动,设计了橡胶减振器用以对振动设备进行减振,以理论分析与工程化运用相结合,分析橡胶减振器与变压器和车体联接的振动关系,刚度及阻尼性能匹配等,设计合适的减振器参数消除变压器与车体的振动。     

高速列车车体与动力包设备耦合振动分析

为研究车体与动力包结构耦合振动特性,计算车体固有模态以及低阶振型,建立了包含车下吊挂动力包的城轨车辆刚柔耦合振动模型,优化分析了动力包结构吊挂参数对车体振动特性的影响。计算结果表明:车体一阶弯曲频率对车辆垂向性能的影响要大于二阶弯曲频率。将动力包的振动以周期激励形式输入模型,当激振频率达到9.5 Hz和16.5 Hz时分别与车体的一阶和二阶弯曲频率相叠加,在此频率下车体的平稳性指标迅速恶化,因此在车辆设计过程中应尽量避免发生该频率下共振。     

设备与座椅悬挂参数对列车乘坐舒适性影响分析

建立车辆-设备-座椅的19自由度动力学模型,导出车体、设备及座椅的振动加速度频响函数表达式,以德国垂向轨道不平顺作为轮轨激励,研究有无设备及设备与座椅悬挂参数对高速列车垂向乘坐舒适度的影响规律。研究结果表明:合理设计车下设备与座椅悬挂参数能够改善列车乘坐舒适度。当设备悬挂位置偏离车体中部6.25 m且设备悬挂刚度范围为3.87～6.71 MN/m,座椅悬挂刚度在1.09～1.138 MN/m时,列车各座椅乘坐舒适度能够满足工程要求。     

一种准零刚度隔振器的隔振性能分析及实验研究

提出一种套筒结构从而解决了螺旋弹簧易因压缩而发生屈曲变形导致实验失败的问题。建立了准零刚度隔振器的理论模型,使用慢变平均法得到了其在简谐激励下的幅频响应曲线。通过振动实验研究准零刚度隔振器的隔振性能。简谐振动实验结果与理论分析结果基本一致,表明新式弹簧设计能够用于准零刚度隔振器的振动实验。此外,对准零刚度隔振器进行随机振动实验研究,证实了其在低频隔振和宽频隔振方面的优势。     

基于相对灵敏度分析的高速列车车体结构优化

针对某高速列车铝合金车体,对其进行静、动态特性的有限元分析,结果表明整备状态下的车体一阶垂弯频率较低。以提高车体的一阶垂弯频率为目的,利用灵敏度分析方法,计算车体的一阶垂弯频率灵敏度,质量灵敏度以及相对灵敏度。基于相对灵敏度的分析结果,确定对模态频率变化敏感的结构区域,并选取以车顶、边梁、端墙及底板等型材的厚度为设计变量的优化模型进行结构优化。优化后的车体一阶垂弯频率提升5.5%,达到11.14Hz,有效地提高了车体的动态刚度。