轨道工程车车体与车下悬挂设备耦合振动分析及减振研究%28下%29.pdf

2023 年 10 月（总第 444 期）56研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS第 51 卷Vol.51第 10 期No.10铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2023-03-14基金项目：国铁集团重大科技课题（K2019G046）作者简介：徐坤，高级工程师；张莎，工程师；雒耀祥，助理工程师；李华伟，高级工程师4随机轨道不平顺激励下系统耦合振动分析在实际运行时，轨道工程车车轮受到的轨道不平顺激励是随机的，是含有不同频率成分的连续谱，也可看成是由很多不同的波长组成的。一段美国 5 级轨道垂向不平顺激励的时域功率谱密度函数如图 8 所示。垂向不平顺/m05001 000-0.010-0.00500.0050.0100.012距离/m1 5002 0002 5003 000-0.012图 8一段美国 5 级轨道垂向不平顺激励的时域功率谱密度函数轨道工程车车体与车下悬挂设备耦合振动分析及减振研究（下）徐坤，张莎，雒耀祥，李华伟（宝鸡中车时代工程机械有限公司，陕西 宝鸡 721003）摘要：为了研究轨道工程车高速运行时车体与车下悬挂设备的耦合振动，建立车体与车下悬挂设备垂向耦合振动力学模型，分别分析在简谐和随机轨道不平顺激励下，车下悬挂设备悬挂频率对车体和车下悬挂设备振动的影响规律。分析结果表明：相比于低速运行，轨道工程车在高速（大于 160km/h）运行时，在线路不平顺波长范围更广的条件下，车下悬挂设备的悬挂频率影响设备振动，采用弹性悬挂的减振效果更好；车下悬挂设备的悬挂位置离车体中心越远，对车体、车下悬挂设备浮沉振动越不利，但是会改善车体的点头振动；车下悬挂设备质量越大，车体、车下悬挂设备振动响应越小。研究利用半主动控制技术改善车体与车下悬挂设备振动的可行性。当采用天棚阻尼控制时，车体振动得到改善，但车下悬挂设备振动加剧；相反，当采用地棚阻尼控制时，车下悬挂设备振动得到改善，车体振动却加剧。关键词：轨道车；车体；悬挂设备；振动；悬挂频率；悬挂位置；质量；天棚阻尼控制；地棚阻尼控制中图分类号：U270.11U273文献标识码：A文章编号：1006-9178（2023）10-0056-04Abstract：In order to study the coupling vibration of the track engineering car and the suspension equipments whenthe track engineering car is running at high speed,the vertical coupling vibration mechanical model of them is set up.The paper analyzes the influence of suspension frequency on vibration of the car body and the suspension equipmentsunder sinusoidal and actual track irregularity excitation.The analysis results show：Compared with low-speed operation,when track engineering car is running at high speed(morethan160km/h）,under the wider wavelength of line irregularity suspension frequency of the suspension equipments affects equipment vibration,and the vibration reduction effect is better by elastic suspension.The further the suspension equipments are from the center of the car body,the worsethe bouncing vibration of the car body and the suspension equipments,but the better the pitching vibration of the carbody is.The larger the mass of the suspension equipment is,the smaller the vibration responses of the car body and thesuspension equipment are.The feasibility of using semi-active control technology to improve the vibration of the carbody and the suspension equipments is studied.When the skyhook damping control is adopted,vibration of the carbody is depressed and vibration of the suspension equipments is aggravated.On the contrary,when the groundhookdamping control is adopted,vibrationof the suspension equipmentsis depressed and vibration of the car is aggravated.Keywords：Track Engineering Car;Car Body;Suspension Equipment;Vibration;Suspension Frequency;SuspensionPosition;Mass;Skyhook Damping Control;Groundhook Damping Control57铁道技术监督第 51 卷第 10 期当 v 分别为 50 km/h 和 200 km/h 时，输入图 8的随机轨道不平顺激励，得到车体与车下悬挂设备加速度均方根与设备悬挂频率的关系，如图 9所示。加速度均方根/（m/s2）100020406080设备悬挂频率/Hz0.0720.0700.0650.0600.0550.050（a）v=50 km/h100020406080设备悬挂频率/Hz0.350.300.250.200.150.10加速度均方根/（m/s2）（b）v=200 km/h 车体 设备图 9车体与车下悬挂设备加速度均方根与设备悬挂频率的关系由图 9 可知：当车辆低速运行时，如果车下悬挂设备采用弹性悬挂方式，设备振动较车体大，随着设备悬挂频率的增大，两者振动趋向一致；当车辆高速运行时，在设备悬挂频率较小时，车下悬挂设备振动较车体小，随着设备悬挂频率的增大，车下悬挂设备振动急剧增大，然后快速减小，最后与车体振动趋向一致。这说明车辆在高速运行时，需要合理选择设备悬挂频率。如果设备悬挂频率选择合理，能大大改善车下悬挂设备的振动。相反，如果设备悬挂频率选择得不合适，车下悬挂设备振动烈度会比设备刚性悬挂时还要恶劣。5半主动控制技术减振分析5.1半主动控制优势目前，绝大部分轨道车辆采用被动悬挂减振方式。这种悬挂方式的悬挂参数在车辆运行过程中保持不变，悬挂参数在某一特定速度、特定线路下是最优的，但不可能在整个速度区间、整个线路区间都是最优的，这也是被动悬挂的局限性。基于这种背景，大量科研工作者就主动、半主动控制对铁道车辆减振控制分析进行了大量研究12-16。采用主动控制时，使用作动器提供较大的能量，以抑制系统振动。而采用半主动控制时，使用可调阻尼减振器即可，造价更低，性能更可靠、更稳定。5.2半主动控制表达式采用可变阻尼半主动控制技术，在车体与虚拟惯性空间之间安装减振器，这种控制方式称为天棚阻尼控制17-20。用于改善车体振动时，效果尤为明显。与之相对应，在车下悬挂设备与虚拟惯性空间之间安装减振器，这种控制方式被称作地棚阻尼控制。但采用地棚阻尼改善车下悬挂设备的振动研究成果很少。天棚、地棚阻尼半主动控制原理如图 10 所示。cskymckecssmezcze（a）天棚阻尼控制cearthmckecsemezcze（b）地棚阻尼控制csky天棚阻尼控制中的阻尼系数；css天棚阻尼控制时变阻尼减振器的阻尼；cearth地棚阻尼控制中的阻尼系数；cse地棚阻尼控制时变阻尼减振器的阻尼图 10天棚、地棚阻尼半主动控制原理58轨道工程车车体与车下悬挂设备耦合振动分析及减振研究（下）研究与交流根据图 10，可分别得到采用天棚、地棚阻尼控制时变阻尼减振器的阻尼表达式，为 css=cskyzczc-ze(天棚阻尼控制)cse=certhzeze-zc(地棚阻尼控制)。（8）采用连续性控制算法，天棚、地棚阻尼控制算法分别为css=cemax,csky(zc+Lec)zc+Lec-zecemaxcsky(zc+Lec)zc+Lec-ze,cemincsky(zc+Lec)zc+Lec-zecemaxcemin,csky(zc+Lec)zc+Lec-zecemin。（9）cse=cemax,cearthzeze-(zc+Lec)cemaxcearthzeze-(zc+Lec),cemincearthzeze-(zc+Lec)cemaxcemin,cearthzeze-(zc+Lec)cemin。（10）式（9）（10）中：cemax和 cemin分别为半主动减振器最大、最小阻尼系数，分别为 200 kN s/m 和20 kNs/m；csky和 cearth均为 100 kNs/m。5.3半主动控制对振动的影响（1）当轨道车辆运行速度为 200 km/h，设备悬挂频率为 1 Hz100 Hz，分别采用被动悬挂、天棚阻尼控制、地棚阻尼控制时，车体、车下悬挂设备加速度均方根与设备悬挂频率的关系如图 11所示。由图 11 可知：当车下悬挂设备的悬挂频率较小时，采用天棚阻尼控制，车体振动得到改善，车下悬挂设备振动加剧；相反，采用地棚阻尼控制，改善了车下悬挂设备振动，加剧了车体振动。当设备悬挂频率较大时，半主动控制对系统振动影响很小，没有体现出明显优势。（2）设备悬挂频率固定为 5 Hz，运行速度为50 km/h250 km/h（计算间隔为 25 km/h），车下悬挂设备悬挂方式分别采用被动悬挂、天棚阻尼控制、地棚阻尼控制时，计算车体、车下悬挂设备加速度均方根。设备悬挂频率为 5 Hz 时车体、车下悬挂设备加速度均方根与运行速度关系如图 12所示。由图 12 可知，在低速运行时，相比被动悬挂，天棚阻尼控制、地棚阻尼控制并没有体现其优势。随着运行速度的提高，半主动控制的优势越来越明显。6结论（1）车下悬挂设备离车体中心越远，对车体、车下悬挂设备浮沉振动越不利，但是对改善车体的点头振动越有效。（2）车下悬挂设备质量越大，车体、车下悬挂设备的振动响应越小。（3）车下悬挂设备采用弹性悬挂时，应合理选择设备悬挂频率。当设备悬挂频率小于线路不平加速度均方根/（m/s2）100020406080设备悬挂频率/Hz0.2350.2300.2250.2200.2150.2100.2050.200（a）车体加速度均方根/（m/s2）100020406080设备悬挂频率/Hz0.750.600.500.400.300.200.100.70（b）车下悬挂设备 被动悬挂；天棚阻尼控制；地棚阻尼控制图 11车体、车下悬挂设备加速度均方根与设备悬挂频率的关系59铁道技术监督第 51 卷第 10 期顺激励频率时，能大大改善车下悬挂设备的振动。相反，如果设备悬挂频率选择不合适，车下悬挂设备振动烈度会比刚性悬挂时还要恶劣。（4）相比于常速运行，在高速运行时，在线路不平顺波长范围更广的条件下，车下悬挂设备的悬挂频率影响设备振动，采用弹性悬挂的减振效果更好。（5）采用天棚阻尼控制时，车体振动得到改善，车下悬挂设备振动加剧。相反，采用地棚阻尼控制时，车下悬挂设备振动得到改善，车体振动加剧。因此，应根据改善目标，合理选择减振控制方式。参考文献1 MADALINA D Numerical study of the fluence of suspendedequipment on ride comfort in high-speed railway vehicles JScientia iranica，2020，27（4）：1897-19152 AIDA K，TOMIOKA T，TAKIGAMI T，et al Reduction ofCar-body flexural vibration by the high-damping elastic support ofunder-floor equipment JQR of RTRI，2015，56（4）：262-2673 HUANG C，ZENG J，LUO G，et alNumerical and 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