高速列车整备车体谐振分析

于金朋，余建勇，张立民

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031;2.中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司，河北 唐山 063035)

0 引言

高速列车车体主要是由铝合金车体、车体设备以及各连接件组成，车辆系统振动不仅包含车体结构固有的刚体振动和弹性振动，还包含各设备的刚体和弹性振动，整备车体是一个刚柔耦合的系统，其各阶振动模态由车体结构的刚体振动、弹性振动以及设备的刚体振动和弹性振动叠加而成.

高速车体在线路运行中，在轨道不平顺的随机激励等作用力下，车体将产生各阶模态耦合振动.此外，车下吊挂设备产生的振动(电机因旋转质量的不平衡产生振动，变速箱内部因齿轮啮合撞击产生的振动等［1］)容易与车体之间产生谐振，造成振动加剧，从而损害车体、车下吊挂设备以及设备与车体的联接件.

1 谐振避免原则

车体振动是多部位、多振源以及多种形式振动的叠加.为避免车体和设备谐振，除计算车体垂向振动频率外，还应分析计算设备振动频率.根据振动学原理可知，当设备安装刚度K和质量M已知时，设备振动频率

车辆系统结构复杂，车内部件和车体结构的参数众多，而决定整备车体一阶垂弯振动频率的参数主要是车体和设备的刚度、质量、振动频率等固有参数.本文从车体和设备的质量匹配、刚度匹配和频率匹配三方面来研究车体与设备之间的谐振.

1.1 设备和车体质量匹配

整备车体系统二系垂向悬挂刚度较小，车体的前两阶模态主要表现为车体结构的垂向刚体振动和点头刚体振动，而三阶和四阶模态则随设备参数的不同，包含不同成分的车体结构与设备的垂向刚体振动以及车体结构的一阶垂弯振动.

结合理论分析，当设备的质量较小时(小于车体结构(含刚性安装设备)质量的1/10)，设备参数对整备车体一阶垂弯频率影响较小，此时可考虑设备采用刚性安装方，当设备的质量较大时(大于车体结构(含刚性安装设备)质量的1/10)，应考虑弹性安装方式.

1.2 设备和车体刚度匹配

车体被隔振设备的非刚性对隔振效果有较大的影响，可以通过四端参数方法进行分析.车下设备通过弹性安装在车体上，设备本身部分假设成为绝对刚体，其质量为M.设备安装角可假设成为一个受剪的短梁.相当于认为设备角座受载荷时，由于弯曲而引起的变形将大于由剪切引起的变形，理论上按照剪切计算.设备角座的质量mF，垂向复刚度为，隔振器为橡胶隔振器时其刚度为 K*，其简化模型如图1所示.

图1 弹性角座设备的弹性安装简化模型

由于角座的刚度和隔振器的刚度相当于串联情况，故弹性支承装置的固有频率可以按下式子进行计算:

NR是当设备角座阻尼损耗因子和橡胶阻尼损害因子ηF，ηI同时为零时，传递率的第一个峰值.可以用下式进行计算:

当 γF及γ很大时.图2为设备弹性角座的传递率曲线，图中=40，γ =5，25，100，角座阻尼耗散因子为 ηF=0.01，隔振器阻尼耗散因子 ηI=0.05.当 γF和 γ相当大时(γ＞5)，则角座第一个共振频率的数值解为:

图2 设备角座弹性传递率曲线

通过图中可以看出角座刚度KF与隔振器刚度K之比增大时，高频波动效应相对减小.因而ω1越大越好，为此设计时要求设备角座刚度和质量之比越大越好［2-3］.

选用橡胶件的刚度时，应考虑橡胶件的静、动刚度变化范围，保证在橡胶件动刚度下，设备的刚体垂向振动频率不大于车体结构(含刚性安装设备)一阶垂弯频率的.

1.3 设备和车体频率匹配

设备运转时，由于各种激励因素的存在，振动通常不可避免.振动不但影响设备的正常工作，还会影响车体本身结构和部件的损害或降低使用寿命，因而有效地隔离振动是列车设计中的重要问题［4-5］.为减小振动的传递，通常在设备与车体之间加装弹簧或橡胶等隔振材料，相当于在设备和车体之间有弹簧和阻尼器隔开.

为避免设备与车体结构(含刚性安装设备)一阶垂弯发生共振而导致整备车体一阶垂弯频率急剧减小，大质量设备的垂向刚体振动频率应小于倍车体结构(含刚性安装设备)一阶垂弯频率.在设备的垂向刚体振动频率小于倍车体结构一阶垂弯频率的前提下，增加设备的垂向刚体振动频率有助于提高整备车体的一阶垂弯频率［6-7］.

2 设备与车体谐振

2.1 谐振计算

在ANSYS环境下，以某高速列车车体为研究对象，分析设备刚度对车体的影响.分别对该车车体和整备状态进行模态计算，确定3种计算工况进行分析.

(1)对车体进行仿真分析，此种工况下车体上无设备.表1列出了车体结构各阶自振频率;车体一阶垂弯模态振型图，如图3所示;

表1 车体自振频率

(2)车体为整备整备状态(橡胶静刚度，单辅变流器刚性安装)，车下部分设备和车体的垂向模态参数如表2.车体整备状态一阶垂向弯曲振动频率为12.147 Hz，如图4所示;

图3 车体一阶垂弯模态振型图

表2 车体自振频率

图4 废排单元刚体垂向振动与车体一阶垂弯耦合

(3)车体为整备整备状态(橡胶动刚度，单辅变流器刚性安装)，车下部分设备和车体的垂向模态参数如表3所示;车体整备状态一阶垂向弯曲振动频率为11.215 Hz，如图5所示.

通过以上仿真计算，对车下设备和车体谐振分析如下:

在车体整备状态(橡胶静刚度、单辅变流器刚性安装)下，废排单元的垂向振动与车体的一阶垂弯模态在12.147 Hz处相叠加，垂向产生共振。废排单元刚体的垂向振动、单辅变流器垂向振动、车体的一阶垂弯模态在12.416 Hz产生谐振.

车体整备状态振动模态(橡胶动刚度、单辅变流器刚性安装)下，牵引变流器刚体垂向振动与车体的一阶垂弯模态在11.215 Hz处发生谐振，变压器刚体垂弯振动、车体一阶垂弯、开关柜安装处地板局部振动在11.574 Hz处发生共振.

表3 车下部分设备和车体的垂向模态参数

图5 牵引变流器刚体垂向振动+车体一阶垂弯

2.2 谐振分析

经过对该高速列车车体的仿真分析，可以得出如下结论:

(1)车体的一阶垂弯频率在11～14 Hz，而车体弹性安装的设备中变压器及冷却单元、牵引变流器、辅助变流器和冷却器的质量较大，应避开11～14 Hz频率段，以避免发生谐振;

(2)为了提高车体整备状态一阶垂弯频率，单辅变流器的安装应为刚性安装，而车下设备的悬挂刚度应保持低的刚度值，不应大于4倍静刚度;

(3)由于车体地板为大的薄板，其刚度较小，当单辅变流器的安装架直接焊接在地板上时，将引起地板发生较大的垂向振动，焊缝(尤其是横向焊缝)容易出现疲劳裂纹;

(4)为了提高车体整备状态一阶垂弯频率，单辅变流器的安装应为刚性安装，而车下设备的悬挂刚度应保持低的刚度值，根据该车的计算，不应大于4倍静刚度;

(5)考虑到车上所有设备的安装均会出现单辅变流器安装的问题，即安装架焊接在地板上将引起地板大的振动，且容易导致焊缝裂纹.因此可采用像车下设备吊挂一样的结构，在底架边梁的上平面安装滑块与安装座，并通过销与设备安装架相连，同时考虑选用一定刚度的橡胶垫，用于减振.

3 悬挂与车体谐振研究

3.1 车体模态参数

将提取的车体各阶模态参数总结如表4.

表4 车体模态参数表

不同速度级别下，该车构架空簧座测点振动的主要频率.如表5所示.

表5 车体构架空簧座振动频率表

3.2 谐振分析

(1)在200 km/h和390 k m/h速度下，该车悬挂系统横向振动与车体摇头频率接近，容易产生谐振;

(2)在300 km/h速度下，该车悬挂模态一阶横向11.15 Hz与车体一阶菱形频率接近11.12 Hz，容易产生谐振;悬挂模态一阶垂向振动频率10.93 Hz与车体一阶垂弯频率10.26 Hz接近，有谐振趋势;

(3)在350 km/h速度下，悬挂模态横向和垂向与车体模态频率相避开，避免了车体和悬挂模态的谐振.

4 结论

(1)针对该车车体仿真计算结果，为了提高车体整备状态一阶垂弯频率，质量较大的车下设备应为刚性安装，而车下设备的悬挂刚度应保持低的刚度值.由于车体设备安装架焊接在地板上，将引起地板大的振动，且容易导致焊缝裂纹.对此在底架边梁的上平面安装滑块与安装座，并通过销子与设备安装架相连，同时考虑选用一定刚度的橡胶垫，用于避免谐振;

(2)结合线路模态试验结果，车体一阶垂弯、一阶菱形频率主要在10～14 Hz范围内.车体运行在不同的速度级别下，悬挂系统振动频率范围主要集中在10～12 Hz，20～40 Hz频率范围当悬挂振动频率与车体固有频率较为靠近时，容易激发车体和悬挂设备的谐振.

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