关于地铁车辆空压机吊装结构减振方式及特性的研究

汤晏宁，高 阳，郭伟强

（中车长春轨道客车股份有限公司 工程中心工程实验室，吉林长春130062）

地铁与轻轨

关于地铁车辆空压机吊装结构减振方式及特性的研究

汤晏宁，高 阳，郭伟强

（中车长春轨道客车股份有限公司 工程中心工程实验室，吉林长春130062）

通过对空压机吊装结构的模态计算、试验测试、以及减振器性能特点的研究，探讨和分析了地铁车辆空压机吊装结构应用不同减振方式对地铁车辆振动特性的影响，并进行了空压机吊装结构减振特性正向设计的研究。

地铁车辆；减振特性；正向设计；研究

随着社会的发展与进步，地铁车辆的乘坐舒适度也越来越受到重视，因此，在车辆的设计研发过程中，对车下设备的吊装结构的减振方式也提出异常严格的要求。

众所周知，吊装在车下的空气压缩机是引起地铁车辆振动的主要振源之一，在其正常工作状态下，空压机自身的振动会导致其吊装结构和底架结构的振动，进而影响地铁车辆的舒适性能。本文通过对空压机吊装结构的模态分析、对不同减振器的性能特点分析、对空压机吊装结构的振动特性测试分析，从振动的传递路径上探讨和研究空压机吊装结构的不同减振方式对整车振动特性的影响。

1 空压机吊装结构的模态计算

（1）空压机吊装结构如图1、图2所示。

图1 空压机吊装结构安装示意图

（2）空压机吊装结构的材料及相关参数见表1。

（3）空压机吊装结构的模态计算结果见表2。

图2 空压机吊装结构模态计算模型

表1 空压机吊装结构的材料参数表

表2 空压机吊装结构的模态计算结果

2 拟采用的减振器的特性阐述

目前，拟采用橡胶减振器和弹簧减振器进行减振设计，下面针对两种减振器进行其结构特性的分析。

2.1 橡胶减振器固有频率及性能特点分析

通过理论研究分析，可知橡胶减振器的固有频率特性和结构性能特点如图3及表3所示：

图3 橡胶减振器结构示意图

因此，由上述分析可知，该空压机橡胶减振器的固有频率约为12～15 Hz；

橡胶弹簧是一种高分子弹性体，内部摩擦大，减振能力强，有利于越过共振区，弹性模量比金属小得多，可产生较大弹性形变，衰减高频振动和噪声，具有寿命长、抗腐蚀、耐寒性，优良的防水性、气密性、电绝缘性等优点，与其他金属弹簧相比，减振能力强，缓冲效果好，噪声小。

表3 橡胶减振器技术参数及外形尺寸表

2.2 弹簧减振器固有频率及结构性能特点分析

通过理论研究分析，可知弹簧减振器的结构特点及固有频率特性如图4及表4所示。

由上述分析可知，该空压机弹簧减振器的固有频率约为5～15 Hz；弹簧隔振器主要由金属材料构成，具备静态压缩量大，固有频率低，低频隔振良好；耐受油、水和溶剂等侵蚀，不受温度变化的影响；不会老化或蠕变；大量生产时特性变化很小。

但由于其材料特性的影响，在选用弹簧减振器的同时应考虑如下因素：①本身阻尼极小（阻尼比约0.005），以致共振时传递率非常大；②高频时容易沿钢丝传递振动；③容易产生摇摆运动，因而必须加上外阻尼（如金属丝、橡胶、毛毡等）和惰性块。

表4 弹簧减振器参数

通过对两种减振器结构特性的研究分析，并依据空压机吊装结构的模态计算结果，我们一致认为，橡胶减振器能够很好地隔断10 Hz以上的激发频率，并且其衰减能力强，能够更好地衰减高频振动能量，该吊装结构拟采用橡胶减振器的减振方式。

3 两种减振器减振特性的测试分析

3.1 两种减振器的悬挂方式阐述

某地铁车辆空压机分别采用弹簧减振器和橡胶弹簧减振器将其吊装在车下横梁处，如图5和图6所示。

图5 弹簧减振器的悬挂方式

图6 橡胶减振器的悬挂方式

3.2 试验仪器

表5 主要测试仪器

3.3 试验测点布置

振动传感器分别从空压机表面、减振器上下位置、空压机吊梁、底架下表面、车内地板上表面等沿振动传递路径进行布置，共12个测点，如图7及表6所示；

图7 空压机吊装结构及振动传感器布置示意图

表6 测点位置说明

3.4 车辆试验工况

车辆静止，空压机单独启动，每次连续工作60 s时间，测试3次；

3.5 测点振动评定参数

车辆在静止状态下，单独启动空压机，使其正常工作60 s，分析各个测点在内1 000 Hz范围内的振动加速度值。

3.6 测试结果分析

通过对试验数据进行分析，研究不同减振器在主要传递路径上的各测点的振动频谱特性，如图8～图11所示。

图8 减振器上方位置振动对比图

图9 吊耳附近振动对比图

图10 底架下表面位置振动对比图

图11 车内地板上表面振动对比图

注：文中空压机的额定工作频率为24 Hz。

空压机采用不同的减振器，相同位置处测点的振动加速度测试结果如表7所示：

由上述试验结果可知，采用橡胶减振器后，空压机自身及其吊装结构的振动加速度值均有大幅度减小，其产生的中频振动能量大部分被衰减和吸收，对于低频，尤其是20～25 Hz附近的振动能量只有极少部分被传入车体及内部，而人体对这种振动特性感觉不明显，因此保证了地铁车辆运行的平稳性和乘坐舒适度。

表7 不同测点的振动加速度分析结果 m·s－2

4 橡胶减振器的应用特点

现阶段，橡胶减振器被使用的范围越来越广，不仅在汽车、火车、轮船、飞机等交通工具，就连工业上各种设备、民用建筑的设备减振工程中都应用到，其应用特点如下：

橡胶减振器的最大优点是阻尼大，在共振频率附近有较好的减振效果，并适用于垂直、水平、旋转方向的隔振，劲度具有较宽的范围可供选择。

橡胶减振器的缺点是隔振性能易受温度影响，在低温下使用，性能不好。静态压缩量低且固有频率高于5 Hz，因此这种减振器对具有较低的干扰频率（固有频率低于5 Hz）不适用。

设计和选用橡胶隔振器的关键是准确估算其劲度和固有频率，以使承受载荷在其允许范围内。此外还应注意，静负荷时的最大压缩量不应超过原长度的10%～15%，以保证一定使用寿命。

5 结束语

通过对空压机吊装结构的模态计算、不同减振器性能特点的研究以及吊装结构的振动测试分析，可知应用橡胶减振器对工作状态的空压机及其吊装结构产生的中、低频振动能量具有很好的吸收作用，改善了由于空压机自身振动引起的地板结构振动严重的现象，保证了地铁车辆乘坐的舒适度，并且在设计上满足空压机吊装结构的减振特性要求。

综上，通过仿真计算指导设计，试验测试验证设计的技术手段，证实了该地铁车辆采用橡胶减振器是满足其结构的减振要求的，并具备丰富的理论基础和可靠的试验数据，很好地实现了在车辆研发过程中对空压机吊装结构减振方式的正向设计。

［1］ 马大猷.噪声与振动控制工程手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］ 汤普森.铁路噪声与振动：机理，模型和控制方法［R］.北京：中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，2013.

［3］ 吴昌林，张卫国，姜柳林.机械设计（第3版）［M］.武汉：华中科技大学出版社，2011.

Research on Vibration Damping Method and Characteristic for Air Compressor Hoisting Structure of Subway Vehicles

TANG Yanning，GAO Yang，GUO Weiqiang
（CRRC Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

By the modal calculation，testing and vibration damper performance of air compressor hoisting structure，this paper discusses and analyzes the different vibration damping methods’effect on the vibration performance of subway vehicles，and carries out the topdown design of vibration damping characteristics for air compressor hoisting structure.

subway vehicles；vibration damping characteristics；top-down design；research

U239.5

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.22

1008－7842（2016）06－0086－04

7—）女，高级工程师（

2016－07－26）