列车用双层隔振系统隔振性能实验

李开程，张立民，邱飞力，高　峰，于海然

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031；2.唐山轨道客车有限公司，河北 唐山 063035）



列车用双层隔振系统隔振性能实验

李开程1，张立民1，邱飞力1，高峰2，于海然1

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031；2.唐山轨道客车有限公司，河北 唐山 063035）

摘要：为评估某内燃动车组车下柴油发电机组的双层隔振系统隔振效果，对系统进行台架振动测试，根据加速度响应信号进行频域和时域传递特性分析，并结合振动评定指标评价该系统的隔振性能。然后，对车体和机组双层隔振系统进行模态实验和模态匹配性分析。结果表明，该系统隔振性能良好，且不与车体发生耦合共振，隔振参数设计合理。最后，通过车辆线路运行试验验证了分析结果。

关键词：振动与波；内燃动车组；柴油发电机组；双层隔振系统；隔振效果；模态匹配

某型号内燃动车组采用吊挂至车底的柴油发电机组（以下简称机组）作为动力源，该机组由柴油机、发电机、冷却装置、滤清器、静压泵等组成。机组开机运行时噪声大、振动剧烈，而振动经过连接结构传递到车体，直接影响车辆的乘坐舒适性和平稳性[1]。为防止传递到车体振动过大从而恶化乘坐舒适性，选用带中间质量的双层隔振系统来进行振动隔离是最适合的。机组通过隔振器与公共框架连接，机组与框架整体又通过隔振器与车体底架连接。而系统隔振参数的选取决定了振动传递特性、固有频率、模态匹配特性，是隔振的关键[2]。本文主要目的是对试验所得数据进行分析从而检测机组双层隔振系统隔振效果。通过台架测试模拟了机组装车后的工作状态，基于所获数据对其振动传递、隔振性能进行评价；然后由模态试验获取了车体、机组的模态参数，并进行模态匹配性分析；最终通过车辆实路运行试验验证了评价结果。此次试验研究对获取被试验型号列车及机组双层隔振系统在工作状态下的实际振动特性有重要意义，对相关试验的开展有一定的参考价值。

1　理论分析

1.1双层隔振系统理论

图1　系统简化模型

系统可简化为一个二自由度弹簧-阻尼-质量振动系统，如图1所示。其中m1为机组质量，m2为公共框架质量；k1、k2分别为一级、二级隔振器动刚度之和，c1、c2分别为一、二两级隔振器阻尼系数。设机组运行产生的激励力为f(t)。则系统振动方程如下设

设系统机组、框架频域响应X()ω为

1.2隔振效果评价指标

力传递率是最有效的隔振效果评估指标，但工程实际中难以测量，常用振级落差评定隔振效果[1–4]。振级落差定义为被隔振设备振动响应有效值与对应基础响应有效值之比的常用对数的20倍。按照振动响应不同振级落差可分为加速度振级落差、速度振级落差和位移振级落差。

振级落差表达式为[4，5]

实际中加速度传感器最常用，若要求得速度信息，需要通过积分运算，而这样易引起误差，故直接选用加速度振级落差为分析指标。研究表明：单层隔振系统隔振效果通常能达到10 dB～20 dB[2]，而双层隔振在减振、降噪及防冲击等方面的性能优于单层隔振系统，能达到35 dB以上的良好隔振效果[7]。在设备振动剧烈以及对振动噪声指标要求高时，采用双层隔振系统能达到更好隔振效果。

2　系统运行试验分析

2.1隔振系统组成

机组与公共框架之间、公共框架与车体底架之间用橡胶隔振器相连接。试验中采用基础台架模拟车体底架，将机组悬挂于基础台架上如图2所示。

图2　机组安装状态示意图

2.2试验系统及测点

试验设备包括LMS公司生产的数据采集分析设备（型号SCADAS 310）一台；12个朗斯2 g三向加速度传感器用于测量隔振前后的振动加速度；25 g大量程三向传感器8个主要用于测量机组自身的振动加速度，以及位于一级隔振器机组端安装座测点的振动加速度；一台装有LMS.Test.Lab采集分析软件的笔记本工作站；以及若干信号导线。试验中为分析隔振器的振动传递特性，在每个隔振器的上下安装座各安装一个加速度传感器，如图3中所示。

图3　测试系统示意图

将4个一级隔振器命名为1—1、2、3、4；四个二级隔振器为2—1、2、3、4。系统隔振器所在位置示意图见图4。

图4　隔振器位置及编号

2.3试验及分析

试验过程中机组工作转速保持在1 500 r/min左右，输出功率分别为空载、6 kW、9 kW、12 kW、15 kW、18 kW、24 kW、30 kW、38 kW、45 kW和50 kW。每个工况保持1 min以便采集振动加速度时间历程，采集系统采样率设为1 024 Hz。为分析系统频域传递特性，命名1—1隔振器上下安装座为测点为1#、2#，2—1隔振器下方安装座（基础台架端）的测点为3#，见图4、图5。

图5　测点现场照片

机组在功率50 kW工况下工作，采集测点1#、2#、3#在稳定时间段内的垂向加速度时间历程，截取稳定的4 s时间历程，通过分析软件自带的FFT工具计算得到对应频谱（分析带宽390 Hz、频谱分辨率0.1 Hz）见图6。

图6(a)所示测点1#振动加速度幅值达到了2.45 g，机组产生的振动能量主要集中在70 Hz～200 Hz频率段，其中包括3个大峰值74 Hz（主要由柴油机3阶倾倒力矩造成），148 Hz（主要由柴油机6阶倾倒力矩造成），158 Hz（机组结构振动）。由图6(b)可知测点2#为振动加速度幅值为0.28 g，振动得到了衰减，频谱幅值相对1#点大幅度降低，其中70 Hz～200 Hz主要峰值基本消失。二级隔振器对振动进一步衰减，测点3#的振动加速度幅值仅0.05 g。

将隔振器上下安装座的平均振动幅值列于表1，

图6　测点时间历程和频谱曲线

并结合式（6）和表1数据计算隔振系统Z、X、Y三个方向的振级落差如表2，发现被试双层隔振系统的三向振级落差水平在37 dB左右，隔振系统对三向振动都起到了隔振作用。

表1　隔振前后平均振动幅度对比/g

表2　振级落差表/dB

命名从机组到隔振器1-i再到隔振器2-i，最后到基础台架的传递路径为路径i，i取1，2，3，4。在机组输出功率变化的情况下，将各递路径振级落差变化示于图7。

图7　振级落差随输出功率变化图

由图7发现各路径振动的振级落差随功率变化有些波动，但总体趋于稳定在35.6 dB到37.6 dB之间，路径2振动衰减次于其他路径，但仍高于35 dB，根据工程经验及参考文献[2–7]表明在不同工作状态下，双层隔振系统能起到良好的隔振效果。同时，参考柴油机车车内设备机械振动烈度评定方法GB5913-1986[8]，试验中机组在正常工作下烈度Vrms在12.2 mm/s到14.9 mm/s之间，根据机械振动烈度评定表判定机组产生的振动剧烈程度属在柴机组正常工作范围内（小于18.0 mm/s）[8]，机组自身的振动状况得到保障。

3　模态试验及模态匹配性分析

3.1模态试验系统及方法

为了避免包括机组在内的隔振系统在运行过程中，与车体发生耦合共振，则必须考虑模态匹配问题[9]。为获取车体和机组的模态参数，进行了模态试验。试验中将车体分为7个截面，车体两端面和前后转向架作为重要关注部位选取4个截面。转向架之间等间距选取3个截面，每个截面布置4个加速度传感器[10]。对机组隔振系统在公共框架的关键位置布置了加速度传感器。通过LMS.Test Lab Geometry建立几何模型，如图8所示。

图8　系统建模

数据分析带宽为512 Hz和谱线数设置，为2 048。根据采样定理，采样频率至少为信号分析带宽的2倍[11]，采样频率设置为1 024 Hz。采用快速正弦扫描法（0～50 Hz，步进0.1 Hz/s）。用两激振器对车体一位端、二位端两枕梁处一位侧边梁结构进行同步激励[3]，激励工况包括两激振器进行同相位激励（垂弯工况）和两激振器激励相位相差180度（扭转工况）；对于机组隔振系统，由于结构和质量相对较小，则利用单激振器对框架边梁进行激励。使用Test.Lab-Spectral Testing模块对激励过程各测点产生的加速度响应时间历程以及激振器输出力信号进行实时采集。

3.2数据和提取模态

利用Test.Lab软件自带数据处理模块，采用H1输出噪声估计模型计算得FRF[3]。利用Test.Lab Time MDOF生成基于FRF的稳态图进行模态参数提取。车体1阶垂弯、机组沉浮模态振型及参数示于图9。

图9　模态振型

获得的车体和机组系统综合FRF曲线如图10、图11、图12所示，并在图中标明共振峰值的频率。

图10　垂弯工况车体各测点对激励力的综合FRF

图11　扭转工况车体各测点对激励力的综合FRF

图12　机组各测点对激励力的综合FRF

将50 Hz内车体及机组结构的模态频率和振型示于表3、表4。

表3　车体模态参数表

表4　机组模态参数表

3.3结果分析匹配对比

由工程经验，车体的1阶垂弯与车下弹性吊挂设备的沉浮、车体的1阶菱形与吊挂设备的侧滚可能发生耦合共振[10，12]。由表3、表4发现机组隔振系统沉浮固有频率6.9 Hz避开了车体1阶垂弯11.7 Hz，同时侧滚固有频率13.5 Hz也避开了车体1阶菱形8.7 Hz。机组隔振系统的刚性模态频率避开了车体低阶弹性模态，弹性模态频率没有和车体固有频率重叠或离得很近。从FRF曲线图可知机组频响最高峰值在于25 Hz～30 Hz之间，避开了车体20 Hz左右、31 Hz的频响峰值。其结果表明机组在装车后与车体不发生耦合共振。

图13　整备车示意图

4　实际运行验证

理论上隔振效果以及模态匹配满足要求后，可以获得较好的实际使用效果，但还需进行线路运行试验来验证。将两列头车和一列中间车进行3列编组，其中中间车整备车示意图如图13所示。在试验过程中采集了4种速度工况垂向振动传递相关数据如表5。

表5　隔振前后平均垂向振动幅度对比/g

试验数据表明机组产生的振动通过双层隔振系统得到了有效衰减，各工况振级落差依次为37.3 dB、36.2 dB、37.9 dB、36.2 dB。实际线路运行试验机组双层隔振系统隔振效果与台架试验一致。

5结　语

通过试验研究得到如下结论：

（1）柴油发电机组50 kW工况下，通过1—1、2—1隔振器后，振动中的3阶次、6阶此等主要频率成分都得到了有效衰减。时域加速度幅值从2.45 g降到了0.05 g。且通过分析发现此工况下隔振系统对三向振动的振级落差水平在37 dB左右；

（2）在机组不同输出功率工况下，4条传递路径的振级落差在35.6 dB到37.6 dB之间，高于35 dB，双层隔振系统能起到良好的隔振效果。同时机组自身的振动烈度等级也在正常范围内；

（3）通过模态试验获取的50 Hz之内的模态参数进行匹配性分析，结果表明车体-机组不会发生耦合共振，隔振参数设计合理；

（4）在机组隔振系统装车后，进行了线路运行试验，获取了4个速度级的振动传递数据。分析后表明机组产生的振动通过双层隔振系统得到了有效衰减，检验了台架试验和模态匹配分析结论。

参考文献：

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中图分类号：TH113.1；TK417+127

文献标识码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.020

文章编号：1006-1355(2016)01-0092-05+182

收稿日期：2015-08-29

作者简介：李开程（1991-），男，四川成都人，硕士生，主要研究方向为高速列车振动模态与车体减振研究。E-mail:13881936434@163.com

通信作者：张立民（1960-），男，辽宁铁岭人，硕士生导师，研究员，主要研究方向为高速列车振动模态与车体减振研究。

Experimental Study on the Performance of Double-layer Vibration Isolation System of Trains

LI Kai-cheng1,ZHANG Li-min1,QIU Fei-li1, GAOFeng2,YU Hai-ran1;

(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China 2.Tangshan Railway Vehicle Co.Ltd.,Tangshan 064000,Hebei China)

Abstract:The double-layer vibration isolation system is widely used for vibration isolation of diesel generator groups in internal combustion multiple units.To evaluate the performance of the isolation system,a bench test was executed.Based on the measurement data of the acceleration response signal,the features of the vibration transmission of the system in time and frequency domains were analyzed.Then,the operational vibration isolation performance was evaluated according to the vibration isolation standard.And the modal match feature between the body and the diesel generator group’s isolation system was analyzed based on the model test data.The results show that this isolation system works well and the coupling resonance does not appear.The vibration isolation parameters of the isolation system are reasonable.Finally,the analysis results were validated by an operation test in a real railway track.

Key word:vibration and wave;internal combustion multiple unit;diesel generator group;double-layer vibration isolation system;performance of vibration isolation;modal match