高铁车辆横向振动耦合机制及其减振技术对策

刘玉霞 祁 松

中车长春轨道客车股份有限公司

1、车体横向耦合振动

刚柔耦合仿真技术是在近些年发展起来的一种接口处理技术，其通过在广义空间的钢体运动与在笛卡尔空间的柔性体弹性变形之间，让质量阵耦合的动态仿真技术能够得以实现，以解决柔性体结构处理过程中存在的问题广义空间约束实际上就是指物理力学的外部约束概念，并采用拓扑关系对其进行补充描述拓扑关系主要是指一个以上的刚体间存在的相互关系，例如大部分悬挂元件在高铁车组中，大多数车体走行部接口关系的构成都是利用摇枕来实现笛卡尔空间约束是一种与广义空间约束存在相对关系的理论，主要是指物理学的内部约束盖帘，这种约束的形成和柔性车体的动浇度、柔性车体的弹性形变有很大关系由模态综合法可知，约束模态主要指的是：在固定交界面法中，由单位约束自由度位移造成的静态变形有资料显示，当车体摇头的阻尼过大时，会对柔性车体的状态造成影响，出现耳重的横向振动情况，车体的横向振动部位主要集中在其中部地板处，导致该部位的加速度明显较车体前后地板要高。

2、车辆模型简述

车辆由刚性底盘(车身)、悬架、轮胎等元件组成，各元件在空间具有浮沉、伸缩、侧滑、俯仰、横摆、侧倾6个自由度(3个平动和3个转动)，它们之间通过线性或非线性的各种阻尼器和弹簧元件连接。由于车体、悬架及轮胎各部件沿车辆运行方向的纵向振动(伸缩)对桥梁的竖向和横向振动几乎无影响，因此在车辆模型中一般不考虑各刚体的伸缩位移。这样，每个刚体实际上需考虑5个自由度。车辆竖向与横向振动之间的耦合效应较弱，同时为了计算上的简便，有时往往将车辆竖向与横向振动分平面进行。这样，在研究车辆竖向耦合振动问题时，只考虑车体、悬架与轮胎的浮沉、俯仰自由度。

3、影响车下吊挂质量的因素

(1)钢轨动挠度和车轮动荷对比分析表明：轨道不平顺波长越短，车轮动荷越强，钢轨动挠度变化也越大。小缺陷是指轨道不平顺波长小于转向架轴距的轮轨激扰作用。而敏感波长则是以车辆定距作为基数来划分的轨道不平顺波长，如对车体沉浮模态或车体1阶垂向弯曲模态的敏感波长，对车体点头模态或车体2阶垂向弯曲模态的敏感波长，等等。在满足槡2原则的前提条件下，轨道小缺陷激扰，如同“搓板路”一样，将对转向架构架产生一系列强迫振动。因此，日系车辆提速300km/h以上运用将进一步暴露日系空簧硬悬挂的非线性问题，即柔性车体垂向加速度响应频带增宽，导致车下质量共振并造成其安装吊架开裂严重事故。

(2)新一代轻量化高速车体结构设计研究正在努力解决整体结构形式所存在的技术问题。铝合金车体整体结构形式具有如下不足：①由于“无骨架无纵梁”，因而整装车体下部/上部1阶横向弯曲模态频率较低，约14/19Hz。抗蛇行高频阻抗越强，车体地板横向振动越强烈。在超高速运行下甚至有可能转变为车体上部(车顶)横向振动。②由于前位与后位转向架上方的地板局部模态频率较低，稍高于30Hz，因而车下质量有源激扰极易引起前部与后部地板振动。这无疑对铝合金车体疲劳寿命构成负面影响。新一代轻量化高速车体结构设计正在努力研究轻质骨架与泡沫复合板混合结构形式，双层车体，其下层作为电气辅助设备舱。

4、车下质量橡胶吊挂优化设计

4.1 车下与车上加速度评价

以地板横向加速度的全频域(R MS)3σ作为技术指标，重新评估车上与车下振动。如上所述，车上主要是指中部地板，而车下则为较大的车下质量，如双辅变频及冷却设备，约6.6t。如图6所示，橡胶吊挂的浮板效应对车下质量(如双辅变频)将产生积极的影响，而对中部地板横向加速度则具有极值特征，即比例阻尼取0.5%，中部地板横向加速度全频域(R MS)3σ最小。

4.2 橡胶吊挂动荷系数评估

决定车体的结构疲劳度的关键因素之一是动荷数，无论何种振动均会因为车体的异常动态，对车动荷特征造成影响，使其发生变化这种变化在高集装箱的重载车体部分比较常见，由于转向架摇枕挂的斜楔卡滞现象，会导致其出现垂向振动，且高的车体结构较为特殊，或造成其集装箱脚部动荷增大进而致使高铁容易出现横梁开焊的现象可见，高车辆的异常动态和其动荷特征之间存在较为复杂的关系。若高铁采用持续稳定的安全运营，动荷时域里基本上符合高斯正态分布，奇异系数在2.0周围浮动当高铁的走行部动态情况出现异常，例如当其处于道长波不平顺激扰时，车轴横向力会突然加大，就导致奇异系数高于2.0当高铁的转向架不稳定的形振荡加强，使车行过程中的频响偏离高斯平稳过的频响特征，全频域(RMS)值佑算高于实际情况就会导致奇异系数低于2.0。根据以上三点分析，为确保高铁车组满足基本的运行年限，达到最大的经济效益，可以采取：将高铁的最高速度控制在350一380km/h，减小车组受到的比例阻尼二车身转向架采用统一的优良配置，降低走行部超常工况所造成的摄动影响二将车下的质量像胶吊挂进行优化，合理利用橡胶吊挂的浮板效应，避免柔性车体横向抖振。

结束语

总而言之，在高铁车组对于其本身的安全性和车内乘客的舒适型要求越来越高的今天，解决车身的横向振动是一个重要的研究课题通过在车体和车下吊挂像胶设备，利用其高弹性和粘弹性等优点，可以很好地帮助解决高铁车体在减振方面的问题。

[1]徐金辉.高速车辆—轨道耦合系统随机振动分析及轨道不平顺评价方法研究[D].西南交通大学，2016.