动车组列车车下设备悬挂参数对车体振动的影响分析

兰清群,颜 争

(安徽交通职业技术学院 城市轨道交通与信息工程系，合肥 230051)

动车组列车车下设备悬挂参数对车体振动的影响分析

兰清群,颜 争

(安徽交通职业技术学院 城市轨道交通与信息工程系，合肥 230051)

随着高速动车组技术的发展，车体的轻量化设计越来越被重视，但车体的轻量化设计会降低车体的整体刚度，从而会加剧车体及车下设备的振动.建立了考虑大质量车下设备及车体主要自由度的刚柔耦合车辆动力学模型，并利用模型分析了车下设备悬挂刚度对振动的影响.结果表明，车下设备悬挂系统的横向和垂向刚度的选择，应该从车体及车下设备振动两方面考虑，尽量避开加速度峰值.这种选取悬挂刚度的方法为工程应用提供理论参考.

动车组；列车；车下设备；车体；振动

随着高速列车技术的发展，车体的轻量化设计越来越被重视，但是轻量化设计也带来一系列的问题[1]，主要是车体的轻量化设计会降低车体的整体刚度[2]，从而会加剧车体的振动，影响乘坐舒适性[3]，国内外在这方面已经有很多研究，如在车体上加装动力吸振装置或加弹性阻尼材料等[4]，但是，由于国内动力分散式高速动车组的普及，车下设备的悬挂参数及其悬挂位置对车体动力学性能的影响也日益受到关注，由于车下设备总质量大，对于车辆运行的平稳性影响比较大，必须合理选取悬挂参数才能最有效的降低振动[3]，因此，基于ANSYS和SIMPACK软件建立刚柔耦合动力学模型，分析动车组列车车下设备悬挂参数对车体振动的影响,为动车组车下设备布置设计提供一定的理论依据及应用指导.

1 系统模型的建立

首先建立车体的有限元模型，如图1所示，然后在ANSYS软件中将车体的模型导入进去，用软件进行模态计算，求解得到缩减自由度后的主自由度模态数值解.然后通过接口程序FEMBS将有限元模型和模态分析结果导入动力学计算软件[5]，然后利用SIMPACK软件建立考虑车体弹性的车辆系统动力学模型，如图2所示，FEA和SIMPACK联合建模数据文件流程流程图如图3所示.在动力学计算软件模型中选取适宜的标志点及模态信息等，即可进行基于弹性车体的动力学计算.由于车辆本

图1 车体有限元模型

图2 刚柔耦合车辆系统动力学模型

身就是一个复杂的系统，所以在建立理论计算模型时要对一些非主要研究对象进行一些简化，主要是考虑车体的弹性，而对轮对和构架等均视为刚体部件，忽略其在计算过程中会产生的弹性变形，因为这些部件的弹性远远小于车下悬挂系统的弹性，另外，动车组各车辆间的作用也需要作一些简化，只考虑一节车的耦合动力学模型.此车辆系统模型是由1个弹性车体和2个构架、8个转臂、4个轮对、及若干车下设备构成.车下设备主要考虑牵引变压器等质量较大设备为弹性体，具体车下设备的悬挂位置如图4所示.

图3 FEA和SIMPACK联合建模数据文件流程

图4 车下设备布置位置示意图

2 车下设备悬挂参数对振动影响分析

车下设备采用弹性悬挂能够抑制车体的弹性振动，但是如果车下设备的弹性悬挂参数选择不合理也有可能增加车体的弹性振动，因此，有必要对车下设备悬挂参数与车体振动之间的匹配关系进行研究.车下设备的振动特性可以通过振动加速度的变化趋势来进行分析.但是，由于车下设备类型比较多，质量大小也不一样，所以主要考虑一些大型设备的悬挂刚度在刚柔耦合模型中其加速度对振动性能的影响，提取了列车速度设定为300 km/h 运行时，车体与主要设备的最大加速度的变化情况.以下重点考虑牵引变压器及废排单元两种设备的弹性悬挂刚度对于车体与设备耦合振动影响规律，牵引变压器的横向悬挂刚度对车体地板面及设备本身的加速度影响如图5所示.

图5 牵引变压器横向悬挂刚度对车体与设备耦合振动影响规律

从图5可以看出牵引变压器悬挂系统横向刚度的变化对车体横向振动的影响.随着横向刚度的增加，车体横向振动呈现先增大后减小的变化趋势.而对车下设备牵引变压器的横向振动的影响，则是逐渐增大最终趋于平缓.因此，在选择牵引变压器横向悬挂刚度时，应该避开车体振动的峰值，即1.2 MN/m以上.

废排单元的横向悬挂刚度对车体地板面及设备本身的加速度影响如图6所示.

图6 废排单元横向悬挂刚度对车体与设备振动影响规律

从图6可以看出，废排单元悬挂系统横向刚度的变化主要影响的是设备横向振动，而对车体横向的振动的影响可以忽略不计.随着横向刚度的增大，设备横向振动呈减小的趋势，因此最佳的横向刚度取值应该为0.2 MN/m以上.

牵引变压器的垂向悬挂刚度对车体地板面及设备本身的加速度影响如图7所示.

图7 牵引变压器垂向悬挂刚度对车体与设备合振动影响规律

从图7可以看出，牵引变压器的垂向悬挂刚度1.5～4 MN/m变化过程中，车体地板面的垂向最大加速度基本没有变化，而车下设备悬挂系统的垂向刚度的变化过程中会出现一个峰值，因此在选取悬挂刚度时要避开峰值影响.

废排单元的垂向悬挂刚度对车体地板面及设备本身的加速度影响如图8所示.

从图8可以看出，废排单元的垂向悬挂刚度变化对车体的振动影响也不大，但对设备本身的振动影响比较大，并且会出现峰值，在选取悬挂刚度时要尽量避开峰值影响，因此车下设备悬挂系统的垂向刚度的选择，应该更多的考虑设备振动情况.

3 结论

(1)建立了考虑大质量车下设备及车体的主要自由度的刚柔耦合车辆动力学模型，为研究车下设备与车体的耦合振动提供建模思路.

(2) 车下设备必须采用弹性悬挂，才能最大程度的减少车体的弹性振动，但要达到良好的减振效果，选取合适的悬挂刚度显得尤为重要.合理的车下设备悬挂刚度的选取方法可为工程应用提供理论参考和验证性分析.

图8 废排单元垂向悬挂刚度对车体与设备振动影响规律

(3)车下设备垂向悬挂刚度的变化对车体振动的影响较小，车下设备悬挂系统的垂向刚度的选择，应该更多的考虑设备振动情况.

[1] 赵阳阳，刘 士，张 伟． 车体下吊悬吊方式和弹性悬置质量对车体模态频率的影响[J]． 佳木斯大学学报：自然科学版，2012，30(3)：326-329．

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Effects of Suspended Parameters of Under-frame Equipment of EMU Train on Vibrations of Car-body

LAN Qing-qun,YAN Zheng

(Department of Urban Rail Transit and Information Engineering, Anhui Communications Vocational and Technical College, Hefei 230000, China)

As the development of high-speed train technology, the lightweight design of the car body has attracted more and more attention, but the lightweight design of the car body will reduce the overall stiffness of the car body, which will increase the vibration of the car body and the under-frame equipment. The rigid-flexible-coupled dynamic model of a vehicle is built considering great quality vehicle equipment and DOF of vehicle body. The influence on the vibration of the variable suspension stiffness of equipment under the vehicle is analyzed by this model. The results show that the lateral and vertical stiffness of the suspension system of the vehicle should be considered from two aspects of the vibration of car body and the under-frame equipment so as to avoid the peak value of acceleration. The method of selecting suspension stiffness provides theoretical reference for engineering application.

EMU; train; under-frame equipment; car-body; vibration

2016-08-28

安徽省自然科学研究项目(KJ2015A447)，安徽省大规模在线开放课程项目(2015mooc146).

兰清群(1987-)，女，硕士，讲师，研究方向：车辆强度及动力学.

U270

A

1671-119X(2017)01-0041-04