基于功率流的车下有源设备隔振效果分析

2018-12-20 02:04王盛明曾京
机械 2018年11期
关键词:变流器阻尼动力学

王盛明,曾京



基于功率流的车下有源设备隔振效果分析

王盛明,曾京

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031)

高速列车车下悬挂设备振动对车辆运行的平稳性、安全性和舒适性有着重要影响,尤其是涉及乘客时,车下有源设备传递至车体的振动是乘客感到不舒适的最主要来源。因此,有必要探究车下有源设备的隔振效果,改善车辆的运行性能。运用功率流方法,通过导纳与阻抗矩阵的四端参数方程,计算车下设备通过隔振系统传递至车体的功率流和力传递率,研究了隔振系统各参数对系统功率流传递及隔振效果的影响。理论分析表明,隔振系统刚度决定着隔振效果,在实际设计中要严格把控这一参数。

功率流;隔振;动力学;数值计算;力传递率

本文在承接以往研究的基础上,采用功率流分析方法,计算了系统阻抗与力传递率,探索了隔振系统各参数对隔振效果的影响。

1 车下悬挂设备的动力学模型

1.1 设备的动力学模型

功率流理论在机械系统动力学分析中已广泛运用[8-9],但运用功率流研究高速列车动力学问题的报道较少。本文针对车辆动力学研究中常见隔振装置,以某型中国标准动车组车下悬挂变流器为例建立系统振动理论模型。设备通过隔振器安装在简支梁上,列出动力学方程,运用功率流方法求解牵引变流器悬挂减振效果。

1.2 模型的功率流计算

设备某处的激励为简谐激励()=Fe,响应为()=Ve,其中为激励与响应的相位差,则激励与速度的乘积为该处的输入功率流,平均功率流为:

式中:Re[]为系统导纳实部。

系统的简化动力学模型如图1所示,列车牵引变流器与箱体通过隔振系统连接车体,变流器质量为,隔振器刚度为1,阻尼系数为1,隔振器质量忽略不计,变流器的输入激振力为,激励响应为,激励的频率为。

图1 车下悬挂设备动力学简化模型

1.3 模型的四端参数方程

振源经过隔振系统的四端参数法[10]方程为:

式中:FV系统输出端的激励与响应;A为隔振系统四端参数,由系统刚度与阻尼系数决定;FV为输出端的激励与响应。

求得四端参数矩阵数值为:

(1)变流器自身质量的阻抗矩阵。动车组变流器质量大,在隔振分析中不能忽略其质量对能量传递的消耗作用,设其质量为,输入到电机的激振力为1、响应为1,简谐信号圆频率为,输出到一级隔振系统的激励为2、响应为2,则电机自身的导纳矩阵为:

求得质量元件的四端参数为:11=22=1、12=、21=0。

(2)隔振系统由减振器的刚度和阻尼并联组成,该系统刚度为1、阻尼为1,输出到电机箱体的激振为3、响应为3,则此子系统的传递矩阵为:

将隔振系统看做复刚度矩阵传递,其刚度可表示为k=(1+),=,则11=22=1、12=0、21=1/k

由系统的动力学简化模型可知,变流器与隔振系统串联,串联系统的阻抗矩阵为各子系统阻抗矩阵乘积,即:

串联系统总的传递关系函数为:

以上方程可以求得输出到车体的激励与响应33,将之代入式(1)中,可得传递到车体的功率流。同时,由四端参数方程易求得力传递率=3/1。力传递率是功率流分析中的常用参数,广泛运用于证明系统隔振效果。

由功率流传递公式,利用MATLAB求解上述方程,通过力传递率研究不同结构刚度和阻尼对系统隔振效果的影响。

某标准动车组车下悬挂变流器的力传递率曲线如图2所示。

图2 变流器力传递率曲线

2 隔振系统参数对隔振效果的影响

改变隔振系统参数,计算系统力传递率曲线,得到系统隔振效果与系统参数的关系。

2.1 刚度变化对传递率的影响

系统的固有频率与刚度有一定关系,改变系统刚度则系统固有频率也会改变。然而在刚度值变化不大的前提下增加刚度,力传递率出现共振峰值时的频率会逐渐增加,增大系统刚度可减小振动功率流向基础的传播。

取隔振器刚度为设计刚度的75%、50%、25%、10%,计算刚性系统受迫振动的动力学模型。由图3可知,减小隔振器刚度可明显减小力传递率。当激励频率大于系统固有频率时力传递率随隔振器刚度基本呈线性减小。当激励频率高于60 Hz时隔振器刚度对力传递率影响较小,而在低频阶段(5~35 Hz)随刚度增加,共振峰值向右偏移,其共振值也越大,在此频率范围内的减振效果较差。但车辆正常运行时,变流器功率远大于此频率范围,力传递率表现为图3中放大部分,即随着刚度的减少,有源设备的力传递率也相应减少,隔振效果也更好。

图3 刚度变化对传递率的影响

2.2 阻尼变化对传递率的影响

阻尼式隔振系统中的一个重要参数,其作用主要表现为:

(1)由于阻尼存在,振动系统共振振幅相对于无阻尼系统明显减小,有助于避免振动结构因应力过大造成损坏;

(2)对于机械振动系统,系统因振动而产生的变形,因阻尼存在从而降低了系统恢复到稳定状态时的时间;

(3)阻尼降低了振动系统的噪声。

改变系统阻尼系数,该型动车组变流器隔振阻尼为5500 NS/m,在其基础上增加或降低其阻尼可得如图4所示曲线。可知,当输入激励较小时,力传递率曲线出现峰值时的激励频率相差不大,其传递率值有一定的影响,列车运行过程中,输入的激励频率远大于其共振频率,在此区间,隔振器阻尼对隔振效果几乎无影响,几条曲线趋近于重合,车辆隔振系统在运行状态下的隔振效果与阻尼变化影响并不大,在低频阶段表现出来的复杂性主要为改变阻尼就改变了系统的回复性能。

图4 阻尼对传递率的影响

3 结论

隔振系统中,主要的组成部分为系统刚度与阻尼及设备质量,本文基于功率流分析方法,以计算系统力传递率为核心,分析系统参数改变对传入动车组车体功率的影响,求得系统力传递率与隔振系统各参数之间的关系。

将车体作为刚性部件,可以简化计算过程。通过分析可知,对隔振效果影响最大的因素为系统刚度,因此取得适当的隔振参数在动车组的设计及改良方面有重要作用。本文提出的功率流传递方程有助于优化车下设备的隔振效果,可以根据基础阻抗设计需要达到的传递率来确定隔振器的阻抗,从而选择合理的隔振器。

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Analysis of Vibration Isolation Effect of Active Device under Trains Based on Power Flow

WANG Shengming,ZENG Jing

( State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China )

The vibration of suspension equipment under high-speed train has significant influence on the stability, safety and comfort of vehicle operation. The vibration from active equipment under vehicle is the main source of discomfort for passengers. Therefore, it's necessary to study the vibration isolation effect of active devices under vehicles and improve vehicle performance. With power flow method and four-terminal parametric equations of admittance and impedance matrix, the researchers calculate the power flow and force transfer rate of the vibration from the source device through vibration isolation system to the vehicle. Then they study the influence of the parameters of the vibration isolation system on the power flow transmission and vibration isolation of the system is studied. Theoretical analysis shows that the stiffness of vibration isolation system has a decisive influence on the vibration isolation effect. This parameter should be strictly controlled in the actual design.

power flow;vibration isolation;dynamics;numerical calculation;force transfer rate

U270.+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.003

1006-0316 (2018) 11-0012-04

2018-01-23

国家重点研发计划资助(2016YFB1200505);牵引动力国家重点实验室自主课题资助(2015TPL_Z03);国家科技支撑计划(2015BAG13B01-03)

王盛明(1993-),男,四川射洪人,硕士研究生,主要研究方向为高速列车系统动力学。

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