车载设备机械抗振方法研究

赵奎，张玉石，孙佳隆

（青岛杰瑞工控技术有限公司，山东 青岛 266061）

高铁列车的飞速发展大大便利了出行。由于其速度快、安全性能高、车内噪音小的特点，越来越受到旅客的青睐。但是，高铁列车的高速度也是车外振动量大、噪音大的重要影响因素。据相关报道，高铁列车的主要噪音源为车轮振动。铁路轨道系统是通过扣件将钢轨、道床和轨枕连接并组合而成。由于高铁列车在行驶过程中，是由升沉、点头、摇头、横摆、伸缩、侧滚这六种基本振动耦合而成的。因此，高铁运行过程中，钢轨所受载荷主要为：垂直方向的车辆载荷、列车对钢轨的冲击载荷。这是车轮产生噪音的重要原因。国内外有研究指出，列车运行速度对高铁振动的传播有着重要的作用。当高铁运行的速度大于规定的瑞利波波速时，环境振动将显著增大。一般认为，高铁振动的频率范围在30～80HZ。而车载精密设备的许振范围在20～50HZ。而且，振动将导致车载设备的导电性能下降、可靠性降低，严重的会使设备失效。据统计，因机械振动导致的车载设备失效约占设备失效总数的27%。因此，研究车载设备的机械抗振方法，提高设备的可靠性是必要的。

高铁列车具有运行速度范围大，振动频率范围大的特点。因此，其机械抗振方法应在宽频范围内均具有良好的减振效果。传统的方法是在机箱与机架连接板之间加装隔振器的方法减弱振动。但是，该方法存在明显不足。首先，由于隔振器安装于机箱与机架之间，隔振器在承受机箱重量的条件下，仍需有一定的弹性。根据车载设备的弹性刚度理论，当变形量越大时，隔振器的减振效果越弱。其次，该方法虽然有一定的减弱振幅效果，但是，增大后的刚度会带来较大的振动频率。尤其当列车的振动与车载设备的振动同频时，共振的巨大破坏作用反而更容易损坏设备。因此，为了提高车载设备的安全性和可靠性，研究车载设备的机械抗振方法，对于提高车载设备寿命，降低运行及维护成本，增加设备的安全性具有重要意义。

1 振动来源

1.1 车辆本体振动

高铁动车组每节车厢均有动力，但是，在列车运行过程中，由于每节车厢各自所处的负载等状态不同，因此在车辆运行过程中，车体本身会发生涌式振动。此种振动方式虽然振幅较大但是频率较低。另外，由于发动机的振动通过机械机构传递到车身，也会导致车内振动。此种振动方式振幅较小，但是频率较高。

1.2 轨道振动

车轮振动主要有两方面原因，一方面是钢轨有固定的长度，当列车运行至钢轨连接处时，由于钢轨连接处两侧所受压力不同，进而下沉变形量不同，因此钢轨连接处高低不平。当高速运行的列车经过不平整的钢轨连接处时，会发生微弱碰撞，进而产生周期性的振动。此种振动方式振动频率和振幅都较高。另一方面，钢轨本身有一定的弧度，尤其是在转弯时钢轨的弧度尤为明显。当列车高速运行时，车轮与铁轨产生摩擦碰撞，进而产生振动。当列车运行速度越快时，由于钢轨所导致的振动将越强。

1.3 风致振动

由于空气分子的存在，当高铁在空气分子中移动时，将会产生风。然而，高速物体在风中穿梭时，会产生流体效应。由于高速物体两侧的气压高低不同，当高铁连续在气压不同的气体中穿梭时就会产生振动，简称风致振动。风致振动在高铁低速运行时不太明显，甚至可以忽略。尤其在高速运行时，风致振动传递到车身，会使得车身因振动而摇摆。摇摆的车身将进一步增大车身本体振动和轨道振动。风致振动具有振幅和频率都较高的特点。当振动传递到车身内时，对于车内设备的振动影响很大。

2 抗振方法

导致车载设备失效的主要因素为振动频率及振幅。因此，降低振动频率和振幅有助于减弱振动的破坏失效。在设备整体的角度上看，设备振动主要分为机械振动和机载振动。其中，机械振动为设备的固有振动，是设备的一种属性；机载振动为设备安装在工作环境下运行时的一种振动现象，机载振动受载机的频率影响很大。

2.1 降低机械振动方法

（1）加强筋增强法。由于钣金件具有成型快、重量轻、可加工成为复杂壳体的特性，因此，钣金壳体广泛应用于车载设备领域。但是，尺寸较大的壳体易产生受迫振动，而且持续时间较长。振动能量需要完全被机械结构吸收后，才能停止振动。针对此类结构强度弱而引起的振动损伤，可应用加强筋增强法，即在薄壁壳体表面加装或冲压加强筋以便提高壳体的抗振性能。加强筋的尺寸及密度需根据板材的厚度及面积综合确定。一般情况下，板材厚度越小、面积越大，所需加强筋尺寸及密度越大。

（2）肋板增强法。在大尺寸件的焊接及角接等应用领域，由于焊点的变形或板材较薄等原因，振动力在杠杆的作用下，使得结构件最终承受力较大，而极易产生振动失效。肋板增强法是在直角连接板之间加装增强肋板的方法，以减弱受迫振动，从而降低整体振动频率及振动强度。肋板的安装尺寸及安装密度与板材的厚度及尺寸有关。当板材越薄、板材尺寸越大时，所需安装肋板的尺寸越大、安装密度越大。

2.2 降低机载振动的方法

机载频率及振幅主要由车载设备和车辆振动叠加产生。采用普通的螺栓连接方式时，车辆与设备可看作一个刚性物体，此时，车辆的振动完全被传递到车载设备，此方法抗振能力较差。本研究采用橡胶垫-弹簧副的方法减弱振幅和振动频率，进而将车辆振动向车载设备的传递减弱，从而达到降低机载频率的目的。

图1为橡胶垫-弹簧副安装示意图。机架与螺栓之间采用橡胶垫片隔开，减弱了刚性物体之间的直接振动传递。此外，橡胶垫片的高弹性可作为一级隔振单元，从而减缓振动对机载设备的影响。在橡胶垫片上方连接有弹簧，其为储能单元，可依靠惯性作用，将振幅和频率进行吸收或者补偿，进而减弱振动的影响。在具体实施过程中，需要通过连接螺母将弹簧设置一定的预紧力，将弹簧压缩至许振范围内。

图1 橡胶垫-弹簧副安装示意图

3 结语

通过研究高铁列车的振动形式、振动来源及车辆振动对车载设备的影响，本研究提出了加强筋增强法、肋板增强法。通过增强机械壳体强度以降低设备的机械频率，提出通过采用橡胶垫-弹簧副的方法，将车载设备与车辆机架软性连接，从而降低机载频率。需要指出的是，本项研究仍处于初级阶段，后续成果的取得将陆续发布。本研究目的是为车载设备的安装提供一种方法，进而提高设备的运行寿命和可靠性。