温变对高速列车一系悬挂高频传振特性的影响

刘浩楠，王 奇，韩 健，关庆华，肖新标

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都610031；2.西南交通大学 机械工程学院，成都610031)

我国国土辽阔、南北跨度较大，由于纬度、季节、昼夜变化等原因，高速列车运行过程中所处的环境温度会产生大幅度的变化。转向架悬挂部件尤其是含橡胶材料的悬挂件和液压减振器，结构中包含对温度变化比较敏感的橡胶、油液等材料，温度变化对其振动传递特性的影响不可忽略。高速列车一系悬挂件在转向架系统中起到支撑和减振的作用，随着列车速度的提高、车轮多边形和钢轨短波不平顺加剧等原因，需要关注的轮轨激励的频率范围增大，轮轨接触处的高频振动经转向架一系各悬挂件传至构架，会影响列车运行的舒适性和安全性。研究表明，当温度改变时转向架振动会产生变化[1]，因此，有必要研究温度变化对高速列车一系悬挂件传递特性以及转向架高频振动的影响。

国内外学者研究发现[2]，高速列车在低温环境下运行时，低温对转向架一系悬挂系统隔振性能会产生不同程度的影响，甚至会造成悬挂系统失效，影响列车运行安全。Gong等[3]建立了橡胶单元的非线性模型，考虑了温度、振动频率和振动幅值的相关性，研究表明，随着温度的降低，橡胶元件的动刚度及阻尼系数有所增加。徐腾养等[4]对我国某高速列车抗蛇行减振器进行高低温试验，分析了油液温度对减振器动态特性的影响，试验结果表明，随着温度的降低，减振器动态刚度增加。Alexander 等[5]建立了转向架系统整体有限元模型，并对转向架振动传递路径进行了分析，确定了主动振动控制系统的最佳安放位置。任尊松等[6]、刘永乾等[7]在ANSYS 软件环境下，建立了高速列车转向架构架和轮对有限元模型，模型中对轴箱及一系悬挂进行简化，研究了高频载荷在转向架系统中的传递规律。Liu 等[8]建立了“轮对-一系悬挂-构架”的有限元模型，探究了一系各悬挂件刚度对转向架一系高频隔振性能的影响。

现有研究主要针对悬挂件低频温变特性，对其高频温变特性鲜有关注。本文主要目的是研究温变对高速列车转向架高频振动的影响，通过试验得到一系悬挂件的高频传递特性，并根据试验结果建立悬挂件温变等效模型。结合转向架整体有限元模型，研究不同温度下一系悬挂隔振性能及转向架的高频振动变化规律。研究有助于理解和掌握转向架振动的温变规律，可为高速列车减振降噪措施提供理论基础。

1 悬挂件温变特性试验

试验中选取我国某型高速列车的一系钢弹簧座、一系转臂节点和一系垂向减振器等典型一系悬挂件为试验对象，基于自由状态下频响函数测试方法，分别对一系各悬挂件进行一定温度范围内的频响函数测试，得到一系各悬挂件在不同温度条件下频响函数的变化规律。根据高速列车转向架一系悬挂在实际装配状态下的受力情况，对钢弹簧座进行轴向传递特性测试；对转臂节点进行轴向和径向传递特性测试；对于液压减振器，进行两种状态的测试，状态一：测量液压减振器油液腔传递特性，以得到温度对减振器油液腔（油液+套筒结构）传递特性的影响；状态二：测量减振器整体传递特性，以得到温度对减振器整体（橡胶节点+油液+套筒结构）传递特性影响。

1.1 试验方法及步骤

通过频响测试法获取悬挂部件的振动传递特性。如图1所示，将所测悬挂件用弹性绳悬吊，模拟自由边界条件。在悬挂件响应点布置加速度传感器，在激励点布置力传感器，将力传感器连接电磁激振器。测试前，将所测悬挂件放入高低温试验箱中进行温度控制，使其达到试验所需温度，温度控制时间不少于24 h。测试时，使用激振器进行激励，由数据采集设备采集力信号与加速度信号，最后得到所测试件频响函数。本试验测试的样件来自于我国某型号高寒动车组，其最佳阻尼温度范围为-10 ℃～-30 ℃，因此，测试温度范围选取-30 ℃～30 ℃。测试温度点为30 ℃、测试时的环境温度为0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃。试验时避免周围有较大振动源，保证试件无明显外界激励源干扰，并且保证测试在悬挂件温控后短时间内完成，在测试过程中使用温度测量设备持续对所测悬挂件温度进行监测，若发现温度变化过大，超出百分之五，则放弃测试，试件重新放回温控箱，待温度达到要求后再重新进行试验。

图1 悬挂件测试安装示意图

1.2 悬挂件温变特性结果分析

通过试验得到不同温度下各悬挂件频响函数，图2 和图3 分别给出了不同温度下钢弹簧座和转臂节点0～2 000 Hz频段内的频响函数测试结果。

从图2可知，随着温度逐渐降低，钢弹簧座频响函数峰值频率明显向高频偏移，并且其频响函数峰值逐渐减小。从图3可知，随着温度逐渐降低，转臂节点径向和轴向频响函数峰值频率明显向高频偏移，并且其频响函数峰值逐渐减小。

图2 钢弹簧座频响函数

图3 转臂节点频响函数

综上，在-30 ℃至30 ℃之间，随着温度逐渐降低，含橡胶材料悬挂件频响函数峰值频率明显向高频偏移，并且其频响函数幅值逐渐减小。主要原因是：频率大小与刚度成正比，幅值大小与阻尼成反比，随着温度的降低，悬挂件中橡胶材料的刚度和阻尼逐渐增大。李密等[9]对某高速列车转臂橡胶节点进行了温变特性试验，研究了橡胶节点的刚度、阻尼温变特性，得到了相同的规律。

图4给出了不同温度下减振器两种状态的频响函数测试结果。

由图4(a)可知，随着温度逐渐降低，减振器油液腔的频响函数峰值频率明显向高频偏移，并且其频响函数幅值逐渐增大。由于测试主要关注的是高频传递特性，且电磁激振器的幅值较小，可以认为在激励过程中液压阀趋于闭合状态。此时的液压油可以视为液压弹簧，液压弹簧的刚度与油液的体积模量有关。因此，随着温度的降低，体积模量增大，液压弹簧刚度增大，从而导致频响函数峰值频率增大。随着峰值频率逐渐向高频移动，液压阀愈加趋于闭合状态，导致其阻尼性降低，致使主频幅值逐渐增大。

由图4(b)可知，随着温度逐渐降低，减振器整体频响函数峰值频率明显向高频偏移，但是其频响函数幅值在-10 ℃以上逐渐减小，在-10 ℃以下逐渐增大。由于减振器同时包含油液和橡胶，所以其传递特性受到橡胶和油液温变特性共同影响。综合以上测试结果分析，随着温度的降低，减振器橡胶节点和油液腔的传递函数峰值频率都逐渐增大，而其幅值变化正相反。

图4 液压减振器频响函数

综上分析,在-10 ℃之前，减振器温变特性的主导因素是橡胶节点的温变特性；在-10 ℃之后，减振器温变特性的主导因素是减振器油液腔的温变特性。

2 悬挂件温变特性仿真

为探究高速列车各悬挂件温变特性对转向架结构振动传递的影响，基于悬挂件温变特性试验结果，建立一系各悬挂件温变特性等效模型，此有限元模型可模拟不同温度下悬挂件的传递特性变化规律，进而结合转向架整体有限元模型，对不同温度下各悬挂件路径传递特性进行仿真分析。

2.1 温变特性有限元模型

根据试验结果分析得到，温度对悬挂件（一系转臂节点、钢弹簧座、液压减振器）的影响主要体现在橡胶材料和油液腔的刚度和阻尼的变化，刚度和阻尼的变化导致了悬挂件传递函数的峰值频率和幅值大小的变化。悬挂件温变特性有限元模型的建立可等效于对橡胶材料和油液腔刚度和阻尼的模拟。

如图5 所示，以转臂节点和液压减振器为例说明。转臂节点是一种金属-橡胶弹性元件，是轴箱与构架之间传递牵引力和制动力的重要连接部件，依靠中间橡胶层的弹性变形实现减振作用。转臂节点为多层结构，可分为金属外圈、中间橡胶层和金属内圈，如图5(a)所示，基于有限元建模软件建立转臂节点有限元模型，其中，橡胶材料粘连于在金属内外圈中央，因此金属与橡胶之间不存在相对移动，不同材料模型之间采用共节点方式连接,不考虑结构预应力。定义金属内外圈钢材料的材料属性，根据试验结果赋予中间橡胶层橡胶材料的材料属性。对于钢弹簧座和液压减振器两端橡胶节点，采用与转臂节点相同的建模方法。

液压减振器是以中间液压油液腔为主体部分的阻尼器，两端为橡胶节点结构。在实际工作中，振动会经液压减振器一端橡胶节点传至油液腔部分，经过油液腔中活塞杆、油液及内筒的相互作用消耗一部分振动能量后，传至另一端橡胶节点。当液压减振器在承受高频振动激励时，振动的幅值会很小，油液腔内的油液几乎处于不可流动状态，此时腔中的油液可以等效为液压弹簧。如图5(b)所示，在建模时，对于液压减振器两端橡胶节点采用与转臂节点相同的建模方法，定义其中橡胶材料相应的材料属性；对于液压减振器内外筒及油液腔部分，将中间油液（液压弹簧）部分等效为实体单元进行建模，根据试验结果对这部分模型等效的刚度和阻尼进行赋值。将橡胶节点与液压弹簧间的内外筒部分等效成两个金属杆，采用实体单元建模，赋予其相应的钢材料的材料属性。

图5 悬挂件传递特性分析模型

在材料属性中，弹性模量是决定材料刚度大小的参数，阻尼比是决定材料阻尼大小的参数。参照多变量曲线逼近理论，对模型的频响函数进行计算，通过调整模型材料参数，使得仿真与测试得到的悬挂件频响函数逼近，从而确定不同温度下各悬挂件材料的弹性模量和阻尼比，将不同温度下的材料参数赋予模型，得到各悬挂件温变特性有限元模型，即可有效模拟悬挂件的温变特性。

2.2 悬挂件温变特性仿真结果对比

对悬挂件等效模型进行谐响应分析，得到不同温度下悬挂件温变特性等效模型的频响函数。图6给出了不同温度下转臂节点径向和液压减振器两种状态的频响函数仿真结果,其中同种格式的线条代表相同温度。

如图6 所示，6 种不同温度下转臂节点、液压减振器油液腔和液压减振器整体频响函数仿真结果与测试结果的频响函数在峰值频率和变化趋势上均一致。仿真与测试结果吻合较好，转臂节点及液压减振器温变特性有限元等效模型可有效模拟悬挂件的温变特性。

图6 悬挂件温变特性仿真结果

3 转向架振动温变特性仿真

在实际应用中，高速列车转向架及车体在1 000 Hz 以内的振动被定义为中高频振动。由1.2 节可知，不同温度下，钢弹簧座频响函数峰值频率变化范围在200 Hz～1 000 Hz 之间；转臂节点径向频响函数在0～1 000 Hz之间内无明显变化；液压减振器频响函数在200 Hz～1 000 Hz之间有明显变化。为研究转向架高频振动温变特性，对轮轨激励下转向架系统200 Hz～1 000 Hz频段内的振动特性进行计算分析，探究悬挂件温变特性对转向架振动的影响。

如图7 所示，参考我国某型高速列车转向架结构参数[8]，建立转向架系统高频振动有限元模型，模型中包含一系各悬挂件温变特性有限元模型。在应用转向架模型进行计算前，在枕梁与车体接触面施加半车体重量的均布载荷，同时考虑重力效应进行预应力计算，然后再进行谐响应分析，确定转向架系统振动特性。基于悬挂件温变特性试验结果，按照不同环境温度下各悬挂件材料刚度和阻尼的变化设置对应材料参数。

图7 转向架系统高频振动有限元模型

根据车轮、钢轨表面粗糙度谱实测值，采用TWINS 模型轮轨力计算方法[10]，计算得到轮轨力。如图8所示，将垂向轮轨力分别输入到转向架4个车轮的名义滚动圆位置，取一系减振器上构架、钢弹簧上构架、转臂节点上构架及轴箱处为响应点，分别获取转向架减振器、钢弹簧、转臂节点上构架以及轴箱的垂向振动加速度，探究温度对转向架轴箱和构架振动加速度的影响。

图8 转向架测点示意图

转向架是一个多悬挂件耦合的系统，构架上每个响应点的振动加速度都是一系悬挂各路径振动传递共同贡献的结果。对转向架构架3个位置振动加速度取平均加速度级，得到转向架构架总振动加速度级，对于轴箱加速度同样取其加速度级。

基准参考加速度取a=1×10-6m/s2。加速度级总值计算公式如下：

式中：a（ii=1,2,3,n=3）为构架3 个位置处的加速度。为研究不同温度下转向架系统一系悬挂的隔振性能，将构架处3个响应点的振动能量求和，将其平均值与轴箱的振动能量做比值，并以加速度级dB值表示，轴箱与构架之间在200 Hz～1 000 Hz 频段内加速度差总值H如式(2)所示[6]。轴箱构架加速度级差在一定程度上代表了一系悬挂的隔振性。

式中：a1、a2、a3分别代表一系减振器上构架、钢弹簧上构架、转臂节点上构架响应点的振动加速度；a0表示轴箱处的振动加速度。

图9 给出了200 Hz～1 000 Hz 不同温度下转向架构架、轴箱的加速度级总值以及轴箱构架加速度级差总值。

图9 轴箱、构架加速度级总值及加速度级差

在30 ℃时轴箱加速度级最小，为138.4 dB，随着温度的降低，轴箱的加速度总值呈上升趋势，尤其在低温时变化最为显著，在-30 ℃时，达到最大值151.8 dB，温度变化导致的轴箱加速度级最大差值达13.4 dB。受轴箱加速度和一系悬挂件温变特性影响，构架处加速度级总值随温度变化趋势较为平缓，不过总体上亦呈上升趋势，加速度级先降低，在12 ℃时最小，为130.7 dB，但随着温度的降低，在-30 ℃时，达到最大值134.3 dB，温度变化导致的构架加速度级最大差值达3.6 dB。

轴箱和构架的加速度随温度降低呈增加趋势，轴箱、构架加速度级差亦随着温度的降低而增加，主要的原因是一系悬挂中含橡胶材料的悬挂件较多，悬挂件试验结果显示，含橡胶材料悬挂件阻尼随温度降低而增加，导致轴箱的振动加速度经在一系传递时幅值减弱，一系悬挂隔振性能有所提高。

经初步分析可知，轴箱加速度所呈现随温度降低而升高的变化规律是由钢弹簧座在高频段（800 Hz～1 000 Hz）温变特性所导致，在此频段内，钢弹簧座频响函数幅值随温度降低而升高，因而影响轴箱加速度，但其具体原因还有待进一步研究。

4 结语

针对高速列车转向架系统振动传递随温度变化问题，采取试验与有限元仿真相结合的方法，对一系悬挂件温变特性、转向架一系高频传振特性及隔振性能进行研究，得到如下结论：

（1）含橡胶材料的悬挂件（转臂节点、钢弹簧座）传递特性受温度变化影响较为显著。在-30 ℃～30 ℃温度区间，随着温度的降低，其峰值频率明显向高频偏移，并且其频响函数幅值逐渐减小，这主要是由橡胶材料弹性模量及阻尼随温度变化所导致。

（2）温度的变化对液压减振器传递特性影响较大，在-30 ℃～30 ℃区间，随着温度逐渐降低，液压减振器频响函数峰值频率明显向高频偏移；其频响函数幅值在-10 ℃以上逐渐减小，在-10 ℃以下逐渐增大，这是液压减振器油液腔与两端橡胶节点温变特性共同影响的结果。在-10 ℃以上，液压减振器温变特性的主导因素是橡胶节点；在-10 ℃以下，减振器温变特性的主导因素是减振器油液腔。

（3）随着温度降低，转向架轴箱及构架加速度级总值总体上呈现增大的趋势，均在-30 ℃时达到最大值；受温度影响，轴箱最大加速度级差值达13.4 dB；相对于轴箱，构架最大加速度级差值较小，为3.6 dB。受一系悬挂件材料阻尼随温度降低而增大的规律影响，随温度降低，轴箱、构架加速度级差值呈现增加趋势，一系悬挂隔振性能提高，-30 ℃时一系悬挂隔振效果最好。

上述结论对高速列车转向架振动温变特性规律进行了总结，能够为进一步研究高速列车温变特性提供参考。