高速综合检测列车车体与车下设备耦合振动特性及悬挂参数匹配

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高速综合检测列车车体与车下设备耦合振动特性及悬挂参数匹配

摘要：针对高速综合检测列车车体弹性振动与车下设备悬挂系统之间的耦合问题，基于刚柔耦合多体动力学建模方法，分析车体结构模态与车下设备模态参数的匹配关系。通过建立包含弹性车体、转向架、轮对及车下吊挂设备的多体系统动力学模型，研究弹性悬挂对车体平稳性和设备振动传递的影响规律。分析表明，弹性悬挂对牵引变压器冷却单元、牵引变流器冷却单元及废排单元具有明显隔振作用；设备悬挂横向刚度对车体整体平稳性影响较大，而垂向刚度对车体局部振动影响更为显著。据此给出车下设备悬挂参数匹配的基本方向，为检测列车车下设备悬挂方案设计提供参考。

关键词：高速综合检测列车；车体弹性振动；车下设备；悬挂参数；刚柔耦合

引言

高速综合检测列车承担线路状态检测与动态性能评估任务，其车下布置有牵引变压器、牵引变流器及其冷却单元、废排单元等设备。这些设备通过弹性悬挂与车体底架连接，构成车体—悬挂—设备的多体耦合系统。列车运行中，轨道不平顺激励引起的车体弹性振动会通过悬挂系统传递至车下设备，设备自身的刚体模态也会反向作用于车体，二者之间的模态匹配关系直接影响车体平稳性、乘坐舒适性以及设备悬挂件的疲劳寿命。

在工程实践中，若设备悬挂参数与车体结构模态不匹配，可能引发局部共振，导致设备振动加剧、悬挂件受力恶化，甚至影响检测设备的正常工作。因此，如何在设计阶段合理确定车下设备悬挂刚度参数，使车体与设备之间的振动传递得到有效控制，是高速检测列车研制中需要解决的技术问题。

本文依据高速综合检测列车刚柔耦合系统动力学仿真研究资料，围绕车体与车下设备耦合振动特性展开分析。分析范围限于车体弹性振动与车下设备悬挂参数之间的匹配关系，不涉及转向架悬挂参数优化、轮轨接触力学等专门问题。文中数据均来自参考资料，未标注具体数值的结论以趋势性描述为准。

一、刚柔耦合动力学模型的建立

高速综合检测列车转向架采用无摇枕结构，主要包括构架、轮对、轴箱悬挂装置、中央悬挂装置、电机悬挂系统、制动和牵引装置。轴箱悬挂装置包括转臂定位、轴箱钢弹簧和一系垂向减振器；中央悬挂装置采用空气弹簧，并安装了二系横向和抗蛇行减振器，还设有非线性横向止挡；牵引装置采用单拉杆牵引。

在建立检测列车系统数学模型时，资料作了如下假定：轮对和构架等部件的弹性比悬挂系统的弹性小得多，视为刚体，忽略各部件的弹性变形；不考虑相邻车辆间的作用，只考虑单节车模型；考虑车体的弹性振动。研究中以某高速检测列车的05号车为研究对象。车体主要由底架、侧墙、车顶、端墙及车体附件等组成。车身底架包括牵引梁、侧梁、端梁和波纹地板等。牵引梁主要由铝合金挤压型材和铝合金板焊接而成，为车钩缓冲装置设置相应的附加结构。侧梁位于底架地板下左右两侧的纵向梁，是底架与侧墙连接成筒体的关键部件。底架波纹地板由通长的挤压铝型材构成，为增强地板的纵向强度在纵向设置了加强筋结构。

车体几何模型通过大型CAD软件建立，完整的几何模型通过相应的模型接口导入有限元分析软件中进行有限元离散。整个车体结构由铝合金板及钢板焊接而成，车体模型采用板壳单元进行离散。网格划分的精度直接关系到有限元计算的准确性，因此车体网格划分力求有限元模型形状与原结构一致。考虑到车体模型的实际情况，为节省计算时间，对车体进行有限元离散时区别对待，采用疏密相结合的方式。车体模型主要采用4节点壳单元及质量点单元进行离散。车体各部分的板厚根据实际情况进行设置。

铁道车辆是一个非线性较强的复杂多体动力学系统，不仅车辆各部件之间存在相互作用，而且轮轨之间也存在相互作用，这些相互作用通常表现为强烈的非线性。为突出重点又尽量符合实际，并有利于分析计算的简便，建模时作了一些合理的简化和假设，对非线性环节作了一些便于计算的处理，对于悬挂系统用弹簧和阻尼等力单元来模拟其作用。为计算分析车体弹性振动的影响，利用多体系统仿真分析软件建立考虑车体弹性的车辆系统动力学模型。将车体有限元模型中计算出的子结构文件和模态计算结果文件，通过有限元与多体动力学软件接口程序生成弹性体输入文件，然后通过选取合适的标志点及特征模态等信息，最终生成用于动力学仿真计算的弹性车体标准输入文件。

检测列车车辆系统动力学模型由1个弹性车体、2个构架、4个轮对、8个转臂、1个牵引变压器冷却单元、1个牵引变压器、1个牵引变流器、1个牵引变流器冷却单元、1个废排单元，总共19个刚体及1个弹性体组成。其中构架取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、摇头、点头；轮对取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头（其中轮对垂向和侧滚运动是非独立运动）；轴箱为1个自由度，即点头；牵引变压器冷却单元取3个自由度，即纵向、横向、垂向；牵引变压器取3个自由度，即纵向、横向、垂向；牵引变流器取3个自由度，即纵向、横向、垂向；牵引变流器冷却单元取3个自由度，即纵向、横向、垂向；废排单元取3个自由度，即纵向、横向、垂向。

二、车体与车下设备振动传递特性

通过对车体与设备之间的加速度传递关系分析可知，弹性悬挂能够起到很好的隔振作用。但是这种隔振作用主要体现在牵引变压器冷却单元、牵引变流器冷却单元及废排单元上。这说明对于质量比较重的设备，橡胶的阻尼不匹配的话，基本上隔振作用不是很大。

通过对车体与设备的加速度频谱分析可知，设备上不仅反映了其本身的刚体模态，而且车体的刚体模态也通过悬挂系统传递到了设备上。因此在设计设备悬挂系统时，必须考虑设备与车体共振的情况，尽量避开车体与设备的共振区域。

对于车体振动的分析，主要以车体的平稳性和舒适度为评价指标。通过对检测列车刚柔耦合模型的仿真计算，具体研究了车下设备弹性悬挂刚度对车体平稳性以及舒适度的影响。在进行平稳性和舒适度计算时，选用实际线路谱，计算数据采样点选在车下设备重心位置正上方对应的车体地板部位。

从振动传递关系来看，牵引变流器与车体之间、牵引变压器与车体之间均存在明显的振动耦合。设备悬挂系统不仅传递车体振动至设备，同时也将设备振动反作用于车体。这种双向传递关系意味着设备悬挂参数的选择需要兼顾设备隔振与车体振动控制两个方面的要求。

三、悬挂刚度对耦合振动的影响规律

根据仿真计算结果，车下设备比较理想的悬挂参数为：牵引变压器悬挂横向刚度1.2 MN/m以上、牵引变压器悬挂垂向刚度2.5 MN/m以上；牵引变流器悬挂横向刚度1 MN/m以上、牵引变流器悬挂垂向刚度1.5 MN/m以上。

从结果分析可以发现，高速综合检测车的车下设备的横向悬挂刚度对高速检测车的临界速度的影响并不是很大，计算高速检测车的车辆临界速度时可以忽略设备悬挂横向刚度对高速检测车稳定性的影响。而设备悬挂横向刚度的变化对车体整体的平稳性性能影响比较大，且设备悬挂的垂向刚度变化对车体整体的平稳性性能的影响相对比较小，这说明设备悬挂垂向刚度对于车体的局部振动在整车动力学特性分析时必须引起足够的重视。

上述规律表明，横向悬挂刚度与垂向悬挂刚度在耦合振动中的角色不同。横向刚度主要影响车体整体平稳性，而垂向刚度则更多作用于车体局部振动。因此在悬挂参数设计时，不能将两个方向的刚度作为同一类参数统一处理，而应根据其影响规律分别确定。

四、车下设备悬挂参数匹配原则

综合以上分析，车下设备悬挂参数的确定应遵循以下原则。

第一，设备悬挂系统的设计必须避开车体与设备的共振区域。由于设备上不仅反映其本身的刚体模态，车体的刚体模态也通过悬挂系统传递到了设备上，因此需要同时考虑设备刚体模态与车体模态的分布，使二者之间保持足够的频率间隔。

第二，对于质量较大的设备，橡胶节点的阻尼对隔振效果影响很大。阻尼参数不匹配时，隔振作用不明显。因此在确定悬挂刚度参数的同时，需要关注阻尼特性的匹配。

第三，横向悬挂刚度与垂向悬挂刚度应分别优化。横向刚度对车体整体平稳性影响较大，垂向刚度对车体局部振动影响较大，二者的参数选择目标不完全一致，需要根据车体结构模态和局部振动要求分别确定。

第四，在车体结构的局部位置需要从整车动态特性的角度考虑，进行结构优化设计，兼顾结构刚度、强度变化后的影响因素，侧重如何利用车体结构的振动传递关系改进其局部刚度和阻尼特性的设计。

结论与建议

本文基于高速综合检测列车刚柔耦合系统动力学仿真资料，分析了车体与车下设备耦合振动特性及悬挂参数匹配关系，得出以下结论。

弹性悬挂对车下设备具有隔振作用，但隔振效果因设备质量不同而存在差异。对于牵引变压器冷却单元、牵引变流器冷却单元及废排单元，弹性悬挂的隔振作用比较明显；对于质量较重的设备，若橡胶阻尼不匹配，隔振作用有限。

设备上同时反映其本身刚体模态和车体刚体模态，设计设备悬挂系统时必须考虑设备与车体的共振情况，尽量避开车体与设备的共振区域。

设备悬挂横向刚度对车体整体平稳性影响较大，垂向刚度对车体局部振动影响更为显著。计算车辆临界速度时可忽略设备悬挂横向刚度的影响，但进行整车动力学特性分析时，设备悬挂垂向刚度对车体局部振动的影响必须引起足够重视。

据此提出以下建议。在车下设备悬挂方案设计阶段，应建立包含弹性车体的刚柔耦合动力学模型，通过仿真分析确定设备悬挂参数与车体模态的匹配关系。悬挂刚度参数宜按横向和垂向分别优化，横向刚度以车体整体平稳性为主要控制目标，垂向刚度以车体局部振动为主要控制目标。对于质量较大的设备，应同时关注橡胶节点的阻尼匹配，避免因阻尼参数不匹配导致隔振效果下降。车体结构局部设计应从整车动态特性角度出发，利用振动传递关系改进局部刚度和阻尼特性。

本文分析基于仿真计算资料，实际悬挂参数的最终确定还应结合线路试验验证，并以现行规章和现场管理要求为准。

参考资料

康洪军，曾京，张卫华，缪炳荣，吴会超. 高速综合检测列车车体与车下设备耦合振动分析.

引用依据：
《高速综合检测列车车体与车下设备耦合振动分析》

资料使用说明：本文依据已抽取铁路专业原始文本整理，仅供学习参考。涉及规章、技术参数和作业要求时，请以现行有效文件为准。