铁道车辆车下设备新型减振器设计研究

利用碟形弹簧在一定条件下可以产生负刚度的特性,将碟形弹簧与橡胶弹簧并联,设计出一种可以实现垂向与横向刚度分离的车下设备新型减振器,并运用谐波平衡法对车下设备新型减振器进行传递特性分析。建立包含车体弹性的高速动车组车辆刚柔耦合动力学模型,基于车辆运行平稳性最优原则,计算获得车下设备垂向与横向最优吊挂刚度,并据此设计新型减振器参数。将车下设备采用新型减振器的车辆与车下设备采用传统橡胶减振元件的车辆进行对比分析,结果表明,前者的垂向与横向运行平稳性及车体振动加速度功率谱明显优于后者,所设计的新型减振器能够有效降低车体的弹性振动,改善车辆的运行平稳性。     

高速列车变压器减振设计及试验验证

以高速列车变压器为例,基于隔振理论与车下设备振动特性,提出了变压器减振设计方案,并进行减振效率分析。通过振动测试试验,对变压器减振效果进行验证,结果表明当变压器独立悬挂频率设计为9 Hz时,变压器振动频率可以有效避开车体的模态频率,且振动衰减效果明显。     

高速动车组车下悬挂设备隔振设计研究

高速动车组车下悬挂设备的隔振设计应最大程度地发挥设备工作效能,减小车体振动及两者的相互影响,提高乘坐舒适度。为研究车下悬挂设备隔振器参数对隔振性能的影响,根据机械振动和减振隔振理论,推导车下典型设备(牵引变压器及冷却单元)刚度设计的动力学方程。建立车体与牵引变压器及冷却单元的有限元分析模型,并以变压器振动烈度、地板舒适性和隔振效率为评价指标,深入分析隔振器刚度、风机转速、车体一阶垂弯频率、变压器质量等对隔振性能的影响,得到隔振器刚度、风机转速、车体一阶垂弯频率和变压器质量等对隔振性能的影响规律。结果表明,隔振器刚度、风机转速、车体一阶垂弯频率和变压器质量等对隔振性能的影响明显,可为车下悬挂设备隔振设计提供依据。     

车下悬吊设备不均衡振动对车体振动的影响

在高速动车组的线路测试中发现,车下旋转设备的不均衡振动是造成其上方车体地板局部异常振动的主要原因。为研究车下旋转设备与车体耦合振动关系,推导出车下悬吊设备不均衡振动与弹性车体垂向耦合振动的运动方程,描述车体弹性振动与有源旋转设备的位移特性。建立三维车辆刚柔耦合动力学仿真模型,分析车下悬吊设备不均衡振动对车体振动的影响。研究结果表明,有源设备采用弹性和刚性悬挂方式差异明显,弹性悬挂方式的优势随着不均衡振动的加剧逐渐突出;旋转设备不均衡量的增大加剧了车体局部振动,而且会扩大车体异常振动范围。对于本文提出的两种车体减振措施,分析结果表明,合理的悬挂参数可以降低车体的弹性振动,减振措施便于实施,但是实际减振效果受到橡胶弹簧制造技术限制;采用多级悬挂参数可以有效降低车体弹性振动,但是系统结构更加复杂,每级系统的悬挂参数均需要合理设计。     

某地铁车辆空压机橡胶减振器的设计及试验研究

综合减振理论和橡胶减振器性能特点，提出了一种车下系统设备悬挂参数、减振器参数的设计计算方法。以解决某地铁车辆空压机启动时地板异常振动问题为例，将使用上述方法的计算结果作为设计输入对橡胶减振器进行结构设计、仿真计算、配方设计等，设计制作了样机并对其进行了试验测试。试验结果表明：所设计的橡胶减振器静刚度、动刚度等满足文中所提出方法的设计要求。将设计制造的减振器进行装车振动测试并与车辆原吊挂方案及其他备选方案进行对比，减振降噪效果明显优于原吊挂及其他备选方案，解决了空压机启动时车体异常振动的问题。此方法可应用于其他车下设备橡胶减振器的开发设计研究。     

高速列车车下设备模态匹配及试验研究

本文提出计算整备状态下高速列车车体垂向一阶弯曲模态频率的数值及解析方法,研究并阐释车下设备对整备状态下车体模态频率的影响机理。基于解析方法及隔振理论,提出车下设备与车体模态匹配原则,设计车下设备悬挂参数,并针对设计结果进行试验验证。结果表明,数值方法计算精度高,但不便于工程运用,而解析方法在保证计算精度的同时,能够直接运用于车下设备悬挂设计;相对于刚性吊挂而言,车下设备采用弹性吊挂时,整备状态车体的垂向一阶弯曲模态频率会得到明显提升;车体与车下设备模态频率的合理匹配可有效避免二者间共振的发生,针对所研究的高速车辆,当独立设备固有频率设计为6.5Hz时,设备自振频率能够与车体垂向一阶弯曲模态频率有效分开。在整个运行速度区间内,车辆可以获得良好的运行平稳性,同时车下设备振动亦不剧烈。     

高速车变压器用橡胶减振器研究

为解决高速车车体悬挂部件牵引变压器、变流器及蓄电池等设备的振动,设计了橡胶减振器用以对振动设备进行减振,以理论分析与工程化运用相结合,分析橡胶减振器与变压器和车体联接的振动关系,刚度及阻尼性能匹配等,设计合适的减振器参数消除变压器与车体的振动。     

整备状态下的轨道交通车辆车体模态计算分析

推导了多自由度刚体振动系统振动频率和特征向量的解析方法,研究了轨道交通车辆车体设备悬挂方式及其垂向悬挂刚度与车体系统振动频率和车体各阶振幅之间的关系。以某轨道交通车辆车体模态分析为例,对车体模态分析过程中悬挂设备的模拟方法、车体内装和设备的刚度,以及乘客质量对车体一阶垂弯和扭转频率的影响进行了深入分析和试验对比。研究结果表明,设备悬挂方式和悬挂刚度的选择对车体频率有非常显著的影响;与试验相比,考虑设备悬挂刚度、内装和设备自身刚度时对车体主要振动模态有显著提升,应在车体结构设计时予以注意;乘客质量对车体主要振动模态频率几乎没有影响。     

更高速度试验动车组车下设备悬挂方式研究

为给更高速度试验动车组选择合适的车下设备悬挂方式,建立了整车刚柔耦合多体动力学SIMPACK模型,对车体和车下设备的耦合振动进行了仿真分析,针对车下设备不同悬挂方式进行了滚动振动台架试验。仿真和试验结果表明,大质量车下设备采用弹性吊挂方式比刚性吊挂方式的动力学性能更好;对于弹性吊挂方式,选取较大的动静刚度比更合理。     

铁道客车系统的垂向减振分析

建立铁道客车垂向振动系统数学模型,计算客车系统幅频特性曲线,根据曲线峰点来确定系统自振频率,给出客车系统自振频率计算的简单近似解析方法和精确数值方法。提出客车系统各刚体振型共振速度的概念和计算公式,得出共振速度只与系统本身的自振频率和结构参数如车辆定距和转向架固定轴距有关。对客车系统在有无动力吸振器情况下的简谐和随机振动进行分析,认为采用吸振器确实能够在一定程度上抑制车体某些频率成分的振动,适当增大吸振器质量、刚度和阻尼,可以达到较好的减振效果。     

基于虚拟激励法的轨道车辆垂向振动响应分析

针对传统的随机振动分析方法计算复杂、计算量大的问题,提出采用虚拟激励法求解轨道车辆的垂向振动响应,建立某型车辆的垂向动力学模型,求解车辆的垂向振动响应并验证模型的正确性.与传统求解方法的计算结果比较表明,虚拟激励法适合于求解车辆的垂向振动响应,并且计算简单.在频域内对车辆垂向振动响应的分析表明:随着车辆运行速度的提高,车体、前后转向架以及一位轮对的垂向加速度的功率谱密度和振动主频均增大,轮对的垂向振动经一系悬挂传到转向架,再经二系悬挂传到车体,其振动频率f降低,振动幅值迅速减小,传到车体上时振动已变得很弱;f＞5Hz时,车体、前后转向架和一位轮对垂向加速度的功率谱密度均随着一系阻尼器两端橡胶节点刚度与一系弹簧刚度比值的增大而增加,尤其是车体和前后转向架的垂向加速度的功率谱密度变化更为明显,因此降低橡胶节点的刚度有利于提高车辆运行的平稳性.     

设备与座椅悬挂参数对列车乘坐舒适性影响分析

建立车辆-设备-座椅的19自由度动力学模型,导出车体、设备及座椅的振动加速度频响函数表达式,以德国垂向轨道不平顺作为轮轨激励,研究有无设备及设备与座椅悬挂参数对高速列车垂向乘坐舒适度的影响规律。研究结果表明:合理设计车下设备与座椅悬挂参数能够改善列车乘坐舒适度。当设备悬挂位置偏离车体中部6.25 m且设备悬挂刚度范围为3.87～6.71 MN/m,座椅悬挂刚度在1.09～1.138 MN/m时,列车各座椅乘坐舒适度能够满足工程要求。     

车下设备连接参数对车体振动特性影响研究

通过采用模态叠加法建立其对应的广义坐标方程,建立车体和车下设备系统耦合振动的简化模型,仿真分析某高速列车车下设备与车体系统的耦合振动特性。针对设备质量、安装刚度及安装阻尼等参数的变化,通过仿真计算得出了设备结构参数对系统振动响应的影响曲线。根据数值分析结果,对车体及车下设备减振设计提出了一些措施。     

高速列车几种车下设备悬挂参数设计方法对比分析

为验证高速列车车下设备悬挂参数设计方法的可行性,对目前主要的3种设计方法的应用效果进行了对比分析。首先阐述了隔振设计法、动力吸振器法和动态设计3种方法理论和应用条件;接着以国内某型高速列车牵引变压器悬挂参数设计为例,分别基于3种方法对变压器悬挂参数进行了设计;最后将所设计的悬挂参数代入所建立的车辆设备系统模型中,求解出车辆设备系统的振动特性,从而对比分析了3种设计方法的可行性。研究结果表明,隔振设计法和动力吸振器设计法均未考虑车体设备的耦合振动特性和设备自身振动特性,根据动态设计法将变压器悬挂频率比设计为0.90～1.10时车辆既能拥有较好的乘坐舒适性,变压器也能拥有较好的振动水平;相比传统的2种车下设备设计法,动态设计法具有更高的可行性。研究结论可以为车下设备悬挂参数的设计方法选择提供依据。     

基于OptiStruct的辅助变流器盖板及吊耳优化

采用Ansys软件对地铁高频辅助变流器柜体进行模态分析,可知辅助变流器柜体第一阶振动频率对应的振型为盖板法向振动。为增强盖板的刚度,以提高盖板第一阶振动频率为目标,在OptiStruct软件中对其进行形貌优化。同时,为减轻吊耳重量,对吊耳进行了拓扑优化。优化结果表明:辅助变流器柜体的第一阶振动频率提高32.0%,吊耳减重21.0%,优化效果较为明显。     

高速列车车体与动力包设备耦合振动分析

为研究车体与动力包结构耦合振动特性,计算车体固有模态以及低阶振型,建立了包含车下吊挂动力包的城轨车辆刚柔耦合振动模型,优化分析了动力包结构吊挂参数对车体振动特性的影响。计算结果表明:车体一阶弯曲频率对车辆垂向性能的影响要大于二阶弯曲频率。将动力包的振动以周期激励形式输入模型,当激振频率达到9.5 Hz和16.5 Hz时分别与车体的一阶和二阶弯曲频率相叠加,在此频率下车体的平稳性指标迅速恶化,因此在车辆设计过程中应尽量避免发生该频率下共振。     

车下悬吊系统耦合振动的半主动控制研究

为减小车体弹性振动,保护车下悬吊设备,研究了车体和车下悬吊设备的耦合振动关系,优化车辆动力学性能。考虑车体的弹性结构,建立车体与车下悬吊设备的刚柔耦合动力学仿真模型,对比分析了车下悬吊系统在被动控制方案和基于天棚阻尼的半主动控制方案下对车体弹性振动的影响,并分析了合理参数匹配的重要性。此外,以车下设备的质量为例研究了对半主动控制效果的影响。研究结果表明:在合理的参数匹配下,半主动控制方案能够有效降低车体的弹性振动;当车下设备质量较大时,半主动控制方案优于被动控制,且在一定范围内随质量增大减振效果更加明显。     

基于归纳谱的单轴单轨转向架二系悬挂系统特性研究

从车辆动力学和振动传递两方面研究了跨座车二系悬挂系统对于整车垂向平稳性以及减振效果的影响。首先建立了车辆动力学分析模型并进行了仿真计算，研究了沙漏弹簧对于车辆垂向运行平稳性指标的影响，给出了沙漏弹簧最佳刚度和阻尼系数。其次，采用归纳谱的方法对实测车辆振动数据进行了归纳处理，并进行了二系悬挂分层传递率的计算，对二系悬挂系统特性进行了减振综合评价。计算结果表明，二系悬挂系统垂向分层传递率波动较大，高频存在振动放大情况；横向分层传递率较为稳定，横向振动能量得到较好的衰减。     

新型局域共振橡胶减振垫振动传递特性测试分析

为了研究一种应用于浮置板轨道结构的新型橡胶减振垫的振动传递特性,对比某基于局域共振新型减振垫与普通橡胶减振垫的减振性能,研究预压质量与激振加速度对振动传递特性的影响,对新型橡胶减振垫进行刚度试验与振动传递特性试验,测试其在30~200 Hz频率下的传递特性,试验过程中采用不同的预压质量与激振加速度,振动传递特性测试采用加速度激振的方法,以加速度传递率作为减振垫振动传递特性的评价指标。结果表明:新型减振垫加速度传递率更小,减振效果更好,最大可以减小10 dB左右;减振垫上方预压质量对振动传递特性有较大影响,预压质量越大,加速度传递率越大,减振效果越差;减振垫的刚度对其振动传递特性有一定的影响,激振的加速度幅值对加速度传递率影响较小。     

不同受力环境下的钢轨扣件减振橡胶动态特性

采用电液伺服试验机对钢轨扣件中橡胶材料受压为主和受剪为主提供弹性的2种减振橡胶的非线性动态特性进行试验研究。建立减振橡胶非线性动力学模型,运用最小二乘法进行参数识别,并进行模型有效性检验。利用建立的数学模型对各种工况的试验数据逐一拟合,得到2种扣件减振橡胶不同工况下的刚度和阻尼。刚度和阻尼的变化与振幅和频率密切相关;2种钢轨扣件减振橡胶的动态特性变化规律有一定相似性,但受压型扣件减振橡胶在刚度非线性程度、动刚度随振幅频率的变化率等方面均强于受剪型扣件减振橡胶,因此,在进行钢轨扣件的优化和创新设计过程中,应优先选用橡胶材料受剪切来提供弹性,以便实现不同载荷范围、不同振幅和频率条件下的刚度稳定性。