機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)顫振機(jī)理分析及解決方案

1、機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)體顫振機(jī)理分析及解決方案1 引言 車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，受線路和各種激勵(lì)的作用，將引起車(chē)體整車(chē)或車(chē)體局部在某方向的振動(dòng)。如果這種振動(dòng)超過(guò)了某一限度，將嚴(yán)重影響乘客的舒適性。引起車(chē)體振動(dòng)的因素是多方面的，如線路激擾、輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)、車(chē)體彈性振動(dòng)等。正是由于可能產(chǎn)生振動(dòng)因素的復(fù)雜性，使得從振動(dòng)模態(tài)診斷、原因分析排除至問(wèn)題的解決變得非常困難，簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型、解析方法、經(jīng)驗(yàn)判斷或線路試驗(yàn)已不能滿(mǎn)足需要。 隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的不斷提高和車(chē)體輕量化的逐步實(shí)施，部分機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)體在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的顫振現(xiàn)象。車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)是難免的，但出現(xiàn)車(chē)體顫振是不允許的。顫振對(duì)客車(chē)運(yùn)輸帶來(lái)的不良影響主要表

2、現(xiàn)為：(1)嚴(yán)重影響旅客乘車(chē)的舒適性；(2)會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛零部件松動(dòng)或過(guò)早產(chǎn)生疲勞損壞，進(jìn)而對(duì)客車(chē)的安全造成隱患。在車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)采取措施從根本上避免車(chē)體顫振已成為鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)亟待解決的問(wèn)題。2 顫振現(xiàn)象描述機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)體的顫振通常發(fā)生在車(chē)輛運(yùn)行中速(130kmh左右)時(shí)，車(chē)體內(nèi)出現(xiàn)較明顯的上下和左右抖動(dòng)現(xiàn)象。由于這種振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生在車(chē)輛常用的速度范圍內(nèi)，車(chē)體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)壓迫車(chē)內(nèi)空氣而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，同時(shí)車(chē)體內(nèi)裝件振動(dòng)振幅及相位的差異又產(chǎn)生各種摩擦高頻噪音，嚴(yán)重影響旅客乘坐舒適性，引起了旅客不滿(mǎn)。車(chē)輛在運(yùn)行中發(fā)生的顫振是一種非常有害的高頻振動(dòng)，該振動(dòng)對(duì)車(chē)體內(nèi)設(shè)備可產(chǎn)生較大的破壞作用，惡化了機(jī)車(chē)車(chē)輛的運(yùn)

3、行平穩(wěn)性，危害旅客的身心健康。 圖1為某客車(chē)運(yùn)行時(shí)測(cè)得的車(chē)輛地板中心的振動(dòng)加速度頻譜(PSD)，從圖中可得出車(chē)體中部的振動(dòng)加速度與乘坐舒適度的關(guān)系。如圖所示，在振動(dòng)頻率為84Hz左右的峰值時(shí)，車(chē)體彎曲振動(dòng)最大。要改善乘坐舒適性，降低該值是非常必要的。 圖1中乘坐舒適度值通過(guò)濾波疊代算出。數(shù)值較大的部分正是人體容易感受到的頻率范圍。而車(chē)體彎曲振動(dòng)的最大值也在疊代值大的范圍內(nèi)，由此也可以看出，減小車(chē)體彎曲振動(dòng)對(duì)改善乘坐舒適性的重要性。從車(chē)體結(jié)構(gòu)型式看，車(chē)身較長(zhǎng)，車(chē)體整體剛度不足，固有頻率降低，車(chē)輛運(yùn)行中容易產(chǎn)生共振，引起較大噪聲。3 顫振機(jī)理分析 由于發(fā)生顫振時(shí)是部分車(chē)體發(fā)生顫振，初步判斷是發(fā)生了

4、共振。必須找出共振頻率，從而在設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，避免顫振的發(fā)生。為全面徹底地分析車(chē)體顫振現(xiàn)象，首先應(yīng)將可能引起車(chē)體顫振的各種因素逐一列出，尋找主要原因。造成車(chē)體顫振的可能原因包括線路、運(yùn)行速度、車(chē)體彈性、車(chē)體局部彈性振動(dòng)、轉(zhuǎn)向架及車(chē)體垂向彎曲彈性振動(dòng)等因素。下面就每個(gè)因素進(jìn)行分析。31 線路因素 各種車(chē)輛在同一線路上運(yùn)行，在同樣的運(yùn)行速度和同一列車(chē)中，有的車(chē)輛未出現(xiàn)車(chē)體顫振現(xiàn)象，由此可以排除線路的原因。 但有些情況下車(chē)體出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)與線路有關(guān)，如一列車(chē)經(jīng)過(guò)某鐵路橋時(shí)，車(chē)內(nèi)的乘客明顯感覺(jué)到車(chē)體在劇烈的抖動(dòng)。據(jù)測(cè)試同一車(chē)輛在不同區(qū)段(長(zhǎng)春一沈陽(yáng)、秦沈?qū)＞€、秦皇島一北京)的車(chē)體顫振情況在秦沈?qū)＞€明顯好

5、于其他兩段線路。32 車(chē)體彈性模態(tài) 隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的提高，由線路不平順引起的隨機(jī)激擾的頻域加寬，導(dǎo)致車(chē)輛垂直和橫向振動(dòng)加速度增大，并通過(guò)轉(zhuǎn)向架作用于車(chē)體，以較高頻率激勵(lì)出車(chē)體的彈性振動(dòng)。為了確保優(yōu)良的乘坐舒適性，車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)也必須具有良好的動(dòng)態(tài)特性，要求車(chē)體一階垂向彎曲模態(tài)頻率不低于10Hz。對(duì)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)來(lái)講，只有當(dāng)側(cè)墻和車(chē)頂?shù)膭偠容^大至與底架相當(dāng)時(shí)，車(chē)體一階振型表現(xiàn)為“梁”的特性，為一階彎曲振型。而實(shí)際的車(chē)體振型并不表現(xiàn)為梁的振動(dòng)特性，而是同時(shí)伴有其他振型和局部的振型。車(chē)體為一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，振型特征已沒(méi)有梁的概念，可分為底架、側(cè)墻和車(chē)頂三大部分。 某些車(chē)體模態(tài)計(jì)算和試驗(yàn)中頻率最低的振型其實(shí)不是

6、一階垂向彎曲，而是Jelly振型頻率最低。Jelly振型表現(xiàn)為車(chē)頂和底架反方向橫向彎曲，如圖2所示。在模態(tài)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)這種振型穩(wěn)定，在各種工況下振動(dòng)均非常明顯，振動(dòng)能量也較大，各工況的振動(dòng)頻率非常接近。25T型車(chē)車(chē)體Jelly模態(tài)頻率為8225Hz，車(chē)輛整備后該值有所降低，在5Hz左右。這種振型頻率較低，容易與轉(zhuǎn)向架運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生共振。由于其振動(dòng)能量較大，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較大，對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行造成非常不利的影響。該振型頻率偏低的原因是某些車(chē)體橫斷面抗菱形變形剛度偏低，車(chē)頂、底架與側(cè)墻聯(lián)結(jié)薄弱，車(chē)頂相對(duì)側(cè)墻質(zhì)量較大。 客車(chē)車(chē)體抗菱形變形剛度可定義為車(chē)體中部由側(cè)墻、底架和車(chē)頂組成的閉口箱形結(jié)構(gòu)抗菱形變形的剛

7、度。車(chē)體抗菱形變形剛度大，則Jelly振型頻率高；反之，車(chē)體抗菱形變形剛度小，則Jelly振型頻率低。 由于車(chē)體Jelly振型頻率較低，與轉(zhuǎn)向架固有頻率相近，容易被激發(fā)。當(dāng)Jelly模態(tài)被來(lái)自轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)激發(fā)后，對(duì)中間隔斷較多的軟臥車(chē)會(huì)產(chǎn)生不利影響。從橫斷面上看車(chē)體產(chǎn)生菱形變形，如果軟臥車(chē)的抗菱形變形剛度不足，即車(chē)體扭轉(zhuǎn)剛度不足，會(huì)導(dǎo)致車(chē)窗窗框、軟臥包廂鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)的變形，各種結(jié)構(gòu)相互運(yùn)動(dòng)(微動(dòng))產(chǎn)生撞擊或摩擦發(fā)出聲響，使得墻板、門(mén)、床鋪等產(chǎn)生低頻顫振和噪聲。相比之下，硬座車(chē)客室內(nèi)無(wú)隔斷，即使Jelly剛度較小，也不會(huì)引起顫振。33 車(chē)體局部彈性振動(dòng)因素車(chē)體局部彈性振動(dòng)會(huì)造成局部振動(dòng)加劇，這

8、也可能造成振動(dòng)加速度值較大以至于出現(xiàn)超標(biāo)的現(xiàn)象。為分析是否是該因素引起車(chē)輛振動(dòng)加速度增大，在線路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)時(shí)在不同部位布置了加速度測(cè)點(diǎn)，不同速度下各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度的變化情況如圖3所示。從圖3可以看出，隨著運(yùn)行速度的增加，地板和間壁的加速度值略有增加，而側(cè)墻的振動(dòng)加速度值變化明顯，說(shuō)明隨著速度增加，車(chē)輛的側(cè)墻局部橫向振動(dòng)急劇增加，顫振是由車(chē)體局部彈性振動(dòng)引起的。速度在130140kmh區(qū)段車(chē)輛共振現(xiàn)象達(dá)到峰值，車(chē)內(nèi)地板、間壁板、頂板、臥鋪及各種掛件、門(mén)均發(fā)出“噠”的響聲，地板上振顫感覺(jué)非常明顯，橫間壁顫動(dòng)，特別是臥鋪的振顫使人非常難受。 相同列車(chē)的硬臥車(chē)也存在共振現(xiàn)象，但明顯好于軟臥車(chē)，這與包

9、間不封閉及硬臥三層鋪的剛度有很大關(guān)系。 34 轉(zhuǎn)向架因素： 某次列車(chē)運(yùn)行初期，總體情況較為平穩(wěn)，但走行30萬(wàn)km后，車(chē)體和轉(zhuǎn)向架的顫振問(wèn)題開(kāi)始顯露出來(lái)，且隨著走行公里數(shù)的增加，顫振問(wèn)題逐漸增多，特別是轉(zhuǎn)向架垂向振動(dòng)尤為突出，車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)下降，頻繁發(fā)生轉(zhuǎn)向架故障。通過(guò)更換輪對(duì)后對(duì)車(chē)輛振動(dòng)變化情況的跟蹤，確定了25T型客車(chē)轉(zhuǎn)向架初始振動(dòng)的源頭來(lái)自于輪對(duì)。對(duì)輪對(duì)偏心度以及動(dòng)平衡等問(wèn)題采取了更換輪對(duì)的措施，更換后通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)跟蹤，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛振動(dòng)情況大幅度降低，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他異常情況。確定是輪對(duì)原因后，對(duì)振動(dòng)較為嚴(yán)重的車(chē)輛采取了及時(shí)更換輪對(duì)的措施，使25T型客車(chē)振動(dòng)問(wèn)題得到了有效控制。 上述超過(guò)段修標(biāo)準(zhǔn)限度

10、要求的輪對(duì)，在25T型客車(chē)實(shí)際運(yùn)行中引發(fā)振動(dòng)，并在短時(shí)間內(nèi)惡化車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)，造成了車(chē)輛配件損壞?？梢?jiàn)，有些車(chē)體的顫振是由于車(chē)輪的高頻激勵(lì)引起的，解決的方法是嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)控制輪對(duì)的動(dòng)平衡。35 運(yùn)行速度 旅客列車(chē)車(chē)體顫振一般發(fā)生在110130kmh速度區(qū)段，車(chē)輛速度高或低均無(wú)顫振現(xiàn)象發(fā)生，這表明車(chē)體顫振是由轉(zhuǎn)向架振動(dòng)引起的共振。當(dāng)車(chē)輛在110130kmh運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與車(chē)體局部頻率相同或相近，引起共振。無(wú)搖動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)向架尤其是無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架的車(chē)輛表現(xiàn)尤其明顯。25T型客車(chē)在速度為130140 kmh區(qū)段車(chē)輛共振現(xiàn)象達(dá)到峰值，速度達(dá)到160kmh以上共振現(xiàn)象基本消除，車(chē)輛運(yùn)行趨于穩(wěn)定。不同的

11、車(chē)輛共振的速度區(qū)段不同，無(wú)搖動(dòng)臺(tái)車(chē)輛的共振速度區(qū)段在130kmh左右，應(yīng)將常用速度和車(chē)輛的共振速度區(qū)段分開(kāi)，避免車(chē)體顫振。 車(chē)輛運(yùn)行速度對(duì)車(chē)體顫振的影響可以理解為與車(chē)輛運(yùn)行速度有關(guān)的激擾在某速度段較大，如輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與車(chē)體或車(chē)體局部的某階頻率相近，引起共振。現(xiàn)車(chē)監(jiān)測(cè)表明，車(chē)輛運(yùn)行速度是主要影響因素，通過(guò)巡視監(jiān)聽(tīng)以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)報(bào)振動(dòng)異常時(shí)間，Z1516次25T型客車(chē)振動(dòng)異常發(fā)生時(shí)間多在凌晨1：30-4：15期間，此時(shí)間段列車(chē)運(yùn)行在秦沈客運(yùn)專(zhuān)線上，區(qū)間平均運(yùn)行速度在150kmh左右。4 解決方案車(chē)體顫振問(wèn)題非常復(fù)雜，單從車(chē)體、轉(zhuǎn)向架等單方面研究只能從局部自身說(shuō)明一些原因，局部子系統(tǒng)問(wèn)

12、題的解決并不能從根本上徹底消除顫振，局部的性能優(yōu)化并不能代表系統(tǒng)的性能優(yōu)化。系統(tǒng)特性是各部件相互作用、耦合后綜合性能的體現(xiàn)，因此，必須從系統(tǒng)、全局出發(fā)，從可能引起振動(dòng)的各方面人手，對(duì)主要影響因素進(jìn)行綜合研究，通過(guò)分析計(jì)算，找出主導(dǎo)因數(shù)，再經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、測(cè)試等進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定合理的改進(jìn)方案和必要的整改措施。只有通過(guò)合理的系統(tǒng)性的解決方案，才能從根本上解決車(chē)體顫振問(wèn)題。 針對(duì)以上可能的原因，提出以下車(chē)體顫振系統(tǒng)解決方案的要點(diǎn)： (1)建立車(chē)體拓?fù)鋬?yōu)化模型，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算、模態(tài)分析和試驗(yàn)相結(jié)合，系統(tǒng)全面地研究車(chē)體振動(dòng)影響因素，為車(chē)體改進(jìn)提供參考和依據(jù)。 (2)由于車(chē)體是在較寬頻

13、帶上有很多共振點(diǎn)的彈性結(jié)構(gòu)體，設(shè)計(jì)時(shí)很難同時(shí)滿(mǎn)足懸掛及低振動(dòng)噪聲要求。協(xié)調(diào)方法是提高車(chē)體著力點(diǎn)的機(jī)械阻抗，即提高著力點(diǎn)附近的剛性，使車(chē)體振動(dòng)減小。 (3)在車(chē)體各構(gòu)件中，板件振動(dòng)對(duì)車(chē)體的噪聲有重要的影響。這是由于板件的聲輻射效率較高，在承受振源傳人的振動(dòng)能量時(shí)，極易成為結(jié)構(gòu)上的主要發(fā)生部位。為減弱板件振動(dòng)，可在其上設(shè)置加強(qiáng)筋以提高其剛度，或加裝阻尼帶或粘貼減振材料，使振動(dòng)衰減。 (4)加強(qiáng)車(chē)體底架、側(cè)墻和車(chē)頂?shù)倪B接，提高車(chē)體抗橫向菱形變形剛度，即提高Jelly模態(tài)頻率。對(duì)客車(chē)車(chē)體而言，要針對(duì)不同類(lèi)型的車(chē)制定車(chē)體的抗菱形變形剛度限度值。 (5)對(duì)軟臥車(chē)而言，應(yīng)將包廂隔斷的鋼結(jié)構(gòu)部分與車(chē)體側(cè)墻、底架和車(chē)頂?shù)穆?lián)結(jié)做優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免在車(chē)體模態(tài)振動(dòng)時(shí)引起摩擦顫振。5 結(jié)語(yǔ) (1)車(chē)體顫振主要是由共振引起的，其結(jié)果造成部分車(chē)體振動(dòng)劇烈。主要原因是車(chē)體整體和局部剛度低，