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【摘要】本文对国内外机车隔震方案进行了对比，并针对国内DF系列型号内燃机车进行隔震方案分析，建立司机室动力学模型，通过计算司机室振动频率响应函数，比较采用司机室弹性安装结构前后机车运行平稳性差异，分析其隔震效果。
【关键词】内燃机车司机室 隔震性能
中图分类号：F407.472 文献标识码：A 文章编号：
现今，随着人们生活水平的提高，机车车辆的噪声、振动与声振粗糙度问题越来越受到重视，过大的噪声振动不仅会缩短仪器设备的使用寿命，而且会大大降低乘坐的舒适性，导致司机疲劳引发安全事故。本文对内燃机车司机室的隔震性能做了以下探讨。
一、内燃机车隔震现状
内燃机车的隔震形式主要有两种: 一种是主动隔震，即司机室刚性安装在底架上，在柴油发电机组与车体底架之间安装弹性支撑降低振动的传递；另一种是被动隔震，即将柴油发电机组刚性安装在车体底架上，通过在司机室与减振器之间布置弹簧减振器，以降低司机室的振动。
国内 DF 系列机车基本采用主动隔震形式，但其在运营过程中产生了不同程度的司机室共振问题，其中DF4型机车的司机室共振问题比较普遍。不少科研人员对 DF 系列机车的司机室异常振动进行了研究，如《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》中通过理论计算与实际测试进行比较，分析了非运行状态下的共振振源，计算了机车的固有频率，从设计、工艺等方面提出了减小、消除共振的措施。
国外机车多采用被动隔震形式。以北美重载机车为例，许多重载机车都采用司机室悬挂结构来降低振动的传递。其中，《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法》根据 EMD pD-70MAC型机车司机室的弹性安装参数以及结构参数，建立振动的数学模型，研究弹性安装参数对司机室隔震性能的影响，并评估了非线性阻尼能否在不引发司机室低频( 小于3 Hz) 振动的同时，有效地隔离机车司机室的高频振动。西南交通大学的学报中记载，在 2000 年用实验的方法研究北美重载机车典型司机室振动特性，通过比较司机室采用不同弹性隔震器( 橡胶隔震器、金属弹簧、空气弹簧) 后的隔震性能，作者提出一种可分离式“弹性安装司机室”模型。
二、司机室安装参数对其隔震性能的影响
对于内燃机车而言，司机室需要隔离两个振源产生的振动: 柴油发电机组产生的高频激扰以及轨道不平顺所引起的低频激扰本文分析的机车选用 16V265H 型柴油机，柴油机与发电机使用弹性联轴节连接，刚性安装在车体底架上，柴油机的工作转速为400 ～1 000 r/min。柴油发电机组可以平衡柴油机气体燃烧爆发引起的机械振动和活塞连杆组往复运动惯性力引起的振动，但由于热膨胀以及加工组装产生的偏心质量会使柴油发电机组在工作时产生离心力，这会对机车产生周期性激扰。当激扰频率接近司机室的自振频率时，司机室就会产生共振。由隔震理论可知，当激扰频率大于被隔震物体自振频率的√2倍时，就可以有效地隔离振动。柴油发电机组的工作转速为400 ～1 000 r/min，根据柴油发电机组的振动实验报告，柴油机曲轴、主发电机转子以及与之相连的旋转结构( 弹性联轴节、变速箱、硅油减振器等) 转动所产生的振动激励其频率为16. 7 Hz，且纵向与横向振动大多情况下超过垂向。
根据司机室几何参数与安装参数建立司机室的动力学模型，并对该模型进行线性系统分析。通过分析结构在正弦激励下的频率响应函数，判断结构是否能够满足隔震需要，并研究弹性安装参数对隔震性能的影响。
（一）对柴油发电机组振动的隔离
对建立的 6 自由度模型进行模态计算，其自振频率有 6 个，分别是1. 325 8 Hz( 点头) 、4. 677 3 Hz( 侧滚) 、5. 057 9 Hz( 沉浮) 、10. 087 7 Hz( 摇头) 、14. 706 5 Hz ( 侧滚沉浮耦合) 和18. 527 6 Hz ( 点头) 。下面对于系统进行线性系统分析。该曲线存在三个峰值: 1. 303 4 Hz、5. 014 1 Hz 和 18. 806 Hz。当频率为 16. 7 Hz 时，垂向位移频率响应幅值为0. 050 6，由于柴油机并不存在1. 3 Hz 和5 Hz左右的激振频率，司机室弹性安装结构不会产生低频的共振，而该结构对于高频( 10 Hz 以上) 的隔离效果也非常好。因此该系统可以非常有效地隔离来自柴油发电机组的垂向振动。此时，曲线存在 3个峰值，分别是1. 638 4 Hz、6. 144 9 Hz、22. 468 Hz。当频率为 16. 7 Hz 时，纵向频率响应函数的幅值为0. 820 48，可见该系统虽然可以隔离来自柴油发电机组的振动，但对于纵向振动的隔离效果并不如垂向那么有效。
因为司机室前端的横向拉杆只提供较大的横向刚度以限制司机室的横向运动，并未提供阻尼以削弱振动的传递，所以司机室的弹性安装结构对于柴油发电机组横向振动的隔离有待加强。
（二）对轨道不平顺激扰振动的隔离
在运行状态下评价司机室弹性安装结构对于轨道不平顺所产生的振动的隔离情况。分别建立两个机车模型，比较分析采用司机室弹性安装结构前后对于机车运行平稳性的影响。本文所研究的内燃机车最大运行速度为120 km/h，在美国6 级谱( FRA Class6) 軌道条件下，计算机车以 60 ～ 120km /h 速度运行时，机车前端司机室位置的横向和纵向平稳性指标以及最大加速度。
由 计算出的平稳性指标可以看出: 两种情况下机车的垂向平稳性均达到了优良标准； 未采用司机室弹性安装结构的机车横向平稳性在 120km / h 速度下为良好，在 110 km / h 以下为优良； 采用司机室弹性安装结构的机车横向平稳性在 60 ～120 km / h 下均为优良。选用司机室弹性安装结构会改善机车横向与垂向平稳性指标。
采用司机室弹性安装结构之前，机车的垂向振动加速度要大于横向振动加速度； 采用司机室弹性安装结构后，机车前端司机室位置的垂向振动加速度的最大值明显降低，与横向振动加速度的最大值接近，并且横向振动加速度的最大值也有所降低。
三、司机室弹性安装方案
本文所研究的国内某型内燃机车司机室采用枢轴支撑隔震系统: 两个橡胶轴承减振器安装在司机室后部，减振器水平横向放置，较低的转轴刚度使司机室及隔震系统具有较低的“点头”模态频率； 两个弹簧垂直放置于司机室前端的两角，弹簧主要用于控制“点头”模态的频率； 两个阻尼器与弹簧平行布置，用于减少或消除轨道不平顺引起的低频振动振幅增大； 两个横向连杆安装于车体前端，连杆两端可自由转动，但横向刚度非常大，横向连杆的安装使司机室可以在垂向与纵向上相对于车体底架运动，连杆限制了司机室的横向运动，控制了司机室的摇头模态。
四、结语
（一）通过对司机室结构进行频率响应分析，发现柴油发电机组的激振频率并不在司机室共振频率范围内，司机室弹性安装结构可以隔离柴油发电机组正常工作下所产生的振动，且垂向的隔离效果较明显，纵向与横向隔离效果欠佳。
（二）由于柴油机激振频率十分接近司机室共振频率范围，当机车车体底架固有频率在司机室固有频率与柴油发电机组激振频率之间时，就会造成车体底架共振，这种共振会引发司机室的共振。
（三）机车采用司机室弹性安装结构后，横向与垂向平稳性均有所增强，在各运行速度下的横向与垂向平稳性均达到优良水平。
（四）在采用司机室弹性安装结构之前，司机室位置的垂向振动加速度要大于横向； 而采用司机室弹性安装结构后，司机室位置垂向振动加速度明显降低，横向与垂向振动加速度相当。司机室弹性安装结构可以隔离柴油发电机组产生的高频振动，有效地改善司机室垂向振动过大情况，但该结构对于纵向与横向振动的改善并不明显，可适当增加减振器来降低纵向与横向的振动。
【参考文献】
［1］ 陈建政，张卫华． 车体参数测定方法研究［J］． 西南交通大学学报，2000，( 4) :2—5．
［2］ 王开云，封全保． 时速 140 km 轨道车动力学性能仿真［J］． 西南交通大学学报，2004，( 5) :1—4．
［3］ TB/T 2360—1993，铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准［S］．
［4］ GB/T 17426—1998，铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法［S］．
［5］ GB 5599—85，铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］．
【关键词】内燃机车司机室 隔震性能
中图分类号：F407.472 文献标识码：A 文章编号：
现今，随着人们生活水平的提高，机车车辆的噪声、振动与声振粗糙度问题越来越受到重视，过大的噪声振动不仅会缩短仪器设备的使用寿命，而且会大大降低乘坐的舒适性，导致司机疲劳引发安全事故。本文对内燃机车司机室的隔震性能做了以下探讨。
一、内燃机车隔震现状
内燃机车的隔震形式主要有两种: 一种是主动隔震，即司机室刚性安装在底架上，在柴油发电机组与车体底架之间安装弹性支撑降低振动的传递；另一种是被动隔震，即将柴油发电机组刚性安装在车体底架上，通过在司机室与减振器之间布置弹簧减振器，以降低司机室的振动。
国内 DF 系列机车基本采用主动隔震形式，但其在运营过程中产生了不同程度的司机室共振问题，其中DF4型机车的司机室共振问题比较普遍。不少科研人员对 DF 系列机车的司机室异常振动进行了研究，如《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》中通过理论计算与实际测试进行比较，分析了非运行状态下的共振振源，计算了机车的固有频率，从设计、工艺等方面提出了减小、消除共振的措施。
国外机车多采用被动隔震形式。以北美重载机车为例，许多重载机车都采用司机室悬挂结构来降低振动的传递。其中，《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法》根据 EMD pD-70MAC型机车司机室的弹性安装参数以及结构参数，建立振动的数学模型，研究弹性安装参数对司机室隔震性能的影响，并评估了非线性阻尼能否在不引发司机室低频( 小于3 Hz) 振动的同时，有效地隔离机车司机室的高频振动。西南交通大学的学报中记载，在 2000 年用实验的方法研究北美重载机车典型司机室振动特性，通过比较司机室采用不同弹性隔震器( 橡胶隔震器、金属弹簧、空气弹簧) 后的隔震性能，作者提出一种可分离式“弹性安装司机室”模型。
二、司机室安装参数对其隔震性能的影响
对于内燃机车而言，司机室需要隔离两个振源产生的振动: 柴油发电机组产生的高频激扰以及轨道不平顺所引起的低频激扰本文分析的机车选用 16V265H 型柴油机，柴油机与发电机使用弹性联轴节连接，刚性安装在车体底架上，柴油机的工作转速为400 ～1 000 r/min。柴油发电机组可以平衡柴油机气体燃烧爆发引起的机械振动和活塞连杆组往复运动惯性力引起的振动，但由于热膨胀以及加工组装产生的偏心质量会使柴油发电机组在工作时产生离心力，这会对机车产生周期性激扰。当激扰频率接近司机室的自振频率时，司机室就会产生共振。由隔震理论可知，当激扰频率大于被隔震物体自振频率的√2倍时，就可以有效地隔离振动。柴油发电机组的工作转速为400 ～1 000 r/min，根据柴油发电机组的振动实验报告，柴油机曲轴、主发电机转子以及与之相连的旋转结构( 弹性联轴节、变速箱、硅油减振器等) 转动所产生的振动激励其频率为16. 7 Hz，且纵向与横向振动大多情况下超过垂向。
根据司机室几何参数与安装参数建立司机室的动力学模型，并对该模型进行线性系统分析。通过分析结构在正弦激励下的频率响应函数，判断结构是否能够满足隔震需要，并研究弹性安装参数对隔震性能的影响。
（一）对柴油发电机组振动的隔离
对建立的 6 自由度模型进行模态计算，其自振频率有 6 个，分别是1. 325 8 Hz( 点头) 、4. 677 3 Hz( 侧滚) 、5. 057 9 Hz( 沉浮) 、10. 087 7 Hz( 摇头) 、14. 706 5 Hz ( 侧滚沉浮耦合) 和18. 527 6 Hz ( 点头) 。下面对于系统进行线性系统分析。该曲线存在三个峰值: 1. 303 4 Hz、5. 014 1 Hz 和 18. 806 Hz。当频率为 16. 7 Hz 时，垂向位移频率响应幅值为0. 050 6，由于柴油机并不存在1. 3 Hz 和5 Hz左右的激振频率，司机室弹性安装结构不会产生低频的共振，而该结构对于高频( 10 Hz 以上) 的隔离效果也非常好。因此该系统可以非常有效地隔离来自柴油发电机组的垂向振动。此时，曲线存在 3个峰值，分别是1. 638 4 Hz、6. 144 9 Hz、22. 468 Hz。当频率为 16. 7 Hz 时，纵向频率响应函数的幅值为0. 820 48，可见该系统虽然可以隔离来自柴油发电机组的振动，但对于纵向振动的隔离效果并不如垂向那么有效。
因为司机室前端的横向拉杆只提供较大的横向刚度以限制司机室的横向运动，并未提供阻尼以削弱振动的传递，所以司机室的弹性安装结构对于柴油发电机组横向振动的隔离有待加强。
（二）对轨道不平顺激扰振动的隔离
在运行状态下评价司机室弹性安装结构对于轨道不平顺所产生的振动的隔离情况。分别建立两个机车模型，比较分析采用司机室弹性安装结构前后对于机车运行平稳性的影响。本文所研究的内燃机车最大运行速度为120 km/h，在美国6 级谱( FRA Class6) 軌道条件下，计算机车以 60 ～ 120km /h 速度运行时，机车前端司机室位置的横向和纵向平稳性指标以及最大加速度。
由 计算出的平稳性指标可以看出: 两种情况下机车的垂向平稳性均达到了优良标准； 未采用司机室弹性安装结构的机车横向平稳性在 120km / h 速度下为良好，在 110 km / h 以下为优良； 采用司机室弹性安装结构的机车横向平稳性在 60 ～120 km / h 下均为优良。选用司机室弹性安装结构会改善机车横向与垂向平稳性指标。
采用司机室弹性安装结构之前，机车的垂向振动加速度要大于横向振动加速度； 采用司机室弹性安装结构后，机车前端司机室位置的垂向振动加速度的最大值明显降低，与横向振动加速度的最大值接近，并且横向振动加速度的最大值也有所降低。
三、司机室弹性安装方案
本文所研究的国内某型内燃机车司机室采用枢轴支撑隔震系统: 两个橡胶轴承减振器安装在司机室后部，减振器水平横向放置，较低的转轴刚度使司机室及隔震系统具有较低的“点头”模态频率； 两个弹簧垂直放置于司机室前端的两角，弹簧主要用于控制“点头”模态的频率； 两个阻尼器与弹簧平行布置，用于减少或消除轨道不平顺引起的低频振动振幅增大； 两个横向连杆安装于车体前端，连杆两端可自由转动，但横向刚度非常大，横向连杆的安装使司机室可以在垂向与纵向上相对于车体底架运动，连杆限制了司机室的横向运动，控制了司机室的摇头模态。
四、结语
（一）通过对司机室结构进行频率响应分析，发现柴油发电机组的激振频率并不在司机室共振频率范围内，司机室弹性安装结构可以隔离柴油发电机组正常工作下所产生的振动，且垂向的隔离效果较明显，纵向与横向隔离效果欠佳。
（二）由于柴油机激振频率十分接近司机室共振频率范围，当机车车体底架固有频率在司机室固有频率与柴油发电机组激振频率之间时，就会造成车体底架共振，这种共振会引发司机室的共振。
（三）机车采用司机室弹性安装结构后，横向与垂向平稳性均有所增强，在各运行速度下的横向与垂向平稳性均达到优良水平。
（四）在采用司机室弹性安装结构之前，司机室位置的垂向振动加速度要大于横向； 而采用司机室弹性安装结构后，司机室位置垂向振动加速度明显降低，横向与垂向振动加速度相当。司机室弹性安装结构可以隔离柴油发电机组产生的高频振动，有效地改善司机室垂向振动过大情况，但该结构对于纵向与横向振动的改善并不明显，可适当增加减振器来降低纵向与横向的振动。
【参考文献】
［1］ 陈建政，张卫华． 车体参数测定方法研究［J］． 西南交通大学学报，2000，( 4) :2—5．
［2］ 王开云，封全保． 时速 140 km 轨道车动力学性能仿真［J］． 西南交通大学学报，2004，( 5) :1—4．
［3］ TB/T 2360—1993，铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准［S］．
［4］ GB/T 17426—1998，铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法［S］．
［5］ GB 5599—85，铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］．