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摘 要：社会经济的飞速发展给我国高速动车的发展带来了较大的挑战，结合当前的高速动车组线路测试现状不难看出，车下设备不均衡振动将会导致车体的异常振动。基于此，我们需要认真研究悬吊设备不均衡振动在车体振动中的作用，经过研究发现，科学选择悬挂参数能够有效降低车体振动，当然在实际工作中也容易受到橡胶弹簧制造技术的约束，需要我们进一步探究。
关键词：车下悬吊设备；不均衡振动；车体振动
高速客车车体的轻量化设计是高速铁路发展的基本设计准则之一。轻量化设计有效减小了轮轨间的相互作用，降低制造成本，同时也造成了车体结构刚度的降低，从而导致了乘客乘坐舒适度的下降。因此，考虑车体弹性作用的车辆振动问题已成为国内外学者研究的重点。目前，世界上的多数动车组采用动力分散的牵引方式，代替了原来机车连挂的牵引方式，为此将牵引变压器、牵引变流器和风机等附属设备悬挂安装在车体下部的设备舱，但是旋转风机等悬吊设备本身具有激励源，可能加剧车体的弹性振动，因此在考虑车体弹性振动时无法忽略车下悬吊设备的影响，尤其是有源旋转设备的影响。
1剛柔耦合动力学仿真分析
1.1 模型的建立
本节基于ANSYS和SIMPACK建立考虑车体弹性和车下有源旋转设备的刚柔耦合动力学模型，研究不同悬吊方式和不均衡振动量对车体弹性振动的影响，并基于该模型提出合理的车体减振措施。根据动车组车体的实际结构和板厚，对车体的有限元模型进行修改，计算得到整备状态下车体的前几阶主要模态频率，包括有一阶垂弯、扭转、呼吸等，车体采用壳单元进行网格划分，全车共划分节点125 986个，单元数194 475个。由于有限元中大量的自由度导致动力学求解时间的严重损耗，为避免该问题的出现，在有限元软件中采用矩阵缩减方法对车体模型进行处理，获得车体的子结构模型，包括质量矩阵、刚度矩阵和几何文件信息。通过动力学和有限元软件的接口程序可以获得所需的弹性车体模型。高速动车组上的有源旋转振动设备很多，本文以换气装置的旋转风机为例，该类型的旋转风机在动力分散式的动车组上广泛使用，具有很好的代表性，旋转设备距离车体中心纵向距离0.625m，横向距离0.64m。
1.2 仿真分析结果
1.2.1 连接方式的影响
铁道车辆悬挂系统设计具有多样性，不同的车辆具有不同类型的悬挂方式。在动车组车辆的车下悬吊系统中，存在刚性和弹性两种悬挂方式，本节比较分析了两种悬挂方式对车体弹性振动的影响。速度为300km/h采用刚性和弹性连接方式下，旋转设备上方车体地板的垂向振动加速度时域和频域分析。刚性连接下车体地板的垂向振动明显大于弹性连接。在弹性连接下，车体地板面的最大振动加速度为0.731m/s2，而刚性连接下的最大垂向振动加速度为1.598m/s2，是弹性振动的2.196倍，这说明了弹性连接可以有效地降低车下悬吊设备传递到车体上的振动。地板垂向振动加速度的频谱分析，风机上方车体的垂向振动能量主要集中在52.5Hz，即风机转子的不均衡振动传递到车体。刚性连接在52.5Hz附近能量明显高于弹性连接，这反映了车体在弹性连接下的振动加速度明显小于刚性连接的根本原因是弹性悬挂降低了风机转子的不均衡振动，从图中也可以看出在其他频率下，二者之间的振动差异较小。两种悬吊方式之间的差异较小，刚性连接下车体最大振动加速度为0.743m/s2，而弹性连接下的最大值为0.732m/s2，这说明当车下有源旋转设备的转动不均衡量很小时，两种悬吊方式下车体振动的差异较小。该分析结果与无源悬挂设备振动的结论是类似的，进一步验证了仿真分析的准确性。
1.2.2 转动不均衡量的影响
从上述分析可知，车下有源旋转设备的转动不均衡量对车体振动的影响明显，只有当转动不均衡量较大时，弹性连接才可以有效地降低有源设备传递到车体上的振动，为此，本节主要研究分析在不同速度级下转动不均衡量与车体和设备振动之间的关系。在不同速度级下转动不均衡量与设备上方车体垂向振动均方根值之间的关系，可以看出，当车辆运行速度为100km/h时，车体振动均方根值从0.085m/s2增加到0.295m/s2，增加了3.46倍；而在300km/h速度下，车体的垂向振动从0.173m/s2增加到0.333m/s2，仅增加了1.92倍。随着不均衡振动的增大，车体振动明显加剧，并且振动增加速率先慢后快。在不同速度下不均衡量对车体振动的影响规律是相似的，当转子不均衡量较小时，各速度下的车体振动差异明显，随着不均衡量的增大，车体振动之间的差值减小，这说明设备的不均衡振动引起的车体振动逐渐成为车体振动的主要来源。旋转设备的垂向振动仿真结果，该结果反映了旋转设备垂向振动基本与不均衡量的变化成正比关系，并且车辆运行速度的增大不会影响风机自身的振动。
2 车体减振措施分析
通过以上分析可以看出，有源旋转设备的不均衡振动加剧了车体的弹性振动，降低了旅客乘坐舒适度，因此，车体减振措施成为车下悬挂系统的研究重点。显然，定期清洁旋转设备是有效的车体减振措施。本文主要分析其他两种可行的减振措施：合理选取车下悬挂匹配参数和采用多级隔振系统。
2.1 合理选取悬挂参数
针对车下有源悬吊设备来说，悬吊系统采用弹性连接明显优于刚性连接，这说明了采用弹性连接是降低车体振动的有效措施，前提条件是合理选取有源设备与车体之间的悬挂参数。对于橡胶弹簧来说，主要的评价参数是刚度和阻尼比。车下旋转设备上方车体和车体中部的垂向振动随悬挂刚度的变化规律。可以看出，随着悬挂刚度的增大，车体的振动不断加剧，振动均方根值从0.172m/s2增加到0.438m/s2，说明悬挂刚度的增大使得更多旋转设备的不均衡振动能量传递到车体。可以看出，随着悬挂刚度的增大，车体中部的垂向振动先保持不变后明显增大，而且垂向振动均方根值从0.195m/s2增加到0.262m/s2，增加幅值明显小于设备上方地板面的振动，说明车下旋转设备对车体振动的影响主要表现形式是车体的局部振动，但是不合理的悬挂参数会扩大车体振动范围。从设备上方车体的振动特性来说，合理的悬挂刚度越小越好；从车体中部的振动来说，合理的悬挂刚度在0～0.25MN/m之间，刚度增大也会恶化车体中部29的振动。根据减振理论可知，在实际隔振设计中，为了降低系统的固有频率，一般选取减振系统的频率比在2.5～5范围内，参考旋转设备的固有参数，橡胶弹簧的合理选取范围为0.16～0.66MN/m。因此，将橡胶弹簧刚度设计为0.2MN/m是合理的。
2.2 多级隔振系统
在旋转设备单级隔振系统研究中，橡胶弹簧刚度应该选取0.2MN/m，阻尼比选取0.05，但是在现实生产中橡胶弹簧的刚度无法满足设计需求，实际的安装刚度为0.588MN/m，远大于设计刚度，从上述分析可知，橡胶弹簧刚度的增大不仅会导致车体局部振动的增大，而且可能会引起局部振动范围的进一步扩大，鉴于此，提出采用多级隔振系统方法降低车体振动。
3结论
（1）高速动车组的车下旋转设备上方车体地板出现异常振动现象，主要原因是车辆长期服役运行造成车下旋转设备不均衡振动加剧，定期对旋转设备进行清洁工作可以有效降低转动不均衡量，从而减小对车体弹性振动的影响。（2）车下悬吊有源旋转设备的不均衡振动对车体局部振动影响较大，转动不均衡量的增大恶化了车体的弹性振动及旅客乘坐舒适度，并且车体的局部振动范围也随之增大；采用弹性悬吊方式可以有效降低车体的弹性振动，与刚性悬吊对比，转动不均衡量的增大会使弹性连接的优势更加突出。（3）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的影响；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。
关键词：车下悬吊设备；不均衡振动；车体振动
高速客车车体的轻量化设计是高速铁路发展的基本设计准则之一。轻量化设计有效减小了轮轨间的相互作用，降低制造成本，同时也造成了车体结构刚度的降低，从而导致了乘客乘坐舒适度的下降。因此，考虑车体弹性作用的车辆振动问题已成为国内外学者研究的重点。目前，世界上的多数动车组采用动力分散的牵引方式，代替了原来机车连挂的牵引方式，为此将牵引变压器、牵引变流器和风机等附属设备悬挂安装在车体下部的设备舱，但是旋转风机等悬吊设备本身具有激励源，可能加剧车体的弹性振动，因此在考虑车体弹性振动时无法忽略车下悬吊设备的影响，尤其是有源旋转设备的影响。
1剛柔耦合动力学仿真分析
1.1 模型的建立
本节基于ANSYS和SIMPACK建立考虑车体弹性和车下有源旋转设备的刚柔耦合动力学模型，研究不同悬吊方式和不均衡振动量对车体弹性振动的影响，并基于该模型提出合理的车体减振措施。根据动车组车体的实际结构和板厚，对车体的有限元模型进行修改，计算得到整备状态下车体的前几阶主要模态频率，包括有一阶垂弯、扭转、呼吸等，车体采用壳单元进行网格划分，全车共划分节点125 986个，单元数194 475个。由于有限元中大量的自由度导致动力学求解时间的严重损耗，为避免该问题的出现，在有限元软件中采用矩阵缩减方法对车体模型进行处理，获得车体的子结构模型，包括质量矩阵、刚度矩阵和几何文件信息。通过动力学和有限元软件的接口程序可以获得所需的弹性车体模型。高速动车组上的有源旋转振动设备很多，本文以换气装置的旋转风机为例，该类型的旋转风机在动力分散式的动车组上广泛使用，具有很好的代表性，旋转设备距离车体中心纵向距离0.625m，横向距离0.64m。
1.2 仿真分析结果
1.2.1 连接方式的影响
铁道车辆悬挂系统设计具有多样性，不同的车辆具有不同类型的悬挂方式。在动车组车辆的车下悬吊系统中，存在刚性和弹性两种悬挂方式，本节比较分析了两种悬挂方式对车体弹性振动的影响。速度为300km/h采用刚性和弹性连接方式下，旋转设备上方车体地板的垂向振动加速度时域和频域分析。刚性连接下车体地板的垂向振动明显大于弹性连接。在弹性连接下，车体地板面的最大振动加速度为0.731m/s2，而刚性连接下的最大垂向振动加速度为1.598m/s2，是弹性振动的2.196倍，这说明了弹性连接可以有效地降低车下悬吊设备传递到车体上的振动。地板垂向振动加速度的频谱分析，风机上方车体的垂向振动能量主要集中在52.5Hz，即风机转子的不均衡振动传递到车体。刚性连接在52.5Hz附近能量明显高于弹性连接，这反映了车体在弹性连接下的振动加速度明显小于刚性连接的根本原因是弹性悬挂降低了风机转子的不均衡振动，从图中也可以看出在其他频率下，二者之间的振动差异较小。两种悬吊方式之间的差异较小，刚性连接下车体最大振动加速度为0.743m/s2，而弹性连接下的最大值为0.732m/s2，这说明当车下有源旋转设备的转动不均衡量很小时，两种悬吊方式下车体振动的差异较小。该分析结果与无源悬挂设备振动的结论是类似的，进一步验证了仿真分析的准确性。
1.2.2 转动不均衡量的影响
从上述分析可知，车下有源旋转设备的转动不均衡量对车体振动的影响明显，只有当转动不均衡量较大时，弹性连接才可以有效地降低有源设备传递到车体上的振动，为此，本节主要研究分析在不同速度级下转动不均衡量与车体和设备振动之间的关系。在不同速度级下转动不均衡量与设备上方车体垂向振动均方根值之间的关系，可以看出，当车辆运行速度为100km/h时，车体振动均方根值从0.085m/s2增加到0.295m/s2，增加了3.46倍；而在300km/h速度下，车体的垂向振动从0.173m/s2增加到0.333m/s2，仅增加了1.92倍。随着不均衡振动的增大，车体振动明显加剧，并且振动增加速率先慢后快。在不同速度下不均衡量对车体振动的影响规律是相似的，当转子不均衡量较小时，各速度下的车体振动差异明显，随着不均衡量的增大，车体振动之间的差值减小，这说明设备的不均衡振动引起的车体振动逐渐成为车体振动的主要来源。旋转设备的垂向振动仿真结果，该结果反映了旋转设备垂向振动基本与不均衡量的变化成正比关系，并且车辆运行速度的增大不会影响风机自身的振动。
2 车体减振措施分析
通过以上分析可以看出，有源旋转设备的不均衡振动加剧了车体的弹性振动，降低了旅客乘坐舒适度，因此，车体减振措施成为车下悬挂系统的研究重点。显然，定期清洁旋转设备是有效的车体减振措施。本文主要分析其他两种可行的减振措施：合理选取车下悬挂匹配参数和采用多级隔振系统。
2.1 合理选取悬挂参数
针对车下有源悬吊设备来说，悬吊系统采用弹性连接明显优于刚性连接，这说明了采用弹性连接是降低车体振动的有效措施，前提条件是合理选取有源设备与车体之间的悬挂参数。对于橡胶弹簧来说，主要的评价参数是刚度和阻尼比。车下旋转设备上方车体和车体中部的垂向振动随悬挂刚度的变化规律。可以看出，随着悬挂刚度的增大，车体的振动不断加剧，振动均方根值从0.172m/s2增加到0.438m/s2，说明悬挂刚度的增大使得更多旋转设备的不均衡振动能量传递到车体。可以看出，随着悬挂刚度的增大，车体中部的垂向振动先保持不变后明显增大，而且垂向振动均方根值从0.195m/s2增加到0.262m/s2，增加幅值明显小于设备上方地板面的振动，说明车下旋转设备对车体振动的影响主要表现形式是车体的局部振动，但是不合理的悬挂参数会扩大车体振动范围。从设备上方车体的振动特性来说，合理的悬挂刚度越小越好；从车体中部的振动来说，合理的悬挂刚度在0～0.25MN/m之间，刚度增大也会恶化车体中部29的振动。根据减振理论可知，在实际隔振设计中，为了降低系统的固有频率，一般选取减振系统的频率比在2.5～5范围内，参考旋转设备的固有参数，橡胶弹簧的合理选取范围为0.16～0.66MN/m。因此，将橡胶弹簧刚度设计为0.2MN/m是合理的。
2.2 多级隔振系统
在旋转设备单级隔振系统研究中，橡胶弹簧刚度应该选取0.2MN/m，阻尼比选取0.05，但是在现实生产中橡胶弹簧的刚度无法满足设计需求，实际的安装刚度为0.588MN/m，远大于设计刚度，从上述分析可知，橡胶弹簧刚度的增大不仅会导致车体局部振动的增大，而且可能会引起局部振动范围的进一步扩大，鉴于此，提出采用多级隔振系统方法降低车体振动。
3结论
（1）高速动车组的车下旋转设备上方车体地板出现异常振动现象，主要原因是车辆长期服役运行造成车下旋转设备不均衡振动加剧，定期对旋转设备进行清洁工作可以有效降低转动不均衡量，从而减小对车体弹性振动的影响。（2）车下悬吊有源旋转设备的不均衡振动对车体局部振动影响较大，转动不均衡量的增大恶化了车体的弹性振动及旅客乘坐舒适度，并且车体的局部振动范围也随之增大；采用弹性悬吊方式可以有效降低车体的弹性振动，与刚性悬吊对比，转动不均衡量的增大会使弹性连接的优势更加突出。（3）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的影响；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。