减振器安装刚度对机车车辆固有频率的影响

周晓莉，陈 康

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

减振器安装刚度对机车车辆固有频率的影响

周晓莉，陈 康

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

运用SIMPACK仿真软件建立机车车辆的整车动力学计算模型，分析一系垂向减振器，二系垂向和横向减振器安装刚度对车辆固有频率的影响。结果表明，减振器安装刚度对构架和车体的固有频率均有影响，为机车车辆设计提供相应的参考。

动力学；减振器；安装刚度；固有频率

车辆固有频率和振型的分析对转向架的动力学设计非常重要。轨道车辆运行时，应确保车辆系统的固有频率避开外界的激励频率，从而避免“共振”现象的发生，保证车辆的运行品质。车辆的固有频率和振型与车辆本身结构密切相关，各组成部件对车辆的固有频率及振型的影响程度是不一致的。其中，减振器对机车车辆固有频率有显著影响。通过SIMPACK仿真软件建立整车动力学模型，分析了转向架一系垂向减振器，二系垂向和横向减振器的安装刚度对车体及构架固有频率的影响，为减振器安装刚度的选取提供依据，进而为转向架的设计及动力学计算提供一定的参考。

1 减振器模型

减振器两端接头处均装有各种橡胶关节，按结构形式可分为5类：橡胶垫式、无外套桥式、无外套销式、球形桥式和球形销式，主要由安装位置和连接部件结构来共同决定［1］。橡胶关节具有轴向、径向和偏转三向刚度，因此在车辆系统动力学计算中应考虑减振器两端安装刚度的影响。为了简化计算和分析，本文仅考虑沿减振器安装方向的安装刚度影响，而忽略其他方向安装刚度的影响。其等效模型见图1（a）所示，设减振器阻尼系数为C，减振器两端接头处的刚度及内部的油压刚度的等效刚度为K。

基于上述假设，建立单自由度质量—弹簧—阻尼的自由振动模型分析减振器端部安装刚度对系统固有频率的影响，如图1（b）所示。其振动方程如下

在SIMPACK仿真软件中建立上述模型，参数以某转向架构架1/4垂向振动模型参数为例，其中质量M为600 kg，弹簧刚度K0为1.176 MN/m，阻尼系数C为19 600 N/m s－1。计算结果见表1，表明减振器端部安装刚度对系统固有频率有较大的影响。当不考虑减振器安装刚度时，系统固有频率为7.05 Hz，当刚度值取1.0 MN/m时，系统的固有频率为8.64 Hz，随着减振器端部的安装刚度值逐渐增大，系统的固有频率逐渐减小。

2 整车动力学模型

该模型由车体、转向架构架、轮对、一系悬挂装置和二系悬挂装置等组成。其中，一系悬挂装置由轴箱弹簧、一系垂向减振器及轴箱拉杆组成；二系悬挂装置由高圆弹簧、二系垂向减振器及二系横向减振器组成。转向架构架通过一系悬挂装置和轮对连接，车体通过二系悬挂装置坐在转向架构架上。该模型中有6个一系垂向减振器，4个二系垂向减振器和8个二系横向减振器。一系、二系垂向减振器参数主要影响车辆系统的垂向动力学性能，而二系横向和抗蛇行减振器参数主要影响车体的横向动力学性能［2］。因此，主要考虑一系、二系垂向减振器安装刚度对构架和车体的垂向振动固有频率的影响，以及二系横向减振器安装刚度对构架和车体的横向振动固有频率的影响。

选取了3组车辆动力学计算参数，主要区别在于一系及二系悬挂参数的不同。其中，参数组1中一系悬挂垂向刚度较小，二系悬挂垂向刚度较大；参数组2中一系悬挂垂向刚度较大，二系悬挂垂向刚度较小；参数组3中一系悬挂垂向刚度与二系悬挂垂向刚度相差较小，见表2所示。

3 计算结果及分析

利用机车车辆整车动力学模型对一系垂向减振器、二系垂向减振器和横向减振器的安装刚度对构架和车体的固有频率的影响进行了仿真计算，现分析如下。

3.1 一系垂向减振器

表格中的B代表构架，C代表车体。表3、表4和表5的计算结果表明，一系垂向减振器安装刚度对构架垂向振动固有频率的影响较大，但对车体垂向振动固有频率的影响较小。当一系垂向减振器安装刚度值取5.0 MN/m时，构架的浮沉及点头固有频率分别达到最大值。

对比3组车辆动力学参数的计算结果还可以发现：

（1）按参数组1计算时，构架浮沉固有频率值最大，点头固有频率值最小，车体的垂向振动固有频率最小，且构架的点头固有频率值变化最大，浮沉固有频率值变化最小；

（2）按参数组2计算时，构架浮沉固有频率值最小，点头固有频率值最大，且构架的点头固有频率值变化最小，浮沉固有频率值变化最大；

（3）按参数组3计算时，车体的垂向振动固有频率值最大。

因此在转向架设计及分析计算车辆固有频率和振型时，应当考虑一系垂向减振器安装刚度的影响。由于一系垂向减振器安装刚度对构架的垂向振动固有频率的影响较大，在货车转向架设计及计算时，不能忽略该安装刚度的影响，在货车运行时使车辆系统的固有频率避开外界的激励频率，避免共振现象，确保运送货物的完整性。

同时，3组动力学参数的计算结果表明，当选取不同的一系及二系悬挂参数时，一系垂向减振器安装刚度对构架和车体的垂向振动固有频率的影响程度不相同。因此，应当根据转向架具体的设计要求及悬挂参数，综合考虑，合理的选择一系垂向减振器安装刚度。

3.2 二系垂向减振器

表6、表7和表8的计算结果表明，二系垂向减振器安装刚度对构架的垂向振动固有频率影响较大，而对车体的垂向振动固有频率影响较小。与一系垂向减振器安装刚度对构架和车体垂向振动固有频率的影响相比，二系垂向减振器的安装刚度对构架的浮沉固有频率的影响更大，对构架的点头固有频率影响较小，对车体的点头固有频率影响较小。当二系垂向减振器安装刚度值取5.0 MN/m时，构架的浮沉及点头固有频率分别达到最大值。

对比3组车辆动力学参数的计算结果还可以看到：

（1）按参数组1的参数计算时，构架浮沉固有频率值最大，点头固有频率值最小，车体的垂向振动固有频率最小，且构架的点头固有频率值变化最大，浮沉固有频率值变化最小；

（2）按参数组2的参数计算时，构架浮沉固有频率值最小，点头固有频率值最大，且构架的点头固有频率值变化最小，浮沉固有频率值变化最大；

（3）按参数组3的参数计算时，车体的垂向振动固有频率值最大。

因此在转向架设计及分析计算车辆固有频率和振型时，不能忽略二系垂向减振器安装刚度对其固有频率的影响。上述分析结果还表明，当选取不同的一系及二系悬挂参数时，二系垂向减振器安装刚度对构架和车体的垂向振动固有频率的影响程度也不一致。因此，还应当根据转向架具体的设计要求及悬挂参数，综合考虑，选择合适的二系垂向减振器安装刚度。

3.3 二系横向减振器

表9、表10和表11的计算结果表明，二系横向减振器安装刚度对构架的横向振动固有频率影响不大，但对车体的横移及摇头固有频率影响较大，对车体的侧滚固有频率影响较小。

对比3组车辆动力学参数的计算结果还可以看到：

（1）按参数组1计算时，车体横移固有频率值变化最小，摇头固有频率值变化最大；

（2）按参数组2计算时，车体横移固有频率值变化最大，摇头固有频率值变化最小；

（3）按参数组3计算时，车体的侧滚固有频率值最大。

因此，在分析计算车体振动固有频率和振型时，应当考虑二系横向减振器安装刚度值的影响，避免共振，保证车辆运行的舒适度及安全性。

4 结束语

通过对一系垂向减振器、二系垂向减振器和二系横向减振器的安装刚度对构架及车体固有频率影响的分析，初步可得出以下结论：

（1）一系垂向减振器和二系垂向减振器的安装刚度对构架的垂向振动固有频率影响较大，但对车体的垂向振动固有频率影响较小；

（2）二系横向减振器的安装刚度对构架的横向振动固有频率影响较小，但对车体的横移和摇头固有频率影响较大；

（3）当选取不同的一系悬挂和二系悬挂参数时，一系垂向减振器和二系垂向减振器的安装刚度对构架的固有频率的影响程度不一致。在一系悬挂垂向刚度较小，二系悬挂垂向刚度较大的情况下，构架的点头固有频率值变化最大，浮沉固有频率值变化最小；而对于一系悬挂垂向刚度较大，二系悬挂垂向刚度较小的情况，构架的点头固有频率值变化最小，浮沉固有频率值变化最大。

（4）当选取不同的一系悬挂和二系悬挂参数时，二系横向减振器的安装刚度对车体的横向振动固有频率有不同程度的影响。在一系悬挂垂向刚度较小，二系悬挂垂向刚度较大的情况下，车体横移固有频率值变化最小，摇头固有频率值变化最大；而对于一系悬挂垂向刚度较大，二系悬挂垂向刚度较小的情况，车体横移固有频率值变化最大，摇头固有频率值变化最小；当一系悬挂垂向刚度与二系悬挂垂向刚度相差不大的情况下，车体的侧滚固有频率值最大。

减振器的安装刚度对构架及车体的固有频率有一定的影响，如果只考虑某一方面的影响，则难免会顾此失彼产生矛盾，因此，在设计转向架及建立车辆动力学计算模型时，应综合考虑，选取合理的参数。分析车辆固有频率和振型时，应充分考虑减振器安装刚度的影响。在车辆运行时，尽量使激励频率避开车辆系统的固有频率，减少共振，保证乘客的乘坐舒适度、安全性以及货物的完整性。

［1］ 杨国桢，王福天.机车车辆液压减振器［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［2］ 赵云生.油压减振器的安装刚度对车辆动力学性能的影响［J］.铁道车辆，1997，35（5）：5-9.

Influence of Damper Stiffness to Natural Frequency of Rolling Stocks

ZHOU Xiaoli，CHEN Kang
（Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

Using the simulation software SIMPACK to establish a vehicle dynamics model，this paper analyzes the influence of the installation stiffness of the primary vertical damper，the second and lateral damper.The results show that the installed stiffness of the damper has a certain impact on the natural frequency of the bogie and the body，which provides reference for the design of the vehicles.

dynamics；damper；installing stiffness；natural frequency

U260.331＋.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.09

1008－7842（2014）05－0039－04

9—）女，研究生（

2014－02－27）