橡胶挂件在高铁车辆横向振动耦合机制及其减振技术中的应用

刘寅,周峰

（南京七四二五橡塑有限责任公司，江苏 南京 210028）

随着近年来高铁行业的不断发展，列车的行驶速度逐步加快，确保高铁在运行过程中的安全和舒适性成为了现今高铁提速过程中主要重视的内容。在现今时速达到300 km的大多高铁设备中，轨道不平以及由于轮轨间的强烈相互作用会导致车体产生剧烈的耦合振动，导致车下的吊挂设备也受到强烈的振动和冲击。这种情况下产生的剧烈震动会很大程度上影响车内乘客的舒适程度，严重时还会导致车下吊挂设备出现断裂。欧洲进口的车辆，其横向振动耦合机制技术特点较为鲜明，车体在运行过程中，其走行部接口部位就会对横向高频振动能量形成一种传递媒介，这一机制大多都基于横向非保守系统。目前，高铁企业要实现高铁经济效益最大化的目标，就需要及时解决高铁铝合金车体横向弹性振动问题，以提高高铁的安全性和耐久性，可以通过采用刚柔耦合仿真技术来对这一技术制定有效的减振技术，大大减少其受到的阻力，完成该项技术的正常发展。

1 车体横向耦合振动

刚柔耦合仿真技术是在近些年发展起来的一种接口处理技术，其通过在广义空间的钢体运动与在笛卡尔空间的柔性体弹性变形之间，让质量阵耦合的动态仿真技术能够得以实现，以解决柔性体结构处理过程中存在的问题。广义空间约束实际上就是指物理力学的外部约束概念，并采用拓扑关系对其进行补充描述。拓扑关系主要是指一个以上的刚体间存在的相互关系，例如大部分悬挂元件。在高铁车组中，大多数车体走行部接口关系的构成都是利用摇枕来实现。笛卡尔空间约束是一种与广义空间约束存在相对关系的理论，主要是指物理学的内部约束盖帘，这种约束的形成和柔性车体的动挠度、柔性车体的弹性形变有很大关系。由模态综合法可知，约束模态主要指的是：在固定交界面法中，由单位约束自由度位移造成的静态变形。有资料显示，当车体摇头的阻尼过大时，会对柔性车体的状态造成影响，出现严重的横向振动情况，车体的横向振动部位主要集中在其中部地板处，导致该部位的加速度明显较车体前后地板要高。

二系横向悬挂作为柔性车体及车下质量横向耦合振动传递能量的主要途径，对高铁减震技术的研究具有十分重要的意义。耦合振动需要有以下三个力学要素：激扰车体出现异常的能量、耦合条件以及能量的传递途径。当车体的横向激扰频率过高，激扰能量达到一定程度时，二系横向悬挂作为能量传递途径就会出现相位滞后情况，满足了耦合震动的三大力学要素，进而促使车体出现耦合振动。因此，柔性车体出现横向振动一般都会存在一个横向振动耦合机制，而横向振动耦合机制的形成和车体摇头的阻尼过大有很大关系，车体摇头的阻尼过大是其比较鲜明的一大特点，横向耦合机制的这一特点一般都只会出现在大型车辆上。此外，车体对走行部接口产生的作用，能够对车体摇头的阻尼产生很大影响，需要格外注意。

以拖车TC02/07为例，根据车体中柔性车体的有限元模型（如图1）进行设计。根据上文所述，结合车体荷载进行考虑，对相关主节点进行简化，设计车上车下质量附着约束(如图2、图3)。

图1 柔性车体的有限元模型

图2 车上附着质量约束设计

图3 车下附着质量约束设计

图4 刚柔耦合的整车模型

2 橡胶吊挂的浮板效应

以上文的描述和分析为基础对相加吊挂的浮板效应进行研究。当木板漂浮在水面时，其表面的张力得到增强，加大其阻尼耗散，这种阻尼耗散作用被称为浮板效应。浮板效应通常被用于近海战舰等船体上，在主船体的两翼分别安装两个处于半滑行状态的辅助船体，以减轻浪涌对船体产生的激扰能量，能够有效保证船体在水面上平稳行驶，提高其行驶的安全性。在此过程中，主船体两翼辅助船不能够处于完全滑行状态，否则会得到完全相反的效果，让船体行驶更加颠簸，不利于正常水面行船。在某些情况，根据实际情况下利用一定比例阻尼，将橡胶吊挂安装在车体下，使其形成浮板效应，对车下质量较大形成的过量横向振动能量进行耗散，衰减铝合金车体下部的振动。欧洲车辆并无常规意义上的垂向弹性吊挂，其车下质量橡胶吊挂只是单纯的利用橡胶吊挂的浮板效应来减小柔性车体的横向振动情况。

由以上分析可知，可以通过以下几个方面来优化橡胶吊挂：

（1）按照相关行业国标规定，对车下质量横向加速度进行约束，能够有效防止高铁的振能量过大；

（2）减小车体中部底板横向加速度。

3 橡胶吊挂的优化设计

为确保高铁车辆能够达到基本的使用年限，通过以下三个方面对车下质量橡胶吊挂的优化，可以帮助高铁车辆很好地减轻阻力，减轻高铁在运行过程中的振动，增加其车下车身吊挂设备的安全性与车内乘客的舒适性。

3.1 对车体上下的加速度进行控制

采用地板横向加速度全频域(RMS) 为技术指标，对车体上下的加速度进行评价和控制。其中车辆上主要是车内中部地板，车下则包含较大的车下设备（双辅变频和冷却设备）质量。橡胶吊挂的浮板效应对于车下质量都将产生积极的影响，对于车内中不地板的横向加速度则为极值特性，即当比例阻尼值设为0.5%时，车体中部地板的横向加速度全频域(RMS) 能够达到最小值，得到有效控制。

3.2 橡胶吊挂的质量优化

通过对橡胶吊挂自身的质量参数优化来合理利用浮板效应，车中的横向振动与垂向振动不同，若比例阻尼增高，车下质量将会对车体下部的横向振动起到非常强烈的带动作用，使柔性车体横向振动增强，导致车内地板的振动等。

3.3 橡胶吊挂动荷系数评估

决定车体的结构疲劳度的关键因素之一是动荷系数，无论何种振动均会因为车体的异常动态，对车辆动荷特征造成影响，使其发生变化。这种变化在高铁集装箱的重载车体部分比较常见，由于转向架摇枕悬挂的斜楔卡滞现象，会导致其出现垂向振动，且高铁的车体结构较为特殊，或造成其集装箱脚部动荷增大，进而致使高铁容易出现横梁开焊的现象。可见，高铁车辆的异常动态和其动荷特征之间存在较为复杂的联系。

若高铁采用持续稳定的安全运营，动荷时域里程基本上符合高斯正态分布，奇异系数在2.0周围浮动。当高铁的走行部动态情况出现异常，例如当其处于轨道长波不平顺激扰时，车轴横向力会突然加大，就会导致奇异系数高于2.0。当高铁的转向架不稳定的蛇形振荡加强，使车行过程中的频响偏离高斯平稳过程的频响特征，全频域（RMS）值估算高于实际情况，就会导致奇异系数低于2.0。

根据以上三点分析，为确保高铁车组满足基本的运行年限，达到最大的经济效益，可以采取：将高铁的最高速度控制在350～380 km/h，减小车组受到的比例阻尼；车身转向架采用统一的优良配置，降低走行部超常工况所造成的摄动影响；将车下的质量橡胶吊挂进行优化，合理利用橡胶吊挂的浮板效应，避免柔性车体横向抖振。

4 结束语

总而言之，在高铁车组对于其本身的安全性和车内乘客的舒适型要求越来越高的今天，解决车身的横向振动是一个重要的研究课题。通过在车体和车下吊挂橡胶设备，利用其高弹性和粘弹性等优点，设置合理的动荷系数，来保证高铁车组的正常运行。其中采用的横向振动耦合机制是指以二系横向悬挂构成的车体，作为走行部接口传递媒介，所形成的横向高频振动耦合机制。这一机制利具有很强的抗蛇行高频阻抗能力，并能够增大车体摇头阻尼，采用铝合金车体三大特性，通过控制高铁速度、加强车身相应设备的质量、合理利用橡胶吊挂的浮板效应，可以很好地帮助解决高铁车体在减振方面的问题。

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