整备车辆悬挂系统垂向衰减特性分析

整备车辆悬挂系统垂向衰减特性分析

王秀刚1，苏建2

( 1.中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司国家高速动车组总成工程技术研究中心，山东青岛266111; 2.吉林大学交通学院，吉林长春130022)*

针对车辆系统的振动特点，搭建了双质量系统垂向分析模型;基于悬挂系统的线性假设理论，求解悬挂垂向衰减方程，探究了悬挂垂向衰减的规律;以某型高速动车组为例进行了实车试验，测得了车辆一位端、二位端以及车辆中部截面垂向衰减曲线，试验结果表明悬挂系统垂向振动以指数形式衰减;同时，验证了被试车辆一位端及二位端悬挂参数匹配的差异性，为车辆参数优化提供了数据积累及技术支持.

整备车辆;悬挂;振动模型;垂向衰减特性;试验方法

0 引言

转向架是列车行驶的核心部件，悬挂系统是轨道振动冲击传递的媒介，其垂向衰减能力的评估至关重要［1］.实际运行线路中存在多种复杂的振动源，引起轮轨系统垂向的动态相互作用，并通过轮对、悬挂传至车体，使车辆运行平稳性及舒适性降低［2］，影响车辆行驶的运行性能.

目前悬挂系统垂向衰减性能的测定主要集中于仿真计算［3-6］和室内台架试验.仿真结果因对系统某些结构或参数进行简化，结果有一定的局限性;而传统的悬挂弹簧、减振器单部件性能测试不能准确的反映整备状态下悬挂系统的整体性能.针对此类问题，本文提出一种悬挂垂向衰减的试验方法，重点研究了整备车辆悬挂垂向衰减规律，为整车悬挂参数匹配优化提供理论及数据支持.

1 悬挂垂向衰减试验方法

本文依托吉林大学研发的车辆悬架振动衰减试验系统［7-8］对某型动车组进行了研究.图1所示，试验时将被试车辆停至室内铺设的轨道上，将四套振动衰减释放装置在一位端、二位端架车位，通过液压系统将车体升起一定高度后，触发电控系统使衰减释放装置迅速跌落，车体失去支撑在重力作用下做有阻尼的振动衰减运动;同时，运用位移传感器记录车体断面振动的位移变化，进一步分析悬挂系统的垂向衰减特性，图2为试验现场.

2 车辆垂向振动分析模型

轨道车辆是多自由度、多刚体的复杂系统，若以完整的车辆系统研究悬挂的衰减特性将会十分复杂，所得结果亦难易进行直观的判断.因此，文中将车辆系统简化为单论对、单质量块的有线性阻尼的轮对－簧上质量系统［9］，建立垂向振动模型，图3所示.该模型中仅考虑车体的质量Mc，忽略构架的质量，并将一系、二系悬挂的刚度及阻尼

图3 轮对－簧上质量模型

设整备状态下，悬挂系统弹簧的静挠度为fs，并考虑到车体重力对弹簧静挠度的影响，建立车辆静平衡位置力学方程:

式中，fsz为弹簧系统静挠度; g为重力加速度.

根据前述悬挂垂向衰减的试验方法，车体举升到一定高度后的自由落体振动后，车辆系统的平衡被破坏，根据牛顿第二定律建立轮对－簧上质量系统的运动方程:

结合式( 1)及( 2)，得到:

3 垂向衰减振动规律分析

设方程( 4)的解为Z = Asin(ωt +φ)，则有

为探究悬挂衰减振动时振幅A及相位角φ的运动规律，将振幅及相位角考虑成时间的函数，即用A( t)及φ( t)表示，则有

对式( 6)求一阶导数，则有

结合式( 5)及式( 7)，可以得出

对式( 7)求二阶导数，则有

结合方程( 8)及( 10)，可求解出振幅A( t)及相位角φ( t)随时间的变化关系，即

进一步，可求解出悬挂系统振幅及相位角振动随时间的变化关系，即

式中，A0及φ0为常数.

综上所述，可知线性阻尼的系统做垂向自由振动时，振幅随时间指数地衰减，而相位角则不随时间变化，为初始相位.

方程( 13)的解可表述为

车辆设计过程中，悬挂垂向振动的阻尼比ξ较小，一般取0.2～0.4，属于弱阻尼状态，系统的固有频率

由此可得系统垂向衰减振动方程:

4 试验方法及测点分布

试验采用位移传感器对车体振动进行采集，测点分布如图4所示.为能全面反映悬挂的衰减规律，将车体划分为3个截面，即一位端转向架中心截面、二位端转向架中心截面及车体的中心截面，位移传感器布置在各截面横向方向的两端.试验时，采取将车体举升到一定高度后自由释放的方法，测定车体衰减振动时各截面的位移变化，分析并悬挂系统的衰减振动特性.

图4 传感器测点分布

5 试验结果

5.1一位端

图5所示，试验得出截面1中测点1及测点2的振动衰减曲线，分析可知一位端转向架两侧的悬挂衰减趋势一致;悬挂阻尼消耗了系统振动的能量，每周期的振幅都有一定程度的衰减;对比测点1侧悬挂，测点2侧悬挂的振幅在后期表现出较大的衰减程度，可知一位端转向架两侧的悬挂参数匹配不同.

图5 截面1衰减特性曲线

结合截面1中测点的衰减振动曲线及数据拟合算法，求解出一位端转向架悬挂系统衰减曲线峰值及谷值振幅的衰减方程，即f( t) = 19. 7e－0.8735t及f( t) =－11.88e－0.7931t，显然悬挂的振幅以指数形式衰减;同时，可判定峰值振幅的衰减速度大于谷值，减振器在拉伸行程的阻尼大于压缩行程的阻尼，表现出一定的非线性阻尼特性.

5.2二位端

图6所示，试验得到截面2中测点5及测点6的振动衰减曲线，结果表明二位端转向架两侧的悬挂衰减趋势基本一致.但在标记区域D中二位端转向架悬挂的衰减产生“削峰”现象，处于减振器的拉伸行程;二位端悬挂振幅衰减程度远大于一位端，其垂向衰减能力优于一位端.

根据截面2的衰减振动曲线，可得出二位端转向架悬挂峰值及谷值振幅的振动方程，即f( t) = 21.59e－1.692t及f( t) =－21.58e－2.463t，显然系统振幅以指数形式衰减;同时，可判定谷值振幅的衰减速度大于峰值，减振器在压缩行程的阻尼大于拉伸行程的阻尼.

5.3车体中间截面

如图7所示，试验得到截面3中测点3及测点4的振动衰减曲线，其结果反映整备车辆悬挂系统的平均衰减能力，两测点的衰减曲线基本吻合.

图7 截面7衰减特性曲线

根据截面3测定结果得出系统峰值及谷值振幅的平均衰减方程，即f( t) = 20.5e－1.296t及f( t) = －14.87e－1.522t，可知系统振幅以指数形式衰减;同时，可判定谷值振幅的衰减速度大于峰值，悬挂减振器总体上表现为压缩行程的阻尼大于拉伸行程的阻尼.

6 结论

本文提出一种悬挂垂向衰减的试验方法，建立了车辆轮对－簧上质量系统的模型，从理论角度分析了悬挂系统的垂向衰减的性质，并对某型车辆进行了试验，结论如下:

( 1)理论分析表明，线性阻尼悬挂系统垂向衰减的振幅随时间指数性变化，相位角则不随时间变化，为初始相位;

( 2)试验结果表明，被试车辆悬挂衰减以指数形式变化;二位端悬挂垂向衰减能力优于一位端，两端部悬挂参数匹配具有一定差异性;车体中部截面两测点的衰减曲线基本吻合，说明整备车辆悬挂系统平均衰减能力良好.

［1］顾永辉.轨道车辆垂向振动性能研究及减振器阻尼参数选择［D］.上海:上海交通大学，2008.

［2］严隽耄.车辆工程［M］.北京:中国铁道出版社，2003: 31-32.

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［5］曾京，邬平波.铁道客车系统的垂向减振分析［J］.中国铁道科学，2006，27( 3) : 62-67.

［6］张洪.基于运行模态识别的铁路客车动力学特性研究［D］.上海:同济大学，2005.

［7］刘洪发.高速列车转向架悬挂装置振动衰减试验系统研究［D］.长春:吉林大学，2012.

［8］吉林大学.一种轨道车辆悬架振动衰减试验系统:中国，CN201110039888.6［P］.2011-9-7.

［9］陆冠东.车辆系统动力学计算方法研究［M］.北京:中国铁道出版社，2011.

［10］顾志平.非线性振动［M］.北京:中国电力出版社，2012.

Analysis of Vertical Attenuation Characteristics of Suspension System based on Whole Vehicle

WANG Xiugang1，SU Jian2
( 1.National Engineering Center for High-Speed EMU，CSR Qingdao Sifang Co，.Ltd，Qingdao 266111，China; 2.College of Transportation，Jilin University，Changchun 130022，China)

According to the vibration characteristic of the vehicle，an analysis model for the whole vehicle based on double mass system was generated.Based on the linear hypothesis theory，attenuation equation were calculated，and the regularity of amplitude attenuation with damp was carried out.By experiment，car attenuation curves of the first end，second end and middle cross-section were measured.The result proves that vertical attenuation characteristic of suspension system amplitudes are exponential change.Meanwhile，the parameter matching difference between the first end and second end is verified，which provides data accumulation and technical assistance for the parameter optimization of the vehicle.

whole vehicle; suspension; vibration model; vertical attenuation characteristics; test method

A

1673-9590( 2016) 01-0021-04

2015-06-17

国家“十二五”支撑计划资助项目( 2011BAG10B01) ;吉林省科科技厅科技计划重点资助项目

( 20080356)

王秀刚( 1986－)，男，工程师，博士，主要从事轨道车辆动力学的研究E-mail: wangxiugang0504@163.com.的用等效刚度Kdz及等效阻尼Cdz表示.