高速列车车体局部结构减振阻尼措施试验研究

于海然，张立民，张艳斌，孙维光

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111) *

高速列车车体局部结构减振阻尼措施试验研究

于海然1，张立民1，张艳斌1，孙维光2

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)*

为探究两种新型阻尼材料(阻尼浆/阻尼片)对车体局部的隔振性能，并用于解决某动车组车体局部异常振动问题.分别对四个车体局部使用三种方案(无阻尼方案、阻尼片方案和阻尼浆方案)进行试验，利用台架试验对测试结果进行时域和频域的对比分析.结果表明：两种阻尼材料都能大幅度减小自由衰减振动的幅值和周期，其中阻尼浆方案对车体地板衰减效果较好，而阻尼片方案对侧墙和受电弓盖板衰减效果较好.在5～80Hz频段内，阻尼浆地板隔振频带宽，模态阻尼比大，能有效避免列车在运行中车体局部结构与各子系统模态频率发生耦合共振，而贴阻尼片的中部侧墙和受电弓盖板也是如此.相比阻尼浆，阻尼片安全性高，安装工艺简单，在保证结构可靠性的前提下进一步降低了车体的质量，具有良好的应用前景.

新型阻尼材料；车体局部；振动衰减；隔振性能

0 引言

高速列车车体的动态性能是车体设计中的重要技术指标之一，世界各大车辆制造商均在车体研发流程中将振动与噪声性能置于和安全性同等重要的地位，车体振动控制方法研究一直是国内外众多学者倾注精力的方向.目前车体振动控制方法主要包括阻尼片/浆在车体振动控制中的运用、压电原件在振动控制中的应用、基于几何滤波的振动控制方法和基于动力吸振器的车下设备振动控制法.其中表面阻尼处理是提高结构阻尼、抑制共振、改善结构抗振降噪性能的有效方法之一，其工艺简单、安全性高，满足高速列车轻量化设计的要求[1-3].虽然阻尼减振在列车振动控制中的应用已经非常广泛，但使用新型阻尼材料针对高速列车车体局部振动控制的试验研究还很少，需要结合具体的工程实践经验，探索其结构的比较和优化.基于本次试验的分析结果，对解决高速列车在运行过程中车体局部振动过大问题给出了一定的解决方法，也为后期的整车模态匹配设计及验证提供重要的参考价值.

本文针对国内某新型高速动车组整车模态匹配及设计的要求, 为解决其运行过程中车体局部振动过大的问题，对其四个车体局部采用两种新型阻尼材料(阻尼浆和阻尼片)通过三种减振方案来进行试验对比分析，同时结合全局阻尼减振和局部阻尼减振的方法进行实验结果的分析总结.

1 试验测试概述

1.1 试样制备

被测车体为国内某标准动车组白车体中间车(Tp03)，先后分别对被测车体的四个局部进行三种阻尼状态处理，即无任何阻尼处理的铝合金结构白车体A1、贴阻尼片(厚度为3 mm)状态的白车体A2和涂阻尼浆(厚度为4 mm)状态的白车体A3，试验车体使用橡胶堆四点支撑于实验台上使其保持自由支撑状态.车体在三种不同状态下的枕梁地板、中部地板、中部侧墙和受电弓盖板四个局部的对应测点位置均相同，且中部侧墙各测点分布在车体同一横截面内.测点分布示意图如图1所示，图中长度单位为mm，实验内容如表1所示.图1(a)、(b)和(c)图中所示虚线框内面积分别表示车体四个局部的实际阻尼处理区域，其中图(c)中受电弓盖板的实际阻尼处理面积为突出车顶部分向下的区域.

(a)

(b)

(c)

序号试验内容车体状态1无阻尼车体A12枕梁地板阻尼测试阻尼片车体A23阻尼浆车体A34无阻尼车体A15中部地板阻尼测试阻尼片车体A26阻尼浆车体A37无阻尼车体A18中部侧墙阻尼测试阻尼片车体A29阻尼浆车体A310无阻尼车体A111受电弓盖板阻尼测试阻尼片车体A212阻尼浆车体A3

1.2 测试分析方法

由于车体各局部的结构参数是未知的，为获取各局部结构的振动特性，只能通过试验方法.基于LMS公司振动噪声测试分析系统，采用力锤冲击激励，车体局部结构多点响应的试验方案进行研究.通过测量动态力输入和振动响应的输出，计算输入输出的频响函数，进而利用模态参数识别理论进行结构参数的识别，计算出各局部结构的固有频率和阻尼比，进而计算出振动衰减系数.并运用相干函数对试验结果进行验证[4-5].

本试验采取每次在不同局部施加激励并进行测试的方法，其激励方式为单点激励和多点激励，采用振动时域衰减法和阻尼频域分析法对试验结果进行对比分析.由于车体铝合金结构为较刚硬的构件，单点激励也能获得较高的精度，在力锤的使用中应注意避免反跳造成多次冲击.其中输入信号为脉冲激励信号,对其加力窗以去除噪声信号,输出信号为衰减振动信号,对其加指数窗使信号在结束时衰减到0,用来消除截断误差[6].每个测点敲击6次，保证实验的重复性，敲击过程中尽量避开各阶模态阵型的节点，在试验测试和分析中保证激励点和响应点的位置不变.

2 试验结果及分析

2.1 时域衰减对比分析

使用1.2节中的试验原理和方法，对车体的每个局部采用三种减振方案，进行力锤敲击试验.本次对车体局部进行锤击试验选择锤头的原则如下：锤击条件下力锤输出信号的自功率谱在最高频率200 Hz处比最大值下降不超过20 dB.线性范围内最大锤击力作用下测试加速度传感器的输出应在满量程的2/3左右即可.同时为在分析中获得最优的动态特性，激励的频率范围应与分析带宽匹配.在本次试验中选用了kistler-2t型号尼龙锤头的力锤进行测试.由于力锤的激励力大小与力锤的质量和激励时间长短有关，由于调整激励时的速度需要较多经验，因此试验时通过调整锤头的附加质量改变力谱的幅值.为使试验结果具有可对比性，每个车体局部在三种减振方案下分别选取相同位置的信号输入点和响应点，其施加单位载荷的方法如表2所示.

表2 三种阻尼状态下车体局部敲击输入响应点

在进行连续多次敲击测试后，选取有效数据，截取每个局部的三种减振方案下的输入力相同的测试结果进行对比分析.图2给出了车体四个局部在三种状态下每个响应测点的自由衰减振动对比分析结果图.车体各局部在三种减振状态下的一阶固有频率、阻尼比和衰减系数的计算结果如表3所示.

表3 车体各局部在三种减振状态下的一阶固有频率、阻尼比和衰减系数

注：f，ζ，n分别表示第一阶固有频率，阻尼比和时域信号的对数衰减率.

如图2(a)，比较三种减振方案下的自由衰减振动的最大振动幅值，无阻尼方案的最大振动幅值相比于信号输入点的最大幅值衰减了约50%，阻尼片方案衰减了约65%，而阻尼浆方案衰减量最大，达到了80%.结合表3，比较三种减振方案的衰减系数和阻尼比，阻尼片减振速率小于阻尼浆，但都大于白车体无阻尼方案减振速率.在中部地板的衰减对比分析中，三种减振方案的最大幅值衰减量和枕梁地板几乎相同，但中部地板三种减振方案的衰减速率相比于枕梁地板要快约20%.对于中部地板，无论是从最大幅值衰减量还是衰减速率比较，阻尼浆方案都要优于其它两种减振方案.由隔振理论可知，在保持结构稳定性的基础上，底阶固有频率(特别是一阶固有频率)的高低决定了该结构传递特性以及隔振范围[7]， 由表3，阻尼浆状态的车体地板一阶固有频率最低，模态阻尼比最大，故隔振范围更宽，对于车体弹性体和车下设备低频振动的隔振效果会更加明显.

(a)枕梁地板测点f 3

(b)中部地板测点f 8

(c) 中部侧墙测点c3

(d)受电弓盖板测点g1

对于中部侧墙，由图2(c)可知，阻尼浆方案和无阻尼方案的最大幅值衰减量相差不大，其衰减量达到55%，阻尼片方案要好于其他两种方案，衰减量达到65%.对比衰减速率和阻尼比，阻尼片方案要快于阻尼浆方案，相比其它两种方案的衰减周期，阻尼片方案的一个自由衰减周期时间缩短约一倍.同样在图2(d)中，受电弓盖板在最大幅值衰减量对比中，阻尼片方案比阻尼浆方案减小约5g，衰减量达到75%，振幅衰减最快.结合表3，对比三种状态下的衰减系数和阻尼比，可知阻尼片衰减速率快于阻尼浆，衰减周期更短，减振效果更好.同样阻尼片状态的中部侧墙和受电弓盖板的一阶模态频率最低，具有更宽的隔振范围，同时还具有质量轻、模态阻尼比大的优点.

2.2 典型频段频域结果对比分析

模态匹配最基本的原则是在设计上保证车体承载结构、车体局部结构和各子系统的模态频率不与吊挂设计设备及悬挂激励频率发生共振[8].为了进一步研究两种阻尼材料的隔振性能，需要在频域内对比分析两种阻尼材料的隔振性能.因车体弹性体及各子系统主要的振动频率都在5～80Hz以内，为考查较宽频段内的振动衰减特性，对比了典型频段内三种阻尼方案下单位力激励下的结构振动幅值.利用宽频带内的衰减特性进行对比，本文选用1/3倍频程的幅值进行对比.在每一个频带内计算对应频率响应函数的统计均方根值，均分根计算式如下：

式中，xi为各频段内频率点对应的加速度频响函数幅值.

利用上述方法对三种结构情况下各频率段结构频响幅值进行对比计算.分别计算出单位力激励下各有效测点的振动幅值，并分别对三种结构状态下各测点的振动幅值求其平均值.其结果用振动加速度有效值随频率变化曲线来表示，如图3～6所示.为方便对比分析，图中μ表示工程单位，1μ=0.001.

如图3，在三种减振方案中的各个频率段，阻尼浆方案的振动加速度有效值最小，无阻尼方案加速度有效值最大，阻尼片方案加速度有效值居中.低频段(8～20Hz)的两种有阻尼方案的曲线非常接近，相邻曲线间相距不超过3μ，隔振效果相差不大，但有阻尼方案的隔振效果明显好于无阻尼方案；在此点对列车运行舒适度影响较大的区段内(0～20Hz)，阻尼浆减振方案要略好于其他两种减振方案.为研究车轮滚动激励与车体结构固有模态的匹配关系，在识别车体模态参数的情况下，需要计算不同速度下车轮滚动激扰的频率f.在靠近转向架上方的枕梁地板位置，由于此位置在列车运行时受车轮滚动激扰，当列车在200 ～370km/h速度区间运行时，车轮滚动激扰频率f的范围是19.2～35.6Hz；位于中频段(20～50Hz)，由图中可以看出，在此频率范围内，阻尼浆方案的加速度有效值明显低于其它两种减振方案，故从图中曲线可以看出，阻尼浆减振方案在枕梁地板处对车轮激扰的隔振效果更好.上述所有关于实验结果的分析，还需要在线路试验中进一步验证.

图3 枕梁底板振动加速度有效值随频率变化曲线

如图4，在几乎各个频率段，阻尼浆方案的振动加速度有效值最小，阻尼片方案次之，无阻尼方案最大；在10Hz附近，阻尼片方案的加速度有效值最大，振动没有被抑制反而被加强.在整个频段范围(0～80Hz)，三种减振方案加速度有效值呈现上升趋势，有阻尼方案的两条曲线之间的差距逐渐减小，其差值在5～15μ以内.由于车体中部下方悬挂多个有源设备(牵引变压器、废排风机、主空压机等)，而车体中部地板的振动主要来自车下有源设备的振动激扰， 其有源设备的工作基频都在80Hz以内，而车体弹性体及各子系统主要的振动频率都在5～80Hz，在车辆运行过程中存在发生耦合共振的可能性，因此在较宽频段内降低各频率的振动幅值会有效避免车体及其局部结构与车下设备各频率耦合共振的发生.

图4 中部地板振动加速度有效值随频率变化曲线

图5 中部侧墙振动加速度有效值随频率变化曲线

由图5可知，在各个频率段，三种减振方案的阻尼比几乎相同，三种减振方案的加速度有效值均呈现上升趋势.在低频段(0～20Hz)，三种减振方案加速度有效值变化平缓，三种减振方案相邻曲线间距约为3μ.阻尼片方案相比阻尼浆加速度有效值下降了约50%，因此车体中部侧墙在低频段的隔振处理中，阻尼片效果要好于阻尼浆.但阻尼浆减振方案中，中部侧墙的加速度有效值不但没有被抑制，反而被加强，而阻尼片减振方案的隔振效果优于其它两种方案.在25Hz附近，三种减振方案效果相同.在中高频段(25～80Hz)，阻尼片车体加速度有效值比阻尼浆车体降低了10%～30%，三条曲线的之间的差距逐渐变大，在高频段，阻尼片对中部侧墙隔振效果的提升十分显著.

由图6可知，在各个频率段，阻尼浆和阻尼片方案的加速度有效值明显小于无阻尼方案，在低频段表现尤为显著；在12.5Hz以下，阻尼片方案的加速度有效值大于阻尼浆方案，但最大差值不超过6μ.在中高频段(25～80Hz范围)，有阻尼方案的加速度有效值基本呈现上升趋势，但阻尼片方案的加速度有效值在整个频段内变化趋势平稳.由于列车在高速运行过程中受电弓的振动会对受电弓盖板的影响较大，而阻尼片能大幅度降低各频段的振动幅值，在车体弹性体和车体各局部结构之间容易发生耦合振动的频率段(5～80Hz)内，有较好的的减振隔振效果，能有效避免受电弓盖板的耦合共振.从而能避免受电弓盖板振动过大对整车运行造成的影响.

图6 受电弓盖板振动加速度有效值随频率变化曲线

3 结论

为评价两种新型阻尼材料对某高速列车车体局部的隔振性能，分别对三种状态下车体的四个局部结构进行了试验，得到如下结论：

(1)对于自由衰减振动，两种阻尼材料都表现出了较好的隔振性能，具体来说，阻尼浆方案对枕梁地板和中部地板的隔振效果更好，其阻尼比大衰减速率快.而在中部侧墙和受电弓盖板区域阻尼片表现出了同样的优于阻尼浆的隔振性能；

(2)在典型频段(5～80Hz)的试验结果对比分析中，新型阻尼浆对枕梁地板的隔振效果更好，当列车运行在200km/h～360km/h的速度范围内时，对于车轮激绕频率(19.2～35.6Hz)段，从图5分析可知新型阻尼浆的隔振效果要好于新型阻尼片.同样对于中部地板，几乎在各个频率段，新型阻尼浆的加速度有效值的都比阻尼片降低至少15%.能在更大程度上确保车体地板不与车体子系统或车下有源设备发生共振；对于中部侧墙和受电弓盖板结构， 在典型频率段(5～80Hz)内新型阻尼片加速度有效值曲线变化平稳，受共振频率段干扰较小，故对于中部侧墙和受电弓盖板位置，新型阻尼片的隔振效果更好；

(3)综合以上试验数据及对比分析结果，初步确定车体的最佳阻尼方案，建议结合全局阻尼减振与局部阻尼减振的方法，即在全局阻尼浆方案的基础上对车体中部侧墙和受电弓盖板进行阻尼片方案的局部阻尼处理，以使车体能达到最佳的隔振效果.

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下期待发表文章摘要预报

5种前期水分处理下黑土氮素矿化及硝化反硝化率的变化

王婷,王连峰

(大连交通大学 环境与化学工程学院，辽宁 大连 116028)

摘 要：室内培育实验研究5种不同水分前处理下的黑土(风干土D、保鲜土O、低水分土W1、高水分土W2、淹水土S)，在4种不同含水量条件下的矿化率、硝化率及反硝化率变化.结果显示，5种前处理下黑土氮素矿化率、硝化率及反硝化率分别在土壤水含量为60%WHC、80%WHC和100%WHC时差异明显.虽然在4种不同水分含量下，经5种不同水分前处理的土壤矿化率差异不显著，硝化率及反硝化率差异较为显著.硝化率表现为W1>O>W2>S>D，反硝化率与硝化率的表现截然相反.这表明，土壤水分历史对硝化反硝化有影响，而对矿化作用的影响不大，水分前处理影响土壤氮素转化.

Experiment Investigation and Study of Vibration Damping Measures on Local Structure of High-Speed Train Bodies

YU Hairan1，ZHANG Limin1，ZHANG Yanbin2，SUN Weiguang2

(1. State Key Lab. of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. CSR Sifang Locomotive and Rolling Stock Co. Ltd, Qingdao 266111, Shangdong China)

In order to explore two kinds of new type damping materials (damping pulp/damping piece) on the vibration isolation performance of the local structure to a train body and to solve the local abnormal vibration problems on the emu train, three schemes (undamped, damping piece and damping pulp) are used on four emu trains respectively, and the experiment results accept contrastive analysis in time domain and frequency domain by bench test. Results show that the two kinds of damping materials can greatly reduce the amplitude and period of the damped free vibration. Results also show that the damping pulp has a better vibration isolation effect on the floor, and the damping piece has a better vibration isolation effect on the side walls and pantograph plate. The vibration isolation frequency band is wide, and modal damping ratio is high between 5-80Hz frequency on the train floor with damping pulp which could effectively avoid the coupling resonance between local structure of the train and each subsystem modal frequency when the train is in operation. The same is true of the train side walls and pantograph plate with damping piece. Damping piece has some advantages compared to damping pulp such as high safety, simple installation process and further reduce the quality of the car body while ensuring structural reliability.

new damping material; local structure to a car body; vibration damping; performance of vibration isolation

1673- 9590(2017)02- 0015- 06

2016-03-12

于海然(1988-)，男，硕士研究生； 张立民(1960-)，男，教授，博士，主要从事高速列车振动控制和模态分析的研究

A

E- mail:yuhairan23@163.com.