低温下空压机引起的城铁车车体异常振动浅析

李艳娇 华鹏

摘 要：对城铁车辆空压机吊装结构所应用的橡胶减振器随温度变化的振动试验测试，以及对橡胶减振器材料参数低温性能的研究，探讨和分析了城铁车辆空压机吊装结构低温下橡胶减振器的动态特性，为城铁车辆空压机吊装结构减振特性正向设计提供参考。

关键词：城铁车辆；橡胶减振器；低温动态特性

1.前言

2013年9月26日，我国第一条高寒地铁哈尔滨一号线开通试运营，2017年6月30日长春地铁一号线开通试运营，随着高寒地区城铁车需求量的增加，有必要对运营在低温环境下城铁车进行研究。吊装在车下的空气压缩机是引起城铁车辆振动的主要振源之一，通常通过安装橡胶减振器减振。高寒地区的冬天降温幅度大时橡胶有超弹态变为玻璃态，橡胶减振器的动刚度增大，减振效果变弱，引起城铁车车体的异常振动，影响乘坐舒适性，本文通过城铁车在环境室开启空压机，调控温度的变化来分析橡胶减振器的动态特性随温度的变化情况，研究空压机减振结构在不同温度下的动态特性，为低温下空压机引起的整车异常振动查找原因，为整车车辆的正向设计提供参考。

2.低温条件下橡胶减振器材料参数的确定

2.1橡胶减振器的几何非线性

橡胶减振器工作过程中，尽管应变不大，但是其位移和形状变化较大，属于几何非线性问题，其动力学方程为：

（1）

式中：[M] 为橡胶减振器的质量矩阵；[C] 为橡胶减振器的阻尼矩阵；[K]0 为切线动刚度矩阵，表示模态与动载荷增量间的关系；[K]σ 为初始动应力刚度矩阵，表示初始动应力对结构动刚度的影响；[K]L 为模态中大幅值动刚度矩阵，表示模态中大的振型值对结构动刚度的影响；{δq（t+△t）} 为节点坐标的增量矢量；{F（t+△t）} 为体积载荷矢量；{T+（t+△t）} 为面积载荷矢量；{P（t+△t）} 为动应力在節点上的等价合力矢量。

2.2橡胶减振器的材料非线性

橡胶减振器的材料是一种各项同性且体积不可变的超弹性材料，由于城铁车的空压机吊装结构所安装的橡胶减振器在振动过程中的变形小于100%，选用Mooney-Rivlin模型模拟橡胶材料是较为合适的。Mooney-Rivlin模型的应变能表达式：

（2）

（3）

（4）

式中：C01 和C10 为超弹性材料的参数； 和 为应变常量；λ1 、λ2 和λ3 为拉伸方向x、y和z的伸长量；Jel 为弹性体积比。

2.3不同低温条件下橡胶减振器的材料参数

橡胶减振器由橡胶材料和尼龙材料共同组成，橡胶材料的超弹性参数C01 和C10 可通过经验公式推导如下：

； ； （5）

式中：G为橡胶材料的剪切模量；E为橡胶材料的弹性模量；γ 通常取0.47；

表1 橡胶材料在不同温度时的剪切模量

温度（℃） -10 -20 -30 -40

剪切模量（MPa） 1.2 1.5 2 2.5

通过计算，得到橡胶材料的超弹性参数如表2所示。

表2 橡胶材料在不同温度时的超弹性参数

温度（℃） -10 -20 -30 -40

C01 4.7 5.88 7.84 9.8

C10 1.20 1.47 1.96 2.45

表3 不同温度下尼龙材料的弹性模量

温度（℃） -10 -20 -30 -40

弹性模量（MPa） 2662 3137 3632 4090

3.环境室内空压机橡胶减振器动态性能的低温试验的试验工况

3.1试验测点布置

振动传感器分别从空压机表面（测点1）、减振器上下位置（测点2和3）、空压机吊梁（测点4）、底架下表面（测点5）、车内地板上表面（测点6）沿振动传递路径进行布置，共6个测点。

3.2环境室中试验温度的调控

开启空压机，试验从40℃开始，每降10℃测试一次，直至零下60℃结束。

3.3车辆试验工况

车辆静止，空压机单独启动，每次连续工作60s时间，测试3次。

3.4测点振动评定参数

车辆在静止状态下，单独启动空压机，使其正常工作60s，分析各个测点在内1000Hz范围内的振动加速度值。

3.5测试结果分析

滞环面积即为材料振动一周损耗的能量，OABCO所围的面积为最大弹性储能，通过测量迟滞回线包围的面积，对材料的阻尼耗能做出定量分析。公式（6）和公式（7）分别为储能刚度和耗能刚度计算公式。

（6）

（7）

式中：τ 为迟滞时间，k 为动刚度， ω为固有频率。

在能量耗散时遵循如下规律：ω→∞，X→k （控制振幅），

（吸能频带）。因此形成一个特定的吸能频带，频带位置由迟滞时间τ 的倒数确定。损耗因子为耗能刚度与储能刚度之比。

4.结论

橡胶减振器随着温度的降低，由超弹态变为玻璃态，减振效果降低，从而引起车体的异常振动。可以通过改变橡胶的材料成分，形成抗低温复合材料橡胶，达到减振能力强，缓冲效果好，噪声小的目的。提高橡胶减振器在低温环境下的减振性能，增强了减振效果，提高了乘坐舒适性，提升了城铁车辆在高寒地区运营的平稳性，实现了在车辆研发过程中对空压机吊装结构减振方式的正向设计。

参考文献：

[1]马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]汤普森.铁路噪声与振动：机理，模型和控制方法[R].北京：中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，2013.

[3]吴昌林，张卫国，姜柳林.机械设计（第3版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

作者简介：

李艳娇（1991年-），女，汉族，吉林省长春市人，吉林大学硕士研究生，中车长春轨道客车股份有限公司 国家工程研究中心，工程师。