基于SIMPACK的车下设备垂向隔振参数研究

班希翼，陈 然

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460)

在高速列车技术的发展过程中，列车驱动方式逐步变为分散式驱动，大部分列车设备主要以刚性或弹性两种连接方式下挂于车体底架。现代列车不断追求轻量化等有利于列车提速的设计方案，而这些因素又极易引起轨道激扰频率升高，更易造成列车与下挂设备间的共振，影响列车设备的稳定性，降低设备使用寿命[1]。高速列车中针对隔振系统中隔振元件刚度与阻尼的研究较少。以柴油发电机组作为车辆的动力设备，采用双层隔振系统下挂于车体底架，在列车运行时对列车的安全性与舒适性均会产生影响。本研究针对列车及柴油发电机组，依据多体动力学建立起列车刚柔耦合动力学模型[2]，研究在列车运行过程中双层隔振系统参数的变化情况。

以设备振动烈度大小为评判标准，研究车下具有双层隔振系统的动力包一级和二级减振弹簧的最佳刚度和最佳阻尼。

1 仿真分析与结果

以通过两级橡胶弹簧下挂于列车底架的柴油发电机组作为研究对象动力包，其中一级隔振系统为四个实现列车车体与柴油发电机组公共构架连接的橡胶弹簧，二级隔振系统为五个实现柴油发电机组公共构架与柴油发电机组连接的橡胶弹簧，如图1所示。

图1 柴油发电机组双层隔振系统示意图

柴油发电机组刚体振动形式主要包括横移、沉浮、点头、摇头、侧滚，通过ANSYS仿真计算以及实际实验数据的分析发现，隔振系统中垂向振动为主要影响因素，故着重对沉浮、点头及侧滚这三类振动形式进行分析。

公共构架沉浮：

公共构架点头：

公共构架侧滚:

←(k21l21-y′-k22l22-y′-k23l23-y′+k24l24-y′+k25l25-x′)→

←z2+(c21l21-y′-c22l22-y′-c23l23-y′+←c24l24-x′+→

←k23l23-xl23-y′-k24l24-xl24-y′-k25l25-xl25-y′)α2-→

←(c21l21-xl21-y′+c22l22-xl22-y′+c23l23-xl23-y′-→

←k22l22-xl22-y′+k23l23-xl23-y′+k24l24-xl24-y′+→

←k25l25-xl25-y′)β2-(c21l21-xl21-y′+c22l22-xl22-y′+→

柴油发电机组沉浮：

柴油发电机组点头：

柴油发电机组侧滚：

通过ANSYS仿真计算及对实际实验数据的分析发现，隔振系统中垂向振动为主要影响因素，因此主要针对起连接作用的橡胶弹簧的垂向刚度及垂向阻尼两大参数进行研究[3]。

选用隔振系统中原始的橡胶弹簧参数利用仿真软件进行车辆动力学性能计算[4]，计算结果表明所选参数已初步满足基本要求。为进一步优化隔振参数，研究柴油发电机组在不同的一级隔振参数和二级隔振参数下振动烈度的变化情况，从而为车下设备隔振参数选取提供参考。一级与二级橡胶弹簧的垂向初始隔振参数如表1所示[5]。

表1 柴油发电机初始垂向隔振参数

1.1 一级隔振器垂向刚度与垂向阻尼分析

将K1作为一级隔振系统4个橡胶弹簧的垂向刚度，C1作为垂向阻尼。采用单一变量法在SIMPACK中进行动力学仿真计算，计算工况如表2所示。

表2 一级垂向刚度与垂向阻尼计算工况

在进行动力学仿真计算时，车辆运行速度选取在20～100 km/h范围内，大致分为5种速度等级。完成计算后分别提取柴油发电机组上所设置响应点对应的各类工况下的振动响应信号，处理数据后获得柴油发电机组的振动烈度[6]。图2和图3分别显示了计算结果。

图2 各速度等级下一级垂向刚度的变化对柴油发电机振动烈度的影响

图3 各速度等级下一级垂向阻尼的变化对柴油发电机振动烈度的影响

图2表明：当列车运行速度处于20～60 km/h范围内时，柴油发电机组的振动烈度会随着K1的增大而减小；当列车运行速度达到80 km/h时，柴油发电机组的振动烈度在一级橡胶弹簧的垂向刚度为1.2K1时获得最小值。通过对仿真结果的分析，可知一级悬挂橡胶弹簧垂向刚度在(0.6K1，1.2K1)区间内可获得最优值。

图3表明：当列车运行时速分别为20 km和40 km时，一级隔振橡胶弹簧垂向阻尼在(0.8C1，1.2C1)区间内可获得最优值；当列车运行时速为60 km和80 km时，一级隔振橡胶弹簧垂向阻尼在(0.6C1，C1)区间内可获得最优值；当列车运行时速达到100 km时，一级隔振橡胶弹簧垂向阻尼在(0.8C1，1.2C1)区间内可获得最优值。综上所述，一级隔振橡胶弹簧垂向阻尼在(0.8C1，C1)区间内可获取最优值。

1.2 二级隔振器垂向刚度与垂向阻尼分析

将K2作为二级隔振系统5个橡胶弹簧的垂向刚度，C2作为垂向阻尼。采用单一变量法在SIMPACK中进行动力学仿真计算，计算工况如表3所示。

表3 二级垂向刚度和垂向阻尼计算工况

在进行动力学仿真计算时，车辆运行速度选取在20～100 km/h范围内，大致分为5类速度等级。完成计算后分别提取柴油发电机组上所设置响应点对应的各类工况下的振动响应信号，处理数据后获得柴油发电机组的振动烈度。图4和图5显示了计算结果。

图4 各速度级下二级隔振器垂向刚度的变化对动力包振动烈度的影响

图5 各速度级下二级隔振器垂向阻尼的变化对动力包振动烈度的影响

图4表明：当列车速度处于20～60 km/h范围内时，二级隔振橡胶弹簧垂向刚度在(0.8K2，1.2K2)区间内可获得最优值；当列车以80 km/h速度运行时，二级隔振橡胶弹簧垂向刚度在(0.6K2，K2)区间内可获得最优值；当列车速度达到100 km/h时，二级隔振橡胶弹簧垂向刚度在(0.8K2，1.2K2)区间内可获得最优值。综上所述，二级隔振橡胶弹簧垂向刚度在(0.8K2，K2)区间内可获得最优值。

图5表明：随着二级隔振橡胶弹簧垂向阻尼逐步偏离原始参数，柴油发电机组的振动烈度会不断增大，当隔振系统的垂向阻尼在(0.8C2，1.2C2)区间内取值时，柴油发电机的振动烈度较小[7]。

2 结语

(1)结果表明：由于在系统振动过程中，阻尼值参数有利于降低系统的共振幅度，并加快机构振动幅度的衰减，故隔振橡胶弹簧参数中阻尼值对于柴油发电机组振动烈度指标的影响更加显著。从对研究对象振动烈度指标的影响来看，二级隔振橡胶弹簧参数比一级隔振橡胶弹簧参数影响更大。

(2)以研究对象的振动烈度作为评价指标，一级隔振橡胶弹簧垂向刚度在(0.6K1，1.2K1)区间内可获得最优值；一级隔振橡胶弹簧垂向阻尼在(0.8C1，C1)区间内可获得最优值；二级隔振橡胶弹簧垂向刚度在(0.8K2，K2)区间内可获得最优值；二级隔振橡胶弹簧垂向阻尼在(0.8C2，C2)区间内可获得最优值。综上所述，从设备振动烈度方面考虑，合理范围内整体减小隔振系统中橡胶弹簧的隔振参数，可以有效降低设备的振动烈度指标，从而延长设备的使用寿命并优化设备的使用可靠性。