吊挂设备对高速列车弹性车体垂向振动特性的影响

陈翔宇 缪炳荣 雒耀祥 蒋钏应 杨树旺

摘 要：为了研究车下吊挂设备对高速列车车体弹性振动的影响，文章搭建了车体与吊挂设备的刚柔耦合垂向动力学模型，通过对比刚柔耦合模型和多刚体模型的加速度功率谱密度研究了车体柔性对车辆垂向振动特性的影响;通过控制变量法改变吊挂设备的悬挂参数，分析了不同的悬挂系统频率、悬挂系统阻尼比和悬挂质量对车体中心位置的加速度幅频特性的影响;最后，将吊挂设备视为动力吸振器，采用Jacquot动力吸振器参数优化理论对悬挂参数进行优化。结果表明，合理的选择吊挂设备的悬挂参数可以有效的抑制的车体弹性振动。

关键词：吊挂设备;功率谱密度;幅频特性;DVA

中图分类号：U270.1+1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-99-07

Abstract： In order to study the influence of suspended devices on the elastic vibration of high-speed railway vehicle， this paper builds a rigid-flexible coupled vertical dynamics model of vehicle body and suspension equipment. Firstly， by com -pares the acceleration power spectrum of rigid-flexible coupling model and multi-rigid model， the effects of vehicle body flexibility on vertical vibration of vehicle has been studied; Secondly， the suspension parameters of the suspended devices are changed， such as the frequency of suspension systems， the damping ratio of the suspension system and the suspension mass， then， the acceleration amplitude and frequency characteristics of to the center position of the vehicle body has been analyzed. Finally， the suspension equipment is regarded as the dynamic vibration absorber. The optimization of the suspension parame -ters by JACQUOT dynamic vibration absorber parameter optimization theory shows that the suspension parameters of the suspension equipment can effectively suppress the elastic vibration of the vehicle body.

Keywords： suspended devices; power spectral density; amplitude-frequency characteristics; DVA

引言

与其他交通工具相比，高速列车的速度和舒适度是其最重要的核心竞争力。但随着车辆运行速度的提高及车体轻量化导致的刚度不足等问题的出现，车体自身的弹性振动对车辆运行品质的影响越来越显著。铁道车辆车体振动可分为刚性和弹性两种模态。影响垂向乘坐舒适性的刚性模态是沉浮，俯仰和滚转模态，这些模态通常位于1 Hz左右的相对较低的频率范围内[1];弹性模态是指车体的扭曲和弯曲变形模态，影响到垂向乘坐舒适性的弹性模态大多数是一阶弹性模态，这种模态经常发生在接近4到10 Hz的频率范围内，而人类往往对此频率十分敏感[2]。为了体现车体的动态响应过程，必须考虑车体的弹性振动。此外，弹性振动除了会导致列车乘客对特定频率范围内的振动十分敏感，影响到其乘坐舒适度，同时也可能会导致车体疲劳，影响到车辆的动态性能和使用寿命[3][4]。

国内外针对于弹性车体的垂向振动特性做了大量研究，Dumitriu M、Carlbom等人对轨道车辆的车体结构动力学进行了全面研究。这些研究通过搭建数值仿真模型来模拟研究了车体结构在不同等级的轨面激励作用下的弹性振动以及乘坐舒适度的差异[5][6][7];Diana G等人对主要影响车体舒适性能的参数进行了灵敏度分析，发现特定的轨道波长和车速可能会对车体模态的振动水平产生重大影响[8]。周劲松等人建立了包含结构阻尼的铁道车辆垂向刚柔耦合动力学模型，并运用该模型，采用基于虚拟激励法的快速平稳性算法，研究了铁道客车车体弹性对运行平稳性的影响。研究结果表明，当车体弹性低至一定数值时，将导致车体强烈振动，运行速度越高，对车体的刚性要求越高[9]。宫岛等人建立了包含车体弹性的铁道车辆垂向刚柔耦合系统动力学模型，提出了基于格林函数法的车辆系统运动偏微分方程求解方法，计算获得车体振动加速度功率谱及车辆运行平稳性，分析了几何滤波与车体弹性共振的关系[10]。

安装在车体底架上的吊挂设备是影响乘客乘坐舒适性的关键部件，因为他们质量往往很大，吊挂设备与车体之间的耦合振動能够对车体的振动模态产生显著的影响。邬平波等人建立了一个刚柔耦合的车辆系统动力学模型，根据梁的模态分析理论对设备的悬架参数进行了优化。另外，还从车体模态的角度分析了底架设备的悬架参数与车体模态频率之间的关系[11]。Sun W等人建立了铁道车辆与车下悬挂设备的刚柔耦合垂向动力学模型，并利用该模型，采用协方差法分析了吊挂设备的不同悬挂方法对高速列车运行质量的影响。[12]。但是上述研究少有将吊挂设备视为动力吸振器设备（以下简称DVA），并利用DVA的特性消减弹性车体（欧拉伯努利梁）弹性振动的相关研究。

基于环境的亮度可调节的汽车智能前照灯的调节方法，其程序设计方法如图4所示。

首先，基于感知模块采集的车速信息预估当前车辆的行驶环境工况，并结合其路况的复杂程度将其划分为低速复杂工况、中速城市工况以及高速简单工况[6]。对于地库、停车场、十字路口等行人车辆较多，且汽车行驶速度小于30km/h的行驶环境工况定义为低速复杂工况;对于有照明条件的城市道路、隧道、桥洞等具有一定照明条件，且汽车行驶速度小于60km/h的行驶环境工况定义为中速城市工况;对于高速公路、高架桥等道路状况较好，且行驶速度大于60km/h的行驶环境工况定义为高速简单工况。

其次，依据光敏传感器采集的环境亮度信息对当前汽车所处环境的亮度进行判断，并依据法规GB5920-2008及ECE R123计算出当前行驶环境工况下的照明亮度[7]。最后，通过主控模块将当前汽车行驶环境亮度与最佳照明亮度进行对比，通过PID的控制方法，实现前照灯的自适应亮度调节，在兼具节能性与安全性的前提下，达到最优的照明效果[8]。

4 结论

本文针对当前汽车照明中存在的车灯亮度单一、视距较短、不能随汽车行驶环境工况的变化自动调节亮度等问题，创新性地提出了一种基于环境的亮度可调节汽车智能前照灯系统，并对具体介绍了该系统的工作原理，同时设计了光敏传感器电路及LED灯驱动电路。但是考虑到篇幅以及本文作者知识的局限性，目前只能做出一个较为简洁的系统介绍。

希望文章可以对自适应前照灯系统的发展有着积极的促进作用，可以让汽车照明亮度调节应用到更多的车辆上，真正的做到科技为人服务的目的，为汽车行业的发展做出贡献。

参考文献

[1] 郑志军.智能前照灯系统的发展[J].中国照明电器，2006（06）：8-11.

[2] 罗德智，牛萍娟，郭云雷，刘雷，孙玉楷.汽车前照大灯智能化的现状与发展[J].照明工程学报，2017，28（05）：72-78.

[3] 高小静.自适应前照明系统的研究[D].北京理工大学，2016.

[4] 刘新良，迟永滨.汽车AFS头灯随动转向规律研究[J].机械设计与制造，2011（08）：131-133.

[5] 孟昭军，魏生越，张祥军，薄化钢.汽车智能LED前照灯照明系统算法研究[J].灯与照明，2015，39（01）：30-33.

[6] 刘永斌.多种路况下智能前大灯控制系统研究[D].河南科技大学，2018.

[7] 卜偉理. AFS（前照灯自适应）系统相关法规的研究分析[D].上海交通大学，2009.

[8] 孟昭军，魏生越，张祥军，薄化钢.汽车智能LED前照灯照明系统算法研究[J].灯与照明，2015，39（01）：30-33.