考虑车体弹性振动的车辆系统动力学及悬挂设计.pdf

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1、试验研究铁道车辆第５１卷第１０期２０１３年１０月文章编号：１００２－７６０２（２０１３）１０－０００１－０７考虑车体弹性振动的车辆系统动力学及悬挂设计黄彩虹１，２，梁树林１，曾京２，范军１，张莉１（１．长春轨道客车股份有限公司技术中心，吉林长春１３００６２；２．西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都６１００３１）摘要：建立了多刚体和刚柔耦合车辆系统动力学模型，对比研究了考虑车体弹性振动与否对车辆系统动力学性能的影响。结果表明，考虑车体弹性振动后，低速车辆的动力学性能变化较小，而高速车辆的动力学性能变化较大，且主

2、要体现在旅客乘坐舒适度方面。此外，为了降低高速车辆车体弹性振动，还进行了转向架悬挂参数的优化匹配研究。结果表明，优选一系、二系垂向阻尼和减小抗蛇行减振器安装角度都可以降低车体弹性振动。关键词：铁道车辆；弹性车体；减振；垂向阻尼；抗蛇行减振器中图分类号：Ｕ２７０．１＋１文献标志码：Ａ铁道车辆在运行过程中，激振力由轮轨通过一系、型，使用ＳＨＥＬＬ６３单元模拟车体铝合金结构，用二系悬挂系统传递到车体，经过２级隔振后，车体的振ＭＡＳＳ２１单元模拟设备质量，然后对车体模型进行网动比轴箱和构架的振动小很多，且主要表现为低频振格离

3、散（为了实现快速的动力学计算，采用Ｇｕｙａｎ矩动。但随着高速列车的发展，车辆系统轻量化设计往阵缩减理论以缩减模型自由度），接着进行子结构分往导致车体整体或局部刚度降低，车体振动包含的高析，求解车体子结构模态，得出模态结果，为在多体动频成分越来越多，车体弹性振动问题加剧，严重影响了力学软件ＳＩＭＰＡＣＫ中实现刚柔耦合模型的建立做［９］旅客乘坐舒适性，同时也带来了车体结构动应力增加准备。在ＳＩＭＰＡＣＫ中弹性体的变形由Ｒｉｔｅ法得和疲劳寿命降低等问题。到。利用Ｒｉｔｅ法，弹性体无限个自由度数可以缩减为为了降低车体弹性振动

4、，文献［１］优化了车体和转有限的几个振型来表示。可利用ＳＩＭＰＡＣＫ的前处向架间的连接要素，文献［２］通过在车体上布置电液／理程序ＦＥＭＢＳ将弹性车体模型导入ＳＩＭＰＡＣＫ。磁作动器来进行主动控制，文献［３］研究了一系悬挂和按照以上建模步骤所建立的高速车辆刚柔耦合系空气弹簧的主动阻尼控制技术，文献［４－５］进行了主动统动力学模型及车体典型模态如图１所示。控制技术的探讨，文献［６］提出了车体被动减振技术，文献［７－８］研究了通过在车体适当部位粘贴约束阻尼材料和带有并联电路的压电陶瓷以达到减小车体弹性振动的目的。虽然基于

5、主动控制方法的车体弹性振动控制具有很好的抑制效果，但是其可靠性不容易得到保证，因此通过优化转向架悬挂参数来降低车体弹性振动具有很好的工程应用价值。本文通过建立高速客车多刚体模型和考虑车体弹性的刚柔耦合模型，研究转向架一系、二系悬挂系统在降低高速车辆车体弹性振动设计方面应该注意的问题。１模型的建立首先利用有限元软件ＡＮＳＹＳ建立车体的几何模图１车辆刚柔耦合系统动力学模型及车体典型模态收稿日期：２０１３－０１－２２；修订日期：２０１３－０６－２７基金项目：牵引动力国家重点实验室开放课题（ＴＰＬ１３０７）；“十一五”国家科

6、技支撑计划项目（２００９ＢＡＧ１２Ａ０２）；国家重点实验刚柔耦合模型中，车体为弹性体，具有计算所需的室自主研究课题（２００８ＴＰＬ＿Ｚ０４）质量、模态等信息；轮对、构架等由于其弹性变形相对作者简介：黄彩虹（１９８５－），男，博士后。较小，仍考虑为刚体。在刚柔耦合模型的基础上，还建·１·铁道车辆第５１卷第１０期２０１３年１０月立了车辆系统多刚体模型。多刚体模型中车体考虑成生差异，而拆除抗蛇行减振器之后，上述因素不复存刚性体，为了与刚柔耦合模型进行对比，假设２种模型在，故两者的临界速度相同。值得注意的是，高速车辆下车体的

7、质量、转动惯量和重心高度均相等。模型中多刚体模型和刚柔耦合模型临界速度的差异还与判稳考虑的非线性因素主要是非线性的轮轨接触几何关时选取的极限环幅值大小有关。系、轮轨作用力以及悬挂力等。２．２曲线通过性能２考虑车体弹性振动的车辆系统动力学曲线通过性能计算工况见表２，曲线通过计算结果见图３。由图３可知，多刚体模型和刚柔耦合模型多刚体模型和刚柔耦合模型动力学性能的对比主在轮轴横向力、轮轨垂向力以及脱轨系数方面区别较要针对蛇行运动稳定性、曲线通过性能以及运行平稳小，但是轮重减载率区别较大。主要原因在于，考虑车性指标。体弹性后

8、，相当于降低了二系扭转刚度，增加了车辆适２．１蛇行运动稳定性应扭曲线路的能力，在一定程度上降低了轮重减载率。车辆多刚体模型和刚柔耦合模型的轮对横向位移极限环幅值随车辆运行速度的变化规律如图２所示。由图２可知，无论是低速车辆还是高速车辆，在计算速度范围内，其轮对极限环幅值变化趋势基本一致。表１分别给出了多刚体模型和刚柔耦合模型轮对蛇行运动极限环幅