（載運工具運用工程專業(yè)論文）鐵道車輛振動特性及平穩(wěn)性研究.pdf

西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 鼉 m i ii 曼曼鼉寰曼量舅皇曼曼量曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼舅鼉曼曼曼量曼曼曼曼量笪曼曼皇曼曼毫鼉曼曼曼量舅曼曼曼曼曼曼鼉曼曼曼 摘要 當前世界各國鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展 我國鐵路運輸業(yè)也邁上了新臺階 既有線路的 六次大提速以及高速鐵路的修建 標志著我國 高速客運 貨運重載 的序幕正式拉 開 在這種大形式之下 對車輛系統(tǒng)進行振動模態(tài)分析研究 評判鐵道車輛在高速運 行條件下的振動特性就顯得非常必要 本文綜合運用仿真計算與試驗分析相結合的方 法 對鐵道車輛系統(tǒng)振動響應特性以及模態(tài)參數(shù)與平穩(wěn)性指標之間的關系進入了深入 的研究分析 本文首先闡述了國內(nèi)外鐵道車輛研究狀況以及發(fā)展狀況 介紹了振動模態(tài)分析在 國內(nèi)外應用的情況 特別是鐵路行業(yè)應用的現(xiàn)狀 然后介紹了車輛振動特性研究的基礎理論 并建立符合實際的多自由度車輛系統(tǒng) 振動模型 推導其動力學方程以及振動傳遞函數(shù) 分析雙軸車輛模型以及四軸鐵道車 輛模型振動傳遞關系 并進行譜分析以及動力放大特性研究 并通過試驗進一步研究 了實際車輛系統(tǒng)的振動特性 接著分析了軌道譜激勵下車輛系統(tǒng)的動力響應 根據(jù)線性疊加原理 分析軌道譜 激擾下車輛響應的模態(tài)貢獻量 研究給定頻段上各模態(tài)的相對重要性以及所選擇的輸 入自由度的有效性 最后利用建立的計算模型 分別對車輛在簡諧激勵以及軌道譜激勵下車輛模態(tài)參 數(shù)與車輛平穩(wěn)性指標之間的關系進行研究 通過m a t l a b 編程進行數(shù)值計算 分析了模 態(tài)參數(shù)的變化對車輛平穩(wěn)性指標影響的情況 關鍵詞 振動 模態(tài) 軌道譜 平穩(wěn)性指標 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 l 頁 a b s t r a c t a c c o m p a n i e db yt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ng l o b a l l y t h e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n i nc h i n ai s s t e p p i n g i n t oan e ws t a g e t h eo v e r a l ls p e e d i n g u p p r o g r a ma n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h eh i g h s p e e dr a i l w a y sh a ss y m b o l i z e dt h eo p e n i n go ft h e n e wc u r t a i nc o n c e r n i n g t h eh i g h s p e e do fp a s s e n g e rt r a n s p o r ta n dt h eh e a v yl o a d i n go ft h e f r e i g h t u n d e rt h i sf o r m i ti sv e r yn e c e s s a r y t os t u d ym o d a la n a l y s i sa n da n a l y z ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ev e h i c l es y s t e m f r o mi n t e g r a t e du s i n gt h em e t h o d so fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a la n a l y s i s w ei n d e p t hs t u d yt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr a i l w a yv e h i c l e s y s t e m sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o d a lp a r a m e t e r sa n dt h es t a b i l i t yi n d i c a t o r s t h i sp a p e rb e g i n sb yd e s c r i b i n gt h er e s e a r c hs i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d a sw e l la s t h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yv e h i c l es t a t u s i n t r o d u c e dt h ev i b r a t i o nm o d a la n a l y s i s a p p l i c a t i o n sa th o m ea n da b r o a d i np a r t i c u l a rt h es t a t u so ft h er a i l w a yi n d u s t r ya p p l i c a t i o n s a f t e r w a r d s w ei n t r o d u c et h es t u d yo ft h eb a s i ct h e o r yo nt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fv e h i c l e s a n de s t a b l i s ht h er e a l i s t i cm u l t i d o fv i b r a t i o nm o d e lo fv e h i c l es y s t e m s w e a l s od e r i v et h ek i n e t i ce q u a t i o na n dv i b r a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n a n da n a l y z et h et w o a x i s r o l l i n gs t o c kv e h i c l e sa sw e l la sf o u r a x i sv i b r a t i o nt r a n s m i s s i o nr e l a t i o n sa n dc o n d u c t s p e c t r a la n a l y s i s a n dd y n a m i ca m p l i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ht h et e s to fa c t u a l v e h i c l es y s t e m s f u r t h e rs t u d yt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h e nt h i sp a p e ra n a l y z e st h ed y n a m i cr e s p o n s eo fv e h i c l es y s t e m s i n s p i r i t e db yt h e t r a c ks p e c t r u md e n s i t y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs u p e r p o s i t i o n i ta n a l y z e st h em o d a l c o n t r i b u t i o n sf o rt h er e s p o n s eo fv e h i c l e su n d e rt h ee x c i t a t i o no ft h et r a c ks p e c t r u md e n s i t y i ta l s os t u d yt h er e l a t i v ei m p o r t a n c eo fv a r i o u sm o d e sa sw e l la st h ee f f e c t i v e n e s so fc h o i c e o fi n p u td e g r e e so ff r e e d o mi nag i v e nb a n d f i n a l l y f r o mu s i n gt h ec a l c u l a t i o nm o d e l t h ep a p e rs t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n m o d a lp a r a m e t e r so fv e h i c l e sa n ds t a b i l i t yi n d e xu n d e rt h ee x c i t a t i o no ft h et r a c ks p e c t r u m d e n s i t y t h r o u g ht h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nu s i n gm a t l a bp r o g r a m i ta n a l y z e st h ei m p a c t 撕伍 t h ec h a n g e si nm o d a lp a r a m e t e r sf o rv e h i c l es t a b i l i t yi n d i c a t o r s k e yw o r d s v i b r a t i o n m o d a l t r a c ks p e c t r u md e n s i t y s t a b i l i t yi n d i c a t o r s 西南交通大學 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留 使用學位論文的規(guī)定 同意學校保留 并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本 人授權西南交通大學可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 可 以采用影印 縮印或掃描等復印手段保存和匯編本學位論文 本學位論文屬于 1 保密口 在年解密后適用本授權書 2 不保密彤使用本授權書 請在以上方框內(nèi)打 學位論文作者簽名 螄a 指導老師簽名 蚴 日期 的扣 妒 1 1 日期 7 1 0 筍 f 西南交通大學碩士學位論文主要工作 貢獻 聲明 本人在學位論文中所做的主要工作或貢獻如下 1 利用車輛系統(tǒng)的模態(tài)模型 分析車輛系統(tǒng)的振動響應情況 并由此進行 相關的譜分析 同時根據(jù)仿真模型得到數(shù)據(jù)進行模態(tài)參數(shù)對車輛平穩(wěn)性指標影響的 分析 2 通過有源激勵試驗 對車輛整體振動特性以及零部件的傳遞特性進行分 析 通過試驗臺軌道譜輸入 分析車輛系統(tǒng)動力學響應以及模態(tài)參預分析 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是在導師指導下獨立進行研究工作所得的 成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果 對本文的研究做出貢獻的個人和集體 均己在文中作了明確 說明 本人完全了解違反上述聲明所引起的一切法律責任將由本人承擔 學位論文作者簽名 觚肭 1 日期 妒jp 崢 1 j 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 1 1 研究意義 第一章緒論 鐵路運輸是我國的主要運輸方式 其具有中長距離 快捷 安全 低耗 環(huán)保等 特點 在我國國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用 特別是鐵路客運 每年要承擔數(shù)以億 計的民工潮 學生潮運輸 使本已緊張的鐵路運輸雪上加霜 運能不足的矛盾已經(jīng)非 常突出 為了解決這些問題 自1 9 9 7 年4 月1 日第一次鐵路大提速以來 我國鐵路已 經(jīng)進行了六次大提速 準高速客貨車 以及動車組的商業(yè)運行 極大的推動著我國國 民經(jīng)濟的發(fā)展 但是 隨著行車速度越來越高 安全問題也越來越迫在眉睫 車輛在 高速運行時 由于軌道不平順 輪對的運動億計車輛懸掛系統(tǒng)自身的特性 使車輛產(chǎn) 生復雜的振動 這種振動的大小 對于旅客的乘坐舒適性或貨物的損傷都有明顯的影 響 根據(jù)u i c 國際鐵道聯(lián)盟 的定義 高速鐵路是指營運速率達每小時2 0 0 公里的 鐵路系統(tǒng) 也有2 5 0 公里的說法 早在2 0 世紀前期 當時火車 最高速率 超過時速 2 0 0 公里者比比皆是 直到1 9 6 4 年日本的新干線系統(tǒng)開通 是史上第一個實現(xiàn) 營運 速率 高于時速2 0 0 公里的高速鐵路系統(tǒng) 此后德國的城際特別快車i c e 的最高試驗速 度于1 9 8 8 年達到4 0 7 k m h 運營速度達到2 5 0 k m h 以上 法國的高速列車t g v 大西 洋線的運營速度達3 0 0 k m h 0 3 年其試驗速度還達到了5 1 5 3 k m h 的高速 鐵路高速 化是經(jīng)濟大發(fā)展的必然結果 車輛系統(tǒng)動力學性能包括安全性 運行平穩(wěn)性和乘坐舒適性等性能 其動力學行 為直接影響到行車安全 旅客乘坐舒適度以及運行平穩(wěn)性等性能 隨著運行速度的提 高 軌道激擾頻率逐漸增大 輪軌之間的高頻振動通過一系懸掛傳遞給構架 可能激 發(fā)構架的結構振動 通過二系懸掛傳遞到車體 由于車輛系統(tǒng)結構輕量化設計往往導 致車體整體或局部的剛度降低 車體的振動包含的高頻成分越來越多 主要是車體的 彈性振動 使得車輛各部件之間的振動加劇 這些作用力傳遞到車體使乘客明顯感覺 到車體的振動和顫動 嚴重影響到乘坐的舒適性 同時造成構架和車體本身的疲勞破 壞問題 嚴重的會影響整車的動力學性能及服役壽命 以往的車輛動力學性能研究中 通常把轉向架構架和車體都考慮成為剛體 不考慮結構彈性變形的影響 這對于低速 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 頁 運行的車輛可以接受 但對于高速運行的車輛 特別是車輛結構輕量化的發(fā)展 構架 和車體的彈性變形對車輛系統(tǒng)振動特性的影響不能被忽略 隨著結構輕量化以及車輛 運行速度的提高 使得在分析高速車輛振動響應等動力學性能時必須考慮部件的結構 彈性變形影響 引入剛柔耦合多體動力學理論對車輛系統(tǒng)進行動力學性能分析 可以 揭示車輛系統(tǒng)中剛性和彈性耦合及相互作用的影響 使得分析更加符合實際 能夠更 準確的仿真模擬高速運行狀態(tài)下構架和車體彈性變形對車輛系統(tǒng)振動響應等動力學性 能的影響 提高動力學性能的計算精度 為車輛系統(tǒng)設計和仿真計算提供一定的參考 對車輛進行仿真以及試驗模態(tài)分析 可以較準確的測試出車輛懸掛結構振動的固 有頻率 阻尼及響應 從而進一步分析試驗條件下車輛的振動傳遞特性 評價車在不 同條件下的平穩(wěn)性 提高我國車輛的研究水平 因此研究機車車輛振動傳遞特性以及 模態(tài)參數(shù)對機車車輛平穩(wěn)性指標影響具有相當重要的現(xiàn)實意義 1 2 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析 1 2 1 我國鐵道車輛發(fā)展概況 新中國成立以前 我國雖然已有鐵路 但在線路上行駛的都是美 日 法 英 德 比等外國的車輛 沒有中國自己制造的車輛 這些車輛種類多 型號復雜 運行 性能差 技術指標落后 安全性和舒適性差 零部件不能互換 檢修不方便 經(jīng)過幾 十年的發(fā)展 我國才逐步形成完整的車輛制造 修理和養(yǎng)護體系 總的來說我國鐵路 經(jīng)歷了仿制 獨立設計制造 車輛高速化階段 從1 9 9 8 年我國第一列商用動車組在南昌鐵路局運營以來 目前已有幾十列動車組 奔馳在全國萬里鐵道線上 成為鐵路運輸一道亮麗的風景 動車組的運營 不僅為我 國中短途客運增加了一種新型的鐵路交通工具 更重要的是它為鐵路運輸帶來了新的 活力 動車組雖然在我國真正投入商業(yè)運營的時間并不長 但其良好的發(fā)展前景已被 國內(nèi)外普遍看好 國外經(jīng)驗表明 除了中長途運輸外 在中短途運輸 大城市近郊 大城市與衛(wèi)星城市之間 鐵路客運的作用仍然不可忽視 隨著我國城市化進程的持續(xù) 發(fā)展和城市化水平的不斷提高 城市的數(shù)量不僅要增加 城市的規(guī)模也在不斷擴大 未來城際間的客運市場潛力巨大 在城市交通體系中 軌道交通以其用地省 運能大 速度快 節(jié)約能源 減少污染 運行經(jīng)濟 安全性好等優(yōu)點 越來越受到人們的重視 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 頁 目前 據(jù)專家預測 未來的城市軌道運輸由 地鐵 輕軌 市郊動車組 的模式組成 構成一個由內(nèi)向外 層層分流的立體交通網(wǎng)絡 即在市區(qū)采用地鐵運輸 人口相對較 少的地區(qū)采用輕軌 在城市周圍和市郊采用動車組 這種組合的優(yōu)點是 地鐵運量大 可將密集地區(qū)的人流迅速分散出去 輕軌車運行時間機動 可靈活應對不確定的客流 市郊出行距離加大 更快速的動車組可大大縮短旅途時間 1 2 2 車輛振動研究概況 隨著速度的提高 因為線路不平順而引起的車輛振動問題就凸現(xiàn)出來 這就要研 究車輛的模態(tài)特性 要全面研究高速機車車輛的動態(tài)特性 就需要全面研究車輛的模 態(tài)試驗 模態(tài)試驗作為結構動力學中的一種逆問題在工程實踐中應用是從6 0 年代中 后期開始 至今已有近四十年的歷史了 這 技術首先在航空 宇航及汽車工業(yè)中開 始發(fā)展 由于電子技術 信號處理技術與設備的發(fā)展 n 8 0 年代末這項技術已成為工 程中解決結構動態(tài)性能分析 振動與噪聲控制 故障診斷等問題的重要工具 目前這 一技術已漸趨成熟 但在工程應用方面還有不少工作可做 首先是如何提高模態(tài)分析 的精度 擴大應用范圍 增加模態(tài)分析的信息量是提高分析精度的關鍵 單靠增加傳 感器的測點數(shù)目很難實現(xiàn) 目前提出的一種激光掃描方法是大大增加測點數(shù)的有效辦 法 模態(tài)分析當前的一個重要發(fā)展趨勢是由線性向非線性問題方向發(fā)展 非線性模態(tài) 的概念早在就由r s e n b e r g 提出 雖有不少學者對非線性模態(tài)理論進行了研究 但由于 非線性問題本身的復雜性及當時工程實踐中的非線性問題并未引起重視 非線性模態(tài) 分析的發(fā)展受到限制 近年來在工程中的非線性問題日益突出 因此非線性模態(tài)分析 亦日益受到人們的重視 最近己逐步形成了所謂非線性模態(tài)動力學 關于非線性模態(tài) 的正交性 解耦性 穩(wěn)定性 模態(tài)的分叉 滲透等問題是當前研究的重點 模態(tài)參數(shù)對車輛動力學性能的影響國內(nèi)也有學者做了研究 目前我國鐵道機車車 輛模態(tài)試驗設備比較先進 因為近年來我國與世界經(jīng)濟交流頻繁 新建鐵道車輛模態(tài) 試驗設備大都接近世界先進水平 如四方車輛研究所1 9 9 7 年引進的h p l m s 動態(tài)數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)具有國際九十年代末先進水平 1 9 9 2 年 曹志禮應用多通道激振試驗系統(tǒng) 采 用 阻抗矩陣 法在試驗臺上對普通硬臥客車進行了模態(tài)試驗 試驗的輸入激勵是由 該車在線路實際運行中實測的軸箱響應信號形成 2 0 0 3 年 北京交通大學金新燦等人 做了環(huán)境隨機激勵下高速客車的工作模態(tài)分析 2 0 0 4 年 同濟大學張洪博士針對裝有 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 頁 s w 1 6 0 性轉向架的底頻晃動問題 應用隨機子空間法對車體的剛體模態(tài)參數(shù)做了辨識 實驗表明車體的上心 下心擺和搖頭振型的阻尼比偏底 車體的下心擺被激起以后不 能有效的衰減 是造成車體低頻率晃動的主要原因 做了相應的改進 采用了s y s 5 5 0 e 空氣彈簧以后以及將2 系橫向減振器的阻尼提高到6 0 k n s m 以后 車體的下心擺的頻率 有所降低 阻尼比得到明顯提高 車體的低頻率晃動得到有效抑制 我國1 9 9 3 年在西 南交通大學建立了機車車輛整車滾動振動試驗臺 在多次國家級項目研制的研究中發(fā) 揮了重要作用 同時也為車輛系統(tǒng)的模態(tài)試驗提供了充分的條件 車輛多體系統(tǒng)的動態(tài)分析是近年來車輛仿真計算分析的重要課題之一 而考慮系 統(tǒng)結構彈性的影響又是準確地進行數(shù)學模擬所必需的 剛柔耦合的車輛系統(tǒng)動力學是 當今國際上車輛系統(tǒng)動力學分析中新的發(fā)展方向 多剛體動力學是把系統(tǒng)中的各部件 看作剛體 部件之間通過彈性件和阻尼件連接在一起 同時考慮約束條件來建立分析 模型 目前多剛體動力學研究已經(jīng)取得了較為完善的成果 對于車輛系統(tǒng)動力學 當 只考慮車輛運行的平穩(wěn)性和曲線通過性能等車輛系統(tǒng)整體動力學特性時 在低速情況 下為了突出研究目標 可以忽略轉向架構架及車體的彈性效應影響 但是對于高速運 行的車輛 忽略結構彈性的影響已不能滿足車輛系統(tǒng)動力學的要求 因此對于結構輕 量化高速動車組的車輛系統(tǒng)動力學性能分析以及結構振動響應的研究必需考慮部件結 構彈性 目前 在多體系統(tǒng)動力學領域已經(jīng)有很多仿真軟件 如多體動力學軟件 n u c a r s a d a m s r a i l m e d y n a 和s i m p a c k 等 這些軟件都已成功地應用于多 體車體系統(tǒng)動力學分析 8 把彈性體引入到車輛系統(tǒng)動力學中是一個新的研究方向 最早把彈性體應用到結構振動分析中進行研究始于7 0 年代初 受當時計算條件的 限制 彈性體處理基本上是一些簡單的桿件 梁和薄板等物體 建立多體系統(tǒng)運動方 程主要有l(wèi) a g r a n g e 法 n e w t o n e u l e r 法 h a m i l t o n 原理以及d a l e m b e r t 原理等 通過 在結構中考慮彈性體 可以求解出結構系統(tǒng)的振動響應和結構彈性變形等 采用f e 法進行多體結構中彈性體分析始于7 0 年代末期 c b o d l e y 等通過運用f e 模態(tài)分析方法研究了包含彈性體影響的結構動態(tài)性能 j s o n g 等在平板系統(tǒng)動態(tài)性能 分析中引入彈性f e 法 由于數(shù)值計算結果精度較高 由此基于f e 法的彈性體方法獲 得了廣泛的應用 美國s h a b a n a 等 1 2 通過使用模態(tài)振型模擬彈性體變形 將s o n g 的方 法推廣到通用結構動態(tài)分析中 并在1 9 9 7 年s h a b a n a 綜述發(fā)表了多柔體系統(tǒng)動力學的 進展 德國w a l l r a p p 和s o n g 等經(jīng)過研究提出為便于由f e 或解析解方法描述的彈性體 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 頁 在多體系統(tǒng)中仿真的需要 定義了彈性體標準輸入數(shù)據(jù)格式 s i d 采用模態(tài)疊加法 描述彈性變形 車輛振動性能是評價車輛質量的重要性能指標之一 隨著中國鐵路的高速化 人 們對車輛舒適性要求的提高 有關車輛整車振動性能方面的研究工作越來越受到重視 鐵道車輛一般有一個裝載旅客或貨物的質量較大的車體和兩臺起承載 走形 導向等 作用的轉向架 車體與轉向架構架之間或轉向架構架與輪對之間設有彈性較大的懸掛 裝置 懸掛裝置在車體與轉向架構架 構架與輪對之間形成彈性約束 車體 轉向架 構架 輪對和彈性懸掛裝置共同組成一個彈簧質量系統(tǒng) 由于線路以及車輛本身的特 點 車輪沿軌道運行時 在垂向及橫向均能產(chǎn)生復雜的運動并經(jīng)受各種輪軌作用力 這些運動和力經(jīng)彈簧傳至轉向架和車體 激起車輛系統(tǒng)的強迫振動 車輛強迫振動的 頻率 振幅以及振型 不僅與車輛本身的結構有關 而且與線路的不平順特點 輪軌 相互作用關系以及車輛的運行速度有關 車輛在線路上運行時 輪軌之間的激振源有 周期性的 例如鋼軌接頭 也有隨機的 如線路隨機不平順 周期性的激振因素激起 車輛穩(wěn)態(tài)強迫振動 隨機性的激振因素引起車輛的隨機響應 這種響應只能用數(shù)學統(tǒng) 計的方法來研究 在周期性的激振因素作用下 如果激振因素的周期與車輛系統(tǒng)某個 固有頻率一致時 在減振器阻力不大或無減振器的情況下 可能出現(xiàn)車輛系統(tǒng)振幅不 段擴大的共振現(xiàn)象 這個復雜的多自由度 質量一剛度一阻尼 振動系統(tǒng)所形成的不 同形式的振動及其耦合是影響車輛行駛平順性 舒適性 安全性及車輛零部件使用壽 命的主要原因 1 3 研究的主要內(nèi)容 本文運用理論分析 試驗研究相結合的方法 對車輛系統(tǒng)進行建模分析 研究車 輛系統(tǒng)振動傳遞特性 為改善車輛振動性能 提高車輛行駛平順性提供設計的理論依 據(jù) 其主要研究內(nèi)容有 1 建立符合實際的多自由度車輛系統(tǒng)振動模型 推導其動力學方程以及振動傳 遞函數(shù) 分析雙軸車輛以及四軸鐵道車輛振動傳遞關系 并進行譜分析以及動力放大 特性研究 2 以國內(nèi)某大型罐車生產(chǎn)基地生產(chǎn)的輕油罐車為樣車 利用力錘法以及激振器 激勵法為模態(tài)試驗基礎 研究從軸箱到構架 從構架到車體振動傳遞情況 評價該車 西南交通大學碩士研究生學位論文第6 頁 曼皇曼i i 舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼蔓皇蔓曼曼曼曼鼉曼曼曼曼 曼曼曼曼舅曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼鼉曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼詈曼曼鼉皇曼曼蔓鼉舅 的動態(tài)設計 3 分析了軌道譜激勵下車輛系統(tǒng)的動力響應 根據(jù)線性疊加原理 分析不同激 擾下車輛響應的模態(tài)貢獻量 研究給定頻段上各模態(tài)的相對重要性以及所選擇的輸入 自由度的有效性 4 利用建立的計算模型 分別對車輛在簡諧激勵以及軌道譜激勵下車輛模態(tài)參 數(shù)與車輛平穩(wěn)性指標之間的關系進行研究 通過m a t l a b 編程進行數(shù)值計算 分析了模 態(tài)參數(shù)的變化對車輛平穩(wěn)性指標影響的情況 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 第二章鐵道車輛懸掛系統(tǒng)振動特性研究 2 1 振動基本概念 輪軌之間的相互動力作用 以輪軌接觸點為分界面 向上傳遞給機車車輛 向下施 加于軌道 這是一個復雜的振動傳遞系統(tǒng) 如圖2 1 所示 這是一個振動系統(tǒng)框圖 輪軌之間的作用力相當于輸入激勵 懸掛系統(tǒng)相當于一個減振系統(tǒng) 而車體內(nèi)部各點 振動相當于響應輸出 振動傳遞特性就是研究激勵通過系統(tǒng)之后 施加于車體的影響 以及研究系統(tǒng)傳遞特性和特征參數(shù)的改變對響應的影響程度 響應 l 激勵 系統(tǒng) yi 2 2 單自由度振動系統(tǒng) 圖2 1 振動系統(tǒng) 實際的機車車輛振動系統(tǒng)是非常復雜的 影響車輛振動的因素也非常多 所以在 分析車輛振動系統(tǒng)的振動問題時 為了便于分析可計算 必須抓住主要因素 略去一 些次要因素 也就是說要簡化為某種理想模型 任何振動系統(tǒng)的特征參數(shù)都是由質量 剛度 阻尼組成 機車車輛一系懸掛系統(tǒng)車輪與轉向架就組成最簡單的車輛振動系統(tǒng) 如果只考慮轉向架腳 的運動 那么就是單自由度強迫振動系統(tǒng) 如圖2 2 所示 西南交通大學碩士研究生學位論文第8 頁 k 一x 2 一x 圖2 2 單軸車輛平面模型圖 設定x 為簧下質量位移 則系統(tǒng)運動微分方程為 m 2x 2 c x 2 k x 2 k 2 x 1 c x i 2 1 由式 2 1 可見 車輪在軌道上運動時相當于系統(tǒng)上作用了兩個激勵力 一個是 經(jīng)懸掛系統(tǒng)傳遞過來的尼 x 另一個是c x 兩者相位不同 前者與y 同向 后者超前 9 0 與x 1 同向 假定車輪運動為簡諧運動 即 x l a s i n r o o t 代入式 2 一1 解一 階線型常微分方程可得 x 2 b s i n o o t 一驢 2 2 設定頻率比彳 墮 相對阻尼系數(shù)f 蘭 則有 t yz 托 a b 口 2 c 1 l 3 鱸撒伽f 葒友開 響應的動力放大因子為 d b 2 2 口 71 2 弘 2 1 1 2 2 2 2 弘 2 2 3 2 4 為了觀察系統(tǒng)傳遞特性 以頻率比a 為橫坐標 為縱坐標和以相對阻尼系數(shù)f 為參 數(shù) 根據(jù)式 2 4 可以得到一組幅頻響應曲線如圖2 3 所示 西南交通大學碩士研究生學位論文第9 頁 曼量曼 曼曼曼曼鼉皇曼曼曼曼鼉曼曼曼曼i i i 一 一 i i mm i 一 i i 皇曼鼉 幅頻特性相頻特性 頻率比 九 頻率比 九 圖2 3 單自由度系統(tǒng)傳遞系數(shù)曲線 由圖2 3 可知 當旯 1 時 響應大小由阻尼比決定f f 越小 系統(tǒng)振動越大 a 互 放大因子 始終為l 即實現(xiàn)振動等幅傳遞 2 3 二自由度系統(tǒng)振動傳遞率特性分析 從數(shù)學上講 單自由度系統(tǒng)由于方程單一 其振動特性比較容易求的 而多自由 度系統(tǒng)則不同 這種系統(tǒng)振動分析的基礎是二階多元微分方程組 方程組各方程之間 在變量上存在相互耦合現(xiàn)象 所謂耦合在力學上指的是系統(tǒng)質量之間存在的力的相互 作用 反應到數(shù)學表達式上就是微分方程組之間變量上存在的相互聯(lián)系 也就是說一 個微分方程包含多個變量及其導數(shù) 兩自由度系統(tǒng)是最簡單的多自由度系統(tǒng) 但在解 決振動傳遞問題時也具有一定的代表性 可以通過處理兩自由度系統(tǒng)振動問題及其實 際應用來熟悉多自由度系統(tǒng)振動 2 3 1 傳遞率計算 研究二自由度系統(tǒng)振動傳遞問題就必須先建立系統(tǒng)方程 圖2 4 為簡單三自由度系 統(tǒng)平面模型 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 0 頁 j f 其中m 為基礎的質量 相當于車輛系統(tǒng)中的輪對 朋 聊 為上下質量塊的質量 紅 k 3 為上下彈簧剛度 毛為m 質量塊自身的剛度 c c 為上下阻尼器的粘性阻 尼系數(shù) 假定質量塊 不動 相當于車體靜止 并不考慮k 的影響 由此可列微分 苫驥 二 搿小土 渤州0 設定系統(tǒng)輸入力f 為簡諧激勵力 f f f o s i nm t 設 一m 2 力 一c o 口 詈 砰 魯 喀 i k m 舌 習意m 參 習蠹 q 聊 2 乙l 忙t 2 庀 研 a 刀一牙 a2 4 專董口 1 口2 卜 力 2 參口 2 專 2 舌 一i 2 4 a2 2 參口 則可得到系統(tǒng)頻響函數(shù)如下 h 旯 垡 絲絲匕巡塑巡 2 6 頻響函數(shù)為復函數(shù) 故而可以改寫成 西南交通大學碩士研究生學位論文第11 頁 何 力 l h 2 l e 川引 2 7 1 日 旯 l 就是系統(tǒng)的傳遞系數(shù) 同時它反應了隔振系統(tǒng)的動態(tài)特性 為了更方便 定量表達隔振系統(tǒng)的動態(tài)性能 用對數(shù)表達為動力放大因子 允 夕 旯 2 01 9 l h 旯 l 2 8 2 3 2 質量比對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響 在雙層隔振系統(tǒng)結構參數(shù)設計中 質量比是最重要的參數(shù)之一 圖2 5 給出了 固定阻尼比和頻率比時 質量比 變化時 聊 m 變化時 系統(tǒng)對數(shù)放大因子 無 與對數(shù)頻率比l g 旯的關系 虛線為對應的單自由度系統(tǒng)對數(shù)放大因子變化規(guī)律 4 0 2 0 0 一2 0 q 一4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 舭零馘 i 爨 2 0 0 一2 0 q 4 0 6 0 8 0 i 卣銣 0 5 6 o 0 6 5 口5 1 2 嘞蠡卸 5 蠡 o 6 5 口 1 2 圖2 5 單軸向振動系統(tǒng)傳遞率 與單自由度系統(tǒng)傳遞率相比 二自由度系統(tǒng)振動系統(tǒng)隔振頻帶更寬 力 2 6 h z 時 f 廠 1 以上的平穩(wěn)性指數(shù)只適用一種頻率一個振幅的單一振動 但實際上車輛在西安路 上運行時的振動是隨機的 即振動頻率和振幅都是隨時間變化的 因此在整理車輛平 穩(wěn)性指標時 通常把實測的車輛振動加速度按頻率分解 進行頻譜分析 求出每段頻 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 7 頁 曼曼曼 i i i i i i i i i 鼉 率范圍的振幅值 然后對每一段計算各自的平穩(wěn)性指標形 然后再求出全部頻率段總 的平穩(wěn)性指標 形 彬m 暖m 彬加 0 1 4 5 表4 1 根據(jù)計算值w 來評定平穩(wěn)性的等級 w 值 運行品質 很好 2 好 3 滿意 4 可以運行 4 5 運行不合格 5 危險 4 1 2g b 5 5 9 5 8 5 標準分析 1 車輛運行平穩(wěn)性評價指標 一般來說 車輛運行平穩(wěn)性指標可以按平穩(wěn)性指標w 來評定 平穩(wěn)性指標按下面 公式來計算 w 7 0 8 4 6 式中 w 刀 t t 倔性j 日i 懷 a 振動加速度 f 振動頻率 f 廠 頻率修正系數(shù) 其中 f 廠 如表4 2 所示 表4 2 頻率修正系數(shù) 垂向振動橫向振動 0 5 5 9 h z y y 0 3 2 5 f 2 0 5 5 4 h z f f 0 8 f 2 5 9 2 0 0 h z 廠 4 0 0 廠1 5 4 2 6 o h z f f 6 5 0 f 2 2 0 0 h z 尺 1 2 6 0 h z 尺 廠 1 實際運行過程中 車輛振動為隨機振動 其振動加速度和頻率都是隨時間變化而 變化 所以需將振動按頻率分組 統(tǒng)計每 頻率中不同加速度的值 總的平穩(wěn)性指標 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 8 頁 按下面公式計算 暖 痧 可孓 礦 4 7 其平穩(wěn)性指標等級如表4 3 4 4 所示 4 3 客車平穩(wěn)性指標登記表 平穩(wěn)性等級平穩(wěn)性指標w評定 1 級 矽 2 5 優(yōu) 2 級2 5 形 2 7 5良好 3 級2 7 5 形 3 合格 4 級3 w 4不舒服 5 級4 形 5很不舒服 無法長期忍受 4 5 貨車平穩(wěn)性指標登記表 平穩(wěn)性等級平穩(wěn)性指標w評定 1 級w 3 5 優(yōu) 2 級3 5 w 4良好 3 級4 w 4 2 5 合格 4 2 模態(tài)參數(shù)與平穩(wěn)性指標關系研究 從振動模態(tài)理論模態(tài)疊加法可以知道 車輛的實際振動響應由車輛的各階模態(tài)振 動疊加而成 從根本上講由車輛的模態(tài)參數(shù)決定 各階模態(tài)所作貢獻的大小除取決于 結構本身的特點外 還取決于結構受激勵力的頻率范圍 以及激振力分布的情況 在 實際計算中 只要考慮貢獻大的模態(tài)就夠了 在本章的分析中 主要考慮車輛系統(tǒng)的 懸掛模態(tài) 模態(tài)分析法可以不必去求出所有的特征值和特征向量 而只是求出人們所 需要的那幾階 包括模態(tài)質量 模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼 用以建立響應計算模型 運用 這些模態(tài)參數(shù)建立的響應計算模型 我們稱之為模態(tài)模型 因此在給定輸入的情況下 就可以根據(jù)模態(tài)模型計算車輛的平穩(wěn)性指標 在二階常微分方程描述的車輛系統(tǒng)動力學數(shù)學模型的基礎上 利用模態(tài)坐標變換 法推導了用模態(tài)參數(shù)描述的車輛垂向平穩(wěn)性指標計算表達式 本章將對此作簡要介紹 圖4 1 為車輛振動系統(tǒng)的分析模型 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 9 頁 曼曼皇曼 l i l e l 舅鼉曼曼曼鼉曼鼉曼曼皇巴皇曼曼曼曼 皇曼曼鼉曼曼曼鼉曼皇量曼曼曼曼曼量曼 曼曼 z x 8 x o 口 i 6 f 白 一 z o 暑 c o j 旨j m x c 義 k x f 0 e 碰 4 8 由s p e r l i n g 平穩(wěn)性指標計算式知 車體的平穩(wěn)性指標由車體上給定點的振動烈度確定 m 牙 c 口4 盔 g 甲7 f o e 硝 4 9 式中m c k 分別為系統(tǒng)的模態(tài)質量矩陣 模態(tài)阻尼矩陣和模態(tài)剛度矩陣 甲7 民p 刪為廣義力幅值向量 y7 為模態(tài)振型矩陣的轉置 q 為模態(tài)坐標下的位移 戈 6 享塑墨生1 耐 4 1 0 船薈贏韻倒 4 1 坼諺1 1 篆吖2 毒罷j 式中 甲 為第r 階模態(tài)向量 甲 j r 緲2 伊 緲 緲 緲 r 緲 為第r 階模態(tài)向 量中的第i 個元素 q 毒分別為第r 階的固有頻率和阻尼i l s 聊 為第r 階模態(tài)質量 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 0 頁 t 表示時間 由上式可以看出 任意點的坐標響應是各階模態(tài)貢獻量的加權和 如選取車體底板上位于如圖5 1 所示的位置s a 8 5 m c l m 作為評價車輛平 穩(wěn)性指標的參考點 s 點的垂向振動加速度可以用坐標響應來表示 z s z c a 一c o x 4 1 2 式中z 為車體的浮沉位移 甌為車體的點頭角位移 敏為車體的側滾角位移 令式 5 中k l 4 5 代入上式得到 歲一r r 6r 6 w 2 仍 仍 f 乏叫婆l 麗葶萄 一閏lj m 砰f1 一 2 善等 66 r 1 f 1 66 yy j 二 j 二 1f 卅 一r 憎卜等川善列f 上式是模態(tài)參數(shù)與參考點振動響應量間的計算式 4 1 3 從式 5 5 知 參考點振動加速度由模態(tài)振型 各階固有頻率 模態(tài)質量 或剛 度 阻尼比及各坐標的激擾力共同確定 為驗證模態(tài)參數(shù)對平穩(wěn)性的影響 按 鐵道 車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范 g b 5 5 9 9 8 5 中提供的單一頻率單一振幅的 s p e r l i n g 平穩(wěn)性指標進行計算 計算式為 形 7 0 8 式中 w 一平穩(wěn)性指標 2 s 一參考點的振動加速度 g 4 1 4 廠一振動頻率 i i z f f 一與振動頻率有關的修正系數(shù) 見表4 2 根據(jù)車體的模態(tài)參數(shù) 利用式 5 5 計算參考點的垂向振動加速度 然后利用式 5 6 計算平穩(wěn)性指標 就可以得到垂向平穩(wěn)性指標與模態(tài)參數(shù)間的關系 4 3 簡諧激擾下模態(tài)參數(shù)對平穩(wěn)性指標的影響 所選取車輛的物理參數(shù)見表2 1 根據(jù)前兩章計算分析所掌握的車輛系統(tǒng)模態(tài)參數(shù) 結果 即可以通過數(shù)值計算分析車體簡諧激擾下懸掛模態(tài)參數(shù)的變化對車輛平穩(wěn)性指 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 1 頁 標影響的情況 應用式 4 13 和式 4 1 4 得到車輛垂向振動平穩(wěn)性指標隨車輛橫 態(tài)頻率和阻尼的變化如圖4 2 所示 圖中給出了系統(tǒng)一階浮沉模態(tài)頻率 二階點頭模 態(tài)頻率 一階模態(tài)阻尼比和四階模態(tài)阻尼比的變化對車體垂向平穩(wěn)性指標的影響 曠階模志頻率對垂自平 性指標的影響 fh 二階橫志顥豐 垂向十耗性指標的話響 姆 cj 一階模態(tài)m e i 日 指標 影自 dj j 搖 m 月l 目 日平辣b 指 彤n 圖4 2 車體簡諧激擾頻率及懸掛模態(tài)參數(shù)對垂向平穩(wěn)性指標的影響 從圖4 2 可咀看出 車體的模態(tài)振動頻率對平穩(wěn)性指標影響較大 平穩(wěn)性指標最 大峰值出現(xiàn)在系統(tǒng)一階模態(tài)頻率為15 h z 激擾頻率為14 16 h z 附近 在低頻段 o 2 h z 平穩(wěn)性指標隨激擾頻率的增加而提高 在中頻段 平穩(wěn)性指標呈振蕩衰減 在高頻段 8 h z 以上 平穩(wěn)性指標單調衰減 當激擾頻率在一階頻率 沉浮 和二階 頻率 車體點頭 附近時平穩(wěn)性指標呈現(xiàn)最大值 因此 要降低平穩(wěn)性指標 就要車 體承受的載荷主頻率遠離這些頻率段 12 h z i8 h z 不同階數(shù)的系統(tǒng)模態(tài)阻尼比對平穩(wěn)性的影響有較大的差異 一階模態(tài)阻尼比的影 響主要體現(xiàn)在小阻尼比附近 當一階模態(tài)阻尼比小于等于o0 8 激擾頻率在18 h z 以 內(nèi)時 平穩(wěn)性指標隨著激擾頻率的增加而單調上升 這時 如果激擾頻率等于15 h z 平穩(wěn)性指標達到最大值 而第4 階模態(tài)阻尼比對平穩(wěn)性的影響較小 阻尼t(yī) l y 00 2 到 o2 變化時平穩(wěn)性指標曲線幾乎沒有變化 各指標曲線在頻段14 45 h z 時均出現(xiàn)平臺 嗲 懋一 塑里耋塞鑾莖堡圭墼圣蘭莖堡絲圣篁呈至 4 4 軌道譜激擾下模態(tài)參數(shù)對平穩(wěn)性指標的影響 運用第二章中介紹的鐵道車輛模型 根據(jù)23l 介紹的模態(tài)分析內(nèi)容 編寫m a t l a b 程序計算模態(tài)參數(shù) 同時根據(jù)本章介紹的平穩(wěn)性指標的計算方法 來分析軌道譜激勵 下模態(tài)參數(shù)對平穩(wěn)性指標的影響 根據(jù)第二章的6 自由度車體模型 輸入美國六級軌 道譜 并假定車輛運行速度為2 0 0 k m h 應用s p e r l i n g 平穩(wěn)性指標的計算方法 對車體 垂同振動進行分析 研究模態(tài)參數(shù)與平穩(wěn)性指標之間的哭系 得出關系曲線 其計算 流程如圖4 3 所示 關系曲線如匡4 4 所示 登 圖4 3 模態(tài)參數(shù)與平穩(wěn)性指標關系曲線計算方框圖 撬宰 b j 頗事與s p e r l i n g 指枷 咒系 區(qū) m m m锝 髂舯佰 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 3 頁 2 2 0 2 s 鑒 伯 一2 0 5 o 2 0 0 1 5 2468 二系垂向阻尼 1 0 e 4 2 2 0 2 1 5 鑒2 1 0 2 0 5 舢 巴 2 0 0 0 00 1o 20 30 4 階阻尼比 c 二系垂向阻尼與s p e r l i n g 指標關系曲線 d 一階阻尼比與s p e r l i n g 指標關系曲線 圖4 4 垂向模態(tài)參數(shù)與平穩(wěn)性指標關系曲線 由圖4 4 的 a 可以看出車體沉浮頻率以及車體點頭頻率都隨著二系垂向剛度 的增加而增加 二者增加趨勢相近 由 b 圖可以看出車體沉浮以及點頭頻率越低 車輛的平穩(wěn)性指標越小 其垂向平穩(wěn)性越好 車體沉浮以及點頭頻率對垂向平穩(wěn)性的 影響有相同的趨勢 綜合起來看以知道 平穩(wěn)性指標隨二系懸掛剛度的增大而增大 過大的剛度直接影響車輛運行平穩(wěn)性 進而影響乘坐的舒適性 但剛度過小彈簧太軟 就會影響二系動撓度 同樣會影響車輛的行車安全 所以在實際車輛的設計過程中 必須合理的選擇懸掛剛度 由 c 圖可以看出當阻尼小于3 4 木1 0 e 4 n s m 時 平穩(wěn)性指標隨阻尼的增加而減 小 當阻尼大于3 4 幸1 0 e 4 n s m 時平穩(wěn)性指標隨阻尼的增大而增大 而一階阻尼比 沉 浮模態(tài)阻尼比 平穩(wěn)性曲線與阻尼平穩(wěn)性曲線相近 由于軌道譜是速度的函數(shù) 垂向 阻尼平穩(wěn)性曲線與阻尼比平穩(wěn)性曲線的最優(yōu)值 曲線谷值 同樣會隨運行速度不同而 發(fā)生變化 由此阻尼選擇過低則不能有效抑制共振峰值 過高則不能有效抑制高頻振 動 使平穩(wěn)性變差 所以必須綜合考慮各個速度段下阻尼最優(yōu)值作為車輛系統(tǒng)最終的 阻尼設置 4 5 本章小結 本章主要介紹了平穩(wěn)性指標的相關知識 并利用模態(tài)相關算法 分析了簡諧激勵 下模態(tài)參數(shù)與平穩(wěn)性指標的關系以及軌道譜激勵下模態(tài)參數(shù)與平穩(wěn)性指標的關系 分 析了平穩(wěn)性指標隨二系懸掛剛度以及阻尼阻尼比的變化趨勢 為車輛結構設計提供參 考 可得到如下結論 車體承受垂向載荷主頻率遠離1 h z 2 h z 的頻率段 同時降低車 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 4 頁 體沉浮模態(tài)頻率以及設置合適的阻尼系數(shù)可以提高車輛系統(tǒng)垂向運行平穩(wěn)性 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 5 頁 結論 本文從振動模態(tài)分析理論出發(fā) 利用m a t l a b 等相關軟件仿真與計算 從理論上分 析了鐵道車輛振動響應特性 并利用試驗模態(tài)分析的方法對車輛系統(tǒng)振動響應特性做 了進一步分析 在此基礎上分析探討了這些模態(tài)參數(shù)對平穩(wěn)性指標的影響以及模態(tài)參 數(shù)的變化帶來的結果 從而評價模態(tài)參數(shù)構成的合理性 為解決實際問題提供了有利 的參考 通過這些研究 可以得出如下結論 1 系統(tǒng)振動傳遞率與系統(tǒng)的物理參數(shù)密切相關 系統(tǒng)層次越多 隔振效果越好 就二系懸掛來說 車體與轉向架質量比值越小 隔振頻帶增大 傳遞率曲線在第一主 頻率處的動力放大因子也隨著減小 2 建立了雙軸車輛以及鐵道車輛動力學模型 并用s i m l i n k 進行了仿真計算 分 析了響應加速度信號與激勵加速度信號之間的傳遞關系 并根據(jù)時域信號畫出了頻響 函數(shù)曲線 由此可以進行了振動傳遞分析 得出車輛系統(tǒng)的剛體模態(tài) 點頭模態(tài)與沉 浮模態(tài) 主要集中在2 h z 之內(nèi) 大于1 0 h z 時 振動傳遞率小于o 1 具有良好的隔振 效果 3 利用某車輛廠生產(chǎn)的輕油罐車進行了有源模態(tài)試驗 分析了車輛懸掛系統(tǒng)振 動傳遞特性 并提出要提高轉向架的隔振性能 在保證運行安全性的前提下 增大罐 體彈性模態(tài)頻率與懸掛模態(tài)頻率的間隔 還對車下安全吊進行了振動傳遞分析 指出 了1 號吊和1 1 號吊易發(fā)生共振 應采取措施避免 4 由軌道譜對平穩(wěn)性指標的影響可以看出 車體沉浮以及點頭頻率越低 車輛 的平穩(wěn)性指標越小 其垂向平穩(wěn)性越好 車體沉浮以及點頭頻率對垂向平穩(wěn)性的影響 有相同的趨勢 本文從模態(tài)分析的角度對動車組的動態(tài)特性進行了分析研究 但還有很多問題沒 有解決 有待于在以下幾方面繼續(xù)開展工作 1 應用建立的車輛系統(tǒng)仿真模型 可以更一步研究物理參數(shù)和模態(tài)參數(shù)之間的 變化關系 從而為實際工程設計提供更有力的依據(jù) 2 對車輛系統(tǒng)模型的靈敏度分析 動力修改進行研究 進而可以對設計進行準 確指導 西南交通大學碩士研究生