车下有源振动设备对车体振动影响的试验研究

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铁道车辆设计过程中，车体振动问题-直是技术人员关注的主要问题之- l引。目前，高速客车车体广泛采用轻量化设计，这样做虽然能够有效降低轮轨之间的作用力，但是往往会导致车体刚度不足，容易引起车体振动恶化，旅客乘座舒适度下降。而车下设备作为车体的-个重要组成部分，其自身重量在整个车体中所占的百分比越来越大，这必然会对车体的垂向弯曲刚度产生重要影响。因此，研究车体振动问题时不能再忽视车下设备对其振动的影响。尤其是车下设备中的有源振动设备，它们的旋转动不平衡量会对车体振动产生重要影响。针对车下有源振动设备50与车体耦合振动的研究在我国才刚刚起步，国内外针对车下有源振动设备对车体振动的相互作用力规律的相关研究还比较少，特别是线路试验方面更是缺乏。为了深入了解车下有源振动设备对车体振动的影响，开展这方面的线路试验研究非常必要 。通过试验获取车下设备与车体的振动加速度数据，了解车下有源振动设备的动不平衡量对车体振动的影响规律，可以为改进车辆设计提供依据。

1 线路试验方案及概况针对 CRH2C型动车组在沪宁线路上发现的换气装置及主变压器风机正上方铝合金地板异常振动情况，笔者所在单位会同青岛四方机车车辆股份有限公王忆佳，等：车下有源振动设备对车体振动影响的试验研究 2013年第9期司开展了-系列的振动测试工作。通过分析车下有源振动设备与车体内地板的振动加速度情况，研究造成车体铝合金地板异常振动的主要激扰源及车下有源振动设备对车体振动的影响规律。

1.1 试验概况沪宁线高铁是长江三角洲地区城际客运专线的重要组成部分，全长约三百公里。沪宁线高铁首批配备时速为300～350km/h的高速动车组，其中包括唐山客车公司研制的CRH3型动车组以及青岛四方公司研制的CRH2型动车组。这条新高铁线路是目前我国乃至世界上标准最高、运行速度最快的城际高速铁路。本文中线路试验的测试工作主要在沪宁线高铁线路 上完成，而测试 的对象为 CRH2C型动 车组。

CRH2C为动力分散型电力动车组，该动车组为长编组，由8辆动车和8辆拖车组成，最大轴重为 14t，最高运行速度为350km/h，实际运行速度为200-300km/h，线路试验测试对象如图 1所示。

图1 线路试验测试对象1.2 试验设备及数据采集系统整个线路测试系统主要由以下几个部分组成 ：控制终端系统，无线数据传输系统，测试数据采集系统和传感器测试系统。振动试验i见0试流程图如图 2所示 。

.呔出lI6甘诎nf)r l -1 1： I撕 h盥。L 、 I l ” ， 数据采集系统(SoMat eDAQ数据采集器)lf/ / 车下有源振动设备和车体振动加速度图2 振动试验测试流程图测试数据采集系统的主要设备为 HBM公司的SoMat eDAQ数据采集器，该测试设 备 内置 SoMateDAQ车辆网路通讯层 (ECOM)和 SoMat eDAQ桥路层(EBRG)，是-个复杂的集成系统。该系统不仅具备最先进的信号调理功能和丰富的本机数据处理、触发、智能数据存储以及复杂的计算能力，而且可以很容易地使用有线、无线以太网进行通讯。线路试验过程中SoMat eDAQ数据采集器被放置在设备舱内，通过无线路由器和控制终端进行通讯和控制操作。整个试验所采用的加速度传感器包括两种类型：量程为±5g的单向加速度传感器；量程为 ±18g的三向加速度传感器。其中g为重力加速度，取值为10m/s 。

1.3 试验方案设置为了能够了解车体与车下有源振动设备之间的相互作用关系，试验测试内容主要包括两个方面：-方面是测试车体内地板的振动加速度；另-方面是i贝0试两个代表性的有源振动设备(换气装置和主变压器风机)上的振动加速度。整个线路试验过程中，车下有源振动设备(包括换气装置和主变压器风机)和车体总共布置6个加速度传感器。车下有源振动设备和车体内地板的测点布置示意图如图3所示，图3中测点 1和测点4选择 GB5599-85 标准中的平稳性测点位置；测点2和测点3主要是为了观察车下有源振动设备正上方的振动情况而布置的；测点5布置在主变压器风机上；测点 6布置在换气装置上。车下设备分布情况如图4所示。

a车体内地板b)车下有源振动设备图 3 车体内地板和车下有源振动设备的测点布置示意图置图4 车下设备分布情况该线路试验测试已于 2011年4月 13日完成，总共行车20次，运行速度控制在 100-300km/h。

512013年第9期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)2 试验结果与分析本次线路试验重点分析 CRH2C型动车组车体内地板与车下有源振动设备的振动加速度情况。

2.1 车体内地板振动加速度分析沪宁线高铁线路上运行的 CRH2C型动车组运行速度分别为 100、150、200、250、300km/h时，通过对车体内地板振动速度情况进行分析，得到车体内地板的振动加速度最大值、均方根(RMS)值如表 1、表2；其变化曲线如图5、图6所示。

表 1 车体内地板的振动加速度最大值表 2 车体内地板的振动加速度 RMS值需蜷蛊j鹫斗<黉堪蓝：蛛4车辆运行速度/(kmh。)图5 车体内地板垂向振动加速度最大值变化曲线由表 1、表2以及图5、图6所示可以看出，CRH2C型动车组在加速运行过程中，随着车辆运行速度的增加，车体内地板的4个测点振动加速度(包括振动加速度最大值和振动加速度 RMS值)基本上呈现逐渐增大的变化趋势。由此可见，车辆运行速度对车体振动的影 响是 非常大 的。当动 车组运行 速度小 于200km/h时，车体内地板的振动加速度幅值最大可达52图6 车体内地板垂向振动加速度 RMS值变化曲线2.57m/s 。其中车体内地板上测点1和测点4的振动加速度幅值要比测点2和测点3的振动加速度幅值大得多。这是因为测点1和测点4所处的位置比较靠近空气弹簧。由于轨道激励是借助轴箱传递到构架再通过空气弹簧传递到车体上的，因此越靠近空气弹簧处测点的振动加速度幅值所受的影响就越明显。相比较而言，测点 2和测点 3由于所处位置离空气弹簧比较远，因此这两处的车体振动受轨道激励的影响并不是很大。当动车组运行速度超过 200km/h时，测点1和测点4处地板振动开始急剧增加，最大振动加速度幅值可达4.34m/s 。与之相反，测点 2和测点 3处的振动加速度幅值并没有发生很大的变化，而是变化相对比较平缓。分析原因可能是：1)动车组运行速度主要影响轨道激励的振动幅值和频率，速度的增加对远离空气弹簧的测点2和测点3处振动加速度影响有限；2)测点2与测点 3所处位置正好位于有源振动设备的正上方，因此车下有源振动设备造成的振动激扰应该是车体内地板振动产生的主因。

通过以上分析可以看出，有源振动设备上方的车体内地板振动受有源振动设备激扰的影响比较大，而车体两端内地板的振动主要受轨道激扰的影响比较严重。

CRH2C型动车组中的车下有源振动设备主要包括换气装置以及主变压器风机。由于篇幅所限，本文只着重分析换气装置对车体振动的影响情况。

CRH2C型高速动车组在沪宁线路运行过程中，换气装置要和外界进行气流交换，经过长时间的积累会在换气装置的风机叶片上产生大量的灰尘，从而影响到换气装置风机叶片上的旋转动不平衡量。为了研究这种旋转动不平衡量对车体振动的影响，通过在停车和∞自 l/ ∞皇 斑曩需鞲匠 鞲营长埝朴王忆佳，等：车下有源振动设备对车体振动影响的试验研究 2013年第9期运行两种工况下的试验对比分析除尘前和除尘后车体振动加速度变化情况。其中运行工况下的车体振动加速度试验数据主要是在车辆运行速度为300km/h情况下截取的。具体的线路试验结果如图 7～图 10所示。

b0 j蛆骧越嚣需 0奸 .o /除尘后0 懈 蝴 蝴O.O2卅 0.01O。

羹 8：薄 oI车辆运行时间/图7 停车工况下除尘前后车体振动加速度幅值变化曲线车辆运行时间/s图 8 停车工况下除尘前后车体振动加速度 RMS值变化曲线2r 除尘后蝴蝴车辆运行时间/图9 车辆速度为 300km/h时除尘前后车体振动加速度幅值的变化曲线从图7～图10中可以看出，换气装置正上方车体内地板垂向振动加速度的幅值随着速度的增加逐渐增大。除尘后和除尘前相比，车体振动加速度幅值在- 定程度上有所降低，降低范围在10%-20%。这说明除尘能够降低运行工况下的换气装置旋转动不平衡对车体振动加速度幅值的影响。因此，作为车辆设计人员必须充分地考虑车下有源振动设备对车体振动的影响，否则在车辆运行过程中必然会恶化车体的振动水平。

夏曩臀鞲蝰褂车辆运行时间/图 lO 车辆速度为300km/h时除尘前后车体振动加速度 RMS值的变化曲线2.2 车下有源振动设备振动加速度分析通过试验，对比分析在停车工况和运行工况下除尘前和除尘后换气装置的振动加速度变化情况。停车工况下除尘前后换气装置振动加速度幅值、加速度RMS值变化情况如图 11和 图 12所示，运行工况(300km/h)下除尘前后换气装置振动加速度幅值、振动加速度RMS值变化情况如图13和图14所示。

1r 除尘后I /0车辆运行时间/s图l1 停车时换气装置振动加速度幅值的变化曲线疽 o-02们o.02R 需鞲 0.01咖窖毒0.01车辆运行时间/s图 12 停车时换气装置振动加速度 RMS的变化曲线从图11-图14中可以看出，停车时除尘前和除尘后换气装置上的垂向振动加速度 RMS值虽然都在0.1g之内，但是要比车体内地板的振动大很多。这进- 步表明车下有源振动设备是振动产生的主要来源，通过车下有源振动设备到车体之间的振动传递关系必然会对车体振动造成重要的影响。除尘后换气装531 O O 0 O O 暑/ 馨 曩需鞲 删搽2013年第9期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)置上的垂向振动加速度幅值要比除尘前小-些，降低幅度在 10%左右。这表明灰尘造成的换气装置风机旋转动不平衡能够对换气装置的振动造成影响，从而影响车体的振动。而除尘能有效降低换气装置的旋转动不平衡量，进而可以降低车体与换气装置的振动水平。

车辆运行时间/s图l3 车辆运行速度为300km/h时换气装置振动加速度幅值的变化曲线车辆运行时间/s图14 300km/h时换气装置振动加速度RMS的变化曲线车辆运行速度为 300km/h时换气装置上垂向振动加速度 RMS值相对于停车状态有了-定的增加。

其中除尘前换气装置上的最大振动加速度为0.07g左右、RMS值在0.25g左右，除尘后换气装置上的最大振动加速度降到0.05g左右、RMS值下降到0.017g左右。除尘后和除尘前相比，换气装置的振动水平在-定程度上有所降低，降低幅度在 20% ～30%。这表明在运行工况下，轨道激励与风机旋转动不平衡激扰发生共振，使灰尘积累造成的风机旋转动不平衡对换气装置振动的影响更大。

根据文献[5]可知，由灰尘积累所造成的换气装置旋转动不平衡激扰能量主要集中于50-60Hz之间。

因此除尘只能对相应频率范围内的振动有比较大的影响。换气装置排气吸风口位置、供气吸风口位置垂向振动加速度变化情况分别如图15和图16所示，从图 15和图 16所示可以看出，换气装置排气吸风口和54供气吸风口位置处的振动加速度幅值很大，最大在0.5g左右。经过 100Hz滤波以后，振动加速度幅值下降到0.2g以内。说明换气装置风口附近的高频颤振对车体局部振动的贡献要比换气装置旋转动不平衡大得多。通过分析其主要原因是换气装置内空气非稳态流动导致风口处产生压力波动，致使换气装置与车体连接风道产生颤振。因此在考虑降低车体局部振动时，由换气装置风口引起的高频颤振也是研究时应必须关注的重要因素。

Of，换气装置左侧位置l- 。0 10 20 30 40 50车辆运行时间/s图15 换气装置排气吸风口位置垂向振动加速度变化曲线∞ 景臀骚匠懈1O- 0- 1O- 00.换气装置左侧位置v0 10 20 30 40 500 100Hz []；换气装置左侧位置：0 l0 20 30 40 50车辆运行时间/s图l6 换气装置供气吸风口位置垂向振动加速度变化曲线3 结语1)CRH2C型动车组位于车体两端的车体内地板振动加速度幅值比较大，原因是这两个位置接近空气弹簧，受轨道激励影响比较大。而相应的换气装置上方的车体内地板振动主要受有源振动设备的影响。

2)灰尘积累造成的换气装置风机旋转动不平衡对换气装置和车体的振动都有影响。停车工况下，换气装置振动加速度幅值最高能达到0.05g左右，车体振动加速度幅值在0.05g以内。换气装置的风机旋转动不平衡是使换气装置振动加速度幅值较大的-个重要原因。

3)除尘能够有效降低换气装置风机旋转动不平(下转第58页)∞ ∞ 叭0 O O O O ∞ 趸 屠需 卿弓车 鞲2013年第 9期 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering)240：：：： ：：：：/ 5 结 语 · - 。老 120 三 转向架构架疲劳强度试验是验证结构强度、改十-十 逞 0 /班 I∥ 局部设计和最终验收的最主要手段。构架疲劳强度：：； i/ r7 试验采用逐步加载的方式，并且采用先进的探伤方法 十 襄-l20 孝宰拿 l- ，- 十 来定性地检测构架疲劳强度是否满足要求以及在核 -r 24G 架服役过程中是否有开裂危险。 结合静强度试验结1- Z · 果来评估构架的疲劳强度是 - 种非常实用的方法 -360 Z r- 360 -240 -120 0 120 240 利 用 骨 强 度 f、 侍 备 侧 点 征 备 /r上 况 f、明 最 大 应 力主应力/MPa 和最小应力i ，将各测点平均应力和应力幅伯图7 抗蛇形减振器座处测点TIG熔修 代人 Goodman疲劳极限包络线中，从而评定构架是否前疲劳评估(疲劳极限为 4MPa) 满足疲劳强度要求，为列车的可靠运行提供保证。

： 々 m ： · -：壶冉毋 · -- [1] 铁道国际联合法.UIC515-4，客运车辆转向架.走行部转 12Ot -1 向架构架结构强度试验[S].北京：铁道部标准计量研究 梦 cdI I ： 1 。r 所，1997. - 穸 三 0 i ： l-/i妲 ： ；， [2] 徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社，1988。

- 120 十-十 7鼍j；f 叶 -' [3] 赵永翔.铁道车辆疲劳可靠性设计Godman-Smith图的24O /S，- 。 绘制与应用[J]. 中国铁道科学2005(06)：6-12. 量 -- ， - ' -十 t - ·-- 360- 360 -240 -120 0 l20 240主应力/MPa作者简介：兰清群，讲师。

图 8 抗蛇形减振器座处测点 TIG熔修 E-majl：24930346### qq.。。m后疲劳评估(疲劳极限为 88MPa) 收稿日期：2012-09-26(上接第 54页)衡引起的车体和设备振动。除尘前和除尘后相比，换气装置和车体的振动加速度都有明显的降低，降低幅度在 10% ～20%之间，表明降低车下有源振动设备的振动水平，已成为高速客车 车体减振的-个重要方面。

4)换气装置内空气非稳态流动导致风口处产生压力波动，致使换气装置与车体连接风道产生颤振，从而恶化车体的局部振动，这也是解决车体局部振动时所必须注意的。