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机车车辆车颤振机理分析及解决方案

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机车车辆车体颤振机理分析及解决方案

1引言

车辆运行时，受线路和各种激励的作用，将引起车体整车或车体局部在某方向的振动。如果这种振动超过了某一限度，将严重影响乘客的舒适性。引起车体振动的因素是多方面的，如线路激扰、轮对蛇行运动、转向架振动、车体弹性振动等。正是由于可能产生振动因素的复杂性，使得从振动模态诊断、原因分析排除至问题的解决变得非常困难，简单的数学模型、解析方法、经验判断或线路试验已不能满足需要。

随着车辆运行速度的不断提高和车体轻量化的逐步实施，部分机车车辆车体在运行过程中出现了严重的颤振现象。车辆运行过程中的振动是难免的，但出现车体颤振是不允许的。颤振对客车运输带来的不良影响主要表现为：(1)严重影响旅客乘车的舒适性；(2)会导致车辆零部件松动或过早产生疲劳损坏，进而对客车的安全造成隐患。在车辆设计时采取措施从根本上避免车体颤振已成为铁路机车车辆动态设计亟待解决的问题。

2颤振现象描述

机车车辆车体的颤振通常发生在车辆运行中速(130km／h左右)时，车体内出现较明显的上下和左右抖动现象。由于这种振动现象发生在车辆常用的速度范围内，车体结构的振动压迫车内空气而产生结构噪声，同时车体内装件振动振幅及相位的差异又产生各种摩擦高频噪音，严重影响旅客乘坐舒适性，引起了旅客不满。车辆在运行中发生的颤振是一种非常有害的高频振动，该振动对车体内设备可产生较大的破坏作用，恶化了机车车辆的运行平稳性，危害旅客的身心健康。

图1为某客车运行时测得的车辆地板中心的振动加速度频谱(PSD)，从图中可得出车体中部的振动加速度与乘坐舒适度的关系。如图所示，在振动频率为8．4Hz左右的峰值时，车体弯曲振动最大。要改善乘坐舒适性，降低该值是非常必要的。

图1中乘坐舒适度值通过滤波叠代算出。数值较大的部分正是人体容易感受到的频率范围。而车体弯曲振动的最大值也在叠代值大的范围内，由此也可以看出，减小车体弯曲振动对改善乘坐舒适性的重要性。

从车体结构型式看，车身较长，车体整体刚度不足，固有频率降低，车辆运行中容易产生共振，引起较大噪声。

3颤振机理分析

由于发生颤振时是部分车体发生颤振，初步判断是发生了共振。必须找出共振频率，从而在设计上进行改进，避免颤振的发生。为全面彻底地分析车体颤振现象，首先应将可能引起车体颤振的各种因素逐一列出，寻找主要原因。造成车体颤振的可能原因包括线路、运行速度、车体弹性、车体局部弹性振动、转向架及车体垂向弯曲弹性振动等因素。下面就每个因素进行分析。

3．1线路因素

各种车辆在同一线路上运行，在同样的运行速度和同一列车中，有的车辆未出现车体颤振现象，由此可以排除线路的原因。

但有些情况下车体出现剧烈抖动与线路有关，如一列车经过某铁路桥时，车内的乘客明显感觉到车体在剧烈的抖动。据测试同一车辆在不同区段(长春一沈阳、秦沈专线、秦皇岛一北京)的车体颤振情况在秦沈专线明显好于其他两段线路。

3．2车体弹性模态

随着车辆运行速度的提高，由线路不平顺引起的随机激扰的频域加宽，导致车辆垂直和横向振动加速度增大，并通过转向架作用于车体，以较高频率激励出车体的弹性振动。为了确保优良的乘坐舒适性，车体钢结构也必须具有良好的动态特性，要求车体一阶垂向弯曲模态频率不低于10Hz。对车体钢结构来讲，只有当侧墙和车顶的刚度较大至与底架相当时，车体一阶振型表现为“梁”的特性，为一阶弯曲振型。而实际的车体振型并不表现为梁的振动特性，而是同时伴有其他振型和局部的振型。车体为一个空间结构，振型特征已没有梁的概念，可分为底架、侧墙和车顶三大部分。

某些车体模态计算和试验中频率最低的振型其实不是一阶垂向弯曲，而是Jelly振型频率最低。Jelly振型表现为车顶和底架反方向横向弯曲，如图2所示。在模态试验时发现这种振型稳定，在各种工况下振动均非常明显，振动能量也较大，各工况的振动频率非常接近。25T型车车体Jelly模态频率为8．225Hz，车辆整备后该值有所降低，在5Hz左右。这种振型频率较低，容易与转向架运动产生共振。由于其振动能量较大，对车体结构振动影响较大，对车辆的运行造成非常不利的影响。该振型频率偏低的原因是某些车体横断面抗菱形变形刚度偏低，车顶、底架与侧墙联结薄弱，车顶相对侧墙质量较大。

客车车体抗菱形变形刚度可定义为车体中部由侧墙、底架和车顶组成的闭口箱形结构抗菱形变形的刚度。车体抗菱形变形刚度大，则Jelly振型频率高；反之，车体抗菱形变形刚度小，则Jelly振型频率低。

由于车体Jelly振型频率较低，与转向架固有频率相近，容易被激发。当Jelly模态被