一种轨道工程车车体振动原因分析及隔振优化措施探讨

张高锋

摘要：本文对一种轨道工程车出现车体振动过大的现象，参照标准TB/T 3550.1-2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体：客车车体》并结合有限元分析软件，从动力装置与车体结构方面分析、探讨其产生振动的原因及隔振优化措施。

关键词：轨道工程车;车体振动;有限元分析;隔振优化

中图分类号：[U273.1]                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0071-02

0  引言

目前我国铁路技术装备水平的快速提升、运输能力的快速扩充，以适应经济社会又好又快发展对铁路运输的迫切要求。振动作为一种普遍存在的现象在轨道交通牵引机车上同样存在，通常有规律轻微的振动对机车及车内司乘人员并不会产生太大影响，然而当车辆由于自身结构、动力装置、外界环境等因素变化而产生较大振动，甚至共振时，不仅会使车辆各零部件故障率增加，同时也会导致机破、临修等事件概率的大幅上升，久而久之甚至会危及人员安全[1-2]。

该轨道工程车为内燃电传车，内燃电传车以内燃机作为动力来源，输出的能量通常作用到发电机上，发出的电能经过一系列的变换最终提供给牵引电机，用于驱动电机旋转，带动轮对运动，实现机车移动。因此，内燃传动机车的振动也多与其内燃机、发电机等存在一定联系，本文从动力装置与车体结构方面出发，分析、探讨其产生振动的原因及隔振优化措施。

1  整车设计来源及车体结构介绍

1.1 整车设计来源

该型重型轨道车是以某半车棚轨道车为原型车（以下简称原型车），原型车主要用于200km/h及以上线路维修中的材料、工具、人员运输，可作为各种铁路施工和信息化检测技术的设备装载平台，也可适应我国其它标准轨距的铁路。整车形式如图1所示。

1.2 车体结构介绍

该型重型轨道车在原型车设计基础沿用动力配置并将车棚形式由半棚改为全棚，并沿用动力系统配置。该车车体为整体承载式结构，整体承载式车体均为棚式车体[3]。车体长21000mm，宽3100mm，定距为14500mm。车体包括车架和车棚，自重20t，车体外形图如图2所示。

2  振动原因分析

整车运行过程中振源主要为轮轨关系、自身动力系统等，本文从动力系统配置与车体结构方面进行分析。通过对动力系统、隔振系统、车体模态分析方面查明车体振动原因。

2.1 原型车动力系统及车体配置情况

原型车发动机为采用12.8L的电喷柴油发动机，在柴油机额定转速1800rpm时，柴油机激振频率为30Hz。此类车辆采用大功率的内燃机，传递能量大，因此配备隔振系统吸收发电机组振动能量及衰隔振动。

以发动机为基准建立隔振装置坐标系，X方向为柴油机的曲轴轴线方向，以发动机的宽度方向为Y方向，以垂直方向为Z方向，隔振系统坐标系示意图如圖3所示。隔振系统垂直方向固有频率为12.40Hz，见表1。

对于不同的机车发电机组垂向激励力对应的隔振效果如图4所示，可知该隔振系统在30Hz激励下隔振效果为70%，其具有良好的稳定性和隔振性能。

标准TB/T 3550.1-2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体：客车车体》要求车体的刚度应确保整备状态下车体的一阶弯曲自振频率与转向架的点头和浮沉自振频率的比值大于1.4或车体的一阶垂向弯曲自振频率不低于10Hz[4]，经有限元仿真计算，原型车模态分析结果显示车体的垂向弯曲固有频率为11Hz大于10Hz，满足标准刚度要求，车体垂向弯曲振型如图5所示。

综合以上计算，在柴油机额定转速1800rpm时，柴油机基频为30Hz，其共振频率范围为～30×Hz（约为21～42Hz），车体的垂向弯曲固有频率为11Hz，远离额定转速下柴油机基频共振范围，整车运行过程中，未出现共振现象，车辆使用状况良好。

2.2 该重型轨道车车体振动原因分析

该型重型轨道车在原型车设计基础沿用动力配置并将车棚形式由半棚改为全棚，并沿用其动力系统配置。经有限元仿真分析，车体的一阶垂向弯曲振动频率为26.91Hz大于10Hz，满足标准刚度要求，车体垂向弯曲振型如图6所示。

车体一阶垂向弯曲振动频率26.91Hz处于柴油机基频共振范围～30×Hz（约为21～42Hz）内，故整车运行过程中，出现车体易出现振动过大现象。

3  隔振优化建议

根据上述分析可知，该型轨道工程车由于车体一阶垂向弯曲自振频率接近柴油机基频引起整车运行过程中出现车体振动过大现象，结合隔振系统作用及发电机组选型、车体结构设计多方面考虑，可从以下三个方面进行隔振优化：

①选择适配的隔振系统。在不改变发电机组选型及车体结构的基础上，提升隔振系统隔振效果以衰隔振动，可参考选取在30Hz激励下隔振效果为90%以上的隔振系统，此优化方案在整车成型后最容易实施。

②更改发动机选型，改善额定转速下柴油机基频。在兼顾隔振系统等其他系统稳定性基础上，使额定转速下柴油机基频远离车体一阶垂向弯曲振动频率，此优化方案在整车成型后更改难度较大。

③优化车体结构，优化车体一阶垂向弯曲固有频率，使车体一阶垂向弯曲固有频率远离额定转速下柴油机基频，此优化方案在整车成型后更改难度最大。

4  结论

本文从动力装置与车体结构方面对该型轨道工程车辆车体振动过大原因进行分析，提出有效的隔振优化建议并评估各措施实施难易程度，对于提高该型轨道工程车使用体验及运行寿命有重大意义，也为类似车辆设计及隔振方法选择提供参考。

参考文献：

[1]段欣欣.大功率交流传动内燃机车振动测试分析及处理方法[J].铁道机车与动车，2017（3）：27-30.

[2]蒋济雄.我国轨道交通牵引机车振动研究现状分析[J].机械工程师，2015（5）：139-141.

[3]鲍维千.内燃机车总体及走行部[M].北京：中国铁道出版社，2004.

[4]国家铁路局.TB/T 3550.1-2019，机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体：客车车体[S].