一种高速列车车体下部悬吊设备的垂向悬挂频率设计方法与流程

本发明属于轨道交通高速列车的技术领域，具体涉及一种高速列车车体下部悬吊设备的垂向悬挂频率设计方法。

背景技术：

高速列车将多种功能辅助性设备悬吊在车体下部，采用了动力分散布置方案，这有助于高速列车的高速且平稳运行。这些设备包括牵引变压器、牵引/辅助变流器、空压机、蓄电池箱、制动单元、废排单元、通风机和污物箱等，统称为车下设备。这些车下设备的质量从几十公斤到几吨不等，体积变化也较大，会参与车体的结构弹性振动。部分设备本身就是激扰源，如废排单元、通风机、变压器等，附带开关冲击、磁致振动和旋转激励等，如不采用减振措施，这些激扰会向车体传递。一些质量较大的设备(如变压器、变流器的质量可达到6吨左右)甚至会影响车体结构模态，需要进行模态匹配。针对车体和设备之间的耦合振动及其相互影响特点，还需提出车下设备的振动容限，以保证设备本身的振动水平以及设备与车体接口之间的载荷环境。

目前，高速列车车下设备的垂向悬挂频率设计方法主要包括隔振、动力吸振和可靠性连接三种。其中，基于动力吸振理论的车下设备垂向悬挂频率设计将有助于抑制车体的弹性振动，能够提高车辆的乘坐舒适性。但鉴于不同车下设备的质量、体积以及在车体上的安装位置差异很大，并且同一高速列车的不同车辆之间的车体结构模态存在差异，导致确定每个车下设备的最优悬挂频率存在困难，如果悬挂频率设计不当，不仅起不到抑制车体弹性振动的效果，还会导致设备本身的激扰传递到车体上，进而影响车辆乘坐舒适性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种高速列车车体下部悬吊设备的垂向悬挂频率设计方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种高速列车车体下部悬吊设备的垂向悬挂频率设计方法，其包括：

s1、根据获取的目标车体的实体模型，得到目标车体长度、质量和第一阶垂向弯曲模态频率；

s2、根据所述目标车体长度、质量和一阶垂向弯曲模态频率，构建目标车体等效欧拉-伯努利梁弹性体模型，并获取振型函数；

s3、根据目标车体的车下设备布置情况，获取各个车下设备的质心在车体纵向方向上的位置，并根据步骤s2中的振型函数确定对应位置的车体一阶垂向弯曲模态振型的函数值；

s4、根据车体一阶垂向弯曲模态频率，确定目标车体各个车下设备的垂向悬挂频率、静刚度和挠度；

s5、将目标车体各个车下悬吊设备与车体连接，实现最优的垂向悬挂频率、刚度和挠度的设计。

优选地，步骤s2中获取目标车体等效欧拉-伯努利梁弹性体模型的振型函数的方法为：

s2.1、计算中间系数λ和β：

λ＝(1+1/2)π，β＝λ/lc(1)

其中，lc表示梁即车体的长度；

s2.2、以左端为起点位置，梁任意位置x的振型函数公式为：

其中，x表示位置，以梁左端为零点，左端x＝0，中心x＝lc/2，右端x＝lc；

s2.3、返回步骤s2.1目标车体等效欧拉-伯努利梁弹性模型的振型函数确定完毕。

优选地，步骤s4中根据车体一阶垂向弯曲模态频率，确定目标车体各个车下设备的垂向悬挂频率、静刚度和挠度的方法为：

s4.1、根据目标车体各个车下设备的质量，计算其与车体质量的比值μi：

其中，mi表示设备i的质量，m表示车体质量；

s4.2、目标车体各个车下设备的悬挂频率与车体一阶垂向弯曲模态频率的比值ri为：

其中，xi表示设备i在车体纵向方向上的安装位置；

s4.3、目标车体各个车下设备的垂向悬挂频率fi为：

fi＝ri×fc(5)

其中，fc表示车体一阶垂向弯曲模态频率；

s4.4、目标车体各个车下设备的垂向悬挂静刚度ksi为：

其中，n表示设备的吊挂点数目，d表示弹性悬挂元件的动静刚度比；

s4.5，各个车下设备的垂向悬挂静挠度δsi为：

其中，g表示重力加速度常数，9.81m/s²；

s4.6，返回步骤s4.1，目标车体的各个车下设备的最优悬挂频率及其静刚度和挠度确定完毕。

本发明提供的高速列车车体下部悬吊设备的垂向悬挂频率设计方法，具有以下有益效果：

本发明充分利用车下设备的质量调谐吸振作用，无须提高车体结构的模态频率或者采用主动控制技术即可实现车体一阶垂向弯曲模态或车体底架局部垂向弯曲模态振动的抑制，有效降低车体弹性振动水平，提升车辆运行平稳性指标和舒适度指标，且原理明确，实施方便，成本低，适用于高速列车车下设备垂向的悬挂频率设计。

附图说明

图1为高速列车车体下部悬吊设备的垂向悬挂频率设计方法的流程图。

图2为高速列车车体下部悬吊设备的垂向悬挂频率设计方法车体的一阶垂向弯曲模态振型及与车下设备的拓扑关系示意图。

图3为高速列车车体下部悬吊设备的垂向悬挂频率设计方法分析车体位移振动传递率图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的高速列车车体下部悬吊设备的垂向悬挂频率设计方法，适用于具有不同质量和安装位置的车下设备的垂向悬挂频率设计，能够抑制车体的一阶垂向弯曲振动和改善车辆乘坐舒适性。

参考图1，主要包括以下步骤：

s1、根据获取的目标车体的实体模型，得到目标车体长度、质量和第一阶垂向弯曲模态频率；

s2、根据所述目标车体长度、质量和一阶垂向弯曲模态频率，构建目标车体等效欧拉-伯努利梁弹性体模型，并获取振型函数；

s3、根据目标车体的车下设备布置情况，获取各个车下设备的质心在车体纵向方向上的位置，并根据步骤s2中的振型函数确定对应位置的车体一阶垂向弯曲模态振型的函数值；

s4、根据车体一阶垂向弯曲模态频率，确定目标车体各个车下设备的垂向悬挂频率、静刚度和挠度；

s5、将目标车体各个车下悬吊设备与车体连接，实现最优的垂向悬挂频率、刚度和挠度的设计。

以下对上述步骤进行详细说明

s1、根据获取的目标车体的实体模型，得到目标车体长度、质量和第一阶垂向弯曲模态频率；

s2、根据所述目标车体长度、质量和一阶垂向弯曲模态频率，构建目标车体等效欧拉-伯努利梁弹性体模型，并获取振型函数；

步骤s2具体包括以下步骤：

s2.1，计算中间系数λ和β：

λ＝(1+1/2)π，β＝λ/lc(1)

其中，lc表示梁即车体的长度，单位：m。

s2.2，以左端为起点位置，梁任意位置x的振型函数公式为：

其中，x表示位置，以梁左端为零点，左端x＝0，中心x＝lc/2，右端x＝lc。

s2.3、返回步骤s2.1，车体等效欧拉伯努利梁模型的振型函数确定完毕

s3、根据目标车体的车下设备布置情况，获取各个车下设备的质心在车体纵向方向上的位置，并利用公式(2)确定对应位置的车体一阶垂向弯曲模态振型的函数值。

s4、根据车体一阶垂向弯曲模态频率，确定各个车下设备的垂向悬挂频率、静刚度和挠度。

步骤s4具体包括以下步骤：

s4.1、根据目标车体各个车下设备的质量，计算其与车体质量的比值μi：

其中，mi表示设备i的质量，m表示车体质量；

s4.2、目标车体各个车下设备的悬挂频率与车体一阶垂向弯曲模态频率的比值ri为：

其中，xi表示设备i在车体纵向方向上的安装位置；

s4.3、目标车体各个车下设备的垂向悬挂频率fi为：

fi＝ri×fc(5)

其中，fc表示车体一阶垂向弯曲模态频率；

s4.4、目标车体各个车下设备的垂向悬挂静刚度ksi为：

其中，n表示设备的吊挂点数目，d表示弹性悬挂元件的动静刚度比；

s4.5，各个车下设备的垂向悬挂静挠度δsi为：

其中，g表示重力加速度常数，9.81m/s²；

s4.6，返回步骤s4.1，目标车体的各个车下设备的最优悬挂频率及其静刚度和挠度确定完毕。

s5，将各个车下设备与车体连接，实现最优的垂向悬挂频率、刚度和挠度的设计。

本发明适用于具有不同质量和安装位置的车下设备的垂向悬挂频率设计，只需要已知车体的质量、长度和一阶垂向弯曲频率，即可实现具体位置的车下设备的悬挂频率设计，计算方法明确且清晰，易于工程实现。

根据本申请的一个实施例，参考图2，车下设备通过弹性悬挂元件与车体连接，下面以牵引变压器为例进行案例分析。

针对目标高速车辆的整备状态(但不含车下设备)建立有限元模型并进行自由模态分析，确定车体的第一阶垂向弯曲模态频率或者车体底架的局部垂向弯曲模态频率；例如模态频率fc＝10hz，车体长度为lc＝25.5m，车体质量m＝36t。

根据式(1)计算中间系数λ＝4.7124，β＝0.1848。

根据车下设备布置情况获得牵引变压器的质量和在车体纵向方向上的位置，例如分别为m＝6t和x＝12m。

根据式(2)计算牵引变压器所对应的车体模态振型函数值y(x)＝-1.1984。

根据式(3)计算牵引变压器与车体质量的比值μi＝0.1667。

根据式(4)计算牵引变压器的悬挂频率与车体模态频率的比值ri＝0.8069。

根据式(5)计算牵引变压器的垂向悬挂频率fi＝8.0686hz。

假设牵引变压器采用两组弹性悬挂元件即n＝2，弹性悬挂元件的动静刚度比d＝1.5，则根据式(6)计算每组弹性悬挂元件的垂向静刚度ksi＝5.1402mn/m。

如图3所示，根据本发明实施例中的模型参数，建立只含有一个车下设备的车辆垂向简化动力学模型，分析车体位移振动传递率。

图中“无设备”曲线为不包含牵引变压器时的车体位移传递率，此时车体的弹性振动频率在10hz，传递率幅值为1.2；当牵引变压器采用刚性连接(弹性悬挂元件刚度非常大)时，车体弹性振动频率降低至7hz左右，传递率幅值为1.3；当牵引变压器采用弹性连接且悬挂频率为本发明设计的8hz左右时，车体弹性模态变为两个，主频分别为6.2hz和14hz，传递率幅值分别为0.9和0.3，相比于刚性连接情况，本发明设计能够降低车体弹性振动30％以上。

本发明充分利用车下设备的质量调谐吸振作用，无须提高车体结构的模态频率或者采用主动控制技术即可实现车体一阶垂向弯曲模态或车体底架局部垂向弯曲模态振动的抑制，有效降低车体弹性振动水平，提升车辆运行平稳性指标和舒适度指标，且原理明确，实施方便，成本低，适用于高速列车车下设备垂向的悬挂频率设计。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。