高铁车辆车体振动程度与车体结构的关系研究

高铁车辆车体振动程度与车体结构的关系研究

莫永凯 秦景琨 罗建 孙德华 王明亮

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛市

摘要：随着高速铁路技术的发展，对车体的平稳运行和舒适性提出了更高的要求。高铁车辆的稳定性与车身的弹性振动密切相关。随着高速铁路车体质量的轻量化，柔性振动问题日益突出，必将降低客车的稳定性和舒适性。为了解决这一问题，国内外研究人员进行了大量的理论和实验研究工作，包括约束阻尼处理、变刚度、被动振动控制等，但具体解决方案在实际车辆中的具体应用仍有待探索。

关键词：高铁车辆；车体震动；车体结构

前言：近年来，在国家宏观政策的指导下，高速铁路在我国各地蓬勃发展，成为现代交通运输系统的主要发展方向之一，为国民经济建设提供了有力保障。我国高速铁路技术的研究采用了引进和吸收国外先进高速列车技术基础上的知识产权创新发展战略。在短短的几年时间里，在世界各国研究者的不懈努力下，我国高速铁路技术的发展和技术创新取得了举世瞩目的成就。毫无疑问，我国高速铁路技术的快速发展已达到世界领先水平，也是我国掌握高速列车技术较少的国家之一。新科技的输入必然会在实践中出现新的问题，解决新问题和改进理论将进一步促进新技术的发展。在高速铁路发展的背景下，探索和研究高速铁路运营中的各种技术问题已迫在眉睫。其中之一就对是高铁车辆车体振动程度与车体结构的关系研究。

一、减震的重要性

从车辆稳定性和舒适性的评价方法出发，国内外的研究结果和评价规则都指出了车身振动加速度是一个重要因素。因此，通过减小车身振动加速度可直接达到提高平稳性的目的。然而，随着列车运行速度的提高，车辆设计制造技术的不断提高以及铝合金、车身等新材料的应用，对结构强度的要求明显下降。因此，有必要对高速列车本体的弹性振动抑制进行更深入的研究。汽车车身减振方面的研究较多，但由于在运行过程中存在大量的干扰因素，很难分离出复杂的干扰源，而复杂干扰源引起的振动响应的分析也比较困难。考虑到这一点，在车身上安装减振器以减小弹性振动是可行的。利用压电原件的特性，研究高速列车的弹性减振方法是值得研究的。

二、压电智能结构在车体结构上的应用

（一）原理

压电效应的具体原理是，当外力作用于材料并发生机械变形时，材料内部正负电荷中心会相对移动，使材料表面具有不同的极性，其电荷密度与外部力成正比。通过测量压电材料的机械变形所产生的电荷量，可以了解压电材料变形的情况，从而有能力感受结构变形。相反的压电效应则相反：电场作用于材料时，电场的作用使正负电荷中心相对移动，从而引起机械变形，而这种变形与外加电场成比例地相关。通过对压电材料施加一定的电场强度，该材料可以根据预先设计的规则变形和运动，从而具有驱动能力。

（二）被动控制

通过对压电智能结构控制速率的选择进行总结，可以看出抑制车身弹性振动的控制算法主要有两个分支。采用最优控制或极点配置等主动控制方法。压电并联方式的原理是建立一个完整的分岔系统，选择最佳形式和合理的电容、电阻和电感元件，使结构振动的机械能以电能的形式快速消耗，从而降低振动能，改变结构的固定频率、振动位移和衰减等动态特性。无源控制的特点是没有额外的传感器和功率放大器。因此，被动控制系统的附加质量和刚度非常小，易于在没有任何控制和不稳定的情况下实现。然而，反应性控制只在高频、宽频段表现较好，而在低频率的窄频段才有效。对于复杂的多体结构，存在高频和低频振动，当系统的输入等动态参数发生变化时，很难通过被动控制进行实时调整。

（三）主动控制

结构振动主动控制是一种利用外部能量施加控制力或在外部激励作用下瞬时改变结构动力特性的减振技术。主动控制的关键是实时测量结构的响应或外部干扰，在精确结构模型的基础上计算最优控制力，最后通过执行机构提供外部能量，达到最优控制效果。根据控制器的工作方式，有源控制可分为开环控制、闭环和闭环控制三种。由于闭环控制能实时跟踪结构的动态响应，因此结构主动控制通常采用闭环控制的方法。其工作原理如下：加载在结构上的传感器测量动力响应，控制器通过一定的控制律计算所需的控制力，控制力则实现执行机构抑制或减小结构动力响应值的目的。首先为极点配置法。所谓的极点配置是指利用状态反馈或输出反馈将系统的两极移动到复杂平面中的任何位置。根据振动理论，系统的极值是系统矩阵的特征值。矩阵的特征值既可以是实值，也可是复数。系统的动态特性在很大程度上取决于极点在复杂平面中的位置。利用状态反馈或输出反馈可以改变系统的阻尼矩阵和刚度矩阵，进而导致系统极点的变化，从而获得系统所需的性能。第二，模态控制法。一般情况下，结构的振动能主要集中在少量的低阶振动上。因此，只有充分考虑这些低阶振动元件影响下的结构动力分析结果，才能获得足够的精度。因此，系统振动的控制可以通过控制几个振动部件来实现，这就是所谓的模态控制法。

三、结束语：

我国高铁客运的发展在世界当中名列前茅,其中轻量化和高速化成为以高铁为主的我国快速列车在设计和制造时遵循的主要原则同时也是主要的设计制造标准。其中高速化主要通过提高列车的运行速度,减少单趟客运所需的时间,从而增加客运频率,提高经济效益，但随之也产生了高频率的震动。因此，必须要重视进行高铁车辆车体振动程度与车体结构的关系研究，减少车体震动，降低其震动频率，为乘客带来更加舒适的体验，从而进一步推动我多高铁事业的发展。使高铁列车的发展可以更加满足人们的高质量需求，使人们的出行更加舒适。因此相关人员必须要重视对这一问题的研究，不断寻找方法进行车辆的优化与改造。

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