智能型动车组模态控制规范的研究

智能型动车组模态控制规范的研究

于明远1 姜航2王磊3  孙扬4

中车长春轨道客车股份有限公司  吉林长春  130062

摘要：振动模态控制规范是为了保证车辆的振动模态指标能够满足项目中的相关要求，及项目系统设计师提出的振动模态设计方面的技术要求。确定各系统及零部件在各种激扰频率下的振动状态，制定模态匹配准则，有效地避免各系统、设备、部件和车体发生共振，影响车辆的舒适性。。

关键词：模态计算；模态优化；模态匹配

Research on Modal Control Specification of Intelligent Multiple Unit

Abstract：The vibration mode control specification is to ensure that the vibration mode index of the vehicle can meet the relevant requirements of the project and the technical requirements of the vibration mode design proposed by the project system designer.Determine the vibration state of each system and component under various excitation frequencies,formulate the mode matching criteria,effectively avoid resonance of each system,equipment,component and vehicle body,and affect the comfort of the vehicle.

Keyword:Modal calculation;Modal optimization;Modal matching

引言

目前智能型动车组具备世界领先技术。智能型动车组的模态控制基于车体弹性振动性能的模态设计基本原则就是各系统之间模态匹配良好，能够避免结构共振，即避免车体承载结构、车体局部结构模态频率与转向架系统发生共振，避免车体承载结构、车体局部结构及其各子系统的模态频率与吊挂设备及悬挂激励频率发生共振。在设计过程中,模态匹配的理想状态是各系统自身的模态彼此解耦,同时所有相邻的系统模态彼此解耦。

1 动车组模态系统的相关要求

（1）根据标准TB/T3115-2005《机车车辆动力学性能试验台架试验方法》中规定：整备条件下，车体的一阶弯曲自振频率与转向架的点头和沉浮自振频率的比值应大于1.4倍。因此，转向架点头或浮沉的频率应小于7Hz。

（2）需要针对车辆系统模态关系及车下设备悬挂系统进行研究，实现车辆系统模态的合理匹配，提高车体模态频率，降低车体弹性振动及车下设备振动，实现整备后车辆整体一阶模态频率大于10Hz的总体目标。

（3）由于0～80Hz频率范围是影响车辆振动舒适度的关键频段，为此，在车辆结构设计中，设定此频段范围内的模态频率匹配为研究范围，各结构系统在进行仿真分析和试验测试中，均应提供0-80Hz频率范围内的模态特性报告。车体铝结构的仿真分析和试验测试应提供0-80Hz范围内的整体模态和局部模态，连接设备与车体的弹性单元，应提供在0-80Hz频段范围内的动态刚度和动静刚度比，误差不能超过±15%。

（4）对于有源设备应提供各工作状态下的工作频率。

2动车组模态系统的规划

为了避免相连系统产生共振,各系统主管应协商制定各个系统的模态频率范围并绘制成表格,标出各个系统的模态频率,把相连系统的模态频率错开,即得到整车模态频率规划表。

各系统振动模态频率目标值的制定过程即是模态规划的过程。在模态匹配过程中以模态规划表为各个系统的设计指南,各部门应严格按照规划表来设计,当其中一个系统的模态频率发生变化时,必须根据这张表来调整与之相连系统的模态频率。

转向架、车载设备系统,应该避开车体承载结构的第一阶垂向模态频率和第一阶扭转模态频率，同时，根据隔振设计原理，在设计过程中应遵循：不论阻尼比（c/c0）多大，只有当频率（ω/ωn）＞时，位移传递率或者动力传递系数才小于1。因此要达到隔振目的，弹性支承系统固有频率的选择必须满足（ω/ωn）＞的条件。如果确实由于其他原因无法达到（ω/ωn）＞的要求，则必须过增大隔振系统阻尼的方法以抑制系统的振动响应。另外，设备布置过程中，尽量将部件布置在车体承载结构的模态节点上。

3动车组模态系统计算及优化阶段

在车辆模态计算及优化阶段需要完成车下设备吊挂方式对比分析，分析车下设备滑槽吊装与边梁吊装的可行性，并通过车体钢结构、车下吊挂参数、车下吊挂方式、车辆整备状态频率的优化，实现车辆整备后的整体一阶频率大于10Hz（以最终试验测试结果为准），同时，建立车辆模态主动控制设计流程和设计规范。

3.1模态计算阶段

建立准确的车体钢结构有限元模型，得到前40Hz车体模态参数，实现有限元计算结果与试验结果的吻合，分析结果与试验结果重要数据误差应在10%以内。于车体钢结构模型，建立精确的整备后车辆有限元模型，进行整备后车体模态分析，得到前30Hz车体模态参数，实现有限元计算结果与试验

结果的吻合，分析结果与试验结果重要数据误差应在10%以内。

3.2模态优化阶段

车体局部结构优化，实现车体钢结构菱形振频率大于14.5Hz，车体钢结构垂向弯曲振动频率大于20Hz，同时提高车体的呼吸振动，提高车体呼吸振动频率。车体端部结构优化，对比端墙结构优化前后的模态和刚度，形成比对报告。进行型材断面优化，分析断面对局部和整体模态的影响，形成断面形式优化报告。确定车下悬吊刚度对模态影响，依据模态匹配原则计算车下设备悬挂参数优选范围。评估车内大质量设备的布置、联接方式等对车体结构模态的影响。

3.3模态匹配阶段

给出车下设备悬挂刚度参数；实现车内外的设备自振频率与车体的模态频率避开，不会产生共振；实现设备的振动不会与车体产生共振。

3.4模态匹配优化阶段

确认并提出优化版本的车辆系统模态匹配表；确认对车辆设备模态需求；确认并提出车体局部结构模态需求和优化措施；确认并优化车下悬吊设备优化参数；评估整车振动特性，使其满足技术要求。

结论

本振动模态控制规范是为了智能动车组项目车辆的振动模态指标能够满足项目任务书中的相关要求，及项目系统设计师提出的振动模态设计方面的技术要求。

参考文献

1.《铁路应用-铁道车辆车体的结构要求：第1部分：机车和客车》

2.《机车车辆动力学性能试验台架试验方法》

3.《铁道机车动力学性能试验鉴定方法以及评判标准》

4.《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》

5.《机械振动和冲击--人体方位的整体振动和评估》