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围， 车体结构的振动压迫车空气而产生结构噪声，同时车体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 受到的频率围而车体弯曲振动的最大值也在叠代值大的围，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，引起较大噪声趣勢(=『嘅)绥is為箸嚟O— 234^ o o o o o O 11 JI 1- 150H频率/Hz乍体中部据动加速度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（一、专线、 一）的车体颤振情况在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 10Hn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8 225Hz,车辆整备后该值有所降低，在 5Hz左右这种振型 与转向架运动产 车辆的运行造成非 菱形变形刚度偏低25T型车车体 Jel 频生共振由于其振动能量较大，对车体结构振动影响E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 匕车顶、底架与侧墙联结薄弱，车顶相对侧墙质量较大y 模态频率为 E率较低，容易 可较大，对冃成的闭口振型频率咼;Jelly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 箱形结构抗菱形变形的刚度车体抗菱形变形刚度大，则 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模态被来自转向架的振动激发后，对中间隔断较多的软卧车会产生不利影 响从横断面上看车体产生菱形变形，如果软卧车的抗菱形变形刚度不足，即 车体扭转刚度不足，会导致车窗窗框、软卧包厢钢结构和木结构的变形，各种 结构相互运动（微动）产生撞击或摩擦发出声响，使得墙板、门、床铺等产生低 频颤振和噪声相比之下，硬座车客室无隔断，即使 Jelly刚度较小，也不会引起颤振。
3. 3车体局部弹性振动因素车体局部弹性振动会造成局部振动加剧，这也可能造成振动加速度值较大 以至于出现超标的现象为分析是否是该因素引起车辆振动加速度增大， 路动力学试验时在不同部位布置了加速度测点，不同速度下各测点的振动加速 度的变化情况如图3所示从图3可以看出，随着运行速度的增加，地板和间 壁的加速度值略有增加，而侧墙的振动加速度值变化明显，说明随着速度增加，部横向振动急剧增加，颤振是由车体局部弹性振动引起的 130〜140km/ h区段车辆共振现象达到峰值，车地板、间”的响声，地板上振颤感觉非 特别是卧铺的振颤使人非常难受车辆的侧墙局壁板、顶常明显，速度在 板、卧铺及各种挂件、门均发出“哒 横间壁颤动，o速度他ffl 3不同速度卜刍测点的振动加速度相同列车的硬卧车也存在共振现象，但明显好于软卧车，这与包间不封闭 及硬卧三层铺的刚度有很大关系3 . 4转向架因素：某次列车运行初期，总体情况较为平稳，但走行 30万km后，车体和转向架的颤振问题开始显露出来，且随着走行公里数的增加，颤振问题逐渐增多， 特别是转向架垂向振动尤为突出，车辆运行品质下降，频繁发生转向架故障 通过更换轮对后对车辆振动变化情况的跟踪，确定了 25T型客车转向架初始振动的源头来自于轮对。
对轮对偏心度以及动平衡等问题米取了更换轮对的措施， 更换后通过监测系统跟踪，发现车辆振动情况大幅度降低，没有发现其他异常 情况确定是轮对原因后，对振动较为严重的车辆采取了及时更换轮对的措施， 使25T型客车振动问题得到了有效控制上述超过段修标准限度要求的轮对，在 25T型客车实际运行中引发振动，并在短时间恶化车辆运行品质，造成了车辆配件损坏可见，有些车体的颤振 是由于车轮的高频激励引起的，解决的方法是严格按标准控制轮对的动平衡 3. 5运行速度旅客列车车体颤振一般发生在 110〜130km/h速度区段，车辆速度高或低 均无颤振现象发生，这表明车体颤振是由转向架振动引起的共振 当车辆在110—130km/h运行时，转向架的蛇行运动频率与车体局部频率相同或相近，引起 共振无摇动台转向架尤其是无摇枕转向架的车辆表现尤其明显 25T型客车在 速度为130〜140 km/ h区段车辆共振现象达到峰值，速度达到 160knZ h以上共振现象基本消除，车辆运行趋于稳定不同的车辆共振的速度区段不同，无摇动台车辆的共振速度区段在 130km/h 左右，应将常用速度和车辆的共振速度 区段分开，避免车体颤振。
车辆运行速度对车体颤振的影响可以理解为与车辆运行速度有关的激扰在 某速度段较大，如轮对、转向架的蛇行运动频率与车体或车体局部的某阶频率 相近，引起共振现车监测表明，车辆运行速度是主要影响因素，通过巡视监听以及监测系 统预报振动异常时间， Z15/16 次 25T 型客车振动异常发生时间多在凌晨 1： 30--4 ：15 期间，此时间段列车运行在客运专线上，区间平均运行速度在 150km/ h 左右4 解决方案 车体颤振问题非常复杂，单从车体、转向架等单方面研究只能从局部自身 说明一些原因，局部子系统问题的解决并不能从根本上彻底消除颤振，局部的 性能优化并不能代表系统的性能优化系统特性是各部件相互作用、耦合后综 合性能的体现，因此，必须从系统、全局出发，从可能引起振动的各方面人手， 对主要影响因素进行综合研究，通过分析计算，找出主导因数，再经过试验、 测试等进行验证，最终确定合理的改进方案和必要的整改措施只有通过合理 的系统性的解决方案，才能从根本上解决车体颤振问题针对以上可能的原因，提出以下车体颤振系统解决方案的要点：(1) 建立车体拓扑优化模型，对车体结构进行拓扑优化通过动力学计算、 模态分析和试验相结合，系统全面地研究车体振动影响因素，为车体改进提供 参考和依据。
2) 由于车体是在较宽频带上有很多共振点的弹性结构体，设计时很难同时 满足悬挂及低振动噪声要求协调方法是提高车体着力点的机械阻抗，即提高 着力点附近的刚性，使车体振动减小3) 在车体各构件中，板件振动对车体的噪声有重要的影响这是由于板件 的声辐射效率较高，在承受振源传人的振动能量时，极易成为结构上的主要发 生部位为减弱板件振动，可在其上设置加强筋以提高其刚度，或加装阻尼带 或粘贴减振材料，使振动衰减4) 加强车体底架、侧墙和车顶的连接，提高车体抗横向菱形变形刚度，即 提高 Jelly 模态频率对客车车体而言，要针对不同类型的车制定车体的 抗菱形变形刚度限度值5) 对软卧车而言，应将包厢隔断的钢结构部分与车体侧墙、底架和车顶的 联结做优化设计，避免在车体模态振动时引起摩擦颤振5 结语(1) 车体颤振主要是由共振引起的，其结果造成部分车体振动剧烈主要原 因是车体整体和局部刚度低，与转向架激振频率接近，容易产生共振，引起车 体局部振动提高车体整体抗菱刚度可有效降低车体颤振和噪声2) 车体一阶垂向弯曲频率、 Jelly 模态频率低，导致软卧车包间钢结构、 木结构或其他材料的各方向受力挤压，引起颤振和噪音，解决的方法只有优化 设计软卧车包间钢结构和木结构或其他材料的联结部结构。
3) 车轮动不平衡超差是引起一些车体振动较大的主要原因应加强对转向 架尤其是轮对的日常检修，减小轮对动不平衡对车体的激扰。