內燃動力單元-車輛耦合振動機理及隔振優(yōu)化研究.pdf

1、內燃動車具備不亞于電力動車的動力性和舒適性，能實現(xiàn)任意編組和靈活運營，初期成本投入較低，是最經濟、最靈活的，解決支線客車提速的方案。在中國這樣一個幅員遼闊鐵路支線繁多的國家，內燃動車必將成為提高列車速度，占領支線客運市場的最佳工具，有著廣闊的發(fā)展空間和應用前景。作為內燃動車的動力源，同時也是最為主要的激勵源，內燃動力單元通常以雙層隔振的方式懸掛于車體底部，其重達3t以上，在整個車體中所占比重較大，這將極大地降低車體剛度，增大動力單元與車

2、體間的彈性耦合，導致車體強烈的耦合振動和結構輻射噪聲，嚴重影響到客車的乘坐舒適性。因此，本論文以某出口阿根廷的內燃動車為研究對象，突破傳統(tǒng)的基于普通雙層隔振的建模和設計方法，致力于建立含無源子系統(tǒng)，考慮構架和車體柔性的雙層隔振動力單元-車輛柔性隔振系統(tǒng)定量化的振動傳遞模型和相應的簡化理論模型，闡明系統(tǒng)中存在的多種耦合力學行為和機理，并有針對性地提出該柔性隔振系統(tǒng)的多目標優(yōu)化設計方法和相應的多目標優(yōu)化算法，以指導采用雙層隔振的動力設備-車

3、輛柔性隔振系統(tǒng)的隔振優(yōu)化設計，最大限度地隔離動力設備傳遞給車輛的振動，降低車體的振動和輻射噪聲。其主要研究內容及結論如下:
　　1)為了揭示子系統(tǒng)與雙層隔振主系統(tǒng)的耦合振動機理，建立了含子系統(tǒng)的雙層隔振系統(tǒng)的3自由度簡化力學模型和18自由度多剛體動力學模型，推導了系統(tǒng)固有頻率、能量解耦度和振幅的無量綱表達式，提出了能應用于多點多向耦合雙層隔振系統(tǒng)的力綜合傳遞率指標，在此基礎上分析子系統(tǒng)參數(shù)對雙層隔振系統(tǒng)固有特性和隔振特性的影響規(guī)律

4、。研究表明，子系統(tǒng)對雙層隔振系統(tǒng)固有特性和隔振性能均有較大影響，取適當大的子系統(tǒng)質量，合適的子系統(tǒng)剛度和阻尼，能同時兼顧雙層隔振系統(tǒng)的高頻隔振性能和低頻隔振性能。
　　2)針對目前尚未有對含散熱器子系統(tǒng)的內燃動力單元雙層隔振系統(tǒng)行之有效的優(yōu)化設計方法，將子系統(tǒng)視為雙層隔振系統(tǒng)吸振器的思想引入動力單元的隔振設計中，建立了能反映多自由度吸振器作用于多維耦合雙層隔振系統(tǒng)力學特性的6自由度力學模型，闡明了吸振器的吸振機理。繼而，提出了一種

5、兩級優(yōu)化策略對動力單元雙層隔振系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。最后，對優(yōu)化后的樣機進行振動測試和隔振性能評價。該優(yōu)化方法，首先在不考慮子系統(tǒng)的情況下，通過對雙層隔振主系統(tǒng)的隔振優(yōu)化確定一、二級主系統(tǒng)隔振器剛度，再將子系統(tǒng)視為吸振器進行剛度設計，按照H∞最優(yōu)原則獲得子系統(tǒng)隔振器的最優(yōu)剛度。研究表明，吸振器可通過其與雙層隔振系統(tǒng)激振力作用方向的模態(tài)產生耦合，達到減小主系統(tǒng)的振動能量輸入和將輸入的振動能量轉移到吸振器的效果，其質量比和慣量比的優(yōu)選囊括了小質

6、量比和小轉動慣量比的情況;經過優(yōu)化設計后，在柴油機常規(guī)工況和停機工況，動力單元動反力較小，機組和散熱器振動烈度水平較優(yōu)，動力單元雙層隔振系統(tǒng)隔振性能良好，該優(yōu)化方法有效可行。
　　3)針對雙層隔振動力單元-車體柔性隔振系統(tǒng)中存在的剛柔耦合問題，提出了一種能綜合反映柔性結構剛體運動和彈性振動的振動能量指標;提出了一種能反映車體彎扭耦合特性的薄壁框梁模擬車體建立了彈性車體與車下懸掛設備的剛柔耦合模型;推導了系統(tǒng)頻響函數(shù)的解析方法，揭示

7、了系統(tǒng)振動性能隨懸掛設備質量、安裝位置和隔振器參數(shù)的變化規(guī)律，闡明了懸掛設備與車體的剛柔耦合特性和機理;建立了能反映動力單元雙層隔振系統(tǒng)剛柔耦合特性的簡化力學模型，推導了系統(tǒng)固有頻率、振型和頻響函數(shù)的解析式，揭示了一、二級隔振器參數(shù)對系統(tǒng)隔振特性的影響規(guī)律，闡明了動力單元各子結構和柔性構架的剛柔耦合特性和機理。研究表明，構架和車體的柔性極大地降低了系統(tǒng)的高頻隔振性能，且對系統(tǒng)剛體運動模態(tài)的位移振幅存在一定的增益。
　　4)針對雙層

8、隔振動力單元-車輛柔性隔振系統(tǒng)建模復雜計算量大的特點，提出了一種能極大節(jié)約計算量的頻響函數(shù)綜合建模方法，分析了系統(tǒng)各層間功率流與隔振器參數(shù)之間的關系，在此基礎上揭示了動力單元-車輛柔性隔振系統(tǒng)中振動能量的傳遞特性。研究表明，該建模方法邏輯清晰計算量非常小，可用于對該復雜柔性隔振系統(tǒng)的多循環(huán)優(yōu)化計算。
　　5)針對雙層隔振動力單元-車輛柔性系統(tǒng)隔振優(yōu)化設計，優(yōu)化目標和優(yōu)化變量眾多的特點，提出了一種基于優(yōu)化目標和優(yōu)化變量縮減的適用于極