不同档位下内燃机车司机室振动特性分析

　　摘要：内燃机车司机室振动问题正得到越来越多的关注，采用独立司机室结构可以有效降低司机室振动，但其隔振元件参数还需要合理匹配才能发挥最佳的隔振效果。本文基于建立的司机室6自由度动力学模型，结合能量解耦理论、隔振原理及优化算法改进了司机室隔振器布置参数及刚度参数，利用建立的司机室-底架有限元分析模型，仿真分析了实测柴油机各档位激励下隔振器参数改进前后的司机室振动情况，结果表明参数改进后司机室的隔振性能得到了明显的提高，对于柴油机各工作档位的振动激励均可以实现良好的隔振效果。

　　关键词：内燃机车;隔振性能;有限元;动力学;优化方法

　　相关论文投稿刊物：内燃机学报主要刊载内燃机方面有较高水平的研究论文和阶段性研究报告，或重要学术问题的评述性文章，也包括产品结构性能改进、设计计算新方法、测试新技术与设备、新工艺与新材料等方面有较高参考价值和实用价值的文章。

　　内燃机车以大功率柴油机作为动力源，由其导致的司机室振动问题时有发生[1-2]，造成了机车司机工作环境恶化。独立司机室的应用可以有效减振司机室振动水平[3]，改进机车司机工作环境。独立司机室采用的隔振器参数需要合理配置才能发挥最佳的隔振效果，在这方面已有许多学者做出了大量研究。例如，李春胜等[3-4]以司机室隔振系统频率响应函数作为评价指标，优化了HXN3型内燃机车的隔振性能。

　　邵迎安等[5]利用车体模态叠加获得了司机室最大归一化位移，并以该归一化位移最小为优化目标，获得了独立司机室隔振器的优化刚度参数。Zhou等[6]建立了车辆动力总成的动力学模型，并以动力总成完全解耦及固有频率匹配为目标优化了动力总成的隔振性能。针对司机室隔振优化问题，为分析隔振参数优化对于司机室隔振性能的影响，本文通过解耦设计与隔振原理结合的方法，改进了某型内燃机车司机室隔振参数，并建立了相应的司机室-底架有限元模型，分析了在不同柴油机工作档位下改进前后司机室隔振性能的差别。

　　1内燃机车司机室动力学模型及隔振优化

　　1.1司机室动力学模型

　　该型内燃机车采用独立司机室设计，司机室与底架通过6个弹性橡胶堆隔振装置连接在一起。为研究司机室隔振性能，优化司机室隔振布置及隔振参数，建立了司机室6自由度动力学模型。该动力学模型中，将每个隔振器简化为相互垂直的3个线性弹簧，且隔振器横向刚度与纵向刚度相等。

　　1.2司机室隔振器参数优化

　　弹性支承组成的隔振系统各个自由度之间往往是相互耦合的，这给隔振优化设计带来了极大的困难。针对各自由度耦合较强的系统，一般通过合理布置隔振器位置、配置隔振系统振动固有频率来达到隔离振动的目的[7-8]。通过建立的机车司机室动力学模型模态及解耦分析可知：优化改进前司机室隔振系统第一阶振动主要表现为纵向、横向、点头振动的耦合，其中纵向振动占据主要部分;第二阶振动表现为纵向、横向、侧滚振动的耦合，其中横向振动占主要部分;第三阶振动中表现为垂向振动，其解耦率达到97%，但系统第三阶固有频率不满足隔振要求，并且接近于柴油机第四档转频，在第四档工况下易引发司机室共振;第四阶振动主要表现为司机室摇头振动，第五阶振动主要为纵向、点头振动耦合，第五阶振动主要为横向、侧滚振动的耦合。

　　改进后的司机室隔振系统第一阶振动主要表现为横向、侧滚振动的耦合，其中横向振动占据主要部分;第二阶振动主要表现为纵向、点头振动耦合，其中纵向振动占据主要部分;第三阶振动表现为垂向振动，解耦率为100%;第四阶振动主要表现为摇头振动;第五阶振动表现为纵向与点头振动的耦合，点头振动占据主要部分;第五阶振动表现为横向与侧滚的耦合，侧滚振动占据主要部分。系统六阶振动的固有频率均小于激励频率的1/2，且前三阶固有频率小于激励频率的1/2，可以达到较好的隔振效果。

　　2基于实测柴油机激励的内燃机车司机室隔振性能分析

　　2.1机车司机室-底架有限元模型

　　利用大型有限元软件建立了机车底架及司机室有限元模型。机车底架与司机室均采用壳单元进行建模，司机室隔振器采用6号梁单元建模，该单元模拟隔振器纵、横、垂三向刚度。模型中1、6位置为机车发电机组支座位置，2～5位置为柴油机支座位置。在柴油机、发电机支座相应位置施加实测柴油机在各个工作档位下的纵、横、垂三向振动激励。司机室隔振器刚度参数及位置按照表2中隔振器参数进行设置，分别仿真隔振器初始参数下及隔振器参数改进后的司机室振动情况。

　　2.2有限元结果分析

　　柴油机第一档至第四档工况下司机室纵、横、垂三向振动加速度。参数优化后司机室振动幅值得到了明显的控制。前两档隔振器参数改进前后司机室垂向振动幅值差距不大，第四档参数改进前后司机室垂向振动差距较大。统计了司机室隔振器参数优化前后司机室三向振动加速度的均方根值。当柴油机处于第一档至第三档工况时，优化前司机室垂向加速度小于横向与纵向加速度，这说明在初始隔振器参数下，司机室的垂向隔振性能要优于横向与纵向;隔振器参数优化后，司机室三向振动加速度有了明显减小，司机室横向与纵向加速度相较于优化前等得到了更好的改善。柴油机处于第四档工况时，优化前司机室垂向加速度远大于横向与纵向加速度，司机室的垂向隔振性能不佳，这是由于第四档激励频率接近于司机室垂向振动固有频率引起司机室共振;参数优化后，司机室三向振动加速度均明显减小，垂向加速度幅值得到了有效控制。

　　3结论

　　本文介绍了一种司机室隔振参数的设计方法，并给出了司机室隔振参数的改进方案，通过理论分析与有限元分析对比了初始参数与改进参数下司机室的隔振性能，可得出以下结论：

　　(1)初始参数下司机室隔振系统各模态耦合较强，对应固有频率不满足的隔振原理的要求，隔振器参数改进后，司机室各阶模态解耦率得到了较大的提升，其中垂向振动实现完全解耦，各阶固有频率配置也比较合理，可以良好地隔离各档位下司机室振动;

　　(2)初始参数下司机室对于柴油机前三档工况下对纵向与横向振动隔振效果尚可，但无法达到20dB以上的振动衰减，对垂向振动的隔离效果良好，向柴油机第四档工况下，司机室三向隔振性能较差，垂向振动较大;

　　(3)隔振器参数改进后，各档位下司机室的隔振性能较改进前有了明显提高，司机室三向振级落差均达到20dB以上。

　　参考文献：

　　[1]张明东，陈鞋兰.东方红〈3〉型机车司机室振动问题的测试分析及对策[J].铁道机车与动车，1999(3)：26-29.

　　[2]张书堂，王双强.东风_4型机车司机室共振问题的研究[J].铁道机车与动车，2002(5)：6-12.

　　[3]李春胜，罗世辉，马卫华.基于频率响应函数的HXN3司机室隔振性能分析[J].振动与冲击，2013，32(19)：210-215.

　　[4]李春胜，曲天威，罗世辉.基于刚柔耦合的HXN3司机室隔振系统多维度频率响应分析[J].振动与冲击，2015，34(4)：135-141.