陈毅

【摘   要】为研究电机架悬参数对车体、构架和牵引电机相对轮对横向激励绝对传递率的影响，建立了考虑半车的车体、构架和牵引电机3个等效刚体的简单模型。结合轮对在轨向不平顺激扰下横向运动规律，研究了车体、构架和牵引电机在不同悬挂参数下，在简谐激励下的位移规律及用随机振动理论来研究悬挂参数对车体、构架和牵引电机在随机激励的功率谱密度函数的影响。

【关键词】高速动车;弹性架悬式牵引电机;横向悬挂

引言

高速动车牵引电机（以下简称电机）为列车提供能量，驱动车辆行驶。由于钢轨存在各种不平顺，高速列车在运行过程中会受到来自钢轨的振动与冲击。这些振动与冲击往车上传递，经过一系、二系悬挂的隔振，作用力已大大减弱，尽管这样，还是有部分振动会传到电机上。为了减小传递到电机上的振动，研究其悬挂方式与悬挂参数十分必要。

针对国内现有的高速动车弹性架悬式牵引电机悬挂方式，本文提炼出具有3刚体简单横向振动模型，做了以下研究：（1）讨论了悬挂参数对车体、构架和牵引电机相对轮对横向激励绝对传递率的影响。（2）结合德国高速轨道谱中的轨向不平顺谱，利用随机振动理论来研究悬挂参数对车体、构架和牵引电机在随机激励的功率谱密度函数的影响。

1.电机弹性架悬简单模型

简单模型中，只研究半车的横向运动，考虑半车的车体、构架和牵引电机3个等效刚体，每个刚体只有1个横向自由度，共3个自由度。轮对的横向运动作为系统的外部输入。图1是其动力学计算模型。

图中 ：

为半车车体质量;为构架质量;为牵引电机质量;

为二系横向刚度;为一系横向刚度;为牵引电机横向刚度;

为二系横向阻尼;为一系横向阻尼;为牵引电机横向阻尼;

为车体横向位移;为构架横向位移;为牵引电机横向位移;

为轮对横向位移

根据各刚体受力情况，可列出系统微分方程组：

2.驱动装置悬挂参数对传递率的影响

展开方程组，進行拉氏变换，得到车体横移相对于轮对横移的传递函数：

其中

构架横移相对于轮对横移的传递函数：

其中

电机横移相对于轮对横移的传递函数：

其中

令  ，即可得车体横移相对于轮对横向激励的传递率、构架横移相对于轮对横向激励的传递率和电机横移相对于轮对横向激励的传递率 。

为了无量纲化，令                                                                     （5）

把式（5）代入式（2）、式（3）和式（4），则 、和只含有参数，此时、和分别记为、和。T1、T2和T3的详细表达式见附录。

以CRH3型某动车组为例，

根据以上参数，可计算出：

以为自变量，可作出的变化趋势。

改变的值，观察变化趋势。当和时，如图所示：

特别的，当特别大时，可看做是刚性架悬，如图 所示：

从图2—图5可以看出，几乎对没有影响，这是因为从提高列车的运行稳定性考虑，一系悬挂的横向阻尼比特别大，高达57.82，几乎就是1。车体的振动是建立在构架上，由于构架位移几乎不变，在二系悬挂参数不变的基础上，也就几乎不变。但是对的影响特别大。当较小时，在频率比较小时，较大，在频率比较大时，较小;当较大时，情况刚刚相反。在特别大时（相当于刚性连接），在频率比较小时（即低速运行时），与弹性连接相比，很小，但是在频率比较大时（即高速运行时），与弹性连接相比，很大，这就在理论上证明了在高速运行时，牵引电机弹性架悬的必要性。所以为了兼顾频率比在较宽范围内有比较好的隔振性能，不能取得太大，也不能取得太小。为了得到比较确定的范围，在范围内，单独对做个对比，如图6所示，从图中可以看出是合适的。

3.随机振动隔振分析

国外内对轨道谱进行了大量的研究，分别提出了不同的轨道不平顺功率谱密度表达式，如美国轨道谱、德国高速轨道谱、秦沈客运专线轨道谱等，对准高速的机车车辆可采用美国 6级谱，但对高速机车车辆应采用德国高速谱，我国在研究高速机车车辆的动态响应时，也规定采用低干扰德国高速轨道谱。德国低干扰方向不平顺轨道谱表达式为：

式中为轨道不平顺的空间频率（），为粗糙度常数（），、是截断频率（）。具体数值可以参阅文献。

图7 为速度300km/h，取空间波长为2-200m，德国低干扰方向不平顺功率谱密度。

根据随机过程理论，可以算出车体、构架和电机的功率谱密度分别为：

其中为德国低干扰方向不平顺功率谱密度

为了研究悬挂参数对于车体、构架与牵引电机在德国低干扰方向不平顺的激扰下的方向不平顺的的功率谱密度的影响，特取 ，观察三者的变化情况。如图8、9、10所示：

从图中可以看出，的变化几乎不会影响车体与构架的功率谱密度，的变化对电机的功率谱密度影响较大。随着变大，电机的功率谱密度在低频段逐渐减小，在高频段逐渐增加。出现这种现象的原因是，变大，在低频段有好的抑制效果，但是在高频段抑制效果不好。在不平顺频率在0.4-0.8HZ范围， 车体功率谱密度大于构架与电机功率谱密度。超出此范围，车体要小于两者，说明车体随机振动中低频分量大，高频分量小。当频率在4-5HZ之间，车体、构架、电机功率谱密度有稍微的增大，这是因为运行速度在300km/h时，轮对横向运动的主要频率是4.24HZ，引起共振，所以在这个频率上，功率谱密度有个突变。

4.结论

（1）给出了车体、构架和电机的横移相对于轮对横向激励的绝对传递率详细表达式，研究证明，几乎对没有影响，但是对的影响十分显著：过小的不利于低频段的隔振，过大的不利于高频段的隔振，也从理论上证明了高速动车电机采用弹性悬挂的必要性。

（2）的变化几乎不会影响车体与构架的功率谱密度，的变化对电机的功率谱密度影响较大：随着变大，电机的功率谱密度在低频段逐渐减小，在高频段逐渐增加。

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