动力机组双层隔振系统低频隔振器研究

摘要

内燃动车具备不亚于电力动车的动力性和舒适性，能实现任意编组和灵活运营，初期成本投入低，是最经济、最灵活的，解决支线客车提速的方案。但随着内燃动车轻量化（材料和结构），以及各国对内燃动车振动控制日益严苛，现有的内燃动车动力包双层隔振系统隔振性能亟待明显提升，而传统橡胶隔振器已难有进一步优化空间，为了研制出使系统隔振性能得到明显提高的新型隔振器，本文进行了以下工作： 参照典型内燃动车动力包双层隔振系统搭建了试验台架，建立了将试验台的机组及构架均视为柔体的双层隔振系统仿真模型，通过模态测试验证了模型的准确性；通过扫频特性分析，讨论了隔振器三向刚度变化对系统隔振特性的影响。分析结果表明，隔振器水平刚度变化对系统隔振性能影响不大，水平刚度降低主要引起系统振动速度及传递力响应在低频段的移频，对高频段基本没有影响；降低一、二级隔振器垂向刚度虽会一定程度上增大系统低频段（对应机组启停工况）的振动烈度，但能够有效地降低系统中、高频段（对应机组正常运行工况）的传递力。在此基础上，提出了新型隔振器需要具有垂向刚度小、水平刚度大，且横向、纵向水平刚度不同的特性，结合工程对象实际结构提出了隔振器的两种优化方案：即橡胶弹簧组合隔振器、弹簧隔振器加橡胶限位器。 系统分析了传统橡胶隔振器的设计思路及经典公式的局限性，通过橡胶单轴压缩试验完成了 Mooney Rivlin 模型参数的拟合，并验证了在压缩变形小于 25%时，橡胶变形特性仿真结果的正确性。分析了不同开槽角度及槽宽比对环形剪切型橡胶隔振器三向刚度的影响，为后续新型隔振器的结构设计提供了依据。 分析了新型低频隔振器在高频段可能会由于弹簧驻波效应而削弱系统隔振性能的问题，通过四端参数法建立了弹簧串联橡胶衬垫的动力学模型，推导出了系统传递率与橡胶衬垫刚度及阻尼比关系的数值解。从理论上阐明了弹簧隔振器串联适当刚度及阻尼比的橡胶衬垫能够有效抑制弹簧的驻波效应，并通过实验进行了验证。 以振动烈度及二级隔振器处动反力为评价指标，进行了原始隔振器方案、一级隔振器优化方案和二级隔振器优化方案的实验对比，验证了弹簧隔振器加橡胶限位器的新型低频隔振器方案对系统隔振性能的明显提升效果。 以上研究结论对优化内燃动车动力包双层隔振系统性能具有实际工程指导价值，对动力机械双层振动系统的发展也具有一定借鉴意义，并为进一步研究用于半主动控制系统的变刚度执行器，提供了研究基础。

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