（光学工程专业论文）机车操纵台动态性能分析与减振研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 彩躇 b l f 年6 月侈日 指导教师签名：乒- 、 17 砂”年6 月i 日 机车操纵台动态性能分析与减振研究 a n a l y s i so nd y n a m i c p e r f o r m a n c ea n dv i b r a t i o nc o n t r o l r e s e a r c ho fl o c o m o t i v ec o n s o l e 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着铁路的提速，机车振动、噪声和舒适性问题越来越得到人们 的重视。操纵台是机车运行中驾驶操纵装置和各种状态监测仪器仪表 的安装总台、也是驾驶员操纵机车的界面。开展操纵台的动态性能分 析和减振研究可以有效控制操纵台的振动，不但提高驾驶员的工作效 率，而且可以保证操纵台上仪器设备的工作可靠性，延长使用寿命。 针对h x r 叮5 ( 和谐号) 内燃机车操纵台的振动问题，采用理论、仿 真分析和试验相结合的方法，重点从系统固有频率匹配、悬置解耦和 悬置安装位置的改进三方面进行操纵台的减振研究。并建立了操纵台 特性试验和实车试验相结合的操纵台试验评价体系。 为了对操纵台悬置系统进行性能分析，建立了操纵台悬置系统模 型。在模型支持下，通过试验测试取得悬置系统的基本参数，采用固 有频率匹配和z 日匕l - - , 量解耦相结合的方法进行悬置系统的性能分析和悬置 参数的优化研究。 根据悬置参数优化结果，结合l m s 公司的v i r t u a l l a b 软件混合建 模与多属性仿真的优点建立了操纵台多体动力学模型，并对操纵台进 行动力学仿真分析，在试验数据的支持下仿真结果更加可靠。以悬置 支撑处响应力和质心加速度作为评价指标对优化前后操纵台的性能进 行了对比分析。结果表明优化方案能够有效的降低操纵台的振动。同 时从悬置安装位置出发，考虑到支架的柔性因素，运用有限元分析方 法对支架进行了动态性能分析。通过改进结构降低了支架上悬置安装 位置的振动响应。 利用a d x l 0 0 1 加速计自行设计了m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 三向加速度传感器。探讨了m e m s 加速度传感器 机车操纵台动态性能分析与减振研究 振动测量中的可行性。同时m e m s 加速度传感器的使用大大简化了 备，降低了成本。结合v t c ld s p 信号采集与分析系统超长信号采 和变时基处理技术对操纵台进行了系统的试验测试分析。根据优化 案选取六个相同的橡胶悬置元件进行试验。结果表明操纵台振动得 了有效控制。 最后建立了操纵台振动性能试验评价体系。引入特性试验以控制 纵台垂向固有频率作为初步评价指标，根据实车试验以机械振动烈 作为最终评价标准。在此试验评价体系下，操纵台垂向固有频率降 到了满意的范围内，也使操纵台在机车常用工作档位的振动水平控 在了正常状态。 键词：机车，操纵台悬置系统，橡胶隔振块，动态性能，l m s v i r t u a l l a b ，试验评价体系 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es p e e dr a i l w a y , t h ep r o b l e mo fv i b r a t i o n ，n o i s ea n dh a r s h n e s s i nl o c o m o t i v ei sg e t t i n gm o r ea t t e n t i o n c o n s o l ei st h em a i np l a t f o r mi n w h i c hd r i v i n gc o n t r o l e q u i p m e n t s a n da v a r i e t y o fs t a t em o n i t o r i n g i n s t r u m e n t so fl o c o m o t i v ea r ei n s t a l l e d ，a sw e l la st h ed r i v i n gi n t e r f a c eo f l o c o m o t i v e a n a l y s i s o nd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dv i b r a t i o nc o n t r o l r e s e a r c ho fl o c o m o t i v ec o n s o l ec a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ev i b r a t i o nl e v e lo f c o n s o l e ，w h i c hc a nn o to n l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ed r i v e r , b u te n s u r e t h eo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t yo fe q u i p m e n t si nt h ec o n s o l ea n de x t e n dt h e s e r v i c el i f e i nv i e wo ft h ev i b r a t i o np r o b l e mo fc a bc o n s o l ei nh x r 4 5 ( h a r m o n y ) d i e s e l l o c o m o t i v e ，u s i n gac o m b i n a t i o no ft h e o r y , s i m u l a t i o na n dt e s t m e t h o d s ，t h ev i b r a t i o nc o n t r o lr e s e a r c ho fc o n s o l ei sc a r r i e do u tf o c u s e d f r o mt h em a t c ho fs y s t e mn a t u r a lf r e q u e n c y , t h em o u n td e c o u p l i n ga n d i m p r o v e m e n to fm o u n ti n s t a l l a t i o np o s i t i o n s a n dc o n s o l et e s te v a l u a t i o n s y s t e mw h i c hc o m b i n e dc o n s o l e i n h e r e n tt e s ta n dr o a dt e s ti se s t a b l i s h e d i no r d e rt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fc o n s o l em o u n t i n gs y s t e m ，t h e m o d e lo fc o n s o l em o u n t i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h em o d e l ，t h e b a s i cp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db yt e s t t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so f m o u n t i n gs y s t e ma n dt h eo p t i m i z a t i o no fm o u n tp a r a m e t e r sa r ec a r r i e do u t b yt h ec o m b i n a t i o no ft h em a t c ho fs y s t e mn a t u r a lf r e q u e n c ya n d t h em o u n t d e c o u p l i n gm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so fm o u n tp a r a m e t e r s ，c o m b i n i n g t h eh y b r i dm o d e l i n ga n dm u l t i a t t r i b u t es i m u l a t i o na d v a n t a g eo fl m s v i r t u a l l a b ，t h em u l t i - b o d yd y n a m i c sm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n d t h e d y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i s o fc o n s o l ei sc a r r i e do u tw i t ht h eh i g h r e l i a b i l i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nt e s td a t a t h ep e r f o r m a n c eo f c o n s o l eb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o na r ec o m p a r e db a s e do nt h ee v a l u a t i o n 机车操纵台动态性能分析与减振研究 i n d e x e so fr e s p o n d i n gf o r c eo nm o u n ts u p p o r ta n dm a s sc e n t e ra c c e l e r a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e v i b r a t i o no f c o n s o l e a c c o r d i n g t ot h em o u n ti n s t a l l a t i o np o s i t i o n s ， c o n s i d e r i n gt h ef l e x i b i l i t yo fs u p p o r t ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs u p p o r t i sa n a l y z e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ei m p r o v e m e n to fs u p p o r t s t r u c t u r er e d u c e st h ev i b r a t i o no fm o u n ti n s t a l l a t i o np o s i t i o n s t h em e m s ( m i c r o - - e l e c t r o - - m e c h a n i c a ls y s t e m s ) a c c e l e r a t i o ns e n s o r i sd e s i g n e du s i n ga d x l 0 0 1a c c e l e r o m e t e r s t h ef e a s i b i l i t yo fm e m s a c c e l e r a t i o ns e n s o ri sd i s c u s s e di nv i b r a t i o nt e s t t h eu s i n go fm e m s a c c e l e r a t i o ns e n s o rg r e a t l ys i m p l i f i e st h ed e v i c e ，r e d u c e st h ec o s t t h e v i b r a t i o ns i g n a l so fc o n s o l ea r em e a s u r e da n da n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l yw i t h t h el o n gs i g n a la c q u i s i t i o na n dv a r i a b l et i m eb a s ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f t h ev t c l d s ps i g n a la c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m a c c o r d i n gt ot h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，t h ec o n s o l ei st e s t e du s i n g t h es i xs a m er u b b e rm o u n t s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o n s o l ev i b r a t i o ni se f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d f i n a l l y , t h et e s tv a l u a t i o ns y s t e mo fc o n s o l ev i b r a t i o np e r f o r m a n c ei s e s t a b l i s h e d i nt h i ss y s t e m ，c o n t r o l l i n gt h ev e r t i c a ln a t u r a lf r e q u e n c yo f c o n s o l ei st h ep r e l i m i n a r ye v a l u a t i o ni n d e xi n t r o d u c i n gt h ei n h e r e n tt e s t a n dm e c h a n i c a lv i b r a t i o ni n t e n s i t yi st h ef i n a le v a l u a t i o ni n d e xa c c o r d i n g t ot h er o a dt e s t u s i n gt h es y s t e m ，t h ev e r t i c a ln a t u r a lf r e q u e n c yo fc o n s o l e i si nt h er a n g eo fs a t i s f a c t i o na n dt h ec o n s o l ev i b r a t i o nl e v e li sc o n t r o l l e di n t h en o r m a lw o r ks t a t ew h e nl o c o m o t i v ew o r k si nt h ec o m m o ns t a l l s k e yw o r d s ：l o c o m o t i v e ，c o n s o l em o u n t i n gs y s t e m ，r u b b e rm o u n t ， i v d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，l m sv i r t u a l l a b ，t e s te v a l u a t i o n s y s t e m 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 目录 1 课题研究的目的和意义。1 国内外研究现状。2 1 2 1 操纵台3 1 2 2 橡胶悬置4 1 2 3 悬置系统5 本文课题来源与主要研究内容7 操纵台悬置系统振动分析与隔振机理8 机车操纵台振动激励源分析8 操纵台悬置系统模型的建立与分析。9 2 2 1 操纵台悬置系统模型9 2 2 2 操纵台悬置系统自由振动微分方程1 0 悬置系统隔振原理1 2 操纵台悬置的设计要求1 4 本章小结1 4 操纵台悬置系统性能分析与优化。1 5 3 1 悬置系统设计与优化方法1 5 3 1 1 悬置系统固有频率的匹配。1 5 3 1 2 悬置系统解耦1 5 3 1 3 悬置支撑处响应力最小1 8 3 1 4 悬置元件节点布置。1 8 3 2 操纵台悬置系统性能分析1 8 3 2 1 操纵台基本参数的确定1 8 3 2 2 操纵台系统固有特性分析1 9 3 3 操纵台悬置系统优化设计2 0 3 3 1 固有频率的匹配2 0 3 3 2 操纵台悬置系统解耦设计2 1 3 3 3 优化结果2 2 3 4 本章小结。2 3 第四章操纵台动态性能仿真分析2 4 4 1l m sv i r t u a l l a b 理论基础2 4 4 1 1v i r t u a l l a b 软件简介2 4 4 1 2v i r t u a l l a bm o t i o n 简介2 5 v 机车操纵台动态性能分析与减振研究 4 2 4 3 4 4 第五章 4 1 3 多体系统动力学方程的建立2 5 悬置系统隔振性能仿真分析2 6 4 2 1 操纵台悬置系统动力学模型的建立。2 6 4 2 2 操纵台悬置系统性能仿真2 8 4 2 3 优化后的操纵台悬置系统性能仿真分析3 6 基于有限元法的支架动态性能分析4 2 4 3 1 模态分析与有限元法理论4 2 4 3 2 支架有限元模型的建立4 4 4 3 3 支架动态性能分析4 5 本章小结4 9 操纵台悬置系统振动试验分析。5 0 5 1 试验方案。5 0 5 2 测试系统5 0 5 2 1v t c ld s p 信号采集分析系统5 1 5 2 2m e m s 加速度传感器5 1 5 3 操纵台振动试验研究5 3 5 3 1 加速过程振动试验5 3 5 3 2 等速振动试验。5 3 5 4 改进后的操纵台振动试验5 5 5 5 本章小结5 7 第六章操纵台振动试验评价体系的建立。5 8 6 1 6 2 6 3 6 4 第七章 7 1 7 2 致谢 参考文献 操纵台振动评价的目的5 8 操纵台振动相关标准与评价准则5 8 操纵台振动评价方法6 0 6 3 1 操纵台特性试验评价。6 1 6 3 2 操纵台实车试验评价6 3 本章小结6 6 总结与展望6 7 论文的研究结论6 7 不足与展望6 8 攻读硕士学位期间发表的论文 6 9 7 0 7 3 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着国民经济的快速发展，人们对铁路运输的质量和水平的要求越来越高。 2 0 0 7 年我国铁路开始实施第六次大提速，现阶段，铁路提速带来了巨大的经济效 益和社会效益，缓解了交通运输压力，满足了乘客对铁路运输能力和速度的要求。 然而，铁路提速也带来一些不良的影响，如机车在高速运行中的颤振以及振动对 车体、转向架和悬挂系统产生较大的破坏作用。提速列车的振动不仅严重影响旅 客乘车的舒适性，而且会导致车辆零部件松动或者过早产生疲劳破坏，进而给列 车带来安全隐患【1 , 2 1 。不仅如此，铁路提速对机车司机室环境条件也提出了巨大的 挑战，机车司机室是驾驶员获取信息并进行正确、安全驾驶机车的特定作业场所， 司机室环境的好坏直接影响驾驶员的身心健康、工作效率和操作的准确性。与驾 驶员直接相关的操纵台的振动显得尤为重要，特别对于现阶段批量生产的和谐号 内燃机车，由内燃机工作产生的动态激励通过车架传递到司机室，将会引起操纵 台的振动。机车操纵台是机车运行中各种状态监测仪器仪表和驾驶操纵装置的安 装总台，机车操纵台的振动不仅影响驾驶员的操纵正确性，舒适性，还会降低操 纵台各种辅助装置、仪器仪表、电气装置以及管路系统的工作可靠性，导致零部 件松动和疲劳破坏，严重的振动问题将会引起操纵台仪器仪表以及各种辅助装置 的振颤，影响驾驶员对机车运行状态以及紧急事件的正确观测，给机车运行带来 安全隐患。 国际上对人体承受振动的允许值，主要分为三个等级标准，第一级就是针对 乘坐飞机、车辆和船只的旅客，要求保持良好的舒适性。为了使我国现阶段生产 的和谐号内燃机车符合国际标准，必须高度重视我国高速列车的振动问题。铁路 行业标准1 1 汨3 1 6 4 2 0 0 7 对操纵台的振动状况进行了分类，以机械振动烈度作为 评价准则确定操纵台的振动质量级 3 1 。针对铁路提速带来的振动问题，国内各个机 务段就操纵台振动问题也对生产厂家提出了相关的要求。机车振动问题已经成为 厂家生产的一个瓶颈，机车操纵台的振动控制也显得越来越重要。 机车操纵台动态性能分析与减振研究 1 2 国内外研究现状 传统的操纵台上下两部分焊接为一体结构，然后通过螺栓与地板刚性连接。 内燃机作为动力装置，工作过程中产生的动态激励通过车架传递到司机室，进而 通过地板传递到操纵台，从而引起操纵台的剧烈振动，一方面影响驾驶员的正常 驾驶，另一方面降低了操纵台上设备的工作可靠性，造成过早的疲劳破坏。为了 解决操纵台的剧烈振动问题，国外机车操纵台普遍采用了被动隔振的方法，也就 是将操纵台上下两部分分离为操纵台与支架结构，支架通过螺栓与地板连接，而 操纵台与支架采用6 个橡胶隔振块隔离振动。由于橡胶隔振块的弹簧阻尼特性， 大大减小了地板振动通过支架向上的传递，操纵台振动得到了有效控制。参照国 外机车操纵台隔振的方法，国内机车操纵台也开始采用橡胶隔振块隔离振动。然 而橡胶隔振块的性能和匹配的好坏直接对操纵台的振动产生较大影响。橡胶隔振 块匹配不好可能会使系统固有频率落入外界干扰的激励频率范围内，引起系统的 共振，从而引起操纵台在低频范围内的剧烈振动。由于国内针对机车操纵台橡胶 悬置的匹配研究的不足，尽管采用了橡胶隔振块隔离振动，但仍然存在操纵台的 剧烈振动问题。因此橡胶悬置的匹配研究对于降低操纵台的振动，提供良好的机 车司机室环境意义重大。本文针对现阶段生产的i - i x s 5 ( 和谐号) 内燃机车使用的 操纵台进行研究。图1 1 为i - i x n 5 内燃机车，图1 2 为操纵台结构的三维模型图。 下面就操纵台、橡胶悬置和悬置系统分别叙述国内外研究现状。 2 图1 1h x s 5 内燃机车 f 遮1 1h x n 5d i e s e ll o c o m o t i v e 图1 2 操纵台结构三维模型 f i g1 2t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fc o n s o l e 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 操纵台 国内外单独研究操纵台振动的文献并不多，仅限于对操纵台振动的调查与测 试【4 】，用于考察司机室内的振动噪声环境，一般将操纵台列在司机室范围内对司机 室内的振动噪声环境进行统一研究。国外对司机室噪声和振动研究的最早文献是 1 9 7 8 年c l a r k , r m 对司机室内噪声标准的研究【5 】，而对司机室振动和噪声研究最 有代表的是a h m a d i a n ，m 1 6 - 8 l 。2 0 0 0 年a h m a d i a n ，m 研究了典型货运机车司机室 的振动特性以及各种结构修改对司机室内部噪声和振动的影响；2 0 0 1 年他又针对 机车司机室内部振动噪声隔离提出了一种可分离的柔性固定司机室实验模型；在 2 0 0 6 年的铁路年会上，从实际应用出发，他又提出司机室振动和噪声实验研究中 面临的问题：各种测试方案的有效性确定、测试效果的提高以及实验的执行等。 铁路运输作为我国最重要、高效的运输方式，对国民经济的建设起着巨大的 作用。现阶段，我国和谐号内燃机车处于国内机车厂家与国外机车公司合作设计 制造阶段，机车操纵台的结构设计仍属于经验设计、类比设计，并且停留在满足 静强度和刚度的规范准则上，实际运行中产生很多问题；对操纵台振动的研究也 还主要建立在测试、分析及实际应用的基础之上，根据测试结果提出改进措施【9 1 1 1 。 现阶段批量生产的h x n 5 内燃机车是中国南车戚墅堰机车有限公司与美国通用 电气( g e ) 公司合作研发生产的目前我国功率最大的交流传动内燃机车。由 于对减振技术的研究存在不足，分析手段欠缺，h x n 5 内燃机车振动问题不断，像 司机室操纵台的振动，柴油发电机组风道的振动造成结构件的疲劳破坏等，严重 影响了机车的正常运行，成为制约机车生产的瓶颈。目前，相对于只满足静强度 和刚度的要求，国内外针对结构设计和结构振动问题的研究广泛采用动态设计的 方法，动态设计充分体现了机械系统的实际动态特性，系统地反映了振动和响应 的全过程，已经成为现代设计方法发展的必然趋势。随着计算机技术的大力发展， 基于虚拟环境的结构动态设计得到广泛发展，而基于有限元分析方法的结构动态 分析更是被广泛应用于各个行业的机械结构分析中，像有限元分析软件 n a s t r a n 、a n s y s 的问世以及近年来l m s 推出的v i r t u a l l a b 软件等，使得机械 系统的分析精度得到很大提高，建立的模型更加准确【1 2 1 。近年来多体系统动力学 不断发展与完善，出现了相应的一些大型的、通用的多体动力学分析软件，如 a d a m s 、d a d s 、m e d y n a 、v i r t u a l l a bm o t i o n 等。这些软件广泛应用于汽车悬 架系统、整车n v h 特性、安全性和轻量化等分析中。对于铁路机车及其设备而言， 3 机车操纵台动态性能分析与减振研究 运用数字化技术进行动力学性能的仿真，并优化相关参数，将会大大减小产品开 发的风险。因此在操纵台设计研究中参考这些理论方法将是十分有益的。 近年来，比利时l m s 公司推出的v i r t u a l l a b 软件为产品设计提供了多属性的 开发平台，在此平台上可以进行结构动力学建模与分析、系统级振动噪声、多体 动力学和声学等多属性的仿真设计与优化。l m sv i r t u a l l a bm o t i o n 能够快速利用 c a d 和有限元模型创建和改进多体模型，并快速评价多种设计方案的性能。同时 l m sv i r t u a l l a b 将试验与仿真的优点相结合，实现了混合仿真，通过试验载荷的 引入与验证提高了仿真分析的速度和精度。 1 2 2 橡胶悬置 随着社会科技的发展和人们对驾乘舒适度要求的提高，减振降噪问题得到人 们的普遍关注。为了提高舒适性和减少振动对结构的疲劳损害，人们使用橡胶来 隔离振动，上世纪二十年代初，人们开始使用橡胶垫来降低发动机的振动【1 3 1 ，后 期，通过将橡胶硫化到金属骨架上，各种各样的橡胶悬置元件被设计出来。从二 十世纪三十年代起，橡胶悬置开始得到普遍的应用，这是因为橡胶元件具有良好 的弹性和天然内阻尼，同时橡胶件的形状不受限制，各方向的刚度可以在一定范 围内自由选择，具有空间弹簧特性，能承受多个方向的载荷。橡胶元件利用内摩 擦产生的阻尼，能较好的吸收振动和冲击能量，兼有弹簧和阻尼两种作用，而且 橡胶容易与金属牢固的粘结在一起，大大简化了固定和支承结构，使悬置的整体 质量降低，由于其结构工艺简单，价格低廉，特别适合批量生产，且使用维修方 便。 早期的操纵台与支架通过螺栓刚性连接，支架的振动将不可避免地传递到操 纵台上，影响驾驶员的操纵舒适性。为了隔离振动，国外开始使用橡胶材料作为 操纵台悬置，例如美国通用电气公司( g e ) 研发生产的操纵台普遍采用橡胶隔振 块隔离地板振动通过支架向上的传递，大大降低了操纵台的振动。通过与国外机 车公司的合作，国内机车在类比设计的同时也开始采用橡胶隔振块隔离振动，中 国南车戚墅堰机车有限公司生产的操纵台已开始应用橡胶隔振块。操纵台常用 的橡胶悬置一般是由上下两个金属骨架，中间夹一层橡胶组成的。两个金属骨架 通过螺栓与操纵台和支架相连，以起到固定悬置和防止橡胶产生过大变形的作用。 由于天然橡胶的抗张强度、拉裂强度等机械强度的耐久性能好，常温下弹力下降 4 江苏大学硕士学位论文 小，且价格低廉，操纵台悬置主要使用这类橡胶材料。 由于橡胶本身的特性决定了其动刚度和阻尼滞后角随频率呈线性变化，不能 满足各种工况对悬置元件的使用要求，因此随着汽车技术的大力发展，人们已经 不再仅局限于橡胶悬置的研究，一种性能更优的液压悬置得到很大的发展。它是 将液压减振结构与橡胶悬置结合到一起， 目前国外对悬置元件进行了普遍的研究， 著名汽车生产商以及美国俄亥俄州大学、 以获得比橡胶悬置更优的减振降噪效果。 美国通用公司、德国奔驰、大众公司等 西北大学、北达科他州大学等科研单位 都在从事悬置元件的设计与开发。国内悬置研究起步较晚，主要建立在引进吸收 国外研究的基础上，特别在机车振动控制方面仍主要针对橡胶悬置进行研究，上 海交通大学、中南大学、西南交通大学等高校对机车橡胶减振器开展了一系列研 究【搏1 6 1 。上海交通大学对轨道与道床之间的减振橡胶垫进行了动态性能实验研究； 株洲时代新材料科技股份有限公司开发了一种国外用机车缓冲器，并同中南大学 共同进行了实验与性能测试研究；西南交通大学对机车车辆中常用橡胶件的有限 元分析进行了详细的研究。 1 2 3 悬置系统 关于悬置系统的减振研究，国内外发展日益完善，应用也越来越多。特别是 在悬架系统、驾驶室悬置和发动机悬置这些领域，国内外研究较多，理论也相当 成熟。操纵台悬置系统的设计与研究有必要参考这些理论方法。悬架系统的研究 进行的比较早，研究内容已经从被动悬架过渡到半主动悬架和主动悬架。驾驶室 悬置和发动机悬置的研究也日益增多，且技术相当成熟。二十世纪五十年代，a n o n h o r i s o n 和h o r i v i t z 提出六自由度解耦理论和解耦的计算方法，他们的理论比较成 熟，推动了今后的研究。s c h m i t 和c h a r l e s 通过实验研究表明，悬置系统的固有振 动特性主要取决于悬置刚度，且振动幅度与悬置阻尼的大小有判1 7 1 。j o h n s o n 用数 学优化的手段进行了发动机悬置系统的设计，使系统各平动自由度之间的振动耦 合大为减小，同时保证了系统的固有频率【1 8 】。曾令贤、刘斌等研究了基于m a t l a b 的发动机悬置系统固有频率和主振型的计算【1 9 刎。二汽的上官文斌等对发动机悬 置建立优化模型，以系统固有频率为目标函数，以系统解耦、一阶弯曲模态节点 等为约束进行了优化计算，此方法在工程上具有很大的实用价值【2 1 1 。从2 0 0 1 年起 一汽技术中心一直致力于驾驶室悬置系统的开发与研究，通过与吉林大学合作， 5 机车操纵台动态性能分析与减振研究 结合产品开发，在a d a m s 软件中建立驾驶室悬置系统的虚拟样机模型，并对模 型进行了验证，在此基础上通过d o e 分析，对悬置参数进行了优化 2 2 1 。同时武 汉理工大学也进行着驾驶室悬置系统的研究与产品开发工作，他们利用a d a m s 软件，对原车驾驶室悬置系统和底盘主悬架系统进行了参数匹配与改进设计，指 出对驾驶室悬置系统与主悬架系统进行整体参数优化时，优化效果更加显著【2 3 1 。 在悬置系统研究与设计中，多体系统动力学理论的应用十分成熟，如利用a d a m s 软件建立系统模型，进行悬置参数的设计与优化，另外m a t l a b 软件在系统建模 以及优化仿真中也具有强大的功能。综合运用各种方法理论的优点进行悬置系统 的研究与优化是十分重要的，因此，采用多体动力学软件与有限元分析、模态分 析、优化设计等软件相结合形成一个研发体系，在悬置系统设计研究中将发挥重 要作用。 在悬置系统中，各个方向的振动耦合比较严重，悬置系统的解耦显得尤为重 要。传统的解耦方法是以悬置系统的中心主惯性轴为坐标系来布置弹性元件，消 除惯性耦合；使弹性支承的弹性中心位于悬置系统的主惯性轴上或重心处，消除 弹性耦合。由于悬置系统的支承布置常常受到结构的限制，使得系统不能满足解 耦的条件，故悬置系统经常存在某些振动模态的耦合，从而导致隔振效果下降。 能量解耦法可以有效优化系统动态特性，可以在原坐标系上对悬置系统进行解耦 设计，而且只对悬置系统进行自由振动分析求得刚体模态参数，一定程度上脱离 了悬置系统布置形式的约束，具有普遍的适用性。 随着国外技术的引进，我国机车操纵台普遍采用了橡胶悬置来隔离振动，然 而悬置系统的匹配将直接影响操纵台的振动状况。虽然悬置系统研究在驾驶室悬 置和发动机悬置等汽车领域已经相当成熟，但是机车操纵台悬置系统的研究仍然 处于起步阶段。目前，我国机车操纵台仅限于结构强度的设计，对振动的预测与 研究不足，仍然以使用盲目调整的方法解决振动问题为主。针对国内机车操纵台 出现的异常振动状况，厂家采用加固振动部位以及盲目的采用刚度较大的橡胶悬 置来抑制操纵台的振动。这些方法并不是建立在科学研究的基础之上，具有很大 的盲目性，可靠性差。因此操纵台悬置系统匹配的研究对机车操纵台的振动控制 至关重要，将悬置系统优化研究的方法引入到机车领域意义重大。 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 本文课题来源与主要研究内容 本文研究的课题来源于南车集团戚墅堰机车车辆厂。南车集团戚墅堰机车有 限公司在铁道部的组织协调下，负责生产我国新一代主型内燃机车，也就是h x n 5 内燃机车。该机车操纵台在发动机运行时出现较大幅度的振动，造成操纵台上各 种设备的疲劳破坏，而且操纵台的振动引起各个仪表( 如转速表、压力表等) 的 振颤，严重影响驾驶员对机车运行状态的观测。同时由于操纵台采用橡胶隔振块 隔离振动，操纵台的剧烈振动也使得橡胶隔振块出现过早的断裂破坏，操纵台出 现振动干涉产生异响等，影响驾驶员的正常工作。为了使得新一代内燃机车满足 各个机务段对振动的要求，并尽快交车，操纵台振动问题不容忽视。因此本课题 针对h x n 5 内燃机车，展开对操纵台的分析研究。 鉴于我国内燃机车操纵台振动控制研究方法的不足，本文在借鉴悬置系统振 动研究的基础上，采用能量解耦与固有频率匹配结合的方法对操纵台悬置系统进 行优化，同时考虑到悬置安装位置的振动对操纵台振动的影响，运用多体系统动 力学和有限元分析理论对操纵台和支架分别进行动态性能分析，而操纵台的动力 学仿真分析以悬置支撑处响应力和质心加速度作为评价指标综合评价操纵台的振 动。 本文主要研究内容有： ( 1 ) 对机车操纵台振动的激励源进行分析，建立操纵台悬置系统模型，并对 悬置系统隔振机理进行了分析研究； ( 2 ) 根据操纵台悬置系统的基本参数，对操纵台悬置系统进行隔振性能分析， 采用能量解耦和固有频率匹配的方法进行悬置参数的优化研究； ( 3 ) 运用l m s 公司的v i r t u a l l a b 软件，在试验数据支持下建立操纵台的多 体动力学模型，对操纵台进行动力学响应分析，以悬置支撑处响应力和质心加速 度作为评价指标将优化前后操纵台的振动状况进行对比。采用有限元分析方法对 支架进行动态性能分析，改进结构降低支架上悬置安装位置的响应； ( 4 ) 针对实际中机车操纵台的优化方案，利用自行设计的m e m s 加速度传 感器对操纵台进行试验测试，验证优化方案的有效性和合理性； ( 5 ) 建立机车操纵台试验测试评价体系，对操纵台的振动状况作出性能评价。 7 机车操纵台动态性能分析与减振研究 第二章操纵台悬置系统振动分析与隔振机理 2 1 机车操纵台振动激励源分析 操纵台的振动来源主要包括两个方面：一个是轮轨冲击激励，另一个是工作 的发动机激励。本文暂不考虑轮轨冲击激励对操纵台的振动影响，仅就发动机激 励作用下的操纵台振动进行研究，所以需要对发动机激励进行分析。发动机存在 的主要激励力源有： ( 1 ) 曲柄连杆机构不平衡的回转运动质量产生的的离心惯性力和力矩( 一 次) ； ( 2 ) 曲柄连杆机构不平衡的往复运动质量产生的的往复惯性力和力矩( 一次、 二次) ； ( 3 ) 由气体压力和往复惯性力产生的简谐扭矩( 次数为发动机气缸数除以2 及其整数倍) ； ( 4 ) 个别气缸不发火或爆发压力不均匀( 1 2 次及其整数倍) ( 5 ) 机身刚性不足导致内力矩输出引起。 对操纵台振动来说，前两项是重点关注的激励源。耿n 5 内燃机车采用v 型 1 6 缸发动机，可以看成为两台单列8 缸机的组合，按照单列式内燃机的平衡分析 方法求出各个激励力源，然后再求出整台v 型发动机的合成力源。按此种方法对 机车发动机激励源进行分析，其合成离心惯性力和力矩以及合成往复惯性力和力 矩都为零，也就是v 型1 6 缸发动机的离心惯性力和往复惯性力在理论上都已得到 平衡【2 4 1 。 以上研究是建立在曲柄连杆机构参数都“均衡”、“稳态 基础上，认为内燃 机各曲柄连杆的质量，几何参数完全相同，运用中不会发生变化，但这并不完全 符合内燃机的实际情况，因为制造过程中各机构质量、几何尺寸不可能完全相同， 运用过程中这些参数也会发生变化，因此机构参数偏差的影响不可忽视。虽然在 加工和装配过程中规定了严格的公差，各曲柄连杆机构的质量和几何参数相对于 设计值仍存在一定偏差；运用过程中，这些偏差更趋于扩大。因此，内燃机的实 际惯性力与按均衡、稳态参数假设计算得到的数值有相当大的差异。为说明此问 题，表2 1 给出了某1 6 v 2 4 0 柴油机考虑与不考虑各缸往复质量偏差、旋转质量偏 8 江苏大学硕士学位论文 差和曲柄角度偏差时，惯性力和力矩计算结果的对比。由表可以看出：由于参数 存在偏差，一方面，低阶惯性力不再相互抵消，内燃机的往复惯性力有明显增大。 另一方面，往复惯性力的频率成分也发生变化，出现一、二阶等低阶成分，这种 情况常被忽略。往复惯性力矩也有类似的情况。此外内燃机转速波动，曲轴扭转 振动等对惯性力和力矩的影响也不容忽视，这里不再赘述。 表2 1 误差影响下往复惯性力和力矩的简谐分析 t a b l e2 1h a r m o n i ca n a l y s i so fr e c i p r o c a t i n gi n e r t