CN111914356A - 减振支撑装置、轨道车辆及列车地板区域隔振设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减振支撑装置、轨道车辆及列车地板区域隔振设计方法，属于列车技术领域。减振支撑装置包括支撑座和设置在支撑座上的弹性件；其中，支撑座内设减振空腔，减振空腔内填充有阻尼颗粒；还包括层叠设置于支撑座上方或下方的支撑板，弹性件限位于支撑板和支撑座之间。轨道车辆包括车体和设置在车体上方的地板，地板通过的减振支撑装置与车体连接。本发明还提供了一种列车地板区域隔振设计方法。本发明提供的减振支撑装置、轨道车辆及列车地板区域隔振设计方法，减振降噪效果显著。

Description

减振支撑装置、轨道车辆及列车地板区域隔振设计方法

技术领域

本发明属于列车技术领域，更具体地说，是涉及一种减振支撑装置、轨道车辆及列车地板区域隔振设计方法。

背景技术

列车振动噪声主要由轮轨相对运动、牵引***工作、车上人员活动、空气阻力等因素引起，可以说振动噪声无处不在。为了提升车内的舒适度指标，轨道车辆制造商采取了多种多样的措施，如优化转向架悬挂参数、关键部位喷涂阻尼浆、添加吸声材料层等等，也取得了一定的成效。但限于现有安装结构、材料和成本等因素的局限，难以取得更进一步的成效。可见，对城轨车辆、动车组及可预见的未来更高时速车型来说，现有的隔振技术手段远远不能满足城轨车辆、动车组及可预见的未来更高时速车型的减振降噪需求。

目前，轨道车辆用减振支撑装置主要有两种：一种是木骨与泡沫垫组合而成的减振支撑结构；另一种是金属支撑与橡胶垫组合而成的减振支撑结构。第一种减振支撑装置有以下不足：1)隔振效果差，隔音性能弱，尤其是对于高频振动抑制能力差，引起的振动和高频噪声会对车内舒适的环境造成破坏；2)结构强度差，木骨易磨损，不利于长期使用。第二减振支撑装置刚度大，低频隔振效果差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种减振支撑装置、轨道车辆及列车地板区域隔振设计方法，旨在解决目前的减振支撑装置隔振效果不佳的技术问题。

一方面，提供了一种减振支撑装置，包括支撑座和设置在所述支撑座上的弹性件；其中，所述支撑座内设减振空腔，所述减振空腔内填充有阻尼颗粒。

进一步地，还包括层叠设置于所述支撑座上方或下方的支撑板，所述弹性件限位于所述支撑板和所述支撑座之间。

进一步地，所述弹性件设有两个且分设于所述支撑板的两端，所述支撑座具有两个相对设置的倾斜面，两个所述倾斜面呈八字型设置，所述支撑板的两端分别设置有朝向相应所述倾斜面倾斜的边板，各个所述边板通过相应所述弹性件与相应所述倾斜面连接。

进一步地，各个所述弹性件上均具有用于支撑相应所述边板与所述支撑板连接处的拐角支撑部。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，大量节省了木质和金属材料，成本低廉，且减振降噪效果更加显著，同时可耐高温等恶劣环境、适用振动频域广，为通用型减振装置，能够广泛的应用于列车车辆的各部位。使用本发明提供的减振支撑装置可有效提升车辆内部的隔振性能与隔音指标，对于车辆的乘坐舒适度指标大有裨益。这既是对车辆品质的提升，也是对乘客出行质量的保障，对于轨道交通行业的发展具有促进作用。

另一方面，提供了一种轨道车辆，包括车体和设置在所述车体上方的地板，所述地板通过所述的减振支撑装置与所述车体连接。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，在车体和地板之间加设了上述减振支撑装置，实现了地板减振，提升了车辆内部的隔振性能与隔音指标，对于车辆的乘坐舒适度指标大有裨益。

另一方面，提供了一种列车地板区域隔振设计方法，包括以下步骤：

确定所述的减振支撑装置安装区域，及设计优化目标值；

获取减振支撑装置安装区域的振动频率和振动幅值；

根据获取的振动频率、振动幅值以及设计优化目标值，计算所述弹性件的刚度值和所述阻尼颗粒的材质、填充率、颗粒大小、减振空腔的尺寸。

进一步地，所述弹性件的刚度值计算方法为：

其中，f₁为减振支撑装置安装区域的振动频率，m为减振支撑装置支撑载荷，k为所述弹性件的刚度值。

进一步地，所述阻尼颗粒的材质、填充率、颗粒大小、减振空腔的尺寸的计算方法为：

其中，W_T为摩擦耗能及设计目标，

h_i＝i*d_p，

ρ为颗粒密度，φ为颗粒填充率，u_p为阻尼颗粒400层间摩擦系数，u_s为阻尼颗粒400与支撑座壁间的摩擦系数，d_p颗粒直径，K为Janssen系数、取0.7，L、W、H分别为减振空腔的长度、宽度、高度。

进一步地，所述确定减振支撑装置安装区域步骤包括以下步骤：

采集列车地板铝型材振动信号，通过振动变形分析，选取振动变形量大于阀值的，作为减振支撑装置的安装位置。

进一步地，所述确定设计优化目标值步骤包括以下步骤：

对地板不同区域进行振动舒适度等级评定，选取振动舒适度等级大于阀值的区域作为故障区域；

对所述故障区域优化余量进行评估，确定优化设计目标值。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，采用了上述减振支撑装置，减振性能明显提高，具备较高工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的减振支撑装置的竖向剖面结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的减振支撑装置的竖向剖面结构示意图；

图3为舒适度等级评定流程示意图；

图4为故障分析流程示意图；

图5为减振支撑装置设计流程示意图；

图6为列车地板区域隔振设计流程示意图；

图7为实车转向架上方地板区域振动频谱曲线。

图中：100、隔振基础；200、防振物体；300、支撑座；400、阻尼颗粒；500、支撑板；600、弹性件；700、边板。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明实施例提供的减振支撑装置进行说明。减振支撑装置，用于连接隔振基础100和防振物体200，包括支撑座300和设置在支撑座300上的弹性件600。支撑座300内设减振空腔，减振空腔内填充有阻尼颗粒400。

使用时，将减振支撑装置安装于隔振基础100和防振物体200之间。具体的，可将支撑座300安装于隔振基础100上，将弹性件600安装于防振物体200上，用于阻隔隔振基础100向防振物体200传递振动能；也可将弹性件600安装于隔振基础100上，将支撑座300安装于防振物体200上，用于阻隔隔振基础100向防振物体200传递振动能。

本实施例提供的减振支撑装置是在传统橡胶减振支撑装置的基础上，在支撑座300内设置了减振空腔，并在减振空腔内填充了阻尼颗粒400，使得隔振基础100通过减振支撑装置向防振物体200传递振动能时，减振支撑装置中的阻尼颗粒400可通过颗粒间的摩擦和非弹性碰撞迅速将振动能耗散，从而达到抑制防振物体200振动的目的。

本发明提供的减振支撑装置由弹性件600与阻尼颗粒400配合减振，结构简单高效，经久耐用。其中，弹性件600作为缓冲层具有减振作用，可采用橡胶等材料制成，成本低廉，对高频振动隔振效果好；阻尼颗粒400填充于减振空腔内，利用阻尼颗粒400之间的碰撞和摩擦吸能机理，起到能量耗散的作用，能够有效减低冲击与低频振动，同时可通过调整阻尼颗粒400和颗粒的填充率，对特定频率的振动进行重点控制。

本发明提供的减振支撑装置相比传统的车辆减振支撑装置大量节省了木质和金属材料，成本低廉，且减振降噪效果更加显著，同时可耐高温等恶劣环境、适用振动频域广，为通用型减振装置，能够广泛的应用于列车车辆的各部位。使用本发明提供的减振支撑装置可有效提升车辆内部的隔振性能与隔音指标，对于车辆的乘坐舒适度指标大有裨益。这既是对车辆品质的提升，也是对乘客出行质量的保障，对于轨道交通行业的发展具有促进作用。

为保证减振支撑装置与防振物体200的稳定连接，在上述实施例的基础上，加设了支撑板500，支撑板500层叠于支撑座300的上方或下方。弹性件600则限位于支撑板500和支撑座300之间。这样安装时可避免弹性件600直接与隔振基础100或防振物体200接触，进而保证了减振支撑装置与隔振基础100和防振物体200的稳定连接。同时弹性件600取材方便，且便于裁剪，使用时可根据隔振基础100和防振物体200之间的间距和空间形状裁剪弹性件600的形状，进而实现支撑板500和支撑座300的连接。

另外，支撑座300和支撑板500均可采用金属材质制成，以保证减振支撑装置的耐久度和稳定性。

请参阅图2，作为本发明提供的减振支撑装置的一种具体实施方式，弹性件600设有两个且分设于支撑板500的两端，支撑座300具有两个相对设置的倾斜面，两个倾斜面呈八字型设置，支撑板500的两端分别设置有朝向相应倾斜面倾斜的边板700，各个边板700通过相应弹性件600与相应倾斜面连接。

本实施例中弹性件600设有两个且间隔设置，既保证了减振效果，又降低了弹性件600的使用量。另外，弹性件600设置在倾斜面上还使得竖向传递的振动能可向两侧传递，进而降低了防振物体200竖向振动频率及幅值，进一步提高了减振效果。

为增大弹性件600与支撑板500的接触面积，保证减振支撑装置整体结构的稳定性，在上述弹性件600上加设了用于支撑相应边板700与支撑板500连接处的拐角支撑部。

具体的，上述减振支撑装置满足如下振动方程：

式中，M_e为振动***质量；C_e为***阻尼；K_e为***刚度；X为振动位移；F为***所受外力。

颗粒间由于碰撞和摩擦作用，颗粒受到法向接触作用力F_n和切向摩擦力

满足如下方程：

F_n＝K_n*δ_n+C_n*V_n21 (2)

式中，K_n为颗粒碰撞接触的法向刚度系数；C_n为碰撞***阻尼；V_n21为颗粒碰撞速度；δ_n为颗粒间碰撞叠合量。

式中，

为上一时步接触的切向作用力；K_s为接触的切向刚度系数；Δu_s为接触点的切向相对位移；Δt为计算时步。

依据以上振动理论公式，以振动***所受外力最小，颗粒间法向接触力和切向摩擦力最大为设计目标，优化减振支撑装置刚度阻尼参数，具体包括颗粒大小、颗粒材质、颗粒空腔填充率、减振空腔的长宽高等参数。

本发明实施例还提供一种轨道车辆。请参阅图2，轨道车辆包括车体和设置在车体上方的地板，地板通过减振支撑装置与车体连接。

使用时，将支撑座300安装于车体上，将弹性件600安装于地板底部。

本发明实施例提供的轨道车辆，在车体和地板之间加设了上述减振支撑装置，实现了地板减振，提升了车辆内部的隔振性能与隔音指标，对于车辆的乘坐舒适度指标大有裨益。

除此之外，本发明实施例还提供一种列车地板区域隔振设计方法，请参阅图3至图7，包括以下步骤：

确定减振支撑装置安装区域，及设计优化目标值；

获取减振支撑装置安装区域的振动频率和振动幅值；

根据获取的振动频率、振动幅值以及设计优化目标值，计算弹性件600的刚度值和阻尼颗粒400的材质、填充率、颗粒大小、减振空腔的尺寸。

上述确定减振支撑装置安装区域，及设计优化目标值步骤，可通过以下步骤实现：

(1)振动舒适度等级评定

振动舒适度等级评定主要包括两种评定方式，分别为主观评定和客观评定。主观评定：主要通过选取若干名乘客(样本量尽可能多，尽可能覆盖不同年龄段，不同职业，性别比例1:1)，通过实车体验，采用调查问卷的形式，进行主观评定。主观评定调查问卷见表1所示。将所有样本的调查结果取算术平均值，得到最终的主观评价舒适度等级，当评价结果舒适度等级大于3级时，需要对该区域进行减振支撑装置隔振设计。

表1振动舒适度调查问卷(主观评定)

客观评定：依据标准UIC513《欧洲铁路标准-铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》，在评价位置安装振动加速度传感器，测定振动加速度值，按照UIC513标准进行数据处理，可以计算出振动舒适度等级评定值N，所用舒适度等级评定值N的计算见公式(4)：

式中：

为评估点处水平方向(X、Y向)的振动加速度值，

为评估点处垂直方向(Z向)的振动加速度值。

评定值N对应的舒适度等级见表2。当评定值N值大于等于4时，需要对该区域进行减振支撑装置隔振设计。

表2客观评定值对应舒适度等级表

舒适度等级	舒适度评定值N	描述语	客观结果N
				1级	N＜1	非常舒适
2级	1≤N＜2	舒适
				3级	2≤N＜4	还算舒适
4级	4≤N＜5	不舒适
				5级	N≥5	非常不舒适

(2)故障分析

针对振动舒适度超标区域进行测试分析，主要获取故障区域运行时的振动舒适度评价值，振动位移变形，振动频率，振动加速度幅值等信息。通过舒适度评价值N，对故障区域优化余量进行评估，确定优化设计目标值。由上面公式(4)可知，N值由评估点处X、Y、Z三个方向的振动加速度值决定，其中垂直方向(Z向)影响最大，减振支撑主要衰减垂直方向的振动加速度。保持X、Y向加速度值不变，减小Z向加速度值，使N值减小至1≤N＜3，由此，可确定Z向加速度值的范围，作为设计优化目标值。

在车体地板铝型材上采集振动信号，通过振动变形分析(模态分析)，选取振动变形量大的区域，作为减振支撑装置的安装位置。

确定减振支撑装置安装区域的方式可不局限于上述方法，只要能确定振动超标的位置即可。优化目标值也可根据实际需要设定，不局限于上述设定方式。

获取减振支撑装置安装区域的振动频率和振动幅值的方式，以及根据获取的振动频率、振动幅值以及设计优化目标值，计算弹性件600的刚度值和阻尼颗粒400的材质、填充率、颗粒大小、减振空腔的尺寸的方法具体可采用以下步骤：

由上述故障分析中获得的车体地板铝型材的振动信号，通过FFT变换，获得振动频率f，根据隔振理论，减振支撑的隔振频率f₁应满足

然后在simpack仿真软件中建立力学模型，输入减振支撑上方的总载荷M和质心位置以及各个减振支撑的位置坐标参数，通过静力平衡分析，可计算出单个减振支撑装置的支撑载荷m，由隔振频率f₁，以及减振支撑装置支撑载荷m，根据公式

可确定减振支撑装置橡胶件的刚度值k；

根据减振支撑装置的结构形式，颗粒阻尼填充在减振空腔中，当颗粒阻尼填充率在80％以上时，在振动环境中，颗粒整体在支撑座300内的分布，会出现从疏到密，再从密到疏的循环状态，颗粒之间相对速度较小，因此，颗粒间的碰撞耗能可以忽略，主要为颗粒间的摩擦耗能，颗粒整体振动在一个周期(从疏到密，从密到疏)内的摩擦耗能W_T,可根据公式(5)计算：

其中，

h_i＝i*d_p，

式中，ρ为颗粒密度，φ为颗粒填充率，u_p为阻尼颗粒400间摩擦系数，u_s为阻尼颗粒400与支撑座300间的摩擦系数，d_p为阻尼颗粒400的直径，K为Janssen系数、取0.7，L、W、H分别为减振空腔的长度、宽度、高度。以阻尼颗粒400的摩擦耗能W_T最大为设计目标，颗粒密度ρ，填充率φ，颗粒大小d_p，减振空腔的长度、宽度、高度L、W、H作为设计变量，阻尼颗粒400的材质可选用铅、钢、锌、镍合金等，填充率可选用80％、85％、90％或95％，阻尼颗粒400的直径可选取1mm、2mm或3mm减振空腔的长度、宽度、高度可根据减振支撑装置的尺寸适当调整，将多个设计变量自由组合，计算摩擦耗能W_T，W_T最大时设计变量的组合方式为最佳，最终确定出颗粒材质、填充率、颗粒大小、减振空腔的长宽高。

最后，在ANSYS中建立离散元和有限元混合模型，在车体铝型材区域施加振动载荷，将上述确定的减振支撑的橡胶刚度、颗粒大小、颗粒材质、减振空腔尺寸输入模型中，分析计算减振支撑上方地板的振动响应加速度值，可求得舒适度评价值N，验证采用上述计算结果设计出的隔振方案是否能够达到设计优化目标值。

除此之外，还可通过实车评估的方式进行结果验证。根据实车结构，设计减振支撑装置安装位置接口，将减振支撑装置安装在现车上。在实际线路运行条件下，测试地板区域的振动响应，按照步骤(1)舒适度等级评定流程，评估该减振支撑装置的减振性能。之后根据实车隔振效果，进一步优化隔振设计方案。

为便于理解，这里给出了一个具体的实施例来对本发明提供的列车地板区域隔振设计方法进行说明。

以车体转向架上方地板区域为减振控制区域，说明该减振支撑装置的隔振设计方法及应用。此时，隔振基础100为车体转向架，防振物体200为地板。

(1)减振支撑装置安装位置选取

通过故障区域测试分析，获取转向架上方地板区域振动响应信号，分析得出振动加速度频谱曲线如图7所示。从频谱曲线可知，该区域的振动能量主要集中在40-60Hz之间，在55Hz处振动加速度幅值最大。因此，减振支撑装置设计时减振控制频段在40-60Hz范围内。

通过测试，得到振动变形最大的区域在转向架上方地板的中部区域。因此，减振支撑装置应当安装在振动变形最大处，考虑结构空间和支撑载荷，减振支撑装置的安装位置为地板中部变形最大的区域。

(2)减振支撑装置参数设计

根据该区域振动能量主要集中在40-60Hz，并结合车体一阶垂向弯曲频率在10-11Hz处，根据隔振理论，取减振支撑装置隔振频率20Hz为设计值，根据减振支撑装置支撑载荷，静态位移量控制，根据如下公式

确定减振支撑装置的橡胶刚度。

仿真计算阻尼颗粒400密度、颗粒大小、颗粒填充率、颗粒表面摩擦因子、颗粒表面恢复系数等参数，对颗粒间撞击力和摩擦力(撞击摩擦耗散能)的影响。通过多参数优化，最终确定阻尼颗粒400密度、颗粒大小、颗粒填充率、减振空腔的尺寸、颗粒表面摩擦因子、颗粒表面恢复系数等参数。

(3)实车应用

本发明的具体实现结构形式之一如图2所示，减振支撑装置用于地板***作为弹性支撑。支撑座300与作为隔振基础100的车体直接连接，在支撑座300内部注入阻尼颗粒400，形成阻尼耗散层。在支撑座300与支撑板500之间添加一层弹性件600作为减振层，支撑板500与地板直接连接。通过实车测试，与现有减振支撑装置相比，振动衰减率提高30％以上,主要在40-60Hz频率范围，振动幅值明显下降，与前期的频率控制目标区域相吻合，本发明提供的减振支撑装置较现有减振支撑，减振性能明显提高。表明本发明提供的列车地板区域隔振设计方法合理、有效、适用，具备较高工程应用价值。

本发明提供的列车地板区域隔振设计方法，是基于轨道车辆地板区域减振设计开发，也可应用于车辆的其他区域(如空调机组下方)，具备通用性。采用本发明提供的列车地板区域隔振设计方法,可保证控制区域减振性能明显提高，满足车辆振动舒适度指标要求。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.减振支撑装置，其特征在于：包括支撑座和设置在所述支撑座上的弹性件；其中，所述支撑座内设减振空腔，所述减振空腔内填充有阻尼颗粒。

2.如权利要求1所述的减振支撑装置，其特征在于，还包括层叠设置于所述支撑座上方或下方的支撑板，所述弹性件限位于所述支撑板和所述支撑座之间。

3.如权利要求2所述的减振支撑装置，其特征在于：所述弹性件设有两个且分设于所述支撑板的两端，所述支撑座具有两个相对设置的倾斜面，两个所述倾斜面呈八字型设置，所述支撑板的两端分别设置有朝向相应所述倾斜面倾斜的边板，各个所述边板通过相应所述弹性件与相应所述倾斜面连接。

4.如权利要求3所述的减振支撑装置，其特征在于：各个所述弹性件上均具有用于支撑相应所述边板与所述支撑板连接处的拐角支撑部。

5.轨道车辆，包括车体和设置在所述车体上方的地板，其特征在于：所述地板通过权利要求1-4任一项所述的减振支撑装置与所述车体连接。

6.列车地板区域隔振设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定权利要求1-4任一项所述的减振支撑装置安装区域，及设计优化目标值；

获取减振支撑装置安装区域的振动频率和振动幅值；

根据获取的振动频率、振动幅值以及设计优化目标值，计算所述弹性件的刚度值和所述阻尼颗粒的材质、填充率、颗粒大小、减振空腔的尺寸。

7.如权利要求6所述的列车地板区域隔振设计方法，其特征在于，所述弹性件的刚度值计算方法为：

其中，f₁为减振支撑装置安装区域的振动频率，m为减振支撑装置支撑载荷，k为所述弹性件的刚度值。

8.如权利要求6所述的列车地板区域隔振设计方法，其特征在于，所述阻尼颗粒的材质、填充率、颗粒大小、减振空腔的尺寸的计算方法为：

其中，W_T为摩擦耗能及设计目标，

h_i＝i*d_p，

ρ为颗粒密度，φ为颗粒填充率，u_p为阻尼颗粒400层间摩擦系数，u_s为阻尼颗粒400与支撑座壁间的摩擦系数，d_p颗粒直径，K为Janssen系数、取0.7，L、W、H分别为减振空腔的长度、宽度、高度。

9.如权利要求6所述的列车地板区域隔振设计方法，其特征在于，所述确定减振支撑装置安装区域步骤包括以下步骤：

采集列车地板铝型材振动信号，通过振动变形分析，选取振动变形量大于阀值的，作为减振支撑装置的安装位置。

10.如权利要求6所述的列车地板区域隔振设计方法，其特征在于，所述确定设计优化目标值步骤包括以下步骤：

对地板不同区域进行振动舒适度等级评定，选取振动舒适度等级大于阀值的区域作为故障区域；

对所述故障区域优化余量进行评估，确定优化设计目标值。

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