某地鐵車輛空壓機橡膠減振器的設計及試驗研究

趙 天,于 磊,樊令舉,劉志國,宋紅光,姜 凌

(1.青島博銳智遠減振科技有限公司,山東 青島 266031;2.中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

制動空壓機是安裝在地鐵車輛車體底部的重要系統設備,若懸吊方式不當,其啟動時會造成車體地板的異常振動、影響乘客舒適度及車輛運行品質。國內外相關研究機構針對車下設備(包括制動空壓機、牽引變流器、變壓器、充電機、通風機、電池箱等)的吊點布置、懸掛方式等做了大量的研究工作[1-3],認為彈性懸掛方式在某個頻率范圍內能夠降低車體的彈性振動,是車下設備懸吊的最優選擇方案之一。文獻[4-9]基于隔振理論或吸振理論對車下設備系統與車體的耦合振動進行了研究,從而優選出最佳的設備懸掛頻率,但相關研究均集中在車體設備耦合振動、懸吊位置布置等整機系統層面,并沒有考慮橡膠減振器本身的結構性能特點。本文從減振器設計制造的層面對其全開發設計周期進行研究,包括減振器的參數設計、結構計算、配方設計、樣機試制、試驗測試等。

某地鐵公司反饋其地鐵車輛在空壓機啟動時車廂地板異常振動,具體表現為:當開啟空壓機時,車廂內部地板有明顯的振動、且噪聲較大,空壓機正上方處站立的乘客有明顯的不適感。業主要求改進后乘客站立在空壓機正上方車廂地板處無不適感。為進一步量化指標,分別在空壓機本體、懸掛梁、車廂地板等位置測量振動加速度及噪聲分貝值,優化后的吊掛方案應明顯優于原方案,并滿足業主的實際體感測試要求。

為解決上述異常振動問題,青島博銳智遠減振科技有限公司(以下簡稱“博銳公司”)為其開發設計了一種橡膠減振器,橡膠減振器的設計流程如圖1所示。

圖1 某地鐵車輛用空壓機減振器開發設計流程示意圖

1 減振器參數設計

1.1 系統懸掛參數設計

根據客戶需求描述,設置此減振器的主要目的是降低空壓機啟動時車廂地板的振感,即降低空壓機至車體的振動傳遞效率。根據積極隔振理論[10],系統的懸掛頻率應滿足:

(1)

式中:f為空壓機電機轉動頻率(即振動輸入激勵源),fn為空壓機彈性吊掛系統的懸掛頻率。

計算空壓機電機轉動頻率f=24.17 Hz,并代入式(1),計算得吊掛系統懸掛頻率范圍為:4.8

根據消極隔振理論[10],系統的懸掛頻率與車體模態頻率還應滿足:

(2)

式中:f1為車體垂向一階振動彎曲頻率,f1=11 Hz;f2為車體剛體振動頻率,f2=2 Hz。

根據消極隔振理論計算懸掛頻率范圍并與式(2)求交集,結果為:5

根據計算結果取中值并圓整,則fn=6.5 Hz,并對隔振效果進行校核。根據文獻[11],振動傳輸率的計算公式為:

(3)

(4)

計算得出,空壓機的振動傳輸率TABS=7.8%,即彈性吊掛系統隔振效率為92.2%。因此,設計系統懸掛頻率fn=6.5 Hz是合理的,滿足設計要求。

1.2 減振器剛度參數設計

根據1.1中的懸掛參數設計結果及空壓機質量、尺寸、吊掛點數量及位置即可求解出減振器的剛度參數。

1.2.1 空壓機吊掛靜剛度

該地鐵車輛的空壓機質量m為178 kg,則空壓機吊掛總動剛度kd的求解公式為:

(5)

由式(5)解得:kd=296 N/mm,空壓機吊掛靜剛度kst=kd/p=228 N/mm。其中,p為動靜剛度比,根據類似產品測試結果經驗,取p=1.3。不同的產品結構型面、橡膠配方等動靜剛度比略有不同,產品設計制造完成后對其進行測試,若差別過大,則重新對減振器剛度參數、設備懸掛頻率進行計算校核。

1.2.2 空壓機吊掛靜撓度

1.2.3 空壓機各吊掛點承載力及減振器剛度

空壓機吊掛點個數、質心位置及吊掛點安裝位置如圖2所示。

圖2 空壓機吊掛點及質心位置示意圖

根據力平衡及力矩平衡方程可推導出各吊掛點的承載力Fi計算公式如下:

(6)

(7)

(8)

(9)

代入各參數數值,即可求得各吊掛點承載力Fi,當吊掛點數量較多時,用此方法計算推導公式較繁瑣,通過有限元軟件直接進行稱重計算效率更高,本文通過有限元稱重的計算結果如表1所示,其值與用解析公式(6)～式(9)計算結果一致,根據Fi及Dst可求解出各吊掛點減振器剛度Ki并對其進行優化,結果如表1所示。

表1 各吊掛點承載力有限元稱重及減振器剛度計算結果

空壓機彈性吊掛系統懸掛頻率設計為fn=6.5 Hz,采取4點吊掛型式,需設計2種橡膠減振器,剛度參數分別為77 N/mm和47.5 N/mm。

2 減振器結構設計

2.1 結構設計

根據上文計算出的減振器技術參數及客戶提供的安裝接口,設計出減振器的結構型式如圖3所示(因保密要求,圖中對橡膠套及固定座配合面進行了修改及簡化),其主要特點及優勢為:

圖3 空壓機減振器結構設計示意圖

(1) 根據減振器的技術參數特點,決定采取橡膠減振的結構型式,其具有剛度性能易調節、隔振隔噪效果好、質量低、體積輕、無需維護等優點;

(2) 減振器由上固定座、下固定座、橡膠套、聯接管和聯接螺栓組裝在一起構成,其剛度參數主要通過設計及優化橡膠套的型面來實現,上固定座與車體安裝梁固定,下固定座與空壓機接口配合;

(3) 橡膠套獨立硫化后與金屬零部件組裝在一起,一方面可降低對膠料配方的粘接性能要求,又省去了骨架處理、噴膠等工藝流程,大大節省了制作成本,且更為環保;

(4) 為節省制造成本,不同剛度參數的橡膠減振器用同一硫化模具制造,技術參數通過調整橡膠配方實現。

2.2 仿真分析

在結構設計過程中利用有限元計算進行輔助以提高設計效率,通過多次結構優化、計算仿真的循環過程設計出最終產品結構,最后對選定的結構進行剛度計算及應力校核等,本文僅介紹對最終選定結構的有限元校核。

2.2.1 有限元校核計算載荷工況

橡膠減振器的有限元校核計算載荷工況如表2所示,分別對2種剛度參數的橡膠減振器進行剛度計算及超常載荷工況下的應力校核。剛度計算載荷工況依據為上文求解的減振器總撓度及空壓機振動振幅;超常載荷工況依據是沖擊載荷下求得的減振器動撓度,沖擊加速度依據IEC 61373:2010標準[12]中推薦值進行計算。

表2 減振器有限元校核計算載荷工況

2.2.2 有限元模型

采用有限元軟件對橡膠減振器進行計算分析并優化,用C3D8R單元模擬金屬單元,用C3D8H模擬節點中的橡膠單元。通過定義彈性模量和泊松比對金屬材料進行定義,橡膠材料的定義較為復雜,參數輸入依據是博銳公司不同配方的本構模型數據庫,其基于博銳公司橡膠配方的單軸拉伸、平面拉伸、雙軸拉伸、體積壓縮等基礎試驗數據積累,不同橡膠廠家配方不同,橡膠材料定義不能通用。建立的橡膠減振器有限元分析模型(簡化示意模型)如圖4所示。

圖4 空壓機橡膠減振器有限元模型示意圖

2.2.3 有限元計算結果

2種減振器的剛度計算載荷-位移曲線如圖5、圖6所示,剛度計算結果及最大應力見表3。2種橡膠減振器的剛度結果均滿足設計要求,橡膠最大拉應力和金屬應力值較小,能夠滿足設計要求。

表3 減振器有限元計算結果

圖5 77 N/mm橡膠減振器的計算載荷-位移曲線

圖6 47.5 N/mm橡膠減振器的計算載荷-位移曲線

2.3 配方設計

根據2.2節的仿真計算結果及性能要求對配方進行設計,所設計配方應滿足減振器的剛度、運行環境和動靜剛度比等要求,且應具備良好的拉伸性能、疲勞性能、低溫脆性等。選用耐結晶型的天然橡膠作為主體生膠材料,依據性能要求對配方參數進行設計并通過正交法對其優化。因保密要求,不對配方設計具體方法及配方參數進行描述。最后設計的配方能夠滿足性能要求,2種橡膠配方的部分性能測試結果如表4所示。

表4 2種橡膠配方的部分性能測試結果

3 樣機測試

完成產品的結構設計和配方設計后進入產品的工藝方案設計,包括產品模具設計、模流分析仿真計算、硫化工藝設計及優化、裝配工藝設計及優化等。因保密要求,本文不對此內容展開描述。根據工藝方案試制出2種橡膠減振器樣機,測量其接口尺寸、質量、表面處理等一般性能滿足設計要求。

3.1 靜剛度試驗

對測試合格的2種橡膠減振器樣機進行靜剛度試驗測試,試驗加載位移范圍為0～20 mm,剛度取值位移范圍為7.05～7.95 mm。2種橡膠減振器的靜剛度測試結果分別為77 N/mm和49 N/mm,均符合設計要求(公差依據TB/T 2843—2015定為±15%),測試載荷-位移曲線如圖7所示。

圖7 減振器靜剛度試驗載荷-位移曲線

3.2 動剛度試驗

對2種橡膠減振器樣機進行動剛度試驗測試,加載位移至7.5 mm,以此為零點,動載荷加載位移振幅為±2 mm,掃頻范圍為1～25 Hz。試驗測試結果如表5所示,頻率為6.5 Hz時2種橡膠減振器的動剛度分別為98.2 N/mm和65.1 N/mm,動靜剛度比均與1.2.1章節中計算值相差不大,說明橡膠配方及橡膠套型面設計合理;2種減振器的動剛度測試掃頻曲線如圖8所示,動剛度隨著頻率的增大而變大,但增幅逐漸減小。

表5 橡膠減振器動剛度試驗測試結果

圖8 減振器動剛度測試掃頻曲線

4 振動測試

應客戶要求,對3種吊掛方案進行裝車振動測試對比,方案1選用金屬減振器(原吊掛方案),方案2、方案3均為博銳公司設計制造的橡膠減振器,其中方案3選用上文所述的參數,方案2選用客戶指定參數。試驗儀器采用加速度計、12通道實時頻譜分析儀、自由場傳聲器與預放器。試驗方法為車輛靜止,啟動空壓機后,測量多處位置(測試點1～10)的振動加速度和車體內部對應空壓機正上方1.2 m高處的噪聲分貝值,同時,業主客戶進行體感測試。測試點位置如表6所示,部分試驗測試點照片如圖9所示。

表6 橡膠減振器振動試驗測試點位置

圖9 部分振動試驗測試點照片

對試驗測試結果進行數據處理,圖10為不同方案各測試點振動加速度對比圖,3種方案的A計權噪聲測試結果分別為68.59 dB、67.52 dB、64.6 dB。分析圖10及噪聲測試結果可得如下結論:

圖10 不同方案各測試點振動加速度對比圖

(1) 減振及降噪效果方案3最好,方案2次之,方案1最差;

(2) 本文所設計的橡膠減振器方案降低了各點的振動加速度值及噪聲分貝值,優化效果明顯;

(3) 業主客戶分別對3種方案進行了體感測試,認為方案3效果最好,振動及噪聲能夠滿足要求。

綜合各測試點減振和隔噪測試數據,方案3(即本文設計選型方案)減振及降噪效果最好,滿足客戶要求,表明本文所設計減振器參數合理。

5 結論

為解決某地鐵車輛空壓機啟動時車體異常振動的問題,本文提出了一種結合橡膠減振器性能特點的懸掛頻率設計方法,并結合橡膠配方特性優化減振器剛度參數,從而優選出減振器的結構型面、配方參數等,設計、制作出4種剛度方案的樣機(其中2種為另一個對比方案選用),并進行了型式試驗測試及裝車減振效果對比測試。得出以下結論:

(1) 綜合積極隔振及消極隔振理論計算結果,空壓機懸掛頻率設計為6.5 Hz,空壓機啟動時傳至車體的振動隔振效率為92.2%;

(2) 空壓機吊掛靜剛度為228 N/mm,靜撓度為7.5 mm,振動總撓度為7.05～7.95 mm;

(3) 空壓機采取4點吊掛型式,空壓機電機側2個吊點橡膠減振器剛度設計為77 N/mm,另外2個吊點橡膠減振器剛度設計為47.5 N/mm;

(4) 2種橡膠減振器的樣機靜剛度測試結果為77 N/mm、49 N/mm,動靜剛度比(f=6.5 Hz時)為1.28、1.33,均符合設計要求。

本文所設計的減振器減振及降噪測試結果明顯優于原方案,解決了空壓機啟動時車體地板振動明顯、噪聲較大、乘客不適的問題,獲得了業主的認可。