內(nèi)燃動(dòng)力單元-車輛耦合振動(dòng)機(jī)理及隔振優(yōu)化研究.pdf

1、內(nèi)燃動(dòng)車具備不亞于電力動(dòng)車的動(dòng)力性和舒適性，能實(shí)現(xiàn)任意編組和靈活運(yùn)營(yíng)，初期成本投入較低，是最經(jīng)濟(jì)、最靈活的，解決支線客車提速的方案。在中國(guó)這樣一個(gè)幅員遼闊鐵路支線繁多的國(guó)家，內(nèi)燃動(dòng)車必將成為提高列車速度，占領(lǐng)支線客運(yùn)市場(chǎng)的最佳工具，有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。作為內(nèi)燃動(dòng)車的動(dòng)力源，同時(shí)也是最為主要的激勵(lì)源，內(nèi)燃動(dòng)力單元通常以雙層隔振的方式懸掛于車體底部，其重達(dá)3t以上，在整個(gè)車體中所占比重較大，這將極大地降低車體剛度，增大動(dòng)力單元與車

2、體間的彈性耦合，導(dǎo)致車體強(qiáng)烈的耦合振動(dòng)和結(jié)構(gòu)輻射噪聲，嚴(yán)重影響到客車的乘坐舒適性。因此，本論文以某出口阿根廷的內(nèi)燃動(dòng)車為研究對(duì)象，突破傳統(tǒng)的基于普通雙層隔振的建模和設(shè)計(jì)方法，致力于建立含無源子系統(tǒng)，考慮構(gòu)架和車體柔性的雙層隔振動(dòng)力單元-車輛柔性隔振系統(tǒng)定量化的振動(dòng)傳遞模型和相應(yīng)的簡(jiǎn)化理論模型，闡明系統(tǒng)中存在的多種耦合力學(xué)行為和機(jī)理，并有針對(duì)性地提出該柔性隔振系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化算法，以指導(dǎo)采用雙層隔振的動(dòng)力設(shè)備-車

3、輛柔性隔振系統(tǒng)的隔振優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地隔離動(dòng)力設(shè)備傳遞給車輛的振動(dòng)，降低車體的振動(dòng)和輻射噪聲。其主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　1)為了揭示子系統(tǒng)與雙層隔振主系統(tǒng)的耦合振動(dòng)機(jī)理，建立了含子系統(tǒng)的雙層隔振系統(tǒng)的3自由度簡(jiǎn)化力學(xué)模型和18自由度多剛體動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了系統(tǒng)固有頻率、能量解耦度和振幅的無量綱表達(dá)式，提出了能應(yīng)用于多點(diǎn)多向耦合雙層隔振系統(tǒng)的力綜合傳遞率指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上分析子系統(tǒng)參數(shù)對(duì)雙層隔振系統(tǒng)固有特性和隔振特性的影響規(guī)律

4、。研究表明，子系統(tǒng)對(duì)雙層隔振系統(tǒng)固有特性和隔振性能均有較大影響，取適當(dāng)大的子系統(tǒng)質(zhì)量，合適的子系統(tǒng)剛度和阻尼，能同時(shí)兼顧雙層隔振系統(tǒng)的高頻隔振性能和低頻隔振性能。
　　2)針對(duì)目前尚未有對(duì)含散熱器子系統(tǒng)的內(nèi)燃動(dòng)力單元雙層隔振系統(tǒng)行之有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將子系統(tǒng)視為雙層隔振系統(tǒng)吸振器的思想引入動(dòng)力單元的隔振設(shè)計(jì)中，建立了能反映多自由度吸振器作用于多維耦合雙層隔振系統(tǒng)力學(xué)特性的6自由度力學(xué)模型，闡明了吸振器的吸振機(jī)理。繼而，提出了一種

5、兩級(jí)優(yōu)化策略對(duì)動(dòng)力單元雙層隔振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，對(duì)優(yōu)化后的樣機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和隔振性能評(píng)價(jià)。該優(yōu)化方法，首先在不考慮子系統(tǒng)的情況下，通過對(duì)雙層隔振主系統(tǒng)的隔振優(yōu)化確定一、二級(jí)主系統(tǒng)隔振器剛度，再將子系統(tǒng)視為吸振器進(jìn)行剛度設(shè)計(jì)，按照H∞最優(yōu)原則獲得子系統(tǒng)隔振器的最優(yōu)剛度。研究表明，吸振器可通過其與雙層隔振系統(tǒng)激振力作用方向的模態(tài)產(chǎn)生耦合，達(dá)到減小主系統(tǒng)的振動(dòng)能量輸入和將輸入的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)移到吸振器的效果，其質(zhì)量比和慣量比的優(yōu)選囊括了小質(zhì)

6、量比和小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比的情況;經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在柴油機(jī)常規(guī)工況和停機(jī)工況，動(dòng)力單元?jiǎng)臃戳^小，機(jī)組和散熱器振動(dòng)烈度水平較優(yōu)，動(dòng)力單元雙層隔振系統(tǒng)隔振性能良好，該優(yōu)化方法有效可行。
　　3)針對(duì)雙層隔振動(dòng)力單元-車體柔性隔振系統(tǒng)中存在的剛?cè)狁詈蠁栴}，提出了一種能綜合反映柔性結(jié)構(gòu)剛體運(yùn)動(dòng)和彈性振動(dòng)的振動(dòng)能量指標(biāo);提出了一種能反映車體彎扭耦合特性的薄壁框梁模擬車體建立了彈性車體與車下懸掛設(shè)備的剛?cè)狁詈夏Ｐ?推導(dǎo)了系統(tǒng)頻響函數(shù)的解析方法，揭示

7、了系統(tǒng)振動(dòng)性能隨懸掛設(shè)備質(zhì)量、安裝位置和隔振器參數(shù)的變化規(guī)律，闡明了懸掛設(shè)備與車體的剛?cè)狁詈咸匦院蜋C(jī)理;建立了能反映動(dòng)力單元雙層隔振系統(tǒng)剛?cè)狁詈咸匦缘暮?jiǎn)化力學(xué)模型，推導(dǎo)了系統(tǒng)固有頻率、振型和頻響函數(shù)的解析式，揭示了一、二級(jí)隔振器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)隔振特性的影響規(guī)律，闡明了動(dòng)力單元各子結(jié)構(gòu)和柔性構(gòu)架的剛?cè)狁詈咸匦院蜋C(jī)理。研究表明，構(gòu)架和車體的柔性極大地降低了系統(tǒng)的高頻隔振性能，且對(duì)系統(tǒng)剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)的位移振幅存在一定的增益。
　　4)針對(duì)雙層

8、隔振動(dòng)力單元-車輛柔性隔振系統(tǒng)建模復(fù)雜計(jì)算量大的特點(diǎn)，提出了一種能極大節(jié)約計(jì)算量的頻響函數(shù)綜合建模方法，分析了系統(tǒng)各層間功率流與隔振器參數(shù)之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上揭示了動(dòng)力單元-車輛柔性隔振系統(tǒng)中振動(dòng)能量的傳遞特性。研究表明，該建模方法邏輯清晰計(jì)算量非常小，可用于對(duì)該復(fù)雜柔性隔振系統(tǒng)的多循環(huán)優(yōu)化計(jì)算。
　　5)針對(duì)雙層隔振動(dòng)力單元-車輛柔性系統(tǒng)隔振優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化變量眾多的特點(diǎn)，提出了一種基于優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化變量縮減的適用于極