陈强
天津南环铁路有限公司机务分公司 天津 300450
摘要：现阶段内燃机车司机室隔振性能优化得到了社会的广泛关注，本文在总结司机室隔振设计基本要求的基础上，基于多自由度参数优化设计理念，提出了隔振性能优化设计方法，并对隔振效果做仿真分析，希望为进一步增强隔振性能奠定基础。
关键词：柴油机；司机室；隔振性能
前言：现阶段内燃机车司机室的振动噪声问题已经成为相关学者关注的内容，期间为减少大功率柴油机激励下产生的振动问题，现阶段常见的方法有两种，包括设置独立司机室、在柴油机支座位置设置隔振装置等，本文基于上述要求，介绍了隔振性能优化设计方案，详细内容如下。
1.司机室隔振设计的要求
根据现有的研究可知，隔振理论强调激励频率大于隔振系统固有频率的倍时，隔振系统有助于快速隔离振动情况。现阶段柴油机激励模式下，内燃机车司机室在设计中采用了多自由度系统模式，当系统自由度解耦后，可按照隔振理论配置固有频率，达到规避共振频率的目的。为实现这一目标，在司机室隔振性能优化设计中需要重点考虑以下几方面问题：（1）在设计过程中应确保司机室的自由度尽量解耦，尤其是横向振动与垂向振动解耦等，有助于强化隔振性能[1]。（2）针对司机室的垂直与横向振动模式，其固有频率应小于等于柴油机转频的，保障结构受力满意。（3）在设计过程中，司机室振动固有频率应主动规避点头频率、机车底架垂弯以及激励频率等。（4）在设计环节，应保障司机室隔振器的刚度性能满意，确保司机室的稳定性良好且不会干涉机车底架设备的运行情况[2]。
2.柴油机激励下内燃机车司机室隔振设计方案研究
为强化柴油机激励下内燃机车司机室的隔振设计方案，本文采用自由度参数优化的方法探索一条新的隔振设计方案。
2.1优化算法介绍
在设计过程中采用遗传算法技术，该算法在实际上是通过模拟生物进化并实现不断迭代寻找最优化结果的优化搜索算法，在司机室隔振设计中的优势包括：（1）该算法能够打破连续性以及求导上的限制，有助于优化操作流程；（2）可通过概率性交叉以及变异机制等方法提供更强的全局优化路径；（3）使用概率化寻优方法，通过适应性函数启发搜索，强化信息识别能力。
2.2司机室解耦率的配置要求
为达到有效隔振的目的，在内燃机车司机室隔振设计中，其自由度对应振动模态的固定频率需要在与隔振装置匹配后才能产生良好的隔振效果。所以在本次设计中，本文采取的设计方案为：（1）纵向模态设计。结合司机室的原始数据自由度解耦，分别做纵向振动以及点头运动的耦合，司机室在特定方向上的固有频率应符合隔振性能，因此设计中采取频率比为2，纵向模态频率值为3.00-8.35Hz。（2）横向模态设计。在设计过程中应确保司机室的侧滚运动与横向振动之间的耦合效果，为达到隔振目的，司机室对应的固有频率应符合隔振性能要求，本次设计中设定频率比为3，固定频率的取值范围为3.00-5.60Hz。（3）垂向模态设计。司机室在垂向模态上会出现较高的振动解耦情况，正常情况下其频率应控制在激励频率的左右，因此为取得满意的隔振效果，在设计中垂向振动固有频率应该注意规避车底架的固有频率，因此在设计中频率的设计范围为6.00-8.38Hz。（4）侧滚模态设计中，考虑到司机室的侧滚模态与横向振动有耦合关系，期间为确保横向隔振效果满意，在设计中应注意规避侧滚频率，设计中的取值范围为8.00-11.76Hz。（5）点头模态设计中考虑到点头模态与纵向振动存在耦合关系，此时模态在固有频率设计中为强化隔振效果，在隔振设计中的频率取值范围为3.00-11.80Hz。（6）摇头模态设计中，摇头模态的解耦程度处于较高水平，但是司机室对此模态的要求不足，所以按照基本的设计方案，可将其取值范围在3.00-11.72Hz。
2.3隔振器参数设定
现代研究认为，隔振系统的解耦率受到纵、横、垂直三个方面刚度的影响，本文在隔振器参数设计中，设置为隔振器在横纵方向上的刚度；为隔振器在垂直度上的刚度。在设计后的司机室隔振器的参数如表1所示。
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根据表1的相关数据可以发现，在优化之后，隔振器在纵、横、垂三个方向的刚度有明显下降，在本文所选择的四个隔振器中，编号3与编号4的隔振器的相关参数基本相同，在优化之后，司机室前端与中部隔振器位置会出现明显的变化情况，隔振器分别沿着x轴与y轴方向运动，并且中部隔振器沿着y轴方向收缩，有较大的变化率。
3.隔振性能验证
为分析本文设计优化方案的可行性，本文开展采油机激励下的机车司机室的隔振性能验证分析，通过有限元模型的方法来评估优化方案对隔振性能的影响。
3.1有限元模型的构建
在本次研究中使用有限元前处理软件HyperMesh做网格划分，仿真内燃机车司机室隔振性变化参数，并按照本文介绍的工况，通过将设计的模型导入到有限元件中进行仿真，计算柴油机激励下司机室的振动变化。仿真期间，隔振器选择6号梁单元模拟方法，这种模拟方法能够最大限度上还原司机室在纵、横、垂直三个方向上的振动变化，并在软件仿真过程中可以更好的识别其中的振动变化情况，具有技术可行性。
在内燃机车的有限元模型中，设定的车体质量为35000kg，轮对质量2882kg，构架质量3145kg，最大限度上还原内燃汽车的运行过程，保障仿真结果科学有效。
3.2仿真的模拟结果
在柴油机激励的情况下，设置常见的750r/min工况，此时司机室振动家毒素及其均方根在仿真状态下的结果为：最大纵向加速度为0.09g，最大纵向振动加速减少的数值为0.027g；经解耦优化后，司机室最大纵向的振动加速度减小为0.025g。根据仿真结果判断，隔振器在正常运行状态下刺激横向振动加速度水平达到了0.082g，在做优化后，则最大横向振动的加速度下降至0.029g，解耦优化的司机室横向振动加速度下降至0.016g。从垂向振动加速度数据来看，振动器在原始运动状态下垂向加速度为0.082g，做单自由度优化后，则最大垂向振动加速度下降至0.033g，在解耦优化后则最大垂向振动加速度则下降至0.026g。
根据仿真结果，在对柴油机激励过程进行分析后，司机室在纵、横、垂直三个方向下的振动方根值分贝为0.0108g、0.0149g、0.012g，与原始数据比较后，经过优化后司机室在纵、横、垂直三个方向上的加速度减小幅度分别为62.73%、45.98%、57.65%。在经过多自由度解耦优化之后，司机室纵、横、垂直的速度均方根值分别为0.009g、0.006g、0.0011g，与原始数据相比，则优化后在三个方向的加速度分别减小69.95%、78.55%、62.87%。从这一组数据中可以发现，在柴油发动机激励状态下，内燃车司机室在纵、横、垂直三个方面下的振动加速幅度显著改善，尤其是在自由度解耦优化后的运行更加平稳，是一种科学的设计方案。
结束语：在柴油机激励条件下，做好内燃机车司机室隔振性优化已经成为提高相关人员关注的重点内容，本文所介绍的隔振性能优化方案在技术上具有可行性，有助于快速改善司机室在运行过程中的各种振动情况，可以为司机驾驶提供一个理想的环境，满足隔振技术要求，值得进一步推广。
参考文献：
[1]朱小波,许齐,李培功.内燃机车司机室防撞结构轻量化及耐撞性研究[J].铁道机车与动车,2020(08):34-37+6.
[2]潘成,陈再刚,蒋建政.内燃机车司机室隔振性能优化研究[J].中国科学:技术科学,2020,50(01):103-111.