基于傳遞特性的某地鐵車(chē)輛異常振動(dòng)分析

謝　丹, 劉　濤, 張向海

(1　長(zhǎng)春汽車(chē)工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校， 長(zhǎng)春 130013；2　中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司， 長(zhǎng)春 130012)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，具有快速、綠色、安全、舒適等特點(diǎn)的城市軌道交通建設(shè)越來(lái)越受到更多的關(guān)注。而地鐵車(chē)輛作為軌道交通的重要組成部分，其運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性也越來(lái)越重要。在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，受線路和各種激勵(lì)的作用，將引起整車(chē)或車(chē)體局部振動(dòng)，如果這種振動(dòng)超過(guò)了某一限度，將嚴(yán)重影響乘客的舒適度，甚至引起結(jié)構(gòu)疲勞等安全問(wèn)題[1]。

針對(duì)某地鐵車(chē)輛地板局部及座椅發(fā)生異常振動(dòng)為例，通過(guò)線路跟蹤測(cè)試，獲取結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)的具體特性，基于傳遞分析方法對(duì)引起結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)的激勵(lì)源進(jìn)行研究，結(jié)合模態(tài)分析及車(chē)輪徑向跳動(dòng)量的測(cè)試，分析地板局部及座椅結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)特性產(chǎn)生的根源，為車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)等問(wèn)題的原因查找及改進(jìn)方案提供研究思路和方法。

1　理論基礎(chǔ)

運(yùn)行中的地鐵車(chē)輛是一個(gè)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，假設(shè)該系統(tǒng)是線性時(shí)不變的，且有N個(gè)不同的傳遞路徑，即有N個(gè)輸入激勵(lì)，車(chē)內(nèi)的振動(dòng)就是通過(guò)這些路徑傳遞而至。在車(chē)內(nèi)某個(gè)位置上的總體振動(dòng)為(Pt)，可以由各個(gè)傳遞路徑的振動(dòng)(Pi)的子貢獻(xiàn)量總和來(lái)確定，即

(1)

由于系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為振動(dòng)響應(yīng)與作用在指定傳遞路徑上的激勵(lì)的比值。因此，車(chē)內(nèi)某個(gè)位置上的總體振動(dòng)就是由指定路徑上的振動(dòng)激勵(lì)(Fi)和計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞函數(shù)(P/F)i后確定的。于是方程(1)轉(zhuǎn)化為方程(2)：

(2)

假設(shè)車(chē)內(nèi)有M個(gè)接受體振動(dòng){Pi}時(shí), 所有的傳遞函數(shù)可以被集合成一個(gè)結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣[H]MN。則有方程

{Pi}=[H]MN{Fi}

(3)

式中

{Fi}={F1F2…FN}T

由上述方程可知，建立一個(gè)傳遞路徑分析模型需要兩個(gè)基本要素：工作載荷{Fi}和傳遞函數(shù)[H]。其中傳遞函數(shù)是系統(tǒng)本身的一種屬性，表示為系統(tǒng)在受到單位激勵(lì)后沿著某一個(gè)傳遞路徑在某接受體處產(chǎn)生振動(dòng)的大小[2]。

2　振動(dòng)現(xiàn)象描述

針對(duì)出現(xiàn)異常振動(dòng)的車(chē)輛進(jìn)行線路跟蹤測(cè)試，并對(duì)可能會(huì)引起振動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)、車(chē)下設(shè)備和車(chē)下走行部位等激勵(lì)源分別布置加速度傳感器，以確定地板和座椅在線路條件下的振動(dòng)特性，測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

車(chē)輛在ATO模式下，牽引加速至65 km/h速度等級(jí)，然后惰行一段時(shí)間至制動(dòng)停車(chē)過(guò)程，如圖2所示。從圖中可以看出，在時(shí)域內(nèi)地板與座椅在垂向的加速度振動(dòng)響應(yīng)較為嚴(yán)重，且地板在部分時(shí)間段內(nèi)的振動(dòng)更為劇烈。地板與座椅在垂向的振動(dòng)加速度功率譜(短時(shí)傅里葉時(shí)頻譜)，即地板與座椅振動(dòng)頻率隨時(shí)間的變化過(guò)程，如圖3所示。從圖3中可以看出，座椅垂向振動(dòng)能量主要集中在40 Hz附近，地板在垂向振動(dòng)能量主要集中在60～70 Hz附近，且出現(xiàn)明顯的倍頻振動(dòng)特性，該頻率段也是人體對(duì)振動(dòng)感知較為敏感的頻率范圍。

圖1　線路測(cè)試中車(chē)輛測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2　線路測(cè)試中地板與座椅測(cè)點(diǎn) 在時(shí)域的加速度響應(yīng)圖

3　車(chē)輛振動(dòng)特性分析

對(duì)于車(chē)體地板局部和座椅出現(xiàn)的異常振動(dòng)問(wèn)題，分析思路主要有以下3個(gè)方面：(1)削減激勵(lì)源的振動(dòng)，引起車(chē)輛異常振動(dòng)的激勵(lì)源主要有輪軌激勵(lì)、車(chē)上的旋轉(zhuǎn)機(jī)械等，首先就是要準(zhǔn)確找出激勵(lì)源并對(duì)其進(jìn)行削減；(2)隔離振動(dòng)傳遞，從傳遞路徑上找出結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞貢獻(xiàn)較大的路徑，對(duì)其進(jìn)行消除或隔離；(3)對(duì)輸出環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。判斷出現(xiàn)異常振動(dòng)的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生共振，可以通過(guò)增加地板或座椅局部剛度提高其固有頻率的方法，避開(kāi)激擾頻率范圍[3]。

圖3　線路測(cè)試中地板與座椅測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度功率譜

3.1　振源分析

對(duì)于能夠引起車(chē)體地板和座椅異常振動(dòng)的激勵(lì)源，可能為空調(diào)系統(tǒng)、車(chē)下設(shè)備和車(chē)下走行部位。以帶有司機(jī)室的Tc車(chē)為例，這里的車(chē)下設(shè)備為輔助逆變器和空壓機(jī)。

3.1.1空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，空調(diào)自身和座椅在垂向的振動(dòng)加速度功率譜，如圖4所示。

結(jié)果表明，無(wú)論空調(diào)開(kāi)啟或關(guān)閉，座椅的振動(dòng)依然存在且主頻約為42 Hz，同時(shí)，空調(diào)自身的工作頻率約為48 Hz。

3.1.2車(chē)下設(shè)備

空壓機(jī)和輔助逆變器開(kāi)啟時(shí)，所對(duì)應(yīng)的車(chē)體上方地板在垂向的振動(dòng)加速度功率譜，如圖5所示。

圖4　空調(diào)與座椅振動(dòng)加速度功率譜

圖5　車(chē)下設(shè)備與車(chē)體地板振動(dòng)加速度功率譜

結(jié)果表明，空壓機(jī)和輔助逆變器分別存在約為8 Hz和70 Hz的振動(dòng)主頻，相對(duì)應(yīng)車(chē)體地板上測(cè)點(diǎn)在此頻段振動(dòng)不明顯。

3.1.3車(chē)下走行部位

軸箱、構(gòu)架、車(chē)體地板及座椅在垂向的振動(dòng)加速度功率譜和頻譜，如圖6、圖7所示。該地鐵車(chē)在65 km/h線路運(yùn)行時(shí)，提取穩(wěn)態(tài)運(yùn)行30 s的振動(dòng)加速度信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算加速度有效值(RMS)，得到表1所示的時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征。

結(jié)果表明，軸箱、構(gòu)架存在明顯的車(chē)輪轉(zhuǎn)頻倍頻成分，此頻率與車(chē)速有關(guān)。地板的振動(dòng)主頻與構(gòu)架、軸箱一致，約為62 Hz，座椅的振動(dòng)主頻約為42 Hz，同時(shí)也存在62 Hz的振動(dòng)主頻，但幅值相對(duì)較小。從軸箱到構(gòu)架、構(gòu)架到車(chē)體，振動(dòng)加速度的有效值逐漸減小，說(shuō)明車(chē)輛軸箱和空簧系統(tǒng)對(duì)垂向振動(dòng)具有一定的減振效果。

因此，初步判定車(chē)下走行部位振動(dòng)激勵(lì)為車(chē)體地板局部振動(dòng)的激勵(lì)源，座椅的振動(dòng)與地板振動(dòng)有關(guān)，但不是主要因素，還需要通過(guò)模態(tài)分析進(jìn)行判定。

3.2　模態(tài)分析

從車(chē)輛線路測(cè)試分析知，地板和座椅的振動(dòng)能量主

圖6　軸箱-構(gòu)架-車(chē)體地板及座椅振動(dòng)加速度功率譜

圖7　軸箱-構(gòu)架-車(chē)體地板及座椅振動(dòng)頻譜

測(cè)點(diǎn)位置RMS/g軸箱1.33構(gòu)架0.44地板0.12座椅0.13

要集中在60～70 Hz和40 Hz附近的頻段范圍，振動(dòng)主頻約為62 Hz和42 Hz。為此，主要對(duì)此頻段進(jìn)行車(chē)體地板結(jié)構(gòu)和座椅結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試與分析。在此頻段中，車(chē)體地板和座椅的模態(tài)測(cè)試結(jié)果，如圖8所示。

從圖8中可以看出，車(chē)體地板和座椅分別存在60.10 Hz和42.60 Hz的固有模態(tài)，與線路測(cè)試出現(xiàn)的振動(dòng)主頻較為接近，而結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式往往是多個(gè)振動(dòng)模態(tài)耦合而成，當(dāng)實(shí)際振動(dòng)的振動(dòng)主頻接近某階固有頻率時(shí)，此時(shí)的實(shí)際振動(dòng)形式即為此階模態(tài)的振動(dòng)，即車(chē)體地板局部和座椅結(jié)構(gòu)發(fā)生了自振。

圖8　車(chē)體地板及座椅模態(tài)測(cè)試

3.3　車(chē)輪徑向跳動(dòng)量分析

車(chē)輪非圓化是各種鐵道車(chē)輛普遍存在的一種車(chē)輪損傷形式[4]，車(chē)輪徑向跳動(dòng)量測(cè)試是獲得車(chē)輪不圓順狀態(tài)的一種快捷的方式。該地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)里程為50萬(wàn)km，當(dāng)車(chē)體出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)距離上次旋修運(yùn)營(yíng)里程為12萬(wàn)km。對(duì)上述地鐵車(chē)輛的Tc車(chē)車(chē)輪的徑向跳動(dòng)量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

從表2實(shí)測(cè)的車(chē)輪徑跳結(jié)果可以看出，車(chē)輪均存在0.3 mm以上徑向跳動(dòng)量，其中1軸左輪最為嚴(yán)重，徑跳量超過(guò)1 mm。車(chē)輪主要以偏心為主，絕大部分車(chē)輪部分圓周存在多邊形特征。

4　振動(dòng)控制

綜上所述，車(chē)體地板局部及座椅結(jié)構(gòu)的異常振動(dòng)主要是由線路激擾引起的自振所導(dǎo)致，并且車(chē)輪不圓也是造成車(chē)體振動(dòng)加劇的重要因素。因此，通過(guò)本次車(chē)輛振動(dòng)分析以及考慮到地鐵車(chē)輛客觀存在的運(yùn)行環(huán)境，總結(jié)出可以通過(guò)優(yōu)化車(chē)輛自身結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)檢修和規(guī)范監(jiān)督管理等方面，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)的目的。

表2　車(chē)輪徑向跳動(dòng)測(cè)量結(jié)果

4.1　優(yōu)化車(chē)輛結(jié)構(gòu)

具體措施為：(1)更改車(chē)體地板下方的彈性支撐剛度或在其之間增加阻尼墊；(2)加強(qiáng)座椅支撐結(jié)構(gòu)，在座椅前部加裝支撐腿及提高座椅骨架結(jié)構(gòu)剛度；(3)對(duì)車(chē)輪踏面有多邊形磨耗嚴(yán)重的車(chē)輪進(jìn)行旋修。

4.2　規(guī)范檢修作業(yè)

車(chē)輛的檢修作業(yè)是消除不安全因素，保障行車(chē)安全，降低運(yùn)營(yíng)成本的重要手段。車(chē)輛異常振動(dòng)后的旋修作業(yè)雖然是事后的補(bǔ)救措施，但也不能長(zhǎng)期依賴(lài)，還需要加強(qiáng)檢修規(guī)程、檢修工藝、檢修人員技術(shù)業(yè)務(wù)素質(zhì)等方面的規(guī)范化管理，盡可能的把隱患消除在庫(kù)內(nèi)，這些防范措施對(duì)于地鐵車(chē)輛日常運(yùn)營(yíng)的效能和安全也至關(guān)重要。

5　結(jié)　論

基于傳遞分析方法并結(jié)合模態(tài)分析及車(chē)輪徑向跳動(dòng)量的測(cè)試，對(duì)車(chē)體地板局部及座椅結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)線路測(cè)試確定地板局部及座椅結(jié)構(gòu)振動(dòng)主頻為62 Hz和42 Hz；

(2) 車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中地板局部及座椅結(jié)構(gòu)的異常振動(dòng)是由其自振所致；

(3) 轉(zhuǎn)向架軸箱、構(gòu)架、車(chē)體振動(dòng)均存在車(chē)輪轉(zhuǎn)頻倍頻的成分，此頻率與車(chē)速有關(guān)，結(jié)合車(chē)輪徑向跳動(dòng)量測(cè)試結(jié)果，主要由車(chē)輪偏心及部分圓周多邊形導(dǎo)致；

(4) 運(yùn)用模態(tài)分析的理論方法可以為車(chē)輛振動(dòng)問(wèn)題的解決提供研究思路和方法，并為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供參考；

(5) 加強(qiáng)檢修規(guī)程、檢修工藝、檢修人員技術(shù)業(yè)務(wù)素質(zhì)等方面的規(guī)范化管理，盡可能的把隱患消除在庫(kù)內(nèi)，為地鐵車(chē)輛日常運(yùn)營(yíng)的效能和安全提供重要保障。