鐵道客車車體模態(tài)試驗(yàn)研究

段合朋，鄧愛建，劉宏友，賈尚帥

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035)

本文以某鐵道客車車體為研究對象，系統(tǒng)開展鐵道客車車體模態(tài)試驗(yàn)方法研究，可以為鐵道客車振動(dòng)特性研究提供方法支撐。

1 試驗(yàn)方法

激振器試驗(yàn)法是指利用模態(tài)激振器激勵(lì)車體，采集車輛輸入輸出信號，進(jìn)而計(jì)算輸入輸出信號之間的頻響函數(shù)，通過模態(tài)參數(shù)辨識方法得到車輛的模態(tài)參數(shù)[1]。

滾動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法是指利用整車滾動(dòng)振動(dòng)臺進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，通過采集車體各截面測點(diǎn)的振動(dòng)加速度，選擇端墻測試點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)作為參考通道，計(jì)算各測試點(diǎn)與參考通道之間的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)，以相關(guān)函數(shù)矩陣代替頻響函數(shù)矩陣，繼而運(yùn)用傳統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識別方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別。整車滾動(dòng)振動(dòng)臺輸入信號可以是線路激擾譜，也可以是標(biāo)準(zhǔn)信號(正弦信號、隨機(jī)信號、沖擊信號等)或者線路上采集的加速度信號，輸入信號通過控制器控制液壓作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對車輛輪對的激勵(lì)。這種方法可以模擬各種車輛振動(dòng)，從而分析車輛及其零部件的動(dòng)態(tài)特性[2]。

線路試驗(yàn)法是指車輛在線路上運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的模態(tài)試驗(yàn)，其分析方法與滾動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法比較接近，都屬于環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識別方法。線路試驗(yàn)法可以真實(shí)地反映車輛運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

激振器試驗(yàn)法分別對車體結(jié)構(gòu)和整備狀態(tài)車體進(jìn)行了試驗(yàn)，整備狀態(tài)車體又分空車和載人(承載60人)2種狀態(tài)；滾動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法主要對整備狀態(tài)車體進(jìn)行試驗(yàn)；線路試驗(yàn)法主要針對空車和均勻裝載沙袋2種工況進(jìn)行。3種模態(tài)試驗(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容見表1。

表1 3種模態(tài)試驗(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容

3 測點(diǎn)方案

基于激振器試驗(yàn)法時(shí)，沿車體長度方向基本均勻布設(shè)15個(gè)斷面，每個(gè)斷面共14個(gè)測點(diǎn)，如圖1所示?；跐L動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法、線路試驗(yàn)法時(shí)，沿長度方向基本均勻布設(shè)7個(gè)斷面，每個(gè)斷面共4個(gè)測點(diǎn)，如圖2所示。

圖1 激振器試驗(yàn)法各斷面布置示意圖

圖2 滾動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法、線路試驗(yàn)法各斷面布置示意圖

4 激振器試驗(yàn)法模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

對不同試驗(yàn)工況所獲得的加速度測試結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理后，采用模態(tài)參數(shù)識別方法PolyMAX進(jìn)行分析，得到各工況下車體低階彈性體模態(tài)頻率、振型及阻尼比[3]。激振器試驗(yàn)法模態(tài)參數(shù)測試結(jié)果見表2，典型振型圖如圖3所示。

圖3 激振器試驗(yàn)法典型振型圖

表2 激振器試驗(yàn)法模態(tài)參數(shù)測試結(jié)果

4.2 結(jié)果分析

(1) 對比車體結(jié)構(gòu)與整備狀態(tài)空車車體橫向參數(shù)測試結(jié)果可知，一階菱形頻率、一階呼吸頻率、一階垂向彎曲頻率變化接近，整備狀態(tài)下空車車體頻率分別降低35.96%(3.92 Hz)、36.70%(5.09 Hz)、36.28%(5.41 Hz)，一階橫向彎曲頻率與一階扭轉(zhuǎn)頻率整備狀態(tài)前后變化相對較小，分別降低26.8%(3.92 Hz)、28.12%(5.3 Hz)。由此可見，車體整備后對垂向彎曲剛度影響較大，對橫向彎曲剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度影響相對較小。

(2) 對比整備狀態(tài)載人工況(承載60人)與整備狀態(tài)空車橫向參數(shù)測試結(jié)果可知，載人對車體模態(tài)參數(shù)影響較小，與空車工況相比，載人后車體的一階菱形頻率、一階垂向彎曲頻率、一階扭轉(zhuǎn)頻率分別變化2.7%(0.19 Hz)、0.7%(0.07 Hz)、0.3%(0.04 Hz)，其原因主要是因?yàn)槿梭w是多自由度彈性體，與車體組成類似于彈簧-質(zhì)量的系統(tǒng)，對車體頻率的影響相對較小。

5 滾動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法及線路試驗(yàn)法模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

滾動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法、線路試驗(yàn)法得出的車體模態(tài)參數(shù)測試結(jié)果見表3。

表3 滾動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法及線路試驗(yàn)法得到的車體模態(tài)參數(shù)測試結(jié)果

5.2 結(jié)果分析

(1) 線路試驗(yàn)法與滾動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法得到的車體模態(tài)參數(shù)較為接近。

(2) 整備狀態(tài)重車(均勻裝載8.2 t沙袋)對車體模態(tài)參數(shù)影響較大。與整備狀態(tài)空車相比，車體的一階菱形頻率、一階呼吸頻率變化較大，分別降低0.73 Hz、0.56 Hz；一階垂向彎曲頻率、一階橫向彎曲頻率、一階扭轉(zhuǎn)頻率相對空車的相應(yīng)振動(dòng)頻率略有變化，分別降低0.19 Hz、0.27 Hz、0.17 Hz。

6 結(jié)論

(1) 激振器法、滾動(dòng)振動(dòng)臺試驗(yàn)法、線路試驗(yàn)法3種方法得出的車體模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果一致性相對較好。

(2) 車輛載人狀態(tài)對車體模態(tài)頻率影響較小，車輛裝載沙袋狀態(tài)對模態(tài)頻率影響較大，其中對車體一階菱形頻率、一階呼吸頻率影響最大。