劉鳳芹，李向偉

(中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)*

局部應(yīng)變法敞車(chē)側(cè)板模態(tài)測(cè)試及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

劉鳳芹，李向偉

(中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)*

通過(guò)某車(chē)體側(cè)板結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)，基于局部應(yīng)變法測(cè)定了側(cè)板的固有頻率和振型，通過(guò)兩種試驗(yàn)結(jié)果的相互驗(yàn)證，表明在23.389 Hz頻率下，車(chē)體側(cè)板的兩端，出現(xiàn)了局部二階振型，局部應(yīng)變明顯增加，在接近該頻率的激擾下，存在共振帶.通過(guò)改進(jìn)側(cè)板結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)改進(jìn)后的新結(jié)構(gòu)按相同的試驗(yàn)方法進(jìn)行了測(cè)試和分析，局部應(yīng)變明顯減小，共振現(xiàn)象消失，證明新設(shè)計(jì)的側(cè)板結(jié)構(gòu)更合理有效.

敞車(chē)側(cè)板;模態(tài)測(cè)試;應(yīng)變測(cè)試;結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0 引言

鐵路貨車(chē)車(chē)體強(qiáng)度的驗(yàn)證試驗(yàn)主要以靜強(qiáng)度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)為主，隨著機(jī)械化作業(yè)程度的提高，還出現(xiàn)了許多新的運(yùn)用工況，對(duì)這些特殊工況的驗(yàn)證試驗(yàn)也是非常必要的.某底開(kāi)門(mén)敞車(chē)主要用于運(yùn)輸散粒貨物，該車(chē)卸貨輔助以1 440 r/min偏心輪電機(jī)，工作頻率為24 Hz的垂向振動(dòng)完成，為了驗(yàn)證該車(chē)的側(cè)墻結(jié)構(gòu)性能是否滿足該電機(jī)垂向振動(dòng)工況的使用要求，針對(duì)該運(yùn)用工況對(duì)車(chē)體側(cè)墻板進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析確定車(chē)體側(cè)墻結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，并采用局部應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與模態(tài)測(cè)試結(jié)果互相驗(yàn)證，并提出了新的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)，對(duì)新的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)的合現(xiàn)性及有效性.

1 敞車(chē)側(cè)檣板動(dòng)態(tài)特性分析

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指系統(tǒng)隨頻率、剛度、阻尼變化的特性，是系統(tǒng)在輸入(激勵(lì))作用下所表現(xiàn)出來(lái)的性能.敞車(chē)側(cè)檣板動(dòng)態(tài)特性分析是一個(gè)n自由度的無(wú)阻尼線性系統(tǒng)的響應(yīng)問(wèn)題，通過(guò)模態(tài)變換，可以轉(zhuǎn)換為n個(gè)獨(dú)立諧振振子的模態(tài)響應(yīng)問(wèn)題，在求得各個(gè)模態(tài)響應(yīng)后，再通過(guò)線性變換，可得到原系統(tǒng)的響應(yīng).模態(tài)測(cè)試的最終目的是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，即結(jié)構(gòu)的特征值和特征向量，從而認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)態(tài)特性，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)［1］.

2 敞車(chē)側(cè)檣板動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析的一種重要方法，敞車(chē)側(cè)檣動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)采用模態(tài)測(cè)試結(jié)合關(guān)鍵受力部位應(yīng)變測(cè)試的方式進(jìn)行，兩種試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果可以相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)和產(chǎn)品鑒定提供更加可靠的試驗(yàn)依據(jù).

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

(1)測(cè)試系統(tǒng)組成

試驗(yàn)設(shè)備包括:LMS數(shù)據(jù)采集裝置及LMS模態(tài)分析系統(tǒng)、MDR動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及DDP分析處理系統(tǒng)、SINOCERA電磁激振器(1 000 N)、INOCERA功率放大器、KISTLER加速度傳感器(60套)、KISTLER力傳感器(2套)、電阻應(yīng)變計(jì)等，系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1.

(2)激勵(lì)方式

由于車(chē)體自由狀態(tài)的頻率并不是我們所關(guān)心的，為此被試車(chē)采用的是車(chē)體工作時(shí)的支撐狀態(tài).模擬振車(chē)器實(shí)際工作狀態(tài)加載，將激振器反向懸吊在空中，在車(chē)體上側(cè)梁上焊接激振座，激振座與激振器的激振桿通過(guò)螺栓連接，振動(dòng)工作時(shí)激勵(lì)源方向?yàn)樨Q直向下，對(duì)端部上側(cè)梁進(jìn)行激勵(lì)，采用電磁式激振器隨機(jī)激勵(lì)方式.激振器安裝方式見(jiàn)圖2.

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 激振器安裝方式圖

(3)測(cè)試參數(shù)設(shè)置

模態(tài)測(cè)試幾何模型與試驗(yàn)對(duì)象的尺寸比為1∶1，由于本次試驗(yàn)的所關(guān)心頻帶相對(duì)較窄，帶寬設(shè)置為 100 Hz，分辨率為 0.2 Hz.

應(yīng)變測(cè)試采樣頻率500 Hz，低通濾波節(jié)止頻率100 Hz.

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)模態(tài)測(cè)試

本次試驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象為敞車(chē)側(cè)墻組成，形狀相對(duì)規(guī)則，僅使用笛卡爾坐標(biāo)系即可完成，測(cè)點(diǎn)的選擇則需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析估計(jì)被測(cè)結(jié)構(gòu)各階模態(tài)節(jié)點(diǎn)和節(jié)線可能存在的位置，建立節(jié)點(diǎn)模型.根據(jù)側(cè)墻板、側(cè)柱和上側(cè)梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其劃分為14個(gè)部分，根據(jù)車(chē)體幾何尺寸參數(shù)，建立了如圖3所示的節(jié)點(diǎn)模型.

圖3 節(jié)點(diǎn)模型示意圖

為減小激振器可能產(chǎn)生空中擺動(dòng)導(dǎo)致的誤差，試驗(yàn)時(shí)激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)都加漢寧窗，以抑制泄露，并進(jìn)行20次平均，以消除結(jié)構(gòu)非線性的影響，從非線性系統(tǒng)中得到最佳線性頻響特性估計(jì)，同時(shí)還可以消除噪聲干擾和畸變.

本次試驗(yàn)分別對(duì)被試車(chē)原結(jié)構(gòu)及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的側(cè)墻組成進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試分析，測(cè)量分析的重點(diǎn)在與振動(dòng)電機(jī)接近的15～35 Hz的模態(tài)振型.

(2)應(yīng)變測(cè)試

在端部側(cè)板靠近側(cè)柱及上側(cè)梁的焊縫位置處布置了15個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如圖4所示.為了便于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)在不同頻率載荷振動(dòng)下的受力情況，分別采用20～30 Hz的正弦信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，采用MDR型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行采集記錄.本次試驗(yàn)分別對(duì)被試車(chē)原結(jié)構(gòu)及改進(jìn)結(jié)構(gòu)按相同試驗(yàn)方法進(jìn)行了測(cè)試分析.

圖4 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 車(chē)體原結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

3.1.1 模態(tài)測(cè)試結(jié)果

應(yīng)用LMS軟件中Modal Analysis模態(tài)分析模塊對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，模態(tài)分析計(jì)算原理如圖5所示.經(jīng)過(guò)模態(tài)參數(shù)計(jì)算可得到各階模態(tài)的自相關(guān)函數(shù)圖，模態(tài)超復(fù)性MOV，模態(tài)相位共線性MPC和平均相位偏離等信息.通過(guò)對(duì)車(chē)體模態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)參數(shù)來(lái)確定試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性.

圖5 模態(tài)分析計(jì)算原理圖

車(chē)體側(cè)墻板原結(jié)構(gòu)的的模態(tài)測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1.頻率為23.389 Hz的局部振型如圖6所示.

表1 原結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試參數(shù)表

圖6 23.389 Hz局部振型圖

試驗(yàn)結(jié)果分析:

(1)原結(jié)構(gòu)在23.389 Hz附近，車(chē)體側(cè)墻組成的兩端側(cè)板出現(xiàn)局部振型，與偏心輪電機(jī)24 Hz工作頻率存在共振帶，其余側(cè)板相對(duì)保持靜止，無(wú)共振現(xiàn)象.共振的結(jié)果會(huì)使振動(dòng)能量集中于端部側(cè)板，導(dǎo)致端部側(cè)板產(chǎn)生大幅度振動(dòng)，在使用的過(guò)程中容易造成局部疲勞破壞;

(2)側(cè)板27.818 Hz的局部振型與偏心輪電機(jī)使用工況振動(dòng)頻率偏離，不會(huì)產(chǎn)生共振.其余為整體振型或頻率偏離較大，使用過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生共振及局部損壞.

3.1.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

采用DDP動(dòng)態(tài)信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析處理，選取產(chǎn)生應(yīng)變最大的前4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)變測(cè)試值統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)試結(jié)果如圖7所示.

圖7 原結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)統(tǒng)計(jì)圖

試驗(yàn)結(jié)果分析:

(1)從圖7可以得出，激勵(lì)頻率為24 Hz區(qū)域時(shí)出現(xiàn)突兀的應(yīng)變響應(yīng)峰值，表明側(cè)板與小立柱連接焊縫處產(chǎn)生了較大幅值的交變應(yīng)力，與原結(jié)構(gòu)在23.389 Hz車(chē)體側(cè)墻組成的端部側(cè)板出現(xiàn)局部二階振型的模態(tài)測(cè)試結(jié)果相吻合，證明原結(jié)構(gòu)與垂向振動(dòng)電機(jī)使用工況存在共振帶;

(2)車(chē)體側(cè)墻內(nèi)側(cè)中部有一根橫貫的冷彎角鋼，測(cè)點(diǎn)12～測(cè)點(diǎn)15位于冷彎角鋼和上/下側(cè)梁中部位置，測(cè)點(diǎn)12、測(cè)點(diǎn)14位于端部側(cè)板上，這兩點(diǎn)的應(yīng)變值大于位于小立柱另一側(cè)對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)13、測(cè)點(diǎn)15.

根據(jù)兩種測(cè)試方法的試驗(yàn)結(jié)果分析，提出了以下結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案:

在車(chē)體每個(gè)側(cè)墻內(nèi)側(cè)增加1根冷彎角鋼，對(duì)側(cè)墻進(jìn)行整體加強(qiáng)，同時(shí)考慮到端部側(cè)板產(chǎn)生的應(yīng)變較大，對(duì)每塊端部側(cè)板再增加兩塊條形鋼板進(jìn)行局部加強(qiáng).改進(jìn)方案調(diào)整了側(cè)墻局部剛度，以避開(kāi)垂向24 Hz的共振頻率.

3.2 改進(jìn)后的車(chē)體側(cè)板測(cè)試結(jié)果

3.2.1 模態(tài)測(cè)試結(jié)果

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，使用同樣的激勵(lì)法對(duì)車(chē)體側(cè)板進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，得到的側(cè)板模態(tài)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 改進(jìn)后的模態(tài)測(cè)試參數(shù)表

試驗(yàn)結(jié)果分析:

(1)改進(jìn)結(jié)構(gòu)在垂向24 Hz激勵(lì)下，雖然車(chē)體側(cè)墻組成產(chǎn)生了 16.677、23.961、26.742 Hz的振動(dòng)頻率，但均為整體振型，無(wú)位移較大的局部模態(tài)，不會(huì)造成側(cè)板損壞;其余頻率均偏離較大，不會(huì)引起共振及局部損壞;

(2)通過(guò)提高局部剛度，改進(jìn)結(jié)構(gòu)改變了車(chē)體側(cè)墻的振動(dòng)頻率及振型，對(duì)局部模態(tài)影響較大，避免了垂向24 Hz振動(dòng)工況下的局部共振現(xiàn)象.

3.2.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

改進(jìn)結(jié)構(gòu)采取了與原結(jié)構(gòu)相同的應(yīng)變測(cè)試方法及數(shù)據(jù)分析方法，結(jié)果如圖8所示.

圖8 改進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)統(tǒng)計(jì)圖

試驗(yàn)結(jié)果分析:

從圖8可以得出，改進(jìn)結(jié)構(gòu)在垂向激勵(lì)頻率為24 Hz時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)試值均較小，改進(jìn)效果顯著.結(jié)果表明在激勵(lì)頻率為24 Hz時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振，同時(shí)也驗(yàn)證了模態(tài)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性.

4 結(jié)論

(1)原結(jié)構(gòu)在23.389 Hz頻率下，車(chē)體側(cè)墻組成的兩端側(cè)板出現(xiàn)局部二階振型，與垂向振車(chē)電機(jī)24 Hz工作頻率存在共振帶，局部應(yīng)變測(cè)試值較大，振動(dòng)能量集中于端部側(cè)板，導(dǎo)致其產(chǎn)生大幅度振動(dòng)，使用過(guò)程中將會(huì)導(dǎo)致側(cè)墻板疲勞破壞;

(2)原結(jié)構(gòu)側(cè)墻板的27.818 Hz頻率下局部模態(tài)與垂向振車(chē)電機(jī)24 Hz振動(dòng)頻率有所偏離，不會(huì)引起共振，其余模態(tài)為整體振型或頻率偏離較大，均不會(huì)引起共振及局部損壞;

(3)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的車(chē)體側(cè)墻組成雖然產(chǎn)生了16.677、23.961、26.742 Hz振動(dòng)頻率，但均為整體振型，無(wú)局部模態(tài)，局部應(yīng)變測(cè)試值均較小，因此，在垂向振車(chē)電機(jī)24 Hz激勵(lì)下，不會(huì)引起局部共振，其余模態(tài)頻率均偏離較大，均不會(huì)引起共振及局部損壞;

(4)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果直觀地體現(xiàn)了車(chē)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果的顯著性，驗(yàn)證了模態(tài)測(cè)試結(jié)果的有效性;

(5)通過(guò)提高局部剛度，改進(jìn)結(jié)構(gòu)改變了車(chē)體側(cè)墻的振動(dòng)頻率及振型，避免了振車(chē)電機(jī)24Hz振動(dòng)工況下的局部共振現(xiàn)象，且具有較大的共振頻率安全范圍，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可以滿足振車(chē)電機(jī)在24 Hz工作頻率下正常使用的要求.

［1］何遠(yuǎn)新，張立民，郭小鋒.GQ70型鐵路罐車(chē)模態(tài)仿真及試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2012，29(11):41-45.

［2］張衛(wèi)華.機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)態(tài)模擬［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［3］樸明偉，張祥杰，王婷.單層雙層集裝箱車(chē)體振動(dòng)特征分析［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2008，28(6):4-7.

［4］張亞輝，林家浩.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2007:205-225.

［5］陳陽(yáng)，朱茂桃，周孔亢.基于模態(tài)方法的車(chē)門(mén)動(dòng)態(tài)特性研究［J］.汽車(chē)技術(shù)，2011，5:25-29.

Modal Testing and Improvements of Side Plate of Open Top Wagon Based on Local Strain Method

LIU Feng-qin，LI Xiang-wei

(CNR Qiqihar Railway Rolling Stock Co.，Ltd，Qiqihar 161002，China)

In the modal testing of the side plate of wagon body，the inherent frequency and vibration mode of the side plate are measured by local strain method.The comparison of the results shows that the second order vibration mode happens to the two ends of the side plate of wagon body under the frequency of 23.389 Hz with obviously increased local strain，and the resonance phenomenon happens under the excitation of the approximate frequency.After modification of the rigidity of the side plate，the same test and measurement results show that no resonance phenomenon happens，which means that the improved side plate structure is more reasonable.

open top wagon side plate;modal test;strain test;structure improvement

A

1673-9590(2013)06-0027-04*

2013-03-06

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011J014-B)

劉鳳芹(1972－)，女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事鐵路貨車(chē)及其零部件試驗(yàn)工作的研究

E-mail:xinyue_288@126.com.