楊凱+李亞波+竇曉亮+崔杰

摘 要：模態(tài)分析是一種處理過程，是根據(jù)結(jié)構(gòu)的固有特性，包括頻率、阻尼和模態(tài)振型，這些動(dòng)力學(xué)屬性去描述結(jié)構(gòu)的過程。以高速列車接地線座板為模態(tài)試驗(yàn)對(duì)象，接地線采用兩種不同的約束方式，激振器和錘擊法兩種激勵(lì)方式進(jìn)行激勵(lì)的輸入，采用ICP加速度計(jì)進(jìn)行加速度測(cè)量，SCADASⅢ-LMS數(shù)采設(shè)備進(jìn)行加速度響應(yīng)采集，通過LMS分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理分析，結(jié)合FRF傳遞函數(shù)、穩(wěn)態(tài)圖、正交矩陣、跨點(diǎn)頻響等圖像對(duì)不同激勵(lì)方式和接地線的不同約束方式的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論：（1）接地線不同的固定方式會(huì)對(duì)模態(tài)頻率產(chǎn)生影響，低階頻率影響較小，高階頻率影響較大。（2）低階頻率時(shí)接線方式對(duì)頻率影響較小，高階頻率時(shí)，現(xiàn)車接線方式明顯高于此類非現(xiàn)車接線方式。（3）激振器和錘擊法激勵(lì)輸入有明顯的差異性，是由于激振器的連接改變了接地線座板的剛度和質(zhì)量導(dǎo)致的。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；高速列車；接地線座板；固有頻率

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.08.094

0 前言

試驗(yàn)?zāi)B(tài)是用試驗(yàn)的方法基于共振原理測(cè)得的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析是一種處理過程，是根據(jù)結(jié)構(gòu)的固有特性，包括頻率、阻尼和模態(tài)振型，這些動(dòng)力學(xué)屬性去描述結(jié)構(gòu)的過程。對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)施加的外力的振動(dòng)頻率越來越接近系統(tǒng)的固有頻率（或者共振頻率）時(shí)，響應(yīng)幅值會(huì)越來越大。激勵(lì)力頻率駐留于結(jié)構(gòu)的每一個(gè)固有頻率，會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在每個(gè)固有頻率處存在特定的變形圖。所有結(jié)構(gòu)中，都存在這些固有頻率和模態(tài)振型。本質(zhì)上，這些特征依賴于確定結(jié)構(gòu)固有頻率和模態(tài)振型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布。模態(tài)分析幫助設(shè)計(jì)所有類型的結(jié)構(gòu)，包括機(jī)動(dòng)車、飛行器、太空飛船、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等，任何系統(tǒng)都可以用它的運(yùn)動(dòng)方程來描述。

從理論講，只要采集得到輸入-輸出位置的傳遞特性數(shù)據(jù)，無論何種測(cè)量方式，得到的數(shù)據(jù)都是相同的。對(duì)于激振器測(cè)試和錘擊法測(cè)試在理論上的測(cè)試結(jié)果是相同的，理想狀態(tài)下在結(jié)構(gòu)上施加一個(gè)純力，該力與結(jié)構(gòu)二者之間不存在任何的相互作用，并且采用無質(zhì)量傳感器測(cè)量響應(yīng)，得到的測(cè)試結(jié)果是相同的。模態(tài)測(cè)試過程中，激振器和響應(yīng)傳感器通常對(duì)結(jié)構(gòu)有影響。結(jié)構(gòu)上附加了如：結(jié)構(gòu)懸掛系統(tǒng)、安裝的傳感器的重量、激振器推力桿/頂桿的潛在剛度影響等。因此，兩種測(cè)試與方法時(shí)存在差異的。激振器測(cè)試過程中，最明顯的差異是由移動(dòng)加速度計(jì)引起的。加速度計(jì)的質(zhì)量相對(duì)于結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量可能非常小，但是它的質(zhì)量相對(duì)于結(jié)構(gòu)不同部分的有效質(zhì)量可能又非常大。

結(jié)構(gòu)的模態(tài)受激振器附屬裝置的質(zhì)量和剛度的影響。雖然我們?cè)噲D將這部分影響減少到最低程度，但是它們?nèi)匀淮嬖?。激振器推力桿的作用是分離激振器對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。然而，多數(shù)結(jié)構(gòu)，激振器附屬裝置的影響仍然顯著。因?yàn)殄N擊法測(cè)試不會(huì)遭受這些問題，所以會(huì)得到的不同的結(jié)果。

此次試驗(yàn)分析主要對(duì)比分析高速列車接地線座板，分別采用激振器和錘擊兩種激勵(lì)方式，對(duì)比分析不同接線約束對(duì)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)測(cè)試

1.1 試件試驗(yàn)主要參數(shù)

本次模態(tài)試驗(yàn)被試件為高速列車齒輪箱接地線座板，齒輪箱接線板主要試驗(yàn)參數(shù)如下：

采樣頻率為2048Hz，分析頻率為1024Hz，譜線數(shù)為8192。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器儀表

本試驗(yàn)用到的測(cè)試儀器如下：數(shù)據(jù)采集設(shè)備為SCADASⅢ一臺(tái)，ICP加速度計(jì)型號(hào)為：T333B30共6個(gè)，力傳感器型號(hào)為208C02共1個(gè)。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置和編號(hào)

接地線固定方式分為兩種，一種為兩線都固定在電機(jī)側(cè)，第二種按照現(xiàn)車實(shí)際方式固定一條線固定在電機(jī)側(cè)，另外一條固定在車體側(cè)。

1.3.1 激振器為激勵(lì)源的高速列車輪對(duì)齒輪箱接地線座板模態(tài)試驗(yàn)

高速列車齒輪箱接地線座板1個(gè)，共布點(diǎn)6點(diǎn)，布點(diǎn)示意圖如圖1所示。試驗(yàn)測(cè)試中，齒輪箱接地線座板1處激振位置，如圖1所示（黃色圓點(diǎn)）。

1.3.2 力錘激勵(lì)的高速列車輪對(duì)齒輪箱接地線座板模態(tài)試驗(yàn)

高速列車齒輪箱接地線座板1個(gè)，共布點(diǎn)6點(diǎn)，布點(diǎn)與圖1一致。試驗(yàn)測(cè)試中，齒輪箱接地線座板錘擊激勵(lì)位置與激振器激勵(lì)位置一致。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用力錘和激振器分別對(duì)兩種車型齒輪箱接地線座板進(jìn)行敲擊測(cè)試，模態(tài)參數(shù)的識(shí)別利用幅頻特性和相位共振原理進(jìn)行辨識(shí)。在敲擊時(shí)，觀測(cè)振動(dòng)響應(yīng)的幅值和相位，當(dāng)滿足幅值和相位共振條件時(shí)記錄振動(dòng)響應(yīng)和頻率信息，這時(shí)的激勵(lì)頻率就是齒輪箱對(duì)應(yīng)振型的共振頻率。振型是根據(jù)齒輪箱接地線座板響應(yīng)的幅值和相位信息按模態(tài)辨識(shí)理論中的共振法確定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

傳遞函數(shù)圖，在同一激勵(lì)作用下，齒輪箱接地線座板不同布點(diǎn)處，振動(dòng)狀態(tài)不同，峰值越大證明布點(diǎn)受激勵(lì)作用影響更大，所有點(diǎn)產(chǎn)生共振峰值的頻率為共振頻率，頻率由小到大分別為一階共振頻率，二階共振頻率到高階共振頻率。穩(wěn)態(tài)圖，當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)產(chǎn)生激勵(lì)后，不同布點(diǎn)會(huì)在相同的頻率處產(chǎn)生FRF峰值，經(jīng)LMS系統(tǒng)識(shí)別后得到共振頻率點(diǎn)，圖中S為識(shí)別的穩(wěn)定的模態(tài)頻率點(diǎn)，S越多證明改點(diǎn)頻率越穩(wěn)定。

3.1 激振器激勵(lì)輸入

如圖2所示為1點(diǎn)和2點(diǎn)不同接線方式的FRF曲線。

由圖2可看出，在激振器激勵(lì)作用下，兩種接線方式的傳遞函數(shù)曲線形狀相似，現(xiàn)車接線方式出現(xiàn)波峰較非現(xiàn)車遲緩，由此推斷：激振得到的頻率，同階次相比，現(xiàn)車接線方式比非現(xiàn)車接線方式略大，低階次兩接線方式頻率較為接近，高階次頻率相差較大。

圖3為模態(tài)穩(wěn)態(tài)圖，圖中S、V、O分別代表頻率穩(wěn)定性從高到低，經(jīng)LMS分析識(shí)別得到頻率線如圖所示。由得到的頻率分布線亦可驗(yàn)證上述現(xiàn)象。

3.2 錘擊法激勵(lì)輸入

如圖4所示為1點(diǎn)和2點(diǎn)不同接線方式的FRF曲線。

由圖4可看出，在激振器激勵(lì)作用下，兩種接線方式的傳遞函數(shù)曲線形狀相似，現(xiàn)車接線方式出現(xiàn)波峰較非現(xiàn)車提前，由此推斷：激振得到的頻率，同階次相比，現(xiàn)車接線方式比非現(xiàn)車接線方式略小，低階次兩接線方式頻率較為接近，高階次頻率相差較大。

圖5為模態(tài)穩(wěn)態(tài)圖，圖中S、V、O分別代表頻率穩(wěn)定性從高到低，經(jīng)LMS分析識(shí)別得到頻率線如圖所示。由得到的頻率分布線亦可驗(yàn)證上述現(xiàn)象。

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

由試驗(yàn)結(jié)果分析得出，錘擊激勵(lì)作用下，1-5階頻率非現(xiàn)車接線方式略高于現(xiàn)車接線方式，相差最大為9Hz，結(jié)合圖6，6-10階頻率現(xiàn)車接線方式明顯高于非現(xiàn)車接線方式，相差最大167Hz，最小71Hz。在激振器激勵(lì)作用下，除5階頻率外，現(xiàn)車接線方式都高于非現(xiàn)車接線方式，相差最大為172Hz，最小2Hz，1階和2階分別為2Hz和5Hz，3階以上相差基本都大于10Hz。

如圖7所示，激振器和錘擊法激勵(lì)輸入有明顯的差異性，每一階頻率相差均10Hz以上。

4 結(jié)論

（1）接地線不同的固定方式會(huì)對(duì)模態(tài)頻率產(chǎn)生影響，低階頻率影響較小，高階頻率影響較大。

（2）低階頻率時(shí)接線方式對(duì)頻率影響較小，高階頻率時(shí)，現(xiàn)車接線方式明顯高于此類非現(xiàn)車接線方式。

（3）激振器和錘擊法激勵(lì)輸入有明顯的差異性，是由于激振器的連接改變了接地線座板的剛度和質(zhì)量導(dǎo)致的。

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