謝　丹, 劉　濤, 張向海

(1　長春汽車工業(yè)高等?？茖W校， 長春 130013；2　中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130012)

隨著我國經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化發(fā)展進程的不斷加快，具有快速、綠色、安全、舒適等特點的城市軌道交通建設越來越受到更多的關注。而地鐵車輛作為軌道交通的重要組成部分，其運行的安全性、穩(wěn)定性也越來越重要。在實際運行的過程中，受線路和各種激勵的作用，將引起整車或車體局部振動，如果這種振動超過了某一限度，將嚴重影響乘客的舒適度，甚至引起結(jié)構疲勞等安全問題[1]。

針對某地鐵車輛地板局部及座椅發(fā)生異常振動為例，通過線路跟蹤測試，獲取結(jié)構異常振動的具體特性，基于傳遞分析方法對引起結(jié)構異常振動的激勵源進行研究，結(jié)合模態(tài)分析及車輪徑向跳動量的測試，分析地板局部及座椅結(jié)構異常振動特性產(chǎn)生的根源，為車輛在運行過程中出現(xiàn)異常振動等問題的原因查找及改進方案提供研究思路和方法。

1　理論基礎

運行中的地鐵車輛是一個多自由度振動系統(tǒng)，假設該系統(tǒng)是線性時不變的，且有N個不同的傳遞路徑，即有N個輸入激勵，車內(nèi)的振動就是通過這些路徑傳遞而至。在車內(nèi)某個位置上的總體振動為(Pt)，可以由各個傳遞路徑的振動(Pi)的子貢獻量總和來確定，即

(1)

由于系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為振動響應與作用在指定傳遞路徑上的激勵的比值。因此，車內(nèi)某個位置上的總體振動就是由指定路徑上的振動激勵(Fi)和計算結(jié)構振動傳遞函數(shù)(P/F)i后確定的。于是方程(1)轉(zhuǎn)化為方程(2)：

(2)

假設車內(nèi)有M個接受體振動{Pi}時, 所有的傳遞函數(shù)可以被集合成一個結(jié)構的頻率響應函數(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，建立一個傳遞路徑分析模型需要兩個基本要素：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)在受到單位激勵后沿著某一個傳遞路徑在某接受體處產(chǎn)生振動的大小[2]。

2　振動現(xiàn)象描述

針對出現(xiàn)異常振動的車輛進行線路跟蹤測試，并對可能會引起振動的空調(diào)系統(tǒng)、車下設備和車下走行部位等激勵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特性，測點位置如圖1所示。

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

圖1　線路測試中車輛測點布置圖

圖2　線路測試中地板與座椅測點 在時域的加速度響應圖

3　車輛振動特性分析

對于車體地板局部和座椅出現(xiàn)的異常振動問題，分析思路主要有以下3個方面：(1)削減激勵源的振動，引起車輛異常振動的激勵源主要有輪軌激勵、車上的旋轉(zhuǎn)機械等，首先就是要準確找出激勵源并對其進行削減；(2)隔離振動傳遞，從傳遞路徑上找出結(jié)構振動傳遞貢獻較大的路徑，對其進行消除或隔離；(3)對輸出環(huán)節(jié)進行控制。判斷出現(xiàn)異常振動的結(jié)構是否發(fā)生共振，可以通過增加地板或座椅局部剛度提高其固有頻率的方法，避開激擾頻率范圍[3]。

圖3　線路測試中地板與座椅測點振動加速度功率譜

3.1　振源分析

對于能夠引起車體地板和座椅異常振動的激勵源，可能為空調(diào)系統(tǒng)、車下設備和車下走行部位。以帶有司機室的Tc車為例，這里的車下設備為輔助逆變器和空壓機。

3.1.1空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)開啟和關閉時，空調(diào)自身和座椅在垂向的振動加速度功率譜，如圖4所示。

結(jié)果表明，無論空調(diào)開啟或關閉，座椅的振動依然存在且主頻約為42 Hz，同時，空調(diào)自身的工作頻率約為48 Hz。

3.1.2車下設備

空壓機和輔助逆變器開啟時，所對應的車體上方地板在垂向的振動加速度功率譜，如圖5所示。

圖4　空調(diào)與座椅振動加速度功率譜

圖5　車下設備與車體地板振動加速度功率譜

結(jié)果表明，空壓機和輔助逆變器分別存在約為8 Hz和70 Hz的振動主頻，相對應車體地板上測點在此頻段振動不明顯。

3.1.3車下走行部位

軸箱、構架、車體地板及座椅在垂向的振動加速度功率譜和頻譜，如圖6、圖7所示。該地鐵車在65 km/h線路運行時，提取穩(wěn)態(tài)運行30 s的振動加速度信號，并對該信號進行時域統(tǒng)計分析，計算加速度有效值(RMS)，得到表1所示的時域統(tǒng)計特征。

結(jié)果表明，軸箱、構架存在明顯的車輪轉(zhuǎn)頻倍頻成分，此頻率與車速有關。地板的振動主頻與構架、軸箱一致，約為62 Hz，座椅的振動主頻約為42 Hz，同時也存在62 Hz的振動主頻，但幅值相對較小。從軸箱到構架、構架到車體，振動加速度的有效值逐漸減小，說明車輛軸箱和空簧系統(tǒng)對垂向振動具有一定的減振效果。

因此，初步判定車下走行部位振動激勵為車體地板局部振動的激勵源，座椅的振動與地板振動有關，但不是主要因素，還需要通過模態(tài)分析進行判定。

3.2　模態(tài)分析

從車輛線路測試分析知，地板和座椅的振動能量主

圖6　軸箱-構架-車體地板及座椅振動加速度功率譜

圖7　軸箱-構架-車體地板及座椅振動頻譜

測點位置RMS/g軸箱1.33構架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，振動主頻約為62 Hz和42 Hz。為此，主要對此頻段進行車體地板結(jié)構和座椅結(jié)構的模態(tài)測試與分析。在此頻段中，車體地板和座椅的模態(tài)測試結(jié)果，如圖8所示。

從圖8中可以看出，車體地板和座椅分別存在60.10 Hz和42.60 Hz的固有模態(tài)，與線路測試出現(xiàn)的振動主頻較為接近，而結(jié)構的振動形式往往是多個振動模態(tài)耦合而成，當實際振動的振動主頻接近某階固有頻率時，此時的實際振動形式即為此階模態(tài)的振動，即車體地板局部和座椅結(jié)構發(fā)生了自振。

圖8　車體地板及座椅模態(tài)測試

3.3　車輪徑向跳動量分析

車輪非圓化是各種鐵道車輛普遍存在的一種車輪損傷形式[4]，車輪徑向跳動量測試是獲得車輪不圓順狀態(tài)的一種快捷的方式。該地鐵車輛運營里程為50萬km，當車體出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象時距離上次旋修運營里程為12萬km。對上述地鐵車輛的Tc車車輪的徑向跳動量進行測試，結(jié)果如表2所示。

從表2實測的車輪徑跳結(jié)果可以看出，車輪均存在0.3 mm以上徑向跳動量，其中1軸左輪最為嚴重，徑跳量超過1 mm。車輪主要以偏心為主，絕大部分車輪部分圓周存在多邊形特征。

4　振動控制

綜上所述，車體地板局部及座椅結(jié)構的異常振動主要是由線路激擾引起的自振所導致，并且車輪不圓也是造成車體振動加劇的重要因素。因此，通過本次車輛振動分析以及考慮到地鐵車輛客觀存在的運行環(huán)境，總結(jié)出可以通過優(yōu)化車輛自身結(jié)構、加強運營檢修和規(guī)范監(jiān)督管理等方面，達到控制結(jié)構異常振動的目的。

表2　車輪徑向跳動測量結(jié)果

4.1　優(yōu)化車輛結(jié)構

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

4.2　規(guī)范檢修作業(yè)

車輛的檢修作業(yè)是消除不安全因素，保障行車安全，降低運營成本的重要手段。車輛異常振動后的旋修作業(yè)雖然是事后的補救措施，但也不能長期依賴，還需要加強檢修規(guī)程、檢修工藝、檢修人員技術業(yè)務素質(zhì)等方面的規(guī)范化管理，盡可能的把隱患消除在庫內(nèi)，這些防范措施對于地鐵車輛日常運營的效能和安全也至關重要。

5　結(jié)　論

基于傳遞分析方法并結(jié)合模態(tài)分析及車輪徑向跳動量的測試，對車體地板局部及座椅結(jié)構異常振動的問題進行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) 通過線路測試確定地板局部及座椅結(jié)構振動主頻為62 Hz和42 Hz；

(2) 車輛運行過程中地板局部及座椅結(jié)構的異常振動是由其自振所致；

(3) 轉(zhuǎn)向架軸箱、構架、車體振動均存在車輪轉(zhuǎn)頻倍頻的成分，此頻率與車速有關，結(jié)合車輪徑向跳動量測試結(jié)果，主要由車輪偏心及部分圓周多邊形導致；

(4) 運用模態(tài)分析的理論方法可以為車輛振動問題的解決提供研究思路和方法，并為結(jié)構動態(tài)設計提供參考；

(5) 加強檢修規(guī)程、檢修工藝、檢修人員技術業(yè)務素質(zhì)等方面的規(guī)范化管理，盡可能的把隱患消除在庫內(nèi)，為地鐵車輛日常運營的效能和安全提供重要保障。