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        鐵道客車車體模態(tài)試驗(yàn)研究

        2021-08-30 02:07:10段合朋鄧愛建劉宏友賈尚帥
        鐵道車輛 2021年4期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)

        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(duì)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(hào),進(jìn)而計(jì)算輸入輸出信號(hào)之間的頻響函數(shù),通過模態(tài)參數(shù)辨識(shí)方法得到車輛的模態(tài)參數(shù)[1]。

        滾動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)法是指利用整車滾動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),通過采集車體各截面測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度,選擇端墻測(cè)試點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)作為參考通道,計(jì)算各測(cè)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(shí)別方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。整車滾動(dòng)振動(dòng)臺(tái)輸入信號(hào)可以是線路激擾譜,也可以是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(正弦信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)、沖擊信號(hào)等)或者線路上采集的加速度信號(hào),輸入信號(hào)通過控制器控制液壓作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛輪對(duì)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(tái)試驗(yàn)法比較接近,都屬于環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)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(duì)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(tái)試驗(yàn)法主要對(duì)整備狀態(tài)車體進(jìn)行試驗(yàn);線路試驗(yàn)法主要針對(duì)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(cè)點(diǎn)方案

        基于激振器試驗(yàn)法時(shí),沿車體長(zhǎng)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(cè)點(diǎn),如圖1所示?;跐L動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)法、線路試驗(yàn)法時(shí),沿長(zhǎng)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(cè)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(tái)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(duì)不同試驗(yàn)工況所獲得的加速度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理后,采用模態(tài)參數(shù)識(shí)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(cè)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(cè)試結(jié)果

        4.2 結(jié)果分析

        (1) 對(duì)比車體結(jié)構(gòu)與整備狀態(tài)空車車體橫向參數(shù)測(cè)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(duì)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(duì)垂向彎曲剛度影響較大,對(duì)橫向彎曲剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度影響相對(duì)較小。

        (2) 對(duì)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(cè)試結(jié)果可知,載人對(duì)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(duì)車體頻率的影響相對(duì)較小。

        5 滾動(dòng)振動(dòng)臺(tái)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(tái)試驗(yàn)法、線路試驗(yàn)法得出的車體模態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表3。

        表3 滾動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)法及線路試驗(yàn)法得到的車體模態(tài)參數(shù)測(cè)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(tái)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(duì)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(duì)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(tái)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(duì)較好。

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

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