劉宏友，李向偉，張 強(qiáng)，段合朋，鄧愛建

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

2016年，SQ6型凹底雙層運(yùn)輸汽車專用車在運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)了副風(fēng)缸吊帶裂紋故障[1]。為找出副風(fēng)缸吊帶出現(xiàn)裂紋故障的原因，中車齊齊哈爾車輛有限公司聯(lián)合中車青島四方車輛研究所有限公司，利用鐵路貨車疲勞與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，在模擬車輛線路運(yùn)行振動(dòng)環(huán)境條件下，對(duì)被試車輛包括車體底架、55 L副風(fēng)缸及其吊帶等部位進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)原安裝方案進(jìn)行了改造，并對(duì)原安裝方案及改造安裝方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文以2011年生產(chǎn)的SQ6型凹底雙層運(yùn)輸汽車專用車(車號(hào)為7531655)為試驗(yàn)車輛，針對(duì)試驗(yàn)車輛分別進(jìn)行空重車狀態(tài)下55 L副風(fēng)缸原安裝方案、55 L副風(fēng)缸改造安裝方案的車輛振動(dòng)模態(tài)[2-6]和振動(dòng)傳遞研究[7-8]。其中，55 L副風(fēng)缸與車體的原安裝方案為一吊一掛，改造安裝方案對(duì)應(yīng)的附屬件結(jié)構(gòu)則為整體式，副風(fēng)缸與車體采用整體附屬件吊裝方式。圖1為原安裝方案與改造安裝方案圖。

圖1 55 L副風(fēng)缸原安裝方案與改造安裝方案

1 測(cè)點(diǎn)布置

在副風(fēng)缸吊帶和附屬件上布置動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，55 L副風(fēng)缸原安裝方案與改造安裝方案的動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置情況如表1所示。

表1 動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置情況

在試驗(yàn)車輛車體底架、副風(fēng)缸缸體和附屬件等部位布置振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)。55 L副風(fēng)缸原安裝方案對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)布置情況為：(1)車體枕梁兩端布置垂向、橫向加速度傳感器，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)；(2)車體大橫梁兩端端部布置垂向、橫向加速度傳感器，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)；(3)車體2位端大橫梁55 L副風(fēng)缸附屬件位置布置垂向、橫向加速度傳感器，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)；(4)橫梁吊座組成兩端和中間位置布置垂向、橫向加速度傳感器，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)；(5)車體心盤后方布置垂向、橫向加速度傳感器，1個(gè)測(cè)點(diǎn)；(6)55 L副風(fēng)缸缸體上布置垂向、橫向和縱向三向加速度傳感器，共3個(gè)測(cè)點(diǎn)；(7)55 L副風(fēng)缸吊帶上布置垂向、橫向和縱向三向加速度傳感器，共15個(gè)測(cè)點(diǎn)；(8)11 L風(fēng)缸缸體上布置垂向、橫向加速度傳感器，1個(gè)測(cè)點(diǎn)；(9)車體底架兩端橫梁吊座組成之間布置垂向、橫向加速度傳感器，共27個(gè)測(cè)點(diǎn)。

55 L副風(fēng)缸改造安裝方案中吊帶及缸體上的振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)與55 L副風(fēng)缸原安裝方案的測(cè)點(diǎn)位置相同，車體底架上的振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)則取消了兩端橫梁吊座組成之間的垂向、橫向振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)與原安裝方案的車體振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)位置相同。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 利用錘擊法進(jìn)行副風(fēng)缸局部模態(tài)試驗(yàn)

將整備車輛放置于平直軌道上，利用力錘分別按垂向、橫向、縱向3個(gè)方向敲擊副風(fēng)缸缸體和吊帶，選擇敲擊點(diǎn)時(shí)盡量避開節(jié)點(diǎn)或者節(jié)線。利用工作模態(tài)分析方法對(duì)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到副風(fēng)缸缸體和吊帶的局部振動(dòng)模態(tài)參數(shù)。

2.2 利用臺(tái)架法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)

將整備車輛放置于鐵路貨車疲勞與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的4條輪對(duì)支撐梁上，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)鉸接裝置連接車輛的一端車鉤，另一端車鉤呈自由狀態(tài)。每條輪對(duì)支撐梁下部連接2個(gè)垂向作動(dòng)器，輪對(duì)支撐梁一端連接1個(gè)橫向作動(dòng)器，作動(dòng)器通過(guò)輪對(duì)支撐梁激勵(lì)整備車輛在垂向、橫向振動(dòng)。

對(duì)試驗(yàn)車輛分別采用隨機(jī)信號(hào)、正弦變頻掃描信號(hào)、階躍激振信號(hào)等進(jìn)行激勵(lì)，利用多點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)同時(shí)采集的方法，獲得高信噪比的頻響函數(shù)。利用工作模態(tài)分析方法對(duì)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到車體底架和副風(fēng)缸的模態(tài)參數(shù)。

2.3 利用軌道譜進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)

車輛狀態(tài)同2.2節(jié)車輛狀態(tài)。使用美國(guó)Ⅴ級(jí)線路譜進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，最高試驗(yàn)速度為132 km/h，最低試驗(yàn)速度為30 km/h，步長(zhǎng)為10～20 km/h。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 采用原安裝方案副風(fēng)缸的試驗(yàn)車輛試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

采用55 L副風(fēng)缸原安裝方案的試驗(yàn)車輛的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，由于錘擊法激勵(lì)能量很小，故無(wú)法測(cè)出車體底架的模態(tài)參數(shù)。臺(tái)架法則很好地克服了錘擊法的缺點(diǎn)，車體底架模態(tài)參數(shù)信息較為豐富。由試驗(yàn)結(jié)果可知，副風(fēng)缸固有頻率與車體底架低階固有頻率實(shí)現(xiàn)了較好的隔離，不會(huì)導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生共振現(xiàn)象。無(wú)論是錘擊法還是臺(tái)架法，副風(fēng)缸在空重車工況下的各階模態(tài)頻率試驗(yàn)結(jié)果差別很小。

表2 采用55 L副風(fēng)缸原安裝方案的試驗(yàn)車輛的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

在美國(guó)Ⅴ級(jí)線路譜激勵(lì)下，55 L副風(fēng)缸原安裝方案在空重車工況下的動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力幅值測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可知，空重車狀態(tài)對(duì)各考察部位的最大應(yīng)力幅值影響較小，但具體測(cè)點(diǎn)位置會(huì)有差別。例如，副風(fēng)缸吊帶螺栓孔附近動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力幅值在空車狀態(tài)下為26.50 MPa，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)速度為120 km/h，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為Y2點(diǎn)；在重車狀態(tài)下為27.84 MPa，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)速度為132 km/h，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為Y4點(diǎn)。另外，隨著考察點(diǎn)的不同，各點(diǎn)出現(xiàn)最大應(yīng)力幅值對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)速度是不同的。

表3 55 L副風(fēng)缸原安裝方案動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力幅值測(cè)試結(jié)果

在美國(guó)Ⅴ級(jí)線路譜激勵(lì)下，采用55 L副風(fēng)缸原安裝方案的車輛在空重車工況下各測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果見表4。由表4可知，空重車狀態(tài)對(duì)各考察部位的最大振動(dòng)加速度影響較小，但具體測(cè)點(diǎn)位置會(huì)有差別。例如：車體大橫梁處最大振動(dòng)加速度在空車狀態(tài)下為1.67g，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)速度為70 km/h，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為A70點(diǎn)；在重車狀態(tài)下為1.52g，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)速度為132 km/h，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為A10點(diǎn)。另外，隨著考察點(diǎn)的不同，各點(diǎn)出現(xiàn)最大振動(dòng)加速度對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)速度可能不同。

表4 采用55 L副風(fēng)缸原安裝方案的車輛各測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果

3.1.3 動(dòng)應(yīng)力及振動(dòng)加速度PSD分析結(jié)果

在美國(guó)Ⅴ級(jí)線路譜激勵(lì)下，無(wú)論是空車工況還是重車工況，在不同試驗(yàn)速度下，車體底架心盤后方和大橫梁中部的振動(dòng)加速度均出現(xiàn)了40～80 Hz能量較高的高頻成分，如圖2所示。

圖2 空車車體底架心盤后方及大橫梁中部的垂向振動(dòng)加速度PSD頻譜圖(80 km/h)

在不同試驗(yàn)速度下，副風(fēng)缸吊帶螺栓孔附近的動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)Y7及副風(fēng)缸缸體的振動(dòng)加速度均出現(xiàn)高頻振動(dòng)，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為70 Hz(圖3)，與模態(tài)試驗(yàn)得到的副風(fēng)缸點(diǎn)頭模態(tài)頻率非常接近。經(jīng)分析認(rèn)為，副風(fēng)缸點(diǎn)頭共振是引起副風(fēng)缸吊帶螺栓孔出現(xiàn)裂紋的主要原因。另外，由試驗(yàn)結(jié)果可知，副風(fēng)缸吊帶振動(dòng)加速度峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率在空車狀態(tài)下為98 Hz，在重車狀態(tài)下為102 Hz。

圖3 美國(guó)Ⅴ級(jí)線路譜激勵(lì)下空車動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)(Y7)PSD頻譜圖

3.2 采用改造安裝方案副風(fēng)缸的試驗(yàn)車輛試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)車輛車體底架模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與3.1.1節(jié)基本相同，這里不再贅述。55 L副風(fēng)缸改造安裝方案模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，副風(fēng)缸固有頻率與車體高階固有頻率實(shí)現(xiàn)了較好的隔離，不會(huì)導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生共振現(xiàn)象。另外，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是錘擊法還是臺(tái)架法，副風(fēng)缸在空重車工況下的各階模態(tài)頻率試驗(yàn)結(jié)果差別很小。副風(fēng)缸改造前后的點(diǎn)頭固有頻率由70 Hz左右提高到130 Hz左右，有望解決副風(fēng)缸的點(diǎn)頭共振問(wèn)題。

表5 55 L副風(fēng)缸改造安裝方案模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

在美國(guó)Ⅴ級(jí)線路譜激勵(lì)下，55 L副風(fēng)缸改造安裝方案在空重車工況下的動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力幅值測(cè)試結(jié)果見表6，車輛各測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果見表7。由表6、表7可知，無(wú)論是空車工況還是重車工況，相比于原安裝方案，改造安裝方案各動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力幅值均大大降低，最大振動(dòng)加速度也明顯減小，可以有效提高副風(fēng)缸附屬件的疲勞壽命。

表6 55 L副風(fēng)缸改造安裝方案動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力幅值測(cè)試結(jié)果

表7 采用55 L副風(fēng)缸改造安裝方案的車輛各測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文以SQ6型凹底雙層運(yùn)輸汽車專用車為例，利用鐵路貨車疲勞與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)傳遞研究，得出以下主要結(jié)論：

(1) 在空重車工況下，采用55 L副風(fēng)缸原安裝方案的車輛在車體底架心盤后方和大橫梁中部存在40～80 Hz高頻振動(dòng)。55 L副風(fēng)缸原安裝方案吊帶螺栓孔處的動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)在不同試驗(yàn)速度下均出現(xiàn)主頻為70 Hz的振動(dòng)，與模態(tài)試驗(yàn)得到的副風(fēng)缸點(diǎn)頭模態(tài)頻率相近。副風(fēng)缸點(diǎn)頭共振是引起車輛運(yùn)用過(guò)程中副風(fēng)缸吊帶螺栓孔處產(chǎn)生裂紋的主要原因。

(2) 在空重車工況下，與原安裝方案副風(fēng)缸相比，改造安裝方案副風(fēng)缸缸體的垂向振動(dòng)加速度最大幅值由4.40g降為2.38g，橫向振動(dòng)加速度最大幅值由1.88g降為1.14g，動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力幅值由27.84 MPa降為10.80 MPa，副風(fēng)缸點(diǎn)頭頻率由70 Hz提高到130 Hz左右。55 L副風(fēng)缸改造安裝方案可以有效避免副風(fēng)缸出現(xiàn)點(diǎn)頭共振。

(3) 錘擊法和臺(tái)架法都是工程上廣泛使用的模態(tài)試驗(yàn)方法，但對(duì)于本文開展的SQ6型凹底雙層運(yùn)輸汽車專用車模態(tài)試驗(yàn)而言，由于錘擊法激勵(lì)能量較小，因此沒(méi)有得到車體底架的模態(tài)測(cè)試結(jié)果。

(4) 采用臺(tái)架法可以得到副風(fēng)缸的所有模態(tài)參數(shù)，并且錘擊法和臺(tái)架法測(cè)得的副風(fēng)缸模態(tài)參數(shù)結(jié)果較為接近。

(5) 開展振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)傳遞研究可以有效識(shí)別車輛發(fā)生的某些故障[9-10]，將來(lái)可以將車輛的故障診斷工作轉(zhuǎn)化為故障預(yù)測(cè)工作，從而大大降低因車輛故障造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

近5年的運(yùn)用實(shí)踐表明，55 L副風(fēng)缸改造安裝方案從力學(xué)源頭上解決了原安裝方案副風(fēng)缸的點(diǎn)頭共振問(wèn)題，運(yùn)用效果良好，副風(fēng)缸吊帶未再出現(xiàn)裂紋等故障情況。