某公鐵轉換裝置的模態分析

李紅勛賈楠孟千惠

1. 軍事交通學院科研部國家應急交通運輸裝備工程技術研究中心 天津 300161

2. 軍事交通學院外訓系 天津 300161

某公鐵轉換裝置的模態分析

李紅勛1賈楠1孟千惠2

1. 軍事交通學院科研部國家應急交通運輸裝備工程技術研究中心 天津 300161

2. 軍事交通學院外訓系 天津 300161

采用數值模擬技術對公鐵兩用牽引車公鐵轉換裝置在轉換工作狀態時的模態進行分析，并依據車架振動評價原則對公鐵轉換裝置的動態性能進行評價。由分析結果可知，該公鐵兩用牽引車公鐵轉換裝置的動態性能符合要求。

公鐵兩用牽引車 公鐵轉換裝置 模態分析

1 前言

公鐵兩用牽引車既能在公路上機動行駛，又能在鐵路上牽引作業，主要由輪式底盤、鐵路導向系統、制動系統和牽引裝置等組成，其借助公鐵轉換裝置（轉盤和車架）可在鐵路平交道口實現公鐵轉換。公鐵轉換裝置是公鐵兩用牽引車進行作業動作的主要機構之一，其設計的好壞將直接決定著整個公鐵兩用牽引車的作業性能。因此，有必要對公鐵兩用牽引車公鐵轉換裝置進行研究。本文將采用數值模擬技術對公鐵兩用車公鐵轉換裝置在公鐵轉換工作狀態時的模態進行分析。

2 公鐵轉換裝置的實體建模

采用自底向上的設計方法，首先生成零件，再通過裝配關系構建主要工作裝置的三維實體模型。

通過拉伸、旋轉、薄壁特征、特征陣列等操作來建立主要工作裝置各部件（由下至上依次為轉盤、液壓舉升缸、前車架和后車架）的實體模型[1]，如圖1~4所示。

按照虛擬裝配原理，將各零部件進行裝配，得到主要工作裝置的三維實體模型，如圖5所示。

3 公鐵轉換裝置的模態分析

3.1 轉盤的模態分析

3.1.1 模型的建立及邊界條件的處理

轉盤材料為HG70鋼，模型中的所有長度單位均為mm，力的單位為N。在SolidWorks軟件中創建的實體模型通過數據接口讀入ANSYS中，選用ANSYS有限元分析軟件默認的網格類型，進行網格劃分，共劃分294 110個單元，459 235個節點。

在對轉盤結構進行模態分析時，由于求解的是轉盤結構的固有特性（固有頻率和固有振型），與所受外力無關，故可忽略外部載荷的作用（自重：9 398.2 N）。就轉盤結構動態特性而言，如果轉盤有限元模態分析采用實際邊界條件支撐，則能夠精確地反映出轉盤在工作時的動態性能，但實際邊界條件是極其復雜的，而且添加剛度較大的實際邊界會在有限元分析中影響計算的精度，因此實際支撐條件下的模態分析采取近似的方法模擬邊界條件。對轉盤模態分析時邊界條件的處理：仿真過程中的轉盤模型去除各附件，保留與導輪的連接約束。約束點的確定取在轉盤與導輪的連接處，約束點約束水平、豎直和旋轉方向的6個自由度。

3.1.2 模態分析的計算結果

采用Lanczos法對公鐵轉換工作狀態下的轉盤有限元模型進行分析計算。考慮到對轉盤動態特性影響較大的頻率在低頻段，因此提取前4階固有頻率，得到的固有頻率如表1所示，其前4階的1:50振型圖如圖6~9所示。

表1 公鐵轉換工況時車架前4階約束模態計算結果

從圖6~9前4階固有振型可以看出，第1階與第3階、第2階與第4階的固有振型基本相同，振幅各不相同，第1階和第3階固有振型為整個結構的彎曲振動（第1階中部幅度大、第3階前后端幅度大），第2階和第4階固有振型為整個結構的扭轉振動（第2階左右端幅度大、第4階角端幅度大）。在此給出公鐵轉換工況的固有頻率，為結合發動機的燃燒激振頻率以及其他激振頻率對公鐵轉換裝置的進一步優化改進奠定基礎，為隔振、減振系統的設計或優化改進提供依據。

3.2 車架的模態分析

3.2.1 模型的建立及邊界條件的處理

車架材料為16Mn鋼，模型中的所有長度單位為mm，力的單位為N。實體模型通過數據接口讀入ANSYS中，選用軟件模塊所默認的網格類型，劃分有限元網格。車架模型共劃分32 464個單元，64 122個節點[1]。

在對車架結構進行模態分析時，忽略所有外部載荷，自重為33 966.8 N，并采取近似的方法模擬邊界條件，對鉸接式車架在公鐵轉換工作狀態進行模態分析。對車架模態分析時邊界條件的處理：仿真過程中的車架模型去除各附件，保留與舉升缸的連接約束；約束點的確定取在車架與舉升缸的連接處，約束點約束水平、豎直和旋轉方向的6個移動自由度。

3.2.2 模態分析的計算結果

采用Lanczos法對公鐵轉換工作狀態下的車架有限元模型進行分析計算。考慮到對車架動態特性影響較大的頻率集中在低、中頻段，因此提取前6階固有頻率，得到的固有頻率如表2，以及其前6階1:20振型圖（見圖10~15）。

表2 公鐵轉換工況時車架前6階約束模態計算結果

從圖10~15車架在公鐵轉換工況時各階固有振型中可以看出，前3階固有振型基本相同，振幅各不相同，第1階固有振型為后車架尾部的左右彎曲振動，第2階固有振型為后車架尾部的上下彎曲振動，第3階固有振型為后車架尾部的里外彎曲振動，第4階固有振型為后車架尾部的扭轉振動，第5階固有振型為前車架前端的上下彎曲振動，第6階固有振型為后車架中后部波浪型擺振。同時在公鐵轉換過程中，裝置的工作姿態不會發生大的變化，系統的固有頻率和振型也不會有大的改變。

4 公鐵轉換裝置的動態性能評價

由文獻[2]可知，公鐵轉換裝置在工作過程中需滿足以下要求，才可使其保持良好的穩定性和安全性：

a. 裝置的低階固有頻率應低于發動機怠速運轉激勵頻率，以免發生共振現象；

b. 裝置的低階固有頻率應避開發動機的常用頻率范圍；

c. 裝置的固有振型應盡量光滑。

由文獻[3]可知發動機激勵對車架的影響主要考慮爆發激勵頻率f：

式中，n為發動機的轉速，z為發動機的缸數，τ為發動機的沖程數。該公鐵兩用牽引車所配套的怠速n=600 m in/r，相應的怠速f=30 Hz。在 n=1 200~2 200 min/r時 ，相應的f=60~110 Hz。

公鐵轉換工作狀態下，轉盤的前四階約束模態均高于正常轉速下發動機的爆發激勵頻率，不會引起共振；車架約束模態第1階固有頻率均低于發動機的怠速及常用轉速下的爆發激勵頻率，車架不會發生共振。車架在公鐵轉換工作狀態的第2階固有頻率與發動機的怠速爆發激勵頻率相近，有可能引起車架的共振，但由于選用或設計發動機懸置時必須考慮懸置的積極隔振作用，因此不會引起車架的較大振動。車架的第3~6階固有頻率高于發動機的怠速爆發激勵頻率而低于常用轉速下的爆發激勵頻率，不會引起車架的共振。

5 結語

公鐵兩用牽引車車架和轉盤的固有頻率和固有振型不僅關系到其公鐵轉換工作過程的穩定性，而且會影響到整車的安全性；基于數值模擬技術完成了對公鐵轉換裝置的模態分析；依據一定的車架振動評價原則對公鐵轉換裝置的動態性能進行評價。由分析可知，該公鐵兩用牽引車公鐵轉換裝置的動態性能符合要求，該分析對于公鐵轉換裝置的設計和改進意義重大。

[1] 李紅勛,張弛,張賀..基于虛擬樣機技術的鉸接式車架有限元分析[J].專用汽車,2009(12):46-48.

[2] 馮國勝.汽車車架動態特性分析及應用[J].汽車技術,1994(8):9-12.

[3] 胡正權.回轉制動載荷激勵下的門座起重機臂架系統動態特性研究[D].武漢理工大學,2003:11-58．

Modal Analysis of Rail-road Switching Device for Road-rail Vehicle

LI Hong-xun et al

The modal analysis of rail-road switching device under working mode is conducted by using numerical simulation technology，and dynamic performance is evaluated on the basis of some vibration evaluation principle. According to the analysis results, performance of the device met the requirements.

road-rail vehicle; rail-road switching device; modal analysis

U469.6+93.02

A

1004-0226(2015)05-0094-04

李紅勛，1981年生，講師，主要研究方向為軍用特種車輛設計與仿真。

2015-03-03