振動(dòng)沖擊試驗(yàn)在機(jī)車車輛設(shè)備的應(yīng)用

(中車青島四方車輛研究所有限公司 電氣事業(yè)本部 山東 青島 266031)

一、前言

當(dāng)前隨著高速鐵路建設(shè)和城市軌道交通的發(fā)展，機(jī)車車輛在高速行駛中產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊是導(dǎo)致各類設(shè)備失效的主要原因，高速運(yùn)行中的機(jī)車車輛會(huì)產(chǎn)生極其復(fù)雜的振動(dòng)沖擊，其危害可以導(dǎo)致儀器設(shè)備失效、甚至出現(xiàn)車底懸掛裝置脫落而導(dǎo)致車體傾覆的嚴(yán)重事故。因此為了確保機(jī)車車輛各種部件的產(chǎn)品質(zhì)量，鐵路行業(yè)頒發(fā)的技術(shù)條件中都明確規(guī)定把振動(dòng)沖擊試驗(yàn)作為產(chǎn)品檢驗(yàn)的關(guān)鍵類項(xiàng)點(diǎn)，由此可見，振動(dòng)沖擊試驗(yàn)是考核機(jī)車車輛設(shè)備安全可靠工作的重要因素。

振動(dòng)沖擊試驗(yàn)的目的就是在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上模擬機(jī)車車輛設(shè)備在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用過程中所可能經(jīng)受到的振動(dòng)及其影響，筆者根據(jù)多年從事振動(dòng)沖擊試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：1.振動(dòng)沖擊對(duì)設(shè)備機(jī)理的影響：如內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)位移，這些動(dòng)態(tài)位移和相應(yīng)的速度、加速度可能引起或加劇結(jié)構(gòu)疲勞、組件和零件的機(jī)械磨損。2.振動(dòng)沖擊對(duì)設(shè)備失效的影響：(1)主要是指變形、彎曲、產(chǎn)生裂紋、斷裂和造成設(shè)備之間的相互撞擊等。(2)對(duì)工作性能的影響：這種影響主要是指設(shè)備動(dòng)作不正常、設(shè)備接觸不良、繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)作等，從而導(dǎo)致設(shè)備功能不正常。3.振動(dòng)沖擊對(duì)工藝性能的影響：這種影響主要是指螺釘松動(dòng)、連接件或焊點(diǎn)脫開等。所以通過振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，可以為設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、定型過程中進(jìn)行失效分析和改善，為高速列車安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

二、振動(dòng)試驗(yàn)種類及選擇

振動(dòng)試驗(yàn)按所加載荷的性質(zhì)來分有正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)，正弦振動(dòng)主要是由于機(jī)械的旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、振蕩等諸力所引起的振動(dòng)。而機(jī)車車輛在行駛中的振動(dòng)，絕大多數(shù)是隨機(jī)性質(zhì)的振動(dòng)。例如：機(jī)車車輛在高速行駛時(shí)，加速減速、鋼軌和道岔與輪對(duì)產(chǎn)生的碰撞等都屬于隨機(jī)振動(dòng)，所以，用隨機(jī)振動(dòng)比用正弦振動(dòng)更能真實(shí)反映機(jī)車車輛設(shè)備的耐振性能。隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)相比，隨機(jī)振動(dòng)的頻率域?qū)掗煟矣幸粋€(gè)連續(xù)的頻譜，它能同時(shí)在所有頻率上對(duì)被試設(shè)備進(jìn)行激勵(lì)，各種頻率的相互作用遠(yuǎn)比用正弦振動(dòng)僅對(duì)某些頻率或連續(xù)掃頻振動(dòng)的影響更嚴(yán)酷、更真實(shí)和更有效。

正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)的表示方法是兩種不同的理論，正弦加速度峰值是在一個(gè)頻率上的最大加速度值，隨機(jī)振動(dòng)的均方根值是譜密度曲線的面積的平方根。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的效率高于正弦振動(dòng)試驗(yàn)，而且不易發(fā)生正弦振動(dòng)時(shí)對(duì)被試設(shè)備所產(chǎn)生的過應(yīng)力及應(yīng)力殘留等不良影響。正弦振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)于發(fā)現(xiàn)被試設(shè)備是否有共振點(diǎn)非常有效，正弦掃頻時(shí)，被試設(shè)備的各共振頻率是由低到高分別依次發(fā)生共振，而寬帶隨機(jī)試驗(yàn)時(shí)，被試設(shè)備的各共振頻率同時(shí)發(fā)生共振。正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)不存在通用的等效關(guān)系，正弦振動(dòng)試驗(yàn)適合于產(chǎn)品的最初分析研發(fā)階段，而隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)用于最終產(chǎn)品定型階段。正弦振動(dòng)是逐個(gè)頻率地進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，所以它解決設(shè)備結(jié)構(gòu)局部耐振能力為主，隨機(jī)振動(dòng)是從整個(gè)頻率范圍的總振動(dòng)能量進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，則以考察設(shè)備整體結(jié)構(gòu)耐振性能為主。具體采用哪一種振動(dòng)試驗(yàn)要看考核目的是什么，如果部件處于設(shè)計(jì)研發(fā)階段，目的是為了尋找樣機(jī)的頻響特性和缺陷、避免共振以及考核疲勞強(qiáng)度，則應(yīng)該選擇正弦振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果也易于理解和使用；如果部件已經(jīng)成熟定型，只需要考核其整體結(jié)構(gòu)耐振性能、做鑒定試驗(yàn)時(shí)，就應(yīng)該優(yōu)先選擇隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)比較適合。

(一)正弦振動(dòng)試驗(yàn)

正弦振動(dòng)試驗(yàn)包括正弦定頻試驗(yàn)和正弦掃頻試驗(yàn)。

1.正弦定頻試驗(yàn)

正弦定頻試驗(yàn)是指在選定的頻率上(可以是共振頻率、特定頻率)按規(guī)定的量值(位移或加速度)進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，并達(dá)到規(guī)定要求的振動(dòng)時(shí)間，正弦定頻試驗(yàn)主要是考查試件在特定頻率下抗振能力和耐振強(qiáng)度。

2.正弦掃頻試驗(yàn)

正弦掃頻試驗(yàn)是指在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，按規(guī)定的振動(dòng)量值以一定的掃頻速率由低頻到高頻，再由高頻到低頻作為一次掃頻試驗(yàn)，直到規(guī)定的掃頻次數(shù)為止，正弦掃頻試驗(yàn)主要用于查找試件所有的共振頻率點(diǎn)。正弦振動(dòng)用頻率、振幅和加速度就可以完整描述其基本運(yùn)動(dòng)了，其關(guān)系式為：(式中：A為加速度：m/s2；D為振幅：mm；f為頻率：Hz)，從上述關(guān)系式可以得出結(jié)論：正弦振動(dòng)試驗(yàn)在振幅相同的條件下，其所對(duì)應(yīng)的加速度值在低頻時(shí)非常小，而在高頻時(shí)非常大。因此，正弦掃頻試驗(yàn)在低頻段用定位移設(shè)置參數(shù)，在高頻段時(shí)則用定加速度設(shè)置參數(shù)。正弦掃頻可采用線性掃描或?qū)?shù)掃描，線性掃描時(shí)頻率的變化是線性的，即單位時(shí)間內(nèi)掃過多少赫茲；對(duì)數(shù)掃描時(shí)頻率是按對(duì)數(shù)變化的，即單位時(shí)間內(nèi)掃過多少倍頻程數(shù)，低頻段時(shí)掃得慢而高頻段時(shí)掃得快。我國鐵路行業(yè)制定了相關(guān)的振動(dòng)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，即TB/T 2542—2000《鐵路機(jī)車車輛部件振動(dòng)試驗(yàn)方法》[1]，此標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS E4031—1994《鐵路機(jī)車車輛部件振動(dòng)試驗(yàn)方法》制定的，其主要有3個(gè)試驗(yàn)內(nèi)容：共振試驗(yàn)、振動(dòng)性能試驗(yàn)和振動(dòng)耐久性試驗(yàn)，按設(shè)備在車體上的安裝位置不同，規(guī)定了6類等級(jí)，縱向、橫向和垂向的振動(dòng)強(qiáng)度相同，只是試驗(yàn)時(shí)間的不同，垂向的試驗(yàn)時(shí)間是縱向和橫向的兩倍。共振試驗(yàn)就是尋找被試設(shè)備的共振點(diǎn)，在不同分類等級(jí)相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，在低頻段設(shè)定全振幅恒定、在高頻段設(shè)定加速度全振幅恒定，并且以合理的掃頻速度，由低頻向高頻往復(fù)掃頻一次以上，從而來確定設(shè)備是否有共振點(diǎn)。振動(dòng)性能試驗(yàn)：就是對(duì)處于工作狀態(tài)下的被試設(shè)備進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，考核設(shè)備在規(guī)定的振動(dòng)條件下是否能正常工作。振動(dòng)耐久性試驗(yàn)：設(shè)備在固定的頻率下，采用加大振動(dòng)加速度和縮短試驗(yàn)時(shí)間的辦法來考核設(shè)備的耐久性。設(shè)備如果有共振點(diǎn)，就按共振頻率進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，如果沒有共振點(diǎn)，就按給定的頻率進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。

(二)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的特點(diǎn)是：被試設(shè)備上的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)總是處于不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會(huì)精確的重復(fù)，所以沒有任何固定的周期。在任何確定的時(shí)刻，其振幅、頻率、相位都不能預(yù)先知道，因此就不可能用簡(jiǎn)單的周期函數(shù)來描述，常用均方根加速度表示隨機(jī)振動(dòng)的強(qiáng)度，用加速度譜密度(ASD)曲線表示其頻率特性。圖1是鐵路機(jī)車車輛設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)所采用的一種隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)圖譜，其單位是(m·s-2)2/Hz(也可以是g2/Hz，需除以9.82系數(shù))。對(duì)于現(xiàn)代高速機(jī)車車輛來說，用隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)芨鼫?zhǔn)確地進(jìn)行模擬行車工況，從而使試驗(yàn)結(jié)果更真實(shí)地反映機(jī)車車輛設(shè)備的實(shí)際運(yùn)用情況。目前，用于機(jī)車車輛設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，一個(gè)為GB/T 21563—2018《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》[2](該標(biāo)準(zhǔn)修改采用國際電工委員會(huì)IEC 61373:2010《鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》)，另一個(gè)為IEC 61373:2010《鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》，對(duì)比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要有如下不同：GB/T 21563—2018增加了對(duì)夾具測(cè)試要求的內(nèi)容，使試驗(yàn)方法更為合理，增加了加速度比例系數(shù)取7.38計(jì)算得出的模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均講述了3個(gè)試驗(yàn)內(nèi)容：模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和功能性振動(dòng)試驗(yàn)，按照設(shè)備在車體上的安裝位置，規(guī)定了3類等級(jí)強(qiáng)度，分別為1類車體安裝(又細(xì)分為A級(jí)、B級(jí))、2類轉(zhuǎn)向架安裝和3類車軸安裝，其分別對(duì)應(yīng)不同的振動(dòng)強(qiáng)度，同一類下的縱向、橫向和垂向的振動(dòng)強(qiáng)度各不相同。試驗(yàn)的量級(jí)是由世界各個(gè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)提供的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化而成，經(jīng)科學(xué)計(jì)算得來的，具有權(quán)威性和適用性。

圖1 加速度譜密度曲線

1.模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)

以增強(qiáng)的振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)來驗(yàn)證設(shè)備的完好性，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的ASD頻譜進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，在相互垂直的三個(gè)方向的試驗(yàn)時(shí)間都是5小時(shí)。

2.沖擊試驗(yàn)

按給定的峰值加速度A/(m/s2)和標(biāo)稱持續(xù)時(shí)間(D/ms)做單個(gè)半正弦波脈沖試驗(yàn)，在三個(gè)正交平面的每個(gè)平面上的正向和反向各沖擊三次，見圖2半正弦脈沖沖擊試驗(yàn)曲線。

圖2 半正弦脈沖沖擊試驗(yàn)曲線

3.功能性振動(dòng)試驗(yàn)

在設(shè)備處于正常工作狀態(tài)下，對(duì)其施加最小振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)，驗(yàn)證其在規(guī)定的振動(dòng)環(huán)境下能夠保持正常工作的能力，每個(gè)方向的試驗(yàn)時(shí)間通常都不小于10分鐘。

三、振動(dòng)試驗(yàn)中應(yīng)注意的問題

(一)試件的安裝

試件應(yīng)按照實(shí)際運(yùn)用時(shí)的方向和安裝方式通過夾具固定在振動(dòng)臺(tái)工作臺(tái)面上，試件和夾具的組合重心應(yīng)盡量與振動(dòng)臺(tái)工作臺(tái)面重心重合，以便把振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)能量以極小的失真和損耗傳給試件。夾具的制作必須經(jīng)過計(jì)算分析及振動(dòng)性能測(cè)試，在滿足試件安裝的前提下，夾具盡可能做到重量低、剛度高、各點(diǎn)的振動(dòng)量值相差小，在試驗(yàn)頻段內(nèi)盡可能不出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

(二)試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置

應(yīng)該特別注意控制點(diǎn)的數(shù)量選擇，振動(dòng)試驗(yàn)可采用單點(diǎn)控制，也可采用多點(diǎn)控制。單點(diǎn)控制比較簡(jiǎn)單，對(duì)已知或能證實(shí)各固定點(diǎn)是同相并沿平行直線運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)，用單點(diǎn)控制比較適合，具體運(yùn)用時(shí)，對(duì)一些小型的動(dòng)態(tài)特性不復(fù)雜的試件用單點(diǎn)控制更合適。

多點(diǎn)控制是各檢測(cè)點(diǎn)上的信號(hào)經(jīng)選擇或平均后作控制信號(hào)的，因?yàn)樗ＷC試件的任何部分所經(jīng)受到的振動(dòng)強(qiáng)度都不能低于試驗(yàn)規(guī)范中的要求。對(duì)于體積大、重量重、動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜的機(jī)車車輛設(shè)備應(yīng)盡量采用多點(diǎn)平均控制，并且不能都采用夾具與設(shè)備上傳感器上的信號(hào)來控制，必須有1個(gè)控制點(diǎn)安裝在振動(dòng)臺(tái)體上，否則會(huì)損壞振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。

四、結(jié)束語

目前，在實(shí)驗(yàn)室所能進(jìn)行的只是依次單軸向振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，而在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，機(jī)車車輛設(shè)備是在三維振動(dòng)狀態(tài)，因此就不能真實(shí)地考核機(jī)車車輛設(shè)備的耐振動(dòng)沖擊性能，所以未來振動(dòng)沖擊試驗(yàn)的發(fā)展方向應(yīng)該是三軸向同時(shí)激振，并且在規(guī)定的溫濕度條件下進(jìn)行綜合性振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，這樣就更加準(zhǔn)確地模擬實(shí)際行車工況了。