鐵道客車車體模態試驗研究

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象，系統開展鐵道客車車體模態試驗方法研究，可以為鐵道客車振動特性研究提供方法支撐。

1 試驗方法

激振器試驗法是指利用模態激振器激勵車體，采集車輛輸入輸出信號，進而計算輸入輸出信號之間的頻響函數，通過模態參數辨識方法得到車輛的模態參數[1]。

滾動振動臺試驗法是指利用整車滾動振動臺進行模態試驗，通過采集車體各截面測點的振動加速度，選擇端墻測試點響應數據作為參考通道，計算各測試點與參考通道之間的自相關和互相關函數，以相關函數矩陣代替頻響函數矩陣，繼而運用傳統模態參數識別方法進行模態參數識別。整車滾動振動臺輸入信號可以是線路激擾譜，也可以是標準信號(正弦信號、隨機信號、沖擊信號等)或者線路上采集的加速度信號，輸入信號通過控制器控制液壓作動器實現對車輛輪對的激勵。這種方法可以模擬各種車輛振動，從而分析車輛及其零部件的動態特性[2]。

線路試驗法是指車輛在線路上運行時進行的模態試驗，其分析方法與滾動振動臺試驗法比較接近，都屬于環境激勵模態參數識別方法。線路試驗法可以真實地反映車輛運行時的動態特性。

2 試驗內容

激振器試驗法分別對車體結構和整備狀態車體進行了試驗，整備狀態車體又分空車和載人(承載60人)2種狀態；滾動振動臺試驗法主要對整備狀態車體進行試驗；線路試驗法主要針對空車和均勻裝載沙袋2種工況進行。3種模態試驗的試驗內容見表1。

表1 3種模態試驗的試驗內容

3 測點方案

基于激振器試驗法時，沿車體長度方向基本均勻布設15個斷面，每個斷面共14個測點，如圖1所示。基于滾動振動臺試驗法、線路試驗法時，沿長度方向基本均勻布設7個斷面，每個斷面共4個測點，如圖2所示。

圖1 激振器試驗法各斷面布置示意圖

圖2 滾動振動臺試驗法、線路試驗法各斷面布置示意圖

4 激振器試驗法模態試驗結果分析

4.1 模態試驗結果

對不同試驗工況所獲得的加速度測試結果進行預處理后，采用模態參數識別方法PolyMAX進行分析，得到各工況下車體低階彈性體模態頻率、振型及阻尼比[3]。激振器試驗法模態參數測試結果見表2，典型振型圖如圖3所示。

圖3 激振器試驗法典型振型圖

表2 激振器試驗法模態參數測試結果

4.2 結果分析

(1) 對比車體結構與整備狀態空車車體橫向參數測試結果可知，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頻率整備狀態前后變化相對較小，分別降低26.8%(3.92 Hz)、28.12%(5.3 Hz)。由此可見，車體整備后對垂向彎曲剛度影響較大，對橫向彎曲剛度以及扭轉剛度影響相對較小。

(2) 對比整備狀態載人工況(承載60人)與整備狀態空車橫向參數測試結果可知，載人對車體模態參數影響較小，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)，其原因主要是因為人體是多自由度彈性體，與車體組成類似于彈簧-質量的系統，對車體頻率的影響相對較小。

5 滾動振動臺試驗法及線路試驗法模態試驗結果分析

5.1 模態試驗結果

滾動振動臺試驗法、線路試驗法得出的車體模態參數測試結果見表3。

表3 滾動振動臺試驗法及線路試驗法得到的車體模態參數測試結果

5.2 結果分析

(1) 線路試驗法與滾動振動臺試驗法得到的車體模態參數較為接近。

(2) 整備狀態重車(均勻裝載8.2 t沙袋)對車體模態參數影響較大。與整備狀態空車相比，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、一階扭轉頻率相對空車的相應振動頻率略有變化，分別降低0.19 Hz、0.27 Hz、0.17 Hz。

6 結論

(1) 激振器法、滾動振動臺試驗法、線路試驗法3種方法得出的車體模態試驗結果一致性相對較好。

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