隨機激勵下列車自動門的工作響應振型檢測

張 雨， 王玉國， 李 超

(南京工程學院 汽車與軌道交通學院，南京 211167)

列車自動門的振動與列車的隔振、隔聲、隔熱、隔濕等密封性能密切相關[1]，因此在外部激振條件下列車自動門的振型及其變化就為人們所關心。將傳統模態分析技術——試驗模態分析EMA技術(Experimental Modal Analysis)與掃頻實驗相結合，可以得到人們關心的列車自動門系統一階模態[2]，包括固有頻率、模態振型和阻尼比[3-4]，但是存在以下問題：①EMA技術由于需要激勵裝置，在一般工程現場難以實現，更適合于在實驗室中實施；②在實驗室易于對簡單構件實施EMA試驗，卻難以對大型系統實施EMA試驗；③裝于側墻的列車自動門，在實驗室的狀態可能與裝車實際使用的狀態不盡相同。

為了解決上述問題，本文使用源于工作變形形狀ODS(Operational Deflection Shape)原理[5-6]的工作響應分析ORA(Operation Response Analysis)技術，采用能夠測量大面積構件二維振動的PSV-400-B型激光掃描測振儀，獲得列車自動門的工作響應振型。

1 工作響應分析

工作模態分析OMA(Operational Modal Analysis，亦譯作運行模態分析)技術[7]最明顯的特征是只需測量結構的輸出響應，不需要測量輸入激勵，得到的是結構的多個模態振型。但是當測量大面積構件二維振動時，由于受制于傳感器數量和信號采集儀通道數的限制，需要分批次測量，欲實施OMA就不方便。

源于ODS的工作響應分析ORA技術也只測量輸出響應，不需要測量輸入激勵。但是ORA與OMA的區別在于[8]，OMA得到的是結構的多個模態振型，ORA得到的已不是結構的模態振型，而是在某一工作狀態下，結構的多個模態振型按照某種線性方式疊加的變形形式，此時就不能提供阻尼比參數了。由于人們還習慣性地稱這種變形形式為振型，故不妨稱之為工作響應振型。當然，如果結構的工作狀態恰受到與結構某一階固有頻率相同的外部激勵作用，則“某次”工作響應振型就表現為“某階”模態振型。采用ORA技術測量大面積構件二維振動時，同樣受制于傳感器數量和信號采集儀通道數的限制。

工作響應分析ORA技術可直接獲得結構多個模態振型疊加的綜合變形，較之模態振型更具有工程指導意義。激光掃描測振儀在實現非接觸測量的同時，還實現了大面積構件子區域振動的快速檢測。將兩者結合共同運用于獲取列車自動門變形或振動的測量，既不需要測量輸入激勵，又可獲得列車自動門在不同技術狀態下的各次工作響應振型，且不受傳感器數量和信號采集儀通道數的限制，是一種較為理想的方法。

2 實驗方案

2.1 振動環境

在電動式6 t振動沖擊實驗臺上，設置模擬長壽命隨機振動試驗環境[9]。寬帶隨機振動頻率5～150 Hz，振動加速度均方根值2.9 m/s2，試驗時間5 h，隨機振動采用的參考譜圖如圖1所示。

圖1 試驗時的隨機振動參考譜圖

2.2 激光掃描測振儀

選用德國Polytec公司制造的PSV-400-B型激光掃描測振儀[10]，其最多測點256×256點，測距范圍0.35～100 m，采用速度振型，單位為mm/s。以列車行進方向為縱向，測量門扇橫向振動。運用激光掃描測振儀，獲得帶側墻列車自動門橫向振動各次工作響應頻率和振型。由于1次工作響應參數與一階模態參數相近，故通過前者可考察人們所關心的列車自動門一階模態參數。

2.3 試件

PSV-400-B型激光掃描測振儀所具有的掃描測點布置能力，使之能夠根據需求在掃描點數256點×256點范圍內定義任意的掃描網格密度，在視頻圖像區域范圍內定義任意的掃描子區域，這就為檢測大面積構件的子區域振動創造了條件，例如欲檢測列車自動門邊緣振動狀況的場合。本文的實驗研究，對于某型列車自動門，采取以下三種掃描測點布置方式：①包括玻璃窗的門扇，②不包括玻璃窗的門扇，③僅對玻璃窗。三種掃描測點布置方式如圖2，對應于三種掃描對象，實驗將獲得三種掃描對象的工作響應參數(振型和頻率)。實施工作響應參數試驗的系統框圖如圖3所示，實驗現場如圖4所示。

圖2 某型列車自動門的激光掃描測點布置

圖3 工作響應參數試驗的系統框圖

圖4 工作響應參數試驗現場

2.4 激光掃描測振儀的準確性分析

為了考察PSV-400-B型激光掃描測振儀的準確性，設置了驗證性試驗。對一根端部固定的鋁合金懸臂梁，在計算獲得其模態參數(模態頻率和振型)后，再采用PSV-400-B型激光掃描測振儀獲得其工作響應參數(工作響應頻率和振型)。比較由計算所得1階模態參數與實驗所得1次工作響應參數的差別。

圖5(a)是采用ANSYS建模仿真得到的鋁合金懸臂梁1階模態參數。圖5(b)是在1 480 r/min周期性激勵下，采用PSV-400-B型激光掃描測振儀獲得的鋁合金懸臂梁1次工作響應參數。

圖5 鋁合金懸臂梁的1階模態參數和1次工作響應參數

由圖5可知：①1階模態頻率為21 Hz，1次工作響應頻率為20 Hz，兩者誤差為5%；②1階模態振型和1次工作響應振型均為彎曲，兩者趨勢一致。故采用PSV-400-B型激光掃描測振儀獲得工作響應參數具有準確性保障。

3 實驗結果

按照實驗方案，可獲得某型列車自動門的工作響應參數，其中1次工作響應振型如表1。由表1可知：①列車自動門的1次工作響應振型為5.5 Hz彎扭組合，門扇的大振動部位在門扇外邊緣四周和門扇內玻璃框四周；②玻璃窗的1次工作響應振型為5.5 Hz正弦型彎曲，正弦波的傳遞方向沿門扇縱向傳播。參考文獻[4]曾對帶側墻列車自動門進行橫向5Hz～200 Hz正弦掃頻，表明該5.5 Hz是1階共振點頻率。

表1 某型列車自動門的1次工作響應振型

4 結 論

①將源于工作變形形狀ODS原理的工作響應分析ORA技術和激光掃描測振儀共同用于列車自動門的振動檢測，無需測量輸入激勵。可獲得列車自動門的工作響應振型，以振動速度mm/s表示，可表達大面積構件的子區域振動，具有工程指導意義。

②通過比較鋁合金懸臂梁由計算所得1階模態參數和由檢測所得1次工作響應參數的差異，證明了激光掃描測振儀的準確性。

③對某型列車自動門，獲得了包括玻璃窗的門扇、不包括玻璃窗的門扇、僅對玻璃窗三類掃描對象的工作響應參數(工作響應頻率和振型)，對1次工作響應振型作了初步分析。

參 考 文 獻

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[9]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,國家標準化管理委員會. GB/T 21563-2008 軌道交通 機車車輛設備沖擊和振動試驗[S]. 北京:中國標準出版社,2008.

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