振動沖擊試驗在機車車輛設備的應用

(中車青島四方車輛研究所有限公司 電氣事業本部 山東 青島 266031)

一、前言

當前隨著高速鐵路建設和城市軌道交通的發展，機車車輛在高速行駛中產生的振動沖擊是導致各類設備失效的主要原因，高速運行中的機車車輛會產生極其復雜的振動沖擊，其危害可以導致儀器設備失效、甚至出現車底懸掛裝置脫落而導致車體傾覆的嚴重事故。因此為了確保機車車輛各種部件的產品質量，鐵路行業頒發的技術條件中都明確規定把振動沖擊試驗作為產品檢驗的關鍵類項點，由此可見，振動沖擊試驗是考核機車車輛設備安全可靠工作的重要因素。

振動沖擊試驗的目的就是在振動試驗臺上模擬機車車輛設備在運輸、儲存、使用過程中所可能經受到的振動及其影響，筆者根據多年從事振動沖擊試驗研究發現：1.振動沖擊對設備機理的影響：如內部結構的動態位移，這些動態位移和相應的速度、加速度可能引起或加劇結構疲勞、組件和零件的機械磨損。2.振動沖擊對設備失效的影響：(1)主要是指變形、彎曲、產生裂紋、斷裂和造成設備之間的相互撞擊等。(2)對工作性能的影響：這種影響主要是指設備動作不正常、設備接觸不良、繼電器產生誤動作等，從而導致設備功能不正常。3.振動沖擊對工藝性能的影響：這種影響主要是指螺釘松動、連接件或焊點脫開等。所以通過振動沖擊試驗，可以為設計人員在產品的設計、制造、定型過程中進行失效分析和改善，為高速列車安全運行提供強有力的技術支持。

二、振動試驗種類及選擇

振動試驗按所加載荷的性質來分有正弦振動和隨機振動，正弦振動主要是由于機械的旋轉、脈動、振蕩等諸力所引起的振動。而機車車輛在行駛中的振動，絕大多數是隨機性質的振動。例如：機車車輛在高速行駛時，加速減速、鋼軌和道岔與輪對產生的碰撞等都屬于隨機振動，所以，用隨機振動比用正弦振動更能真實反映機車車輛設備的耐振性能。隨機振動和正弦振動相比，隨機振動的頻率域寬闊，而且有一個連續的頻譜，它能同時在所有頻率上對被試設備進行激勵，各種頻率的相互作用遠比用正弦振動僅對某些頻率或連續掃頻振動的影響更嚴酷、更真實和更有效。

正弦振動和隨機振動的表示方法是兩種不同的理論，正弦加速度峰值是在一個頻率上的最大加速度值，隨機振動的均方根值是譜密度曲線的面積的平方根。隨機振動試驗的效率高于正弦振動試驗，而且不易發生正弦振動時對被試設備所產生的過應力及應力殘留等不良影響。正弦振動試驗對于發現被試設備是否有共振點非常有效，正弦掃頻時，被試設備的各共振頻率是由低到高分別依次發生共振，而寬帶隨機試驗時，被試設備的各共振頻率同時發生共振。正弦振動和隨機振動不存在通用的等效關系，正弦振動試驗適合于產品的最初分析研發階段，而隨機振動試驗用于最終產品定型階段。正弦振動是逐個頻率地進行振動試驗，所以它解決設備結構局部耐振能力為主，隨機振動是從整個頻率范圍的總振動能量進行振動試驗，則以考察設備整體結構耐振性能為主。具體采用哪一種振動試驗要看考核目的是什么，如果部件處于設計研發階段，目的是為了尋找樣機的頻響特性和缺陷、避免共振以及考核疲勞強度，則應該選擇正弦振動試驗，試驗的結果也易于理解和使用；如果部件已經成熟定型，只需要考核其整體結構耐振性能、做鑒定試驗時，就應該優先選擇隨機振動試驗比較適合。

(一)正弦振動試驗

正弦振動試驗包括正弦定頻試驗和正弦掃頻試驗。

1.正弦定頻試驗

正弦定頻試驗是指在選定的頻率上(可以是共振頻率、特定頻率)按規定的量值(位移或加速度)進行正弦振動試驗，并達到規定要求的振動時間，正弦定頻試驗主要是考查試件在特定頻率下抗振能力和耐振強度。

2.正弦掃頻試驗

正弦掃頻試驗是指在規定的頻率范圍內，按規定的振動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，直到規定的掃頻次數為止，正弦掃頻試驗主要用于查找試件所有的共振頻率點。正弦振動用頻率、振幅和加速度就可以完整描述其基本運動了，其關系式為：(式中：A為加速度：m/s2；D為振幅：mm；f為頻率：Hz)，從上述關系式可以得出結論：正弦振動試驗在振幅相同的條件下，其所對應的加速度值在低頻時非常小，而在高頻時非常大。因此，正弦掃頻試驗在低頻段用定位移設置參數，在高頻段時則用定加速度設置參數。正弦掃頻可采用線性掃描或對數掃描，線性掃描時頻率的變化是線性的，即單位時間內掃過多少赫茲；對數掃描時頻率是按對數變化的，即單位時間內掃過多少倍頻程數，低頻段時掃得慢而高頻段時掃得快。我國鐵路行業制定了相關的振動試驗方法標準，即TB/T 2542—2000《鐵路機車車輛部件振動試驗方法》[1]，此標準是依據日本工業標準JIS E4031—1994《鐵路機車車輛部件振動試驗方法》制定的，其主要有3個試驗內容：共振試驗、振動性能試驗和振動耐久性試驗，按設備在車體上的安裝位置不同，規定了6類等級，縱向、橫向和垂向的振動強度相同，只是試驗時間的不同，垂向的試驗時間是縱向和橫向的兩倍。共振試驗就是尋找被試設備的共振點，在不同分類等級相應的頻率范圍內，在低頻段設定全振幅恒定、在高頻段設定加速度全振幅恒定，并且以合理的掃頻速度，由低頻向高頻往復掃頻一次以上，從而來確定設備是否有共振點。振動性能試驗：就是對處于工作狀態下的被試設備進行正弦振動試驗，考核設備在規定的振動條件下是否能正常工作。振動耐久性試驗：設備在固定的頻率下，采用加大振動加速度和縮短試驗時間的辦法來考核設備的耐久性。設備如果有共振點，就按共振頻率進行耐久性試驗，如果沒有共振點，就按給定的頻率進行耐久性試驗。

(二)隨機振動試驗

隨機振動試驗的特點是：被試設備上的每個質點總是處于不規則的運動狀態，永遠不會精確的重復，所以沒有任何固定的周期。在任何確定的時刻，其振幅、頻率、相位都不能預先知道，因此就不可能用簡單的周期函數來描述，常用均方根加速度表示隨機振動的強度，用加速度譜密度(ASD)曲線表示其頻率特性。圖1是鐵路機車車輛設備振動試驗所采用的一種隨機振動試驗圖譜，其單位是(m·s-2)2/Hz(也可以是g2/Hz，需除以9.82系數)。對于現代高速機車車輛來說，用隨機振動試驗能更準確地進行模擬行車工況，從而使試驗結果更真實地反映機車車輛設備的實際運用情況。目前，用于機車車輛設備隨機振動試驗標準有兩個，一個為GB/T 21563—2018《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》[2](該標準修改采用國際電工委員會IEC 61373:2010《鐵路應用機車車輛設備沖擊和振動試驗》)，另一個為IEC 61373:2010《鐵路應用機車車輛設備沖擊和振動試驗》，對比兩個標準主要有如下不同：GB/T 21563—2018增加了對夾具測試要求的內容，使試驗方法更為合理，增加了加速度比例系數取7.38計算得出的模擬長壽命振動試驗量級，兩個標準均講述了3個試驗內容：模擬長壽命振動試驗、沖擊試驗和功能性振動試驗，按照設備在車體上的安裝位置，規定了3類等級強度，分別為1類車體安裝(又細分為A級、B級)、2類轉向架安裝和3類車軸安裝，其分別對應不同的振動強度，同一類下的縱向、橫向和垂向的振動強度各不相同。試驗的量級是由世界各個試驗機構提供的現場實測數據優化而成，經科學計算得來的，具有權威性和適用性。

圖1 加速度譜密度曲線

1.模擬長壽命振動試驗

以增強的振動試驗量級來驗證設備的完好性，依據標準中規定的ASD頻譜進行隨機振動試驗，在相互垂直的三個方向的試驗時間都是5小時。

2.沖擊試驗

按給定的峰值加速度A/(m/s2)和標稱持續時間(D/ms)做單個半正弦波脈沖試驗，在三個正交平面的每個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曲線。

圖2 半正弦脈沖沖擊試驗曲線

3.功能性振動試驗

在設備處于正常工作狀態下，對其施加最小振動試驗量級，驗證其在規定的振動環境下能夠保持正常工作的能力，每個方向的試驗時間通常都不小于10分鐘。

三、振動試驗中應注意的問題

(一)試件的安裝

試件應按照實際運用時的方向和安裝方式通過夾具固定在振動臺工作臺面上，試件和夾具的組合重心應盡量與振動臺工作臺面重心重合，以便把振動臺的振動能量以極小的失真和損耗傳給試件。夾具的制作必須經過計算分析及振動性能測試，在滿足試件安裝的前提下，夾具盡可能做到重量低、剛度高、各點的振動量值相差小，在試驗頻段內盡可能不出現共振現象。

(二)試驗參數的設置

應該特別注意控制點的數量選擇，振動試驗可采用單點控制，也可采用多點控制。單點控制比較簡單，對已知或能證實各固定點是同相并沿平行直線運動的試驗，用單點控制比較適合，具體運用時，對一些小型的動態特性不復雜的試件用單點控制更合適。

多點控制是各檢測點上的信號經選擇或平均后作控制信號的，因為它要保證試件的任何部分所經受到的振動強度都不能低于試驗規范中的要求。對于體積大、重量重、動態特性復雜的機車車輛設備應盡量采用多點平均控制，并且不能都采用夾具與設備上傳感器上的信號來控制，必須有1個控制點安裝在振動臺體上，否則會損壞振動試驗臺。

四、結束語

目前，在實驗室所能進行的只是依次單軸向振動沖擊試驗，而在實際運行環境中，機車車輛設備是在三維振動狀態，因此就不能真實地考核機車車輛設備的耐振動沖擊性能，所以未來振動沖擊試驗的發展方向應該是三軸向同時激振，并且在規定的溫濕度條件下進行綜合性振動沖擊試驗，這樣就更加準確地模擬實際行車工況了。