鐵道客車振動傳遞路徑試驗研究

鄧愛建，段合朋，劉宏友，賈尚帥，王云鵬，湯勁松

(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)

振動傳遞路徑分析是跟蹤由激勵源經過已知結構或空氣等傳播路徑，傳遞到指定接收點的能量流分析方法，是一種利用頻響函數研究系統中振動、噪聲等傳播路徑的方法。目的是為了評價由激勵源到接收點或響應點之間各路徑能量的矢量貢獻，從而可以針對需要解決的特定問題，確定路徑上哪些部件需要進行修改或者優化設計使其得到理想的振動特性。振動傳遞路徑分析方法有很多，比如經典TPA法、運行工況OPA法、OPAX法、快速TPA法及混合TPA法等。本文將以某型鐵道客車為研究對象，采用經典TPA法開展鐵道客車振動傳遞路徑研究。

1 理論基礎

振動傳遞路徑分析方法將車輛系統簡化為轉向架-路徑-車體模型。車體上目標點為車輛平穩性測點，路徑為轉向架與車體連接件，即空氣彈簧、牽引拉桿、抗蛇行減振器及橫向減振器，振源為整個轉向架系統，如圖1所示。整個振動傳遞路徑系統由公式(1)[1]表示：

圖1 車體振動傳遞路徑模型圖

(1)

式中：X(ω)——目標點總響應；

Hi(ω)——第i條路徑的頻響函數；

Fi(ω)——第i條路徑的激勵力。

由公式(1)可知，傳遞路徑分析總共有3個量值，其中總響應可以通過運行工況測試直接得到，頻響函數可以通過錘擊法求得。只要得到各路徑激勵力，整個函數就可以解耦，并可以進一步分析出各條路徑的貢獻量。

獲取激勵力的方法有多種，有直接測量法、復剛度法以及逆矩陣法。直接測量法及逆矩陣法適用于車輛懸掛系統[2]，由于車輛結構復雜，安裝空間狹小，直接測量法無法實施，因此，最終采用逆矩陣法求解激勵力大小。

首先將轉向架與車體分離，在各路徑點、參考點、目標點處布置加速度傳感器。其中，參考點數量最低應是路徑點的2倍，參考點應布置在路徑點附近剛度較大處，與路徑點保持一定距離。力錘激勵各路徑點，求得路徑點與參考點、路徑點與路徑點之間的頻響函數矩陣[Hstatic(ω)]，如公式(2)所示：

(2)

(3)

2 測點布置

在車體1位端地板選取2個測點為目標點，分別位于轉向架空氣彈簧正上方車體地板中央及距離車體中心線1 m地板面處。平穩性測點位置如圖2所示。

圖2 平穩性測點位置圖

1位端、2位端轉向架結構相同，前后對稱，本文只選取1位端轉向架作為分析對象。振動傳遞路徑分析共有7條，分別為1位端轉向架的左右空氣彈簧、左右抗蛇行減振器、左右橫向減振器及牽引拉桿與車體的連接點(車體路徑點)，在車體的每個路徑點旁布置2個參考點，共布置14個參考點[4]。路徑點與參考點測試均采用三向加速度傳感器，測試點編號及其位置如表1所示。

表1 測試點編號及其位置

3 試驗過程

3.1 工況數據測試

應用整車滾動振動臺施加美國五級譜激勵，測試目標點、車體路徑點與參考點所有測點的加速度信號，用于計算運行工況下各測點的頻譜。

3.2 頻響函數測試

頻響函數測試需將轉向架與車體分離，然后用錘擊法進行試驗。其中，車體路徑點-目標點的頻響函數測試用于各路徑貢獻量分析，車體路徑點-車體參考點頻響函數測試、車體路徑點-車體路徑點頻響函數測試用于計算實際運行工況下車體路徑點的激勵力。

4 結果分析

4.1 目標點頻譜分析

取美國五級譜160 km/h速度級激勵時的加速度數據，分析車體目標點(平穩性測點)加速度響應幅頻特性，結果如圖3所示。車體目標點各主要頻率如表2所示。

圖3 160 km/h目標點加速度響應幅頻特性曲線

由表2可知，車體地板1位端目標點橫向、垂向幅值最大主頻率均為2.0 Hz，車體地板中央目標點橫向幅值最大主頻率為6.5 Hz，車體地板中央目標點垂向幅值最大主頻率為9.5 Hz。

表2 車體目標點各主要頻率表

4.2 貢獻量分析

將錘擊法試驗測得的頻響函數與逆矩陣法求得的工況載荷相乘，即可計算出各條路徑對車內目標點的貢獻量，結果如圖4～圖7所示。

圖4 SP-1:各路徑橫向貢獻量

圖5 SP-1:各路徑垂向貢獻量

圖6 SP-2:各路徑橫向貢獻量

圖7 SP-2:各路徑垂向貢獻量

注：整備車輛車體模態試驗結果：車體菱形模態頻率為6.5 Hz；一階垂向彎曲模態頻率為9.5 Hz。

(1) 由圖4可知，在0～40 Hz范圍內，對于1位端目標點橫向振動加速度影響較大的路徑為1、2位側空氣彈簧，其中2位側空氣彈簧影響最大，且橫向激勵比垂向激勵的影響大。

(2) 由圖5可知，在0～40 Hz范圍內，對于1位端目標點垂向振動加速度影響最大的路徑為2位側空氣彈簧，此外1位側空氣彈簧、1位側抗蛇行減振器、2位側抗蛇行減振器也有較大影響。

(3) 由圖6可知，在0～40 Hz范圍內，對于地板中央目標點橫向振動加速度影響較大的路徑為1、2位側空氣彈簧，其中1位側空氣彈簧橫向振動影響最大。

(4) 由圖7可知，在0～40 Hz范圍內，對于地板中央目標點垂直振動加速度影響較大的路徑為1、2位側空氣彈簧及1位側抗蛇行減振器，其中1位側空氣彈簧垂向振動影響最大。

5 結論

通過對鐵道客車振動傳遞路徑研究，可以得出以下結論：

(1) 車體振動傳遞中，空氣彈簧為最主要的振動傳遞路徑。抗蛇行減振器比橫向減振器與牽引拉桿振動傳遞大。

(2) 低頻振動時，2 Hz振動對車體影響最大。

(3) 車體菱形模態對車體橫向振動影響較大，車體一階垂向彎曲模態對車體垂向振動影響較大。