关键词：模态试验 车辆 转向架 安全吊 动态特性
引言
随着轨道车辆运行速度的提升，转向架构架在运行过程中出现的振动问题日益凸显。模态分析是一种结构动态分析方法，模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。模态分析作为结构设计的重要方法，在各个领域有着广泛的应用。因此，在解决振动相关问题时，对其结构进行模态分析是十分必要的。
1 模态分析理论
1.1 p点激振l点拾振的传递函数
模态分析实际上是结构动力学中的特征值问题，特征值和特征向量即为模态分析中所说的固有频率和模态振型，振动系统的运动微分方程：
传递函数与模态频率和模态阻尼的密切关系，准确的测试到结构的传递函数是进行模态参数识别的重要一步。分析获取结构模态参数，进而获得结构的动力学特性。
1.2 模态参数识别方法
模态参数识别方法主要有频域法和时域法。频域模态参数识别，即对结构上某一点激励，同时测得激励点和响应点的时域信号，经过A/D转换与FFT变换，变成频域信号，然后将频域数字信号进行预算，求得频率响应函数，再按参数辨别方法识别出模态参数。时域模态参数识别，它是直接在时域中进行参数识别，由于时域参数辨别法无需将测试信号在时域与频域之间变化，这就避免了有数据变换引起的截断误差。另外，时域法给直接从响应信号中识别模态参数创造条件，这样无需激励就可以单独从响应数据中辨识模态参数。
2 构架及安全吊模态测试与分析
2.1 测试背景
针对某列车发生安全吊座断裂的问题，在实际运行线路上，对该车进行振动加速度测试，得到安全吊处垂向加速度最大值达到16g，频谱分析显示其振动能量主要集中在90Hz附近。由此可知，线路激励频率在90Hz附近。为找到安全吊振动能量较大的原因，解决安全吊座断裂问题，获取转向架构架及安全吊的模态参数是十分必要的。
2.2 试验对象
试验对象为转向架构架、安全吊结构，安全吊改进方案一为：T形吊座+φ36圆钢两端锻扁安全吊，改进方案二为：T形吊座转90°+φ36圆钢两端锻扁安全吊两端转90°，原方案为：T形吊座+板形安全吊。构架及安全吊结构见表1所示。
2.3试验结果
本试验模态分析主要应用polymax法，polymax法在强阻尼、密集模态情况下，可获得清晰的稳态图，从而实现物理模态定阶，得出转向架构架、安全吊的模态频率、振型、阻尼比。试验测试结果如表1所示。
表1试验结果
3 结果分析
针对不同方案，分别对构架、安全吊进行了测试。所分析数据限于200Hz以内的模态。
（1）转向架构架有7阶模态，一阶为侧梁反剪模态34.5Hz，二阶为侧梁摆动模态65.1Hz，三阶侧梁横向反向弯曲93.7Hz。在130-140Hz之间出现的模态为侧梁垂向弯曲振动。
（2）安全吊原方案第一阶模态为垂向扰动92.2Hz，二阶模态为横向摆动104.3Hz，第三阶模态为垂向弯曲131.9Hz。
（3）安全吊方案一与原方案比较，首先出现的第一阶模态为横向摆动85.2Hz，其次为第二阶模态垂向扰动134.7Hz，垂向弯曲模态出现在第四阶为192.8Hz，即垂向刚度提高但横向刚度降低。
（4）安全吊方案二与原方案比较，垂向扰动模态出现在第四阶为190.5Hz，垂向刚度提高但横向刚度降低，同时横向摆动模态在第一阶就出现为64.9Hz。
4 小结
结合故障车辆线路测试数据和实验室模态试验结果，分析各优化方案结构的动态特性。基于线路激励频率范围主要集中在90Hz附近，各方案结构动态特性分析如下：
（1）由模态试验结果可知，转向架构架的第三阶模态为侧梁横向反向弯曲，固有频率为93.7Hz，与线路激励频率接近，在线路上运行时，容易激发该阶模态，引起共振。
（2）安全吊原方案第一阶模态为垂向扰动92.2Hz，与线路激励频率接近，容易引起共振。
（3）安全吊方案一首先出现的第一阶模态为横向摆动85.2Hz，与线路激励频率接近，容易引起共振。
（4）安全吊方案二第一阶为横向摆动模态，出现在64.9Hz,第二阶模态频率在157.1Hz，避开了线路激励频率90Hz，不易发生共振。
以上分析仅是基于模态的角度考虑，方案二的模态参数较为合适，不易发生共振，综合评价各设计方案的优劣，还需线路试验验证和长期运行考核。
参考文献
[1] 铁道车辆转向架构架模态分析及应用.尚文军，2007.
[2] 关于机车车体和转向架模态分析的探讨. 芮斌, 王惠玉 ,郑长国，2012.
[3] 高速转向架构架强度及模态分析研究.吴丹, 李晋武,2013.
论文作者:潘德阔
论文发表刊物:《科技中国》2018年3期
论文发表时间:2018/8/6
标签：模态论文; 转向架论文; 构架论文; 参数论文; 方案论文; 结构论文; 时域论文; 《科技中国》2018年3期论文;