铁道客车振动传递路径试验研究

邓爱建，段合朋，刘宏友，贾尚帅，王云鹏，汤劲松

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031；2.中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035)

振动传递路径分析是跟踪由激励源经过已知结构或空气等传播路径，传递到指定接收点的能量流分析方法，是一种利用频响函数研究系统中振动、噪声等传播路径的方法。目的是为了评价由激励源到接收点或响应点之间各路径能量的矢量贡献，从而可以针对需要解决的特定问题，确定路径上哪些部件需要进行修改或者优化设计使其得到理想的振动特性。振动传递路径分析方法有很多，比如经典TPA法、运行工况OPA法、OPAX法、快速TPA法及混合TPA法等。本文将以某型铁道客车为研究对象，采用经典TPA法开展铁道客车振动传递路径研究。

1 理论基础

振动传递路径分析方法将车辆系统简化为转向架-路径-车体模型。车体上目标点为车辆平稳性测点，路径为转向架与车体连接件，即空气弹簧、牵引拉杆、抗蛇行减振器及横向减振器，振源为整个转向架系统，如图1所示。整个振动传递路径系统由公式(1)[1]表示：

图1 车体振动传递路径模型图

(1)

式中：X(ω)——目标点总响应；

Hi(ω)——第i条路径的频响函数；

Fi(ω)——第i条路径的激励力。

由公式(1)可知，传递路径分析总共有3个量值，其中总响应可以通过运行工况测试直接得到，频响函数可以通过锤击法求得。只要得到各路径激励力，整个函数就可以解耦，并可以进一步分析出各条路径的贡献量。

获取激励力的方法有多种，有直接测量法、复刚度法以及逆矩阵法。直接测量法及逆矩阵法适用于车辆悬挂系统[2]，由于车辆结构复杂，安装空间狭小，直接测量法无法实施，因此，最终采用逆矩阵法求解激励力大小。

首先将转向架与车体分离，在各路径点、参考点、目标点处布置加速度传感器。其中，参考点数量最低应是路径点的2倍，参考点应布置在路径点附近刚度较大处，与路径点保持一定距离。力锤激励各路径点，求得路径点与参考点、路径点与路径点之间的频响函数矩阵[Hstatic(ω)]，如公式(2)所示：

(2)

(3)

2 测点布置

在车体1位端地板选取2个测点为目标点，分别位于转向架空气弹簧正上方车体地板中央及距离车体中心线1 m地板面处。平稳性测点位置如图2所示。

图2 平稳性测点位置图

1位端、2位端转向架结构相同，前后对称，本文只选取1位端转向架作为分析对象。振动传递路径分析共有7条，分别为1位端转向架的左右空气弹簧、左右抗蛇行减振器、左右横向减振器及牵引拉杆与车体的连接点(车体路径点)，在车体的每个路径点旁布置2个参考点，共布置14个参考点[4]。路径点与参考点测试均采用三向加速度传感器，测试点编号及其位置如表1所示。

表1 测试点编号及其位置

3 试验过程

3.1 工况数据测试

应用整车滚动振动台施加美国五级谱激励，测试目标点、车体路径点与参考点所有测点的加速度信号，用于计算运行工况下各测点的频谱。

3.2 频响函数测试

频响函数测试需将转向架与车体分离，然后用锤击法进行试验。其中，车体路径点-目标点的频响函数测试用于各路径贡献量分析，车体路径点-车体参考点频响函数测试、车体路径点-车体路径点频响函数测试用于计算实际运行工况下车体路径点的激励力。

4 结果分析

4.1 目标点频谱分析

取美国五级谱160 km/h速度级激励时的加速度数据，分析车体目标点(平稳性测点)加速度响应幅频特性，结果如图3所示。车体目标点各主要频率如表2所示。

图3 160 km/h目标点加速度响应幅频特性曲线

由表2可知，车体地板1位端目标点横向、垂向幅值最大主频率均为2.0 Hz，车体地板中央目标点横向幅值最大主频率为6.5 Hz，车体地板中央目标点垂向幅值最大主频率为9.5 Hz。

表2 车体目标点各主要频率表

4.2 贡献量分析

将锤击法试验测得的频响函数与逆矩阵法求得的工况载荷相乘，即可计算出各条路径对车内目标点的贡献量，结果如图4～图7所示。

图4 SP-1:各路径横向贡献量

图5 SP-1:各路径垂向贡献量

图6 SP-2:各路径横向贡献量

图7 SP-2:各路径垂向贡献量

注：整备车辆车体模态试验结果：车体菱形模态频率为6.5 Hz；一阶垂向弯曲模态频率为9.5 Hz。

(1) 由图4可知，在0～40 Hz范围内，对于1位端目标点横向振动加速度影响较大的路径为1、2位侧空气弹簧，其中2位侧空气弹簧影响最大，且横向激励比垂向激励的影响大。

(2) 由图5可知，在0～40 Hz范围内，对于1位端目标点垂向振动加速度影响最大的路径为2位侧空气弹簧，此外1位侧空气弹簧、1位侧抗蛇行减振器、2位侧抗蛇行减振器也有较大影响。

(3) 由图6可知，在0～40 Hz范围内，对于地板中央目标点横向振动加速度影响较大的路径为1、2位侧空气弹簧，其中1位侧空气弹簧横向振动影响最大。

(4) 由图7可知，在0～40 Hz范围内，对于地板中央目标点垂直振动加速度影响较大的路径为1、2位侧空气弹簧及1位侧抗蛇行减振器，其中1位侧空气弹簧垂向振动影响最大。

5 结论

通过对铁道客车振动传递路径研究，可以得出以下结论：

(1) 车体振动传递中，空气弹簧为最主要的振动传递路径。抗蛇行减振器比横向减振器与牵引拉杆振动传递大。

(2) 低频振动时，2 Hz振动对车体影响最大。

(3) 车体菱形模态对车体横向振动影响较大，车体一阶垂向弯曲模态对车体垂向振动影响较大。