某公铁转换装置的模态分析

李红勋贾楠孟千惠

1. 军事交通学院科研部国家应急交通运输装备工程技术研究中心 天津 300161

2. 军事交通学院外训系 天津 300161

某公铁转换装置的模态分析

李红勋1贾楠1孟千惠2

1. 军事交通学院科研部国家应急交通运输装备工程技术研究中心 天津 300161

2. 军事交通学院外训系 天津 300161

采用数值模拟技术对公铁两用牵引车公铁转换装置在转换工作状态时的模态进行分析，并依据车架振动评价原则对公铁转换装置的动态性能进行评价。由分析结果可知，该公铁两用牵引车公铁转换装置的动态性能符合要求。

公铁两用牵引车 公铁转换装置 模态分析

1 前言

公铁两用牵引车既能在公路上机动行驶，又能在铁路上牵引作业，主要由轮式底盘、铁路导向系统、制动系统和牵引装置等组成，其借助公铁转换装置（转盘和车架）可在铁路平交道口实现公铁转换。公铁转换装置是公铁两用牵引车进行作业动作的主要机构之一，其设计的好坏将直接决定着整个公铁两用牵引车的作业性能。因此，有必要对公铁两用牵引车公铁转换装置进行研究。本文将采用数值模拟技术对公铁两用车公铁转换装置在公铁转换工作状态时的模态进行分析。

2 公铁转换装置的实体建模

采用自底向上的设计方法，首先生成零件，再通过装配关系构建主要工作装置的三维实体模型。

通过拉伸、旋转、薄壁特征、特征阵列等操作来建立主要工作装置各部件（由下至上依次为转盘、液压举升缸、前车架和后车架）的实体模型[1]，如图1~4所示。

按照虚拟装配原理，将各零部件进行装配，得到主要工作装置的三维实体模型，如图5所示。

3 公铁转换装置的模态分析

3.1 转盘的模态分析

3.1.1 模型的建立及边界条件的处理

转盘材料为HG70钢，模型中的所有长度单位均为mm，力的单位为N。在SolidWorks软件中创建的实体模型通过数据接口读入ANSYS中，选用ANSYS有限元分析软件默认的网格类型，进行网格划分，共划分294 110个单元，459 235个节点。

在对转盘结构进行模态分析时，由于求解的是转盘结构的固有特性（固有频率和固有振型），与所受外力无关，故可忽略外部载荷的作用（自重：9 398.2 N）。就转盘结构动态特性而言，如果转盘有限元模态分析采用实际边界条件支撑，则能够精确地反映出转盘在工作时的动态性能，但实际边界条件是极其复杂的，而且添加刚度较大的实际边界会在有限元分析中影响计算的精度，因此实际支撑条件下的模态分析采取近似的方法模拟边界条件。对转盘模态分析时边界条件的处理：仿真过程中的转盘模型去除各附件，保留与导轮的连接约束。约束点的确定取在转盘与导轮的连接处，约束点约束水平、竖直和旋转方向的6个自由度。

3.1.2 模态分析的计算结果

采用Lanczos法对公铁转换工作状态下的转盘有限元模型进行分析计算。考虑到对转盘动态特性影响较大的频率在低频段，因此提取前4阶固有频率，得到的固有频率如表1所示，其前4阶的1:50振型图如图6~9所示。

表1 公铁转换工况时车架前4阶约束模态计算结果

从图6~9前4阶固有振型可以看出，第1阶与第3阶、第2阶与第4阶的固有振型基本相同，振幅各不相同，第1阶和第3阶固有振型为整个结构的弯曲振动（第1阶中部幅度大、第3阶前后端幅度大），第2阶和第4阶固有振型为整个结构的扭转振动（第2阶左右端幅度大、第4阶角端幅度大）。在此给出公铁转换工况的固有频率，为结合发动机的燃烧激振频率以及其他激振频率对公铁转换装置的进一步优化改进奠定基础，为隔振、减振系统的设计或优化改进提供依据。

3.2 车架的模态分析

3.2.1 模型的建立及边界条件的处理

车架材料为16Mn钢，模型中的所有长度单位为mm，力的单位为N。实体模型通过数据接口读入ANSYS中，选用软件模块所默认的网格类型，划分有限元网格。车架模型共划分32 464个单元，64 122个节点[1]。

在对车架结构进行模态分析时，忽略所有外部载荷，自重为33 966.8 N，并采取近似的方法模拟边界条件，对铰接式车架在公铁转换工作状态进行模态分析。对车架模态分析时边界条件的处理：仿真过程中的车架模型去除各附件，保留与举升缸的连接约束；约束点的确定取在车架与举升缸的连接处，约束点约束水平、竖直和旋转方向的6个移动自由度。

3.2.2 模态分析的计算结果

采用Lanczos法对公铁转换工作状态下的车架有限元模型进行分析计算。考虑到对车架动态特性影响较大的频率集中在低、中频段，因此提取前6阶固有频率，得到的固有频率如表2，以及其前6阶1:20振型图（见图10~15）。

表2 公铁转换工况时车架前6阶约束模态计算结果

从图10~15车架在公铁转换工况时各阶固有振型中可以看出，前3阶固有振型基本相同，振幅各不相同，第1阶固有振型为后车架尾部的左右弯曲振动，第2阶固有振型为后车架尾部的上下弯曲振动，第3阶固有振型为后车架尾部的里外弯曲振动，第4阶固有振型为后车架尾部的扭转振动，第5阶固有振型为前车架前端的上下弯曲振动，第6阶固有振型为后车架中后部波浪型摆振。同时在公铁转换过程中，装置的工作姿态不会发生大的变化，系统的固有频率和振型也不会有大的改变。

4 公铁转换装置的动态性能评价

由文献[2]可知，公铁转换装置在工作过程中需满足以下要求，才可使其保持良好的稳定性和安全性：

a. 装置的低阶固有频率应低于发动机怠速运转激励频率，以免发生共振现象；

b. 装置的低阶固有频率应避开发动机的常用频率范围；

c. 装置的固有振型应尽量光滑。

由文献[3]可知发动机激励对车架的影响主要考虑爆发激励频率f：

式中，n为发动机的转速，z为发动机的缸数，τ为发动机的冲程数。该公铁两用牵引车所配套的怠速n=600 m in/r，相应的怠速f=30 Hz。在 n=1 200~2 200 min/r时 ，相应的f=60~110 Hz。

公铁转换工作状态下，转盘的前四阶约束模态均高于正常转速下发动机的爆发激励频率，不会引起共振；车架约束模态第1阶固有频率均低于发动机的怠速及常用转速下的爆发激励频率，车架不会发生共振。车架在公铁转换工作状态的第2阶固有频率与发动机的怠速爆发激励频率相近，有可能引起车架的共振，但由于选用或设计发动机悬置时必须考虑悬置的积极隔振作用，因此不会引起车架的较大振动。车架的第3~6阶固有频率高于发动机的怠速爆发激励频率而低于常用转速下的爆发激励频率，不会引起车架的共振。

5 结语

公铁两用牵引车车架和转盘的固有频率和固有振型不仅关系到其公铁转换工作过程的稳定性，而且会影响到整车的安全性；基于数值模拟技术完成了对公铁转换装置的模态分析；依据一定的车架振动评价原则对公铁转换装置的动态性能进行评价。由分析可知，该公铁两用牵引车公铁转换装置的动态性能符合要求，该分析对于公铁转换装置的设计和改进意义重大。

[1] 李红勋,张弛,张贺..基于虚拟样机技术的铰接式车架有限元分析[J].专用汽车,2009(12):46-48.

[2] 冯国胜.汽车车架动态特性分析及应用[J].汽车技术,1994(8):9-12.

[3] 胡正权.回转制动载荷激励下的门座起重机臂架系统动态特性研究[D].武汉理工大学,2003:11-58．

Modal Analysis of Rail-road Switching Device for Road-rail Vehicle

LI Hong-xun et al

The modal analysis of rail-road switching device under working mode is conducted by using numerical simulation technology，and dynamic performance is evaluated on the basis of some vibration evaluation principle. According to the analysis results, performance of the device met the requirements.

road-rail vehicle; rail-road switching device; modal analysis

U469.6+93.02

A

1004-0226(2015)05-0094-04

李红勋，1981年生，讲师，主要研究方向为军用特种车辆设计与仿真。

2015-03-03