铁道客车车体模态试验研究

段合朋，邓爱建，刘宏友，贾尚帅

(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)

本文以某铁道客车车体为研究对象，系统开展铁道客车车体模态试验方法研究，可以为铁道客车振动特性研究提供方法支撑。

1 试验方法

激振器试验法是指利用模态激振器激励车体，采集车辆输入输出信号，进而计算输入输出信号之间的频响函数，通过模态参数辨识方法得到车辆的模态参数[1]。

滚动振动台试验法是指利用整车滚动振动台进行模态试验，通过采集车体各截面测点的振动加速度，选择端墙测试点响应数据作为参考通道，计算各测试点与参考通道之间的自相关和互相关函数，以相关函数矩阵代替频响函数矩阵，继而运用传统模态参数识别方法进行模态参数识别。整车滚动振动台输入信号可以是线路激扰谱，也可以是标准信号(正弦信号、随机信号、冲击信号等)或者线路上采集的加速度信号，输入信号通过控制器控制液压作动器实现对车辆轮对的激励。这种方法可以模拟各种车辆振动，从而分析车辆及其零部件的动态特性[2]。

线路试验法是指车辆在线路上运行时进行的模态试验，其分析方法与滚动振动台试验法比较接近，都属于环境激励模态参数识别方法。线路试验法可以真实地反映车辆运行时的动态特性。

2 试验内容

激振器试验法分别对车体结构和整备状态车体进行了试验，整备状态车体又分空车和载人(承载60人)2种状态；滚动振动台试验法主要对整备状态车体进行试验；线路试验法主要针对空车和均匀装载沙袋2种工况进行。3种模态试验的试验内容见表1。

表1 3种模态试验的试验内容

3 测点方案

基于激振器试验法时，沿车体长度方向基本均匀布设15个断面，每个断面共14个测点，如图1所示。基于滚动振动台试验法、线路试验法时，沿长度方向基本均匀布设7个断面，每个断面共4个测点，如图2所示。

图1 激振器试验法各断面布置示意图

图2 滚动振动台试验法、线路试验法各断面布置示意图

4 激振器试验法模态试验结果分析

4.1 模态试验结果

对不同试验工况所获得的加速度测试结果进行预处理后，采用模态参数识别方法PolyMAX进行分析，得到各工况下车体低阶弹性体模态频率、振型及阻尼比[3]。激振器试验法模态参数测试结果见表2，典型振型图如图3所示。

图3 激振器试验法典型振型图

表2 激振器试验法模态参数测试结果

4.2 结果分析

(1) 对比车体结构与整备状态空车车体横向参数测试结果可知，一阶菱形频率、一阶呼吸频率、一阶垂向弯曲频率变化接近，整备状态下空车车体频率分别降低35.96%(3.92 Hz)、36.70%(5.09 Hz)、36.28%(5.41 Hz)，一阶横向弯曲频率与一阶扭转频率整备状态前后变化相对较小，分别降低26.8%(3.92 Hz)、28.12%(5.3 Hz)。由此可见，车体整备后对垂向弯曲刚度影响较大，对横向弯曲刚度以及扭转刚度影响相对较小。

(2) 对比整备状态载人工况(承载60人)与整备状态空车横向参数测试结果可知，载人对车体模态参数影响较小，与空车工况相比，载人后车体的一阶菱形频率、一阶垂向弯曲频率、一阶扭转频率分别变化2.7%(0.19 Hz)、0.7%(0.07 Hz)、0.3%(0.04 Hz)，其原因主要是因为人体是多自由度弹性体，与车体组成类似于弹簧-质量的系统，对车体频率的影响相对较小。

5 滚动振动台试验法及线路试验法模态试验结果分析

5.1 模态试验结果

滚动振动台试验法、线路试验法得出的车体模态参数测试结果见表3。

表3 滚动振动台试验法及线路试验法得到的车体模态参数测试结果

5.2 结果分析

(1) 线路试验法与滚动振动台试验法得到的车体模态参数较为接近。

(2) 整备状态重车(均匀装载8.2 t沙袋)对车体模态参数影响较大。与整备状态空车相比，车体的一阶菱形频率、一阶呼吸频率变化较大，分别降低0.73 Hz、0.56 Hz；一阶垂向弯曲频率、一阶横向弯曲频率、一阶扭转频率相对空车的相应振动频率略有变化，分别降低0.19 Hz、0.27 Hz、0.17 Hz。

6 结论

(1) 激振器法、滚动振动台试验法、线路试验法3种方法得出的车体模态试验结果一致性相对较好。

(2) 车辆载人状态对车体模态频率影响较小，车辆装载沙袋状态对模态频率影响较大，其中对车体一阶菱形频率、一阶呼吸频率影响最大。