張 雨， 王玉國， 李 超

(南京工程學院 汽車與軌道交通學院，南京 211167)

列車自動門的振動與列車的隔振、隔聲、隔熱、隔濕等密封性能密切相關[1]，因此在外部激振條件下列車自動門的振型及其變化就為人們所關心。將傳統(tǒng)模態(tài)分析技術——試驗模態(tài)分析EMA技術(Experimental Modal Analysis)與掃頻實驗相結合，可以得到人們關心的列車自動門系統(tǒng)一階模態(tài)[2]，包括固有頻率、模態(tài)振型和阻尼比[3-4]，但是存在以下問題：①EMA技術由于需要激勵裝置，在一般工程現場難以實現，更適合于在實驗室中實施；②在實驗室易于對簡單構件實施EMA試驗，卻難以對大型系統(tǒng)實施EMA試驗；③裝于側墻的列車自動門，在實驗室的狀態(tài)可能與裝車實際使用的狀態(tài)不盡相同。

為了解決上述問題，本文使用源于工作變形形狀ODS(Operational Deflection Shape)原理[5-6]的工作響應分析ORA(Operation Response Analysis)技術，采用能夠測量大面積構件二維振動的PSV-400-B型激光掃描測振儀，獲得列車自動門的工作響應振型。

1 工作響應分析

工作模態(tài)分析OMA(Operational Modal Analysis，亦譯作運行模態(tài)分析)技術[7]最明顯的特征是只需測量結構的輸出響應，不需要測量輸入激勵，得到的是結構的多個模態(tài)振型。但是當測量大面積構件二維振動時，由于受制于傳感器數量和信號采集儀通道數的限制，需要分批次測量，欲實施OMA就不方便。

源于ODS的工作響應分析ORA技術也只測量輸出響應，不需要測量輸入激勵。但是ORA與OMA的區(qū)別在于[8]，OMA得到的是結構的多個模態(tài)振型，ORA得到的已不是結構的模態(tài)振型，而是在某一工作狀態(tài)下，結構的多個模態(tài)振型按照某種線性方式疊加的變形形式，此時就不能提供阻尼比參數了。由于人們還習慣性地稱這種變形形式為振型，故不妨稱之為工作響應振型。當然，如果結構的工作狀態(tài)恰受到與結構某一階固有頻率相同的外部激勵作用，則“某次”工作響應振型就表現為“某階”模態(tài)振型。采用ORA技術測量大面積構件二維振動時，同樣受制于傳感器數量和信號采集儀通道數的限制。

工作響應分析ORA技術可直接獲得結構多個模態(tài)振型疊加的綜合變形，較之模態(tài)振型更具有工程指導意義。激光掃描測振儀在實現非接觸測量的同時，還實現了大面積構件子區(qū)域振動的快速檢測。將兩者結合共同運用于獲取列車自動門變形或振動的測量，既不需要測量輸入激勵，又可獲得列車自動門在不同技術狀態(tài)下的各次工作響應振型，且不受傳感器數量和信號采集儀通道數的限制，是一種較為理想的方法。

2 實驗方案

2.1 振動環(huán)境

在電動式6 t振動沖擊實驗臺上，設置模擬長壽命隨機振動試驗環(huán)境[9]。寬帶隨機振動頻率5～150 Hz，振動加速度均方根值2.9 m/s2，試驗時間5 h，隨機振動采用的參考譜圖如圖1所示。

圖1 試驗時的隨機振動參考譜圖

2.2 激光掃描測振儀

選用德國Polytec公司制造的PSV-400-B型激光掃描測振儀[10]，其最多測點256×256點，測距范圍0.35～100 m，采用速度振型，單位為mm/s。以列車行進方向為縱向，測量門扇橫向振動。運用激光掃描測振儀，獲得帶側墻列車自動門橫向振動各次工作響應頻率和振型。由于1次工作響應參數與一階模態(tài)參數相近，故通過前者可考察人們所關心的列車自動門一階模態(tài)參數。

2.3 試件

PSV-400-B型激光掃描測振儀所具有的掃描測點布置能力，使之能夠根據需求在掃描點數256點×256點范圍內定義任意的掃描網格密度，在視頻圖像區(qū)域范圍內定義任意的掃描子區(qū)域，這就為檢測大面積構件的子區(qū)域振動創(chuàng)造了條件，例如欲檢測列車自動門邊緣振動狀況的場合。本文的實驗研究，對于某型列車自動門，采取以下三種掃描測點布置方式：①包括玻璃窗的門扇，②不包括玻璃窗的門扇，③僅對玻璃窗。三種掃描測點布置方式如圖2，對應于三種掃描對象，實驗將獲得三種掃描對象的工作響應參數(振型和頻率)。實施工作響應參數試驗的系統(tǒng)框圖如圖3所示，實驗現場如圖4所示。

圖2 某型列車自動門的激光掃描測點布置

圖3 工作響應參數試驗的系統(tǒng)框圖

圖4 工作響應參數試驗現場

2.4 激光掃描測振儀的準確性分析

為了考察PSV-400-B型激光掃描測振儀的準確性，設置了驗證性試驗。對一根端部固定的鋁合金懸臂梁，在計算獲得其模態(tài)參數(模態(tài)頻率和振型)后，再采用PSV-400-B型激光掃描測振儀獲得其工作響應參數(工作響應頻率和振型)。比較由計算所得1階模態(tài)參數與實驗所得1次工作響應參數的差別。

圖5(a)是采用ANSYS建模仿真得到的鋁合金懸臂梁1階模態(tài)參數。圖5(b)是在1 480 r/min周期性激勵下，采用PSV-400-B型激光掃描測振儀獲得的鋁合金懸臂梁1次工作響應參數。

圖5 鋁合金懸臂梁的1階模態(tài)參數和1次工作響應參數

由圖5可知：①1階模態(tài)頻率為21 Hz，1次工作響應頻率為20 Hz，兩者誤差為5%；②1階模態(tài)振型和1次工作響應振型均為彎曲，兩者趨勢一致。故采用PSV-400-B型激光掃描測振儀獲得工作響應參數具有準確性保障。

3 實驗結果

按照實驗方案，可獲得某型列車自動門的工作響應參數，其中1次工作響應振型如表1。由表1可知：①列車自動門的1次工作響應振型為5.5 Hz彎扭組合，門扇的大振動部位在門扇外邊緣四周和門扇內玻璃框四周；②玻璃窗的1次工作響應振型為5.5 Hz正弦型彎曲，正弦波的傳遞方向沿門扇縱向傳播。參考文獻[4]曾對帶側墻列車自動門進行橫向5Hz～200 Hz正弦掃頻，表明該5.5 Hz是1階共振點頻率。

表1 某型列車自動門的1次工作響應振型

4 結 論

①將源于工作變形形狀ODS原理的工作響應分析ORA技術和激光掃描測振儀共同用于列車自動門的振動檢測，無需測量輸入激勵?？色@得列車自動門的工作響應振型，以振動速度mm/s表示，可表達大面積構件的子區(qū)域振動，具有工程指導意義。

②通過比較鋁合金懸臂梁由計算所得1階模態(tài)參數和由檢測所得1次工作響應參數的差異，證明了激光掃描測振儀的準確性。

③對某型列車自動門，獲得了包括玻璃窗的門扇、不包括玻璃窗的門扇、僅對玻璃窗三類掃描對象的工作響應參數(工作響應頻率和振型)，對1次工作響應振型作了初步分析。

參 考 文 獻

[1]董錫明. 近代高速列車技術進展[J]. 鐵道機車車輛,2006,26(5):1-11.

DONG Xi-ming. Technique progress of modern high-speed train[J]. Railway Locomotive & Car,2006,26(5):1-11.

[2]沈志云. 高速列車的動態(tài)環(huán)境及其技術的根本特點[J]. 鐵道學報,2006,28(4):1-5.

SHEN Zhi-yun. Dynamic environment of high-speed train and its distinguished technology[J]. Journal of the China Railway Society,2006,28(4):1-5.

[3]張 雨,王玉國,辛江慧,等. 考慮瞬態(tài)壓力波效應的高速列車車門模態(tài)試驗分析[J]. 噪聲與振動控制,2011,31(3):95-98.

ZHANG Yu，WANG Yu-guo，XIN Jiang-hui，et al. The test analysis for mode of high-speed train door by considering the effect of transient pressure wave[J]. Noise and Vibration Contral,2011,31(3)：95-98.

[4]李曉軍,張 雨,王玉國,等. 通過掃頻激振確定高速列車門系統(tǒng)固有頻率[J]. 南京工程學院學報(自然科學版),2011,9(3):1-5.

LI Xiao-jun，ZHANG Yu，WANG Yu-guo，et al. To make sure the nature frequency of high-speed train door system via frequency-scan excitation[J]. Journal of Nanjing Institute of Technology(Natural Science Edition),2011,9(3):1-5.

[5]Frank P,Leyland G. Damage detection of beams using operational deflection shapes[J]. International Journal of Solids and Structures,2001,38(18):3161-3192.

[6]譚萬軍,楊 亮,吳行讓,等. 基于ODS與試驗模態(tài)分析的方向盤擺振優(yōu)化[J]. 振動工程學報,2011,24(5):498-504.

TAN Wan-jun，YANG Liang，WU Xing-rang，et al. Steering wheel shimmy optimization based on ODS analysis and experimental modal analysis[J]. Journal of Vibration Engineering,2011,24(5):498-504.

[7]張義民,張守元,李 鶴,等. 運行模態(tài)分析中固有模態(tài)和諧波模態(tài)區(qū)分方法研究[J]. 振動與沖擊,2009,28(1):64-67.

ZHANG Yi-min，ZHANG Shou-yuan，LI He，et al. Modes in operational modal analysis[J]. Journal of Vibration and Shock,2009,28(1):64-67.

[8]譚祥軍. 模態(tài)分析方法分類[EB/OL]. 2011-07-03/2012-08-08. http://modalspace.blog.sohu.com/177597126.html.

[9]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,國家標準化管理委員會. GB/T 21563-2008 軌道交通 機車車輛設備沖擊和振動試驗[S]. 北京:中國標準出版社,2008.

[10]太平洋光電公司. 全場掃描式激光測振儀[EB/OL].2010-07-20/2012-08-08. http://www.pacific-opto.com/scanning.html.