鄧愛建，段合朋，劉宏友，賈尚帥，王云鵬，湯勁松

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035)

振動傳遞路徑分析是跟蹤由激勵源經(jīng)過已知結(jié)構(gòu)或空氣等傳播路徑，傳遞到指定接收點的能量流分析方法，是一種利用頻響函數(shù)研究系統(tǒng)中振動、噪聲等傳播路徑的方法。目的是為了評價由激勵源到接收點或響應(yīng)點之間各路徑能量的矢量貢獻(xiàn)，從而可以針對需要解決的特定問題，確定路徑上哪些部件需要進(jìn)行修改或者優(yōu)化設(shè)計使其得到理想的振動特性。振動傳遞路徑分析方法有很多，比如經(jīng)典TPA法、運行工況OPA法、OPAX法、快速TPA法及混合TPA法等。本文將以某型鐵道客車為研究對象，采用經(jīng)典TPA法開展鐵道客車振動傳遞路徑研究。

1 理論基礎(chǔ)

振動傳遞路徑分析方法將車輛系統(tǒng)簡化為轉(zhuǎn)向架-路徑-車體模型。車體上目標(biāo)點為車輛平穩(wěn)性測點，路徑為轉(zhuǎn)向架與車體連接件，即空氣彈簧、牽引拉桿、抗蛇行減振器及橫向減振器，振源為整個轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)，如圖1所示。整個振動傳遞路徑系統(tǒng)由公式(1)[1]表示：

圖1 車體振動傳遞路徑模型圖

(1)

式中：X(ω)——目標(biāo)點總響應(yīng)；

Hi(ω)——第i條路徑的頻響函數(shù)；

Fi(ω)——第i條路徑的激勵力。

由公式(1)可知，傳遞路徑分析總共有3個量值，其中總響應(yīng)可以通過運行工況測試直接得到，頻響函數(shù)可以通過錘擊法求得。只要得到各路徑激勵力，整個函數(shù)就可以解耦，并可以進(jìn)一步分析出各條路徑的貢獻(xiàn)量。

獲取激勵力的方法有多種，有直接測量法、復(fù)剛度法以及逆矩陣法。直接測量法及逆矩陣法適用于車輛懸掛系統(tǒng)[2]，由于車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝空間狹小，直接測量法無法實施，因此，最終采用逆矩陣法求解激勵力大小。

首先將轉(zhuǎn)向架與車體分離，在各路徑點、參考點、目標(biāo)點處布置加速度傳感器。其中，參考點數(shù)量最低應(yīng)是路徑點的2倍，參考點應(yīng)布置在路徑點附近剛度較大處，與路徑點保持一定距離。力錘激勵各路徑點，求得路徑點與參考點、路徑點與路徑點之間的頻響函數(shù)矩陣[Hstatic(ω)]，如公式(2)所示：

(2)

(3)

2 測點布置

在車體1位端地板選取2個測點為目標(biāo)點，分別位于轉(zhuǎn)向架空氣彈簧正上方車體地板中央及距離車體中心線1 m地板面處。平穩(wěn)性測點位置如圖2所示。

圖2 平穩(wěn)性測點位置圖

1位端、2位端轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)相同，前后對稱，本文只選取1位端轉(zhuǎn)向架作為分析對象。振動傳遞路徑分析共有7條，分別為1位端轉(zhuǎn)向架的左右空氣彈簧、左右抗蛇行減振器、左右橫向減振器及牽引拉桿與車體的連接點(車體路徑點)，在車體的每個路徑點旁布置2個參考點，共布置14個參考點[4]。路徑點與參考點測試均采用三向加速度傳感器，測試點編號及其位置如表1所示。

表1 測試點編號及其位置

3 試驗過程

3.1 工況數(shù)據(jù)測試

應(yīng)用整車滾動振動臺施加美國五級譜激勵，測試目標(biāo)點、車體路徑點與參考點所有測點的加速度信號，用于計算運行工況下各測點的頻譜。

3.2 頻響函數(shù)測試

頻響函數(shù)測試需將轉(zhuǎn)向架與車體分離，然后用錘擊法進(jìn)行試驗。其中，車體路徑點-目標(biāo)點的頻響函數(shù)測試用于各路徑貢獻(xiàn)量分析，車體路徑點-車體參考點頻響函數(shù)測試、車體路徑點-車體路徑點頻響函數(shù)測試用于計算實際運行工況下車體路徑點的激勵力。

4 結(jié)果分析

4.1 目標(biāo)點頻譜分析

取美國五級譜160 km/h速度級激勵時的加速度數(shù)據(jù)，分析車體目標(biāo)點(平穩(wěn)性測點)加速度響應(yīng)幅頻特性，結(jié)果如圖3所示。車體目標(biāo)點各主要頻率如表2所示。

圖3 160 km/h目標(biāo)點加速度響應(yīng)幅頻特性曲線

由表2可知，車體地板1位端目標(biāo)點橫向、垂向幅值最大主頻率均為2.0 Hz，車體地板中央目標(biāo)點橫向幅值最大主頻率為6.5 Hz，車體地板中央目標(biāo)點垂向幅值最大主頻率為9.5 Hz。

表2 車體目標(biāo)點各主要頻率表

4.2 貢獻(xiàn)量分析

將錘擊法試驗測得的頻響函數(shù)與逆矩陣法求得的工況載荷相乘，即可計算出各條路徑對車內(nèi)目標(biāo)點的貢獻(xiàn)量，結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 SP-1:各路徑橫向貢獻(xiàn)量

圖5 SP-1:各路徑垂向貢獻(xiàn)量

圖6 SP-2:各路徑橫向貢獻(xiàn)量

圖7 SP-2:各路徑垂向貢獻(xiàn)量

注：整備車輛車體模態(tài)試驗結(jié)果：車體菱形模態(tài)頻率為6.5 Hz；一階垂向彎曲模態(tài)頻率為9.5 Hz。

(1) 由圖4可知，在0～40 Hz范圍內(nèi)，對于1位端目標(biāo)點橫向振動加速度影響較大的路徑為1、2位側(cè)空氣彈簧，其中2位側(cè)空氣彈簧影響最大，且橫向激勵比垂向激勵的影響大。

(2) 由圖5可知，在0～40 Hz范圍內(nèi)，對于1位端目標(biāo)點垂向振動加速度影響最大的路徑為2位側(cè)空氣彈簧，此外1位側(cè)空氣彈簧、1位側(cè)抗蛇行減振器、2位側(cè)抗蛇行減振器也有較大影響。

(3) 由圖6可知，在0～40 Hz范圍內(nèi)，對于地板中央目標(biāo)點橫向振動加速度影響較大的路徑為1、2位側(cè)空氣彈簧，其中1位側(cè)空氣彈簧橫向振動影響最大。

(4) 由圖7可知，在0～40 Hz范圍內(nèi)，對于地板中央目標(biāo)點垂直振動加速度影響較大的路徑為1、2位側(cè)空氣彈簧及1位側(cè)抗蛇行減振器，其中1位側(cè)空氣彈簧垂向振動影響最大。

5 結(jié)論

通過對鐵道客車振動傳遞路徑研究，可以得出以下結(jié)論：

(1) 車體振動傳遞中，空氣彈簧為最主要的振動傳遞路徑。抗蛇行減振器比橫向減振器與牽引拉桿振動傳遞大。

(2) 低頻振動時，2 Hz振動對車體影響最大。

(3) 車體菱形模態(tài)對車體橫向振動影響較大，車體一階垂向彎曲模態(tài)對車體垂向振動影響較大。