机车车体钢结构动态性能的模态试验方法及应用

0引言 在机车车辆运行的过程中，车体要受到来自轨道线路和内部设备的激励而产生振动。随着机车速度的提高，会产生更多激励（或激励频率范围更宽）。当某些结构设计不合理，就会产生弯曲、扭转共振，从而使车体结构产生严重的弯曲、扭转等变形，最后造成局部结构疲劳破坏（比如SS4改型机车车体底架变压器梁的纵横梁联结处产生裂纹以及其空气压缩机座产生裂纹等）。过去，人们对机车车体进行结构改进设计和维修时，主要是靠经验，哪个地方出现裂纹，就加固哪个地方，这种补救方法带有盲目性。不仅没有从根本上解决问题，还使机车的自重以及局部结构强度增加，影响机车其它部位的性能以及使用寿命（这在机车的维修过程中已经体现，如洛阳机务段在对6K机车牵引座进行补焊加强后，相邻的部位又出现裂纹等）。 这些问题主要是对机车结构及其内部设备的动态特性缺乏了解所致。用模态试验分析的方法可以了解机车车体底架或内部设备振动特性并结合动态分析而进行故障诊断，这种方法是研究解决上述问题的有效手段。使用该方法可以发现机车结构动力学特性方面存在的缺陷，找到影响机车结构可靠性的原因及解决措施。本文就模态试验方法及其在某型机车车体和主变压器结构的模态测试上的应用进行简单的介绍。 1模态试验方法 　　试验模态分析是以振动理论、信号处理技术和振动试验方法为基础，从所测得的输入、输出的信息中去辨识结构的模态参数（主要包含振动频率、阻尼系数、振型等）。近几年来，试验模态分析技术发展很快，各种测试手段日益更新，模态参数识别软件也层出不穷，这为工程技术人员获得较为准确的结构模态参数带来极大的方便。下面就结合某型机车钢结构（未安装内部设备）试验对模态试验的方法进行简单的介绍。 1.1被试结构的固定方式 　　在进行结构件模态试验时，首先要确定被测物体的固定方式。固定方式一般有两种：一种是按照其实际工作状态的方式进行约束，这种固定方式主要是用于结构较大的部件或在振动台上进行试验。二是悬吊式，即采用软绳把被试物品悬吊起来，使其处于自由状态下进行试验。结构处于自由状态时具有最多的自由度，这样得到的模态参数便于与其他部件一起进行整体结构的综合模态分析。由于被试车体结构较大，并且复杂，故本次试验采用第一种方式来进行试验，即模拟车体的实际支撑状态。具体方法是模拟车体的实际支撑状态进行支撑，在底架下方二系弹簧安装位置利用4个墩子支撑，并在墩子上面垫上软橡胶垫模拟弹性支撑。 1.2激振方法的选择 　　激振方法的选择包括两方面内容：一是采用什么样的激振信号；二是采用单点激振（SIMO）还是多点激振(MIMO)。这其中的关键在于激振源能否能够提供足够的能量，把需要的频段中的模态全部激发出来。 激励信号可采用随机信号、脉冲信号、正弦扫频信号等。用锤击法提供脉冲信号的优点是设备简单，不需要精心设计安装激振器的夹具，便于现场测试，由于激振器不与被试物品相连，不影响被试物品的动态特性；同时；激振点可以灵活选取，敲击力的方向可以任意，测试精度能满足一定要求，且高于随机激励的测试精度。缺点是激振力频率范围不易控制，仅适合于低频，对于高频模态则不易激发出来；由于振动能量分散，从而信噪比小；另外锤击有时可能连击和过载，造成结构不是单次激励和进入非线性范围。这需要试验人员具有较丰富的经验以及在试验之前进行多次的测试，控制好锤击的力度。在本次试验中根据现场条件和试验情况（根据以往的经验，车体结构的一阶模态自振频率在20Hz以下，属于低频范围）采用了锤击法提供脉冲信号。 模态分析的频域法有两种：单点激振法和多点激振法。多点激振法需要昂贵的多点激振设备，试验过程复杂，但计算比较简单；单点激振法所需设备简单，试验也较容易，但计算方法要复杂上些。针对机车车体钢结构的特点，综合上述因素，试验选用了单点激振。 1.3试验频段的选择 　　试验频段的选择应考虑到机车车体在运行条件下可能的激振频率范围。通常认为，远离振源频带的模态对结构的实际振动影响（贡献量）较小。事实上，高频模态贡献的大小，除与激振频率有关外，还与激振力的分布状况有关。此外，为使整体模态具有更高的精确度，部件模态试验的频段也应适当放宽，以求得较多的模态阶次。 考虑到机车的运行速度与轨道条件以及车体与其他部件进行综合分析的需要，试验中选取0~50Hz作为车体钢结构的试验频段。 1.4测点布置 　　测点布置原则是：布置在结构支点、梁连接点和刚度变化较显著的点上；尽可能布点均匀，左右对称。对于本次试验，由于被试车体每个面的结构是对称的，所以传感器均匀分布在主要的骨架梁上。这样，既便于试验后的模态综合，又不致使识别的模态失真。测点布置、测点数量的选择还应考虑到以下两方面的要求：一是能够明确显示在试验频段内所有模态的基本特征及互相间的区别；保证所关心的结构点（如与其它结构的连接点）都在所选的测量点之中。二是为提高信噪比，测点不应选在各阶振型节点附近；另外由于车体的结构比较庞大，我们分别对每个面进行测试，测量出每个面的振动模态。用压电式加速度传感器测量各测点在垂直于其平面的方向上的振动加速度响应，现场采集信号，实时处理得到频响函数。 　　测振时加速度计安装正确与否，对测量结果的正确性也有很大的影响。传感器的安装方式多种多样，我们根据测试频段及车体的构造，把测点表面清除干净后用502胶把传感器粘结在金属的表面，确保传感器安装定位可靠、方向准确。另外也可以利用磁性吸盘的方式把传感器吸附在金属结构的表面（要注意对吸附的表面进行清理，保证吸附牢靠）。 2提高测试精度应采取的措施 2.1仔细标定系统灵敏度。在机械阻抗测量时，不仅要校正单个传感器的灵敏度，而且对力传感器与加速度传感器灵敏度的相对比值也进行了标定。 2.2冲击力的大小决定于激起各阶模态所需的能量水平，但过大的冲击力会造成局部非线性，所以锤击时要控制冲击力的大小。同时锤击的动作要迅速，不能抖动。特别要避免试件反弹造成力锤对试件的二次冲击。 2.3为了减少谱泄漏，在处理时应采用数据窗。对冲击激励函数分析，采用指数衰减数据窗可以减少噪声总电（水）平。 2.4为检查模态参数可靠性，可采取互易性来检验，即根据阻抗矩阵的对称性，如在A点激振、B点测振的响应与B点激振、A点测振的响应相同。 2.5进行数据处理时，首先需要确定触发系统。脉冲信号采用信号触发，即当有一脉冲信号过来时，才进行一次触发平均。为减少随机误差，应进行多次平均。 2.6考虑到网架结构的阻尼较小，频响函数的半功率带较窄，故应尽量提高频率分辨率。 2.7传递函数可信性检验。所有时域信号均在微机上显示，正常时才继续进行后续试验。每个传递函数都用相关函数检验。 3模态试验示例 　 本试验采用瞬态激振原理来测量某型机车车体（车内未安装设备）的模态参数，系统采用的是“LMS International”的SCADIII数据采集分析系统。试验原理图如图１所示。 图1 车体钢结构振动模态测试系统构成框图 由系统原理图可以看出，力锤在锤击车体钢结构时，车体产生逐渐衰减的振动（机械阻尼使振动衰减），数据采集系统采集力锤产生的激励力和各测点加速度传感器响应的时域信号。经过数据处理可以得到力锤的力谱和车体钢结构各测点的响应谱。由于力锤产生的是宽频带的激励谱，车体钢结构上的响应是与力锤相对应的宽频加速度谱。数据处理后可以得到相应的原点和跨点的频响函数，经振动模态参数识别软件分析可以识别出车体的模态参数。 试验时在车体的底架上布置了27个加速度测点，在车体的侧墙（每个面）上布置了27个测点，同时车顶骨架上布置了23个测点，文章仅以底架的振动模态为例进行说明。 首先在底架上根据具体的结构布置加速度传感器，由于底架主要承受垂向的振动，因此试验主要进行垂向的模态测试。 底架测点布置的三维线架模型如图2所示：图3为车体底架的综合频响函数图。在表1中列出了车体底架的前三阶的模态参数，其对应的各阶模态振型见图4-图6。 图2 底架测点的线架模型 图3 车体底架的综合频响函数图 表一 车体底架的固有频率与阻尼比 阶数 固有频率/Hz 阻尼比/% 振型 1 16.05 0.4 对角扭转（图4） 2 18.91 1.89 对称扭转（图5） 3 27.003 0.79 弯曲（图6） 图4 车体底架第一阶模态振型图 图5 车体底架第二阶模态振型图 图6 车体底架第三阶模态振型图 另外，我们对车内主变压器（未加变压器油的状态）也进行了模态测试，测量结果显示主变压器的一阶模态为26.85Hz，振型为刚体的扭转振型；而前文中所述车体底架的三阶模态为27.003Hz，振型为弯曲振型。这样在机车振动剧烈时，车内设备和车体底架之间会形成共振，会降低结构局部的使用寿命。而这种情况，可以在机车底架与变压器的连接部位改变结构，使二者的固有频率差异增大，从而避开共振点，延缓疲劳破坏，从而可以优化结构的动态性能。同时，也可以通过隔振设计和增加阻尼来减小振动。 4结束语 通过模态试验，可以更为深入的了解结构振动特征（如振动频率、阻尼以及振型等），可以通过这些参数，对结构的动力学