裝載罐式集裝箱平車的臺架模態(tài)試驗分析*

王俊龍

(車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

0 引 言

集裝箱行業(yè)一直沒有疲勞相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，目前也很少有涉及到設(shè)計和運(yùn)用經(jīng)驗方面的資料。特別是近幾年多式聯(lián)運(yùn)的發(fā)展，集裝箱的運(yùn)用頻率越來越高，運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)也越來越廣，運(yùn)用工況也更加復(fù)雜，導(dǎo)致集裝箱的疲勞問題時有發(fā)生，特別是在罐箱的設(shè)計中，局部容易產(chǎn)生疲勞的結(jié)構(gòu)，如果靠不成熟的經(jīng)驗去設(shè)計，容易產(chǎn)生過度設(shè)計或是設(shè)計不足。

車輛模態(tài)特征是評估車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)疲勞可靠性及運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一，是結(jié)構(gòu)振動特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。近些年來，已有眾多研究人員針對車輛系統(tǒng)的模態(tài)分析做了工作。李立東等[1]在鐵路貨車疲勞與振動試驗臺上對C80型敞車進(jìn)行了模態(tài)試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果修正了C80型敞車及邊界條件，提出了敞車模型的簡化方法。鄧愛建等[2]以C70貨車作為研究對象，利用膠濟(jì)試驗線進(jìn)行環(huán)境激勵下工作模態(tài)試驗，分析了該型貨車各階垂向與橫向模態(tài)對車體的影響。金新燦等[3]提出了一種互相關(guān)函數(shù)理論同多種時域模態(tài)分析法相結(jié)合的環(huán)境激勵下模態(tài)參數(shù)識別方法，并以某型客車進(jìn)行了試驗驗證，為鐵路車輛模態(tài)試驗和分析提供了參考。樸明偉等[4]提出一種基于剛?cè)狁詈戏抡娴恼駝悠诜治龇?，并針對集裝箱平車垂向加速度過大的問題，確定了集裝箱地腳的垂向縱向約束力是造成大幅值循環(huán)應(yīng)力出現(xiàn)的主要成因。項昌樂等[5]基于工作模態(tài)法對某型車變速箱箱體進(jìn)行了模態(tài)試驗分析，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。

考慮到現(xiàn)有的模態(tài)振動試驗大多以整車作為研究對象，而涉及到集裝箱模態(tài)振動分析的部分相對不足。筆者依托疲勞與振動試驗臺，以裝載罐式集裝箱的平車為研究對象，開展模態(tài)試驗分析，獲得模態(tài)參數(shù)分布情況。該試驗臺為2012年中車齊齊哈爾車輛有限公司建立，為開展全尺寸鐵路貨車車體疲勞、整車振動及模態(tài)試驗提供了裝備基礎(chǔ)。試驗通過在平車車體及集裝箱上布置加速度傳感器及應(yīng)變片，進(jìn)一步分析了裝載集裝箱的載荷傳遞過程及關(guān)鍵評估點的振動響應(yīng)。為罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模態(tài)特性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工作模態(tài)試驗原理

在傳統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)時域辨識中，多參考點LSCE法是從系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)出發(fā)，根據(jù)脈沖響應(yīng)函數(shù)與極點和留數(shù)之間的復(fù)指數(shù)關(guān)系，求出極點和留數(shù)，進(jìn)而獲得系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。對于一個線性系統(tǒng)，在時域內(nèi)，系統(tǒng)任意點的脈沖響應(yīng)函數(shù)與白噪聲激勵時各輸出點響應(yīng)之間的相關(guān)函數(shù)具有相類似的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其固有頻率和阻尼比同結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)完全相同。因此，可將兩點間響應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)代替脈沖響應(yīng)函數(shù)，采用時域內(nèi)某些原本需要利用脈沖響應(yīng)函數(shù)的傳統(tǒng)模態(tài)分析方法進(jìn)行未知激勵下的模態(tài)參數(shù)識別。本文采用了多參考點LSCE法，從時域內(nèi)互相關(guān)函數(shù)中識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

多參考點LSCE法以擬合在響應(yīng)點和參考點之間相關(guān)函數(shù)的互功率譜數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合已識別到的模態(tài)頻率和阻尼為模態(tài)振型。

(1)

式中：xmn{jω}指在第m個響應(yīng)點與第n個參考點間的互功率譜密度函數(shù)；留數(shù)Ar或Br反映各階振型對系統(tǒng)響應(yīng)的貢獻(xiàn)。因此，辨識振型即是對留數(shù)的擬合問題。通過擬合在所有響應(yīng)點與參考點間的互功率譜的數(shù)據(jù)，就可獲得系統(tǒng)的全部模態(tài)振型。

2 臺架激勵下的模態(tài)試驗

2.1 試驗結(jié)構(gòu)及測點布置

為了能夠反映裝載集裝箱平車的真實振動特性，在整備狀態(tài)下開展試驗。將整備狀態(tài)車輛放置于試驗臺的4根輪對支撐梁上，通過試驗臺鉸接裝置連接車輛的一端車鉤，另一端車鉤與試驗臺不鉸接，呈自由狀態(tài)。每根輪對支撐梁下部連接2個垂向作動器，支撐梁一端連接1個橫向作動器，作動器通過輪對支撐梁激勵整備車輛在垂、橫方向振動。裝載集裝箱平車的試驗照如圖1所示。

圖1 整車振動試驗臺

針對車體的結(jié)構(gòu)特點，沿車體方向分為9個斷面，每個斷面三個測點位置，每個測點位置布置垂、橫向兩個振動加速度傳感器，共計測點數(shù)量27個。

在兩個20ft集裝箱中選擇一個集裝箱，在其的角座處、框架中部布置加速度傳感器，測點位置及方向如圖2所示。

圖2 罐式集裝箱的加速度測點

2.2 試驗臺激勵

對被試車輛分別采用隨機(jī)、正弦變頻掃描信號、階躍激振等信號激勵，利用多點激勵、多點同時采集的方法，獲得高信噪比的頻響函數(shù)。對采集的車體所有加速度響應(yīng)點數(shù)據(jù)采用工作模態(tài)分析方法進(jìn)行處理，最終得到模態(tài)參數(shù)。

2.3 試驗內(nèi)容

試驗內(nèi)容包含空載狀態(tài)的X70型集裝箱平車、裝載兩個空箱和裝載兩個重箱的X70平車三個方案的模態(tài)試驗及振動試驗。重車工況試驗時，填充介質(zhì)為水，按標(biāo)記載重進(jìn)行裝載，試驗內(nèi)容如表1所列。

表1 試驗內(nèi)容

3 模態(tài)試驗結(jié)果及分析

3.1 整備狀態(tài)下平車的模態(tài)結(jié)果

激勵裝有平車的振動試驗臺，對獲得的振動加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，經(jīng)計算分析，得出整備狀態(tài)下車體低階彈性體及部分剛體模態(tài)頻率、阻尼比和陣型。頻率和阻尼比見表2所列，最低頻率振型為側(cè)滾，頻率為6.37 Hz，振型如圖3所示，振動中心線在車體中心；車體扭轉(zhuǎn)頻率為15.74 Hz，最高頻率振型為二階扭轉(zhuǎn)，頻率為23.96 Hz。

表2 平車車體模態(tài)頻率和阻尼比

圖3 罐式集裝箱的加速度測點和應(yīng)變

3.2 裝載集裝箱的平車模態(tài)結(jié)果

將集裝箱放在平車上，集裝箱通過鎖座與車輛連接，車體與集裝箱組成了新的系統(tǒng)。裝載集裝箱后的平車模態(tài)結(jié)果如表3、4所列，無論裝載空箱狀態(tài)還是裝載重箱狀態(tài)，系統(tǒng)能識別出來的振型主要為側(cè)滾振型和垂向一階彎曲振型，其他振型均為罐箱框架的局部振型。裝載重箱后側(cè)滾振型如圖4所示，垂向一階彎曲振型如圖5所示。

表3 裝載兩個空箱平車模態(tài)頻率和阻尼比

表4 裝載兩個重箱后的平車模態(tài)頻率和阻尼比

圖4 裝載重箱后的側(cè)滾振型

圖5 裝載重箱后的垂向一階彎曲振型

4 振動響應(yīng)分析

試驗臺架的激擾譜采用美國5級譜，速度等級為30～132 km/h，進(jìn)行試驗激勵，采集加速度、應(yīng)變響應(yīng)，并對響應(yīng)進(jìn)行PSD分析。

速度等級為80 km/h時，車體端部的I3測點及其上方罐箱角座部位J3測點的裝載空箱和重箱狀態(tài)的振動響應(yīng)如圖6、7所示。

圖6 空箱與重箱狀態(tài)下I3測點垂向加速度頻譜對比

圖7 空箱與重箱狀態(tài)下J3測點垂向加速度頻譜對比

結(jié)果表明：車體裝載空箱后，此時平車的兩個扭轉(zhuǎn)振型全部消失，同時在枕梁部位出現(xiàn)30～60 Hz的高頻振動。車體裝載重箱后，除扭轉(zhuǎn)振型受到抑制外，更多的車體振型消失，同時由于載重的影響，枕梁部位的高頻區(qū)間發(fā)生偏移，變?yōu)?0～50 Hz。

此外，空箱狀態(tài)下的罐箱角座處的沖擊比重箱更為強(qiáng)烈。這是由于制造過程很難保證四個角座在同一平面內(nèi)，重箱時由于自重原因，使得角座之間間隙比空箱小，故而導(dǎo)致空箱振動更為劇烈。

振動傳遞到罐體上后，很容易產(chǎn)生罐體的局部振動，以罐箱框架的上邊梁縱向測點為例，該測點時域數(shù)據(jù)可觀測到拍現(xiàn)象，如圖8所示。對測點進(jìn)行PSD分析，如圖9所示。裝載空、重箱狀態(tài)下的振動頻率分別為17.61 Hz和17.38 Hz。

圖8 裝載重箱狀態(tài)下應(yīng)變測點的時域數(shù)據(jù)

圖9 空箱與重箱狀態(tài)下應(yīng)變測點頻譜對比

5 結(jié) 論

以裝載罐式集裝箱的平車為研究對象，通過鐵路貨車疲勞與振動試驗臺對平車及裝載集裝箱的平車進(jìn)行室內(nèi)臺架模態(tài)試驗，分析了模態(tài)參數(shù)的分布情況。該工作為罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模態(tài)特性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(1) 通過鐵路貨車疲勞與振動試驗臺對平車及裝載集裝箱的平車進(jìn)行室內(nèi)臺架模態(tài)試驗，單獨平車識別振型較多。裝載集裝箱后，系統(tǒng)能識別出來的振型主要為側(cè)滾振型和垂向一階彎曲振型，其他振型均為罐箱框架的局部振型。

(2) 車體裝載空箱后，平車的兩個扭轉(zhuǎn)振型全部消失，同時在枕梁部位出現(xiàn)30～60 Hz的高頻振動。車體裝載重箱后，除扭轉(zhuǎn)振型受到抑制外，更多的車體振型消失，同時由于載重的影響，枕梁部位的高頻區(qū)間發(fā)生偏移，變?yōu)?0～50 Hz。此外，空箱狀態(tài)下的罐箱角座處的沖擊比重箱更為強(qiáng)烈。