高速列车接地线座板模态试验分析

杨凯+李亚波+窦晓亮+崔杰

摘 要：模态分析是一种处理过程，是根据结构的固有特性，包括频率、阻尼和模态振型，这些动力学属性去描述结构的过程。以高速列车接地线座板为模态试验对象，接地线采用两种不同的约束方式，激振器和锤击法两种激励方式进行激励的输入，采用ICP加速度计进行加速度测量，SCADASⅢ-LMS数采设备进行加速度响应采集，通过LMS分析软件进行数据后处理分析，结合FRF传递函数、稳态图、正交矩阵、跨点频响等图像对不同激励方式和接地线的不同约束方式的试验结果进行对比分析，得出结论：（1）接地线不同的固定方式会对模态频率产生影响，低阶频率影响较小，高阶频率影响较大。（2）低阶频率时接线方式对频率影响较小，高阶频率时，现车接线方式明显高于此类非现车接线方式。（3）激振器和锤击法激励输入有明显的差异性，是由于激振器的连接改变了接地线座板的刚度和质量导致的。

关键词：模态分析；高速列车；接地线座板；固有频率

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.08.094

0 前言

试验模态是用试验的方法基于共振原理测得的结构模态参数。模态分析是一种处理过程，是根据结构的固有特性，包括频率、阻尼和模态振型，这些动力学属性去描述结构的过程。对一个结构系统施加的外力的振动频率越来越接近系统的固有频率（或者共振频率）时，响应幅值会越来越大。激励力频率驻留于结构的每一个固有频率，会发现结构在每个固有频率处存在特定的变形图。所有结构中，都存在这些固有频率和模态振型。本质上，这些特征依赖于确定结构固有频率和模态振型的结构质量和刚度分布。模态分析帮助设计所有类型的结构，包括机动车、飞行器、太空飞船、计算机、网球拍、高尔夫球杆等，任何系统都可以用它的运动方程来描述。

从理论讲，只要采集得到输入-输出位置的传递特性数据，无论何种测量方式，得到的数据都是相同的。对于激振器测试和锤击法测试在理论上的测试结果是相同的，理想状态下在结构上施加一个纯力，该力与结构二者之间不存在任何的相互作用，并且采用无质量传感器测量响应，得到的测试结果是相同的。模态测试过程中，激振器和响应传感器通常对结构有影响。结构上附加了如：结构悬挂系统、安装的传感器的重量、激振器推力杆/顶杆的潜在刚度影响等。因此，两种测试与方法时存在差异的。激振器测试过程中，最明显的差异是由移动加速度计引起的。加速度计的质量相对于结构的总质量可能非常小，但是它的质量相对于结构不同部分的有效质量可能又非常大。

结构的模态受激振器附属装置的质量和刚度的影响。虽然我们试图将这部分影响减少到最低程度，但是它们仍然存在。激振器推力杆的作用是分离激振器对结构的影响。然而，多数结构，激振器附属装置的影响仍然顯著。因为锤击法测试不会遭受这些问题，所以会得到的不同的结果。

此次试验分析主要对比分析高速列车接地线座板，分别采用激振器和锤击两种激励方式，对比分析不同接线约束对模态试验结果的影响。

1 试验测试

1.1 试件试验主要参数

本次模态试验被试件为高速列车齿轮箱接地线座板，齿轮箱接线板主要试验参数如下：

采样频率为2048Hz，分析频率为1024Hz，谱线数为8192。

1.2 试验设备及仪器仪表

本试验用到的测试仪器如下：数据采集设备为SCADASⅢ一台，ICP加速度计型号为：T333B30共6个，力传感器型号为208C02共1个。

1.3 测点布置和编号

接地线固定方式分为两种，一种为两线都固定在电机侧，第二种按照现车实际方式固定一条线固定在电机侧，另外一条固定在车体侧。

1.3.1 激振器为激励源的高速列车轮对齿轮箱接地线座板模态试验

高速列车齿轮箱接地线座板1个，共布点6点，布点示意图如图1所示。试验测试中，齿轮箱接地线座板1处激振位置，如图1所示（黄色圆点）。

1.3.2 力锤激励的高速列车轮对齿轮箱接地线座板模态试验

高速列车齿轮箱接地线座板1个，共布点6点，布点与图1一致。试验测试中，齿轮箱接地线座板锤击激励位置与激振器激励位置一致。

2 试验方法

试验采用力锤和激振器分别对两种车型齿轮箱接地线座板进行敲击测试，模态参数的识别利用幅频特性和相位共振原理进行辨识。在敲击时，观测振动响应的幅值和相位，当满足幅值和相位共振条件时记录振动响应和频率信息，这时的激励频率就是齿轮箱对应振型的共振频率。振型是根据齿轮箱接地线座板响应的幅值和相位信息按模态辨识理论中的共振法确定。

3 试验结果及分析

传递函数图，在同一激励作用下，齿轮箱接地线座板不同布点处，振动状态不同，峰值越大证明布点受激励作用影响更大，所有点产生共振峰值的频率为共振频率，频率由小到大分别为一阶共振频率，二阶共振频率到高阶共振频率。稳态图，当激励点产生激励后，不同布点会在相同的频率处产生FRF峰值，经LMS系统识别后得到共振频率点，图中S为识别的稳定的模态频率点，S越多证明改点频率越稳定。

3.1 激振器激励输入

如图2所示为1点和2点不同接线方式的FRF曲线。

由图2可看出，在激振器激励作用下，两种接线方式的传递函数曲线形状相似，现车接线方式出现波峰较非现车迟缓，由此推断：激振得到的频率，同阶次相比，现车接线方式比非现车接线方式略大，低阶次两接线方式频率较为接近，高阶次频率相差较大。

图3为模态稳态图，图中S、V、O分别代表频率稳定性从高到低，经LMS分析识别得到频率线如图所示。由得到的频率分布线亦可验证上述现象。

3.2 锤击法激励输入

如图4所示为1点和2点不同接线方式的FRF曲线。

由图4可看出，在激振器激励作用下，两种接线方式的传递函数曲线形状相似，现车接线方式出现波峰较非现车提前，由此推断：激振得到的频率，同阶次相比，现车接线方式比非现车接线方式略小，低阶次两接线方式频率较为接近，高阶次频率相差较大。

图5为模态稳态图，图中S、V、O分别代表频率稳定性从高到低，经LMS分析识别得到频率线如图所示。由得到的频率分布线亦可验证上述现象。

3.3 结果对比分析

由试验结果分析得出，锤击激励作用下，1-5阶频率非现车接线方式略高于现车接线方式，相差最大为9Hz，结合图6，6-10阶频率现车接线方式明显高于非现车接线方式，相差最大167Hz，最小71Hz。在激振器激励作用下，除5阶频率外，现车接线方式都高于非现车接线方式，相差最大为172Hz，最小2Hz，1阶和2阶分别为2Hz和5Hz，3阶以上相差基本都大于10Hz。

如图7所示，激振器和锤击法激励输入有明显的差异性，每一阶频率相差均10Hz以上。

4 结论

（1）接地线不同的固定方式会对模态频率产生影响，低阶频率影响较小，高阶频率影响较大。

（2）低阶频率时接线方式对频率影响较小，高阶频率时，现车接线方式明显高于此类非现车接线方式。

（3）激振器和锤击法激励输入有明显的差异性，是由于激振器的连接改变了接地线座板的刚度和质量导致的。

参考文献

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