高速卧铺列车计算模态与试验模态的对比研究

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-___ICj 同 速卧铺列车计算模态与试验模态的对比研究术口 梅 翔 口 缪炳荣 口 张 盈 口 李 伟西南交通大学 牵引动力 国家重点实验室 成都 610031摘 要 ：通 过对某型 高速卧铺 车结构模 态分析 ，研 究 了其动力 学特性 ，验证车辆结构动 态设计 的合理性 ，为后 续结 构优化设计提供理论支持。将计算模态和实验模态结果进行对比分析，结果表明，卧铺车结构模态计算结果和实验结果平均误 差约 3．72％，基本符合 车辆结构动态设计要 求 ，同时对车体结构的动 态特性设计提 出了改进措施 。

关键词 ：高速卧铺列车 模态分析 有限元分析 动力响应中图分类号：TH164 文献标iR~-q：A 文章编号：1000—4998f2013)10—0063—04随着 中 国高速 铁路 的迅 速 发展 ，设 计 高速 动 车组卧铺列 车 已成 为一 项关 键 的研 究课 题 。与 高速 动 车组一 样 ，高速 卧铺 列 车除 了需 要满 足安 全 性 和可靠 性外 。

还需 要 满 足一定 的舒适 性 ，尤其 是 高速 卧铺 车 辆在 高速行 驶 过程 中 ，车辆 结 构会 因 为轨道 不平 顺 ，以及风 荷载 的 影 响 ，导 致 结 构 产 生 随 机 振 动 。 如 果 外 在 荷 载 的激 振 频 率 与 车 体 结 构 固 有 频 率 接 近 ，就 有 可 能 会 引 起 共 振现 象 ，不仅 影 响车 辆 的安全 性 ，也会 影 响到 旅客 的乘 车舒 适性 ，甚 至 会对 车体 结构 产 生疲 劳破 坏 和严 重的事 故 ?。

模 态 分析 是 进 行 车体 动 态 特 性 分析 的重 要 工 具 。

对 车身 结构 模态 频率 及振 型 分析 可 以预 测车 身 与传动{教育部博士点新教师基金资助项 目(编号：20090184120016)牵引动力国家重点实验室 自主研究项 目(编号：2012TPL_-TO8)四川省应用基础研究项 目(编号：2012JY0094)收稿 日期：2013年 4月·-‘ ●-● ·“ ●-●’‘? ●●’ ． -1 ●● 。．． ．●●。 ．． ．●●‘(2)径 向外 载荷 对 轴承 动 刚度 的影 响较 小 ，轴 向预载 荷 对 主轴轴 承 的动 刚度 影 响较 大 ．增加 预 载荷 可以适 当 提高 轴承 对转 子 支承 的动 刚度 。特别 是 径 向刚度 的值 随预 载荷 增 加 而增 加 ，但 是 ，在 超 高 速 时 ，增 加预载 荷会 使 轴承 的寿命 急剧 降低 。因此 ，依靠 增 加 预载荷来 提 高主 轴轴 承在 超 高速 情况 下对 转 子支 承 的动 刚度 ．实 际 能 够 增 加 的 幅 度 和 可 调 节 的 范 围 十 分 有 限 。

(3)为 获 得超 高 速 时包 括动 刚 度在 内的 良好 的综合 动 力学 性 能 ．需 要对 轴 承 内部接 触 角 、套 圈 滚道 的曲率 半 径 以 及 球 数 、球 径 等 参 数 进 行 优 化 组 合 。

(4)在 低 速和 一般 高 速 时 ，陶 瓷球 混合 轴 承 的动刚度 远远 大 于钢 球轴 承 。但在 超 高速 时 ，二 者 之 间的差值 变 得很 小 ，随着 速度 的继续 提高 ，甚 至 出现 了相 反 的情 况 。即 钢球 轴 承 的动 刚 度 大 于 陶瓷 (Si，N )球 混合 轴承 的 动 刚度 ，此 时 ，如果 要 使 陶瓷球 混合 轴 承获 得 更大的动 刚度 ，需要 施 加更 大 的轴 向预 载荷 。

机械制造51卷第590期系统 、路 面激励 等发 生相 互影 响 的可 能性 ，车体 在某 一频 域 内各 阶 固有 频 率和对 应 固有振 型 可 以通过 结构 的合 理设 计 ，避开 车体 与悬 挂 系统发 生 共振并 改 变车 体薄 弱环 节 [2]。通 过对 高速 卧铺 车体 模态 分析 ．可 以了解高 速卧 铺车 动态 特性 是否 符合 设计 要求 ，为车体 进 一步 的设 计和 优化 提供 理论 依据 ．保 证 高速 卧铺 车能满足 动态 和静 态 的设计 要求 [3]。

根 据模 态分 析 的手段 和方 法不 同 ．可 以分 为理论模 态 分 析 和 实 验 模 态 分 析 。 理 论 模 态 分 析 是 以 线 性 振 动理 论 为基 础 ，研 究激 励 、系统 、响应 三 者 的关 系 ；实验模 态分 析 则是 通 过 实验 测 得激 励 和响 应 的 时 间历 程 ，运 用 数 字 信 号 处 理 技 术 求 得 频 响 函数 或 脉 冲响 应 函数 ，得 到 系统 的非 参数模 型 ，然后 运 用参 数识 别方 法求得 系 统 模 态 参 数 并 进 一 步 确 定 系 统 的 物 理 参 数 ]。 由于模 态是 车辆 设计 的重要 指标 ，所 以对 某高 速 卧铺列车进 行 了理论 模 态分 析和 实验模 态 分析 ．期 望通 过两●··．，1．●·．． ” ·●·．t． ．·●·．．．．·●--．．-_．_·．，··●··-‘··●··‘．_·●·_．．．·●·_．．．·●·参 考文献Bob．schwalie．主轴技术进步促进提高生产率、可靠性、性能和设计寿命 [J]．世界制造技术与装配市场，2004(2)：5O一52.

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虞烈，刘恒．轴承一转子系统动力学[M]．西安：西安交通大学 出版社 ，2001． △ (编 辑 丁 罡 )2013／101J 1{ 1j 1J 种 分 析方 法 能 比较 准 确 得 出高 速 卧 铺 列 车 的模 态 参数 ，并 为后 续设计 提 供合理 的数 据支 持 。

1 模态分析及参数识别1．1 有 限元 模 型 前 处 理车体 有 限元模 态分析 结果 的准 确性 主要 取决 于计算模 型 的精度 ，所 以对 实际结 构合 理简 化是必 要 的 ，在简 化 时 需 注 意 以下 几 点 4． ：(1)采 用 混 合 划 分 网 格 方 法 ， 减 少 网 格 的 数 量 和病 态 网格 的数 量 。

(2)对 整 体 刚 度 和 强 度 影 响 不 大 的小 孔 、开 口 、小 筋 等 ，在建 模 过程 中可 以简 化 ，使 模 型便 于 计算 ，尽可能 减 少 计 算 时 间 和 计 算 费 用 。

(3)为 便 于 分 块 、分 组 、分 人 建 模 ，首 先 为 车 体 模 型设置 一整 体坐标 系 ，各构 件可 以根 据实 际需 要采 用不 同的坐标 中心 ，但必 须在 同一个 一AA， - 系下 建模 。

1．2 三 维 有 限 元 模 型高速 卧铺 车 车体结 构主 要采用 大 型 中空 铝合 金 型材 组焊 而成 ，为筒 型整 体承 载结 构 ，主 要 由底 架 、侧墙 、端 墙 和车顶 等组成 。底架 主要 由边梁 、牵 引端梁 及地 板组 成 ，其 中边 梁 、地 板 及 部 分 牵 引 端 梁 结 构 均 采 用 大 型中空挤 压 型材 ，连接 部分及 其余 的牵 引端 梁结 构 主要采 用板 材拼 接焊 接而 成 。车顶结 构 由上 弦梁 、平 顶 、圆弧顶等 结构 组成 ，其 主要部 件 也采用 大 型 中空 挤压 型材拼接 组焊 而成 。端 墙 主要 由 四部 分组 成 ：门框 、角柱 、端墙板 和端 墙 附件 。

车体 结 构有 限元 模 型主 要 采 用壳 单 元 Shell63单元 。 车 体 大 型 设 备 以 及 重 要 的 设 备 以 集 中 质 量 单 元Mass21的形式 施 加在 各 自的质心 位 置 ，其它 设 备 以均布 力 的 形 式 加 载 各 自的 位 置 上 ，其 中 弹 性 连 接 采 用 弹簧单 元 Combinl4进 行模 拟 。承载 节 结构 及 设 备 总质— ■I _幽 _ - — _
■ 一 ' 一 1 ▲图 1 车体结构有限元模型- l ij麟8 _ 毅 目黼掰％84 ㈣∞| | ∞∞礁 蕊 啪 稀粥啪慨啉獬嗽 黼 ▲图2 车体模态试验现场l回 2013／10量 为 28 693 kg。

计 算 模 型 包 括 ：377 912个 节 点 .

474 182个 单 元 .

其 中 包 括 ：472731个 Shell63壳单 元 ．1 404 个 Combinl4弹簧 单元 ．53 个 Mass21质 量 单 元 。其 有限 元 模 型 如 图 1所 示 。

1．3 模 态 分 析结 构 有 限 元 分 析 的 优 越 性 主要 表 现 如 下 。

(1)能 够 分 析 几 何 构 形 复 杂 的结 构 。

(2)能 够 分 析 各 种 物 理 问 题 ，比如 弹 塑 性 、黏 弹 塑性 、动 力 、屈 曲 、流体力 学 、热传 递等 物理 问题 。

(3)能 够 处 理 复 杂 的 边 界 条 件 。

(4)能 够 处 理 不 同 的 材 料 。

(5)易 于计算 机实 现分析 。

为 了 能 方 便 快 速 得 到 结 果 ．本 次 计 算 采 用 了 有 限元法 ，有 限元模 态计 算结 果见表 1。

表 1 车体结构模态有限元分析结果频率／Hz 模态振型10．763 一阶垂弯14．069 一阶菱形22．713 一阶扭转2 车体模态试验2．1 模 态 测 试 方 法振 动 测 试 方 法 分 为 两 类 ：单 点 激 励 和 多 点 激 励 ，其 中单 点激 励是 对结构 上 的某点 进行 激励 ，测 得所 有 点的响应 ；多点激 励是 对结 构某些 点 同时激 励 ，测得 各 点的 响 应 [63。

本 次试验 为 了确定 车体 的 固有振动 频 率 ，采 用 手动 和 自动 正 弦 扫 频 法 对 车 体 进 行 激 励 。在 简 谐 激 振 力恒 定 的条件下 ，观察 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 车体对 应振 型 的共振 频率 。振 型是 根据 车体 响应 的幅值 和相 位信 息按模 态 辨识 理论 中的共振 法 确 定 。

2．2 测 试 系统试 验系统 由信 号发 生器 、功 率放 大器 、电磁激 振器 、阻抗 头 、传 感 器 、信 号采集 和分 析 系统 、计算 机工 作站和专业分 析软件组 成 。根据有 限元模 拟结果 ，系统 的标 称激 振频带 为 1-50 Hz，系统软件 和传 感器 装置 的标称 测 试 频 带 为 0．5～500 Hz．试 验 系统 的 激 励 为 4点 协 调激励 。实 际现场车体 结构模 态试验 图如 图 2所 示 。

2．3 试 验 方 案 的 确 定通 过车体 模 态试验 获得 结构 振动 固有 频率 、振 型和 阻 尼 ．可 以 有 效 判 断 有 限 元 模 型 的 准 确 性 。模 态 试 验目的不 仅仅 是定 型地 描绘模 态模 型 ，而且 要 求定 量地运用模 态模 型 ，这就 要求 模态试 验模 型要 有 相 当高 的精度 ，保 证试 验 时 具有 最佳 悬 挂 、最佳 激 励 、最 佳测 试点 [。-9_。

(1)支撑 方式 。在 做模 态试验 时 ，一般希 望将 试件悬挂点 选择 在振 幅 比较小 的位置 ，为此需 要 预先 确定最 佳 悬 挂 位 置 。

(2)激励位置的确定 。①激振点位置的选择应避机械制造51卷 第590期
天 线 J'al轴 度 调 整 方 法 的 探 讨口 石伟朝河北远东通信系统工程有限公司 石家庄 050081摘 要：对天线三个轴角装置进行 简单的描 述 ，对 同轴度的调整进行 了详 细的介绍 ，采用 多块百分表对 同一 个轴进行同时调整，并详细描述了对转动不满 360。轴的调整方法，此方法简单易操作，并且可以在短时间内完成调整工作。

关键词：轴 角装置 编码器 同轴度 百分表 调整中图分类号：TH712；TB22 文献标识码：B 文章编号：1000—4998(2013)10—0066—02在 天线 座 中涉及 三个轴 同轴度 的调 整 (方 位 轴 、俯仰轴 、极 化 轴 )，三个 轴 同轴 度 的差 异 直 接影 响 着 天线的指 向精 度 ，因此 同轴度 的调 整至关 重要 。传统 的 同轴度调 整方 法是 利用 一块 百分 表来测 轴 的 圆跳动 ，观察整周 的跳 动情 况并 记 录数据 ，虽然 这种 方法 简单 ，但 只是 有量 的分析 ，调整 起来 只能 凭感 觉 。是有 定量 但 没有具 体定 向的调 整 ，需 要 多次 调 整 比较 ，浪 费时 间 ，文 中介 绍 一 种 巧 用 多 块 百 分 表 来 调 整 同 轴 度 以 减 少 调 整 时间 的 方 法 。

1 天线轴角装置的基本结构天 线 用 于 天 文 观 测 。 因 此 对 于 天 线 的 轴 角 编 码 器测 角精 度要 求很 高 ，天线座 由方 位机 构 、俯 仰 机构 和极化 转 盘 三 部 分 组 成 ，其 中各 部 分 的轴 角 装 置 是 系 统 中很 重 要 的 环 节 ，方 位 机 构 和 极 化 转 盘 采 用 输 出轴 与 轴角 编 码 器 (HEIDENHAIN 绝 对 式 光 电 编 码器 )套 轴连 接 ，把各 轴 的转 角 转换 成 电信 号输 出 。 用 以 反 映 天 线 的 位 置 信 息 .

HEIDENHAIN 编 码 器 安 装 要 求 如 图 l所 示(图 中 ，眠 为 拧 紧 力 矩 )。

(1)方 位 机 构 轴 角 装 置 的 结 构 上 端 采用 柔 性 长 轴 与 转 台 连 接 ，下 端 通 过 精 密 弹 性联轴 器 与同 步装置 连接 ．同步装 置 与编码 器连 接 ，整 体组 成 方 位 轴 角装 置 ．具 体结 构 如图 2所 示(2)俯 仰 机 构 轴 角 装 置 与 方 位 机 构 装置 轴 角 结 构 不 同 ，由 于 结 构 差 异 较 大 ，采 用编 码 器 与 俯 仰 输 出 轴 直 接 连 接 ，这 样 的 安 装对 俯 仰 输 出 轴 与 俯 仰 轴 系 要 求 的 同 心 度 更 收稿日期 ：2013年 4月高 ，调整 起 来有 一 定 困难 ，如果 同轴度 差 异 较 大 ，在 转动 时 会 给 编 码 器 造 成 损 坏 ．俯 仰 输 出轴 与 编 码 器 安 装结 构 如 图 3所 示 。

(3)极 化 轴 角 装 置 与 方 位 轴 角 装 置 结 构 相 同 ，在此 不 再 赘 述 。

2 极化轴的调整方法(1)在 支 架 上 端 面 调 整 、 、G、D 4个 位 置 。

(2)取 3块 百 分 表 ，其 中百 分 表 1吸 在 转 盘 引 出轴 上 ，表 打在 极化 轴角装 置 输 出轴上 参 与轴 承 的转动 ，百 分 表 2和 百 分 表 3分 别 吸 在 下 平 面 上 ．表 打 在 C、D两点 ．百分 表 2和百分 表 3不参 与天 线运动 。分 别对 百分 表 进 行 调 零 ，如 图 4所 示 。

(3)将 天 线 极 化 转 盘 转 动 一 周 ， 查 看 百 分 表 1在A、 、C、D位 置 的数值 ，如果 A 点 的位 置是 最 大点 ，需[7][8]机械管理开发，2009(5)：18—20.

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