装载罐式集装箱平车的台架模态试验分析*

王俊龙

(车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002)

集装箱行业一直没有疲劳相关的标准，目前也很少有涉及到设计和运用经验方面的资料。特别是近几年多式联运的发展，集装箱的运用频率越来越高，运输的介质也越来越广，运用工况也更加复杂，导致集装箱的疲劳问题时有发生，特别是在罐箱的设计中，局部容易产生疲劳的结构，如果靠不成熟的经验去设计，容易产生过度设计或是设计不足。

车辆模态特征是评估车辆系统结构疲劳可靠性及运行稳定性的关键数据之一，是结构振动特性分析和结构优化设计的基础。近些年来，已有众多研究人员针对车辆系统的模态分析做了工作。李立东等[1]在铁路货车疲劳与振动试验台上对C80型敞车进行了模态试验，并根据试验结果修正了C80型敞车及边界条件，提出了敞车模型的简化方法。邓爱建等[2]以C70货车作为研究对象，利用胶济试验线进行环境激励下工作模态试验，分析了该型货车各阶垂向与横向模态对车体的影响。金新灿等[3]提出了一种互相关函数理论同多种时域模态分析法相结合的环境激励下模态参数识别方法，并以某型客车进行了试验验证，为铁路车辆模态试验和分析提供了参考。朴明伟等[4]提出一种基于刚柔耦合仿真的振动疲劳分析法，并针对集装箱平车垂向加速度过大的问题，确定了集装箱地脚的垂向纵向约束力是造成大幅值循环应力出现的主要成因。项昌乐等[5]基于工作模态法对某型车变速箱箱体进行了模态试验分析，并与理论计算结果进行了对比验证。

考虑到现有的模态振动试验大多以整车作为研究对象，而涉及到集装箱模态振动分析的部分相对不足。笔者依托疲劳与振动试验台，以装载罐式集装箱的平车为研究对象，开展模态试验分析，获得模态参数分布情况。该试验台为2012年中车齐齐哈尔车辆有限公司建立，为开展全尺寸铁路货车车体疲劳、整车振动及模态试验提供了装备基础。试验通过在平车车体及集装箱上布置加速度传感器及应变片，进一步分析了装载集装箱的载荷传递过程及关键评估点的振动响应。为罐式集装箱的结构优化和模态特性分析提供基础数据。

在传统的模态参数时域辨识中，多参考点LSCE法是从系统的脉冲响应函数出发，根据脉冲响应函数与极点和留数之间的复指数关系，求出极点和留数，进而获得系统的模态参数。对于一个线性系统，在时域内，系统任意点的脉冲响应函数与白噪声激励时各输出点响应之间的相关函数具有相类似的数学表达式，其固有频率和阻尼比同结构的各阶模态完全相同。因此，可将两点间响应的互相关函数代替脉冲响应函数，采用时域内某些原本需要利用脉冲响应函数的传统模态分析方法进行未知激励下的模态参数识别。本文采用了多参考点LSCE法，从时域内互相关函数中识别系统的模态参数。

多参考点LSCE法以拟合在响应点和参考点之间相关函数的互功率谱数据为依据，结合已识别到的模态频率和阻尼为模态振型。

(1)

式中：xmn{jω}指在第m个响应点与第n个参考点间的互功率谱密度函数；
留数Ar或Br反映各阶振型对系统响应的贡献。因此，辨识振型即是对留数的拟合问题。通过拟合在所有响应点与参考点间的互功率谱的数据，就可获得系统的全部模态振型。

2.1 试验结构及测点布置

为了能够反映装载集装箱平车的真实振动特性，在整备状态下开展试验。将整备状态车辆放置于试验台的4根轮对支撑梁上，通过试验台铰接装置连接车辆的一端车钩，另一端车钩与试验台不铰接，呈自由状态。每根轮对支撑梁下部连接2个垂向作动器，支撑梁一端连接1个横向作动器，作动器通过轮对支撑梁激励整备车辆在垂、横方向振动。装载集装箱平车的试验照如图1所示。

图1 整车振动试验台

针对车体的结构特点，沿车体方向分为9个断面，每个断面三个测点位置，每个测点位置布置垂、横向两个振动加速度传感器，共计测点数量27个。

在两个20ft集装箱中选择一个集装箱，在其的角座处、框架中部布置加速度传感器，测点位置及方向如图2所示。

图2 罐式集装箱的加速度测点

2.2 试验台激励

对被试车辆分别采用随机、正弦变频扫描信号、阶跃激振等信号激励，利用多点激励、多点同时采集的方法，获得高信噪比的频响函数。对采集的车体所有加速度响应点数据采用工作模态分析方法进行处理，最终得到模态参数。

2.3 试验内容

试验内容包含空载状态的X70型集装箱平车、装载两个空箱和装载两个重箱的X70平车三个方案的模态试验及振动试验。重车工况试验时，填充介质为水，按标记载重进行装载，试验内容如表1所列。

表1 试验内容

3.1 整备状态下平车的模态结果

激励装有平车的振动试验台，对获得的振动加速度数据进行预处理后，经计算分析，得出整备状态下车体低阶弹性体及部分刚体模态频率、阻尼比和阵型。频率和阻尼比见表2所列，最低频率振型为侧滚，频率为6.37 Hz，振型如图3所示，振动中心线在车体中心；
车体扭转频率为15.74 Hz，最高频率振型为二阶扭转，频率为23.96 Hz。

表2 平车车体模态频率和阻尼比

图3 罐式集装箱的加速度测点和应变

3.2 装载集装箱的平车模态结果

将集装箱放在平车上，集装箱通过锁座与车辆连接，车体与集装箱组成了新的系统。装载集装箱后的平车模态结果如表3、4所列，无论装载空箱状态还是装载重箱状态，系统能识别出来的振型主要为侧滚振型和垂向一阶弯曲振型，其他振型均为罐箱框架的局部振型。装载重箱后侧滚振型如图4所示，垂向一阶弯曲振型如图5所示。

表3 装载两个空箱平车模态频率和阻尼比

表4 装载两个重箱后的平车模态频率和阻尼比

图4 装载重箱后的侧滚振型

图5 装载重箱后的垂向一阶弯曲振型

试验台架的激扰谱采用美国5级谱，速度等级为30～132 km/h，进行试验激励，采集加速度、应变响应，并对响应进行PSD分析。

速度等级为80 km/h时，车体端部的I3测点及其上方罐箱角座部位J3测点的装载空箱和重箱状态的振动响应如图6、7所示。

图6 空箱与重箱状态下I3测点垂向加速度频谱对比

图7 空箱与重箱状态下J3测点垂向加速度频谱对比

结果表明：车体装载空箱后，此时平车的两个扭转振型全部消失，同时在枕梁部位出现30～60 Hz的高频振动。车体装载重箱后，除扭转振型受到抑制外，更多的车体振型消失，同时由于载重的影响，枕梁部位的高频区间发生偏移，变为20～50 Hz。

此外，空箱状态下的罐箱角座处的冲击比重箱更为强烈。这是由于制造过程很难保证四个角座在同一平面内，重箱时由于自重原因，使得角座之间间隙比空箱小，故而导致空箱振动更为剧烈。

振动传递到罐体上后，很容易产生罐体的局部振动，以罐箱框架的上边梁纵向测点为例，该测点时域数据可观测到拍现象，如图8所示。对测点进行PSD分析，如图9所示。装载空、重箱状态下的振动频率分别为17.61 Hz和17.38 Hz。

图8 装载重箱状态下应变测点的时域数据

图9 空箱与重箱状态下应变测点频谱对比

以装载罐式集装箱的平车为研究对象，通过铁路货车疲劳与振动试验台对平车及装载集装箱的平车进行室内台架模态试验，分析了模态参数的分布情况。该工作为罐式集装箱的结构优化和模态特性分析提供基础数据。

(1) 通过铁路货车疲劳与振动试验台对平车及装载集装箱的平车进行室内台架模态试验，单独平车识别振型较多。装载集装箱后，系统能识别出来的振型主要为侧滚振型和垂向一阶弯曲振型，其他振型均为罐箱框架的局部振型。

(2) 车体装载空箱后，平车的两个扭转振型全部消失，同时在枕梁部位出现30～60 Hz的高频振动。车体装载重箱后，除扭转振型受到抑制外，更多的车体振型消失，同时由于载重的影响，枕梁部位的高频区间发生偏移，变为20～50 Hz。此外，空箱状态下的罐箱角座处的冲击比重箱更为强烈。

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