摄谱分析仪器在快速客运晃震勘验和剖析里运用
铁路运输是最重要的运输方式之一。振动是影响列车运行平稳性的最重要因素,将影响乘客的乘车舒适度,甚至身体健康。同时,通过轨道、路基引起地面及周边建筑的振动,带来许多附加影响。资料表明,在离轨道200m之内,人们对振动比对噪声更加敏感。
尤其是列车向着高速、轻量化方向的发展,客车运行中出现了一些新问题。受设计单位委托,我们对准高速客车软卧车厢的振动(包括颤动)进行了测量和分析,为减少和消除振动提供依据。
测点分布
为掌握车辆内部振动分布特点,并对运营中的铁路客车端部与中部振动情况进行对比,选择软卧车的1号包间(端部,转向架上方)和5号包间(中部)对应点进行测量布点。测点涵盖3个相互垂直的方向(列车前进方向为X,侧壁垂直方向为Y,轨道面垂直方向为Z)。由于测振传感器数量有限,1号包间没有测量侧壁垂直方向Y.测振传感器在5号包厢中的位置如所示:传感器acc07安装在间壁上部位置1处;传感器acc08安装在包间地板中部位置3处;传感器acc09安装在侧墙上部位置2处。
在1号包间对应位置1处安装传感器acc05测量1号包间X方向的振动,对应位置3处安装传感器acc06测量1号包间Z方向的振动。
振动测量系统
振动测量系统包含3大部分:传感器、中间变换器及显示输出器。
传感器:测振传感器有位移传感器、速度传感器及加速度传感器。压电式加速度传感器由于其体积小、重量轻、量程大及工作频带宽等优越性,得到了广泛应用。这次测量,就是采用的Kstler压电式加速度传感器。
中间变换器:采用德国朗德公司的Artemis虚拟仪器。
显示输出器:采用戴尔笔记本电脑。
客车颤动分析该型车在整个运行过程中运行状态良好,只是在中间出现过颤动现象。列车运行过程中的振动是难免的,但颤动是不允许的。
由于是整个车体发生颤动,所以初步判断是发生了共振。这样,必须找出共振频率,从而在设计上进行改进,避免颤动。
运用自相关、互相关、自功率谱分析方法进行研究。
相关是两个时间记录的相似性的衡量。互相关函数定义为:式中,E[x(t)y(t+)]表示求两个随机时间函数x(t)和y(t+)的数学期望,〈x(t)y(t+)〉表示求x(t)和y(t+)的乘积的平均值。
当x(t)=y(t)时,互相关函数就成自相关函数Rx()。所以,自相关是互相关的特例。
通过互相关函数和自相关函数,可以找到隐蔽在随机信号中的周期成分。正是基于这一点,采用其作为对列车颤动进行分析的手段。
功率谱密度函数是自相关函数的傅里叶变换。通过功率谱密度分析,可以了解振动能量沿频率的分布。
对照列车颤动与列车正常运行频谱图,并利用自相关、互相关以及自功率谱分析方法可知:列车的加速度共振频率为11Hz.、为部分研究图表(图中上图为客车颤动分析图,下图为客车正常运行图)。
通过可以明显看出,车辆颤动时车辆中部间壁振动有着明显的周期成分,周期约为89ms.
通过可以明显看出,车辆颤动时车辆各测点加速度振动均在11Hz附近有较高的能量。而在正常运行时,车辆各测点振动的能量峰值点不重合。
车辆颤动时其加速度共振频率为11Hz,其相应固有频率只有在无阻尼情况下才与之相等。对于二阶系统,系统固有频率fn与加速度共振频率f的关系为:所以,系统固有频率小于11Hz,在阻尼系数较大时,其值应为几赫兹。
客车颤动原因对车辆在整个运行路段进行了多次测量。正常运行时,各测点振动的能量峰值点不重合,但在两次颤动发生时,车辆都行进在桥上,客车颤动的可能原因是:行进中的列车作为移动载荷对桥梁产生冲击,激发了桥梁的振动,而桥梁的振动反过来又激发了列车的振动,从而引起整个车体在11Hz的加速度共振频率处产生共振。
客车振动分析从各测点1/3倍频程图可知客车端部转向架上方地板振动以中、高频为主,峰值出现在100 ̄300Hz;客车中部地板振动以低、中频为主;间壁振动以低于500Hz的中低频为主。车辆颤动的降低改变车辆的固有频率,如车辆的结构或材料,使其避开11Hz的加速度共振频率。车辆振动的降低随着车体的轻量化及车速的提高,车辆的振动问题越发突出。较为有效的方法是采用浮筑结构,当然也可采取加大弹簧装置静挠度,采用液压减振器等方法。
车厢声共振的降低本次测量的客车软卧尺寸约为2m×2m×2.54m.作者注意到,一般客车卧铺车厢的情况也大致如此。从波动声学理论来看,这种设计略有欠缺。
客车车厢如同矩形房间。在矩形房间的3对平行表面间,只要其距离为s/2(s为声波波长)的整数倍,就可以产生相应方向上的轴向驻波。矩形房间为三维空间,所以,除了3个方向的轴向驻波外,声波可在两维空间出现切向驻波,三维空间出现斜向驻波。
这时,房间的共振频率计算公式为:式中,Lx、Ly、Lz分别为房间的长、宽、高,单位为m;n x、n y、n z分别为0 ̄∞之任意整数(n x、n y、n z不能同时为0),c为声速,单位为m/s.
由上式可知,如果房间的长、宽、高取值相同,或有两者相同则会出现共振频率重叠现象,加重这些频率的振动,使与这些共振频率相当的声音被大大加强,引起嗡嗡声。
(1)相关分析、功率谱分析是有效的车辆颤动分析方法。
(2)车辆颤动加速度共振频率为11Hz.
(3)铁路客车软卧车厢的长、宽、高3个尺寸应不相同。
(4)车辆地板振动以中、高频为主,间壁振动以中、低频为主,侧墙振动以中、低频为主。
