基于传递特性的某地铁车辆异常振动分析

谢　丹, 刘　涛, 张向海

(1　长春汽车工业高等专科学校， 长春 130013；2　中车长春轨道客车股份有限公司， 长春 130012)

随着我国经济和城镇化发展进程的不断加快，具有快速、绿色、安全、舒适等特点的城市轨道交通建设越来越受到更多的关注。而地铁车辆作为轨道交通的重要组成部分，其运行的安全性、稳定性也越来越重要。在实际运行的过程中，受线路和各种激励的作用，将引起整车或车体局部振动，如果这种振动超过了某一限度，将严重影响乘客的舒适度，甚至引起结构疲劳等安全问题[1]。

针对某地铁车辆地板局部及座椅发生异常振动为例，通过线路跟踪测试，获取结构异常振动的具体特性，基于传递分析方法对引起结构异常振动的激励源进行研究，结合模态分析及车轮径向跳动量的测试，分析地板局部及座椅结构异常振动特性产生的根源，为车辆在运行过程中出现异常振动等问题的原因查找及改进方案提供研究思路和方法。

1　理论基础

运行中的地铁车辆是一个多自由度振动系统，假设该系统是线性时不变的，且有N个不同的传递路径，即有N个输入激励，车内的振动就是通过这些路径传递而至。在车内某个位置上的总体振动为(Pt)，可以由各个传递路径的振动(Pi)的子贡献量总和来确定，即

(1)

由于系统的传递函数为振动响应与作用在指定传递路径上的激励的比值。因此，车内某个位置上的总体振动就是由指定路径上的振动激励(Fi)和计算结构振动传递函数(P/F)i后确定的。于是方程(1)转化为方程(2)：

(2)

假设车内有M个接受体振动{Pi}时, 所有的传递函数可以被集合成一个结构的频率响应函数矩阵[H]MN。则有方程

{Pi}=[H]MN{Fi}

(3)

式中

{Fi}={F1F2…FN}T

由上述方程可知，建立一个传递路径分析模型需要两个基本要素：工作载荷{Fi}和传递函数[H]。其中传递函数是系统本身的一种属性，表示为系统在受到单位激励后沿着某一个传递路径在某接受体处产生振动的大小[2]。

2　振动现象描述

针对出现异常振动的车辆进行线路跟踪测试，并对可能会引起振动的空调系统、车下设备和车下走行部位等激励源分别布置加速度传感器，以确定地板和座椅在线路条件下的振动特性，测点位置如图1所示。

车辆在ATO模式下，牵引加速至65 km/h速度等级，然后惰行一段时间至制动停车过程，如图2所示。从图中可以看出，在时域内地板与座椅在垂向的加速度振动响应较为严重，且地板在部分时间段内的振动更为剧烈。地板与座椅在垂向的振动加速度功率谱(短时傅里叶时频谱)，即地板与座椅振动频率随时间的变化过程，如图3所示。从图3中可以看出，座椅垂向振动能量主要集中在40 Hz附近，地板在垂向振动能量主要集中在60～70 Hz附近，且出现明显的倍频振动特性，该频率段也是人体对振动感知较为敏感的频率范围。

图1　线路测试中车辆测点布置图

图2　线路测试中地板与座椅测点 在时域的加速度响应图

3　车辆振动特性分析

对于车体地板局部和座椅出现的异常振动问题，分析思路主要有以下3个方面：(1)削减激励源的振动，引起车辆异常振动的激励源主要有轮轨激励、车上的旋转机械等，首先就是要准确找出激励源并对其进行削减；(2)隔离振动传递，从传递路径上找出结构振动传递贡献较大的路径，对其进行消除或隔离；(3)对输出环节进行控制。判断出现异常振动的结构是否发生共振，可以通过增加地板或座椅局部刚度提高其固有频率的方法，避开激扰频率范围[3]。

图3　线路测试中地板与座椅测点振动加速度功率谱

3.1　振源分析

对于能够引起车体地板和座椅异常振动的激励源，可能为空调系统、车下设备和车下走行部位。以带有司机室的Tc车为例，这里的车下设备为辅助逆变器和空压机。

3.1.1空调系统

空调开启和关闭时，空调自身和座椅在垂向的振动加速度功率谱，如图4所示。

结果表明，无论空调开启或关闭，座椅的振动依然存在且主频约为42 Hz，同时，空调自身的工作频率约为48 Hz。

3.1.2车下设备

空压机和辅助逆变器开启时，所对应的车体上方地板在垂向的振动加速度功率谱，如图5所示。

图4　空调与座椅振动加速度功率谱

图5　车下设备与车体地板振动加速度功率谱

结果表明，空压机和辅助逆变器分别存在约为8 Hz和70 Hz的振动主频，相对应车体地板上测点在此频段振动不明显。

3.1.3车下走行部位

轴箱、构架、车体地板及座椅在垂向的振动加速度功率谱和频谱，如图6、图7所示。该地铁车在65 km/h线路运行时，提取稳态运行30 s的振动加速度信号，并对该信号进行时域统计分析，计算加速度有效值(RMS)，得到表1所示的时域统计特征。

结果表明，轴箱、构架存在明显的车轮转频倍频成分，此频率与车速有关。地板的振动主频与构架、轴箱一致，约为62 Hz，座椅的振动主频约为42 Hz，同时也存在62 Hz的振动主频，但幅值相对较小。从轴箱到构架、构架到车体，振动加速度的有效值逐渐减小，说明车辆轴箱和空簧系统对垂向振动具有一定的减振效果。

因此，初步判定车下走行部位振动激励为车体地板局部振动的激励源，座椅的振动与地板振动有关，但不是主要因素，还需要通过模态分析进行判定。

3.2　模态分析

从车辆线路测试分析知，地板和座椅的振动能量主

图6　轴箱-构架-车体地板及座椅振动加速度功率谱

图7　轴箱-构架-车体地板及座椅振动频谱

测点位置RMS/g轴箱1.33构架0.44地板0.12座椅0.13

要集中在60～70 Hz和40 Hz附近的频段范围，振动主频约为62 Hz和42 Hz。为此，主要对此频段进行车体地板结构和座椅结构的模态测试与分析。在此频段中，车体地板和座椅的模态测试结果，如图8所示。

从图8中可以看出，车体地板和座椅分别存在60.10 Hz和42.60 Hz的固有模态，与线路测试出现的振动主频较为接近，而结构的振动形式往往是多个振动模态耦合而成，当实际振动的振动主频接近某阶固有频率时，此时的实际振动形式即为此阶模态的振动，即车体地板局部和座椅结构发生了自振。

图8　车体地板及座椅模态测试

3.3　车轮径向跳动量分析

车轮非圆化是各种铁道车辆普遍存在的一种车轮损伤形式[4]，车轮径向跳动量测试是获得车轮不圆顺状态的一种快捷的方式。该地铁车辆运营里程为50万km，当车体出现异常振动现象时距离上次旋修运营里程为12万km。对上述地铁车辆的Tc车车轮的径向跳动量进行测试，结果如表2所示。

从表2实测的车轮径跳结果可以看出，车轮均存在0.3 mm以上径向跳动量，其中1轴左轮最为严重，径跳量超过1 mm。车轮主要以偏心为主，绝大部分车轮部分圆周存在多边形特征。

4　振动控制

综上所述，车体地板局部及座椅结构的异常振动主要是由线路激扰引起的自振所导致，并且车轮不圆也是造成车体振动加剧的重要因素。因此，通过本次车辆振动分析以及考虑到地铁车辆客观存在的运行环境，总结出可以通过优化车辆自身结构、加强运营检修和规范监督管理等方面，达到控制结构异常振动的目的。

表2　车轮径向跳动测量结果

4.1　优化车辆结构

具体措施为：(1)更改车体地板下方的弹性支撑刚度或在其之间增加阻尼垫；(2)加强座椅支撑结构，在座椅前部加装支撑腿及提高座椅骨架结构刚度；(3)对车轮踏面有多边形磨耗严重的车轮进行旋修。

4.2　规范检修作业

车辆的检修作业是消除不安全因素，保障行车安全，降低运营成本的重要手段。车辆异常振动后的旋修作业虽然是事后的补救措施，但也不能长期依赖，还需要加强检修规程、检修工艺、检修人员技术业务素质等方面的规范化管理，尽可能的把隐患消除在库内，这些防范措施对于地铁车辆日常运营的效能和安全也至关重要。

5　结　论

基于传递分析方法并结合模态分析及车轮径向跳动量的测试，对车体地板局部及座椅结构异常振动的问题进行了分析，得出以下结论：

(1) 通过线路测试确定地板局部及座椅结构振动主频为62 Hz和42 Hz；

(2) 车辆运行过程中地板局部及座椅结构的异常振动是由其自振所致；

(3) 转向架轴箱、构架、车体振动均存在车轮转频倍频的成分，此频率与车速有关，结合车轮径向跳动量测试结果，主要由车轮偏心及部分圆周多边形导致；

(4) 运用模态分析的理论方法可以为车辆振动问题的解决提供研究思路和方法，并为结构动态设计提供参考；

(5) 加强检修规程、检修工艺、检修人员技术业务素质等方面的规范化管理，尽可能的把隐患消除在库内，为地铁车辆日常运营的效能和安全提供重要保障。