不同边界条件下某撒砂装置模态仿真与试验对比研究

不同边界条件下某撒砂装置模态仿真与试验对比研究

李明洋

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家工程实验室 山东青岛 266111）

摘要：本文采用模态分析方法，在不同安装条件下对撒砂装置进行仿真、试验分析，对比不同边界条件下仿真试验结果差异，为后续仿真试验提供依据。

0 引言

机车车辆通过轮轨摩擦提供制动，但随着车速提高，制动距离变长，撒砂装置能够通过撒砂增加轮轨间黏着系数，从而缩短紧急情况下的制动距离[1]。撒砂臂安装在轴箱下方，其结构的可靠性影响列车的运行安全[2]。本文将采用模态分析的方法，对某撒砂臂进行不同边界条件下的仿真试验对比。

1 边界条件

转向架撒砂装置主要包括安装臂、排障板托架、加热装置及管线等部件，各部件主要由薄壁焊接构件组成，并由4个螺栓安装在轴箱体上，图1分别代表现车安装状态及实验室安装状态。

图1 转向架撒砂装置三维模型

2 仿真分析

2.1 仿真模型

建立有限元模型。安装臂座螺栓与安装臂座之间、安装臂座与轴箱体（工装）之间均采用接触，螺栓与轴箱体（工装）之间的螺纹连接采用绑定模拟。

对车辆安装，轴箱体与车轴之间为轴箱轴承，采用Hinge连接模拟两者之间的转动；采用Busing连接模拟转臂节点，并设置转臂节点的刚度。

2.2 计算工况及边界条件

在进行模态计算时，为考虑螺栓预紧及重力对结构刚度的影响，首先进行静强度计算，此时对螺栓施加预紧力（螺栓拧紧力矩200Nm，对应的螺栓预紧力为54.065kN），对整体结构施加1g加速度；然后进行考虑预应力的模态计算。

2.3 计算结果与分析

图2、图3分别为车辆安装与实验室安装模态振型。由图可知，车辆安装与实验室安装的一阶谐振频率分别为156.72Hz与137.24Hz，且振型均为垂向摆动。仿真前四阶模态结果见表1

表1 仿真计算模态结果

图2 车辆安装计算一阶模态振型（156.72Hz）

图3 实验室安装计算模态振型（137.24Hz ）

3.试验分析

3.1模态试验

在不同边界条件下，对撒砂装置进行模态试验研究，在现车状态及实验室安装状态分别安装加速度传感器，识别不同边界条件下撒砂装置的固有频率和振型。

3.2 试验方法

试验采用力锤对撒砂装置进行敲击，通过加速度传感器将激励转换为电信号经LMS数采装置把电信号转换为模态响应参数。模态参数的识别利用幅频特性和相位共振原理进行辨识。在激振条件下，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撒砂装置对应振型的共振频率。振型是根据撒砂装置响应的幅值和相位信息按模态辨识理论中的共振法确定。

3.3 试验结果

现车安装状态下通过锤击法获得的撒砂装置试验结果。其固有频率及阻尼比见表2。

表2  固有频率及阻尼比

实验室安装状态下通过锤击法获得的撒砂装置试验结果。其固有频率及阻尼比见表3。

表3  固有频率及阻尼比

4.仿真结果与试验结果对比

4.1 车辆安装状态

表4为前4阶频率的误差表，由表可知，两者基本相同，1阶频率相差18.98Hz，误差为10.80%。

表4 车辆安装状态前4阶固有频率误差

4.2 实验室安装状态

表5为前4阶频率的误差表，由表可知，两者基本相同，1阶频率相差6.46Hz，误差为4.49%。

表5 实验室安装状态前4阶固有频率误差

5.结论与建议

通过对比分析统型车转向架撒砂装置在车辆安装状态和实验室安装状态两种情况下模态频率的仿真计算结果和实测结果，结论如下：

（1）仿真计算结果与实测结果符合较好，两者可以相互验证，可通过实测结果对仿真模型进行修正和优化。

（2）车辆安装状态的1阶固有频率明显高于实验室安装状态，这主要是由于两者的边界条件不同。

为探究转向架撒砂装置安装臂螺接部位的随机振动疲劳特性，后续研究可通过动力学分析得到螺接部位的刚度与阻尼特性，为仿真计算提供输入条件。通过仿真与实验联合研究，解决轨道列车车辆安装部件螺接部位随机振动频率问题，支持轨道车辆研发和运维。

[1]邹洪伟 杨忠林 杨凯等，不同边界条件撒砂装置可靠性试验研究[J].机械设计与制造，2017（11）：209-211

[2]赵子豪 邹洪伟 等 高速动车组撒砂装置振动疲劳寿命预测研究[J].铁道车辆，2021（12）:36-39