30T轴重机车主要部件试验模态分析的研究

摘要

机车车辆及其关键部件动态设计与性能特性的理论与试验方法研究是确保其平稳安全运行的关键技术之一，其中模态分析理论及试验方法是该技术实现的重要手段。通过分析目前大多数机车车辆厂采用的铁路车辆车体动态性能的各种试验研究方法，参照TB/T3115-2005等标准的评估内容，提出基于TB车体设计的模态分析方法及技术路线，该方法分设计状态和整备状态两个阶段，能完成对车体产品的模态分析，最终目的是建立一套铁路重载机车车辆的试验模态分析系统，该系统能够深入解析机车各主要部件结构的振动特性，同时也可为后续的新型重载机车各结构的动力学性能测试与分析提供一个试验规范。
　　为了验证改进方法的正确性和可行性，以中国北车集团大同电力机车有限责任公司研制的轴重30T、最高运行速度为100km/h的大轴重专用机车为具体实例，完成对该机车车体结构、辅助变流柜结构、主变流柜结构及风机结构分别在设计状态和整备状态下的试验模态分析，并对机车各结构的动模态参数进行综合分析。具体完成的工作内容如下:
　　(1)针对30T轴重机车各主要部件的结构特点，设计机车各结构分别在设计状态和整备状态下的试验模态测试模型、研究试验模态分析方法、搭建试验模态分析的测试系统，目的是辨识出机车各结构动态模型的主要模态参数（各阶固有频率、阻尼比和主振型等）。
　　(2)采用锤击试验模态分析方法，完成30T轴重机车各结构在设计状态下的试验模态分析。将在设计状态下所识别的试验模态参数与大同电力机车厂完成的数值有限元计算结果进行相互比对，完成各主要部件结构设计与已加工产品之间动态特性的一致性验证，并可指导对机车各结构有限元数值模态模型的修正。
　　(3)采用锤击法与运行模态分析相结合的试验方法，完成30T轴重机车各结构在整备状态下的试验模态分析。利用在整备状态下所识别的试验模态参数，并参照TB/T3115-2005等标准的评估内容，完成30T轴重机车车体结构的动态性能评估，并对其他关键部件结构安装方式的合理性进行评估。此外，将机车车体在滚动试验台上和铁路线上的试验分析数据进行相互对比，完成大同电力机车厂开发的滚动试验台的动力学性能评估。
　　(4)围绕机车车体的主振型，分析车体结构的模态振型与其他关键部件的模态振型之间的相互影响作用。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外铁路车辆模态分析技术研究现状

1．2．1 有限元模态分析研究

1．2．2 试验模态分析研究

1．2．3 有限元与试验相结合研究

1．3 研究内容与研究方法

1．3．1 设计状态研究方法

1．3．2 整备状态研究方法

1．4 试验安排与试验步骤

2 铁路车辆试验模态分析测试方法

2．1 试验模态分析基本假设

2．2 试验模态分析基本原理

2．2．1 锤击法试验模态分析原理

2．2．2 运行模态分析原理

2．3 试验信号处理与模态参数识别

2．3．1 频响函数求解

2．3．2 试验模态参数识别

2．3．3 运行模态参数识别

2．4 试验模态分析测试系统

2．4．1 试验结构支承方式

2．4．2 激励设备与测点位置

2．4．3 振动测试传感器

2．4．4 振动数据采集系统

2．4．5 试验信号处理

2．4．6 创建几何模型

2．4．7 模态参数识别

2．5 本章小结

3 主要部件在设计状态下的试验模态分析

3．1 车体结构的试验模态分析

3．1．1 试验准备

3．1．2 第一次试验

3．1．3 第二次试验

3．1．4 试验结果分析

3．2 辅助变流柜的试验模态分析

3．2．1 试验准备

3．2．2 第一次试验

3．2．3 第二次试验

3．2．4 试验结果分析

3．3 主变流柜的试验模态分析

3．3．1 试验准备

3．3．2 第一次试验

3．3．3 试验结果分析

3．4 风机结构的试验模态分析

3．4．1 试验准备

3．4．2 第一次试验

3．4．3 第二次试验

3．4．4 试验结果分析

3．5 本章小结

4 机车在整备状态下的试验模态分析

4．1 车体结构的试验模态分析

4．1．1 试验准备

4．1．2 在滚动试验台上的试验

4．1．3 在铁路线上的试验

4．1．4 试验结果分析

4．2 辅助变流柜的试验模态分析

4．2．1 试验准备

4．2．2 第一次试验

4．2．3 试验结果分析

4．3 主变流柜的试验模态分析

4．3．1 试验准备

4．3．2 第一次试验

4．3．3 第二次试验

4．3．4 试验结果分析

4．4 风机结构的试验模态分析

4．4．1 试验准备

4．4．2 第一次试验

4．4．3 第二次试验

4．4．4 试验结果分析

4．5 车体与其他结构间的关联关系

4．6 本章小结

5 结论

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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