中低速客车矩形水箱功能性随机振动研究

中低速客车矩形水箱功能性随机振动研究

范景雨,毕春阳,张金艳,尚利军

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：以其中低速客车用车载矩形水箱作为研究对象，通过振动台所输出的振动激励来模拟汽车行驶过程中振动对水箱的影响，并验证了该产品是否能在汽车行驶过程中可能存在的环境状况下正常使用，从而为矩形水箱的设计提供了可靠数据基础。

关键词：中低速客车；矩形水箱；随机振

前言：

铁路客车一般都要经过较长的线上运行，为确保旅客身体健康和舒适，必须向旅客提供饮用水，盥洗用水，冲洗用水以及清扫用水，所以铁路客车上都安装了水箱。随着车辆提速以及水箱容积的增加，人们对水箱体提出了更轻、更合理、同时又能满足强度、刚度要求的结构要求。本文的实验研究对象是矩形水箱，水箱由4_c16crl9Nil0不锈钢板制成，水箱内加装防波板，水箱大小（长×宽×高）2200mm×7800 mm×320mm。

一、随机振动概述

随机振动是不能被确定性函数所描述而具有某种统计规律。如汽车行进时的颠簸、阵风对结构的反应、喷气噪声对舱壁的颤动、海上钻井平台产生的震动等。

振动可以分为定则振动（确定性）与随机振动。其本质区别是：随机振动通常是指非单个现象而由数量众多的现象所组成。这些现象看似错综复杂，却在总体上还存在着某种统计规律。所以，随机振动虽不能由确定性函数来表征，但可以由统计特性所表征。定则振动问题时，可考察系统输出与输入的确定关系；而对于随机振动问题，则只能决定输出与输入间统计特性的关系。

20世纪50年代开始研究机械系统的随机振动，当时主要是为了航空科学的需要。以后该理论还被广泛地应用于土木建筑工程，交通运输工程，海洋工程中。自20世纪60年代开始，振动测试技术与计算技术得到迅速发展，为处理复杂振动问题提供有力工具。

随机振动一般应以概率论来描述。概率体现了随机事件发生的可能性程度。把随机事件结果以量来描述，得到了随机变量这一概念，由于这一概念描述了随机变量发展的过程，所以也称为随机过程，随机振动仅是随机过程中的一种例子。

假定在一定条件下，重复一定的随机试验（如汽车道路试验），得到系统响应（例如司机座铅垂加速度等）的一系列时变历程记录。其中每一条记录可以被认为是一个样本，大量的样本组成一组，记为X（t）并以此来代表这个随机过程。

对随机现象的研究兴趣通常不在于各样本自身，而在于由这些样本整体所获得的统计特性。例如用随机函数X取瞬时t不超过x的可能性可以定义一个一维概率分布函数。平均特性分为集合平均与时间平均两种。前者针对集合求取平均，而后者则针对单个样本进行求取。随机过程按其统计特性在采样时间原点选择上有无差异可以划分为非平稳过程与平稳过程。按照集合平均特性与时间平均特性的等价性，随机过程可以进一步划分为遍历与非遍历两类。遍历随机过程必须光滑；反之，就未必。

在所有平均特性当中，相关函数与功率谱密度最为重要。一种随机振动，也可认为是数量众多，振幅和相位随机变化的谐和振动的总和。其总功率相当于各谐和分量功率总和。大家有兴趣发现这类功率是怎样按照频率来分配的。实用方面，常以功率谱形状表示随机过程，如进行随机振动试验时，根据谱形制定各类基准谱。人们根据谱形，把偏两极端的过程划分为所谓窄带过程与宽带过程。窄带过程指其功率谱呈现尖峰特性且只在靠近尖峰的窄带范围内采取合理量级。典型实例伪随机信号经过窄带滤波器之后得到的结果。反之，宽带过程功率谱在一个相当宽的频带内（带宽与中心频率至少在同一量级上）取一个有意义的数量级。最极端情况为白噪声，其谱密度均匀，带宽无穷大。白噪声仅仅是一个数学抽象，由于无限大带宽内均存在有限功率，这就意味着总功率是无限大。然而，在随机激励频带足够大，以至于系统全部固有频率都被涵盖无遗的情况下，认为这种激励为白噪声比较可取，这在数学上很容易处理。

正态过程具有如下特征：很多自然现象都可用正态过程来近似描述；正态过程线性变换仍属于正态过程；只要了解正态过程一次钜和二次钜即可决定概率密度。这些性质为随机振动的研究提供了极大的便利。一，引言随机振动的许多激振源（例如，大气湍流，海浪，路面）均可视为一个正常过程。第二，对常系数线性系统而言，其输入为正态过程时，其输出必然也为正态，只需测定其平均值与方差即可测定其所有统计特性。

系统频率特性研究。以上关系式简便实用，也是功率谱法所具有的优势。式（1）仅使用系统幅频特性，它适用于已知的系统特性，并从输入（或输出）得到输出（或输入）。式（2）适合由试验测定频率的性质。尽管功率谱只是给出随机过程在频域上的一种描述，但是当功率谱已知时，相关函数和均方值是不难得到的。若输入为平均值等于零的正态过程时，输出亦相同。此时输出均方值还完全决定其统计特性。

可靠性用于系统可靠性分析的随机响应统计特性还包括越界概率，峰值分布等。越界概率为随机响应越过某一界限水平数量的可能性，峰值分布为响应越过某一层次峰数（或谷数）。在计算这些概率时，还要了解随机响应过程的联合概率分布和导数。

二、箱流固耦合问题

车辆运行中将会发生震动。在振动过程中，水箱中的水和水箱体形成作用，将发生流固耦合现象。如果在设计时忽略了这种耦合作用就会导致耐振强度不够，从而使水箱的使用寿命无法满足设计要求。箱体流固面处，结构振动产生流体负载，被扰动流体作用于水箱体时产生附加力。

三、震动激励输入控制系统

振动试验由闭环控制方式进行，控制仪产生的驱动信号经功率放大器逐次放大，驱动振动台运转。同时将控制点响应信号反馈回控制仪，并与所设参考谱对比校正得到新驱动谱。这样不断重复，使得控制谱满足和符合试验控制的精度。

四、载入激励载荷

水箱体所受动态载荷比较复杂，外界激励主要源于车体振动并经水箱体固定支撑点向箱体传递；内部激励则主要表现为水分晃动产生振动激励；静态载荷是水箱体自身重力和水箱中水重力。控制传感器设置在振动台台面，振动台和夹具的连接面上以及夹具和水箱的连接面上，并尽可能接近各面间的连接螺钉，便于降低振动损失。其控制方式为多点平衡控制。

通过随机振动试验，验证水箱是否能在车辆运行的可能环境情况下正常运行。依据铁路车辆设备冲击与振动试验标准及实际工作经验开展了振动试验研究。

五、实验测量

试验传感器为加速度传感器并使用快干胶和环氧树脂胶粘贴。为了避免测试过程中传感器，连接导线的松脱造成信号的损失，每只传感器都要进行轻敲后才能进行传感器的安装及正式测试，以便对传感器，数据采集与数据处理系统构成的测量系统连接完好性进行检查。水箱振动测量点应选择在水箱振动响应最剧烈的地方，所以测量传感器应布置在水箱最大区域上表面的中心。

通过做比较分析可知：（1）当频率为60~125 Hz，振动响应达到最大值，为了避免水箱和车体发生共振，应该对水箱和车体的接触面采取隔振措施。（2）水箱垂向振动试验中，水箱上部引起的振动最剧烈，且对矩形水箱强度有很大影响，矩形水箱设计时应考虑水箱大面强度问题。（3）在振动试验中，由于水箱振动导致水晃动，耦合现象显得，并且各方向不同，所以水箱内应该安装合理防波板结构。

结语：

检测结束后对水箱体焊缝探伤，水箱保压检测和外观尺寸检查。结果表明：水箱结构良好，未发生机械位移，破坏及泄露等事故，证明水箱能在车辆运行过程中可能发生的各种环境情况下正常运行。实验结果还可为类似结构的车载水箱的设计提供借鉴。

参考文献：

[1]于连玉, 代鲁平. 真空卫生系统水箱随机振动疲劳研究[J]. 铁道车辆, 2018, 56(6):4.