两种运输试验的振动情况.pdf

理论与实验 两种运输试验的振动情况 于治会 沈阳新乐精密机器公司 沈阳市110034 摘 要 本文分析了一般机械产品结构对于不同外加振动过程的响应规律 测试并总结了我国部分地 区汽车运输及火车运输过程的振动情况 并同部分国家的汽车运输与火车运输的振动情况进行了对比 关键词 振动试验 运输试验 系统响应 一 概 述 为了保证产品质量 对新生产或试制的许 多机电产品和设备按规定要进行一定的汽车与 火车运输试验 以考查其性能与强度的情况 为 了节省人力 物力 时间以及适应保密的要求 多年来国内外许多单位都在研制汽车与火车运 输模拟器 在实验室条件用模拟器代替汽车与 火车的运输过程 也有的利用振动扫描试验代 替这些运输过程 为此 就得了解汽车与火车 运输过程的振动情况和被试产品的响应特性 二 产品对振动的响应 所谓响应就是产品在振动与冲击外力作用 下其可动部分随之运动的情况 一般说来产品 的机械结构比较复杂 但许多产品可分解成若 干个或等效为一个单自由度线性阻尼系统模 型 对这样的系统 其运动微分方程为 m d2y dt2 c dy dt ky f t 1 11 正弦振动 单自由度线性系统的质量m的位移响应 为 y H F0e jw t 2 H 1 K 1 0 2 2j 0 1 3 因此系统的幅频特性与相位特性分别为 H K 1 0 2 2 2 0 2 1 4 arctg 2 0 2 1 0 2 5 式 1 5 中 m为系统可动部分的等效质量 c为阻尼系数 c 2m k为系统的相对阻尼 系数 k为弹簧的刚度系数 f t 为产品系统所 承受的外力 H 为系统的复频响应函数 为系统的相位响应函数 为外加强迫正弦 振动的园频率 0为系统的固有圆频率 F0为 强迫正弦振动力的幅值 根据式 4 和 5 计算可以看出 系统 惯性质量的运动幅值和相位同所施加强迫振动 之间存在一定的差值 当强迫振动频率由零值 开始不断增加时 惯性质量m的振幅增加 当 强迫振动频率接近或等于系统的固有频率时 系统产生共振现象 惯性质量m的振幅可以是 强迫振动幅值的数倍甚至几十倍 若系统的相 对阻尼系数很小时 共振更厉害 则产品系统 的弹性元件会承受很大的伸缩力 惯性质量m 有时会因拉伸距离过大而与邻近的档销或元器 件相碰 往往会引起产品的损伤或破坏 当强 迫振动的频率继续增加时 惯性质量m的振幅 不断地减小 21 周期性振动 对于复杂的周期性外力 这时的强迫振动 由各种不同频率的谐波组成 根据谐波叠加原 理 作用于振动系统的效果为各谐波的叠加 31 随机振动 随机振动是不能用数学公式精确描述而只 能用统计方法求其宏观特性的振动过程 平稳 随机振动就是在所考虑的时间间隔中其统计特 性不随时间而变化的随机振动过程 可以证明 3计量技术 19991 5 系统对平稳随机振动的响应也是个平稳随机振 动过程 也就是一个线性系统在任意频率上的 响应功率谱密度等于激励振动的功率谱密度乘 以该频率上的复数频响函数的平方 即 W2 H 2W 1 6 与相位特性无关 式中W1 和W2 分别为 激励振动和线性系统对该振动响应的功率谱密 度 所谓功率谱密度即每单位频带内谐分量的 均方值 对应于能量 其值为 W li m W0 li m T 1 W T T 0 f t d t 7 式中f W t 是整个振动信号f t 在频带 宽 度内的频率分量 当 小到一定程度时 可认 为W 在此频带范围是一个常量 T 2 在实际的运输试验中 产品同时承受几个 方向的受迫振动 例如沿三个轴向 X Y Z 往 复振动和绕三轴的往复转动 产品所承受的积 累效应是这些方向个别效果的矢量和 同时 一 般机电产品都是相当复杂的 其响应情况可以 通过模态分析得出 41 颠簸 当汽车遇到凸包和凹坑或者火车车轮过道 叉 钢轨接头时 就会产生颠簸现象 颠簸实质 上是半正弦型外力的单次冲击或幅值渐减的连 续多次冲击 如果系统的输入加速度 a t a0 sin t0 t 0 t t0 0 t t0 8 式中 t0为冲击加速度脉冲持续时间 a0为系统 基础的输入峰值加速度 利用杜哈美积分可以求得在冲击脉冲作用 的持续时间内系统的响应 初始响应 为 1 t a0 2n 1 T 2 n 4 t0 sin t0 t Tn 2t0sin nt 0 t t0 9 当冲击脉冲作用结束后 a t 0 系统的 响应 剩余响应 为 1 t a0 Tn t0 cos t0 2n T 2 n 4t0 1 sin n t t0 2 t0 t 10 式中 Tn n分别为系统的自振周期和自振圆 频率 以上初始响应与剩余响应中最大者称为 最大响应 1max 根据线性单自由度系统对半正 弦脉冲的冲击响应谱可知 系统对单次冲击可 能的最大响应极值为 1max 1175a0 2 n 11 对于多次冲击 即含有两个以上冲击脉冲 的连续冲击 由于冲击脉冲峰值逐渐衰减及系 统本身存在阻尼 则通过杜哈美积分和拉普拉 斯变换可以证明 系统可能的最大响应极值为 2max 31096a0 2 n 12 二 运输振动情况 汽车与火车的振动情况是通过一系列测振 仪器与频谱分析仪器实现的 利用加速度传感 器感受车体的振动信号 用前置放大器与放大 指示器进行阻抗变换 放大和指示 利用记录 仪或磁带记录仪采集试验数据 用频谱分析仪 分析信号的频谱 功率谱的情况 从测量结果 和对测量数据的计算与统计分析可以得出振幅 与频谱的统计值及均方加速度谱 表1 解放牌双轴卡车空载时的振动情况 沈阳地区 路面 条件 车速 km h 上下方向振动 最大加速度峰值 g 频率范围 Hz 基频 Hz 柏油路 35017 1112 100 f1 3 f2 8 10 401152 100 f1 2 5 f2 8 10 土路 35 路面 一般 110 1152 100 f1 2 5 f2 8 10 35 路面 恶劣 115 2152 100 f1 2 5 f2 8 10 20018 114215 100 f1 215 315 f2 9 公路 35017 1143 100 f1 3 f2 9 40115 2103 100 f1 3 4 f2 8 10 11 汽车运输振动情况 4计量技术 19991 5 对国产解放牌双轴卡车进行多次测试 其 结果表明 车体的振动量值与卡车行驶速度 路 面的好坏和载重的大小有关 车体在其上下 前 后 左右方向上同时存在不同的振动 而上下方 向的振动量最为严重 对测试结果分析得出 卡 车的运输振动规律基本上是平稳随机振动过 程 它符合高斯分布规律 卡车的振动情况如表 1 2 3所示 21 火车运输振动情况 对棚车 带盖货车 运输振动的测试结果表 明 车体振动参量的大小与火车的行驶速度 路 面的状态 如过道叉 弯道 桥梁 上下坡 平原 或山区 轨道情况 如长轨或短轨 在我国多为 短轨 车体大小 即载重吨位 轨道枕木情况 如木材的 水泥的或钢铁的 行驶过程中车体 是否颤振或摇摆 车体的实际载重量及载重的 位置等因素都有一定关系 分析结果表明 火车 的运输振动基本上也是平稳随机过程 也符合 高斯分布规律 将60t位的棚车挂在客车上运行 货车载 重量基本上忽略 可以看作是空载 对其运输振 动测试结果如表4所示 国外对火车的振动测 试结果如表5所示 表2 用接点式加速度计测定解放牌双轴 卡车的振动情况 北京地区 最大速度 g 每 公 里 最 大 加 速 度 出 现 的 次 数 最大加速 度 g 每 公 里 最 大 加 速 度 出 现 的 次 数 最大加速 度 g 每 公 里 最 大 加 速 度 出 现 的 次 数 014 015400014 0181120014 110608 015 016284018 112271110 118193 016 0172 29112 11687118 216296 0172 0185 293116 118113216 31421 0185 110 7118 210014314 5106 510 518014 518 618018 柏油路 40km h 公路 40km h 土路 20km h 表3日本 4t 位载重卡车载重 4t 时的振动情况 路面条件车速 km h 上下方向左右方向前后方向 加速度 g 振动频率 Hz 加速度 g 振动频率 Hz 加速度 g 振动频率 Hz 良好552182 501158 500178 50 良好552102 501138 500158 50 恶劣302142 501148 500168 50 恶劣301182 501128 500158 50 表460t位棚车 带盖货车 的振动情况 沈阳 青岛 类别 上下方向左右方向前后方向 加速度峰值 g 基频 Hz 加速度峰值 g 基频 Hz 加速度峰值 g 基频 Hz 行驶速度 70km h 112 2144 5013 0195013 1124 815 出站013 112 进站013 118 016 016 过道叉118 412 车体摇摆017 1114 515 车体颤振118 2175 6 过轨道接头210 410 过桥梁016 118 5计量技术 19991 5 测量与设备 脉冲超声波幅度谱测厚技术3 刘镇清 王 路 同济大学声学研究所 上海200092 上海医疗器械高等专科学校 上海200092 摘 要 本文介绍的超声波幅度谱技术可测数十微米到毫米量级的薄金属板厚度 它只需产生与接收 一次脉冲超声波 采用快速傅立叶变换技术即可得到厚度值 测量不确定度 5 m 关键词 测厚 脉冲 超声波 幅度谱 一 概 述 普通的脉冲式超声回波测厚仪存在着触发 电平引进的声时测量误差 1 测厚的不确定度 大多为011mm左右 尤其是当被测物件较薄 时 激励超声波在试样中产生的各次反射回波 可能混叠在一起 有可能造成测量的失败 因 此 常规的超声波测厚仪测量金属板时大多只 适用于厚度大于1mm的试样 目前 提高超声波测厚准确度及测薄试件 能力的途径有两种 一是研制能产生更窄脉冲 的超声波换能器 改善超声波波形 二是采用信 号处理手段提取表征厚度的超声波信息 本文 介绍了一种适合于测量薄试件厚度的脉冲超声 波幅度谱技术 它只需发射一次脉冲超声波 通 过对接收到的信号进行快速傅立叶变换 FFT 便能获得测量结果 3 本项工作得到国家自然科学基金的资助 二 原 理 设最初产生的超声波信号是u 0 t 其中 t为时间 超声波传播距离为x后的信号变为u x t 这时u x t 的傅立叶变换可写成 2 F u x t F u 0 t exp ikx exp x 1 式中 F u 0 t 是u 0 t 的傅立叶变换 k是 超声波波数 是超声波衰减系数 当超声波垂 直入射进薄板后会产生一系列的反射回波 可 令薄板背面 相对入射超声波 的各次反射回波 列为 n 0 u 2 L n t 其中L是板的厚度 n为反 射的次数 这样根据式 1 有 F n 0 u 2 L