多频域焊接小试件振动响应测试技术研究

刘思文

（中车齐齐哈尔车辆有限公司技术开发中心，黑龙江 齐齐哈尔 161002）

摘要：基于铁路货车领域对焊接结构多轴频域疲劳问题研究的迫切需要，提出一种多频域焊接小试件振动响应测试方法。以典型焊接小试样为研究对象，以加速度功率谱密度函数为激励，设计自振频率测试方案。以测得的共振频率作为定频振动的输入，结合动应力测试系统分析小试样在共振频率下的动应力状态。通过振动试验监测响应加速度的变化及试件状态，调整频率区间，实现样件振动疲劳分析。该测试技术能够较为准确的测得焊接结构的自振频率及动应力水平，为铁路货车多轴频域疲劳问题的仿真及试验研究提供重要的技术支撑。

关键词：焊接小试件；多频域疲劳；振动试验

随着铁路货车牵引质量和运行速度不断提高，运用环境愈加复杂，车辆运行过程中受各种由于轨道不平顺所引起的随机载荷影响，其多轴频域疲劳问题日益突出。因此开展铁路货车焊接结构的多轴频域疲劳试验分析方法具有重要的工程意义及应用价值[1]。铁路货车大多以焊接结构为主，几何形状及内部结构复杂，即便承受单轴载荷，也呈现出较为明显的多轴应力或应变状态，加之外界环境和内部载荷传递的复杂性和随机性，其多轴频域振动疲劳分析较普通状态下的疲劳研究更具现实意义[2]。本文基于单轴向振动试验台和动应力采集设备，以焊接小试件为研究对象，制定相应的自振、定频和振动疲劳试验方案。通过试验验证，得到试件的自振频率及定频率下的动应力，并进行振动疲劳分析，为后续铁路货车焊接构件多轴频域疲劳仿真分析和疲劳问题解决提供重要的试验支撑。

一、自振频率测试方案

1. 自振频率测试系统

一般机械结构振动问题由激励（输入）、振动结构和响应（输出）三部分组成[3]。因此在进行振动试验前，需设计振动试验系统，确定样件所需激励，并及时检测样件振动响应信号。为检测样件的自振频率，构建由单轴向振动试验台、功率放大器、上位机、信号发生器、信号采集分析软件等组成的振动试验系统。由信号采集与分析软件控制信号发生器产生正弦信号；通过功率放大器放大，输送到单轴向振动试验台，产生振动；将样件与试验台固连，加速度传感器固定于被测样件上；连接加速度传感器与上位机，对试验台产生的振动信号进行采集与分析。

2. 振动激励及数据采集

物体在外力持续作用下发生强迫振动，当驱动力的频率与物体的固有频率相等时，振动幅值增大，引起共振，此时的频率被称为共振频率。因为系统的共振频率与固有频率在数值上相等，通常以共振状态下的结构的共振频率来测定系统的固有频率[4]。根据上述原理采用对样件施加一定的稳态正弦垂向振动加速度的方法，测定样件的振动加速度响应，记录响应曲线。

采用共振方法检测样件自振频率，除了已知激励外，还要准确采集输出响应信号。本次设计的测试方案主要监测的输出信号为样件的加速度响应信号，故采用加速度传感器采集加速度输出响应。控制加速度传感器粘贴于夹具与样件连接安装面上，采集加速度信号作为反馈信号，调节输入加速度的大小，保证输入信号的稳定；参与监测的两个传感器粘贴于样件的被试平面上，采集得到样件的响应加速度信号，与上位机连接，记录扫频过程时的响应曲线。

二、定频振动测试方案

1. 定频振动测试系统

定频振动测试的目的是观察共振频率附近样件的加速度响应，利用快速步进扫描方法确定样件的共振频率。在初步确定的共振频率附近，按照选定的离散频率值激振，采集样件响应加速度及动应力数据，待各频率值达到稳态响应后，开始下一个频率值。定频振动测试方案的振动测试系统与自振频率测试方案相同，但激励信号有所改变。

2. 振动激励及数据采集

定频振动测试的振动激励为固定振动频率下的响应测试。在测得的自振频率左右各取四种频率，从0.6倍到1.4，以0.1倍为间隔，对频率值保留小数点后一位。激励加速度为1g，进行定频振动试验。每次试验持续1~2分钟。同自振频率监测一样，在样件上粘贴四个传感器，其中两个参与控制，另两个用于监测样件的响应加速度。

三、振动疲劳测试方案

1. 动应力采集系统

建立动应力采集系统，结合样件仿真结果，选取应力较大的位置为测点。根据样件结构确定被测平面的应力状态，选择适当的应变片结构形式测量应变。在应变测量中，测量电路将电阻应变片按一定规则组成电路，电桥在测量过程中以电压或电流的形式，输出构成电桥的电阻应变片的电阻变化，通过信号测试与分析系统采集得到动应力。

2. 振动疲劳测试

选取共振点附近一频率区间，一阶自振频率的0.75~1.25倍，以正弦曲线方式施加垂向振动加速度，观查样件状态。预试验选取样件在上述频率范围内，以定频振动测试的激励加速度进行疲劳测试，每隔1小时观察样件状态，通过监测响应加速度调整激励信号。正式试验依据预试验结果缩短试验时间，选取合适的激励加速度进行疲劳测试，监测响应加速度变化及样件状态，调整频率区间完成试验。

四、多频域焊接小试件振动响应测试

1. 焊接小试件共振频率测试

焊接小试件为货车车体焊接结构，试件主要由底板、槽钢立座及平板三部分构成。材料为Q345E。平板与垂直面呈30度，平板与槽钢立座之间为3mm双面角焊缝，以此作为疲劳考核的关键位置。

基于GB/T 21563-2008中规定的车体安装的加速度功率谱频谱图，试件重量小于500kg，频率范围取5Hz~150Hz[5]。共振现象的出现会对试验件的结构造成很大的影响，因此输入的加速度不宜过大，本次测试方案将采用0.5g的加速度进行扫频。测定试验件的加速度响应，记录加速度响应曲线，选用三组小试件进行测试，测得共振频率分别为59.5Hz、61Hz、59Hz，试验结果重复性较好。

2. 定频振动动应力分析

为观察小试件在共振频率附近的动应力状态，建立动应力采集系统，根据小试件的仿真结果，选取应力较大点为测点。选择单轴应变片和直角应变花相结合来测量应变，应变片分别贴在平板的两侧，正面为A面，背面为A’面，A1列尽量靠近焊缝焊趾根部，A1－1、A1－3、A1－5及A’1－1、A’1－3、A’1－5位置列贴三向片；其它位置贴单向片，方向沿平板长度方向。

试件一阶共振频率f=59.5Hz，选取0.6f、0.7f、0.8f、0.9f、1f、1.1f、1.2f、1.3f、1.4f等9个频率，加速度取1g，进行定频振动，测试动应力数据，应力最大的位置出现在焊缝附近的位置，主要是沿着被试平面长度方向的应力分量较大。

3. 振动疲劳测试结果

监测响应加速度信号发现最大振动响应加速度对应的频率会发生变化，在原始频率范围内进行扫频，测得新的共振频率并观察小试件是否有裂缝出现，根据新的共振频率，重新选择频率区间，进行振动疲劳测试，重复上述过程。可以发现试件共振频率不断变小，共振频率发生变化时间不断缩短，说明试件内部结构已经发生变化，开始产生疲劳破坏，当共振频率达到44.4Hz时，小试件的焊缝位置出现裂缝。该测试方案能够实现对焊接构件的多轴频域疲劳分析。

五、结论

多轴频域焊接小试样振动响应测试技术的提出，为多轴随机振动疲劳仿真分析的研究及寿命预测提供了试验技术支撑。通过设计自振频率测试方案、定频振动测试方案及疲劳振动测试方案，实现焊接小试件的振动疲劳试验验证，准确测得小试件的自振频率、动应力水平及振动疲劳情况，验证了该测试技术的可行性和准确性，为铁路货车多轴频域振动疲劳问题的解决提供有利支撑，

参考文献：

[1]苏楷通, 温朋哲, 黄伟. 焊缝的随机振动多轴频域疲劳方法研究[J]. 机械工程与自动化, 2022, (5): 54-56.

[2]王举金. 多轴随机振动疲劳预测与加速疲劳试验研究[D]. 西南交通大学, 2019.

[3]王勇, 宁会峰, 杜尹学. 某机载设备振动夹具设计及试验验证[J]. 机械制造与自动化, 2022, 51(4): 35-38.

[4]周航博. 基于临界面法的多轴频域随机振动疲劳研究[D]. 西南交通大学, 2018.

[5]王鹏. 解读GB/T 21563-2018《轨道交通 机车车辆设备冲击和振动试验》[J]. 铁道技术监督, 2019, 47(2): 1-6.