CN114323708B - 一种转向架构架性能测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种转向架构架性能测试实验装置，包括地槽台，所述地槽台上设有六自由度平台、激振器平台和龙门钢架，所述龙门钢架上设有伸缩装置，所述六自由度平台位于龙门钢架内，并设有悬挂模拟装置，所述激振器平台上设有激振器；所述地槽台上端面设有滑轨，所述龙门钢架底部位于滑轨内；所述悬挂模拟装置上设有转向架构架，所述转向架构架上设有加速度传感器和力传感器，所述加速度传感器、力传感器分别与信号采集仪连接，所述信号采集仪与上位机连接。其优点在于，通过横向和纵向弹簧以替代原结构橡胶节点提供刚度，使针对转向架构架的实验实现等效约束，器材组装方便，成本较低，集成度较高。

Description

一种转向架构架性能测试实验装置

技术领域

本发明涉及轨道车辆技术领域，具体为一种转向架构架性能测试实验装置。

背景技术

转向架作为主要承载部件，承受和传递各种载荷，因此针对构架的设计实验校核就显得尤为重要。模态分析得到的模态参数可用来预测结构与路面激励或其它***发生相互作用的可能性，通过结构的合理设计来避免共振。路谱分析更是能够反映结构针对运营时真实随机振动信号做出的响应，对特定工况及一般运营情况具有极高的参考价值。当下针对这种复杂装备的实验装置往往是长期进行构架实验的专门实验部门所有，对于非专业的一般实验而言，其造价高昂、功能单一、操作难度高、空间利用率低且实验周期长。无法适应多变的使用环境和快速的实验能力。

发明内容

本发明为一款转向架构架综合实验装置及实验中使用到的弹簧悬挂装置，用于实现针对构架的自由模态、弹簧约束模态、道路模拟实验等。其技术方案为，

一种转向架构架性能测试实验装置，包括地槽台，所述地槽台上设有六自由度平台、激振器平台和龙门钢架，所述龙门钢架上设有伸缩装置，所述六自由度平台位于龙门钢架内，并设有悬挂模拟装置，所述激振器平台上设有激振器；所述地槽台上端面设有滑轨，所述龙门钢架底部位于滑轨内；所述悬挂模拟装置上设有转向架构架，所述转向架构架上设有加速度传感器和力传感器，所述加速度传感器、力传感器分别与信号采集仪连接，所述信号采集仪与上位机连接。

进一步优选的，所述悬挂模拟装置包括固定框架，所述固定框架包括第一对固定框和第二对固定框，所述第一对固定框的两端设有垂直弹簧，所述第一对固定框和第二对固定框上分别设有纵向弹簧和横向弹簧，所述纵向弹簧和横向弹簧通过固定架连接，所述垂直弹簧通过连接片与转向架构架连接，所述转向架构架的斜面上设有支架，所示支架通过节点止挡与固定架连接；垂直弹簧、纵向弹簧和横向弹簧实现转向架构架在空间位置Z轴、Y轴和X轴上的约束。

进一步优选的，所述固定架包括安装在纵向弹簧的连接片上的刚性连接点和安装在横向弹簧的连接片上的钢销，所述钢销***刚性连接点内，所示支架通过节点止挡与钢销固定连接。

进一步优选的，所述地槽台上设有型材架，所述型材架上设有活动挂件，所述活动挂件上设有弹力绳，所述弹力绳上设有吊环螺母，用于固定转向架构架，所述弹力绳位于激振器平台上方。

进一步优选的，所述六自由度平台包括三角形底板和顶板，所述底板的每个角上均固定安装两个液压缸，顶板的每个角上铰接液压缸的伸缩轴。

进一步优选的，所述激振器平台上设有回转台，回转台上固定液压摆动缸，液压摆动缸与激振器连接。

进一步优选的，转向架构架自由模态性能测试步骤如下，

调整激振器位置，使其顶杆垂直向上，与转向架构架底面垂直接触；将信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与激振器相连，力传感器位于转向架构架与激振器的顶杆接触的位置，加速度传感器安装在转向架构架侧梁的四个端部，将力传感器、加速度传感器连接至信号采集仪，信号发生器发出电平信号，力传感器测量激振器和转向架构架接触位置的力F1，在设定时间内，连续记录力传感器信号形成关于力F1的时域曲线，加速度传感器测量转向架构架输出的加速度a1，在相同时间内，连续记录加速度传感器信号形成关于加速度a1的时域曲线，将加速度a1和力F1的时域曲线经过傅里叶变换得到加速度频域曲线和力频域曲线，将加速度频域曲线上每一频率对应的幅值除以力频域曲线在该频率处对应的幅值得到频响函数，该频响函数可以反应出转向架构架的自由模态特征。

进一步优选的，转向架构架约束模态性能测试步骤如下，

通过悬挂模拟装置固定转向架构架，通过六自由度平台顶部螺纹孔固定悬挂模拟装置，六自由度平台固定于地槽台；通过液压摆动缸调整激振器位置，使激振器的顶杆处于水平位置，与转向架构架侧面垂直接触，并在转向架构架上安装力传感器，使其在激振器的顶杆与转向架构架接触的位置；固定六自由度平台；将信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与激振器相连，再将力传感器和加速度传感器连接至信号采集仪，信号发生器发出电平信号，力传感器测量激振器和转向架构架接触的位置的力F2，在设定时间内，连续记录力传感器信号形成关于力F2的时域曲线，加速度传感器测量转向架构架输出的加速度a2，在相同时间内，连续记录加速度传感器信号形成关于加速度a2的时域曲线，加速度a2和力F2的时域曲线经过傅里叶变换得到加速度频率函数和力频率函数，将加速度频率函数上同一时刻的每个点除以力频率函数对应的点得到频响函数，该频响函数可以反应出约束模态。

进一步优选的，转向架构架路谱性能测试步骤如下，

在转向架构架侧梁弯曲位置的外侧安装应变片或应变花，通过悬挂模拟装置固定转向架构架；通过六自由度平台顶部螺纹孔固定悬挂模拟装置；六自由度平台固定于地槽台；调整龙门钢架位置，使伸缩装置位于转向架构架侧梁正中位置上方；启动六自由度平台并保持固定，调整伸缩装置使其垂直顶紧转向架构架，调整到合适的压力，并保持压力稳定；将力传感器、应变片或应变花，以及加速度传感器连接至信号采集仪，加速度传感器测量加速度信号，信号发生器发出电平信号，利用电平信号和加速度信号进行模态分析，利用应变花或应变片测量的应变信号进行强度分析和疲劳寿命分析。

有益效果

1.集成度较高，成本低且操作难度低、空间利用率高。

2.可实现自由模态、弹簧约束模态、道路模拟实验的测量，适应多变的使用环境和快速的实验能力。

附图说明

图1为本申请立体图。

图2为悬挂模拟装置与转向架构架连接关系图。

图3为图2局部放大图的俯视图。

图4为转向架构架自由模态实验图。

图5为自由模态实验原理图。

图6为转向架构架约束模态实验。

图7为约束模态实验原理图。

图8为转向架构架的路谱模态原理图。

图9为六自由度平台结构示意图。

图10为约束模态实验输入力的时域信号。

图11为约束模态实验输出加速度时域信号。

图12为约束模态实验频响与相干函数。

图13为图2局部放大图的仰视图。

图中，1-龙门钢架，2-伸缩装置，3-悬挂模拟装置，31-连接片，32-垂直弹簧，33-纵向弹簧，341-刚性连接点，342-钢销，35-横向弹簧，36-第二固定框架A，37-两孔法兰，38-节点止挡，39-第一固定框架A ，40-第一固定框架B，41-第二固定框架B，4-六自由度平台，401-底板，402-顶板，403-液压缸，5-地槽台，51-滑轨，6-激振器，7-弹力绳，8-型材架，9-转向架构架，91-支架，10-活动挂件，11-加速度传感器，12-吊环螺母，13-力传感器，14-信号发生器，15-功率放大器，16-信号采集仪，17-上位机，18-激振器平台，19-回转台，20-液压摆动缸。

具体实施方式

以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。

图1所示，一种转向架构架性能测试实验装置，包括地槽台5和信号发生器14，所述地槽台上设有六自由度平台4、激振器平台18和龙门钢架1，所述龙门钢架1上设有伸缩装置2（伸缩装置为液压缸或气缸），所述六自由度平台4位于龙门钢架1内，其上端面设有悬挂模拟装置3，所述激振器平台18上设有回转台19，回转台19上设有激振器6；所述地槽台5上端面设有滑轨51，所述龙门钢架1底部位于滑轨51内；所述悬挂模拟装置3上设有转向架构架9，所述转向架构架9上设有加速度传感器11和力传感器13，所述加速度传感器11、力传感器13分别与信号采集仪16连接，所述信号采集仪16与上位机17连接，信号发生器14与功率放大器15连接，所述功率放大器15与激振器6连接。

所述悬挂模拟装置包括四边形固定框架，所述固定框架包括第一对固定框（第一对固定框包括第一固定框架A 39和第一固定框架B 40）和第二对固定框（第二对固定框包括第二固定框架A 36和第二固定框架B 41），所述第一固定框A 、第一固定框架B的两端均设有垂直弹簧32，垂直弹簧32底部通过两孔法兰37固定在第一固定框A 39、第一固定框架B40上，垂直弹簧32顶部设有连接片31，第一固定框A 39、第一固定框架B 40的内侧壁上均设有纵向弹簧33，所述第二固定框架A 36和第二固定框架B 41的内侧壁上均设有横向弹簧35，所述纵向弹簧33和横向弹簧35上均设有连接片31，所述纵向弹簧33和横向弹簧35通过固定架连接，所述固定架包括安装在纵向弹簧33连接片31上的刚性连接点341和安装在横向弹簧35连接片31上的钢销342，所述钢销342***刚性连接点341内，所述垂直弹簧32通过连接片31与转向架构架9连接，所述转向架构架9的斜面上设有支架91，所示支架91通过节点止挡38与钢销342固定连接；垂直弹簧32、纵向弹簧33和横向弹簧35实现转向架构架在空间位置Z轴、Y轴和X轴上的约束。

所述地槽台5上设有型材架8，所述型材架8上设有活动挂件10，所述活动挂件10上设有弹力绳7，所述弹力绳7上设有吊环螺母12，用于固定转向架构架9，所述弹力绳7位于激振器平台18上方。

所述六自由度平台4包括三角形底板401和顶板402，所述底板401的每个角上均固定安装两个液压缸403，顶板402的每个角上均铰接对应液压缸403的伸缩轴。

所述激振器平台18上设有回转台19，回转台19上固定液压摆动缸20，液压摆动缸20与激振器6连接。

图4-5所示，转向架构件自由模态，

自由模态分析是模态分析的一个重要组成部分，它不考虑任何约束的影响，得到的是转向架构架9本身的固有特性。自由模态分析是为了得到物体本身所具有的特性而做出的分析，由于没有约束，在测量转向架构架9本身特性时可以不必考虑约束等相互接触作用而产生的误差。

实验方法：

通过弹力绳7悬挂转向架构架9；通过型材架8顶部滑轨调整与弹力绳7顶部之间的位置；

调整激振器6位置，使其顶杆垂直向上，与转向架构架9底面垂直接触；将信号发生器14与功率放大器15相连、将功率放大器15与激振器6相连，再将力传感器13安装在激振器6顶部与转向架构架9接触的位置，加速度传感器11安装在转向架构架9的四个角上，将力传感器13、加速度传感器11连接至信号采集仪16的各个通道，最后接通信号发生器14、功率放大器15与信号采集仪16电源；通过上位机17识别信号采集仪16并设定各个通道，开启功率放大器15与信号发生器14，信号发生器14选择正选快速扫频或猝发随机激励，信号采集仪16设定输入信号为力传感器13的电压信号、输出信号为多个加速度传感器11的电压信号、采集方式为连续记录、频响分析平均次数100次。待全部设备调试完毕，使信号发生器14产生信号，待启动噪声消退信号稳定，点击采集信号。待频响函数稳定，结束测量，检查测量结果的相干函数，函数稳定则保留数据，依次关闭电源，反之检查安装与设定重新测量。

信号发生器14发出正负3.3v电平信号，力传感器13测量激振器6和转向架构架9接触位置的力F1、加速度传感器11测量转向架构架9输出的加速度a1，

在设定时间内，连续记录力传感器信号形成关于力F1的时域曲线，在相同时间内，连续记录加速度传感器信号形成关于加速度a1的时域曲线，将加速度a1和力F1的时域曲线经过傅里叶变换得到加速度频域曲线和力频域曲线，将加速度频域曲线上每一频率对应的幅值除以力频域曲线在该频率处对应的幅值得到频响函数，该频响函数可以反应出自由模态。

弹力绳7伸长率为50%时的重量要求为所测转向架构架9分摊到每个弹力绳7的重量。激振器6所能产生的频率范围应包含0~2000Hz、所能产生的激振力不得低于400N。对于快速正弦扫频周期应控制在0.5~5s。加速度传感器11和力传感器13的采样频率应大于2000Hz。力传感器13量程应满足激振器6与六自由度平台4需求。

图6-7所示，转向架构架约束模态实验

约束模态是结构在某种连接方式或工作形式的情况下，考虑相互连接关系，从而表现出的一种模态形式。约束模态分析通常用于分析结构在实际工作时的振动特性，得到约束模态参数后可以避免结构工作时的某些频率与结构约束模态频率相近，导致结构产生共振，产生较大变形，极易引发失效与破坏。

实验方法：

通过悬挂模拟装置3固定转向架构架9，通过六自由度平台4顶部螺纹孔固定悬挂模拟装置3，六自由度平台4固定于地槽台5；通过液压摆动缸20调整激振器6位置，使其顶杆处于水平位置，与转向架构架9侧面垂直接触，并在转向架构架9上安装力传感器13，使其在激振器6顶杆与转向架构架9接触的位置；连接六自由度平台4及其配件并使其保持固定位置；

将信号发生器14与功率放大器15相连，功率放大器15与激振器6相连，再将力传感器13和加速度传感器11连接至信号采集仪16的各个通道，最后接通信号发生器14、功率放大器15与信号采集仪16电源。

通过上位17机识别信号采集仪16并设定各个通道，开启功率放大器15与信号发生器14，信号发生器信号14选择正选快速扫频或猝发随机激励，信号采集仪16设定输入信号为力传感器13的电压信号、输出信号为多个加速度传感器11的电压信号、采集方式为连续记录、频响分析平均次数100次。待全部设备调试完毕，使信号发生器14产生信号，待启动噪声消退信号稳定，点击采集信号。待频响函数稳定，结束测量，检查测量结果的相干函数，函数稳定则保留数据，依次关闭电源，反之检查安装与设定重新测量。用于悬挂模拟装置3的各个弹簧长度（纵向弹簧33、横向弹簧35和垂直弹簧32）应满足从转向架构架9固定端到固定框架中心线的垂直距离为其实际转向架构架9到轴箱中心位置的比例长度，各弹簧提供的刚度应等效于原结构所提供的刚度。六自由度平台4额定载荷应满足所测转向架构架9及其载荷、必要时可添加辅助锁紧装置。

信号发生器14发出正负3.3v电平信号，力传感器13测量激振器6和转向架构架9接触位置的力F2、加速度传感器11测量结构输出的加速度a2，设定时间内，加速度a2和力F2的时域曲线经过傅里叶变换得到加速度频率函数和力频率函数，将加速度频率函数上同一时刻的每个点除以力频率函数对应的点得到频响函数，该频响函数可以反应出约束模态。

对于快速正弦扫频周期应控制在0.5~5s，加速度传感器11和力传感器13的采样频率应大于2000Hz、力传感器13量程应满足激振器6与六自由度平台4需求。表1为实验数据与相对误差（前三阶为刚体模态，第四阶开始往后为弹性模态）

表1 实验数据与相对误差

模态	1<sup>st</sup>	2<sup>nd</sup>	3<sup>rd</sup>	4<sup>th</sup>	5<sup>th</sup>	6<sup>th</sup>
							仿真数据	81.02	90.23	138.11	210.62	262	293.69
实验数据	75.20	90.82	148.44	202.15	255.86	277.34
							相对误差	7.19%	0.65%	7.48%	4.02%	2.34%	5.57%

图1和8所示，

路谱测试一般用于材料研究，工艺过程研究，转向架构架9试验和动车整车试验。路谱的采集是在试验跑道或者实际路况上完成的。通过六自由度平台4在试验台上回放采集到的路谱激励，用于校准模拟数据模型，开发和优化闭环控制，以便在实验室条件下模拟车辆的受力和振动情况。在试验台上，利用路谱数据和实际转向架构架9数据作为输入，对转向架构架9进行特定条件下的测试，如：某条线路下某负载情况时的随机振动分析、疲劳寿命分析。

实验方法：

通过悬挂模拟装置3固定转向架构架9；通过六自由度平台4顶部螺纹孔固定悬挂模拟装置3；六自由度平台4固定于地槽台5；调整龙门钢架1位置，使伸缩装置2位于转向架构架9侧梁正中位置上方；启动六自由度平台4并保持固定，选择路谱，并待机。调整伸缩装置2使其垂直顶紧转向架构架9，调整到合适的压力并通过压力控制阀保持压力稳定；将力传感器13、应变片或应变花（将应变片或应变花安装在转向架构架9侧梁弯曲位置的外侧）和加速度传感器11连接至信号采集仪16的各个通道，最后接通信号采集仪16电源；通过上位机17识别信号采集仪16并设定各个通道，信号采集仪16设定输入信号为力传感器13电压信号、输出信号为多个应变信号与加速度传感器11电压信号、采集方式为连续记录；待全部设备调试完毕，先开始采集，再使六自由度平台4运行路谱数据，并持续记录信号；待路谱激励结束，结束测量，检查测量结果的相干函数，函数稳定则保留数据，依次关闭电源，反之检查安装与设定重新测量。

路谱数据由上位机17保存并通过控制板传递至六自由度平台4进行路谱模拟；必要时可以通过龙门钢架1上的伸缩装置2进行垂向负载模拟；与六自由度平台4顶部接触的力传感器13测量输入信号，转向架构架9（被测装置）上布置的加速度传感器11测量***输出信号，同时可在转向架构架9上布置应变片或应变花，用以测量其应变应力与疲劳寿命；输入信号（高低电平信号正负3.3V）、输出信号（加速度信号与应变信号）通过信号采集仪传递至上位机17，进行模态分析（高低电平信号和加速度信号来反应）/强度分析（由应变片或应变花测量的应变信号反应）/疲劳寿命分析（由应变信号测得）。

六自由度平台4有效行程与相应速度应满足所用路谱的各项指标范围。加速度传感器11和力传感器13的采样频率应大于2000Hz、力传感器13量程应满足激振器6与六自由度平台4需求。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种转向架构架性能测试实验装置，其特征在于，包括地槽台，所述地槽台上设有六自由度平台、激振器平台和龙门钢架，所述龙门钢架上设有伸缩装置，所述六自由度平台位于龙门钢架内，并设有悬挂模拟装置，所述激振器平台上设有激振器；所述地槽台上端面设有滑轨，所述龙门钢架底部位于滑轨内；所述悬挂模拟装置上设有转向架构架，所述转向架构架上设有加速度传感器和力传感器，所述加速度传感器、力传感器分别与信号采集仪连接，所述信号采集仪与上位机连接；

所述悬挂模拟装置包括固定框架，所述固定框架包括第一对固定框和第二对固定框，所述第一对固定框的两端设有垂直弹簧，所述第一对固定框和第二对固定框上分别设有纵向弹簧和横向弹簧，所述纵向弹簧和横向弹簧通过固定架连接，所述垂直弹簧通过连接片与转向架构架连接，所述转向架构架的斜面上设有支架，所示支架通过节点止挡与固定架连接；垂直弹簧、纵向弹簧和横向弹簧实现转向架构架在空间位置Z轴、Y轴和X轴上的约束；

所述地槽台上设有型材架，所述型材架上设有活动挂件，所述活动挂件上设有弹力绳，所述弹力绳上设有吊环螺母，用于固定转向架构架，所述弹力绳位于激振器平台上方；

所述激振器平台上设有回转台，回转台上固定液压摆动缸，液压摆动缸与激振器连接。

2.根据权利要求1所述的一种转向架构架性能测试实验装置，其特征在于，所述固定架包括安装在纵向弹簧的连接片上的刚性连接点和安装在横向弹簧的连接片上的钢销，所述钢销***刚性连接点内，所示支架通过节点止挡与钢销固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种转向架构架性能测试实验装置，其特征在于，所述六自由度平台包括三角形底板和顶板，所述底板的每个角上均固定安装两个液压缸，顶板的每个角上铰接液压缸的伸缩轴。

4.根据权利要求3所述的一种转向架构架性能测试实验装置，其特征在于，转向架构架自由模态性能测试步骤如下，

调整激振器位置，使其顶杆垂直向上，与转向架构架底面垂直接触；将信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与激振器相连，力传感器位于转向架构架与激振器的顶杆接触的位置，加速度传感器安装在转向架构架侧梁的四个端部，将力传感器、加速度传感器连接至信号采集仪，信号发生器发出电平信号，力传感器测量激振器和转向架构架接触位置的力F1，在设定时间内，连续记录力传感器信号形成关于力F1的时域曲线，加速度传感器测量转向架构架输出的加速度a1，在相同时间内，连续记录加速度传感器信号形成关于加速度a1的时域曲线，将加速度a1和力F1的时域曲线经过傅里叶变换得到加速度频域曲线和力频域曲线，将加速度频域曲线上每一频率对应的幅值除以力频域曲线在该频率处对应的幅值得到频响函数，该频响函数可以反应出转向架构架的自由模态特征。

5.根据权利要求3所述的一种转向架构架性能测试实验装置，其特征在于，转向架构架约束模态性能测试步骤如下，

通过悬挂模拟装置固定转向架构架，通过六自由度平台顶部螺纹孔固定悬挂模拟装置，六自由度平台固定于地槽台；通过液压摆动缸调整激振器位置，使激振器的顶杆处于水平位置，与转向架构架侧面垂直接触，并在转向架构架上安装力传感器，使其位于激振器的顶杆与转向架构架接触的位置；固定六自由度平台；将信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与激振器相连，再将力传感器和加速度传感器连接至信号采集仪，信号发生器发出电平信号，力传感器测量激振器和转向架构架接触的位置的力F2，在设定时间内，连续记录力传感器信号形成关于力F2的时域曲线，加速度传感器测量转向架构架输出的加速度a2，在相同时间内，连续记录加速度传感器信号形成关于加速度a2的时域曲线，加速度a2和力F2的时域曲线经过傅里叶变换得到加速度频率函数和力频率函数，将加速度频率函数上同一时刻的每个点除以力频率函数对应的点得到频响函数，该频响函数可以反应出约束模态。

6.根据权利要求3所述的一种转向架构架性能测试实验装置，其特征在于，转向架构架路谱性能测试步骤如下，

在转向架构架侧梁弯曲位置的外侧安装应变片或应变花，通过悬挂模拟装置固定转向架构架；通过六自由度平台顶部螺纹孔固定悬挂模拟装置；六自由度平台固定于地槽台；调整龙门钢架位置，使伸缩装置位于转向架构架侧梁正中位置上方；启动六自由度平台并保持固定，调整伸缩装置使其垂直顶紧转向架构架，调整到合适的压力，并保持压力稳定；将力传感器、应变片或应变花，以及加速度传感器连接至信号采集仪，加速度传感器测量加速度信号，信号发生器发出电平信号，利用电平信号和加速度信号进行模态分析，利用应变花或应变片测量的应变信号进行强度分析和疲劳寿命分析。

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