CN102128723A - 车端关系综合试验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种满足车端关系组件干涉性试验、功能性试验和研究性试验的基于六自由度并联机构的车端关系综合试验台。前反力基础与地基固定，通过三组下铰支座与六套液压执行机构相连，液压执行机构的前端通过三组上铰支座与运动平台相连，运动平台通过托架连接空气弹簧，另一端通过连接架与前端过渡板连接，运动平台上安装六维力/力矩传感器。本发明采用模块化柔性设计，通过调整车端不同部件的组合或单个部件，满足铁路客车车辆车端上的所有部件进行试验，模拟列车通过直线、曲线时的状态，检验安装在车端各部件的相互干涉关系；进行功能性试验和研究性试验。也适合于其他大型构件的运动模拟试验和力加载试验。

Description

车端关系综合试验台

(一)技术领域

本发明涉及机电技术，具体说就是一种车端关系综合试验台。

(二)背景技术

随着高铁时代的到来，列车时速不断提升，对列车部件的设计提出更高的要求。车端组件是高速列车的关键部件，对保证列车整体性能至关重要。贯通道作为车端组件的核心部件，其性能的优劣亦是设计的重点。这就要求能够有一套高性能的综合试验设备，不仅能够实现高精度的运动模拟功能，而且要具备高精度的力加载功能，以满足车端关系组件的运动干涉试验、功能性试验和研究性试验的要求，为列车部件的设计提供参考。但目前并没有一种专用设备能够同时满足上述的要求。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种满足车端关系组件干涉性试验、功能性试验和研究性试验的基于六自由度并联机构的车端关系综合试验台。

本发明的目的是这样实现的：它是由前反力基础、下铰支座、液压执行机构、运动平台、上铰支座、连接架、空气弹簧、前端过渡板、托架、六维力/力矩传感器、贯通道、后端过渡板、模拟车厢端、后反力基础组成的。前反力基础与地基固定，通过三组下铰支座与六套液压执行机构相连，液压执行机构的前端通过三组上铰支座与运动平台相连，运动平台通过托架连接空气弹簧，空气弹簧的另一端通过连接架与前端过渡板连接，运动平台上还安装有六维力/力矩传感器，六维力/力矩传感器的另一端与前端过渡板连接，前端过渡板的右端连接贯通道，通过后端过渡板其右侧连接模拟车厢端或后反力基础，后反力基础连接地基，可调整在地基上的位置以适应不同的车端部件类型。

本发明一种车端关系综合试验台，采用模块化柔性设计，通过调整车端不同部件的组合或单个部件，可以满足地铁车辆、动车组、铁路客车车辆车端上的所有部件进行试验，模拟列车通过直线、曲线时的状态，检验安装在车端各部件的相互干涉关系；同时可以对安装在车端的部件进行单独试验，进行功能性试验和研究性试验。试验台采用液压驱动的六自由度运动模拟器完成两车端相对运动的模拟，车端试验主要包括三向平移、三轴摆动等运动模拟试验，以及疲劳和拉伸强度试验。同时，通过采用随机波谱复现技术，试验台能够再现车辆在轨道上行驶时的颠簸和弯道通过等运动状态。本发明提供一种基于六自由度并联机构的车端关系综合试验台，满足车端关系组件的干涉性试验、功能性试验和研究性试验的要求，为车端关系组件的设计提供依据，也适合于其他大型构件的运动模拟试验和力加载试验，为其他大型结构件的综合试验提供一种解决方案。

(四)附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为基于六自由度力传感器的贯通道加载力测量原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明一种车端关系综合试验台，它是由前反力基础(1)、下铰支座(2)、液压执行机构(3)、运动平台(4)、上铰支座(5)、连接架(6)、空气弹簧(7)、前端过渡板(8)、托架(9)、六维力/力矩传感器(10)、贯通道(11)、后端过渡板(12)、模拟车厢端(13)、后反力基础(14)组成的。前反力基础(1)与地基固定，通过三组下铰支座(2)与六套液压执行机构(3)相连，液压执行机构(3)的前端通过三组上铰支座(5)与运动平台(4)相连，运动平台(4)通过托架(9)连接空气弹簧(7)，空气弹簧(7)的另一端通过连接架(6)与前端过渡板(8)连接，运动平台(4)上还安装有六维力/力矩传感器(10)，六维力/力矩传感器(10)的另一端与前端过渡板(8)连接，前端过渡板(8)的右端连接贯通道(11)，贯通道(11)右侧通过后端过渡板(12)连接模拟车厢端(13)或后反力基础(14)，后反力基础(14)连接地基，可调整在地基上的位置以适应不同的车端部件类型。

实施例2：结合图1、图2，本发明具有以下技术特点：

1.基于六自由度并联机构运动学正解，能够实现高精度位姿测量；

六自由度运动系统的运动学是描述驱动系统的运动和运动平台运动间的关系的。已知运动平台的运动，求驱动系统的运动称之为运动学反解(逆解)；反之，已知驱动系统的运动，求运动平台的运动称为运动学正解。由于运动系统的运动平台与贯通道固连，因此运动平台的运动与贯通道的运动是一致的。

目前国内外还没有专用仪器能实现六自由度运动系统位姿输出的精确测量，在要求不高的情况下，可采用三维惯导装置进行测量。三维惯导装置是由三个正交安装的陀螺和三个正交安装的加速度计组成，该装置用于船舶、飞机和航天器的惯性导航。该装置能够实现载体姿态角的精确测量，而位移的测量是根据加速度的测量通过积分或滤波获得。就目前国内外三维惯导装置来看，姿态角的测量精度一般能高于0.01度，但位置的测量精度一般只有20mm左右。用于贯通道位置的测量显然精度太低，不能满足要求。此外，由于加速度传感器不仅敏感线加速度，而且也敏感载体的横摇角和俯仰角，因此当载体产生多自由度耦合运动时，加速度传感器输出值是不可信的。从这一点来说，三维惯导装置不能实现贯通道位姿的测量。

车端关系综合试验台在液压缸(驱动系统)内装有磁滞伸缩位移传感器，通过精确测量液压缸的位移输出，应用运动学正解计算贯通道的位姿输出。磁滞伸缩位移传感器的主要性能参数为：

测量范围：0～465mm

分辨率：5μm

输出形式：数字信号

设计的运动系统采用CAN总线数字传感器，精度能够达到10μm，因此运动平台的位姿即可由运动学正解计算出来，运动学正解的计算精度高于10^-5的量级，因此该方法是测量贯通道位姿输出的有效方法。

运动学正解计算需要运动系统的结构参数，由于结构参数在设计、加工和安装过程均可能产生误差，虽然液压缸的位移测量和运动学正解计算都很准确，但由于结构误差的影响，使得计算的贯通道位姿输出与实际位姿输出有一定的误差。所以必须对系统的结构误差进行严格的控制。

车端关系综合试验台对结构参数在设计、加工和安装过程中进行严格的控制，通过激光干涉仪进行准确测量，使得运动系统结构误差控制在：液压缸的初始长度误差：0.2mm；上、下铰点的位置误差小于0.25mm；运动平台定义的动坐标系原点误差，也就是运动平台中心位置误差小于0.15mm；运动系统结构误差控制在上述范围内时，运动系统的输出误差小于0.45mm，即小于0.3％。但做到这点还不够，最重要的是对运动学正解进行标定，即在贯通道整个运动范围内测量贯通道的实际输出与运动学正解间的误差。车端关系综合试验台采用激光干涉仪完成了贯通道三个平动自由度的测量，采用角位移传感器完成了贯通道三个角度的测量，通过对测量结果进行分析，比照运动系统精度分析的结果，测量误差均与精度分析的结果相一致，表明，运动系统的精度达到了0.3％的设计要求，运动学正解输出可信，即完成了运动学正解的标定。

2.基于六维力/力矩传感器，能够实现对车端部件加载力/力矩的精确测量；

对于液压控制系统，通常的力测量方法是将力传感器布置到单缸上，通过测量每个液压缸的驱动力来计算贯通道的加载力，这种测量方式布置简单，容易理解，在其他领域中也有成功的应用，但对于车端关系试验却是不可行的，主要有以下几方面原因，首先液压缸的驱动力与贯通道上的加载力有很大的不同，如果将力传感器布置到单缸上，势必引入运动系统运动平台的重力和惯性力。通常贯通道的质量约为600kg，而一般运动系统的设计，运动平台的质量也将大于600kg，即便采用重力平衡装置平衡掉重力的影响，但运动平台惯性力的影响也会超过50％，这对贯通道的加载力的测量将引入很大的误差。此外，采用这种测力方法，六自由度运动系统同时成为力测量装置，这种装置需要标定，但目前国内外还没有合适的仪器或方法能够标定这样大的六自由度测力装置。综上所述，虽然基于液压缸驱动力测量的方案在其他领域有过成功应用，但在贯通道加载测量中不仅误差很大，而且无法标定，所以是无法应用的。

本发明提出的解决方案是基于六自由度力传感器的贯通道加载力测量。

在运动平台与贯通道间安装六维力/力矩传感器，直接测量运动系统加载到贯通道上的力和力矩。这种测量方法的原理如下：

F_g＝m_ga_g+B_gv_g+k_gx_g                   (1)

式中F_g——加载到贯通道上的力；

m_g，I_g——贯通道及连接件的质量和转动惯量；

B_g，

——贯通道的阻尼；

k_g，——贯通道的刚度；

a_g，v_g，x_g——贯通道的加速度、速度和位移；

ω_g，ε_g——贯通道的角速度和角位移。

B_g、

k_g和

即为贯通道的阻尼和刚度，也是需要测量的贯通道的参数。从式(1)和式(2)可见，只有m_g和I_g由于存在于传感器与贯通道连接件的质量和转动惯量中，对测量和数据分析结构有影响，但由于连接件的质量可设计的很小，重量小于贯通道的10％，因此引起的误差较小。

3.车端关系综合试验台采用模块柔性化设计，能够实现多种车端部件试验。

试验台能够进行车端所有部件干涉验证试验，并能进行功能性试验和研究性试验。试验台采用模块化柔性设计，通过单个部件或调整车端不同部件的组合，可以满足对地铁车辆、动车组、铁路客车车辆车端上的所有部件进行试验，试验包括部件的功能性试验和研究性试验。车端部件干涉验证试验：模拟列车通过直线-曲线及S曲线时的运行状态，检验安装在车端各部件的相互干涉关系；车端部件功能试验：进行车钩模拟连挂试验、转动试验，测量车钩转动范围；进行贯通道模拟摆动试验，测量其在纵向、横向和垂向的线位移量和角位移量；研究性试验：将所有车端部件安装后，进行模拟运动，测量整个车端部件的刚度和阻尼，包括线性刚度、阻尼和非线性刚度、阻尼及随位移和速度变化的动刚度、动阻尼；对贯通道、外风挡单件进行刚度、阻尼试验，包括线性刚度、阻尼和非线性刚度、阻尼及随位移和速度变化的动刚度、动阻尼；具有进行车端跨接电缆的疲劳试验和拉伸强度试验功能；具有进行空气连接橡胶管路疲劳试验的功能；具有进行或验证内外风挡、贯通道疲劳性试验的功能。

为了达到上述目的，本发明提出如下技术方案：包括作为六自由度运动模拟器固定平台的前反力基础、下铰支座、六套并联的线性液压执行机构、上铰支座和运动模拟器运动平台组成的六自由度运动模拟器；由空气弹簧组件、托架及连接架等部分组成重力平衡装置；六维力/力矩传感器构成测力装置；由贯通道、前端过渡板和后端过渡板组成的贯通道组件；模拟车厢端组件(可选组件，根据不同实验要求选择是否安装)；作为模拟车厢端安装基础的后反力基础。前反力基础通过下铰支座与六套并联线性液压执行机构相连，液压执行机构通过上铰支座与运动平台相连；重力平衡装置通过托架和连接架，一端与运动模拟器运动平台相连，一端与贯通道前端过渡板相连；六自由度运动模拟器运动平台上安装有一套六维力/力矩传感器，其一端与运动平台上表面连接，另一端通过前端过渡板与贯通道连接；贯通道通过后端过渡板与模拟车厢端或后反力基础连接。

与背景技术相比，本发明的有益效果是：运用并联机构运动学正解测量输出位姿，不仅简化了测量设备的投入，而且有效提高了输出位姿的测量精度；基于六维力/力矩传感器的力测量方案，有效提高了力测量的精度，达到了车端试验对力测量的高精度要求；本发明采用六自由度并联机构作为运动模拟和力加载装置，可以进行车端部件六个自由度的运动模拟和力加载试验，为车端部件的综合实验提供了一种紧凑、理想的集成方案，将运动模拟试验和力加载试验有机结合，是对传统试验模式的突破，可满足地铁车辆、动车组、铁路客车车辆车端上的所有部件进行试验。本发明还可广泛应用于对接机构综合试验、大型构件和材料的综合疲劳试验等。

本发明的工作原理如下：

车端关系综合试验台控制系统通过管理与处理单元发出控制指令，驱动安装在反力基础上的液压驱动的六自由度运动模拟器对两节车厢之间的空间相对运动状态进行模拟。从而能够模拟出列车运行时车端部件如车钩、贯通道、车端跨接电缆、制动管路及车端设备箱等的运动和受力环境。由六维力传感器精确测量出车端部件在被加载时所受的力和力矩，由运动模拟器可精确得到车端部件在各自由度上的位移和转动角度。通过重力平衡装置消除贯通道和风挡等车端部件的重力影响。由车端部件的位移和所受的力/力矩即可精确计算出车端部件的刚度和阻尼特性。试验台也可以进行车端部件或者完整车端的干涉验证、疲劳测试等试验。

Claims (1)

1.一种车端关系综合试验台，它是由前反力基础(1)、下铰支座(2)、液压执行机构(3)、运动平台(4)、上铰支座(5)、连接架(6)、空气弹簧(7)、前端过渡板(8)、托架(9)、六维力/力矩传感器(10)、贯通道(11)、后端过渡板(12)、模拟车厢端(13)、后反力基础(14)组成的，其特征在于：前反力基础(1)与地基固定，通过三组下铰支座(2)与六套液压执行机构(3)相连，液压执行机构(3)的前端通过三组上铰支座(5)与运动平台(4)相连，运动平台(4)通过托架(9)连接空气弹簧(7)，空气弹簧(7)的另一端通过连接架(6)与前端过渡板(8)连接，运动平台(4)上还安装有六维力/力矩传感器(10)，六维力/力矩传感器(10)的另一端与前端过渡板(8)连接，前端过渡板(8)的右端连接贯通道(11)，贯通道(11)右侧通过后端过渡板(12)连接模拟车厢端(13)或后反力基础(14)，后反力基础(14)连接地基，可调整在地基上的位置以适应不同的车端部件类型。

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