CN108871776B - 基于振动响应的高速列车车轴损伤识别试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于振动响应高速列车车轴损伤识别试验台，包括加载系统、检测系统、支撑装置、测试平台和轮对，加载系统包括垂向激振器，支撑装置有六种类型，第一支撑装置、第二支撑装置安装在第三支撑装置上，导轨与第五支撑装置通过螺栓连接，第五支撑装置、激振器安装在第六支撑装置上，第三支撑装置、第四支撑装置、导轨安装在测试平台上，检测系统包括应力应变传感器、信号采集器和数据分析终端，信号采集器位于中心杆上，应力应变传感器与信号采集器无线连接，信号采集器与数据分析终端连接，应力应变传感器用于贴装在待测空心车轴的内壁。本发明能够模拟高速列车车轴在实际工况下的应力应变和损伤识别研究。

Description

基于振动响应的高速列车车轴损伤识别试验台

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种基于振动响应高速列车车轴损伤识别试验台。

背景技术

高速列车是我国高科技新技术发展的一个重要方向，如何提高列车行驶速度及安全性是我们车辆人的不懈追求。目前国内外对列车车轴的工作情况监测通常使用在车轴表面贴应变片的方式，这样不仅工作量较繁重并且误差也较大。鲜有利用新技术设备的车轴振动响应试验台对相关实验的简化。

我国《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》TB/T 1335-1996标准规范提到，试验载荷应不小于基本作用载荷值但鉴定标准仍须按基本作用载荷换算，在鉴定强度时将换算应力值按照最大可能组合的原则予以合成。

在规定鉴定强度时，须进行应力换算，垂向静载荷下的应力要考虑动载荷的影响，具体换算公式如下：

σ_d＝σ_c(1+K_d) (1.1)

其中

σ_d-动应力

σ_c-静应力

K_d-动载荷系数

该标准还规定了车辆强度及试验鉴定要求。该标准计算当量应力时按照：

其中

σ_e-当量应力，MPa；

σ_i-主应力(i＝1，2，3)，MPa

而所施加的垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数得到：

其中

K_dy-垂向动载荷系数；

K_dys-簧上部分的垂向动荷系数；

K_dyx-簧下部分的垂向动荷系数；

f_jy-摇枕弹簧静挠度，mm；

f_jz-轴箱弹簧静挠度，mm；

f_j∑-转向架弹簧静挠度

欧洲驱动车轴结构设计和计算方法《EN13104：2009+A2：2012》标准给出轴承外端支撑轴的应力计算方法和质量等级钢的最大许用应力。对动力车(有驱动电机)车轴设计和校核进行了相关规定，如图1所示。

其中：

σ_n1-外表面应力

σ_n2-内表面应力

K-应力集中系数

M-所受弯矩

R-名义滚动圆半径

d-车轴截面半径

d′-空心车轴截面半径

上述几种规范中，都是通过实验结果评估车辆轮对车轴强度，虽然用实验方法评价疲劳强度简单实用，但是传统静应力应变试验可能对车轴状态识别能力不够，不能完成损伤识别和载荷识别要求。

发明内容

本发明旨在提供一种基于振动响应高速列车车轴损伤识别试验台，能够模拟高速列车车轴在实际工况下的应力应变和损伤识别研究。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开的基于振动响应高速列车车轴损伤识别试验台，包括加载系统、检测系统、支撑装置、测试平台和轮对，所述加载系统包括垂向激振器，所述垂向激振器有两个，支撑装置有六种类型，包括第一支撑装置、第二支撑装置、第三支撑装置、第四支撑装置、第五支撑装置、第六支撑装置，第一支撑装置、第二支撑装置安装在第三支撑装置上，导轨与第五支撑装置通过螺栓连接，第五支撑装置、激振器安装在第六支撑装置上，第三支撑装置、第四支撑装置、导轨安装在测试平台上，所述检测系统包括应力应变传感器、信号采集器和数据分析终端，所述信号采集器位于中心杆上，所述应力应变传感器与信号采集器无线连接，所述信号采集器与数据分析终端连接，所述应力应变传感器用于贴装在待测空心车轴的内壁，轮对包括两个与待测空心车轴适配的车轮，两个车轮分别位于两个垂向激振器的正上方，中心杆穿过轮对，中心杆的两端分别连接两个第一支撑装置，两个车轮分别与两个第一支撑装置转动连接。

进一步的，本发明还包括动力控制系统，所述动力控制系统包括电机、传动齿轮箱和从动齿轮，所述传动齿轮箱连接电机，所述从动齿轮与传动齿轮箱配合，从动齿轮的中心孔的直径与待测空心车轴的外径适配，所述电机、传动齿轮箱安装在支撑座上，所述支撑座安装在测试平台上。

进一步的，所述轮对与待测空心车轴接触面、从动齿轮与待测空心车轴接触面、支撑装置的上表面均设有声发射传感器，所述声发射传感器连接数据分析终端，其中部分声发射传感器安装在可沿待测空心车轴轴线方向滑动的滑环上。

进一步的，本发明还包括热成像仪，所述热成像仪位于待测空心车轴的上方，热成像仪连接数据分析终端。

进一步的，本发明还包括横梁，所述横梁位于测试平台上方，横梁与待测空心车轴同轴布置，所述热成像仪通过悬吊装置连接横梁，所述悬吊装置与横梁滑动连接，悬吊装置包括万向节，横梁的两端分别连接立柱，所述立柱的下端连接基座，所述基座与测试平台不连接。

优选的，所述垂向激振器包括施力轮，所述施力轮与车轮正对。

优选的，所述垂向激振器为液压式激振器，所述液压式激振器包括液压控制系统，所述垂向激振器对轮对施加正弦波载荷和/或方波载荷。

优选的，所述数据分析终端包括数据处理模块和数据分析模块，所述数据处理模块用于接收声发射传感器、热成像仪和应力应变片的数据，并对数据进行以下处理：信号预处理、剔除奇异值、消除趋势项、数据平滑处理、滤波降噪处理；所述数据分析模块根据数据处理模块的结果，进行疲劳强度分析、载荷识别分析、损伤识别分析、应力分析。

优选的，所述测试平台为T型槽工作台，所述垂向激振器、支撑装置和支撑座安装在支撑基座上，所述支撑基座安装在T型槽工作台。

进一步的，所述支撑基座与测试平台之间铺设橡胶隔振材料。

本发明的实际使用方式如下：

1、将需要进行应力应变或损伤研究的轮对合理安装在放置轮对的支撑座上，固定轮对位置，并在空心轴内部粘贴应力应变片，同时将传感器安装在金属探棒上，再将金属探棒放置在空心轴内部，并保证与空心轴壁不接触，在两端支架上固定金属探棒。试验中利用金属探棒向数据处理仪器输出应力应变数据。

2、轮对进行静态实验。在静态实验中，利用应力应变传感器对车轴放置在方便进行测试的位置。将声发射传感器安装在2个车轴车轮接触面、齿轮箱与车轴接触面以及固定轮对的支撑座台面上，使用声发射仪对待测轮对发射一定频段声波，收集反射的声波数据，得到轮对损伤磨耗的响应图。

3、轮对进行动态实验。首先确定试验工况和垂向力大小。固定激振器位置后，经过对垂向力大小的处理，在牵引电机启动后，由液压缸向施力轮施加向上的垂向力，实现激振效果。

4、按照所需要实验的实验工况，确定电机转速并启动电机。布置在空心轴内壁的传感器在动态实验中同样起到采集实验数据的作用，并通过布置在空心轴中的金属棒将数据输出，热成像仪布置在支架上，通过对车轴和轮对在运行中产生的辐射能量进行测定反映在热成像图上。

5、在动态实验结束后，利用电机制动将轮对进行制动。

6、将得到的静态实验的声发射数据和应力应变数据以及动态实验中得到的应力应变数据和热成像图进行剔除奇异值，消除趋势项，滤波等处理，然后应力应变变化图像分析和损伤识别。

根据动态应力应变数据和热成像图、静态应力应变数据和声发射数据不仅能完成对高速列车轮对车轴在不同工况下应力应变分析和损伤识别，还可以进行载荷识别和灵敏度分析，实现结构参数的识别和优化等方面研究。

本发明的有益效果主要在于：

1、可以根据高速列车实测载荷数据，将载荷数据缩减，经由系统主控制器，根据控制算法，将实测载荷信号转换为电压电流信号，经由伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，模拟各工况下轮对工作情况。经过计算后，驱动垂向激振器的液压油泵，驱动作动器对轮对做出垂向激励，可实现对高速列车车辆轮对和车轴的应力应变稳定性，损伤识别等研究。

2、利用热成像仪和声发射仪的非接触式无损伤测量，不仅减少了接触式传感器带来的接触误差，还省去了布置工装，减少由于不合理的工装带来的误差和对待测轮对车轴的损伤。

3、可以大幅降低实际轮对实验昂贵的试验成本，本发明主要用于不同工况下车轮轮对车轴损伤试验，研究比例轮对磨耗及损伤产生和变化规律，可以实现对各种高速列车的轮对及车轴结构强度和疲劳特性的等效性研究，实现轮对车轴优化分析和垂向力磨耗优化。

4、比例轮对动试验台按车辆轮对1:3结构设计，因为考虑了结构模式的可变性也可以对1:2、1:6、1:8等比例轮对进行结构振动性、强度和刚度等效性、疲劳特性、结构动载荷识别技术、参数灵敏度、损伤识别等进行详细研究。

5、采集仪器所获取的加速度、位移以及应力信号，可用于应力应变和损伤识别。

综上，本发明所公开的振动响应高速列车车轴损伤识别试验台，旨在基于所建立的在静态和动态不同工况下比例轮对的应力应变和损伤识别研究试验台，通过对高速列车实际运行速度和运行状况，将信号波形通过控制系统，最后以电流电压信号对伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，驱动车轮轮对转动。列车运行时响应的垂向力经过计算转化为电压电流信号，由液压驱动器对驱动轮产生竖直方向的垂向力，通过施力轮加载到车辆轮对上。

在整个试验中，空心轴内壁的应力应变传感器、声发射仪以及热成像仪等仪器对轮对车轴的运行情况和应力应变磨损情况都进行了记录，通过数据采集仪器向计算机传输数据，并对实验数据进行剔除奇异值，消除趋势项，滤波等处理。最后，对数据进行统计分析，从而实现对振动响应高速列车轮对以及车轴的应力应变和损伤识别研究。

附图说明

图1为欧洲驱动车轴结构设计和计算方法的示意图；

图2为本发明的前视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的立体视图；

图5为待测空心轴的剖视图；

图6为滑环的结构示意图；

图7为本发明的工作原理图；

图8为检测系统的原理框图；

图9为动力系统和加载系统的原理框图；

图10为本发明加上保护罩后的立体视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明公开的基于振动响应高速列车车轴损伤识别试验台，包括加载系统、检测系统、支撑装置、测试平台15、轮对和动力控制系统，加载系统包括垂向激振器13，垂向激振器13有两个，支撑装置有六种类型，包括第一支撑装置1、第二支撑装置2、第三支撑装置12、第四支撑装置14、第五支撑装置16、第六支撑装置18，垂向激振器13安装在第六支撑装置18上，检测系统包括应力应变传感器21、信号采集器和数据分析终端，信号采集器位于中心杆10上，应力应变传感器21与信号采集器无线连接，信号采集器与数据分析终端连接，应力应变传感器21用于贴装在待测空心车轴4的内壁，中心杆10的两端分别连接两个支撑装置1，轮对包括两个与待测空心车轴4适配的车轮3，两个车轮3分别位于两个垂向激振器13的正上方，垂向激振器13包括施力轮，施力轮与车轮3正对，中心杆10穿过待测空心车轴4，两个车轮3分别与两个支撑装置2转动连接。动力控制系统包括电机6、传动齿轮箱8，传动齿轮箱8中包括一个大半径的从动齿轮和一个小半径的主动齿轮，传动齿轮箱8的主动轴连接电机6，传动齿轮箱8的从动齿轮的中心孔的直径与待测空心车轴4的外径适配，电机6、传动齿轮箱8安装在第四支支撑座14上，测试平台15为T型槽工作台，第一支撑装置1、第二支撑装置2安装在第三支撑装置12上，导轨17与第五支撑装置16通过螺栓连接，第五支撑装置16、激振器13安装在第六支撑装置18上，第三支撑装置12、第四支撑装置14、导轨17安装在测试平台15上。具体的，第三支撑装置12、第四支撑装置14、导轨17通过螺栓与T型槽测试平台15连接，第三支撑装置12、第四支撑装置14、导轨17可通过T型槽调整位置；第三支撑装置12、第四支撑装置14、导轨17与测试平台15之间铺设橡胶隔振材料。

待测空心车轴4外表面、第二支撑装置2的上表面均设有声发射传感器7，声发射传感器7连接数据分析终端，其中部分声发射传感器7安装在可沿待测空心车轴4轴线方向滑动的滑环20上；热成像仪5位于待测空心车轴4的上方，热成像仪5连接数据分析终端，具体的，横梁9位于测试平台15上方，横梁9位于待测空心车轴4正上方且两轴线互相平行，热成像仪5通过悬吊装置连接横梁9，悬吊装置与横梁9滑动连接，悬吊装置包括万向节，横梁9的两端分别连接立柱11，立柱11的下端连接基座19，基座19与测试平台15不连接。

如图7、图8、图9所示，垂向激振器13为液压式激振器，液压式激振器包括液压控制系统，垂向激振器对轮对施加正弦波载荷和/或方波载荷。数据分析终端包括数据处理模块和数据分析模块，数据处理模块用于接收声发射传感器、热成像仪和应力应变片的数据，并对数据进行以下处理：信号预处理、剔除奇异值、消除趋势项、数据平滑处理、滤波降噪处理；数据分析模块根据数据处理模块的结果，进行疲劳强度分析、载荷识别分析、损伤识别分析、应力分析。

本发明的工作原理如下：

静态测试中，声发射仪通过对轴发射一定频段的声波后，通过接收返回的包含有车轴损伤信息的反射波对车轴状况加以评估，再将数据传输到数据处理中心进行处理；应力应变传感器对车轴和各接触面应力应变进行测定，并通过金属探棒上的数据收集器对外传出，将得到的实验数据进行处理后输出至计算机进行分析。动态测试中，通过对实际高速列车不同工况下运动状况的模拟，将信号波形通过控制系统，由控制算法实现信号波形向电流、电压信号转换，最后以电流电压信号对伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，驱动轮对转动。通过对车辆轮对所受垂向力的计算，将控制信号向电流、电压信号转换，最后与电机类似，控制垂向激振器的液压缸驱动施力轮施加垂向力。布置在空心轴内壁的传感器起到收集实验数据的作用，并通过布置在空心轴中的金属棒将数据输出，热成像仪布置在支架上，通过对车轴和轮对在运行中对外发射的辐射能量进行测定反映在热成像图上，将得到的数据传输至接收装置和计算机。最后，通过计算机对静态和动态试验中收集的各工况下应力应变、声发射图、热成像图结果进行剔除奇异值，消除趋势项，滤波等处理后，对数据进行分析，实现对高速列车振动响应车轴的损伤识别。

调节电机转速可实现对高速列车各个工况如牵引启动工况、制动工况等工况的模拟，运用传感器和应力应变片对各工况下数据进行收集处理。调节垂向激振器支撑座的位置，将比例轮对安装在支撑座上，可移动的垂向激振器支撑座位置实现了支撑位置、垂向激励位置的多样化。

轮对采用比例轮对，按照高速列车1:3缩小模型，试验台架结构规模小，可以极大地降低动强度实验及损伤识别实验研究的成本。

如图10所示，本发明还增加了保护罩，保护罩主要由钢架和钢化玻璃组成，包括四个可滑动上罩22、固定下框架23、四块下框架玻璃24以及四个下框架扣件25。保护罩安装测试平台15上，加载系统、动力系统、支撑装置和轮对均位于保护罩内，防止旋转零件飞出发生意外。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.基于振动响应高速列车车轴损伤识别试验台，其特征在于：包括加载系统、检测系统、支撑装置、测试平台和轮对，所述加载系统包括垂向激振器，所述垂向激振器有两个，支撑装置有六种类型，包括第一支撑装置、第二支撑装置、第三支撑装置、第四支撑装置、第五支撑装置、第六支撑装置，第一支撑装置、第二支撑装置安装在第三支撑装置上，导轨与第五支撑装置通过螺栓连接，第五支撑装置、激振器安装在第六支撑装置上，第三支撑装置、第四支撑装置、导轨安装在测试平台上，所述检测系统包括应力应变传感器、信号采集器和数据分析终端，所述信号采集器位于中心杆上，所述应力应变传感器与信号采集器无线连接，所述信号采集器与数据分析终端连接，所述应力应变传感器用于贴装在待测空心车轴的内壁，轮对包括两个与待测空心车轴适配的车轮，两个车轮分别位于两个垂向激振器的正上方，中心杆穿过轮对，中心杆的两端分别连接两个第一支撑装置，两个车轮分别与两个第一支撑装置转动连接；

还包括动力控制系统，所述动力控制系统包括电机、传动齿轮箱和从动齿轮，所述传动齿轮箱连接电机，所述从动齿轮与传动齿轮箱配合，从动齿轮的中心孔的直径与待测空心车轴的外径适配，所述电机、传动齿轮箱安装在支撑座上，所述支撑座安装在测试平台上；

所述轮对与待测空心车轴接触面、从动齿轮与待测空心车轴接触面、支撑装置的上表面均设有声发射传感器，所述声发射传感器连接数据分析终端，其中部分声发射传感器安装在可沿待测空心车轴轴线方向滑动的滑环上；

还包括热成像仪，所述热成像仪位于待测空心车轴的上方，热成像仪连接数据分析终端；还包括横梁，所述横梁位于测试平台上方，横梁与待测空心车轴同轴布置，所述热成像仪通过悬吊装置连接横梁，所述悬吊装置与横梁滑动连接，悬吊装置包括万向节，横梁的两端分别连接立柱，所述立柱的下端连接基座，所述基座与测试平台不连接；

所述数据分析终端包括数据处理模块和数据分析模块，所述数据处理模块用于接收声发射传感器、热成像仪和应力应变片的数据，并对数据进行以下处理：信号预处理、剔除奇异值、消除趋势项、数据平滑处理、滤波降噪处理；所述数据分析模块根据数据处理模块的结果，进行疲劳强度分析、载荷识别分析、损伤识别分析、应力分析；

所述测试平台为T型槽工作台，所述垂向激振器、支撑装置和支撑座安装在支撑基座上，所述支撑基座安装在T型槽工作台；

所述支撑基座与测试平台之间铺设橡胶隔振材料。

2.根据权利要求1所述的基于振动响应高速列车车轴损伤识别试验台，其特征在于：所述垂向激振器包括施力轮，所述施力轮与车轮正对。

3.根据权利要求2所述的基于振动响应高速列车车轴损伤识别试验台，其特征在于：所述垂向激振器为液压式激振器，所述液压式激振器包括液压控制系统，所述垂向激振器对轮对施加正弦波载荷和/或方波载荷。

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