CN114136572B - 一种试验振动工装、车辆设备疲劳试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于车辆设备疲劳试验技术领域，提供了一种试验振动工装、车辆设备疲劳试验装置及方法。其中，试验振动工装包括基座、撒沙臂、振动台、支架和安装座；所述振动台设置在撒沙臂的内凹处，所述撒沙臂的一端固定在基座上，另一端通过安装座与支架固定，所述支架垂直固定在振动台上，所述支架用于将振动台在水平面的振动激励转换为铅垂面的振动。本发明能够降低线路试验成本，且可重复利用，缩短振动试验的时间。
Description
技术领域
本发明属于车辆设备疲劳试验技术领域，尤其涉及一种试验振动工装、车辆设备疲劳试验装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在车辆的运行过程中，车辆上的各部件需经受多轴的激励从而产生振动响应，这样对于损坏的部件来说，损坏部件结构无法承受长时间共振(该共振是由损坏部件本身产生的或搭载物品承受的运送共振)而造成松脱或崩裂，致使机件失零甚至造成巨大损失。因此，确认产品的可靠度以及提前将不良品在出厂前筛检出并评估其不良品的失效分析以期成为一个高水平、高信赖度的产品，这是振动测试的重要意义。
传统振动线路试验完全贴近车辆结构的使用状态，但是发明人发现，该传统振动试验方法存在试验周期过长，需要长期重复性采集获得大量冗余数据并进行处理，且涉及车辆调配与运营的问题，使得线路试验成本较高且不可重复，从而在经济性和效率方面限制了传统振动试验方法在工程实际中的实现。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种试验振动工装、车辆设备疲劳试验装置及方法，其能够降低线路试验成本，且可重复利用，缩短振动试验的时间。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种试验振动工装，其包括基座、撒沙臂、振动台、支架和安装座；所述振动台设置在撒沙臂的内凹处，所述撒沙臂的一端固定在基座上，另一端通过安装座与支架固定，所述支架垂直固定在振动台上，所述支架用于将振动台在水平面的振动激励转换为铅垂面的振动。
作为一种实施方式，所述安装座与实际车辆的转向架结构上的撒沙臂安装座的尺寸比例为1：1。
上述技术方案的优点在于，复现了真实转向架结构上的撒沙臂安装座，从而反映真实的连接方式以保证疲劳试验的真实性。
作为一种实施方式，所述支架为三角形支架。
上述技术方案的优点在于，三角形支架的结构固定，而且为了能够保证振动特性在传递过程中不失真，三角形支架需保证设定的刚度。
作为一种实施方式，所述撒沙臂与安装座之间通过第一螺栓固定连接。
作为一种实施方式，所述安装座与支架之间通过第二螺栓固定连接。
上述技术方案的优点在于，所述撒沙臂与安装座之间以及所述安装座与支架之间采用螺栓形式连接，这样保证了刚度，从而保证了振动特性在传递过程中不失真。
本发明的第二个方面提供了一种车辆设备疲劳试验装置，其包括如上述所述的试验振动工装；所述试验振动工装上搭载有疲劳试验车辆部件。
作为一种实施方式，所述车辆设备疲劳试验装置还包括数据处理器，所述数据处理器包括：
加速激励谱获取模块，其用于获取加速激励谱并施加到试验振动工装各方向；
加速激励谱过滤模块，其用于利用试验振动工装的固有频率对各个方向的加速激励谱进行过滤；
疲劳寿命获取模块，其用于基于过滤后的各个方向的加速激励谱，获取疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应并形成疲劳损伤谱，从而得到疲劳试验车辆部件的疲劳寿命。
上述技术方案的优点在于，利用加速激励谱的频域特性及试验测试应变响应，建立激励与应变的传递关系，有效地解决了振动线路试验的耗时问题，提高了车辆设备疲劳试验的效率。
作为一种实施方式，在所述疲劳寿命获取模块中，利用雨流计数方法对疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应进行计数，累积各个损伤值形成疲劳损伤谱。
作为一种实施方式，所述加速激励谱为合成的加速试验谱。
本发明的第三个方面提供了一种基于如上述所述的车辆设备疲劳试验装置的试验方法，其包括：
获取加速激励谱并施加到试验振动工装各方向；
利用试验振动工装的固有频率对各个方向的加速激励谱进行过滤；
基于过滤后的各个方向的加速激励谱，获取疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应并形成疲劳损伤谱，从而得到疲劳试验车辆部件的疲劳寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设计了一种试验振动工装，其将动台设置在撒沙臂的内凹处，撒沙臂通过安装座与支架固定，支架垂直固定在振动台上，利用支将振动台在水平面的振动激励转换为铅垂面的振动，使得该工装与更贴近实际产品且可重复利用，降低了线路试验成本，缩短了振动试验的时间，而且能够保证试验结果的准确性。
本发明利用加速激励谱的频域特性及试验测试应变响应，基于过滤后的各个方向的加速激励谱，获取疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应并形成疲劳损伤谱，从而得到疲劳试验车辆部件的疲劳寿命，建立了激励与应变的传递关系，有效地解决了振动线路试验的耗时问题，提高了车辆设备疲劳试验的效率。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的试验振动工装结构示意图；
图2是本发明实施例的撒沙臂与安装座连接示意图；
图3是本发明实施例的三段式标准加速激励谱；
图4是本发明实施例对振动台验证结果进行雨流计数的结果图；
图5是本发明实施例的频域加速处理流程图；
图6(a)是本发明实施例的原始实测测试应变信号；
图6(b)是本发明实施例的实测信号预处理后的信号；
图7(a)是准静态叠加法焊接单元的加速前后损伤比较图；
图7(b)是单轴法焊接单元的加速前后损伤比较图。
其中，1-支架，2-安装座，3-撒沙臂，4-振动台。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
参照图1和图2，本实施例提供了一种试验振动工装，其包括基座、撒沙臂3、振动台4、支架1和安装座2；所述振动台4设置在撒沙臂3的内凹处，所述撒沙臂3的一端固定在基座上，另一端通过安装座2与支架1固定，所述支架1垂直固定在振动台4上，所述支架1用于将振动台4在水平面的振动激励转换为铅垂面的振动。
在具体实施中，所述安装座2与实际车辆的转向架结构上的撒沙臂安装座的尺寸比例为1：1。这样复现了真实转向架结构上的撒沙臂安装座，从而反映真实的连接方式以保证疲劳试验的真实性。
此处需要说明的是，撒沙臂和振动台的结构均为现有结构，此处不再累述。
在具体实施中，所述支架1为三角形支架。由于三角形支架的结构固定，而且为了能够保证振动特性在传递过程中不失真，三角形支架需保证设定的刚度。其中，其刚度可根据实际情况来具体设置。
在本实施例中，所述撒沙臂3与安装座2之间通过第一螺栓固定连接。所述安装座2与支架1之间通过第二螺栓固定连接。通过将撒沙臂与安装座之间以及安装座与支架之间采用螺栓形式连接，这样保证了刚度，从而保证了振动特性在传递过程中不失真。
本实施例的该试验振动工装可重复再利用，且能够降低线路试验成本，缩短振动试验的时间。
实施例二
本实施例提供了一种车辆设备疲劳试验装置，其包括如上述实施例一所述的试验振动工装；所述试验振动工装上搭载有疲劳试验车辆部件。
在一些实施例中，所述车辆设备疲劳试验装置还包括数据处理器，所述数据处理器包括：
(1)加速激励谱获取模块，其用于获取加速激励谱并施加到试验振动工装各方向。
其中，所述加速激励谱为合成的加速试验谱。所述合成的加速试验谱为垂向、横向和纵向这三向加速激励谱。所述加速激励谱包括三向依次加速激励谱和三向同步加速激励谱。
(2)加速激励谱过滤模块，其用于利用试验振动工装的固有频率对各个方向的加速激励谱进行过滤。
(3)疲劳寿命获取模块，其用于基于过滤后的各个方向的加速激励谱，获取疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应并形成疲劳损伤谱，从而得到疲劳试验车辆部件的疲劳寿命。
具体地，在所述疲劳寿命获取模块中，利用雨流计数方法对疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应进行计数，累积各个损伤值形成疲劳损伤谱。
为了验证本实施例的该装置对于疲劳试验结果的准确性，采用时域加速路谱及频域加速路谱对比进行验证。
建立时域缩减激励谱并验证的具体过程为：
a.线路实测，进行线路运行加速度激励和应变响应的测试：
测得撒沙臂安装座2处的三向激励加速度时程A(t)以及强度薄弱位置测试应变时程S(t)；
b.对加速度激励和应变响应进行缩减：
1)对如图6(a)所示的实测信号进行预处理，包括数据的滤波去噪、异常峰值的检查与剔除、零线漂移及趋势项的消除等，结果如图6(b)所示；
2)基于时间关联损伤编辑法的信号缩减，结果如图7(a)和图7(b)所示。
由原始载荷-时间历程，计算得到损伤-时间历程。如果载荷不是应力或者应变，而是加速度或者位移载荷，需通过计算得到应力或应变时间历程(仿真或测试得出加速度激励与应变应力的关系)，再计算得到损伤-时间历程；
对得到的损伤-时间历程进行分析并编辑损伤，通过设置不同的窗口长度和损伤保留度，观察载荷谱缩减效果，并记录下无损伤或者小损伤载荷历程对应的时间区段；
删除无损伤或者损伤可忽略的载荷-时间历程，再插入数个递减的连接信号，将剩余的载荷历程连接起来，形成加速编辑的载荷-时间历程。
c.缩减路谱信号的振动台试验验证：
1)根据试验部件设计工装并和振动台相连接；试验需将试验部件按照实际安装方式连接到工装上，再将工装连接到振动台。
2)对振动台各方向分别施加缩减路谱信号，同时测试应变响应，建立激励与应变的传递关系；随后对线路应变测试信号进行雨流计数，计算其疲劳损伤，以某测点为例，雨流计数结果如图4所示；与线路测试应变的损伤进行对比，验证加速度缩减路谱的准确性。
建立频域加速激励谱并验证的过程为：
a.进行线路运行加速度激励和应变响应的测试；
b.对加速度激励和应变响应进行频域加速处理；处理过程依据图5所示流程图进行。加速谱激励采用处理合成的加速试验谱，测得危险点的应变时间历程。采用雨流计数得到疲劳损伤，将三向疲劳损伤相加得到累积疲劳损伤：
1)对实测信号进行预处理，包括数据的滤波去噪、异常峰值的检查与剔除、零线漂移及趋势项的消除等；
2)建立冲击响应谱SRS；
将线路信号分冲击信号(如通过道岔，以次数表示)以及随机信号(以时间表示)。对冲击信号计算其冲击响应谱，具体步骤为：
输入的加速度信号经过SDOF系统固有频率过滤；找到最大响应位移并绘制在SRS冲击谱上；随着固有频率的增加，重复频率过滤；最后连接各个最大响应位移点形成冲击响应谱SRS。
3)建立极值响应谱ERS：
计算冲击信号的极值响应谱，并通过公式计算系统所产生的最大幅值响应ERSaccel(fn)：
其中，Gz&&(fn)表示加速度输入PSD(加速度功率谱密度)在频率fn和动态放大因子Q作用下的值，T为激励持续时间。
4)建立疲劳损伤谱FDS
建立冲击响应谱SRS对应的疲劳损伤谱；其过程为：
输入的加速度信号经过系统固有频率过滤；通过雨流计数方法来对响应进行计数，计算损伤并绘制到疲劳损伤谱上；随着频率的增加，重复频响分析；最后连接各个损伤值形成疲劳损伤谱FDS。
建立极值响应谱ERS对应的疲劳损伤谱；建立极值响应谱的疲劳损伤谱FDS(fn)的公式为：
其中，K表示单自由度系统的弹性刚度，Γ()表示伽码函数，b和C为疲劳参数。
5)合成随机振动谱Gsynth(fn)：
其中，∑FDS(fn)为各工况总损伤，k为合成的安全因子，Teq代表等效试验时间。根据此公式可以得到等效时间为Teq的合成加速度PSD。
c.频域加速路谱信号的振动台试验验证：
对振动台各方向分别施加加速激励谱，同时测试应变响应，建立激励与应变的传递关系。
1)建立线路应变测试信号的PSD，运用多轴频域损伤方法计算其疲劳损伤。
2)建立振动台各方向激励下的应变信号的PSD，运用频域损伤方法计算其疲劳损伤和，与线路测试应变的损伤进行对比，验证加速激励谱的准确性。
以频域加速谱PSD的应力均方根值RMS等效为原则，当标准谱左右斜率和截止频率一定以后，控制水平线的纵坐标，获得三向依次加速的标准试验谱PSD_C和三向同步加速的标准试验谱PSD_T；本例中生成的三段式载荷加速谱如图3所示。
按照EN61373-2010标准中设计的长寿命试验，需要在振动台上依次进行垂向、横向、纵向的5小时随机振动试验，通过损伤等效原则，选择合适的试验载荷谱并计算ASD量级，确定试验起止频率，然后分别测得危险点的应变时间历程从而验证标准谱PSD_C和PSD_T的正确性。
模拟线路运行试验和时域缩减的模拟道路运行试验输入振动台的振动激励为时域下。模拟线路运行试验激励通过在实际结构上布置测点，测得时间—加速度谱。本实例中得到三个方向的各20s加速度谱，每个方向进行15次循环，累积得到15min左右的时间—加速度时域激励，进行高通滤波、低通滤波等处理后将时域激励输入振动台。时域缩减的模拟道路运行试验激励谱需要在模拟线路运行试验完成之后根据结果确定具体如何将原始谱进行缩减。随后在试验工装上设置应变片、应变花测点，测得在该激励下时间—应变响应，然后进行雨流计数法、疲劳损伤累积，最终得到在该激励下的疲劳寿命，将时域缩减下的疲劳寿命和原始谱下的疲劳寿命进行对比，结果对应且都满足疲劳寿命的设计要求，证明了时域缩减的模拟道路运行激励谱的真实性。
加速谱模拟长寿命运行试验和标准谱模拟长寿命运行试验输入振动台的振动激励为频域下，通过将原始谱进行傅里叶变换得到振动5小时的激励谱，输入振动台进行5小时振动，得到应变测点处的时间—应变历程，进行雨流计数、疲劳损伤累积，最终得到两次频谱激励下的疲劳寿命和原始谱下的疲劳寿命进行对比，结果对应且都满足疲劳寿命的设计要求，证明了频域缩减下的激励谱和基于损伤等效的标准频谱的真实性。
本实施例利用加速激励谱的频域特性及试验测试应变响应，建立激励与应变的传递关系，有效地解决了振动线路试验的耗时问题，提高了车辆设备疲劳试验的效率。
实施例三
基于上述实施例二所述的车辆设备疲劳试验装置，其试验过程具体包括如下步骤：
获取加速激励谱并施加到试验振动工装各方向；
利用试验振动工装的固有频率对各个方向的加速激励谱进行过滤；
基于过滤后的各个方向的加速激励谱，获取疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应并形成疲劳损伤谱，从而得到疲劳试验车辆部件的疲劳寿命。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种车辆设备疲劳试验装置，其特征在于，包括试验振动工装；所述试验振动工装上搭载有疲劳试验车辆部件；
所述试验振动工装包括基座、撒砂臂、振动台、支架和安装座；所述振动台设置在撒砂臂的内凹处，所述撒砂臂的一端固定在基座上，另一端通过安装座与支架固定，所述支架垂直固定在振动台上，所述支架用于将振动台在水平面的振动激励转换为铅垂面的振动；
所述车辆设备疲劳试验装置还包括数据处理器，所述数据处理器包括：
加速激励谱获取模块，其用于获取加速激励谱并施加到试验振动工装各方向；
加速激励谱过滤模块，其用于利用试验振动工装的固有频率对各个方向的加速激励谱进行过滤；
疲劳寿命获取模块，其用于基于过滤后的各个方向的加速激励谱，获取疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应并形成疲劳损伤谱，从而得到疲劳试验车辆部件的疲劳寿命。
2.如权利要求1所述的一种车辆设备疲劳试验装置，其特征在于，所述安装座与实际车辆的转向架结构上的撒砂臂安装座的尺寸比例为1：1。
3.如权利要求1所述的一种车辆设备疲劳试验装置，其特征在于，所述支架为三角形支架。
4.如权利要求1所述的一种车辆设备疲劳试验装置，其特征在于，所述撒砂臂与安装座之间通过第一螺栓固定连接。
5.如权利要求1所述的一种车辆设备疲劳试验装置，其特征在于，所述安装座与支架之间通过第二螺栓固定连接。
6.如权利要求1所述的一种车辆设备疲劳试验装置，其特征在于，在所述疲劳寿命获取模块中，利用雨流计数方法对疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应进行计数，累积各个损伤值形成疲劳损伤谱。
7.如权利要求1所述的一种车辆设备疲劳试验装置，其特征在于，所述加速激励谱为合成的加速试验谱。
8.一种基于如权利要求1-7中任一项所述的车辆设备疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，包括：
获取加速激励谱并施加到试验振动工装各方向；
利用试验振动工装的固有频率对各个方向的加速激励谱进行过滤；
基于过滤后的各个方向的加速激励谱，获取疲劳试验车辆部件的应变测点处的响应并形成疲劳损伤谱，从而得到疲劳试验车辆部件的疲劳寿命。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |