CN210464857U - 一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台，其特征在于，包括：用于模拟车辆转向架的上层机械结构：包括第一上质量块、第二上质量块、右质量块和一对第二螺旋弹簧；用于模拟车辆转向架的下层机械结构：包括第一下质量块、第二下质量块和一对第一螺旋弹簧；固定连接装置：用于连接固定模拟车辆走行部的上层机械结构和下层机械结构；电气装置，包括上功率放大器、下功率放大器、NI数据采集卡、信号调理器、前电磁激振器、后电磁激振器、4个加速度传感器。与现有技术相比，本实用新型结构简单紧凑，充分模拟了轨道车辆从轮对到二系悬挂的结构，将车辆悬挂系统简化为了四自由度的弹簧质量块受迫振动模型，可有效研究垂向方向的振动。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种振动动力学试验台，尤其是涉及一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台。
背景技术
对于城轨车辆的安全运营来说，车辆悬挂系统的实时状态监测及故障诊断极为重要。现今，通过对悬挂系统关键部件前期的故障检测，能够减少车辆零部件性能突然恶化而造成的车辆运行不稳定甚至是重大事故的发生，大大提高了车辆运行的可靠性。对悬挂系统关键部件实时的状态监测也为车辆的维护提供了便利，使得车辆工作人员不必定期对车辆零部件进行维修与保养，而是根据零部件的实时运行状态判断是否有必要检修。通过实时状态监测与故障诊断，能够显著提高地铁系统运营的可靠性，在增加车辆运输能力的同时，也极大地减少了定期维护所产生的不必要的资源浪费。因而，在现阶段对城轨车辆运输量及运行安全性的要求逐渐提高的情况下，对悬挂系零部件的实时的状态监测及故障诊断具有很高的实际意义。而车辆悬挂系统是一个高维复杂的动力学系统，系统具有较多的自由度，建立其完整、精确的试验模型显然是难以实现的。此外，考虑到设备安装成本及对车辆运营的影响。因而，建立一个与车辆垂向悬挂系统动力学行为类似的小型系统进行参数估计算法的试验验证是十分有必要且有意义的。
目前，大多数已有小型轨道交通试验台存在结构单一、安装不便，不能模拟多种工况，无法有效地完成轨道不平顺的信号模拟，无法保证测试数据的准确性等多种问题。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台，包括：
用于模拟车辆转向架的上层机械结构：包括第一上质量块、第二上质量块、右质量块和一对第二螺旋弹簧。
用于模拟车辆转向架的下层机械结构：包括第一下质量块、第二下质量块和一对第一螺旋弹簧。
固定连接装置：用于连接固定模拟车辆走行部的上层机械结构和下层机械结构；
电气装置，包括上功率放大器、下功率放大器、NI数据采集卡、信号调理器、前电磁激振器、后电磁激振器、4个加速度传感器。
所述固定连接装置包括一对第三螺旋弹簧、前转臂、中转臂、后转臂、激振器固定支架以及用于固定转臂的数个轴承座；
所述前转臂由左右两边的第一轴承座和第二轴承座固定，而后转臂由左右两边的第三轴承座和第四轴承座固定，所述中转臂采用球铰链连接方式与右质量块连接，两个第三螺旋弹簧分别用于前电磁激振器与第一下质量块、后电磁激振器与第二下质量块的连接。
所述前转臂与第一下质量块以及后转臂与第二下质量块的连接中均为开口型的设计：通过增减垫片或改变螺母的深度来调整转臂的水平及垂向位置。
所述第一上质量块、第二上质量块，第一下质量块、第二下质量块均采用了一端为固定端，另一端为自由端的悬臂梁的方式。
所述前转臂与第一轴承座和第二轴承座，以及后转臂与第三轴承座和第四轴承座均采用圆孔连接方式。
所述右质量块与中转臂采用球铰链连接方式。
所述前转臂和后转臂的存在垂向运动，所述中转臂存在垂向和翻滚运动。
所述第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧根据实验要求更换不同刚度的弹簧以模拟不同类型转向架。
所述激振器固定支架与对应电磁激振器在垂向和横向保持设定间隔。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1)该试验台结构简单紧凑，充分模拟了轨道车辆从轮对到二系悬挂的结构，将车辆悬挂系统简化为了四自由度的弹簧质量块受迫振动模型，可有效研究垂向方向的振动。
2)用于模拟轨道车辆悬挂结构的螺旋弹簧可根据实验要求更换，以模拟不同类型的转向架，便于获得多样的实验数据。
3)该试验台可以精确模拟车辆转向架垂向运动状态，收集在不同工况下的垂向振动加速度数据。
4)试验台上下层转臂与轴承座的联接中加入了开口型的设计，其目的是通过增减垫片或改变螺丝的深度调整转臂的水平及垂向位置，使得安装更为灵活，且保证了实验数据的准确性。
5)用于测量垂向振动的加速度传感器安装方便，且与采集设备直接连接，简化了数据采集系统。
6)该试验台采用的NI采集卡，与其所配套的Labview软件相连，对数据的采集、处理、分析、存储都较为方便。
7)该实验台试验不仅经济快捷，且结构清晰明了，实验过程操作简便，工作效率高，运行成本低，是可以模拟车辆走行部多种工况的多功能实验台。
附图说明
图1为本实用新型的主视结构示意图；
图2为本实用新型的侧视结构示意图；
图3为本实用新型的俯视结构示意图；
图4为本实用新型的工作流程示意图；
图中：1、第一螺旋弹簧，2、第二螺旋弹簧，3、第三螺旋弹簧，4、第一上质量块，5、第一下质量块，6、第二上质量块,7、第二下质量块，8、右质量块，9、上功率放大器，10、下功率放大器，11、NI数据采集卡，12、信号调理器，13、前激振器，14、后激振器，15、前转臂，16、中转臂，17、后转臂，18、第一轴承座，19、第二轴承座，20、第三轴承座，21、第四轴承座，22、激振器固定支架， 23、加速度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台，包括：
用于模拟车辆转向架的上层机械结构：包括第一上质量块4、第二上质量块6、右质量块8和一对第二螺旋弹簧2。
用于模拟车辆转向架的下层机械结构：包括第一下质量块5、第二下质量块7 和一对第一螺旋弹簧1。
固定连接装置：用于连接固定模拟车辆走行部的上层机械结构和下层机械结构；
电气装置，包括上功率放大器9、下功率放大器10、NI数据采集卡11、信号调理器12、前电磁激振器13、后电磁激振器14、4个加速度传感器23；
其中加速度传感器23根据试验要求选择了朗斯LC-0110内装IC压点加速度传感器。该传感器与传统压电传感器的不同之处在于其将电荷放大器集成在传感上，从而实现了与采集设备的直接连接，简化了数据采集系统。该型传感器的优点在于输出阻抗低、刚干扰、可靠性高、抗潮湿粉尘等。LC0110具有同时测量三个方向加速度的功能，灵敏度为X向100.1m V/g；Y向99.5m V/g；Z向，99.4mV/g。
信号调理器12具有16通道。其作用除了给IC压电加速度传感器提供激励电源外，还具有偏置电压调零，高、低通滤波、灵敏度调节等功能，且抗干扰强、精度高、性价比高。工作原理为：信号调理器提供4m A、24V的恒流激励电源给压电式传感器并采集振动信号，经过信号调理器进行偏置电压处理，得到模拟振动信号。
电磁激振器根据试验要求结合安装、性价比等选择了JZQ-5B型激振器，该激振器能够模拟任意形式的信号，且信号的频率可调节的范围较大，配合GF系列宽频带功率放大器，可完成一般的工程试验。
功率放大器选用GF20-2型直流功率放大器。它的工作范围为DC-20KHz，额定输出功率为20VA。该型功放能够实现电流或电压的负反馈，其恒流及恒压特性较好，因此能够对激振器施加一个大小恒定可调的激振力。
NI数据采集卡11作用主要有两方面：一方面作为信号发生器实现模拟信号的发生，另一方面将传感器采集的数据发送给上位机。因为我们要实现两台激振器同时激振，且也要实现多路传感器数据的采集，因此数据采集卡必须具备多通道模拟输入及输出功能。根据以上要求，选择美国NI公司的USB-6363多功能数据采集卡。
螺旋弹簧设有多个，且成对出现，用于模拟轨道车辆的两系悬挂机构，以及连接电磁激振器。
该试验台工作时，接收上位机选择的相应的轨道谱作为机械振动试验台的激励信号，通过NI数据采集卡11作为信号发生器实现模拟信号的发生，再通过信号调理器12进行偏置电压处理，得到模拟振动信号，通过上功率放大器9和下功率放大器10实现电流电压负反馈，从而给前电磁激振器13和后电磁激振器14施加一个大小恒定可调的激振力，两个激振器实现对轨道不平顺的模拟，对机械振动试验台的施加外部激励，再通过安装于试验台上的4个加速度传感器23采集试验台的垂向振动加速度信号，NI数据采集卡11将加速度传感器23采集的数据发送给上位机，从而完成实验数据的采集。
固定连接装置包括一对第三螺旋弹簧3、前转臂15、中转臂16、后转臂17、激振器固定支架22以及用于固定转臂的数个轴承座；
前转臂15由左右两边的第一轴承座18和第二轴承座19固定，而后转臂17 由左右两边的第三轴承座20和第四轴承座21固定，中转臂16采用球铰链连接方式与右质量块8连接，两个第三螺旋弹簧3分别用于前电磁激振器13与第一下质量块5、后电磁激振器14与第二下质量块7的连接。
前转臂15与第一下质量块5以及后转臂17与第二下质量块7的连接中均为开口型的设计：通过增减垫片或改变螺母的深度来调整转臂的水平及垂向位置。使得安装更为灵活，在应对不同长度的弹簧和不同重量的质量块时，该结构都能保证静止状态下质量块保持水平，确保测试数据的准确性。
第一上质量块4、第二上质量块6，第一下质量块5、第二下质量块7均采用了一端为固定端，另一端为自由端的悬臂梁的方式，其目的是为了遵循轮轨到两系悬挂装置的“约束纵横向运动，放开垂向运动”动力学特点而设计。
在两个上质量块5、7与右质量块8连接中，分别在质量块之间采用了垫片加螺母的固定方式，增加了试验台的稳定性。
前转臂15与第一轴承座18和第二轴承座19，以及后转臂17与第三轴承座20 和第四轴承座21均采用圆孔连接方式，其目的是为了实现转臂的垂向运动。
右质量块8与中转臂16采用球铰链连接方式，球铰链的作用就是实现上层质量块的垂向以及翻滚运动。
试验台其用于模拟车辆走行部机的上下两层机械结构共有4个自由度，分别包括左转臂15和右转臂17的垂向运动以及中转臂16的垂向和翻滚运动。
第一螺旋弹簧1和第二螺旋弹簧2用来模拟车辆悬挂装置，且可以根据实验要求更换不同刚度的弹簧，以模拟不同类型转向架。
激振器固定支架22与对应电磁激振器在垂向和横向保持设定间隔，使得电磁激振器工作时不受干扰。
如图1～图4所示，其振动试验台机械结构组件包括一对用于模拟轨道车辆转向架一系统悬挂的螺旋弹簧1，一对用于模拟轨道车辆转向架二系悬挂的螺旋弹簧 2，一对用于连接前激振器13和后激振器14的螺旋弹簧3。还包括用于构成转向架上层机械结构的上质量块4、上质量块6和右质量块8，构成转向架下层机械结构的下质量块5、下质量块7，以及通过轴承座及螺母固定在试验台上前转臂15、后转臂17，通过球铰链及螺母固定在试验台上的中转臂16。与该试验台相关的硬件配件包括上功率放大器9、下功率放大器10，以及NI数据采集卡11和信号调理器12，还包括在上层结构中，分别放置在两个上质量块4、6上的加速度传感器 23，在下层结构中，分别在两个放置在下质量块5、7上的加速度传感器23，用于采集垂向振动加速度。
该试验台工作时，由上位机选择相应的轨道谱作为机械振动试验台的激励信号，通过NI-USB6363数据采集卡11作为信号发生器实现模拟信号的发生，再通过 LC02001-16信号调理器12进行偏置电压处理，得到模拟振动信号。通过GF20-2 型直流功率放大器9、10实现电流电压负反馈，从而给前激振器13、后激振器14 施加一个大小恒定可调的激振力。两个激振器实现对轨道不平顺的模拟，对机械振动试验台的施加外部激励，再通过安装于试验台上的4个朗斯LC-0110加速度传感器23采集试验台的垂向振动加速度信号，NI数据采集卡12将加速度传感器23 采集的数据发送给上位机，从而完成实验数据的采集。
Claims (5)
1.一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台，其特征在于，包括：
用于模拟车辆转向架的上层机械结构：包括第一上质量块(4)、第二上质量块(6)、右质量块(8)和一对第二螺旋弹簧(2)，
用于模拟车辆转向架的下层机械结构：包括第一下质量块(5)、第二下质量块(7)和一对第一螺旋弹簧(1)，
固定连接装置：用于连接固定模拟车辆走行部的上层机械结构和下层机械结构；
电气装置，包括上功率放大器(9)、下功率放大器(10)、NI数据采集卡(11)、信号调理器(12)、前电磁激振器(13)、后电磁激振器(14)、4个加速度传感器(23)；
所述固定连接装置包括一对第三螺旋弹簧(3)、前转臂(15)、中转臂(16)、后转臂(17)、激振器固定支架(22)以及用于固定转臂的数个轴承座，
所述前转臂(15)由左右两边的第一轴承座(18)和第二轴承座(19)固定，而后转臂(17)由左右两边的第三轴承座(20)和第四轴承座(21)固定，所述中转臂(16)采用球铰链连接方式与右质量块(8)连接，两个第三螺旋弹簧(3)分别用于前电磁激振器(13)与第一下质量块(5)、后电磁激振器(14)与第二下质量块(7)的连接；
所述前转臂(15)与第一下质量块(5)以及后转臂(17)与第二下质量块(7)的连接中均为开口型的设计：通过增减垫片或改变螺母的深度来调整转臂的水平及垂向位置；
所述第一上质量块(4)、第二上质量块(6)，第一下质量块(5)、第二下质量块(7)均采用了一端为固定端，另一端为自由端的悬臂梁的方式；
所述右质量块(8)与中转臂(16)采用球铰链连接方式。
2.根据权利要求1所述的一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台，其特征在于，所述前转臂(15)与第一轴承座(18)和第二轴承座(19)，以及后转臂(17)与第三轴承座(20)和第四轴承座(21)均采用圆孔连接方式。
3.根据权利要求1所述的一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台，其特征在于，所述前转臂(15)和后转臂(17)的存在垂向运动，所述中转臂(16) 存在垂向和翻滚运动。
4.根据权利要求1所述的一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台，其特征在于，所述第一螺旋弹簧(1)和第二螺旋弹簧(2)根据实验要求更换不同刚度的弹簧以模拟不同类型转向架。
5.根据权利要求1所述的一种模拟轨道车辆走行部振动动力学系统的试验台，其特征在于，所述激振器固定支架(22)与对应电磁激振器在垂向和横向保持设定间隔。
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