CN219064859U - 一种频响法测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种频响法测试装置，该频响法测试装置包括阻滞质量块、弹簧隔振器、测试工装和定位工装；弹簧隔振器安装于阻滞质量块的底部，定位工装设置为能够通过定位销定位于阻滞质量块上；测试工装包括能够契合置于定位工装中的激励质量块和穿过激励质量块并安装于阻滞质量块上的预紧螺栓；还包括用于向激励质量块上敲击的激励力锤和安装于激励质量块上的多个加速度传感器。该频响法测试装置能够得到被测弹性垫层的动刚度和阻尼。

Description

一种频响法测试装置

技术领域

本实用新型涉及测试装置领域，具体地，涉及一种频响法测试装置。

背景技术

扣件系统是铁路轨道结构的主要组成部分，是连接钢轨和轨下基础的重要部件。扣件系统中安装在钢轨和轨枕之间的弹性垫层多采用高分子材料制成，可为轨道结构提供相应的弹性和绝缘性能，并在列车运行过程中降低轮轨动力冲击，减缓下部基础冲击伤损，提高列车平稳性和舒适性。

因此，弹性垫层的动态特性对轨道结构及轮轨系统的动力学行为有重要影响。弹性垫层的动刚度和阻尼与预载荷、激振幅度、激振频率、加载历史及温度等相关。在服役过程中，弹性垫层受静态和动态载荷双重作用，具有明显的非线性和频变性特征。随着列车运行速度的提高，弹性垫层在列车运行过程中受到的轮轨动态激励频率可达上千赫兹，根据动态激励频率的不同，弹性垫层的动刚度又分为低频动刚度和高频动刚度，目前，已有设备可以测量激励频率低于20Hz时的动刚度，但对于20Hz以上的高频动刚度测试，还没有成熟的设备可以进行测量。因此，研制出弹性垫层高频动态特性试验设备，以满足不同工况下弹性垫层的高频动态特性测试需求，对后续的轮轨动力学深入研究具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种频响法测试装置，该频响法测试装置通过力锤和加速度传感器可以采集到振动过程中系统的输入力信号和激励质量块的加速度振动响应信号，由此可得到系统的频响函数曲线，而该系统的频响函数只与参与振动的质量、被测弹性垫层的刚度及阻尼有关，通过对测量得到的频响函数曲线进行多元非线性回归拟合，即可得到被测弹性垫层的动刚度和阻尼。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种频响法测试装置，该频响法测试装置包括阻滞质量块、弹簧隔振器、测试工装和定位工装；所述弹簧隔振器安装于所述阻滞质量块的底部，所述定位工装设置为能够通过定位销定位于所述阻滞质量块上；所述测试工装包括能够契合置于所述定位工装中的激励质量块和穿过所述激励质量块并安装于所述阻滞质量块上的预紧螺栓；还包括用于向所述激励质量块上敲击的激励力锤和安装于所述激励质量块上的多个加速度传感器。

优选地，所述预紧螺栓上位于所述激励质量块的上方套设有解耦弹簧，所述预紧螺栓上位于所述解耦弹簧的两端套设有平垫圈。

优选地，所述定位工装上设置有上下贯通的与所述激励质量块相匹配的定位孔，以及用于穿过所述定位销的定位孔，所述阻滞质量块上设置有与所述定位孔对应的定位槽。

优选地，所述阻滞质量块上设置有多个吊环。

优选地，多个所述加速度传感器沿所述激励质量块的横向水平中线和纵向水平中线上均分分布，且至少一个所述加速度传感器设置于所述激励质量块的中心位置。

优选地，所述弹簧隔振器设置于所述阻滞质量块的四个拐角位置。

优选地，所述频响法测试装置还包括作用于所述激励质量块上的位移测量机构。

优选地，所述位移测量机构为通过支架固定的多个百分表。

优选地，所述支架包括多关节架体和能够吸附于所述阻滞质量块上的磁力座，所述多关节架体的末端设置有用于安装所述百分表的安装部。

优选地，所述百分表位于所述激励质量块的对角位置分别设置有一个。

根据上述技术方案，本实用新型频响法测试装置被测弹性垫层和测试工装可简化为单自由度质量-弹簧-阻尼系统，通过力锤和加速度传感器可以采集到振动过程中系统的输入力信号和激励质量块的加速度振动响应信号，由此可得到系统的频响函数曲线，而该系统的频响函数只与参与振动的质量、被测弹性垫层的刚度及阻尼有关，通过对测量得到的频响函数曲线进行多元非线性回归拟合，即可得到被测弹性垫层的动刚度和阻尼。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是试验前定位工装安装示意图；

图2是定位工装局部主视图；

图3是频响法测试装置的一种优选实施方式的示意图；

图4是频响法测试装置局部主视图。

附图标记说明

1-弹簧隔振器；2-阻滞质量块；3-测试工装；4-采集系统；5-定位工装；6-吊环；7-定位销；8-定位槽；9-被测弹性垫层；301-解耦弹簧；302-激励质量块；303-平垫圈；304-预紧螺栓；401-多关节架体；402-激励力锤；403-百分表；404-加速度传感器；405-磁力座。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

参见图1-4所示的频响法测试装置，该频响法测试装置包括阻滞质量块2、弹簧隔振器1、测试工装3和定位工装5；所述弹簧隔振器1安装于所述阻滞质量块2的底部，所述定位工装5设置为能够通过定位销7定位于所述阻滞质量块2上；所述测试工装3包括能够契合置于所述定位工装5中的激励质量块302和穿过所述激励质量块302并安装于所述阻滞质量块2上的预紧螺栓304；还包括用于向所述激励质量块302上敲击的激励力锤402和安装于所述激励质量块302上的多个加速度传感器404。

通过上述技术方案的实施，被测弹性垫层9和测试工装3可简化为单自由度质量-弹簧-阻尼系统，通过力锤和加速度传感器404可以采集到振动过程中系统的输入力信号和激励质量块302的加速度振动响应信号，由此可得到系统的频响函数曲线，而该系统的频响函数只与参与振动的质量、被测弹性垫层9的刚度及阻尼有关，通过对测量得到的频响函数曲线进行多元非线性回归拟合，即可得到被测弹性垫层9的动刚度和阻尼。

在本实用新型中测试工装3用于给被测弹性垫层9施加预荷载，并和被测样品组成单自由度自由振动系统，使得锤击试验时，整个单自由度自由振动系统发生垂向自由振动。定位工装5系统主要用来对测试工装3进行定位，以保证测试工装3、被测弹性垫层9和阻滞系统三者位置精准对中，避免偏转振动的发生，影响测量信号。

在该实施方式中，所述预紧螺栓304上位于所述激励质量块302的上方套设有解耦弹簧，所述预紧螺栓304上位于所述解耦弹簧的两端套设有平垫圈303。解耦弹簧安装在激励质量块302和预紧螺栓304之间，用于对二者进行解耦，以降低预紧螺栓304对激励质量块302的约束作用，预紧螺栓304用于对被测弹性垫层9施加预荷载。

为了降低预紧螺栓304对激励质量块302的约束作用，实现锤击作用后激励质量块302的自由振动，需要在预紧螺栓304和激励质量块302之间安装解耦弹簧。解耦弹簧要求如下：

1.在被测弹性垫层9被测预荷载范围内，刚度为线性；

2.承载范围大，可承受0.5～100kN范围的预荷载；

3.设计灵活，易于安装。

基于以上要求，传统的螺旋弹簧无法满足使用要求，考虑选用碟形弹簧作为解耦弹簧使用。碟簧的主要特点是：负载大，行程短，所需空间小，组合使用方便，维修换装容易。但若采用标准碟簧，需并联成碟簧组使用，否则无法同时满足承载和安装要求，而并联碟簧组存在摩擦面，会进一步带来非线性问题，因此，需要设计并加工定制碟簧301，使得每个预紧螺栓配合单个定制碟簧301使用即可满足使用要求。最终设计的单个定制碟簧301可承载能力为50kN，设计刚度为30kN/mm。

在该实施方式中，所述定位工装5上设置有上下贯通的与所述激励质量块302相匹配的定位孔，以及用于穿过所述定位销7的定位孔，所述阻滞质量块2上设置有与所述定位孔对应的定位槽8。

为保证激励质量块302的位置和装配精度，设计加工了本定位工装5，材质为铝合金。在保证位置精度的同时，还需便于安装和更换激励质量块302，因此铝合金定位工装5内壁表面与激励质量块302四周外表面均设计为精加工表面，二者为间隙配合。试验时，以阻滞质量块2上的定位槽8为定位基准，先使用定位销7确定铝合金定位工装5位置，并将其固定，然后放置被测弹性垫层9和激励质量块302，激励质量块302位置通过定位工装5来保证，其位置确定后，再安装平垫圈303、解耦弹簧和预紧螺栓304等零件，然后将定位工装5取下，再进行测试。

在该实施方式中，所述阻滞质量块2上设置有多个吊环6。通过多个吊环6的设置便于阻滞质量块2的吊起。

在该实施方式中，多个所述加速度传感器404沿所述激励质量块302的横向水平中线和纵向水平中线上均分分布，且至少一个所述加速度传感器404设置于所述激励质量块302的中心位置。加速度传感器404沿着激励质量块302中心线对称安装在激励质量块302上表面，可以实时采集力锤敲击过程中系统的加速度响应。如安装有5个加速度传感器404，其中两个对称设置在横向水平中线上，其中两个对称设置在纵向水平中线上，还有一个设置在横向水平中线和纵向水平中线的交点位置，即激励质量块302的中心位置。

在该实施方式中，所述弹簧隔振器1设置于所述阻滞质量块2的四个拐角位置。通过这样的设置，弹簧隔振器1和阻滞质量块2组成结构称为阻滞系统，该阻滞系统应满足两项功能：阻滞外部环境振动对单自由度弹性垫层动态特性测试系统的影响；实现频响法试验设备有效测试频率的下限。弹簧隔振器1在满足承载要求的前提下，其刚度越小，阻滞质量块2的质量越大，阻滞系统的固有频率越低，设备的有效测量频率下限越低。而在四个拐角位置安装弹簧隔振器1可以给整体的稳定性带来进一步提升。

在该实施方式中，所述频响法测试装置还包括作用于所述激励质量块302上的位移测量机构。通过位移测量机构的设置可以测定被测弹性垫层9两侧的预荷载和变形情况，用于确保被测弹性垫层9两侧的预荷载和变形始终保持一致。在施加预荷载过程中，通过实时测量被测弹性垫层9两侧的变形来实现对预荷载的控制，以此保证弹性垫层受力均匀，且激励质量块302未发生倾斜，从而确保测试结果的准确性。

进一步的，位移测量机构可以使用本领域中的任意一种能够测量位移变量的装置，如所述位移测量机构为通过支架固定的多个百分表403。支架预固定在阻滞质量块2或其他设备上，在未进行预荷载的时候将百分表403调节至对应的位置，并进行清零，而后在进行预荷载的时候百分表403会随着载荷的变化形成位移读数，并可以根据该读数调节与载荷的平衡。

进一步的，所述支架包括多关节架体401和能够吸附于所述阻滞质量块2上的磁力座405，所述多关节架体401的末端设置有用于安装所述百分表403的安装部。该多关节架体401的具体结构不作为本申请的保护范围，能够实现对百分表403的多角度以及位置调节即可，可以在本领域较宽的范围中选择。如图3所示，多关节架体401可以包括安装在磁力座405上并且可以转动的第一杆体，以及与第一杆体相互铰接的第二杆体，第二杆体的末端铰接有安装部，安装部与第二杆体之间还可以转动连接以调节转角，此外安装部上可以设置用于卡合百分表403的卡槽，并通过螺栓紧固。

进一步的，所述百分表403位于所述激励质量块302的对角位置分别设置有一个。频响法敲击试验前，需先测量被测弹性垫层9的静刚度，得到样品的静载荷-位移曲线，然后将两个百分表403对称安装在激励质量块302两侧。

本实用新型中由激励力锤402、加速度传感器404、支架和百分表403组成采集系统4。其中，在已知被测弹性垫层9静刚度的前提下，采用百分表403测量弹性垫层两侧发生的变形，以此确定实际施加的预荷载，这样的位移控制可以保证弹性垫层两侧受力均匀，避免激励质量块302在施加预荷载过程中发生倾斜，影响测试结果。敲击试验时激励采用IEPE型力锤进行敲击，锤头可根据测试频率选用橡胶、尼龙或铝质材料。

频响法测试流程如下：

1.将被测弹性垫层9放置在阻滞质量块2中间位置；

2.将定位工装5安装在阻滞质量块2上，并采用定位销7固定；

3.将激励质量块302放置在弹性垫层上部，并与定位工装5配合安装，以确保激励质量块302位置合适；

4.在激励质量块302两侧安装平垫圈303、解耦弹簧和预紧螺栓304，并施加初步预紧力，移除定位工装5；

5.在激励质量块302两侧沿短轴对称安装百分表403并清零；

6.在激励质量块302上分别沿长轴和短轴方向布置5个加速度计；

7.根据被测弹性垫层9的静载荷-位移曲线，给被测样品施加一定的预荷载，预荷载施加过程中通过百分表403进行位移控制；

8.锤击实验得到单自由度系统的频响函数曲线；

9.对频响函数进行多元非线性拟合，得到被测弹性垫层9的高频动刚度和阻尼特性。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种频响法测试装置，其特征在于，所述频响法测试装置包括阻滞质量块(2)、弹簧隔振器(1)、测试工装(3)和定位工装(5)；

所述弹簧隔振器(1)安装于所述阻滞质量块(2)的底部，所述定位工装(5)设置为能够通过定位销(7)定位于所述阻滞质量块(2)上；

所述测试工装(3)包括能够契合置于所述定位工装(5)中的激励质量块(302)和穿过所述激励质量块(302)并安装于所述阻滞质量块(2)上的预紧螺栓(304)；

还包括用于向所述激励质量块(302)上敲击的激励力锤(402)和安装于所述激励质量块(302)上的多个加速度传感器(404)。

2.根据权利要求1所述的频响法测试装置，其特征在于，所述预紧螺栓(304)上位于所述激励质量块(302)的上方套设有解耦弹簧，所述预紧螺栓(304)上位于所述解耦弹簧的两端套设有平垫圈(303)。

3.根据权利要求1所述的频响法测试装置，其特征在于，所述定位工装(5)上设置有上下贯通的与所述激励质量块(302)相匹配的定位孔，以及用于穿过所述定位销(7)的定位孔，所述阻滞质量块(2)上设置有与所述定位孔对应的定位槽(8)。

4.根据权利要求1所述的频响法测试装置，其特征在于，所述阻滞质量块(2)上设置有多个吊环(6)。

5.根据权利要求1所述的频响法测试装置，其特征在于，多个所述加速度传感器(404)沿所述激励质量块(302)的横向水平中线和纵向水平中线上均分分布，且至少一个所述加速度传感器(404)设置于所述激励质量块(302)的中心位置。

6.根据权利要求1所述的频响法测试装置，其特征在于，所述弹簧隔振器(1)设置于所述阻滞质量块(2)的四个拐角位置。

7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的频响法测试装置，其特征在于，所述频响法测试装置还包括作用于所述激励质量块(302)上的位移测量机构。

8.根据权利要求7所述的频响法测试装置，其特征在于，所述位移测量机构为通过支架固定的多个百分表(403)。

9.根据权利要求8所述的频响法测试装置，其特征在于，所述支架包括多关节架体(401)和能够吸附于所述阻滞质量块(2)上的磁力座(405)，所述多关节架体(401)的末端设置有用于安装所述百分表(403)的安装部。

10.根据权利要求8所述的频响法测试装置，其特征在于，所述百分表(403)位于所述激励质量块(302)的对角位置分别设置有一个。

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