(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室,130062,長(zhǎng)春;2.北京交通大學(xué),100044,北京∥第一作者,工程師)
基于半車激振的整車振動(dòng)特性測(cè)試方法
劉彥彤1譚富星1劉詩(shī)慧1王子建2
(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室,130062,長(zhǎng)春;2.北京交通大學(xué),100044,北京∥第一作者,工程師)
為更加準(zhǔn)確地測(cè)定軌道交通車輛整車振動(dòng)特性,提出了一種基于半車激振的整車振動(dòng)特性測(cè)試方法。在簡(jiǎn)述該方法的激振原理基礎(chǔ)上,運(yùn)用機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)一步闡述了激振作動(dòng)器位移控制指令的解算方法。利用該方法對(duì)某型車輛進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,該試驗(yàn)方法可以滿足整車振動(dòng)測(cè)試的要求。
車輛振動(dòng)測(cè)試;軌道不平順;實(shí)車試驗(yàn)
First-author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.,130062,Changchun,China
軌道交通車輛整車振動(dòng)特性作為衡量車輛平穩(wěn)性和舒適型的一項(xiàng)重要指標(biāo),一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。由于受到軌道線路條件、線路試驗(yàn)費(fèi)用、線路運(yùn)營(yíng)狀況,以及線路試驗(yàn)重復(fù)性差等因素的制約,整車振動(dòng)特性的實(shí)際線路測(cè)試存在難度,所以目前多采用在實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)整車振動(dòng)特性的測(cè)試。
利用激振器、力錘敲擊固定點(diǎn)等方法[1]可作為整車振動(dòng)的激振源,但缺點(diǎn)在于不能對(duì)整個(gè)車輛同時(shí)測(cè)試。西南交通大學(xué)的滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)[2-3]在車輛滾動(dòng)的同時(shí),采用對(duì)整車兩個(gè)轉(zhuǎn)向架同時(shí)激勵(lì)的方法來(lái)達(dá)到激振目的,但由于該系統(tǒng)主要測(cè)試車輛動(dòng)力學(xué)特性,而且設(shè)備龐大,必須滾動(dòng)和振動(dòng)同時(shí)進(jìn)行,測(cè)試過(guò)程復(fù)雜,故對(duì)整車振動(dòng)特性的測(cè)試沒(méi)有針對(duì)性。
中車集團(tuán)長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司根據(jù)軌道交通列車發(fā)展趨勢(shì)及公司科研需要,在工程實(shí)驗(yàn)室建立了整車振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)車輛的一側(cè)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行控制,對(duì)一側(cè)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)進(jìn)行連續(xù)激振,從而復(fù)現(xiàn)由于軌道不平順而引起的整車振動(dòng)。該測(cè)試系統(tǒng)更貼近實(shí)際工況,可為軌道交通車輛振動(dòng)特性研究提供精確的測(cè)試數(shù)據(jù)。
整車振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、液壓伺服激振器、輪對(duì)卡具等構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。其中,前后兩塊運(yùn)動(dòng)平臺(tái)支撐轉(zhuǎn)向架兩條輪對(duì),每塊運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上裝有一組可調(diào)節(jié)的輪對(duì)卡具,可固定不同類型的轉(zhuǎn)向架輪對(duì)。試驗(yàn)臺(tái)采用編制位移控制指令,輸入液壓伺服控制系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)軌道不平順的復(fù)現(xiàn)。
如圖1所示,試驗(yàn)臺(tái)利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下方8個(gè)垂向作動(dòng)器動(dòng)作,同時(shí)用橫向和縱向作動(dòng)器給予動(dòng)作補(bǔ)償,完成整車垂向激振。同理,橫向作動(dòng)器動(dòng)作,垂向和縱向作動(dòng)器給予動(dòng)作補(bǔ)償,完成整車橫向激振。
在利用位姿反解理論的基礎(chǔ)上,建立以第1和第2運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為核心的幾何模型,依據(jù)Matlab軟件編制的位姿解算方法,得到作動(dòng)器動(dòng)作的位移譜。
如圖2所示,建立地面靜坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系,選取兩塊運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所在表面中點(diǎn)為靜坐標(biāo)系的原點(diǎn)O,選取輪軸中心線與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的垂直交點(diǎn)為局部坐標(biāo)系中點(diǎn)O1與O2,選擇車輛行駛方向?yàn)閄軸、平行于輪對(duì)方向?yàn)閅軸、垂直于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)方向?yàn)閆軸。設(shè)定qi(i=1,2,3)為局部坐標(biāo)系相對(duì)于靜坐標(biāo)系的3個(gè)繞X、Y、Z軸的姿態(tài)角,qi(i=4,5,6)為局部坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)于靜坐標(biāo)系沿X、Y、Z軸的平移量[4-5]。
圖1 整車振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖
圖2 平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
圖2 中,li、hi、vi(i=1,2,3,4)為試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)系參數(shù)?;谝陨献鴺?biāo)系的確立,設(shè)定A1、B1為作動(dòng)器1~7的上鉸鏈點(diǎn)和下鉸鏈點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)向量,設(shè)定A2、B2為作動(dòng)器8~14的上鉸鏈點(diǎn)和下鉸鏈點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)向量,可得:
式中:
s——sin;
c——cos。
綜上所述,作動(dòng)器伸縮量分別為:
局部坐標(biāo)系相對(duì)于靜坐標(biāo)系進(jìn)行ZYX旋轉(zhuǎn)的矩陣變換,得到齊次變換矩陣Ti[6-7],即:
式中:
Lij,0——作動(dòng)器初始伸長(zhǎng)量;i=1,2,3;j=1,2,…,7。
基于以上原理,將試驗(yàn)用的作動(dòng)器位移控制指令作為激勵(lì)信號(hào)輸入到試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)中,驅(qū)動(dòng)3個(gè)方向作動(dòng)器協(xié)調(diào)動(dòng)作,完成對(duì)整車的激勵(lì)。試驗(yàn)采用的掃頻區(qū)間為0.1~15 Hz,振動(dòng)幅值為2 mm。
以某車型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,基于以上理論分析,利用整車振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)半車進(jìn)行激勵(lì),測(cè)試車輛在垂向激振和橫向激振情況下表現(xiàn)出的振動(dòng)特性。
3.1 垂向掃頻測(cè)試
對(duì)車輛進(jìn)行0.1~15Hz垂向掃頻,測(cè)試該車輛地板和左右側(cè)墻的振動(dòng)特性。圖3、4為地板垂向加速度測(cè)試結(jié)果(快速傅里葉變快(FFT)幅值譜及振型),圖5、6為車體左側(cè)墻邊梁垂向測(cè)試結(jié)果,圖7、8為車體左側(cè)墻頂部垂向測(cè)試結(jié)果,圖9、10為車體右側(cè)墻邊梁垂向測(cè)試結(jié)果,圖11、12為車體右側(cè)墻頂部垂向測(cè)試結(jié)果。
測(cè)試結(jié)果表明,車體垂向振動(dòng)主頻為8.7Hz和10.18Hz,其中8.7Hz為車下設(shè)備與車體的同向振動(dòng)頻率,10.18Hz為設(shè)備與車體的反向振動(dòng)頻率[8-9]。
3.2 橫向掃頻測(cè)試
圖3 車體地板垂向加速度FFT幅值譜
圖4 車體地板垂向10.18Hz與8.67Hz振型
圖5 左側(cè)墻邊梁垂向加速度FFT幅值譜
圖6 左側(cè)墻邊梁垂向10.07Hz振型
圖8 左側(cè)墻頂部垂向10.04Hz振型
圖9 右側(cè)墻邊梁垂向加速度FFT幅值譜
圖10 右側(cè)墻邊梁垂向10.06Hz振型
圖11 右側(cè)墻頂部垂向加速度FFT幅值譜
圖12 右側(cè)墻頂部垂向10.06Hz振型
橫向掃頻測(cè)試主要測(cè)試車體中部菱形振動(dòng)特性。試驗(yàn)布點(diǎn)選取車體縱向中心位置處,橫斷面布置7個(gè)加速度傳感器,用于采集車體地板和兩側(cè)側(cè)墻的橫向及垂向加速度信號(hào)(見(jiàn)圖13~19)。
圖13 右側(cè)墻橫向加速度FFT幅值譜
圖14 右側(cè)墻橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>
圖15 左側(cè)墻橫向加速度FFT幅值譜
圖16 左側(cè)墻橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>
圖17 左、右側(cè)墻邊梁橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>
圖18 左、右側(cè)墻頂部橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>
圖19 左、右側(cè)墻中部橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>
測(cè)試結(jié)果表明,車體側(cè)墻頂部和邊梁位置橫向振動(dòng)相位反向,兩側(cè)墻頂部、中部及邊梁位置相位一致,車體頂部和邊梁位置振動(dòng)幅值大于中部,因此,可以證明車體中部菱形模態(tài)頻率為9.7Hz[8-9]。
(1)提出了一種整車振動(dòng)特性測(cè)試方法,可以彌補(bǔ)現(xiàn)有試驗(yàn)條件限制,采用半車激勵(lì)的方式簡(jiǎn)便、靈活、準(zhǔn)確地進(jìn)行整車振動(dòng)特性測(cè)試。
(2)分析了整車振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,建立了作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)作的函數(shù)模型,為試驗(yàn)臺(tái)的精確控制提供了理論基礎(chǔ)。
(3)利用該測(cè)試方法對(duì)某型車輛進(jìn)行了整車振動(dòng)測(cè)試,得到了車輛在垂向和橫向激振情況下的振動(dòng)特性,驗(yàn)證了該測(cè)試方法進(jìn)行整車振動(dòng)試驗(yàn)的可行性和準(zhǔn)確性。
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Testing Bench of Vehicle Vibration Characteristics Based on Half-vehicle Vibration Excitation
LIU Yantong,TAN Fuxing,LIU Shihui,WANG Zijian
To assess the vibration characteristics of a complete vehicle in a more accurate and scientific way,a testing bench based on a half-vehicle vibration excitation is proposed.With a brief introduction of the excitation principle,the principle of mechanical kinematics is used to further expound a calculation method for the instructions on actuators displacement.This testing bench is used to carry out a real train test,and the result states clearly that the test system can meet the requirements of vibration testing on a complete vehicle.
vehicle vibration test;track irregularity;real vehicle test
U270.1+4
10.16037/j.1007-869x.2017.02.003
2016-09-25)