周建民，江煒文，謝鋒云，劉 翊, 陳紅年，李雪萌，劉博文

(華東交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013)

三坐標(biāo)可調(diào)式激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)*

周建民，江煒文，謝鋒云，劉 翊, 陳紅年，李雪萌，劉博文

(華東交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013)

針對(duì)CRH380列車轉(zhuǎn)向架輪對(duì)1:2模型的模態(tài)試驗(yàn)激振器安裝困難及多點(diǎn)激振的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一個(gè)三坐標(biāo)可調(diào)式激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其可以在X軸、Y軸與Z軸上自由移動(dòng)，使激振器可以對(duì)研究對(duì)象選定的任一激勵(lì)點(diǎn)、任意激勵(lì)方向進(jìn)行激振，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置中螺栓連接進(jìn)行了強(qiáng)度、螺栓抗剪、螺栓抗拉及孔壁承壓能力等校核，結(jié)果符合要求。設(shè)計(jì)三坐標(biāo)可調(diào)式激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可有效的解決模態(tài)試驗(yàn)中激振器的安裝問(wèn)題，改善了激振器的激勵(lì)效果，從而提高了模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

模態(tài)實(shí)驗(yàn)；激振器；模態(tài)分析

0 引言

機(jī)械設(shè)備的故障檢測(cè)與壽命評(píng)估技術(shù)已得到迅速的發(fā)展，而試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是根據(jù)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)來(lái)判斷機(jī)械故障與診斷設(shè)備狀態(tài)的有效方法[1-2]，該方法受到了國(guó)內(nèi)外科學(xué)界與工程界的廣泛重視[3]，但對(duì)于模態(tài)實(shí)驗(yàn)中激振器的安裝，少有相關(guān)方面的設(shè)計(jì)研究。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別[4]，再對(duì)獲得的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行定量分析，從而判斷研究對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的一種方法。模態(tài)試驗(yàn)中激振方式一般有兩種，一是力錘激勵(lì)，二是激振器激勵(lì)。使用激振器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)有激勵(lì)信號(hào)便于控制，激振效果好，響應(yīng)信號(hào)不容易發(fā)生泄漏等優(yōu)點(diǎn)。但是它也有致命弱點(diǎn)，不便于安裝，倘若激振器安裝不穩(wěn)，激勵(lì)點(diǎn)選擇不當(dāng)，將嚴(yán)重影響試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的最終結(jié)果[5]，所以設(shè)計(jì)一個(gè)激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以便于激振器安裝，利于激勵(lì)方向的選擇是十分必要。

基于激振器安裝困難的問(wèn)題與激振器正確安裝對(duì)模態(tài)實(shí)驗(yàn)的重要性，設(shè)計(jì)了一種三坐標(biāo)可調(diào)式激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)激振器對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行激勵(lì)時(shí)可在X軸、Y軸與Z軸的自由移動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意激勵(lì)點(diǎn)與任何激勵(lì)方向的激振，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可優(yōu)化激勵(lì)方案，防止激振器其他方向振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)采集數(shù)據(jù)可靠性的目的。

1 激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

1.1 激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的研究對(duì)象是CRH380列車轉(zhuǎn)向架輪對(duì)1:2的模型，根據(jù)研究對(duì)象的具體尺寸，確定激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際尺寸。其設(shè)計(jì)方案的總體要求[6-7]如下：①實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸與Z軸方向的自由移動(dòng)；②實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在可移動(dòng)的范圍內(nèi)，可以在任何一點(diǎn)固定；③考慮到轉(zhuǎn)向架輪對(duì)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與激振器的耐用性，激振器與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)柔性連接。

三坐標(biāo)可調(diào)式激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的裝配圖如圖1所示，它主要由固定結(jié)構(gòu)、可移動(dòng)結(jié)構(gòu)和激振平臺(tái)三大部分組成，固定結(jié)構(gòu)主要由主架支撐腿1、主架平臺(tái)2組成，主架平臺(tái)上的底面與兩根角鋼導(dǎo)軌焊接；移動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由橫向?qū)к?、縱向?qū)к?、豎直導(dǎo)軌6和橫向?qū)к?組成，激振平臺(tái)主要由彈簧8、螺栓9與安裝平臺(tái)11組成。激振平臺(tái)的移動(dòng)通過(guò)橫向?qū)к壟c縱向?qū)к壍南鄬?duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，橫向?qū)к壟c縱向?qū)к壨ㄟ^(guò)角板4與螺栓連接，橫向?qū)к?與固角鋼導(dǎo)軌通過(guò)螺栓連接。在進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及各個(gè)模態(tài)的重要程度確定合適的激振點(diǎn)與激振方向，確定激振器的安裝位置，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌間的相對(duì)位置以及激振器安裝平臺(tái)的相對(duì)高度，實(shí)現(xiàn)激振器對(duì)研究對(duì)象上任何一點(diǎn)、任意方向的激振。

1.主架支撐腿 2.主架臺(tái)平面 3.橫向?qū)к?4.角板 5.縱向?qū)к?6.豎直導(dǎo)軌 7.橫向?qū)к?8.彈簧 9.螺栓 10.激振器 11.安裝平臺(tái)圖1 三坐標(biāo)可調(diào)式激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的裝配圖

1.2 激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)

三坐標(biāo)可調(diào)式激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的尺寸參數(shù)根據(jù)被測(cè)對(duì)象，即CRH380列車轉(zhuǎn)向架輪對(duì)的1:2模型的具體尺寸確定，各個(gè)構(gòu)件的材料選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的自身特點(diǎn)與造價(jià)成本的經(jīng)濟(jì)性確定。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要尺寸參數(shù)：主架支撐腿1的高度為860mm，主架平臺(tái)2的高度為10mm，長(zhǎng)度為1340mm，寬度為800mm，內(nèi)圈的長(zhǎng)度為1250mm，寬度為350mm，橫向?qū)к?的長(zhǎng)度為800mm，縱向?qū)к?的長(zhǎng)度為390mm，豎直導(dǎo)軌6的長(zhǎng)度為600mm，橫向?qū)к?的長(zhǎng)度為340mm，安裝平臺(tái)11 的高度為3mm，長(zhǎng)度為230mm，寬度為220mm。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各構(gòu)件的材料：主架支撐腿1、主架平臺(tái)2與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)11為45號(hào)鋼板，橫向?qū)к?、縱向?qū)к?、豎直導(dǎo)軌6與橫向?qū)к?為45×45mm的鋁型材，主架平臺(tái)下焊接的角鋼為25×25mm的等邊角鋼。

2 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)件的連接與校核

2.1 縱向?qū)к壟c橫向?qū)к壍倪B接

三坐標(biāo)可調(diào)式激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的移動(dòng)由導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)軌間的連接由螺栓與角板實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。螺栓連接十分必要，否則在激振時(shí)，激振器容易發(fā)生左右擺動(dòng)，激振點(diǎn)可能出現(xiàn)相對(duì)位移，導(dǎo)致激振效果不佳，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性不高，嚴(yán)重影響試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的最終結(jié)果。

由于實(shí)驗(yàn)裝置中導(dǎo)軌之間主要由螺栓連接，所以深度分析螺栓的受承載力[8-9]情況，嚴(yán)格校對(duì)螺栓的連接狀況很有必要。

圖2 導(dǎo)軌間的連接

單個(gè)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為：

(1)

單個(gè)螺栓的承壓承載力設(shè)計(jì)值為：

(2)

單個(gè)螺栓抗剪切承載力設(shè)計(jì)值為：

(3)

單個(gè)螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值為：

(4)

本實(shí)驗(yàn)裝置的螺栓受到剪切力與拉力的同時(shí)作用[10]，所以要同時(shí)考慮這兩種力的分布情況，既要保證螺栓桿在剪切力與拉力的共同作用下安全，同時(shí)要保證孔壁不會(huì)壓壞[11]。其校對(duì)公式為：

(5)

為了校對(duì)螺栓連接在激振器激振過(guò)程中是否處于安全狀態(tài)，可根據(jù)公式(5)求得ηmax值進(jìn)行定性的判斷。

表1 該實(shí)驗(yàn)裝置中各個(gè)螺栓的ηmax值

從表1可知實(shí)驗(yàn)裝置連接型材導(dǎo)軌的各個(gè)螺栓的ηmax值都遠(yuǎn)小于1，即它們都滿足連接要求。

2.2 激振器與激振平臺(tái)的連接

激振器的安裝一般有兩種方式：一種是激振器外殼直接與地面剛性固接，這種情況激振系統(tǒng)的固有頻率比較高，為了防止激振系統(tǒng)與研究對(duì)象發(fā)生共振，這種安裝方式適用于振動(dòng)頻率較低的結(jié)構(gòu)；另一種是激振器外殼通過(guò)軟彈簧與激振平臺(tái)連接，這種安裝方式的激振系統(tǒng)的固有頻率比較低，故適合用于振動(dòng)頻率較高的結(jié)構(gòu)?？紤]到高速列車轉(zhuǎn)向架輪對(duì)模型的振動(dòng)頻率比較高，以及激振器安裝的可行性，選擇第二種激振器的安裝方式，如圖3所示，激振器與激振平臺(tái)由螺栓與螺母連接，但在它們之間安裝4個(gè)完全一樣的彈簧，其中彈簧的一端與安裝平臺(tái)焊接。

1.激振器 2.橫向?qū)к?3.彈簧 4.螺栓 5.安裝平臺(tái)圖3 激振器與激振平臺(tái)的連接

在激振的過(guò)程中，螺栓只受到拉力的作用，根據(jù)式(4)、式(5)可得ηmax4=5.10×10-4，ηmax4值遠(yuǎn)小于1，故激振器與激振平臺(tái)的螺栓滿足連接要求。

2.3 角鋼導(dǎo)軌與縱向?qū)к壍倪B接

主架平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自由移動(dòng)的基礎(chǔ)，它由平臺(tái)與等邊角鋼導(dǎo)軌兩部分組成，角鋼焊接于平臺(tái)底面。角鋼導(dǎo)軌與橫向?qū)к?由螺栓連接，如圖4所示。螺栓連接的目的是保證激振時(shí)，激振平臺(tái)能處于穩(wěn)定狀態(tài)，以防激振器的擺動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。

圖4 角鋼導(dǎo)軌與縱向?qū)к壍倪B接

為了校對(duì)螺栓的連接狀態(tài)，需要計(jì)算ηmax值，通過(guò)公式(4)、公式(5)得ηmax5=4.68×10-3，ηmax5值遠(yuǎn)小于1，所以角鋼導(dǎo)軌與縱向?qū)к壍穆菟M足連接要求。

3 結(jié)論

為了便于激振器的安裝，以及提高模態(tài)分析中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)計(jì)了一個(gè)三坐標(biāo)可調(diào)式激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)在理論上證明了該安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可行性，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的螺栓連接進(jìn)行了強(qiáng)度、螺栓抗剪、抗拉及孔壁承壓能力的校核，驗(yàn)算結(jié)果顯示符合螺栓連接要求。設(shè)計(jì)的激振器安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效解決了激振器安裝問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了激振器對(duì)任一點(diǎn)與任一方向的激振，為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析提供了重要保障，是獲得可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提條件。

[1] 廖慶斌,李舜酩,朱麗娟. 基于隨機(jī)激勵(lì)的某機(jī)匣模態(tài)實(shí)驗(yàn)與分析[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2005,20(6):932-936.

[2] 葉枝全,馬昊旻,丁康,等. 水平軸風(fēng)力機(jī)槳葉的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2001,22(4):473-476.

[3] F Mirshafiei , M Mirshafiei ,G Mcclure. A new three-dimensional seismic assessment method (3D-SAM) for buildings based on experimental modal analysis [J]. Computers and Structures, 2016,180:125-137.

[4] 禹丹江. 土木工程結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別[D].福州:福州大學(xué),2006.

[5] 白向賀.數(shù)控機(jī)床模態(tài)實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)點(diǎn)選擇和響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置優(yōu)化[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

[6] 李醒飛,張國(guó)雄,李俊杰,等. 電梯導(dǎo)軌質(zhì)檢儀機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械傳動(dòng),2003,27(6):18-19.

[7] 王新,余曉芬. 三維應(yīng)變式位移測(cè)振傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)計(jì)量,2007,17(3):1-3.

[8] 祝恩淳,潘景龍,周曉強(qiáng),等. 木結(jié)構(gòu)螺栓連接試驗(yàn)研究及承載力設(shè)計(jì)值確定[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2016,37(4):54-63.

[9] 李培林,王慶力,王崴,等. 螺栓組擰緊順序?qū)Y(jié)構(gòu)體接觸剛度的影響研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(11):39-42.

[10] 朱正德. 基于單體失效的均布螺栓組非等強(qiáng)度連接對(duì)傳遞動(dòng)力性能的影響分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2011(5):34-37.

[11] 石永久,潘斌,王元清. 高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接孔壁承壓性能研究及設(shè)計(jì)建議[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(1):24-32.

DesignofExciterInstallationExperimentPlatformofThreeCoordinateAdjustableVibration

ZHOU Jian-min, JIANG Wei-wen, XIE Feng-yun, LIU Yi, CHEN Hong-nian, LI Xue-meng, LIU Bo-wen

(School of Mechatronics & Vehicle Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

According to the difficulty installation of the model of CRH380 wheel bogie 1:2 about vibration exciter in the modal experiment, an exciter experimental platform of three coordinate adjustable vibration is developed. The experimental platform can move freely on theXaxis, theYaxis and theZaxis. The vibration exciter can excite any excitation point that be selected by arbitrary excitation direction. At the same time, the design of the bolt connection experimental device is checked by calculating the strength of the bolt, shear, tensile and pressure capacity of the hole wall. The results meet the requirements. The design of the experimental platform can effectively solve the problem of the installation vibration exciter in the modal test, and improve the excitation effect of the exciter to the research structure, and improve the accuracy of the test results.

modal experiment; vibration exciter; modal analysis

1001-2265(2017)11-0120-02

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.031

2016-12-23；

2017-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(51565015)；江西省教育廳基金(GJJ160479)

周建民(1975—)，男，湖南邵陽(yáng)人，華東交通大學(xué)教授，研究方向?yàn)橹悄茉\斷、無(wú)損檢測(cè)等；通訊作者：謝鋒云(1976—)，男，湖南邵陽(yáng)人，華東交通大學(xué)副教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理、模態(tài)分析等，(E-mail)xiefyun@163.com。

TH122;TG65

A

(編輯李秀敏)