一种弹性单元动态刚度测量方法及装置与流程

本发明涉及任何机械工程领域包括铁路轨道技术领域，提出了一种提高弹性单元动态刚度测量频率范围及测量精度的测试方法和试验装置。

背景技术：

轨道由于复杂的弹性单元一般不仅含有弹性也含有质量及阻尼等，所以动态刚度不仅包含直接刚度同时包含交叉刚度，可用矩阵的方式表示，如图1所示。弹性单元动态刚度1的测量的基本原理是通过测量输入或输出力f以及输入或输出位移u(或速度或加速度)，来获得弹性单元的动态刚度。

目前通用的弹性单元动态刚度测量方法和试验装置按照国际标准iso10846-1:1997“laboratorymeasurementofvibro-acoustictransferpropertiesofresilientelements”弹性单元的声振传递特性实验室测量，及其相应的针对轨道扣件系统的欧洲标准env13481-6:2002“trackperformancerequirementsforfasteningsystems”轨道系统性能对扣件系统的要求。

iso10846推荐了3种弹性元件动态刚度测量方法，包括“iso10846-2直接测量法”，“iso10846-3间接接测量法”及本发明涉及的“iso10846-5激励点测量法”。其中的激励点测量方法相对其它两种测量方法，其测量装置和测量方法最简单且易于实现。图2所示为用激励点测量法测量轨道扣件系统动态刚度的试验装置和基本原理示意图。弹性单元1(轨道扣件)放置在一段钢轨3和刚性基座之间，通过静载加载隔振弹簧2与试验装置框架隔离开，静载加载隔振弹簧2的刚度应该低于弹性单元1(轨道扣件)的刚度。静态预载通过静载加载隔振弹簧2加到弹性单元1上，激励力通过激振器4的移动质量块加载法兰盘9加在钢轨1的轨头上。

但是在用激励点测量法测量具有低刚度(<15kn/mm)的扣件系统的动态刚度时，该测量法的局限性显露了出来，这是由于最初制定这些标准时并没有考虑到具有很低刚度弹性元件的情况。就轨道扣件系统而言，随着轨道扣件设计技术的发展和减振降噪要求的提高，低刚度及非线性刚度扣件得以大量应用，用激励点测量法获得的低刚度扣件系统的动态刚度的有效频率范围远低于扣件系统本身的实际应用频率范围。

激励点测量法是通过测量弹性单元1的输入端的激励力f1和位移u1得到激励点动刚度k11。

{f}＝[k]{u}

f1＝k11u1+k12u2

f2＝k21u1+k22u2

其基本原理是：在低频时测试系统的有效参振质量惯性力远低于弹性单元的弹性力，所以上述公式可以简化为下面的公式，即弹性单元的实际动态刚度k21可以用激励点动态刚度k11来近似，即弹性单元1的动态刚度为：

k21≈k11＝f1/u1

但在实际应用中发现，以上公式所示的假设具有局限性。测试系统的附加质量和刚度以及弹性单元1的特性会直接影响到测试的频率范围和精度，当被测弹性单元1具有低刚度特性时，会导致测试的激励点动态刚度k11偏离传递动刚态度k21，上述公式所示的激励点测量法的基本假设不再成立。

因此，尽管激励点测量法的特点是简单易行但其测量结果不仅取决于试验装置的特性，同时也受弹性元件(扣件)的特性影响。主要问题是：

1.在高频率时整个测试系统的等效参振质量的惯性力相对被测试弹性单元的弹性力增大，从而导致不能获取精确的弹性元件输入和输出端的刚度传递结果；

2.在测试频率接近或高于等效参振质量和整个测试系统刚度的组合固有频率时，由于等效参振质量的惯性力占主导，整个测试系统的共振导致无法精确测量整个扣件系统的动态刚度。

图3所示为用激励点测量法测量的弹性单元的动态刚度频谱，弹性单元(轨道扣件)的刚度为4kn/mm，隔离弹簧刚度为1.5kn/mm。可以看到在30hz以下，测得的平均激励点动态刚度k11≈5.5kn/mm，即弹性单元和隔离弹簧的刚度ki之和，ki越低测得的动态刚度就越接近弹性单元的真实刚度。从图3可以看到，在30hz以下测量到的刚度曲线开始下降，在100hz附近有个谷峰，这是测量系统的等效参振质量和系统刚度的共振点。随着频率的增高，系统等效参振质量的影响增大，动态刚度呈快速增长趋势。图3所示的测量结果只在30hz以下有效。

为比较不同刚度的弹性单元的测量结果，图3同时给出了测量条件相同，但刚度为40kn/mm的结果，可以看出测量结果的有效频率上限提高到了80hz，同时由于整个测量系统(包括弹性单元)的刚度增加，系统等效参振质量的共振频率也提高到了大约250hz。

就扣件系统而言，其设计频率范围远高于30hz，所以激励点测量方法应用于低刚度(<15kn/mm)扣件系统时其有效性降低很多，本发明旨在可以改进测量结果的频率范围和精度。

技术实现要素：

本发明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可以克服iso10846-5激励点测量法的局限性并提高弹性单元动态刚度测量频率范围及测量精度的方法和装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种弹性单元动态刚度测量方法，采用iso10846-5中激励点测量方法进行弹性单元动态刚度的测量，获得激励点动态刚度k11，其特征在于，同时测量测试系统等效参振质量惯性刚度ω²m1和测试系统等效支承刚度ki，按式k21＝k11+ω²m1‐ki计算得到修正后的弹性单元动态刚度k21，其中，k21为弹性单元动态刚度，k11为激励点动态刚度，ω为振动频率，m1测试系统等效参振质量，ki为测试系统等效支承刚度。

所述的激励点动态刚度k11是采用iso10846-5中激励点测量方法测量激励点的激励力f1和位移u1来获得，即：k11＝f1/u1。

所述的测试系统等效参振质量m1包含测试系统连接件的等效连接件质量m11和弹性单元本身的等效弹性单元质量m12，m1＝m11+m12。

所述的等效连接件质量m11通过校准测试的动刚度k11r及已知刚度kr的标准弹簧通过式m11＝kr/ωr²得到；

其中，ωr是标准弹簧的共振频率ωr，通过校准测试的动刚度k11r与振动频率ω的频谱图中求得，即动刚度k11r频谱图中“谷”点处的频率，如图5所示；校准测试的动刚度k11r是采用iso10846-5中激励点测量方法测量标准弹簧的激励力f1和位移u1来获得。

所述的等效弹性单元质量m12通过式m12＝μms计算得到，其中，ms为弹性单元的静态质量，μ＝m11/mp，mp是附加质量即钢轨的重量和隔离弹簧下定位板之和。

所述的测试系统等效支承刚度ki为采用iso10846-5激励点测量方法测得的静载加载隔振弹簧的等效动态刚度。

所述的振动频率ω为测试时设定的测试频率，其范围为5～400hz。

一种弹性单元动态刚度测量装置，包括弹性单元、加载隔振弹簧、钢轨、激振器、上横粱、立柱、激振器杆、下横梁、刚性底座，所述的弹性单元设置在刚性底座与钢轨之间，所述的刚性底座通过立柱连接上横粱和下横梁，其特征在于，还包括单频谐振信号发生器、功率放大器、隔离弹簧上定位板、隔离弹簧下定位板、力传感器、加速度传感器、信号调节采集及处理系统；所述的加载隔振弹簧设置在隔离弹簧上定位板与隔离弹簧下定位板之间，其中隔离弹簧上定位板设置在下横梁底部，隔离弹簧下定位板设置在钢轨上，所述的单频谐振信号发生器通过功率放大器连接激振器，激振器通过激振器杆和力传感器连接隔离弹簧下定位板，所述的加速度传感器设置在隔离弹簧下定位板上，所述的隔离弹簧下定位板和力传感器连接信号调节采集及处理系统；

激励力通过单频谐振信号发生器及功率放大器给激振器，再通过激振器杆及力传感器对隔离弹簧下定位板施加激励力；钢轨及隔离弹簧下定位板的振动通过加速度传感器的信号及激励力力传感器的信号送入信号调节采集及处理系统做处理分析。

采用上述装置测量弹性单元动态刚度的具体方法包括以下步骤：

1)将弹性单元安装在刚性底座与钢轨之间，通过单频谐振信号发生器及功率放大器给激振器施加激励力，激励力的频率为设定的振动频率ω范围内每个1/3倍频程的中心频率，测量弹性单元的输入端的激励力f1和位移u1得到激励点动刚度k11，k11＝f1/u1；其中激励力f1通过激励力力传感器直接测得，位移u1通过采集到的加速度和时间计算得出；k11为信号调节采集及处理系统处理得到的激励力f1和位移u1得之比。

2)选择已知刚度kr的标准弹簧代替弹性元件，测量该标准弹簧的输入端的激励力f1’和位移u1’得到校准测试的动刚度k11r，k11r＝f1’/u1’，通过校准测试的动刚度k11r与振动频率ω的频谱图中求得标准弹簧的共振频率ωr，即动刚度k11r频谱图中“谷”点处的频率(图5所示)；通过式m11＝kr/ωr²得到等效连接件质量m11；降低等效连接件质量m11能提高弹性单元动刚度测量频率范围及测量精度。

3)测量附加质量mp和弹性单元的静态质量ms，附加质量mp为钢轨的重量和隔离弹簧下定位板(108)之和，通过式μ＝m11/mp，m12＝μms计算得到等效弹性单元质量m12；

4)测试系统等效参振质量m1通过是m1＝m11+m12计算得出；

5)采用iso10846-5激励点测量方法测得的静载加载隔振弹簧的等效动态刚度ki；

6)通过式k21＝k11+ω²m1‐ki计算得出弹性单元动态刚度k21，其中k11为步骤(1)得到，ω为设定值，m1为步骤(4)得到，ki为步骤(5)得到。

根据激励点测量法的基本原理，所述的静载加载隔振弹簧的等效动刚度ki应该远小于弹性单元的动刚度k21，但当弹性单元本身的刚度已经较低的情况下，ki不再是可以忽略不计的。

所述的激励点动刚度k11及等效参振质量m1，两者的比值决定被测试的弹性单元动刚度k21(≈k11)初始有效频率上限ω0为：ω0＝[k11/(2m1)]^0.5

提高弹性单元动态刚度测量频率范围及测量精度，是基于公式k21＝k11+ω²m1‐ki对被测量的激励点动态刚度k11进行修正后得到的被测试弹性单元的实际动刚度k21的有效频率上限ω10是初始有效频率上限ω0的3倍以上。

与现有技术相比，本发明主要特征是针对用iso10846-5激励点测量方法所获得的弹性单元的激励点动刚度k11进行改进，以得到弹性单元的真实动态刚度结果。动态刚度改进是在所测的激励点动刚度k11中考虑等效参振质量惯性刚度ω²m1，及其测试系统等效支承刚度ki的影响而得到精确的被测弹性单元的实际动态刚度k21；所述的等效参振质量惯性刚度ω²m1是等效参振质量m1与振动频率ω平方的乘积，即ω²m1；所述的测试系统等效支承刚度ki是iso10846-5激励点测量方法静载加载隔振弹簧的等效动态刚度。

这是因为随着测量频率范围的提高，测试系统的等效参振质量惯性刚度ω²m1对测得的激励点动态刚度k11的贡献也增加，同时由于被测弹性单元的低刚度特性，测试系统等效支承刚度ki也不再是可以忽略的，所以本发明对公式k21≈k11＝f1/u1进行改进，考虑了测量系统等效参振质量惯性刚度和隔离弹簧刚度对激励点动态刚度k11的影响，通过在一次测量的基础上进行二次测量，达到有效提高动刚度测量结果的精确性和适用频率范围。

附图说明

图1复杂弹性单元系统刚度测量理论模型；

图2a现有弹性单元动态刚度激励点测量原理和装置示意图；

图2b弹性单元动态刚度激励点测量物理模型图；

图3未修正的低刚度(＝4kn/mm,<15kn/mm)和较高刚度(40kn/mm)轨道扣件动刚度谱比较；

图4本发明修正后弹性单元动态刚度k21各影响分量的基本理论原理展示图；

图5校准标准弹簧动刚度频谱；

图6修正后的低刚度(小于15kn/mm)轨道扣件动刚度频谱；

图7本发明激励点测量方法测量装置示意图

图8a轻型钢轨示意图；

图8b图8a的仰视图

图9轻型隔离弹簧下定位板结构示意图；

图10为图9的a-a剖视图。

图中：

1、弹性单元；2、加载隔振弹簧；3、钢轨；4、激振器；101、单频谐振信号发生器；102、功率放大器；103、上横粱；104、立柱；105、激振器杆；106、下横梁；107、隔离弹簧上定位板；108、隔离弹簧下定位板；109、力传感器；110、加速度传感器；111、刚性底座；112、信号调节采集及处理系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图7～10所述，一种弹性单元动态刚度测量装置，包括弹性单元1、加载隔振弹簧2、钢轨3、激振器4、单频谐振信号发生器101、功率放大器102、上横粱103、立柱104、激振器杆105、下横梁106、隔离弹簧上定位板107、隔离弹簧下定位板108、力传感器109、加速度传感器110、刚性底座111、信号调节采集及处理系统112，所述的弹性单元1设置在刚性底座111与钢轨3之间，所述的刚性底座111通过立柱104连接上横粱103和下横梁106，所述的加载隔振弹簧2设置在隔离弹簧上定位板107与隔离弹簧下定位板108之间，其中隔离弹簧上定位板107设置在下横梁106底部，隔离弹簧下定位板108设置在钢轨3上，所述的单频谐振信号发生器101通过功率放大器102连接激振器4，激振器4通过激振器杆105和力传感器109连接隔离弹簧下定位板108，所述的加速度传感器110设置在隔离弹簧下定位板108上，所述的隔离弹簧下定位板108和力传感器109连接信号调节采集及处理系统112；激励力f通过单频谐振信号发生器101及功率放大器102给激振器4，再通过激振器杆105及力传感器109对隔离弹簧下定位板108施加激励力；钢轨3及隔离弹簧下定位板108的振动通过加速度传感器110的信号及激励力力传感器109的信号送入信号调节采集及处理系统112做处理分析。

采用上述装置测量弹性单元动态刚度的具体方法包括以下步骤：

1)将弹性单元1安装在刚性底座111与钢轨3之间，通过单频谐振信号发生器101及功率放大器102给激振器4施加激励力，激励力的频率为设定的振动频率ω范围内每个1/3倍频程的中心频率，测量弹性单元的输入端的激励力f1和位移u1得到激励点动刚度k11，k11＝f1/u1；其中激励力f1通过激励力力传感器直接测得，位移u1通过采集到的加速度和时间计算得出；k11为信号调节采集及处理系统处理得到的激励力f1和位移u1得之比。

2)选择已知刚度kr的标准弹簧代替弹性元件，测量该标准弹簧的输入端的激励力f1’和位移u1’得到校准测试的动刚度k11r，k11r＝f1’/u1’，通过校准测试的动刚度k11r与振动频率ω的频谱图中求得标准弹簧的共振频率ωr，即动刚度k11r频谱图中“谷”点处的频率(图5所示)；通过式m11＝kr/ωr²得到等效连接件质量m11；降低等效连接件质量m11能提高弹性单元动刚度测量频率范围及测量精度。

3)测量附加质量mp和弹性单元的静态质量ms，附加质量mp为钢轨的重量和隔离弹簧下定位板108之和，通过式μ＝m11/mp，m12＝μms计算得到等效弹性单元质量m12；

4)测试系统等效参振质量m1通过是m1＝m11+m12计算得出；

5)采用iso10846-5激励点测量方法测得的静载加载隔振弹簧的等效动态刚度ki；

6)通过式k21＝k11+ω²m1‐ki计算得出弹性单元动态刚度k21，其中k11为步骤(1)得到，ω为设定值，m1为步骤(4)得到，ki为步骤(5)得到。

本实例给出的是用激励点测量法测量一静态刚度为4kn/mm的扣件系统的动态刚度的频谱，测量系统的隔离弹簧的刚度为1.5kn/mm。

试验条件：

测试频率范围5-400hz，测试要求按如下实施：

激励力的频率为5-400hz频率范围内每个1/3倍频程的中心频率，激励速度为80db(ref.5x10-8m/s)，激励力通过信号发生器101及功率放大器102给激振器4，再通过激振器杆105及力传感器109对隔离弹簧下定位板108施加激励力；钢轨3及隔离弹簧下定位板108的振动通过加速度传感器110的信号及激励力力传感器109的信号送入信号调节采集及处理系统112做处理分析。

测量的每个频率段的激励力和位移(测量加速度，然后两次积分)的传递函数；

对扣件系统施加静态预载荷为0kn。

根据公式k21＝k11+ω²m1‐ki计算复数动态刚度k11，结果如图3所示。

图3显示，在小于30hz的低频率段，测量的扣件动态刚度接近常数，平均值为5.5kn/mm，为扣件系统的刚度与隔离弹簧刚度的总和。

图3所示的测量的扣件系统动态刚度在100hz附近有个峰谷，这个峰谷是测试系统的固有频率，而频率继续提高时，动刚度值开始呈上升趋势，这是由于测试系统的等效参振质量的影响随频率增加而逐渐增强。

对样品扣件系统而言，用激励点测量法得到的动态刚度只在在30hz下频段有效，而扣件系统的设计频率上限要求400hz以上，这样的测量结果基本上没有实用价值。

根据本发明所述，为得到弹性单元系统的实际动态刚度频谱，需要对图3所示的测量结果进行改进。公式k21＝k11+ω²m1‐ki和图4表明影响测量结果主要因素是测量系统的等效参振质量m1的惯性刚度ω²m1和测试系统等效支承刚度ki。

本实施例介绍如何测量测试系统的等效参振质量m1的惯性刚度ω²m1的频率谱来对图3所示的原始测量的动态刚度进行修正。

测试装置和测量方法与上述相同，不同之处是用一静刚度比弹性单元的静刚度低很多的标准弹簧代替上述弹性单元。然后重复上述每个频率点实验步骤。在每一1/3倍频程的中心频率测量f1和u1，即获得激振点动态刚度k11r，因为标准弹簧的刚度比原弹性单元的刚度低很多，其对k11r的影响可以忽略不计。

等效参振质量m1包含测试系统连接件的等效连接件质量m11和弹性单元本身的等效弹性单元质量m12。对于标准弹簧其弹性单元本身的等效弹性单元质量m12等效弹性可忽略不计，这时，m1≈m11可由图5的k11r的频谱图中求得共振频率ωr及已知的校准纯弹簧单元名义刚度kr由公式m11＝kr/ωr²计算。而连接件的实际静态质量mp是钢轨3的重量加上隔离弹簧下定位板108的重量，质量比μ由公式μ＝m11/mp计算。

所测试的弹性单元的等效质量m12可通过公式m12≈μms估算。

将图5中的动态刚度与图3中的动态刚度按照公式k21＝k11+ω²m1‐ki进行计算，就可得到扣件系统的真正的动刚度，结果见图6，动刚度有效频率上限提高到了400hz。需要注意的是，在进行计算时，要同时考虑相位的影响。

图7所示测量装置，测量系统框架要求有足够的刚度，在激振力加载过程中保持稳定。

实施例2：

测试和修正方法和实施例1相同，只是对测试装置中的钢轨3及隔离弹簧下定位板108采用低密度高强度合金材料代替钢轨及钢质隔离弹簧下定位板，并对钢轨头部削平以降低参振质量，如图8所示是头部削平的钢轨3，如图9-10所示是对应轻型优化的隔离弹簧下定位板108，使等效连接件质量m11降低到原来的25％，从而有效频率上限提高约2倍左右。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，无需经过创造性劳动就能够联想到的技术特征，还可以做出若干变型和改进，这些变化显然都应视为等同特征，仍属于本发明的保护范围之内。