一种评价车轮结构可靠性的装置及可靠性评价方法与流程
本发明属于轨道交通车辆技术领域，具体涉及一种评价车轮结构可靠性的装置及可靠性评价方法。
背景技术
随着轨道交通的快速发展，列车在运行过程中产生的振动和噪声污染已成为影响城市环境的突出问题。轨道交通噪声主要由轮轨噪声、牵引噪声和空气动力噪声组成，其中轮轨噪声占主要部分，为降低轮轨噪声，车轮必须具备减振降噪措施，在车轮上设置减振降噪措施日益成为硬性要求。
目前主要的低噪音车轮类型有组合式的弹性车轮、敷设阻尼构件(如阻尼环、屏蔽或阻尼板、动力吸振器)的阻尼车轮两大类。与常规的整体车轮相比，由于低噪音车轮是由金属车轮本体与阻尼构件(或者橡胶件)敷设或组合而成，无论是在车轮设计阶段还是实物服役过程中，首先应该考虑其结构的可靠性，否则在车辆运行过程中，由于轨道的不平顺引起的振动，轨道接头、异物等引起的多次重复或瞬间冲击，这些都有可能造成低噪音车轮上敷设(如粘接、嵌入)的阻尼构件、起固定作用的螺栓等松动、落或者断裂，直接影响车轮减振降噪效果与车辆的安全。
为了验证振动与冲击可靠性，目前的评价方法都只针对阻尼构件产品本身，如阻尼环、动力吸振器等开展评价，验证是否出现松动、脱落或者断裂等，但是当阻尼构件敷设在车轮本体后，阻尼构件的振动形式、特性等发生了改变，其次阻尼构件的固有频率与低噪音成品车轮的固有频率完全不同，再次阻尼件与车轮本体之间可能存在振动影响，所以需要设计一种针对低噪音车轮成品的可靠性进行评价的装置和方法，通过振动与冲击对低噪音车轮成品的可靠性进行评价。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种评价车轮结构可靠性的装置及基于该装置评价车轮结构可靠性的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种评价车轮结构可靠性的装置，包括振动平台、用于安装车轮的支撑机构、传感器和控制单元，所述车轮安装在所述支撑机构上，所述支撑机构安装在所述振动平台上，所述传感器安装在所述车轮上和所述车轮与所述支撑机构的连接处，所述动平台与所述传感器均与所述控制单元电连接。
进一步的，所述支撑机构包括底板、支撑基座、卡轴夹具，所述支撑基座安装在所述底板上，所述底板安装在所述振动平台上，所述卡轴夹具连接在所述支撑基座上。
进一步的，所述车轮安装在车轴上，所述支撑基座上远离所述底板的一端设有用于安装所述车轴的凹槽ⅰ，相应的所述卡轴夹具上设有用于卡紧所述车轴的凹槽ⅱ，所述凹槽ⅱ与所述凹槽ⅰ上下配合固定卡紧所述车轴。
进一步的，所述支撑基座上沿所述凹槽ⅰ的两侧设有安装孔ⅰ，所述卡轴夹具上沿所述凹槽ⅱ的两侧设有安装孔ⅱ，所述卡轴夹具通过紧固件穿过所述安装孔ⅰ和安装孔ⅱ连接在所述支撑基座上。
进一步的，所述卡轴夹具上设有键槽，所述车轴上设有键座，所述车轴通过键与所述键槽和所述键座连接在所述卡轴夹具上。
进一步的，所述传感器包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器设置在所述车轮的表面上对所述车轮的振动特性进行监控，所述第二传感器设置在所述卡轴夹具上对系统的输入激励进行监控。
进一步的，所述控制单元包括振动控制仪和将振动控制仪生成的驱动信号进行逐级放大的功率放大器，经所述功率放大器放大的驱动信号驱动所述振动平台工作，同时所述第二传感器将检测到的相应信号反馈回所述振动控制仪，将反馈回的信号与设定好的驱动所述振动平台工作的驱动普进行比较、修正，得出新的驱动谱驱动所述振动平台工作。
进一步的，所述制单元还包括数据处理器，所述第一传感器、第二传感器和所述振动控制仪均通过导线所述数据处理器连接。
本发明还涉及一种评价车轮结构可靠性的方法，基于上述评价车轮结构可靠性的装置进行评价车轮结构可靠性的方法包括如下步骤：
步骤1.首先按照实际车轮与车轴的压装工艺条件，将车轴压装在车轮上，再将车轮竖立固定在支撑机构上，然后将支撑机构安装在振动平台上；
步骤2.将车轮和支撑机构安装完毕后，按照技术要求布置测点和控制点，在车轴与支撑机构连接处布置控制点，在控制点处设置第二传感器，在车轮的表面上布置测点，在测点处设置第一传感器；连接振动控制仪、功率放大器、第一传感器、第二传感器和数据处理器，并做最终检查，无误后进行后续评价试验；
步骤3.在纵向、横向、垂向三个方向上均进行模拟长寿命试验、冲击试验和功能性随机振动试验，试验顺序为：每个方向先进行模拟长寿命试验再进行冲击试验最后进行功能性随机振动试验，纵向、横向、垂向三个方向在每个方向完成三个试验后，拆卸底板与振动平台之间的连接件，调转底板换下一个方向继续进行试验；
步骤4.完成模拟长寿命试验、冲击试验和功能性随机振动试验后，对车轮上的阻尼环、车轮的机械结构和车轮上起连接、紧固作用的构件进行检测和探伤，评价车轮结构的可靠性。
进一步的，所述模拟长寿命试验的试验条件为：进行垂向方向的试验时控制asd值为124.90(m/s2)2/hz、均方根值为144(m/s2)、测试时间为5h，进行横向方向的试验时控制asd值为100.20(m/s2)2/hz、均方根值为129(m/s2)、测试时间为5h，进行纵向方向的试验时控制asd值为25.02(m/s2)2/hz、均方根值为64.3(m/s2)、测试时间为5h；所述冲击试验的试验条件为：进行垂向、横向、纵向方向的试验时冲击波形为半正弦波、峰值加速度为1000a(m/s2)、持续时间为6d(ms)、冲击次数为正反各三次；每个方向的振动和冲击试验结束后，进行功能性随机振动试验，所述功能性随机振动试验的试验条件为：进行垂向方向的试验时控制asd值为8.74(m/s2)2/hz、均方根值为38(m/s2)、测试时间为10min，进行横向方向的试验时控制asd值为7.00(m/s2)2/hz、均方根值为34(m/s2)、测试时间为10min，进行纵向方向的试验时控制asd值为1.75(m/s2)2/hz、均方根值为17(m/s2)、测试时间为10min。
采用本发明技术方案的优点为：
1.本发明中的两块支撑基座作用主要起到支撑与固定车轴的作用，相对应的卡轴夹具与支撑基座上下配合固定卡紧车轴，防止车轴在振动与冲击过程中松动；底板主要起整体安置车轴与支撑基座和振动平台连接两个方面作用，在振动平台上做完某个方向试验后，只需拆卸底板与振动平台连接，调转底板继续做另一个方向试验，无需拆卸整体工装。
2.本发明在实验室条件下尽可能模拟车轮实际振动与冲击工况，车轮不是直接躺放在振动平台上，而是按照实际车轴压装工艺条件装轴后，车轮立固定在支撑机构上进行评价试验，使试验结果更接近实际情况。
3.本发明通过系列振动与冲击试验，可有效的对低噪音车轮成品的结构可靠性进行评价，试验方法有依据，试验手段易实现。试验所需装置设计结构简单、空间小、易拆卸与搬运、可操作性高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明评价车轮结构可靠性的装置的结构示意图。
图2为本发明支撑机构的结构示意图。
图3为本发明卡轴夹具的结构示意图。
上述图中的标记分别为：1、振动平台；2、车轮；21、车轴；211、键座；22、键；23、阻尼环；3、支撑机构；31、底板；32、支撑基座；321、凹槽ⅰ；322、安装孔ⅰ；323、加强板；324、第一板；325、第二板；33、卡轴夹具；331、凹槽ⅱ；332、安装孔ⅱ；333、键槽；4、传感器；41、第一传感器；42、第二传感器；5、控制单元；51、振动控制仪；52、功率放大器；53、数据处理器。
具体实施方式
在本发明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1、图2、图3所示，一种评价车轮结构可靠性的装置，包括振动平台1、用于安装车轮2的支撑机构3、传感器4和控制单元5，车轮2安装在支撑机构3上，支撑机构3安装在振动平台1上，传感器4安装在车轮2上和车轮2与支撑机构3的连接处，动平台1与传感器4均与控制单元5电连接。支撑机构3包括底板31、支撑基座32、卡轴夹具33，支撑基座32安装在底板31上，底板31安装在振动平台1上，卡轴夹具33连接在支撑基座32上。
车轮2安装在车轴21上，支撑基座32上远离底板31的一端设有用于安装车轴21的凹槽ⅰ321，相应的卡轴夹具33上设有用于卡紧车轴21的凹槽ⅱ331，凹槽ⅱ331与凹槽ⅰ321上下配合固定卡紧车轴21。支撑基座32上沿凹槽ⅰ321的两侧设有安装孔ⅰ322，卡轴夹具33上沿凹槽ⅱ331的两侧设有安装孔ⅱ332，卡轴夹具33通过紧固件穿过安装孔ⅰ322和安装孔ⅱ332连接在支撑基座32上。本发明中的两块支撑基座作用主要起到支撑与固定车轴21的作用，相对应的卡轴33夹具与支撑基座32上下配合固定卡紧车轴21，防止车轴21在振动与冲击过程中松动；底板31主要起整体安置车轴21与支撑基座32和振动平台1连接两个方面作用，在振动平台1上做完某个方向试验后，只需拆卸底板31与振动平台1连接，调转底板31继续做另一个方向试验，无需拆卸整体工装。
上述卡轴夹具33上设有键槽333，车轴21上设有键座211，车轴21通过键22与键槽333和键座211连接在卡轴夹具33上；优选的，键22为半圆键。支撑基座32为“l”型结构，支撑基座32包括第一板324和第二板325，第二板325垂直连接在第一板324上，凹槽ⅰ321设置在第二板325的顶部，第一板324通过紧固件安装在底板31上，支撑基座32上设有加强板323，加强板323的一边连接在第一板324上，加强板323的另一边连接在第二板325上。
上述传感器4包括第一传感器41和第二传感器42，第一传感器41设置在车轮2的表面上对车轮2的振动特性进行监控，第二传感器42设置在卡轴夹具33上对系统的输入激励进行监控。
控制单元5包括振动控制仪51、将振动控制仪51生成的驱动信号进行逐级放大的功率放大器52和数据处理器53，经功率放大器52放大的驱动信号驱动振动平台1工作，同时第二传感器42将检测到的相应信号反馈回振动控制仪51，将反馈回的信号与设定好的驱动振动平台1工作的驱动普进行比较、修正，得出新的驱动谱驱动振动平台1工作。上述第一传感器41、第二传感器42和振动控制仪51均通过导线数据处理器53连接。
将振动控制仪51生成的驱动信号进行逐级放大的功率放大器52，经功率放大器52放大的驱动信号驱动振动平台1工作，同时第二传感器42将检测到的相应信号反馈回振动控制仪51，将反馈回的信号与设定好的驱动振动平台1工作的驱动普进行比较、修正，得出新的驱动谱驱动振动平台1工作，如此反复进行，使驱动普达到并满足试验控制的精度要求，控制点选择在卡轴夹具与试验件连接螺钉处，传感器与固定点刚性连接，控制点的振动不低于控制下限，控制方式为平均控制。优选，传感器用快干胶及环氧树脂胶粘贴。为避免在试验期间传感器、连接导线松动而导致信号丢失，因而在试验前对振动系统进行自检，以检验由传感器、振动控制器、功率放大器和数据处理器组成的测量系统连接的完好性。
本发明评价车轮结构可靠性的装置在制作实施前经过仿真分析和计算，满足试验刚度要求；且该装置设计结构简单、空间小、易拆卸与搬运、可操作性高。
本发明在实验室条件下尽可能模拟车轮实际振动与冲击工况，车轮2不是直接躺放在振动平台1上，而是按照实际车轴压装工艺条件装轴后，车轮2立固定在支撑机构3上进行评价试验。
基于上述评价车轮结构可靠性的装置进行评价车轮结构可靠性的方法包括如下步骤：
步骤1.首先按照实际车轮2与车轴21的压装工艺条件，将车轴21压装在车轮2上，再将车轮2竖立固定在支撑机构3上，然后将支撑机构3安装在振动平台1上；支撑基座32固定在底板31上后，把压装好的车轮2安置在支撑基座32上，与卡轴夹具33配合固定卡住车轴21，完毕后车轮2与工装整体安置在大功率振动平台1上，阻尼环23安装时不能在车轮本体卡死。
步骤2.将车轮2和支撑机构3安装完毕后，按照技术要求布置测点和控制点，在车轴21与支撑机构3连接处布置控制点，在控制点处设置第二传感器42，用于对系统的输入激励进行监控，在车轮2的表面上布置测点，在测点处设置第一传感器41，用于对车轮2的振动特性进行监控；连接振动控制仪51、功率放大器52、第一传感器41、第二传感器42和数据处理器53，并做最终检查，无误后进行后续评价试验。
步骤3.在纵向、横向、垂向三个方向上均进行模拟长寿命试验、冲击试验和功能性随机振动试验，试验顺序为：每个方向先进行模拟长寿命试验再进行冲击试验最后进行功能性随机振动试验，纵向、横向、垂向三个方向在每个方向完成三个试验后，拆卸底板31与振动平台1之间的连接件，调转底板31换下一个方向继续进行试验，直到完成三个方向的试验。
模拟长寿命试验的试验方法按iec61373-2010条款9中三类条件进行，车轮2的重量m＝325kg，确定f2＝200hz；模拟长寿命试验的试验条件为：进行垂向方向的试验时控制asd值为124.90(m/s2)2/hz、均方根值为144(m/s2)、测试时间为5h，进行横向方向的试验时控制asd值为100.20(m/s2)2/hz、均方根值为129(m/s2)、测试时间为5h，进行纵向方向的试验时控制asd值为25.02(m/s2)2/hz、均方根值为64.3(m/s2)、测试时间为5h。
冲击试验的试验方法按iec61373-2010条款10中三类条件进行，试验施加于整套车轮2，冲击试验的试验条件为：进行垂向、横向、纵向方向的试验时冲击波形为半正弦波、峰值加速度为1000a(m/s2)、持续时间为6d(ms)、冲击次数为正反各三次；每个方向的振动和冲击试验结束后，进行功能性随机振动试验。
功能性随机振动试验的试验方法按iec61373-2010条款8中三类条件进行，车轮重量m＝325kg，确定f2＝200hz；功能性随机振动试验的试验条件为：进行垂向方向的试验时控制asd值为8.74(m/s2)2/hz、均方根值为38(m/s2)、测试时间为10min，进行横向方向的试验时控制asd值为7.00(m/s2)2/hz、均方根值为34(m/s2)、测试时间为10min，进行纵向方向的试验时控制asd值为1.75(m/s2)2/hz、均方根值为17(m/s2)、测试时间为10min
步骤4.完成模拟长寿命试验、冲击试验和功能性随机振动试验后，对车轮2上的阻尼环23、车轮2的机械结构和车轮2上起连接、紧固作用的构件进行检测和探伤，评价车轮结构的可靠性。具体评价方式为：所有试验完成之后，如果达到了以下所有要求，则可认为通过本发明可靠性试验：①低噪音车轮整体外观和机械结构没有发生变化，无裂纹；②阻尼构件不得有错位、松脱、损坏；③车轮上起连接、紧固的构件不得有松脱。
模拟长寿命试验用来验证在模拟环境条件下低噪音车轮机械结构的完好性；冲击试验用来模拟低噪音车轮在运行过程中抗冲击能力；功能性随机振动试验用来验证低噪音车轮在车辆可能的环境条件下完好性。
本发明通过系列振动与冲击试验，可有效的对低噪音车轮成品的结构可靠性进行评价，试验方法有依据，试验手段易实现。试验所需装置设计结构简单、空间小、易拆卸与搬运、可操作性高。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
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