本发明涉及一种空气弹簧三向复合加载疲劳试验装置及方法，模似实际运行工况对空气弹簧进行复合加载疲劳试验。
背景技术
随着铁路客运的提速以及动车组的发展，对车辆的动力学性能也提出了更高的要求，传统列车上的悬挂系统难以满足高速行车的需要。空气弹簧具有非线性特点，可根据车辆振动性能设计成较为理想的弹性特性曲线；可使空、重车自振频率几乎相等；配合高度控制阀使用可使车体在不同载荷作用下，保持车辆地板面距轨面高度不变；具有良好的吸收高频振动的性能。基于空气弹簧的优良特性，空气弹簧在铁路客车、动车组、地铁车辆、轻轨车辆和磁浮列车等领域得到广泛应用，并逐步取代传统的二系悬挂系统。
空气弹簧工作变形大，在垂向、横向和纵向载荷工况下处于复杂应力状态，其主要失效形式之一是橡胶材料裂纹扩展导致的疲劳破坏。当前，研究空气弹簧疲劳失效的方法有两种：一是以连续介质力学为基础的裂纹萌生法，该方法是通过给定的损伤参量预测橡胶的疲劳裂纹萌生寿命；二是以断裂力学为基础的疲劳裂纹扩展法，该方法是在已知裂纹几何信息、裂纹扩展速率与撕裂能之间的幂率关系等条件下，预测橡胶的疲劳裂纹扩展寿命。而这两种方法只是一种纯理论的研究方法。
目前，空气弹簧的试验技术主要涉及静态刚度试验、受迫振动动态性能、自由振动动态性能、扭转刚度、扭剪刚度、单扭摆疲劳、双扭摆疲劳、高低温性能，这些试验大都是静态单向、双向和动态单向加载，只能测试出空气弹簧的具体性能参数，无法实现垂向、横向动态加纵向偏置位移的三向复合加载疲劳试验。如何根据空气弹簧的实际应用工况，从实际运用的角度出发，研制一种能同时实现对空气弹簧施加垂向、横向和纵向载荷的复合加载试验方案，研究空气弹簧的疲劳性能，对改善车辆转动架动力学性能具有非常重要的意义。
检索到的相关的现有专利文献为：
1、cn201510348550.7,摆臂长度调节装置及成对空气弹簧扭摆疲劳试验装置；
2、cn201610159185.x，空气弹簧扭转与剪切复合加载试验装置；
3、cn201610516686.9，一种模拟实车工作状态的空气弹簧疲劳试验机。
技术实现要素：
本发明提供的空气弹簧三向复合加载疲劳试验装置，可模拟空气弹簧实际运行工况中的承载状况，同时对空气弹簧施加垂向动态载荷、横向动态载荷和纵向静态载荷，掌握空气弹簧在承载过程中的疲劳损耗和裂纹萌生及护展的情况，掌握垂向载荷与横向载荷同时达到最大值时，空气弹簧的型变状况，准确反映空气弹簧的疲劳性能，检测空气弹簧的疲劳寿命，为优化空气弹簧结构提供可靠性和准确的试验过程和数据。本发明还提供一种空气弹簧三向复合加载疲劳试验方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
空气弹簧三向复合加载疲劳试验装置，包括支座，其特征在于还包括用于对空气弹簧施加横向动态载荷的横向加载组件、用于对空气弹簧施加垂向动态载荷的垂向加载组件和用于使空气弹簧发生纵向变形的纵向偏置组件，所述的横向加载组件沿空气弹簧前后向设置装在支座上，纵向编置组件装在横向加载组件上且在横向加载组件上的定位位置可调节，空气弹簧装在纵向偏置组件上，垂向加载组件沿垂向设置装在空气弹簧的正上方，且与空气弹簧接触。
优选的，所述的垂向加载组件包括上端可与垂直向油缸连接的导杆，与导杆导向配合的上导向组件和与支座导向配合的下导向组件，所述的导杆下端与空气弹簧接触，上导向组件与下导向组件上下对齐设置，上导向组件与位于支座左右两侧且与地面固定的垂直立柱固定，下导向组件装在支座上。
优选的，所述的上导向组件包括与垂直立柱固定的横梁和装在横梁上并与导杆配合的直线轴承，所述的下导向组件包括导向板和装在导向板上并与导杆固定套装的套筒，所述的导向板与支座导向配合。
优选的，所述的支座包括底座和装在底座左右两侧且沿垂向设置的侧板，所述的导向板端部与侧板导向配合，两个侧板之间连接有连接板，导杆贯穿连接板。
优选的，所述的横向加载组件包括装在支座上的滚筒组件、设置在滚筒组件上且与滚筒组件滑移配合的滑板、与滑板左右两侧导向配合的导轨和固定在滑板前端且可与横向油缸连接横向推力杆，纵向编置组件安装在滑板上且在滑板上的定位位置可调节。
优选的，所述的纵向偏置组件包括装在滑板上的安装座和沿空气弹簧左右向设置的调节丝杆，所述的调节丝杆设置于安装座的左侧或右侧，一端与安装座螺纹配合连接，另一端与支座螺纹配合，安装座在滑板上的定位位置可沿调节丝杆方向调节。
优选的，所述的安装座呈镂空形状，底部开有与调节比杆平行的条形孔，滑板上开与条形孔相对应的锥形定位沉孔，且锥形定位沉孔沿腰形孔方向间隔分布多个，锥形定位销穿过条形孔并紧固在其中的一个锥形定位沉孔中。
优选的，所述的导轨的横截面呈l字型，滑板的左右两侧均呈台阶状，伸入导轨中，且滑板左侧面或右侧面上均装有与导轨相接触的滚棒，所述的滚棒在滑板的侧面均匀间隔分布，且随滑板的滑动沿导轨滚动。
空气弹簧三向复合加载疲劳试验方法，采用以上所述的空气弹簧三向复合加载疲劳试验装置进行试验，步骤如下：
第一步，将纵向偏置组件与垂向加载组件轴向对齐，置于横向加载组件上，再将空气弹簧装在纵向偏置组件上；
第二步，根据纵向承载要求，改变纵向偏置组件在横向加载组件上的位置并定位，使空气弹簧发生纵向变形；
第三步，将横向加载组件连接横向油缸，将垂向加载组件连接垂向油缸，并在横向油缸和垂向油缸的伸出端分别连接位移传感器和载荷传感器；
第四步，同时启动横向油缸和垂向油缸，对空气弹簧进行动态加载，通过外部系统接收位移传感器和载荷传感器的感应数据并记录。
优选的，所述的“第二步”具体为:
首先，将调节丝杆与安装座螺纹连接后，转动调节丝杆，顶推安装座，改变安装座在滑板上的位置，使空气弹簧发生纵向变形；
然后，用锥形定位销穿过条形孔并紧固在锥形定位沉孔中，使安装座定位在滑板上；
最后，松开安装座与调节丝杆的螺纹连接，使调节丝杆与安装座分离。
本发明的有益效果是：
1、模拟空气弹簧实际运行工况中的承载状况，同时对空气弹簧施加垂向动态载荷、横向动态载荷和纵向静态载荷，掌握空气弹簧在承载过程中的疲劳损耗和裂纹萌生及护展的情况，掌握垂向载荷与横向载荷同时达到最大值时，空气弹簧的型变状况，准确反映空气弹簧的疲劳性能，检测空气弹簧的疲劳寿命，为优化空气弹簧结构提供可靠性和准确的试验过程和数据。
2、垂向加载组件中包括上导向组件和下导向组件，双重导向结构定位垂直加载方向，缩短导向点到加载点的臂长，减小导柱的摩擦力，有效提高导柱的抵侧倾能力，提高垂向加载的试验准确性和可靠性。
3、横向加载组件通过滑板与滚筒组件的滑移配合实现空气弹簧的横向运动，滑板与滚筒组件中滚筒为滚动配合，可施加较大的横向位移，其摩擦接触面积大，散热性能高，可承受较长的试验时间。
4、纵向偏置组件通过调节丝杆顶推安装座，调节安装座的位置，从而使空气弹簧发生纵向变形，空气弹簧的纵向变形调节方便，易于实现空气弹簧的纵向偏置，并方便调节纵向偏置位移。
5、在横向加载组件的滑板上设置与导轨接触的滚棒，滚棒随滑板的滑动沿导轨滚动，将空气弹簧纵向变形产生的反作用力通过滚棒施加在导轨上，通过滚棒在导轨上的滚动，减小滑板与导轨间的摩擦力，提高滑板与导轨间的摩擦散热效率，减小滑板和导轨的磨损，从而提高横向加载的试验数据准确性，并延长横向加载组件的使用寿命。
附图说明
图1为具体实施方式中空气弹簧三向复合加载疲劳试验装置的主视图。
图2为不带上导向组件时空气弹簧三向复合加载疲劳试验装置的结构示意图。
图3为图2的主视图。
图4为安装座的结构示意图。
图5为滑板的剖视图。
图6为图2中a处的放大示意图。
具体实施方式
下面将通过附图1~6和实施例对本发明做进一步的描述。
空气弹簧三向复合加载疲劳试验装置，包括支座1，其特征在于还包括用于对空气弹簧施加横向动态载荷的横向加载组件2、用于对空气弹簧施加垂向动态载荷的垂向加载组件3和用于使空气弹簧发生纵向变形的纵向偏置组件4，所述的横向加载组件2沿空气弹簧前后向设置装在支座1上，纵向编置组件4装在横向加载组件2上且在横向加载组件2上的定位位置可调节，空气弹簧装在纵向偏置组件4上，垂向加载组件3沿垂向设置装在空气弹簧的正上方，且与空气弹簧接触。
如图1所示，垂向加载组件3从垂向施加载荷，横向加载组件2从横向即空气弹簧的前后向施加载荷，纵向偏置组件4从纵向即空气弹簧的左右向施加纵向偏置载荷，其中垂向载荷与横向载荷均为动态载荷，纵向载荷为静态载荷，与空气弹簧的实际运行工况相符，对空气弹簧实际运行工况中的承载状况进行模拟，同时对空气弹簧施加垂向动态载荷、横向动态载荷和纵向静态载荷，掌握空气弹簧在承载过程中的疲劳损耗和裂纹萌生及护展的情况，掌握垂向载荷与横向载荷同时达到最大值时，空气弹簧的型变状况，准确反映空气弹簧的疲劳性能，检测空气弹簧的疲劳寿命，为优化空气弹簧结构提供可靠性和准确的试验过程和数据。
其中，所述的垂向加载组件3包括上端可与垂直向油缸连接的导杆31，与导杆31导向配合的上导向组件32和与支座1导向配合的下导向组件33，所述的导杆31下端与空气弹簧接触，上导向组件32与下导向组件33上下对齐设置，上导向组件32与位于支座1左右两侧且与地面固定的垂直立柱固定，下导向组件33装在支座1上。
所述的上导向组件32包括与垂直立柱固定的横梁32.1和装在横梁32.1上并与导杆31配合的直线轴承32.2，所述的下导向组件33包括导向板33.1和装在导向板33.1上并与导杆31固定套装的套筒33.2，所述的导向板33.1与支座1导向配合。
所述的支座1包括底座11和装在底座11左右两侧且沿垂向设置的侧板12，所述的导向板33.1端部与侧板12导向配合，两个侧板12之间连接有连接板13，导杆31贯穿连接板13。
从图中可以看出，导柱31通过上导向组件32和下导向组件33一同导向，而且下导向组件中的导向板33.1与支座1的侧板12导向配合，当导柱31上下运动对空气弹簧100施加动态载荷时，导柱31会在直线轴承32.2中来回运动，而导向板33.1会随导杆31的运动而运动，但导向板33.1的运动并不会增加导杆31的摩擦，因此虽然具有双重导向功能，有效提高了导向准确性和导柱的抵侧倾能力，但导杆31的摩擦力并不会增加，可有效减小导杆31的磨损。而且横梁32.1上的直线轴承32.2与导柱31的导向配合结构，相比对现有技术中四立柱式框架导向的结构，缩短了导向点到加载点的距离，减小了垂向加载组件3的空间体积，提高了试验装置的结构紧凑性。
其中，所述的横向加载组件2包括装在支座1上的滚筒组件21、设置在滚筒组件21上且与滚筒组件21滑移配合的滑板22、与滑板22左右两侧导向配合的导轨23和固定在滑板22前端且可与横向油缸连接横向推力杆24，纵向编置组件4安装在滑板22上且在滑板22上的定位位置可调节。当横向推可杆24与横向油缸连接后，通过推动滑板22在滚筒组件21上的往复运动来实现空气弹簧的横向加载，可施加较大的横向位移，滚筒组件21由多根滚筒并列组装而成，通过滑板22的往复运动来带动滚筒转动，滚筒与滑板22的接触面积大，摩擦散热效率更高，可承受较长的试验时间，滑板22的磨损率更低，使用寿命也更长。
其中，所述的纵向偏置组件4包括装在滑板22上的安装座41和沿空气弹簧左右向设置的调节丝杆42，所述的调节丝杆42设置于安装座41的左侧或右侧，一端与安装座41螺纹配合连接，另一端与支座1螺纹配合，安装座41在滑板22上的定位位置可沿调节丝杆42方向调节。
所述的安装座41呈镂空形状，底部开有与调节比杆42平行的条形孔41.1，滑板22上开与条形孔41.1相对应的锥形定位沉孔22.1，且锥形定位沉孔22.1沿腰形孔41.1方向间隔分布多个，锥形定位销穿过条形孔41.1并紧固在其中的一个锥形定位沉孔22.1中。
在初始安装时，先将安装座41置于滑板22上，不要进行定位，再根据空气弹簧100的纵向变形需求，用调节丝杆42顶推安装座41，使安装座41在滑板22上沿空气弹簧左右向移动，空气弹簧产生纵向变形，达到变形需求后，通过锥形定位销将安装座41定位在滑板22上，使空气弹簧纵向偏置，空气弹簧的纵向变形调节方便，易于实现空气弹簧的纵向偏置，并方便调节纵向偏置位移。在开始垂向和横向加载前，要将调节丝杆42与安装座41分离，以免对空气弹簧的横向加载形成干涉。
其中，所述的导轨23的横截面呈l字型，滑板22的左右两侧均呈台阶状，伸入导轨23中，且滑板22左侧面或右侧面上均装有与导轨23相接触的滚棒22.2，所述的滚棒22.2在滑板22的侧面均匀间隔分布，且随滑板22的滑动沿导轨23滚动。
当滑板22滑动时，滚棒22.2随滑板的滑动沿导轨23滚动，将空气弹簧纵向变形产生的反作用力通过滚棒22.2施加在导轨23上，通过滚棒22.2在导轨23上的滚动，减小滑板与导轨间的摩擦力，提高滑板与导轨间的摩擦散热效率，减小滑板和导轨的磨损，从而提高横向加载的试验数据准确性，并延长横向加载组件的使用寿命。
本发明还保护一种空气弹簧三向复合加载疲劳试验方法，采用以上所述的空气弹簧三向复合加载疲劳试验装置进行试验，步骤如下：
第一步，将纵向偏置组件1与垂向加载组件3轴向对齐，置于横向加载组件2上，再将空气弹簧装在纵向偏置组件1上；
第二步，根据纵向承载要求，改变纵向偏置组件1在横向加载组件2上的位置并定位，使空气弹簧发生纵向变形；
第三步，将横向加载组件2连接横向油缸，将垂向加载组件3连接垂向油缸，并在横向油缸和垂向油缸的伸出端分别连接位移传感器和载荷传感器；
第四步，同时启动横向油缸和垂向油缸，对空气弹簧进行动态加载，通过外部系统接收位移传感器和载荷传感器的感应数据并记录。
所述的“第二步”具体为:
首先，将调节丝杆42与安装座41螺纹连接后，转动调节丝杆42，顶推安装座41，改变安装座41在滑板22上的位置，使空气弹簧发生纵向变形；
然后，用锥形定位销穿过条形孔41.1并紧固在锥形定位沉孔22.1中，使安装座41定位在滑板22上；
最后，松开安装座41与调节丝杆42的螺纹连接，使调节丝杆42与安装座41分离。
以上所述的试验方法，垂向加载组件3从垂向施加载荷，横向加载组件2从横向即空气弹簧的前后向施加载荷，纵向偏置组件4从纵向即空气弹簧的左右向施加纵向偏置载荷，其中垂向载荷与横向载荷均为动态载荷，纵向载荷为静态载荷，与空气弹簧的实际运行工况相符，对空气弹簧实际运行工况中的承载状况进行模拟，同时对空气弹簧施加垂向动态载荷、横向动态载荷和纵向静态载荷，掌握空气弹簧在承载过程中的疲劳损耗和裂纹萌生及护展的情况，掌握垂向载荷与横向载荷同时达到最大值时，空气弹簧的型变状况，准确反映空气弹簧的疲劳性能，检测空气弹簧的疲劳寿命，为优化空气弹簧结构提供可靠性和准确的试验过程和数据；通过位移传感器和载荷传感器实时记录垂向与横向的动态载荷与变形位移，形成完整的空气弹簧疲劳失效过程试验数据，为空气弹簧的结构进一步优化提供可靠而有效的试验数据支持。
以上结合附图对本发明实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。