一种高速动车组转臂节点动刚度测试装置及测试方法与流程

本发明属于铁路设备技术领域，具体涉及一种高速动车组转臂节点动刚度测试装置及测试方法。

背景技术：

近年来，随着我国高速铁路大规模开通运营，服役高速动车组的中、高频振动问题相较普速车辆越来越突出。例如：激励频率高达500-600hz的严重车轮高阶多边形能造成轴箱端盖螺栓断裂、车内噪声超标，对高速动车组的安全运营和运行品质造成不利影响。为了解决高速转向架异常高频振动问题，对转向架部件的动态特性特别是50-1000hz中、高频动态特性的研究越来越受重视。转臂节点作为弹性连接轴箱与转向架构架的一个重要装置，在保证高速动车组安全性与舒适性方面起着很大的作用。转臂节点由金属外套、金属芯轴和金属嵌套橡胶三部分组成。转臂节点安装到动车组上时，金属外套压装到轴箱转臂上，金属芯轴通过机械安装方式与转向架构架紧固安装。动车组运行时，通过转臂节点金属嵌套橡胶的压缩与剪切作用所形成的纵向刚度与横向刚度来保证列车运行的稳定性与舒适性。由于转臂节点的静刚度及10hz以内的低频动态及其动态特性转臂节点直接影响高速动车组的运行稳定性和平稳性。因此，对转臂节点10hz以内静、动态特性的研究一直是业界研究的重点，目前10hz以内转臂节点静、动刚度的测试方法已非常成熟。

连接轴箱和构架的转臂节点，除影响高速动车组的运行稳定性和平稳性外，其还是轮轨中、高频振动由轴箱传递到构架的一个重要途径，其动刚度特性直接影响构架的隔振效果。因此，为了降低500-600hz的构架异常振动幅值和解决由此导致的车内噪声超标问题，开展转臂节点中、高频动态特性研究对保证列车运行性能有着很强的实际意义。由于转臂节点内部材料为橡胶，橡胶具有高度非线性特征，并且橡胶刚度对频率变化非常敏感，完全利用理论分析的方法获取其动态特性是一件十分困难的事。当前获取其动态特性还得依靠测试技术，通过对其动刚度测试获取其中、高频动态特性。因此，获取转臂节点中、高频动态特性必须解决其高频动刚度测试问题。

现有的转臂节点刚度测试装置和测试技术主要只涉及转臂节点的静刚度研究，动刚度频率测量范围最高只能达到50hz,频率范围太低，不能满足50-1000hz的动刚度测试要求。现有的结构部件的通用动刚度测试技术一般普遍使用力锤敲击法和小型移动式电磁激振器激振的方式，但以上两种测试方式用于模拟转臂节点真实服役状态下的动刚度测试均不是十分合适。在高速动车组运行的过程中转臂节点承受的径向预压力可达10kn以上，在0-1000hz的频率范围内，其承受的动态力可达±10kn。而力锤敲击法和小型移动式电磁激振器激振（可输出的最大动态力小于4kn）均存在激励能量不够高的问题，从而导致测试精度低。

对于转臂动刚度的测试必须解决宽频、大动态激振力输入问题。此外，还需解决测试过程中的预加载问题。本装置采用高频大功率输出固定式电磁振动台技术，使0-1000hz频率范围内动态激振力能达±10kn以上，设计了转臂节点径向预压力可调加载功能，解决了模拟转臂节点真实服役状态下的中、高频动刚度测试问题，从而使测试结果相比以往的测试装置和测试方法更加精确。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中测试工具测量频率范围低，测试精度差等技术问题，提供了一种高速动车组转臂节点动刚度测试装置及测试方法，通过合理设计支撑组件、预加载组件、激振组件以及配套的控制装置，可准确模拟转臂的受力情况，取得精确的测试结果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高速动车组转臂节点动刚度测试装置，包括用于放置待测试的轴箱转臂节点的支撑组件和配套的控制装置，其特征在于，在所述支撑组件的下方设有用于向所述支撑组件施加预载荷的预加载组件以及向所述支撑组件施加激振力的激振组件。

本发明还提供了一种高速动车组转臂节点动刚度测试方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤a，将轴箱转臂节点放置在支撑组件内，控制预加载组件向所述支撑组件中的支撑板施加静态预载荷；步骤b，控制激振组件向所述支撑板施加激振力，传感器采集转臂节点所受的动态载荷力和转臂节点芯轴所受的振动加速度数据并传输至外接计算机的数据采集系统；步骤c，外接计算机对采集到的力和振动加速度数据进行处理，计算轴箱转臂节点的动刚度。

本发明的有益效果是：利用预加载组件能够准确模拟转臂所受预载荷静力情况，利用高频大功率输出电磁激振器（电磁振动台）提供动载荷模拟由于实际动车组实际运行过程中的高频振动导致转臂所受的高频动载荷，设置弹簧消除动、静载荷之间的耦合影响，使结果更加精确，实用价值高。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明高速动车组转臂节点动刚度测试装置的结构示意图；

图2是本发明高速动车组转臂节点动刚度测试装置的另一结构示意图；

图3是本发明高速动车组转臂节点动刚度测试装置的控制原理图。

在附图中：1是龙门架，2是测力板，3是上挡板，4是轴箱转臂节点，5是输出振动加速度传感器，6是支撑板，7是弹簧，8是弹簧支撑板，9是液压油缸，10是刚性地基，11是激振器，12是激振杆。

具体实施方式

参见附图1和2，本发明提供了一种高速动车组转臂节点动刚度测试装置，包括用于放置待测试的轴箱转臂节点4的支撑组件和配套的控制装置，关键在于：在支撑组件的下方设有用于向支撑组件施加预载荷的预加载组件以及向支撑组件施加激振力的激振组件。

上述的预加载组件在支撑组件的底部两侧对称设置有两组，激振组件位于两组预加载组件之间。预加载组件包括液压油缸9以及设置在液压油缸9的伸缩杆与支撑组件间的弹簧7。在液压油缸9的伸缩杆顶部设有弹簧支撑板8，弹簧7的两端分别限位在支撑组件的底部和弹簧支撑板8的顶部，通过液压油缸9的伸缩杆伸出的长度即可调节对支撑组件施加的预载荷（伸缩杆伸出的长度越长则施加的力越大，反之则越小）。弹簧7的作用是消除在进行测试时支撑组件所受静态力和动态力之间的相互影响。

上述的激振组件包括激振器11以及设置在激振器11和支撑组件间的激振杆12。由于电磁激振器（电磁振动台）具有输出功率大，频率高，输出稳定的特点，能够满足实际转臂节点动刚度测试需求，故本实施例中激振器11采用电磁激振器。

上述的支撑组件包括用于支撑轴箱转臂节点4两端芯轴的支撑板6以及用于限位轴箱转臂节点4外套的上挡板3，上挡板3与支撑板6平行设置且借助龙门架1位于支撑板6的上方。在上挡板3和支撑板6上分别设置有用于限位轴箱转臂节点4的外套和芯轴的弧形凹槽，以便于放置轴箱转臂节点4。采用上述结构的支撑组件，具有大刚度，受力变形小的特点。龙门架1的底部与刚性地基10相固定。

上述的控制装置包括设置在上挡板3与龙门架1之间的输出力传感器2、设置在支撑板6上的输出振动加速度传感器5，预加载组件的控制端、激振组件的控制端、输出力传感器2和输出振动加速度传感器5与外接计算机的数据采集系统相连。

本发明的装置整体固定在刚性地基10上。通过固定在刚性地基10上的龙门架1固定支撑组件中的上挡板3，通过固定在刚性地基10上的预加载组件和激振组件连接支撑组件中的支撑板6。通过上挡板3和支撑板6可以放置和限位待测试的轴箱转臂节点4。其中，激振组件中的激振器11放置在地基上，激振器11、激振杆12通过支撑板6与待测试元件相连接。预加载组件中的液压油缸9固定在刚性地基10上，通过弹簧支撑板8和弹簧7与支撑板6相连实现对待测试元件施加预载荷，来模拟动车组在运行过程中轴箱转臂节点所受的真实载荷。然后通过输出力传感器2和支撑板6上设置的输出振动加速度传感器5实现在模拟过程中数据的采集。

参见附图3，本发明还提供了一种高速动车组转臂节点动刚度测试方法，基于上述的装置，包括以下步骤。

步骤a，将轴箱转臂节点4放置在支撑组件内，控制预加载组件向支撑组件施加静态预载荷。

进行测试时施加的具体的静态预载荷大小根据安装转臂节点的实际动车组车辆的重量来定，静态预载荷的可调范围为0~15kn。例如：对于安装在crh380b型动车组车辆的转臂节点，进行测试时，要求施加的静态预载荷为10kn。通过调节液压油缸9中油压的大小，来调整静态预载荷的大小，并通过液压油缸伸缩杆将预载荷施加到弹簧支撑板8，然后通过弹簧支撑板8将预载荷传递到弹簧7，最终通过弹簧7以及支撑板6将预载荷施加到轴箱转臂节点4的芯轴上。

步骤b，控制激振组件向支撑组件中的支撑板6施加动态激振力，同时通过传感器采集转臂节点所受的动态载荷力和转臂节点芯轴所受的振动加速度数据并传输至外接计算机的数据采集系统，其中激振力的施加方向与轴箱转臂节点4在实际运用中的受力方向一致。

为模拟高速动车组开始运行时，由轮轨激励及其他因素影响，转臂节点受到的动载荷，由外接计算机向激振组件发出控制信号，经过功率放大器，控制激振器9产生激振力，激振力通过激振杆12作用到轴箱转臂节点4的芯轴上，模拟转臂节点所受的动载荷。激振力的加载方向与转臂节点在实际应用中受力方向一致。测试时施加的具体的动态载荷的大小和激励频率根据安装于不同动车组上转臂节点实际运用中可能所受动态载荷的大小和激励频率的范围来确定。例如对于安装于crh380b型动车组的转臂节点进行试验时，设定电磁激振器激振频率范围为10～1000hz，通过正弦信号步进加载（步进频率：2hz）方式进行加载。由于可能受车轮多边形激励影响，在600hz左右动态激振力能达±10kn左右，相应此时转臂节点的振动加速度约为150g（g代表重力加速度），因此，在10～1000hz频率范围内，外接计算机给定至电磁激振器输出振动幅值大小按以下要求设置：激振频率在600~1000hz范围内时，振动加速度a=150g（g代表重力加速度）；激振频率在10~600hz范围内时，振动加速度a=90000/f²，f是激振频率。

详细实施步骤如下：（1）、由外接计算机向激振组件的控制端发出某一振动频率f和振动加速度幅值a大小的指令；（2）、激振组件的控制端按外接计算机发出的振动频率、振动幅值大小指令控制电磁激振器输出动态激振力使支撑板6带动转臂节点的芯轴一起振动；（3）、激振组件的控制端同步采集支撑板6的振动加速度信号，分析采集到的振动加速度信号的频率和幅值大小并与外接计算机给定的振动频率f和振动加速度幅值a大小进行比较分析偏差大小；（4）、激振组件的控制端根据振动频率和振动幅值偏差按pid控制算法分别自动进行振动频率和振动幅值控制，使其控制在允许的偏差范围内，保持振动频率和振动幅值稳定。

待电磁激振器输出的振动频率和幅值稳定后，利用数据采集系统对各传感器采集到的力和加速度数据进行采集，并传递到外接计算机。

从最低激振频率开始测试，以频率步进递增的方式，重复上述步骤，直到达到最高激振频率。

步骤c，外接计算机对采集到的力和振动加速度数据进行处理。通过正弦信号加载测试后，得到该振动频率下力与加速度测试位置两个测点之间z向即竖直方向的频响函数(frf)，包括实部和虚部。通过安装在支撑板6上的输出振动加速度传感器5采集到的正弦振动加速度信号幅值a与安装在上挡板3上的输出力传感器2采集到的正弦动态力f的幅值按以下公式计算得到不同激励频率下被测件的动刚度测试值k，，其中u为待测转臂节点的振动位移，,公式中f为输出振动加速度传感器5采集到的正弦振动加速度信号的频率。

外接计算机将获得每个测试频率点的动刚度值后，进一步对数据进行多项式拟合，最终得到动刚度曲线。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。