軌道車輛PT溫度傳感器振動檢測實驗臺結構設計

李 淼， 陳 棟， 高長春， 蘇 虹， 劉唯達*

(1.長春工業大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012;2.長春市中小企業人才創業指導中心， 吉林 長春 130012)

軌道車輛PT溫度傳感器振動檢測實驗臺結構設計

李 淼1， 陳 棟1， 高長春2， 蘇 虹1， 劉唯達1*

(1.長春工業大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012;2.長春市中小企業人才創業指導中心， 吉林 長春 130012)

為了檢測軌道車輛PT(鉑)溫度傳感器在振動條件下的性能，設計了軌道車輛PT溫度傳感器振動檢測實驗臺。根據傳感器實際工況確定了實際工況模擬條件以及振動檢測實驗臺機械結構。應用ANSYS軟件對關鍵部件進行有限元分析，CATIA軟件對各部件進行建模。 實驗仿真曲線表明，該檢測實驗臺能準確模擬PT溫度傳感器的實際振動工況。

溫度傳感器； 振動； 實際工況； 檢測

0 引 言

PT溫度傳感器在軌道車輛上的應用起著重要的監視作用，研究軌道車輛振動環境對PT溫度傳感器性能的影響變得尤為重要[1]。

為了檢測PT溫度傳感器在振動條件下的性能，通過分析其工作的振動環境工況，確定了如何模擬不同方向、不同振幅和頻率的振動工況方法，設計了針對軌道車輛PT溫度傳感器振動檢測的實驗臺。

應用CATIA三維建模軟件對各部件進行三維建模，并應用ANSYS分析軟件對關鍵部件進行有限元分析，確定該部件是否能夠滿足強度要求，最后模擬仿真得出振動實驗臺的振動曲線，能夠真實地模擬軌道車輛中PT溫度傳感器振動的實際工況，為檢測其它溫度傳感器的抗振性能提供一定借鑒作用。

1 工況分析

PT溫度傳感器作為軌道車輛中軸溫和齒輪箱溫度探測的主要溫度傳感器，能夠反映軌道車輛的運行狀態，其性能的好壞在軌道車輛整個監測系統中具有舉足輕重的作用。

軌道車輛在運行過程中，由于軌道的不平整和自身的裝配精度等原因會產生具有不同振幅和頻率的振動[2]。

根據實測的數據可知，安裝PT溫度傳感器的位置振動振幅不會超出50 mm，頻率不會超出50 Hz。振動方向為X，Y，Z3個方向并包含一定的復合振動。

2 工況模擬

2.1X，Y，Z方向的模擬

在工況分析中得出振動的3個方向，為了模擬實際的振動方向，采用不同的工位進行安裝即可。考慮到X，Y兩個方向為一個平面的振動，可以在工裝臺的兩個側面進行安裝，復合振動可以通過安裝在工裝臺的斜面進行模擬。工裝臺如圖1所示。

圖1中，A，B，C，D這4個點分別模擬不同方向的振動，在各點安裝被檢測的溫度傳感器。

圖1 模擬振動的工裝臺

2.2振幅和頻率的模擬

根據工況分析，模擬振動的振幅為50 mm，頻率為50 Hz[3]。其中的頻率靠電機轉速來調節，振幅可以根據偏心原理來調節。在輸出的動力圓盤上加工阿基米德螺線孔，調節距離圓心的位置即可調節不同振幅。其機械簡圖如圖2所示。

1.旋轉圓盤； 2.連桿； 3.減振彈簧

3 振動實驗臺結構設計

3.1振動實驗臺機械結構簡圖

根據上述對實際工況模擬方法的研究，設計針對PT溫度傳感器振動檢測實驗臺[4]，其機械結構簡圖如圖3所示。

圖3 振動實驗臺機械結構簡圖

在圖3中，1為動力源電機；2為齒輪箱和電機的連接裝置----聯軸器；3為齒輪箱，具有減速換向的作用；4為偏心輪，具有調整振幅的作用，調節距離圓心的位置設置不同的振幅；5為連接桿，連接工裝臺和偏心輪對的作用；6為工裝臺，安裝被檢測PT溫度傳感器。

3.2振動實驗臺檢測裝置設計

為檢測輸出振動的頻率和幅值，在工裝臺下部安裝有減振裝置和測量振動的加速度、位移傳感器。其結構簡圖如圖4所示。

1.被檢溫度傳感器工裝臺； 2.振動臺； 3.傳感器；4.振動傳感器支架； 5.減振彈簧； 6.實驗臺面；7.連接桿； 8.實驗臺支架

從圖中可以看出，來自動力轉換部分的動力通過連桿7帶動振動臺2做往復運動，形成振動。振動臺2與實驗臺6的接觸方式為軌道接觸方式，彈簧5起到減振和支撐的作用，保證振動臺和檢測件的平衡。振動傳感器測量振動臺，將振動波的電信號傳輸到計算機中，并通過調節振幅和頻率得到想要的振動波。

3.3 CATIA三維建模

應用CATIA三維建模軟件對振動實驗臺進行三維建模，如圖5所示。

圖5 振動試驗臺三維模型

4 關鍵部件有限元分析

針對振動檢測試驗臺在實際工作狀態下，對設計的關鍵部件旋轉圓盤進行了靜力學分析，旋轉圓盤的受力情況見表1。

表1 旋轉圓盤受力情況

其中F1是旋轉圓盤在極限位置上工裝臺產生的最終等效到旋轉圓盤上的力，T1是選裝圓盤連接的旋轉軸所傳遞的扭矩；F3是旋轉圓盤自身所受的重力[5-8]。

將表格F1的力施加到旋轉圓盤上，劃分網格，添加約束條件，最后求解出旋轉圓盤的應力、應變和總變形，相關分析云圖結果如圖6所示。

(a) 應力云圖

(b) 應變云圖

(c) 總變形云圖

分析結果表明，旋轉圓盤承受的最大應力產生在和連桿連接處，其值為143.44 MPa，小于45#鋼的屈服極限355 MPa，符合強度要求；最大總變形為0.002 mm，變形較小，能夠滿足試驗臺的精度要求。

5 試驗仿真

當電機轉速達到3 000 r/min時，頻率為50 Hz，由于在動力換向箱中的錐齒輪齒數比為1∶1，所以在振動臺上得到的振動波的頻率也為50 Hz。將連桿調節到幅值最大時，即會產生幅值為50 mm的振動，可以得到一個正弦波圖形[9-11]，如圖7所示。

圖7 振動波圖像

6 結 語

通過對軌道車輛PT溫度傳感器的實際振動工況的分析，確定了模擬實際工況振動幅值和頻率的方法，采用電機調速的方式調節頻率，采用偏心的方式調節振幅，并確定傳感器工裝位置來模擬不同方向的振動。應用CATIA三維建模軟件對各零件及整體振動實驗臺進行建模，并應用ANSYS分析軟件對關鍵部件進行有限元分析，得出其應力應變云圖，驗證了選擇材料的正確性。最后計算分析，測量其振動曲線，做出其振動波形圖，說明設計的軌道車輛PT溫度傳感器檢測振動實驗臺的可行性。

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Vibration test bench structure for railway vehicle PT temperature sensors

LI Miao1, CHEN Dong1, GAO Chang-chun2,SU Hong1, LIU Wei-da1*

(1.School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;2.Changchun Small and Medium-sized Enterprise Talent Teaching Entrepreneurship Center, Changchun 130012, China)

In order to test the performance of railway vehicles PT temperature sensor in vibration conditions, a platform is designed. Based on the working condition in site, both the simulation conditions and mechanical structure of platform are determined. ANSYS is used for the finite element analysis of the key components, while CATIA for model establishment. The experimental curves show that the platform can accurately simulate the real vibration conditions of the PT temperature sensors.

temperature sensor; vibration； working conditions in site； test.

2014-03-02

吉林省教育廳科學技術研究項目(2009482)

李 淼(1985-)，男，漢族，河北保定人，長春工業大學碩士研究生，主要從事機電檢測與控制方向研究,E-mail:limiao900109@126.com. *通訊作者：劉唯達(1976-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業大學講師，碩士，主要從事機械設計與優化方向研究,E-mail:liuweida1234@126.com.

TP 277.1

A

1674-1374(2014)04-0375-05