基于半車激振的整車振動(dòng)特性測(cè)試方法

（1．中車長春軌道客車股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室，130062，長春；2．北京交通大學(xué)，100044，北京∥第一作者，工程師）

基于半車激振的整車振動(dòng)特性測(cè)試方法

劉彥彤1譚富星1劉詩慧1王子建2

（1．中車長春軌道客車股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室，130062，長春；2．北京交通大學(xué)，100044，北京∥第一作者，工程師）

為更加準(zhǔn)確地測(cè)定軌道交通車輛整車振動(dòng)特性，提出了一種基于半車激振的整車振動(dòng)特性測(cè)試方法。在簡(jiǎn)述該方法的激振原理基礎(chǔ)上，運(yùn)用機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)一步闡述了激振作動(dòng)器位移控制指令的解算方法。利用該方法對(duì)某型車輛進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該試驗(yàn)方法可以滿足整車振動(dòng)測(cè)試的要求。

車輛振動(dòng)測(cè)試；軌道不平順；實(shí)車試驗(yàn)

First－author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

軌道交通車輛整車振動(dòng)特性作為衡量車輛平穩(wěn)性和舒適型的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。由于受到軌道線路條件、線路試驗(yàn)費(fèi)用、線路運(yùn)營狀況，以及線路試驗(yàn)重復(fù)性差等因素的制約，整車振動(dòng)特性的實(shí)際線路測(cè)試存在難度，所以目前多采用在實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)整車振動(dòng)特性的測(cè)試。

利用激振器、力錘敲擊固定點(diǎn)等方法［1］可作為整車振動(dòng)的激振源，但缺點(diǎn)在于不能對(duì)整個(gè)車輛同時(shí)測(cè)試。西南交通大學(xué)的滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)［2－3］在車輛滾動(dòng)的同時(shí)，采用對(duì)整車兩個(gè)轉(zhuǎn)向架同時(shí)激勵(lì)的方法來達(dá)到激振目的，但由于該系統(tǒng)主要測(cè)試車輛動(dòng)力學(xué)特性，而且設(shè)備龐大，必須滾動(dòng)和振動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，測(cè)試過程復(fù)雜，故對(duì)整車振動(dòng)特性的測(cè)試沒有針對(duì)性。

中車集團(tuán)長春軌道客車股份有限公司根據(jù)軌道交通列車發(fā)展趨勢(shì)及公司科研需要，在工程實(shí)驗(yàn)室建立了整車振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)可以通過對(duì)車輛的一側(cè)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行控制，對(duì)一側(cè)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)進(jìn)行連續(xù)激振，從而復(fù)現(xiàn)由于軌道不平順而引起的整車振動(dòng)。該測(cè)試系統(tǒng)更貼近實(shí)際工況，可為軌道交通車輛振動(dòng)特性研究提供精確的測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 整車振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

整車振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、液壓伺服激振器、輪對(duì)卡具等構(gòu)成（見圖1）。其中，前后兩塊運(yùn)動(dòng)平臺(tái)支撐轉(zhuǎn)向架兩條輪對(duì)，每塊運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上裝有一組可調(diào)節(jié)的輪對(duì)卡具，可固定不同類型的轉(zhuǎn)向架輪對(duì)。試驗(yàn)臺(tái)采用編制位移控制指令，輸入液壓伺服控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軌道不平順的復(fù)現(xiàn)。

如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下方8個(gè)垂向作動(dòng)器動(dòng)作，同時(shí)用橫向和縱向作動(dòng)器給予動(dòng)作補(bǔ)償，完成整車垂向激振。同理，橫向作動(dòng)器動(dòng)作，垂向和縱向作動(dòng)器給予動(dòng)作補(bǔ)償，完成整車橫向激振。

2 作動(dòng)器位移譜生成方法

在利用位姿反解理論的基礎(chǔ)上，建立以第1和第2運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為核心的幾何模型，依據(jù)Matlab軟件編制的位姿解算方法，得到作動(dòng)器動(dòng)作的位移譜。

如圖2所示，建立地面靜坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，選取兩塊運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所在表面中點(diǎn)為靜坐標(biāo)系的原點(diǎn)O，選取輪軸中心線與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的垂直交點(diǎn)為局部坐標(biāo)系中點(diǎn)O1與O2，選擇車輛行駛方向?yàn)閄軸、平行于輪對(duì)方向?yàn)閅軸、垂直于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)方向?yàn)閆軸。設(shè)定qi（i＝1，2，3）為局部坐標(biāo)系相對(duì)于靜坐標(biāo)系的3個(gè)繞X、Y、Z軸的姿態(tài)角，qi（i＝4，5，6）為局部坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)于靜坐標(biāo)系沿X、Y、Z軸的平移量［4－5］。

圖1 整車振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖

圖2 平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖2 中，li、hi、vi（i＝1，2，3，4）為試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)系參數(shù)?；谝陨献鴺?biāo)系的確立，設(shè)定A1、B1為作動(dòng)器1～7的上鉸鏈點(diǎn)和下鉸鏈點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)向量，設(shè)定A2、B2為作動(dòng)器8～14的上鉸鏈點(diǎn)和下鉸鏈點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)向量，可得：

式中：

s——sin；

c——cos。

綜上所述，作動(dòng)器伸縮量分別為：

局部坐標(biāo)系相對(duì)于靜坐標(biāo)系進(jìn)行ZYX旋轉(zhuǎn)的矩陣變換，得到齊次變換矩陣Ti［6－7］，即：

式中：

Lij，0——作動(dòng)器初始伸長量；i＝1，2，3；j＝1，2，…，7。

基于以上原理，將試驗(yàn)用的作動(dòng)器位移控制指令作為激勵(lì)信號(hào)輸入到試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)3個(gè)方向作動(dòng)器協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成對(duì)整車的激勵(lì)。試驗(yàn)采用的掃頻區(qū)間為0．1～15 Hz，振動(dòng)幅值為2 mm。

3 實(shí)車測(cè)試

以某車型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，基于以上理論分析，利用整車振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)半車進(jìn)行激勵(lì)，測(cè)試車輛在垂向激振和橫向激振情況下表現(xiàn)出的振動(dòng)特性。

3．1 垂向掃頻測(cè)試

對(duì)車輛進(jìn)行0．1～15Hz垂向掃頻，測(cè)試該車輛地板和左右側(cè)墻的振動(dòng)特性。圖3、4為地板垂向加速度測(cè)試結(jié)果（快速傅里葉變快（FFT）幅值譜及振型），圖5、6為車體左側(cè)墻邊梁垂向測(cè)試結(jié)果，圖7、8為車體左側(cè)墻頂部垂向測(cè)試結(jié)果，圖9、10為車體右側(cè)墻邊梁垂向測(cè)試結(jié)果，圖11、12為車體右側(cè)墻頂部垂向測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試結(jié)果表明，車體垂向振動(dòng)主頻為8．7Hz和10．18Hz，其中8．7Hz為車下設(shè)備與車體的同向振動(dòng)頻率，10．18Hz為設(shè)備與車體的反向振動(dòng)頻率［8－9］。

3．2 橫向掃頻測(cè)試

圖3 車體地板垂向加速度FFT幅值譜

圖4 車體地板垂向10．18Hz與8．67Hz振型

圖5 左側(cè)墻邊梁垂向加速度FFT幅值譜

圖6 左側(cè)墻邊梁垂向10．07Hz振型

圖8 左側(cè)墻頂部垂向10．04Hz振型

圖9 右側(cè)墻邊梁垂向加速度FFT幅值譜

圖10 右側(cè)墻邊梁垂向10．06Hz振型

圖11 右側(cè)墻頂部垂向加速度FFT幅值譜

圖12 右側(cè)墻頂部垂向10．06Hz振型

橫向掃頻測(cè)試主要測(cè)試車體中部菱形振動(dòng)特性。試驗(yàn)布點(diǎn)選取車體縱向中心位置處，橫斷面布置7個(gè)加速度傳感器，用于采集車體地板和兩側(cè)側(cè)墻的橫向及垂向加速度信號(hào)（見圖13～19）。

圖13 右側(cè)墻橫向加速度FFT幅值譜

圖14 右側(cè)墻橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>

圖15 左側(cè)墻橫向加速度FFT幅值譜

圖16 左側(cè)墻橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>

圖17 左、右側(cè)墻邊梁橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>

圖18 左、右側(cè)墻頂部橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>

圖19 左、右側(cè)墻中部橫向加速度相位時(shí)域?qū)Ρ?/p>

測(cè)試結(jié)果表明，車體側(cè)墻頂部和邊梁位置橫向振動(dòng)相位反向，兩側(cè)墻頂部、中部及邊梁位置相位一致，車體頂部和邊梁位置振動(dòng)幅值大于中部，因此，可以證明車體中部菱形模態(tài)頻率為9．7Hz［8－9］。

4 結(jié)語

（1）提出了一種整車振動(dòng)特性測(cè)試方法，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有試驗(yàn)條件限制，采用半車激勵(lì)的方式簡(jiǎn)便、靈活、準(zhǔn)確地進(jìn)行整車振動(dòng)特性測(cè)試。

（2）分析了整車振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，建立了作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)作的函數(shù)模型，為試驗(yàn)臺(tái)的精確控制提供了理論基礎(chǔ)。

（3）利用該測(cè)試方法對(duì)某型車輛進(jìn)行了整車振動(dòng)測(cè)試，得到了車輛在垂向和橫向激振情況下的振動(dòng)特性，驗(yàn)證了該測(cè)試方法進(jìn)行整車振動(dòng)試驗(yàn)的可行性和準(zhǔn)確性。

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Testing Bench of Vehicle Vibration Characteristics Based on Half－vehicle Vibration Excitation

LIU Yantong，TAN Fuxing，LIU Shihui，WANG Zijian

To assess the vibration characteristics of a complete vehicle in a more accurate and scientific way，a testing bench based on a half－vehicle vibration excitation is proposed．With a brief introduction of the excitation principle，the principle of mechanical kinematics is used to further expound a calculation method for the instructions on actuators displacement．This testing bench is used to carry out a real train test，and the result states clearly that the test system can meet the requirements of vibration testing on a complete vehicle．

vehicle vibration test；track irregularity；real vehicle test

U270．1＋4

10．16037／j．1007－869x．2017．02．003

2016－09－25）