基于半車激振的整車振動特性測試方法

（1．中車長春軌道客車股份有限公司工程實驗室，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特性測試方法

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驗室，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)確地測定軌道交通車輛整車振動特性，提出了一種基于半車激振的整車振動特性測試方法。在簡述該方法的激振原理基礎(chǔ)上，運用機械運動學(xué)原理進一步闡述了激振作動器位移控制指令的解算方法。利用該方法對某型車輛進行了實車測試。測試結(jié)果表明，該試驗方法可以滿足整車振動測試的要求。

車輛振動測試；軌道不平順；實車試驗

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

軌道交通車輛整車振動特性作為衡量車輛平穩(wěn)性和舒適型的一項重要指標(biāo)，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。由于受到軌道線路條件、線路試驗費用、線路運營狀況，以及線路試驗重復(fù)性差等因素的制約，整車振動特性的實際線路測試存在難度，所以目前多采用在實驗室完成對整車振動特性的測試。

利用激振器、力錘敲擊固定點等方法［1］可作為整車振動的激振源，但缺點在于不能對整個車輛同時測試。西南交通大學(xué)的滾動振動試驗臺［2－3］在車輛滾動的同時，采用對整車兩個轉(zhuǎn)向架同時激勵的方法來達(dá)到激振目的，但由于該系統(tǒng)主要測試車輛動力學(xué)特性，而且設(shè)備龐大，必須滾動和振動同時進行，測試過程復(fù)雜，故對整車振動特性的測試沒有針對性。

中車集團長春軌道客車股份有限公司根據(jù)軌道交通列車發(fā)展趨勢及公司科研需要，在工程實驗室建立了整車振動測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)可以通過對車輛的一側(cè)轉(zhuǎn)向架進行控制，對一側(cè)轉(zhuǎn)向架輪對進行連續(xù)激振，從而復(fù)現(xiàn)由于軌道不平順而引起的整車振動。該測試系統(tǒng)更貼近實際工況，可為軌道交通車輛振動特性研究提供精確的測試數(shù)據(jù)。

1 整車振動試驗臺

整車振動試驗臺由運動平臺、液壓伺服激振器、輪對卡具等構(gòu)成（見圖1）。其中，前后兩塊運動平臺支撐轉(zhuǎn)向架兩條輪對，每塊運動平臺上裝有一組可調(diào)節(jié)的輪對卡具，可固定不同類型的轉(zhuǎn)向架輪對。試驗臺采用編制位移控制指令，輸入液壓伺服控制系統(tǒng)，驅(qū)動作動器控制運動平臺實現(xiàn)6個自由度的運動，從而實現(xiàn)軌道不平順的復(fù)現(xiàn)。

如圖1所示，試驗臺利用運動平臺下方8個垂向作動器動作，同時用橫向和縱向作動器給予動作補償，完成整車垂向激振。同理，橫向作動器動作，垂向和縱向作動器給予動作補償，完成整車橫向激振。

2 作動器位移譜生成方法

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

如圖2所示，建立地面靜坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，選取兩塊運動平臺所在表面中點為靜坐標(biāo)系的原點O，選取輪軸中心線與運動平臺的垂直交點為局部坐標(biāo)系中點O1與O2，選擇車輛行駛方向為X軸、平行于輪對方向為Y軸、垂直于運動平臺方向為Z軸。設(shè)定qi（i＝1，2，3）為局部坐標(biāo)系相對于靜坐標(biāo)系的3個繞X、Y、Z軸的姿態(tài)角，qi（i＝4，5，6）為局部坐標(biāo)原點相對于靜坐標(biāo)系沿X、Y、Z軸的平移量［4－5］。

圖1 整車振動試驗臺簡圖

圖2 平臺機械結(jié)構(gòu)運動簡圖

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

式中：

s——sin；

c——cos。

綜上所述，作動器伸縮量分別為：

局部坐標(biāo)系相對于靜坐標(biāo)系進行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——作動器初始伸長量；i＝1，2，3；j＝1，2，…，7。

基于以上原理，將試驗用的作動器位移控制指令作為激勵信號輸入到試驗臺控制系統(tǒng)中，驅(qū)動3個方向作動器協(xié)調(diào)動作，完成對整車的激勵。試驗采用的掃頻區(qū)間為0．1～15 Hz，振動幅值為2 mm。

3 實車測試

以某車型為實驗對象，基于以上理論分析，利用整車振動試驗臺對半車進行激勵，測試車輛在垂向激振和橫向激振情況下表現(xiàn)出的振動特性。

3．1 垂向掃頻測試

對車輛進行0．1～15Hz垂向掃頻，測試該車輛地板和左右側(cè)墻的振動特性。圖3、4為地板垂向加速度測試結(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)墻邊梁垂向測試結(jié)果，圖7、8為車體左側(cè)墻頂部垂向測試結(jié)果，圖9、10為車體右側(cè)墻邊梁垂向測試結(jié)果，圖11、12為車體右側(cè)墻頂部垂向測試結(jié)果。

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

3．2 橫向掃頻測試

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

橫向掃頻測試主要測試車體中部菱形振動特性。試驗布點選取車體縱向中心位置處，橫斷面布置7個加速度傳感器，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（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域?qū)Ρ?/p>

圖17 左、右側(cè)墻邊梁橫向加速度相位時域?qū)Ρ?/p>

圖18 左、右側(cè)墻頂部橫向加速度相位時域?qū)Ρ?/p>

圖19 左、右側(cè)墻中部橫向加速度相位時域?qū)Ρ?/p>

測試結(jié)果表明，車體側(cè)墻頂部和邊梁位置橫向振動相位反向，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特性測試方法，可以彌補現(xiàn)有試驗條件限制，采用半車激勵的方式簡便、靈活、準(zhǔn)確地進行整車振動特性測試。

（2）分析了整車振動試驗臺運動平臺的運動機理，建立了作動器驅(qū)動運動平臺動作的函數(shù)模型，為試驗臺的精確控制提供了理論基礎(chǔ)。

（3）利用該測試方法對某型車輛進行了整車振動測試，得到了車輛在垂向和橫向激振情況下的振動特性，驗證了該測試方法進行整車振動試驗的可行性和準(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）