多点激励荷载下比例车体疲劳强度及载荷谱研究试验台

摘要

本发明公开一种多点激励荷载下比例车体疲劳强度及载荷谱研究试验台，包括机械部分和电气部分，机械部分包括T型槽实验台、支撑装置、比例车体等；电气部分包括系统主控制器、伺服控制器等。比例车体通过支撑装置连接在T型槽实验台上，支撑装置空腔内设有二系簧垂向作动器，比例车体的两端分别设置设有纵向作动器、纵向减震器，比例车体的两侧分别设有横向作动器及横向减震器，T型槽实验台上布置四个作用于比例车体底板的下部垂向作动器，下部垂向作动器位于比例车体底部中间位置，比例车体顶部设置有顶部垂向作动器。本发明主要用于评估轨道交通车辆铝合金车体的疲劳强度，从而研究车体的疲劳破坏问题。

说明书

技术领域

本发明涉及交通设备领域，尤其涉及一种多点激励荷载下比例车体疲劳强度及载荷谱研究试验台。

背景技术

目前，铝合金等轻金属大量应用于轨道车辆的制造中，这主要是因为铝合金车体不仅质量轻，易于回收，而且可以满足车体轻量化的迫切需求。但轻量化的铝合金结构设计也存在着一些严重的缺点，比如抗疲劳特性差，在外界随机载荷的激励下容易导致结构疲劳失效。目前，国内外对车体的强度评估大多通过静载荷试验来进行强度评估，同时，现有1：1车体疲劳强度的实验成本过高，而且根据文献，可以发现车体强度试验台除了需要考虑垂向、横向和纵向载荷外，鲜有对车体顶部载荷和设备激振载荷的考虑。

我国《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》TB/T1335-1996标准规定车辆强度实验标准，规范提到，试验载荷应不小于基本作用载荷值但鉴定标准仍须按基本作用载荷换算，在鉴定强度时将换算应力值按照最大可能组合的原则予以合成。

我国《铁道客车车体静强度实验方法》TB1806-2006标准规定：客车车体强度评定的标准式——第四强度理论；垂向载荷(包括静载荷和动载荷)、纵向载荷、扭转载荷、侧向力同时作用下，各测点的合成应力应不大于材料的需用应力。顶车载荷即车体承载结构的底架上施加相当于设备重量及整备重量的垂向载荷作用下，各测点的应力应不大于材料的屈服极限，顶车位及其附近结构不产生永久变形；事故载荷下，各测点的应力应不大于材料的屈服极限。

我国《200km/h以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》规定了车辆强度设计中，必要考虑的车辆基本作用载荷有垂向静载荷包括自重、载重和整备重量。其中车体结构自重和旅客(包括自带行李)重量按均布载荷作用在车体底架上；垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动荷系数而定。垂向动载荷取为垂向静载荷的0.3倍，即垂向动荷系数取为0.3；纵向载荷包括车钩中心线高度上沿纵向作用力和动车牵引在处沿纵向作用的持在牵引力。

我国《机车车体静强度试验规范》TB/T2541-2010标准规定了评价铁道车辆车体结构强度的静载荷试验方法。该标准中给出了多种载荷试验标准方法：垂直载荷试验、纵向压缩载荷试验、纵向拉伸载荷实验、扭转载荷试验等。在这些试验方法中，垂向载荷试验与疲劳强度直接相关，标准TB/T2541-2010中对于垂直载荷实验提到，垂直载荷试验的载荷为垂直试验载荷，垂直试验载荷的分布应按设备在机车上的布置情况而以分布载荷或集中载荷设置，其中车体自重应按均布载荷设置。垂直试验载荷可用油压装置加载，也可用砝码或重物加载。

《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》TB/T1335-1996标准、《200km/h以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》和《机车车体静强度试验规范》TB/T2541-2010标准，均给出了静载荷实验标准，并没有给出疲劳强度实验标准，TB/T1335-1996标准中，规定鉴定强度时，须进行应力换算，垂向静载荷下的应力要考虑动载荷的影响，具体换算公式如下：

σ_d＝σ_c(1+K_d)

其中σ_d为动应力，σ_c为静应力，K_d为动载荷系数。

日本JISE7105标准规定了评价铁道车辆车体结构强度的静载荷试验方法。垂向静载荷试验中，除了对应于乘客和设备质量的基本载荷，在车体地板上还要施加等效动载荷(两部分载荷用铁块均匀加载在车体底板)，然后测量其应力和变形。从测得的应力中分离出静态应力部分和动态应力部分，根据部件疲劳试验结果绘出Goodman曲线图。再用Goodman曲线图来评价每个结构薄弱点发生疲劳破坏的可能性。

《Railwayapplications-Structuralrequirementsofrailwayvehiclebodies》欧洲标准EN12663:2000规定了铁路车辆设计中需考虑的载荷工况包括垂向静载、垂向动载、气动牵引、整体起吊、纵向拉伸、纵向压缩、救援等。通常引起车体疲劳载荷包括加载、卸载循环，轨道不平顺激励，气动载荷和牵引制动载荷等。

上述几种规范中，都是通过静载荷实验结果评估车体强度，虽然用静载荷试验方法评价疲劳强度简单实用，但是静载荷试验可能发现不了一些潜在的裂纹。

发明内容

本发明旨在提供一种多点激励荷载下比例车体疲劳强度及载荷谱研究试验台，公开了一种大型的试验装置来模拟真实的动态载荷，能够评估城市交通铝合金车体的疲劳强度，从而研究车体的疲劳破坏问题；利用三个方向的作动器提供激振力，可很好地模拟各方向的动载荷作用；通过高循环次数的激振力作用，致使比例车体产生裂纹，可以此找出疲劳裂纹位置，研究裂纹产生、裂纹扩展规律，并由数据采集仪器记录应力、加速度、位移时程。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开一种多点激励荷载下比例车体疲劳强度及载荷谱研究试验台，包括机械部分和电气部分，其特征在于：所述机械部分包括T型槽实验台、支撑装置、比例车体；所述比例车体通过支撑装置连接在T型槽实验台上，所述支撑装置包括支撑柱和橡胶空气弹簧，所述支撑柱包括空腔，支撑柱下端与T型槽实验台连接，支撑柱顶部连接橡胶空气弹簧，橡胶空气弹簧顶部连接比例车体的底板，二系簧垂向作动器置于支撑柱的空腔内，支撑柱上端面设有与空腔连通的激振孔；比例车体的两端分别设置设有纵向作动器、纵向减震器，比例车体的两侧分别设有横向作动器及横向减震器，所述T型槽实验台上布置四个作用于比例车体底板的下部垂向作动器，所述下部垂向作动器位于比例车体底部中间位置，比例车体顶部设置有顶部垂向作动器；所述电气部分包括安装在比例车体上的传感器，所述电气部分包括传感器，所述传感器连接数据采集仪器，所述数据采集仪器连接计算机，传感器包括加速度传感器、位移传感器和载荷传感器。

垂向作动器通过支撑柱上端的激振孔对橡胶空气弹簧施加激振力，激振力通过空气弹簧传递至车体，以模拟真实车体所受的来自二系簧的振动载荷。

纵向作动器和纵向减震器用于模拟列车牵引、制动过程对车体疲劳强度的影响，横向作动器和横向减震器用于模拟车体所受到的横向振动。

下部垂向作动器用于模拟列车运行过程中，通风机、主变压器、牵引变流器、废排装置等车下吊挂设备对车体疲劳强度的影响。

顶部垂向作动器用于模拟空调、受电弓对车体疲劳强度的影响。

传感器采集的信号可以用于载荷识别、裂纹识别等试验研究。

优选的，所述机械部分还包括端部立柱、侧面立柱和顶部纵梁，所述端部立柱有两根，分别位于比例车体的两端，所述侧面立柱有4根，位于比例车体的两侧面，每一侧面两根，所述顶部纵梁位于比例车体的正上方，顶部纵梁的轴线方向与比例车体的轴线方向相同，顶部纵梁的侧面通过连接板与侧向立柱连接，所述连接板与顶部纵梁、侧向立柱均螺钉连接，以保证实验台架的稳定性，连接板采用薄板，方便侧向立柱位移后更换。

优选的，所述支撑柱通过螺栓固定在T型槽实验台上，所述T型槽实验台设有与支撑柱底部相适配的横向T型槽和纵向T型槽A激振支撑柱有4个，分别位于高速列车二系簧对应位置；4个支撑柱对应于实际转向架系统空簧位置处，橡胶空气弹簧弹簧起着与实际转向架系统二系悬挂同样的作用。

四个下部垂向作动器纵向排布，下部垂向作动器底部通过螺栓与T型槽试验台相连，所述T型槽试验台台面设置有与下部垂向作动器的底部相适配的纵向T型槽B；下部垂向作动器的安装位置可在T型槽B中纵向调整。

优选的，所述纵向作动器设置在比例车体的一端，所述纵向减震器设置在比例车体的另一端，纵向作动器和纵向减振器正对，以免引起不平衡力矩；纵向作动器和纵向减振器分别通过螺栓与位于比例车体两端的端部立柱连接。

优选的，所述横向作动器设置在比例车体的一侧，所述横向减震器设置在比例车体的另一侧，横向作动器与横向减震器正对，横向作动器、横向减震器分别通过螺栓连接位于比例车体两侧的立柱，所述立柱下端通过螺栓连接在T型实验台台面上，所述T型实验台台面上设有与立柱下端相适配的纵向T型槽C，立柱设有竖向排布的螺纹孔，可实现作动和减震位置的上下微调。

优选的，所述顶部垂向作动器通过螺栓连接顶部纵梁，所述顶部垂向作动器有两个，分别置于实际车体空调和受电弓的安装位置的对应部位，模拟列车运行过程中，空调、受电弓对车体疲劳强度的影响。

优选的，所述纵向减震器、横向减震器均为液压减震器，所述液压减震器外套钢弹簧，所述钢弹簧的两端设有垫圈，垫圈外设有螺母；通过螺母位置的改变，可改变弹簧预紧力，从而改变减震器的刚度。所述下部垂向作动器、顶部垂向作动器、横向作动器、纵向作动器均为液压作动器并采用伺服控制器和液压油泵控制，所述系统主控制器连接伺服控制器，将实测信号取样，根据控制算法转化为电压/电流信号，最后以电流电压信号对伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，驱动液压油泵，驱动作动器对车体做出位移或压力激振作用。另外，为保证作动器施加作动信号与给定信号的一致性，在作动器上布置有位移和压力传感器，作动信号传回系统控制器，与给定信号的对比，实现控制系统的闭环反馈调节，保证了作动载荷的可控性和准确性。

优选的，所述比例车体的材质为6061-T6型铝合金材料，比例车体为CRH380B车体实际尺寸的1:8缩小铝合金焊接框架式结构。

优选的，所述载荷传感器为应变片，其中一部分应变片分布于靠近比例车体的门、窗四角的位置；在二系簧垂向作动器、下部垂向作动器、顶部垂向作动器、横向作动器、纵向作动器上均布置有位移传感器和压力传感器。

本发明的工作原理：通过对高速列车实测横向、垂向、纵向振动信号进行分析统计，形成载荷谱；将载荷谱数据通过控制系统形成作用力和作用频次关系信号，由控制算法实现信号波形向电流、电压信号转换，最后以电流电压信号对伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，驱动液压油泵，驱动作动器对车体做出位移或压力激振作用。由数据采集仪器，采集由传感器和应变片传回的数据，计算机存储数据，并对实验数据进行剔除奇异值，消出趋势项，滤波等处理。最后，对数据进行统计分析，从而实现对高速列车车体疲劳强度的等效研究、载荷谱研究、裂纹识别和载荷识别研究。另外，为保证作动器施加作动信号与给定信号的一致性，在作动器上布置有位移和压力传感器，作动信号传回系统控制器，与给定信号的对比，实现控制系统的闭环反馈调节，保证了作动载荷的可控性和准确性。

调节支撑柱的纵向位置，将比例车体安装在试验台上，可移动的支撑柱位置实现了支撑位置、垂向激励位置的多样化；调节纵向作动器在端部立柱的固定位置，可实现纵向激振点位置的变化；调节侧向立柱的纵向位置以及横向作动器的固定点，可实现横向激振点的改变。

通过改变作动器的固定点，可实现不同的激振方式，同时，选取比例车体某方向(如垂向)的动态特性为研究对象，可让另两个方向的作动器停止。试验中，比例车体安装有各种力元传感器(含位移、加速度等)、应力应变片和用于传递信号的信号线。多点激励荷载下比例车体疲劳强度及载荷谱研究试验台，可实现不同轨道车辆的比例车体结构的动强度、动刚度的等效研究，而且通过获取的激励信号以及响应的时间历程，运用现代数字信号处理技术，获取结构频响函数，得到结构系统的物理参数，对结构物理参数进行载荷识别和灵敏度分析，实现结构参数的识别和优化。

比例车体采用6061-T6型铝合金板焊接而成，重量44.6kg,车体尺寸为3022×407×358mm,其中铝板厚度为4mm，试验台架结构规模小，可以极大地降低动强度实验及载荷识别实验研究的成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要在于：

一、可以根据高速列车实测载荷数据，将载荷数据缩减，经由系统主控制器，根据控制算法，将实测载荷信号转换为电压电流信号，经由伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，驱动液压油泵，驱动作动器对车体做出位移或压力激振作用，可实现对高速列车车体疲劳强度、载荷识别、裂纹识别等的等效研究。

二、可以大幅降低线路实验昂贵的试验成本，本发明主要用于动载荷试验，研究比例车体疲劳裂纹的产生和扩展规律，可以实现不同轨道车辆的比例车体结构强度和疲劳特性的等效性研究，实现车体结构截面尺寸的参数优化分析。

三、比例车体动强度试验台可以对1:8等比例尺寸车体进行结构振动性、强度和刚度等效性、疲劳特性、结构动载荷识别技术、参数灵敏度等进行详细研究。

四、6061-T6型铝合金材料，重量44.6kg,车体尺寸为3022×407×358mm,其中铝板厚度为4mm，试验台架结构规模小，可以极大地降低动强度实验及载荷识别实验研究的成本。

五、数据采集仪器所获取的加速度、位移以及应力信号，可用于车体疲劳强度，裂纹识别和载荷识别研究。

综上，本发明所公开的多点激励荷载下比例车体疲劳强度及载荷谱研究试验台，旨在基于所建立的多点激励荷载下比例车体疲劳强度及载荷谱研究试验台，通过对高速列车实测横向、垂向、纵向振动信号进行分析统计，形成载荷谱；将载荷谱数据通过控制系统形成作用力和作用频次关系信号，由控制算法实现信号波形向电流、电压信号转换，最后以电流电压信号对伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，驱动液压油泵，驱动作动器对车体做出位移或压力激振作用。由数据采集仪器，采集由传感器和应变片传回的数据，计算机存储数据，并对实验数据进行剔除奇异值，消出趋势项，滤波等处理。最后，对数据进行统计分析，从而实现对高速列车车体疲劳强度的等效研究、裂纹识别和载荷识别研究。另外，为保证作动器施加作动信号与给定信号的一致性，在作动器上布置有位移和压力传感器，作动信号传回系统控制器，与给定信号的对比，实现控制系统的闭环反馈调节，保证了作动载荷的可控性和准确性。车体典型位置点安装传感器和应变片，以测试位移、加速度和应变信号，测试信号经由东华采集设备数据，最后传输到计算机，进行分析处理，得到比例车体动态特性和振动特征。另外，高循环次数的激振力致使比例车体产生裂纹，记录裂纹位置以及激振力循环次数，结合所采集数据进行疲劳强度评估。所采集的加速度、位移以及应力信号，用于车体疲劳强度，裂纹识别和载荷识别。

附图说明

图1为本发明的总体示意图；

图2为机械部分的主视图；

图3为机械部分的左视图；

图4为机械部分的俯视图；

图5为机械部分的横向剖视图；

图6为减震器示意；

图7为减震器的局部剖视图；

图8为支撑柱、二系簧垂向作动器和橡胶空气弹簧的装配示意图；

图9为应变片的典型位置布置示意图；

图中：1-端部立柱、2-比例车体、3-传感器、4-应变片、5-纵向作动器、6-支撑柱、7-侧面立柱、8、9、10、11-下部垂向作动器、12-橡胶空气弹簧、13-纵向减震器、14-T型槽试验台、15-顶部横梁、16-横向减震器、17-二系簧垂向作动器、18-横向作动器、19-连接板、20-顶部垂向作动器、21-螺母、22-垫圈、23-钢弹簧、24-密封橡胶、25-活塞杆、26-活塞环、27-活塞头、28-窗角应变花。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明通过对高速列车实测横向、垂向、纵向振动信号进行分析统计，形成载荷谱；将载荷谱数据通过控制系统形成作用力和作用频次关系信号，由控制算法实现信号波形向电流、电压信号转换，最后以电流电压信号对伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，驱动液压油泵，驱动作动器对车体做出位移或压力激振作用。由数据采集仪器，采集由传感器和应变片传回的数据，计算机存储数据，并对实验数据进行剔除奇异值，消出趋势项，滤波等处理。最后，对数据进行统计分析，从而实现对高速列车车体疲劳强度的等效研究、裂纹识别和载荷识别研究。另外，为保证作动器施加作动信号与给定信号的一致性，在作动器上布置有位移和压力传感器，作动信号传回系统控制器，与给定信号的对比，实现控制系统的闭环反馈调节，保证了作动载荷的可控性和准确性。

图2-图5所示，本发明的机械部分包括纵向立柱1、比例车体2、横向立柱7、支撑装置、T型槽试验台14等。其中，比例车体2的材质为6061-T6型铝合金材料，比例车体2与实际车体的比例为1:8。侧面立柱7、支撑装置及下部垂向作动器8、9、10、11用螺栓安装在T型试验台14上，可实现横纵移动；横向作动器18、横向减震器16与侧面立柱7之间由螺栓连接，纵向作动器、纵向减震器13与端部立柱1之间由螺栓连接，横向作动器18横向减震器16、纵向作动器、纵向减震器13均可上下调节安装位置；顶部垂向作动器20由螺栓连接在顶部纵梁15底部，其安装位置可纵向调整以适应不同比例尺寸车体。比例车体2通过橡胶空气弹簧12连接在支撑柱6顶部，横向作动器18和横向减震器16安装位置正对，二者作用位置为与车体底板的连接板，顶部垂向作动器20与顶部纵梁15相连，并作用于车体顶板。

横向减震器16、纵向减震器13的结构相同，以下统称为减震器，如图6、图7所示，减震器包括活塞杆25和活塞环26，活塞杆25前端连接活塞头27，活塞环26、活塞头27外套钢弹簧23，刚弹簧23的两端布置有垫圈22，垫圈22外为一螺母21，通过螺母21位置的改变，可改变钢弹簧23的预紧力，从而改变减震器的刚度。

如图8所示，支撑装置包括支撑柱6，支撑柱6的空腔内布置有二系簧垂向作动器17，支撑柱6的顶面通过螺栓连接橡胶空气弹簧12，橡胶空气弹簧12最终连接到比例车体2底板，一方面传递振动，另一方面吸收振动。

动力控制部分包括系统主控制器、伺服控制器、伺服电机、液压油泵、液压油泵等，传感器3、应变片4布置在比例车体上，如图2，传感器3、应变片4连接应变放大器，应变放大器连接数据采集仪器，数据采集仪器连接计算机，传感器和应变片采集数据可存储在计算机中。总体而概之，一方面，载荷谱输入信号通过控制系统，由控制算法实现信号波形向电流、电压信号转换，最后以电流电压信号对伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，驱动液压油泵，驱动作动器对比例车体2做出位移或压力激振作用。另一方面，为保证作动器施加作动信号与给定信号的一致性，在作动器上布置有位移和压力传感器，作动信号传回系统控制器，与给定信号的对比，实现控制系统的闭环反馈调节，保证了作动载荷的可控性和准确性。

如图9所示，应变片4的典型布置位置为靠近比例车体2的门、窗四角，作动器激振过程中由应变片采集窗角、门角等应力集中位置处的应变情况；可将多个应变片4布置成窗角应变花28。

本发明的实际使用方式如下：

1、将铝合金比例车体安放在橡胶空气弹簧上，固定作动器位置，并在车身上粘贴应变片，同时安装传感器，布置控制系统链接及采集系统的连接。

2、首先进行静载荷试验，基本载荷利用钢块均匀施加在地板上。基本载荷对应于乘客和设备质量。满载状态下的应力和位移通过数据采集系统计算得出。

3、对车体施加瞬时激振，然后进行频谱分析，测出车体的固有频率。

4、在开始动态疲劳载荷试验之前，进行预试验以确定作动器激励力的大小。车体在线路上的动态加速运动通过作动器的强迫振动得以再现。车体承受由质量引起的不变载荷和由作动器强迫振动引起的交变载荷。

5、使信号通过控制系统，由控制算法实现信号波形向电流、电压信号转换，最后以电流电压信号对伺服控制器发出指令，控制电机的转速及转向，驱动液压油泵，驱动作动器对车体做出位移或压力激振作用。

6、所有测点的应力和变形位移数据信号由东华采集设备获取，并传输至计算机。当检测到有裂纹发生时，记录激振力循环次数，停止试验进行检查。对于很严重的破坏，需进行测量和补焊。继续进行动态疲劳载荷试验至2×10^∧6次循环，并全面检查潜在裂纹，记录疲劳裂纹发生位置以及激励力循环次数。

根据疲劳裂纹萌生的位置和循环次数，分析疲劳强度，并对应变片采集数据进行分析，统计裂纹发生位置所受应力幅值、均值以及循环次数数据；位移、加速度传感器采集信号用于载荷识别，裂纹识别，获取结构频响函数，得到结构系统的物理参数，对结构物理参数进行载荷识别和灵敏度分析，实现结构参数的识别和优化等方面研究。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。