基于半车激振的整车振动特性测试方法

（1．中车长春轨道客车股份有限公司工程实验室，130062，长春；2．北京交通大学，100044，北京∥第一作者，工程师）

基于半车激振的整车振动特性测试方法

刘彦彤1谭富星1刘诗慧1王子建2

（1．中车长春轨道客车股份有限公司工程实验室，130062，长春；2．北京交通大学，100044，北京∥第一作者，工程师）

为更加准确地测定轨道交通车辆整车振动特性，提出了一种基于半车激振的整车振动特性测试方法。在简述该方法的激振原理基础上，运用机械运动学原理进一步阐述了激振作动器位移控制指令的解算方法。利用该方法对某型车辆进行了实车测试。测试结果表明，该试验方法可以满足整车振动测试的要求。

车辆振动测试；轨道不平顺；实车试验

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

轨道交通车辆整车振动特性作为衡量车辆平稳性和舒适型的一项重要指标，一直是国内外学者研究的重点。由于受到轨道线路条件、线路试验费用、线路运营状况，以及线路试验重复性差等因素的制约，整车振动特性的实际线路测试存在难度，所以目前多采用在实验室完成对整车振动特性的测试。

利用激振器、力锤敲击固定点等方法［1］可作为整车振动的激振源，但缺点在于不能对整个车辆同时测试。西南交通大学的滚动振动试验台［2－3］在车辆滚动的同时，采用对整车两个转向架同时激励的方法来达到激振目的，但由于该系统主要测试车辆动力学特性，而且设备庞大，必须滚动和振动同时进行，测试过程复杂，故对整车振动特性的测试没有针对性。

中车集团长春轨道客车股份有限公司根据轨道交通列车发展趋势及公司科研需要，在工程实验室建立了整车振动测试系统。该测试系统可以通过对车辆的一侧转向架进行控制，对一侧转向架轮对进行连续激振，从而复现由于轨道不平顺而引起的整车振动。该测试系统更贴近实际工况，可为轨道交通车辆振动特性研究提供精确的测试数据。

1 整车振动试验台

整车振动试验台由运动平台、液压伺服激振器、轮对卡具等构成（见图1）。其中，前后两块运动平台支撑转向架两条轮对，每块运动平台上装有一组可调节的轮对卡具，可固定不同类型的转向架轮对。试验台采用编制位移控制指令，输入液压伺服控制系统，驱动作动器控制运动平台实现6个自由度的运动，从而实现轨道不平顺的复现。

如图1所示，试验台利用运动平台下方8个垂向作动器动作，同时用横向和纵向作动器给予动作补偿，完成整车垂向激振。同理，横向作动器动作，垂向和纵向作动器给予动作补偿，完成整车横向激振。

2 作动器位移谱生成方法

在利用位姿反解理论的基础上，建立以第1和第2运动平台为核心的几何模型，依据Matlab软件编制的位姿解算方法，得到作动器动作的位移谱。

如图2所示，建立地面静坐标系和局部坐标系，选取两块运动平台所在表面中点为静坐标系的原点O，选取轮轴中心线与运动平台的垂直交点为局部坐标系中点O1与O2，选择车辆行驶方向为X轴、平行于轮对方向为Y轴、垂直于运动平台方向为Z轴。设定qi（i＝1，2，3）为局部坐标系相对于静坐标系的3个绕X、Y、Z轴的姿态角，qi（i＝4，5，6）为局部坐标原点相对于静坐标系沿X、Y、Z轴的平移量［4－5］。

图1 整车振动试验台简图

图2 平台机械结构运动简图

图2 中，li、hi、vi（i＝1，2，3，4）为试验台结构关系参数。基于以上坐标系的确立，设定A1、B1为作动器1～7的上铰链点和下铰链点在局部坐标系中的坐标向量，设定A2、B2为作动器8～14的上铰链点和下铰链点在局部坐标系中的坐标向量，可得：

式中：

s——sin；

c——cos。

综上所述，作动器伸缩量分别为：

局部坐标系相对于静坐标系进行ZYX旋转的矩阵变换，得到齐次变换矩阵Ti［6－7］，即：

式中：

Lij，0——作动器初始伸长量；i＝1，2，3；j＝1，2，…，7。

基于以上原理，将试验用的作动器位移控制指令作为激励信号输入到试验台控制系统中，驱动3个方向作动器协调动作，完成对整车的激励。试验采用的扫频区间为0．1～15 Hz，振动幅值为2 mm。

3 实车测试

以某车型为实验对象，基于以上理论分析，利用整车振动试验台对半车进行激励，测试车辆在垂向激振和横向激振情况下表现出的振动特性。

3．1 垂向扫频测试

对车辆进行0．1～15Hz垂向扫频，测试该车辆地板和左右侧墙的振动特性。图3、4为地板垂向加速度测试结果（快速傅里叶变快（FFT）幅值谱及振型），图5、6为车体左侧墙边梁垂向测试结果，图7、8为车体左侧墙顶部垂向测试结果，图9、10为车体右侧墙边梁垂向测试结果，图11、12为车体右侧墙顶部垂向测试结果。

测试结果表明，车体垂向振动主频为8．7Hz和10．18Hz，其中8．7Hz为车下设备与车体的同向振动频率，10．18Hz为设备与车体的反向振动频率［8－9］。

3．2 横向扫频测试

图3 车体地板垂向加速度FFT幅值谱

图4 车体地板垂向10．18Hz与8．67Hz振型

图5 左侧墙边梁垂向加速度FFT幅值谱

图6 左侧墙边梁垂向10．07Hz振型

图8 左侧墙顶部垂向10．04Hz振型

图9 右侧墙边梁垂向加速度FFT幅值谱

图10 右侧墙边梁垂向10．06Hz振型

图11 右侧墙顶部垂向加速度FFT幅值谱

图12 右侧墙顶部垂向10．06Hz振型

横向扫频测试主要测试车体中部菱形振动特性。试验布点选取车体纵向中心位置处，横断面布置7个加速度传感器，用于采集车体地板和两侧侧墙的横向及垂向加速度信号（见图13～19）。

图13 右侧墙横向加速度FFT幅值谱

图14 右侧墙横向加速度相位时域对比

图15 左侧墙横向加速度FFT幅值谱

图16 左侧墙横向加速度相位时域对比

图17 左、右侧墙边梁横向加速度相位时域对比

图18 左、右侧墙顶部横向加速度相位时域对比

图19 左、右侧墙中部横向加速度相位时域对比

测试结果表明，车体侧墙顶部和边梁位置横向振动相位反向，两侧墙顶部、中部及边梁位置相位一致，车体顶部和边梁位置振动幅值大于中部，因此，可以证明车体中部菱形模态频率为9．7Hz［8－9］。

4 结语

（1）提出了一种整车振动特性测试方法，可以弥补现有试验条件限制，采用半车激励的方式简便、灵活、准确地进行整车振动特性测试。

（2）分析了整车振动试验台运动平台的运动机理，建立了作动器驱动运动平台动作的函数模型，为试验台的精确控制提供了理论基础。

（3）利用该测试方法对某型车辆进行了整车振动测试，得到了车辆在垂向和横向激振情况下的振动特性，验证了该测试方法进行整车振动试验的可行性和准确性。

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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）