轨道不平顺是轨道-车辆系统的激扰源, 是引起车辆产生振动和轮轨作用力的主要原因, 对列车运行的安全性、稳定性和舒适性具有重要影响^{[1, 2]}。在试验台上复现轨道不平顺可以模拟实际线路运行状况, 使转向架及整车的各项性能测试试验更加接近真实值。通过试验台复现轨道不平顺进行相关试验, 需输入特定的激励信号作为激扰函数^{[3, 4]}。实测轨道不平顺数据需要经过分析处理转换为驱动试验台运动的试验谱。日本铁道综合技术研究所研发的车辆试验台能用现车模拟实际轨道的状态, 但不能充分地预测在干线钢轨上运行车辆的响应特性。针对此项不足, 足立雅和等^[5]采用新的激振系统, 引入加权函数修正枕木方向的不平整, 开发了在试验台上评价干线车辆响应特性的系统。西南交通大学的滚动振动试验台用轴箱的位移信号模拟轨道不平顺, 并将此信号作为目标信号, 通过迭代算法生成试验所需试验谱^[6]。但是, 引入加权函数修正法和迭代法计算过程复杂, 且精度不高。吉林大学研发的转向架试验台, 可以准确地复现轨道不平顺, 通过旋转矩阵变换, 直接计算得到驱动平台运动的作动器的位移, 不需要迭代计算, 计算过程简单且准确。

本文建立了生成轨道不平顺复现试验谱的位姿反解模型, 利用Matlab/Simulink对某线路实测轨道不平顺数据进行仿真求解, 得到驱动转向架试验台作动器运动的试验谱。将试验谱输入到建立的转向架试验台简化三维模型中, 通过SolidWorks Motion运动学分析得到轨道不平顺复现值。将复现值与实测数据进行对比, 验证生成轨道不平顺复现试验谱方法的正确性。将生成的试验谱作为激励信号输入到转向架试验台中进行试验验证, 分析误差, 证明本文生成的轨道不平顺复现试验谱可以运用到实车试验中。

转向架试验台作为一种多功能试验设备, 可以通过复现轨道不平顺实现对转向架装配条件下和整车落成状态下的实际线路运行工况的模拟。

图1为转向架试验台模型图, 转向架试验台包括两个独立的六自由度运动平台, 分别对转向架的两个轮对进行激励, 每个运动平台包括4个垂向作动器(图中编号为1~4)、2个纵向作动器(图中编号为5、6)和1个横向作动器(图中编号为7)共7个作动器, 对7个作动器输入位移试验谱可以在转向架试验台上复现轨道的水平不平顺、方向不平顺和高低不平顺。

图1

Fig.1

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	图1 转向架试验台模型图Fig.1 Model of bogie test bench

转向架试验台实车试验前, 需要进行模拟仿真, 验证所生成试验谱的正确性, 以确保轨道不平顺复现试验的准确可靠。图2为按照1:1的比例建立的转向架试验台的简化三维模型, 用于在虚拟环境下模拟转向架试验台轨道谱的复现。试验台的结构参数如表1所示。

图2

Fig.2

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	图2 转向架试验台简化三维模型图Fig.2 Simplified 3D model of the bogie test bench

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 试验台结构参数 Table 1 Geometric parameters of the test bench 参数/mm 含义 a 垂向作动器1与4或2与3铰链点距离之1/2。 b 垂向作动器1与2或3与4铰链点距离之1/2。 c 垂向作动器上铰链点与原点的垂向距离。 d 纵向作动器上铰链点与原点的纵向距离。 e 两纵向作动器轴线的距离之1/2。 f 横向作动器上铰链点与原点的横向距离。 g 垂向作动器下铰链点与原点的垂向距离。 h 纵向作动器下铰链点与原点的纵向距离。 i 横向作动器下铰链点与原点的横向距离。

表1 试验台结构参数 Table 1 Geometric parameters of the test bench

将转向架试验台三维模型导入到SolidWorks Motion中进行运动学分析, 创建运动算例, 分别对7个作动器添加7个线性马达, 每个线性马达输入数据为轨道不平顺位姿反解仿真模型中得到的对应作动器的位移数据, 分析时间和采样频率与Matlab/Simulink模型中一致。计算运动算例, 输出轨道水平不平顺、方向不平顺和高低不平顺, 即轨道不平顺的复现值。

将轨道不平顺的复现值与线路实测值进行对比, 图4、图5、图6分别为水平不平顺、方向不平顺和高低不平顺的复现值与实测值的对比图。经分析, 水平不平顺、方向不平顺和高低不平顺的复现值与实测值的相对误差为0, 验证了本文所述轨道不平顺复现试验谱生成方法的正确性, 可以将此位移试验谱作为激励信号输入到转向架试验台对应的作动器中, 在试验台上复现轨道谱。

图4

Fig.4

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	图4 轨道水平不平顺对比图Fig.4 Comparison of track level irregularity

图5

Fig.5

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	图5 轨道方向不平顺对比图Fig.5 Comparison of track direction irregularity

图6

Fig.6

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	图6 轨道高低不平顺对比图Fig.6 Comparison of track vertical profile irregularity

在确定了1#运动平台7个作动器的位移试验谱后, 2#运动平台7个作动器的位移可由1#运动平台试验谱结合延时时间参数Δ _t计算得到, 其中:

Δt=l/v8

式中:l为轴距; v为车速。

1#运动平台激励为:

F1=f(t)(9)

2#运动平台激励为:

F2=f(t-Δt)(10)

将所生成的位移试验谱作为激励信号输入到转向架试验台对应的14个作动器中, 得到轨道不平顺的试验值。多次重复试验, 比较试验结果。图7、图8、图9分别为水平不平顺、方向不平顺和高低不平顺的试验值与线路实测值的误差对比图。轨道不平顺三项参数的相对误差均在5%以内, 可见, 转向架试验台对轨道不平顺的复现是可行的并且复现精度较高。误差产生的主要原因是试验台作动器精度低于实测值、试验台存在装配误差以及数据采集系统存在误差等。试验证明了本文生成的轨道不平顺复现试验谱可以运用到实车试验中。

图7

Fig.7

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	图7 轨道水平不平顺误差对比图Fig.7 Error comparison of track level irregularity

图8

Fig.8

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	图8 轨道方向不平顺误差对比图Fig.8 Error comparison of track direction irregularity

图9

Fig.9

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	图9 轨道高低不平顺误差对比图Fig.9 Error comparison of track vertical profile irregularity

(1)提出了基于多体动力学理论的转向架试验台轨道不平顺复现试验的驱动试验谱生成方法, 建立了位姿反解模型, 并利用Matlab/Simulink模块对某线路实测轨道不平顺数据进行仿真求解, 得到了驱动转向架试验台作动器运动的位移试验谱。

(2)建立了1:1的转向架试验台简化三维模型, 以所生成的试验谱作为输入位移信号, 通过SolidWorks Motion运动学分析, 得到轨道不平顺复现值。

(3)将轨道不平顺的复现值与实测数据进行对比, 相对误差为0, 验证了本文所述轨道不平顺复现试验的驱动试验谱生成方法的正确性。

(4)将本文所生成的14个作动器位移试验谱作为激励信号输入到转向架试验台中进行轨道不平顺复现试验, 轨道不平顺三项参数的试验值与线路实测值相对误差均在5%以内, 证明转向架试验台对轨道不平顺的复现是可行的并且复现精度较高。因此, 本文生成的轨道不平顺复现试验谱可以运用到实车试验中。