机车振动平台装置及控制

摘 要

本文主要针对机车振动平台装置及其控制进行设计， 通过autocad软件进行 辅助设计。首先分析机车振动平台的运动特性及运动方式确定其主要参数，包括 液压缸的推力，带传动带轮的位置；根据主参数和设计要求进行液压缸，控制系 统的设计及选用。 本设计的机车振动台共有三大部分， 包括机架部分， 液压部分， 和控制部分。本课题主要模拟机车的颠簸情况，为振动试验搭建测试平台。该项 目的研发具有重要的现实意义和工程应用价值。

关键词：振动平台，液压缸，机架，控制

ABSTRACT

In this paper, vibration platform for the locomotive control device and its design, through autocad software computer aided design. First, the movement of locomotive vibration platform features and sports determine its main parameters, including the thrust hydraulic cylinder,the amplitude of vibration may? according to the main parameters and design requirements for hydraulic cylinders, control system design and selection. The design of the locomotive vibration table a total of three parts, including chassis parts, hydraulic parts, and the control section. The main subject of the rough conditions simulated locomotive, built for the vibration test test platform. The project's research and development has important practical significance and engineering applications.

Key words: vibration platform, hydraulic cylinders, design, rack

目 录

1 绪论------------------------------------------------------------1

1.1 国内外基本情况----------------------------------------------1

1.2 目前存在问题------------------------------------------------3

1.3 完成设计的方案及主要措施------------------------------------3

2 机车振动平台的总体设计---------------------------------------4

2.1 振动台介绍--------------------------------------------------4

2.2 振动台分类--------------------------------------------------4

2.3 各种类型振动台的性能比较和选择原则--------------------------8

2.4 机车振动平台的主要设计参数----------------------------------9

3 总体设计及计算------------------------------------------------11

3.1 液压缸的选用------------------------------------------------11

3.2 电动机的选择------------------------------------------------18

3.3 V 带的设计及计算--------------------------------------------19

4 控制系统的设计------------------------------------------------23

4.1 控制系统总体设计及选择--------------------------------------23

4.2 D/A 转换器接口电路的设计------------------------------------24

4.3 机车振动平台的控制电路设计----------------------------------26

4.4 总接线电路--------------------------------------------------30

4.5 D/A转换电路控制流程图---------------------------------------31

5 结论------------------------------------------------------------33

参考文献-------------------------------------------------------34 致 谢-----------------------------------------------------------35

1 绪论

随着轨道交通发展的日益成熟，越来越多的机车将被投入使用，期间不仅对 机车的制造生产有较高的质量要求，还包括对生产完毕，投入使用之前的机车的 运行测试。由于轨道资源的有限，无法将新的机车投入轨道线路进行测试，所以 机车的测试平台成为了必不可少的一个检测工具。 本设计的机车振动台共有三大 部分，包括机架部分，液压部分，和控制部分。本课题主要模拟机车在颠簸情况 下的行驶状况，为振动试验搭建测试平台。该项目的研发具有重要的现实意义和 工程应用价值。

1.1 国内外基本情况

机车振动平台装置的种类特点：机车运行中的振动,不仅影响其动力学性能 和结构强度,而且还影响电机、电器设备的使用寿命及工作可靠性。液压式振动 台主要用于机车车辆、汽车、船舶等行业的各类仪器、仪表，零部件的耐振试验 和可靠性试验。该系统运用模块化设计技术，采用进口电液伺服阀，油源由专业 厂家制造，高可靠性。使用频率低、推力大、承载能力强。工业发达国家的液压 式振动台较早、比如德国、美国、加拿大、日本

其特点有：

1）开发多品种、多功能、高质量及高精确度的液压振动台。

2）迅速发展磁力振动台以及低频振动台，不断改进和革新控制方式及其精 确程度。

3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展 速度。

4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。

6）进一步改进液压系统。

慕尼黑滚动振动试验台:1970年由于高速列车的发展德国实施了轮轨研究 计划，将车辆一轨道动力学和轮轨系统结合考虑。1977年，慕尼黑滚动振动试 验台作为轨道模拟器

主实验室条件下进行试验。 该滚动振动试验台用旋转的轨道轮代替无限长的 轨道，轨道轮由电液伺服液压激振器驱动，并在几个自由度上可以施加激振。试 验台可以测试车辆。 系统处于不同动力学条件下和不同的轨道几何参数下的动力 学性能。

日本东京滚动振动试验台：该试验台隶属于日本铁道技术研究所(RTRI )， 最初的试验台于1957年完成，并在数项研究发展计划中发挥了重要作用，比如 新干线列车的高速转向架开发、货车脱轨研究等，并在该领域国际交流合作方面

也作出了重要贡献。30年后由于未来铁道车辆发展的需要该试验台被更新，新 的试验台于1989年底投入使用，该试验台最高可进行速度达500km/h的试验。 特别地，该试验台可以对每个轨道轮施加横向、垂向及纵向的激振。

美国科罗拉多滚动振动试验台：该轨道动力学实验室隶属于美国交通部联邦铁路 局(FRA)，作为研究轨道动力学的试验工具而设立。该试验台基于一套滚动动力 学装置包括驱动电机、 调速轮和轨道轮。 该试验台可以对无动力装置车辆如货车、 客车等进行试验，还可以对自带动力装置车辆试验如机车等进行试验。试验台最 高速度可达230km/h，并由标准组件组成，可以适用于各种不同尺寸的车辆。

每个试验车辆车轮安放于轨道轮上，每对轨道轮安装在一根轴上并由之带动。车 辆轮对和轨道轮对滚动接触即模拟出车辆在轨道上运行。 轨道轮可以模拟车辆在 没有横向或垂向的不平顺直线轨道上运行， 也可以模拟在一定半径的曲线轨道上 运行，利用调速轮试验台还可以模拟车辆加速或制动的阻力。试验台可以支持多 至四轴转向架的机车车辆试验，六轴或八轴机车车辆则可以利用辅助设备试验。 此外，试验台装有两台电液伺服液压激振器，对转向架一侧施加横向恒作用力或 横向激扰，作用在转向架一侧上的每对力可以为“推一推”或者“推一拉”组合 作用方式。配合高灵敏度的位移测量设备和一套电脑，就组成了非常精确、多功 能的试验测试装置，可以将试验车辆的动力学响应进行采集、处理并将数据加以 保存。

加拿大握太华滚动振动试验台： 加拿大握太华国家研究委员会的滚动振动试 验台被称为曲线轨道模器。两对轨道轮装于一个可变形框架内，在模拟曲线轨道 试验中转向架被安置于轨道轮上端，两根轴可以调节，产生摇头角。该试验台曾 被用于优化轮对和转向架设计， 而现在由于铁道车辆研究重点的转移该装置已拆 除。

1.1.1中国液压式振动平台装置行业的现状及前景

我国从1988年开始，在西南交通大学牵引动力国家重点实验室正式批准建 造滚动振动整车模拟试验台，并于1993年初步落成，1995年起正式承担机车车 辆整车滚动振动试验， 我国的滚动振动试验台与德国慕尼黑滚动振动试验台有很 多相似之处，而经过不断的完善改造，至今己成为世界上试验功能最丰富的滚动 振动试验台之一。最近，我国滚动振动试验台经过改造，可以进行多至六轴机车 车辆试验，同时可以模拟机车车辆曲线通过，这为全面测试机车车辆动力学性能 和理论研究提供了试验条件， 使我国在高速机车车辆研制中的试验能力达到了国 际领先水平。此外，在我国青岛四方所、株洲电力机车厂都有相关滚动振动试验 台设备。 整车滚动振动试验台及比例滚动台模型都已被证明了是测试车辆动力学 性能强有力的工具，不仅在研究轨道动力学方面，而且在确认模型、预测裂力学 行为以及开发新型铁道车辆方面都可以得到运用。

液压振动台由于能真实地模拟各种试验环境,又具有出力大,控制方式灵活, 有适当的频宽范围等优点,已愈来愈得到广泛的应用。不论是各种机电产品在使 用和运输条件下的耐振情况,大型锅炉、桥梁、水坝等构件在地震时的耐震情况, 汽车车辆的道路模拟试验,航天环境的模拟试验都使用了其作为测试环境安全主 要手段。未来的发展：主要对其高性能，高效率，低成本，可靠性强的设备。

1.2 目前存在问题

目前国内机车振动平台的总体水平与世界领先国家的差距还较大， 几乎所有 高档振动台仍依赖于进口设备。有一方面原因在于设计方法的落后，国内设计多 采用二维设计，往往会产生干涉或设计错误而无法及时发现和解决。若采用三维 设计软件进行辅助设计，能大大提高设计效率，并及时发现错误。另外用计算机 辅助设计能提高CAD/CAM集成性，可用先进设计分析方法进行设计验证校核。

1.3 完成课题的方案及主要措施

1.3.1 调研：查阅资料、进入企业调研

进入企业实际调研，包括：参观实际振动台，观察振动台如何拆装；查阅有 关资料，包括实际图纸和设计范例，从而从理论到实际结合起来，在设计过程中 不断学习和完善设计思路。

1.3.2 用软件进行机架装配图的设计

使用autocad软件进行装配图的制作，可以跟直观的发现设计上的疏漏，并 加以改正。

2机车振动平台的总体设计

2.1 振动台介绍

振动台又称振动激励器或振动发生器。它是一种利用电动、电液压、压电或 其他原理获得机械振动的装置。其原理是将激励信号输入一个置于磁场中的线 圈，来驱动和线圈相联的工作台。对于不同的测试物和技术指标，应注意选用不 同结构和激励范围的振动台。振动台适用于汽车零部件、电子、家具、礼品、陶 瓷、包装等产品进行相关振动试验。更加大型的振动台可以进行整车振动等。

随着科技的日益发展振动台可以进行更多方向的震动， 对于现实生活中的一 些问题，可以更好的进行仿真

振动台的种类很多，主要类型有：模拟运输振动试验台，水平振动台, 单 向电磁振动台 ,机械振动试验台, 工频振动台, 低频振动试验台, 高频振动试 验台。

目前随着测试及认证行业越来越受到企业以及消费者的重视关于振动台的 测试标准也越来越严格化和规范化。比如温度综合，湿度综合等，加上环境因素 的振动测试。所以对于振动台的要求也越来越严格。

2.2 振动台的分类

目前，振动台已发展成为品种齐全、规格繁多的大系统，可以从不同的角度 进行分类。

2.2.1 按运动方式分类

。

（1）单轴振动台单轴振动台又分为垂向振动台以及水平振动台 （见图2-1） 该类振动台一般推力较大， 多用于测试产品由于某些突发因素所造成的冲击以及 碰撞。所以该类振动台的行程较大，以满足碰撞和冲击的加速度以及速度。多用 来测试产品在一定时间内所发生的多次冲击后，产品的质量问题。

图2-1 单轴振动台单

（2）X-Y轴振动台

，其比单轴振动台多出一 X-Y轴振动台又可以称为多轴振动台（见图2-2）

到多个个方向的振动。该类振动台体积较小，多用于测试产品在运输过程中发生 的振动。

由于体积较小所以测试物品多属于一些较轻的电子产品比如笔记本电脑， 电脑主 板等等。同时该振动台由于可以多方向的震动，也可以用来做扫频测试以找出产 品的共振点。

图2-2 X-Y轴振动台

(3) 3轴6自由度振动台

该类振动台因要模拟机车的行驶过程，所以必须三轴同时振动，且该类振动 台的占地范围也较大。 但该类振动台的行程较小同时以为是机车行驶的模拟振幅 以及频率不大。 多用来测试机车的行驶状况， 以及运输中物品的颠簸范围及程度。

图2-3 3轴6自由度振动台

.2.2 按激振方式分类

（1）机械振动台

由电机驱动机械结构产生所需振动的振动台称为机械振动台。 机械振动台主

（见图2-4）

要有直接驱动式和反作用式两种类型。

直接驱动式机械振动台：

直接驱动式是由连杆或凸轮等传动机构直接驱动的振动台， 根据驱动机构的 不同又可分成曲柄连杆式、轭架式和凸轮式三种。其频率由驱动电机转速控制。 其位移振幅一般不随负载和频率变化。

反作用式机械振动台：

它是由不平衡质量旋转产生的激振力驱动的振动台，其力F=mrω2，其中m 为不平衡质量，r为旋转半径，ω为转动角速度。给出了最常见的一种能做垂直 振动的双质量振动台。有时候需要既能做垂直运动又能做水平振动，这时可采用 三质量振动台，其中M与两个小质量m之和相等。两个小质量运动和大质量的旋 转引起的离心力在水平方向相互抵消。而垂向则叠加，故产生纯垂向激振力。则 因大质量相位偏移了180度，所以离心力在垂直方向相互抵消，故产生纯水平的 振动。

图2-4 机械振动台

（2）电动振动台

由固定磁场和位于磁场中并通由交变电流的可动线圈的相互作用所产生的 力驱动的振动台称为电动振动台。它主要由电动振动台、功率放大器和振动控制 装置等所组成。

（见图2-5）

电动振动发生器典型结构示意图见图5。其中具有工作台的电动振动发生器

用于振动环境试验；具有力输出激振头的电动振动发生器用于振动特性试验。

对于小推力情况（<500N），其固定磁场由永久磁铁提供，大推力情况则是由

直流线圈提供的。为避免磁场对试件的不良影响，现多采用双端式交变线圈。

功率放大器用于为激振台提供所需的电流和电压。 功率放大器有两种类型可 供选择，即线性功率放大器和开关功率放大器。线性功放失真小，但热耗大，效 率低（40%~50%）；而开关功放热耗小，效率高（70%~80%），且体积小，失真也不 大。

功放与振动台的耦合方式有两种，即直接耦合和变压器耦合。前者没有功率 损失，频率范围宽；后者则可通过变压器抽头调节额定电压和电流，以适应不同 试验要求，但缺点式变压器有功率损失，并限制了使用频率范围。

信号发生器和控制装置用于为功放提供信号源，它可以根据试验要求的不 同， 提供正弦、 随机振动和冲击信号并通过台面实测信号的反馈实现实时控制 （使 台面振动符合规定要求）。

辅助台通常为一油膜滑台，用于实现水平振动。

冷却装置用于移去振动台动圈及功放产生的热量，有风冷和水冷两种。风冷 无需循环水冷却装置，但噪声大；水冷方式噪声小，冷却效率高，但需要建循环 冷却水塔。

图2-5 电动振动台

（3）液压振动台

利用液体压力产生振动力进行驱动的振动台称为液压振动台。 它由液压振动发生 器、液压源、伺服阀控制和保护装置以及振动控制系统组成。典型液压振动台分 为具有工作台的液压振动台和具有力输出激励头的液压振动台。

（见图2-6） 伺服阀实际上为一电液放大器，它通常由电磁驱动线圈、控制滑阀和功率滑

阀组成。它将输入电信号转换成液体压力、流量及方向变化，驱动液压缸的活塞 运动。该运动由传感器反馈给伺服阀控制装置以控制波形满足预定的要求。液压 振动台像电动振动台一样，可以实现正弦、随机振动和冲击激励。此外，它还可 以利用多个液压缸组成多点或多轴向的振动试验系统。

图2-6 液压式振动台

2.2.3 按振动频率大小分类

（1）低频振动台

低频振动台测试平率范围多为0.1~200 0.1~300Hz。这类振动台多为液压振动 或机械振动。由于测试频率较小一般用作公路运输的测试，且液压振动台是唯一 可以从0Hz进行测试的振动台。

（2）中频振动台

其测试范围300Hz以上及2000Hz以下。多用于发动机，电动机的工作时振 动进行测试。

（3）高频振动台

多为2000Hz以上的振动测试，比如飞机机翼，以及导弹飞行过程中的振动 由于其频率很高所以这类振动台的数量较少。一般为专业器械的震动做测试。

2.3 各种类型振动台的性能比较和选择原则

（见表2-1）以上三种振动台分为，液压振动台，机械振动台和电磁振动台。

表2-1三种类型振动台的性能比较

参数 电动振动台 液压振动台 机械振动台 额定力/kN 0.1~200 5~10000 0.5~150

负载/kg 1000 5000 500

加速度/(m/s2) 1000,典型1000 1000,典型100 300,典型100 频率/Hz 0.5~5000 0~800 0.1~300

失真/% 2~5,在某些频率处可

达25以上 在固有频率一下 在固有频率以

上

横向运动/% 5~10 20 5

台面不均匀度/% 5~10 2~5 5~10

对负载偏信的敏感

度

高 低 高

激励类型 全部 全部 定频正弦

成本 高 高 低

2.4 机车振动平台的主要设计参数

振动平台设计的初始，首先需确定有关参数，它们是传动设计的依据，影 响到产品是否能满足所需要的功能要求，因此，参数拟定是振动台设计中的重要 问题。

振动台参数有主参数和基本参数。主参数是最重要的，它直接反映振动台的 运动能力、特性、决定和影响其他基本参数的数值。根据设计任务及常用数控机 床性能，列出以下参数机车振动平台主要设计参数，用以方案选定，计算参数也 都用以下表格所列参数为主要依据。

表2-2机车振动平台的主要设计参数

名称 设计参数

工作台尺寸

工作台最大纵向行程

工作台最大横向行程

续表2-2

机车尺寸 振动台振幅 外型尺寸

3 总体设计及计算

3.1 液压缸的选用

本段主要根据工作情况对液压缸进行设计选用， 通过最大负载和工作压力来 确定液压缸的主要尺寸，液压缸的主要尺寸包括：液压缸内径D、活塞杆直径d、 液压缸缸体长度l。

（1）水平前后方向的液压缸的选择及计算

1）液压缸内径D

液压缸内径D根据最大总负载和选取的工作压力来确定

通过推动水平前后方向的振动板所需克服的摩擦力来确定液压缸的最小推 力。

再不能减小振动台的外形尺寸的条件下振动台台体和板材所用的材料为铝 合金，密度为 ，以竟可能的减轻振动台，台面的重量，使液压缸 的性能得到充分发挥。

前后方向振动板的外形尺寸（长4500 宽2000 高20）（单位mm）

根据工作情况定测试机车最大重量为 。

因为上海海拔与水平线差别不大所以

可求得摩擦力为

取滑动导轨之间的摩擦系数0.1

液压缸推力

即液压缸可产生的推力因大于等于

根据机械手册查表得液压缸的公称压力

液压缸压力为:

所选用的液压缸为单杠液压缸。

无杆腔进油时：

有杆腔进油时：

初步回油压力 ，则公式应变为：

无杆腔进油时：

有杆腔进油时：

算得 ，圆整的

2）活塞杆直径d

因为振动所需要的活塞来回速度相差不大选取可达到的最小速比1.15 液压缸的内径

所以活塞杆的直径

3）液压缸缸体长度L

由液压缸最大行程、活塞宽度、活塞杆导向套长度、活塞杆密封长度和特 殊要求的其它长度确定

其中活塞的宽度

取 。

导向套滑动面长度

因为 ，故取 。

导向长度 （这里L为液压缸最大行程）

最大行程 ,取 。

所以缸体长度 。

由于活塞杆直径与缸体长度之比小于15，所以该液压缸无须进行校核。

（2）水平左右方向的液压缸的选择及计算

1）液压缸内径D

液压缸内径D根据最大总负载和选取的工作压力来确定

通过推动水平前后方向的振动板所需克服的摩擦力来确定液压缸的最小推 力。

因为左右方向和前后方向振动板外形尺寸基本一致。

所以

因原文档太大，此文档% ￥有部分删除，需完整的含 CAD 图的 设计可问原著要。