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5 机车试验激振台及控制系统设计 机车车辆动态模拟研究（一）国内外研究现状与发展趋势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。随着科学技术的发展， 传统交通机车产业在经历了一段竞争力下降的时期后，正一前所未有的发展速度，与航空、汽车等运输方式，展开了激烈的竞争。这其中高速列车的成功运营，大大提高了铁路的竞争力。它正以其安全、舒服、正点、低耗能、污染小等诸多优点，成为了世界各国发展交通运输产业的投资热点。 高速铁路以现代高新技术如：现代通信技高速铁路以现代高新技术术、自动控制技术、计算机技术、检测技术及其告诉机车车辆技术为基础，实现了铁路运输的现代化。而与其同时期发展的铁路机车车辆试验技术，也受到研究人员的普遍重视。任何一种新型机车车辆在正式投入运营之前，为了对机车车辆的中综合性能和机车车辆的动力学性能（如：走行安全界限、装载安全性）等进行全面测试，一般可以进行二种试验：一种是线路运行试验；另一种是定置试验。但是线路运行试验在实际路线上进行的，受气候等因素影响，且不符合我的实践性。而定置试验不受上述因素影响，也越来越受到发达国家的重视。机车车辆试验台作为定制试验装置，具有以下特征：（1）能减少机车车辆的开发成本和时间进行线路运行试验，需花费大量的经费、人力、物力和时间。而采用试验台试验,可以大幅度节省大量的新型机车车辆的开发成本和时间；（2）可进行各种极端条件下的试验在试验台极限运行范围内，可以进行各种极端条件下的试验。如：最高时速的极限。钢轨不平顺的极限，车体、转向架实现轻型化的极限，以及蛇形失稳、脱轨试验等；（3）可方便地进行各种检测信号的测试在线路运行试验中，除了会遇到实施方法，测量方法等各方面的困难外。还会出现一些意料之外的无法确定的干扰。而试验台试验由于测试装备安置安装，因此检测方便，有有效排除运行试验中各种不定因素的告饶，并且可检测到一些在线路实验中无法检测到的信号。由于上述特点，使得机车车辆室内动态模拟试验台日益受到各国铁路研究人员的重视。可以说。机车车辆动态模拟试验台对于铁路现代化技术发展的作用是功不可没的。这点可以从德国慕尼黑试验台自78年建成开始到1996年所作的近40次试验和我国牵引力国家实验室自建成到目前为止所完成的近10成就大型试验中得到充分的证实。模各铁路发达国家，从60年代开始，分别建立了机车动态模拟实验台。拟单元从单轴模拟，逐渐发展到整车四轴模拟。滚轮（或称轨道轮）也从简单的用偏心滚轮实现正旋波单维激振，发展到用液压伺服激振系统实现任意波形的多维激振。功能日趋完善的机车车辆动态模拟试验台，为新型机车车辆的研制，提供了全参数的室内动态模拟环境，是惊醒各种机车车辆试验必要的研究工具。在世界各铁路发达国家，如：德国、日本。法国、没过、英国、原苏联等都根据不同的目的和不同的应用范围，建造了机车车辆定置试验台。其中。位于德国慕尼黑的机车车辆动态模拟试验台，是目前作为钢轨模拟装置，除了滚动速度以外，还可以模拟钢轨的上下、左右、倾斜、旋转4个方向的不平顺，并且各个方向上的运动均由液压伺服激振系统独立控制，能够专区恶魔你线路状态，实现了整车运行的动态模拟。我国从80年代开始，就分别在大连内燃机研究所和四方车辆研究所建造了机车牵引试验台和转向架滚动试验台；在九十年代初期，又在四方车辆研究所建造了激振试验台，与滚动试验台配套。由于它采用了滚动太（RTU）和激振台（VTU）相分离的方式，无法模拟机车车辆的真是运行环境，特别是对于高速运行的模拟。同时，由于它们专业性太强，试验的功能范围较窄，无法满足我国高速机车车辆综合性能和动力学性能试验研究发展的需要。为此，在1989年由国家计委立项，利用世行贷款，以牵引动力国家重点实验室的建设为契机，研制和制造了滚动和振动相结合的，可实现左右滚轮独立横向、垂直随机激振的机车车辆动态模拟试验台，其基本功能与德国慕尼黑试验台相似。除了进行各种模拟试验以外，还可以利用它进行轮轨关系等基础性的理论研究。从1994年底试验台安装调试完毕到目前为止，以进行了近十个大型试验。并且，牵引动力国家重点实验室也于1995年底，通过国家验收，正式对外开放。（二） 机车车辆动态模拟方法所以顾名思义，仿真就是真实地对研究对象的活动行为进行模拟，从中获得研究对象的动态特性和活动性能。所以，机车车辆动态模拟就是模拟机车车辆的运行过程，从而得到机车车辆运动过程中各检测点的动态状况，以研究机车车辆及其相互系统的动力学特性和机车车辆运行品质。随着计算机的发展，模拟技术可以分成三种类型：1） 计算机模拟，通过对研究对象的数学模型进行仿真计算，在理论上获得研究对象的性能。2)实物模拟，直接对实物对象进行仿真试验，获得实物对象的性能。3)半实物、半虚拟的混合模拟，也就是研究对象部分是实物，部分是理论模型，用虚实模型构成一个完整的研究对象，进行仿真研究。在铁路机车车辆的验证过程中，模拟研究得到广泛采用，贯穿全过程。 (三) 机车车辆运行模拟试验台设计的基本要求 机车车辆整车动力学试验台的发展，具有从简单到复杂的过程。随着列车车速的提高，机械工业和电子工业的发展，研制的试验台日趋完善。准确模拟机车车辆运行状况，是试验台发展的必然趋势。建造机车车辆试验台的主要目的是提供一个机车车辆运行环境。试验台应全部或部分模拟车辆运行工况： 模拟车辆前进运动。 模拟线路不平顺扰动。 模拟在荷载条件下的牵引制动过程。如何实现轨道不平顺模拟，首先回顾一下轨道不平顺的概念，所谓轨道不平顺就是左右钢轨的误差。习惯上把轨道不平顺分为：轨距不平顺、水平不平顺、方向不平顺和垂向不平顺。严格地说，还存在钢轨型面误差。这几种轨道不平顺实际上是由左右钢轨的垂向、横向误差(zL，YL，zR，yR)所决定轨距不平顺时 Yg YL-YR方向不平顺时 Y = L+yR)2水平不平顺时 Ze=ZL-2R 式中 L-轮对滚动圆横向间距之半垂向不平顺时 Zp (zL+ZR)理想的试验台不仅能模拟轨道的不平顺和模拟直线， 同时还能模拟曲线。遗憾的是，由于机械结构的复杂性，目前世界上还没有一个这样理想的试验台。（四） 机车车辆整车滚动振动试验台由西南交通大学牵引动力国家重点实验室研制的机车车辆整车滚动振动试验台，是当今世界上世界规模最大、功能最多、唯一可以模拟曲线的机车车辆整车模拟运行试验台。试验台1989年开始研制，1994年建成四轴滚动振动试验台，1995年正式承接试验任务，经过5年的成功运行，于2000年开始进行改扩建，2002年底新的6轴滚动振动试验台落成并投入运行。利用该试验台先后完成50个整车或转向架的台架试验，获国家科技进步一等奖。机车车辆整车滚动振动试验台主要由滚轮单元、驱动机械单元、液压激振系统驱动电气系统、数据采集处理系统、监视系统和动力系统组成。其中，滚轮单元和驱动机械单元为组成完整的试验单元，被试车的每一个轮对对应有一个试验单元。滚动振动试验台系统框图，铁路专用电25kV50 Hz，主要用于机车或其他动力车受流， 同时也可以用于驱动系统的供电，市电380 V50 Hz，主要用于激振系统和驱动系统及其他辅助系统供电。图1 SS9电力机车在六轴滚动振动试验台上的实体照片试验台的主要技术指标如表2所示。本试验台能满足米轨、准轨和宽轨，六轴以下所有机车车辆的动力学性能和牵引制动功能试验要求。利用该试验台，具体可开展的试验研究工作包括基础研究和应用研 lJ： 轮轨接触蠕滑理论验证和蠕滑系数研究。 脱轨机理研究及脱轨准则确定。 机车车辆蛇行稳定性试验研究。 机车车辆运行平稳性及乘坐舒适性试验研究。 机车车辆系统、零部件振动模态及动强度试验研究。 运行安全性及物品装载安全性试验研究。 牵引制动功率试验及操作方法优化的研究。 轮轨粘着利用、控制及踏面磨损的研究。 轮轨相互作用力及机车车辆运行受力分析。 噪声源分析及降噪。（五） 滚动振动试验台运行动态模拟试验的可行性分析纵观世界各国机车车辆试验台，它们在各国的铁路发展中均发挥了重要作用，特别是功能相对齐全的试验台，都得到了很好的应用。例如， 日本国铁研究所的滚动振动试验台，在防止货车脱轮、电力再生制动和无摇枕转向架等很多研究开发项目中起到了重要作用；德国慕尼黑的滚动振动试验台在德国ICE 高速列车的研制过程中发挥重要作用I训，最忙的时候，年试验项目达到10项；牵引动力国家重点实验室的滚动振动试验台在我国的提速和高速机车车辆研制过程中同样也起到不可替代的作用。机车车辆台架试验用滚轮代替钢轨，其试验方法是否合理，试验结果是否可信，一直是广大试验用户和学术界关注的问题。下面就机车车辆动力学稳定性、平稳性和曲线通过性能台架试验作一些说明。1） 运动稳定性试验机车车辆运动稳定性试验是台架试验最主要的试验项目，这也是线路试验无法替代的项目。先介绍运动稳定性试验方法和临界速度定义。机车车辆稳定性试验就是测定临界速度，往往通过对被试验机车车辆在试验台上的蛇行运动极限环图进行分析，得到各种含义的临界速度。典型的蛇形运动极限环图如图2所示。当机车车辆在理想平直轨道上运行时，也就是试验台滚轮作无扰动的纯滚动， 当试验运行速度达到vc0时，机车车辆系统出现稳定的周期运动，即蛇行运动，蛇行运动的振幅随速度的提高而增大，vc0称之为线性临界速度；当速度大于vcl时，周期运动发生跳跃，振动加剧，出现撞击轮缘现象的蛇行运动，这时为无条件失稳，vc1称之为非线性失稳速度。图2中虚线为不稳定周期运动极限环振幅值。当速度大于vc2而小于vc1时，当初始扰动幅值大于图2中虚线时，同样也可出现极限环振幅较大的蛇行运动，这时称为有条件失稳，失稳速度vc应位于vc2和vcl之间；当速度小于vc2时系统则稳定，所以vc2被称之为非线性稳定速度。机车车辆台架试验和线路运行的差别有两点，一是在台架上时的轮轮接触蠕滑系数比线路轮轨接触蠕滑系数小(接触斑不同所致)，二是当轮对有冲角 时，轮轮接触时的重力角刚度 是一个绝对值较轮轨接触时大的负值。从上面的分析可以看到，机车车辆在试验台试验确有误差，但是可以预知的，而且台架试验的结果偏向安全。应该说，用滚动振动试验台进行机车车辆稳定性试验是可行的。2） 运行平稳性试验运行平稳性试验是通过滚振相结合的试验方法来模拟被试机车车辆在线路不平顺激扰下的运行状态，测定车体振动响应的平稳性。试验时，首先确定试验台第一轴的激振信号，后面的26轴的激振信号通过第一轴的激振信号延时得到。样以206WP转向架的准高速客车为例，计算得到的车体横向加速度的频谱图。显然在低频段，在台架上的车体振动加速度在低频段略比在线路上大，和理论分析结果一致。从比较结果看，机车车辆台架试验与线路运行相比，其加速度响应误差较小，说明用台架试验进行机车车辆平稳性测定是可行的。3） 曲线通过试验在试验台上进行机车车辆曲线通过试验是一件异常困难的事，至今还没有一个试验台可以完全模拟曲线通过，要模拟机车车辆曲线通过性能，试验台必须具有以下能力。(1)根据曲线半径，把滚轮设置在曲线切线方向，模拟被试车在相应曲线上。(2)根据曲线半径，调整左右滚轮的速差，模拟曲线上内外轨的长度差。(3)根据运行速度和超高，设置同一轴滚轮对的未平衡超高。(4)根据运行速度和曲线半径，在车体和转向架上设置过曲线时的回转力矩(过缓和曲线时)。为了模拟曲线，实现内外轨的速差，牵引动力国家重点实验室的滚动振动试验台在扩建时，增加了左右滚轮的差速功能。差速是通过复杂机械系统实现的，滚动振动试验台的差速机构框图,锥齿轮箱用于运动方向的改变，真正的差速是通过差速齿轮箱实现的，差速的速度用一台调速电机来驱动控制。在模拟曲线时，对于对超高的模拟是模拟过超高或欠超高，即模拟超(欠)高角为式中 v机车的速度R，h，2 曲线半径、超高以及轨距以试验车SY97846为算例，用SIMPACK软件为计算工具，线路条件为R=300 m、h=90 mm，不考虑轨道不平顺，在不同速度下试验台工况和线路工况脱轨系数、轮重减载率的比较情况。可以看到，在试验台上得到相应值都偏小，但误差较小，仅10左右。这足以说明用台架试验进行机车车辆曲线通过试验是可行的。 （六）结论 机车车辆6轴滚动振动试验台的建成，标志着我国铁道机车车辆试验研究跨上了一个新台阶，加速了我国机车车辆的研究步伐。该试验台自1995年正式运行以来，已完成几乎所有新研制的提速或高速机车车辆动力学性能测定及优化试验，完成的机车车辆试验项目超过5O次，为我国铁路的提速和高速机车车辆的研制发挥了重要作用。随着我国高速客运专线的建设和高速动车组的技术引进消化吸收与再创新工作的开展，机车车辆滚动振动试验台将发挥更重要的作用。随着我国铁路跨越式发展，建立以设计平台和试验平台为一体的机车车辆研究开发平台十分迫切， 以形成“设计一分析一试验”为闭环关系的研究体系，满足我国机车车辆研发需要。 参考文献1张卫华铁路机车车辆运行动态模拟研究D成都：西南交通大学，19962HOSHIYA Shunji.机车车辆滚动测试以一个450公里的速度/ 小时的研究J铁路工程报，1987,102：。12-15。3宫本Masayuki.JR机车车辆厂的能力测试在速度测试的500公里/小时研究J。资历名册的RTRI，1991,32（4）:211- 2124JASCHINSKI A，CHOLLET H，IWNICKJ S，应用辊钻机在铁路车辆动力学研究J。车辆动态系统注射，1999,3:345- 3925詹斐生机车动力学M北京：中国铁道出版社，19906张卫华车辆运动稳定性试验台试验及与线路试验间误差分析J铁道学报，1997，19(1)：32-367鲜荣滚动振动试验台曲线通过试验方法研究D成都：西南交通大学，2004 7 毕业设计（论文）开题报告课题名称 _机车试验激振台及控制系统设计 学 院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 年 2月28日 目录背景及意义 3文献综述 3研究内容 4研究方案 5进度计划 6参考文献 6 机车试验激振台及控制系统设计一 选题背景及其意义 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。二 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）随着科学技术的发展， 传统交通机车产业在经历了一段竞争力下降的时期后，正以前所未有的发展速度，与航空、汽车等运输方式，展开了激烈的竞争。这其中高速列车的成功运营，大大提高了铁路的竞争力。它正以其安全、舒服、正点、低耗能、污染小等诸多优点，成为了世界各国发展交通运输产业的投资热点。 高速铁路以现代高新技术，如：现代通信技术、自动控制技术、计算机技术、检测技术及其告诉机车车辆技术为基础，实现了铁路运输的现代化。而与其同时期发展的铁路机车车辆试验技术，也受到研究人员的普遍重视。任何一种新型机车车辆在正式投入运营之前，为了对机车车辆的中综合性能和机车车辆的动力学性能（如：走行安全界限、装载安全性）等进行全面测试，一般可以进行二种试验：一种是线路运行试验；另一种是定置试验。但是线路运行试验在实际路线上进行的，受气候等因素影响，且不符合我的实践性。而定置试验不受上述因素影响，也越来越受到发达国家的重视。机车车辆试验台作为定制试验装置，具有以下特征：（1）能减少机车车辆的开发成本和时间进行线路运行试验，需花费大量的经费、人力、物力和时间。而采用试验台试验。可以大幅度节省大量的新型机车车辆的开发成本和时间；（2）可进行各种极端条件下的试验在试验台极限运行范围内，可以进行各种极端条件下的试验。如：最高时速的极限。钢轨不平顺的极限，车体、转向架实现轻型化的极限，以及蛇形失稳、脱轨试验等；（3）可方便地进行各种检测信号的测试在线路运行试验中，除了会遇到实施方法，测量方法等各方面的困难外。还会出现一些意料之外的无法确定的干扰。而试验台试验由于测试装备安置安装，因此检测方便，有有效排除运行试验中各种不定因素的告饶，并且可检测到一些在线路实验中无法检测到的信号。由于上述特点，使得机车车辆室内动态模拟试验台日益受到各国铁路研究人员的重视。可以说。机车车辆动态模拟试验台对于铁路现代化技术发展的作用是功不可没的。这点可以从德国慕尼黑试验台自78年建成开始到1996年所作的近40次试验和我国牵引力国家实验室自建成到目前为止所完成的近10成就大型试验中得到充分的证实。各铁路发达国家，从60年代开始，分别建立了机车动态模拟实验台。模拟单元从单轴模拟，逐渐发展到整车四轴模拟。滚轮（或称轨道轮）也从简单的用偏心滚轮实现正旋波单维激振，发展到用液压伺服激振系统实现任意波形的多维激振。功能日趋完善的机车车辆 动态模拟试验台，为新型机车车辆的研制，提供了全参数的室内动态模拟环境，是惊醒各种机车车辆试验必要的研究工具。在世界各铁路发达国家，如：德国、日本。法国、没过、英国、原苏联等都根据不同的目的和不同的应用范围，建造了机车车辆定置试验台。其中。位于德国慕尼黑的机车车辆动态模拟试验台，是目前作为钢轨模拟装置，除了滚动速度以外，还可以模拟钢轨的上下、左右、倾斜、旋转4个方向的不平顺，并且各个方向上的运动均由液压伺服激振系统独立控制，能够专区恶魔你线路状态，实现了整车运行的动态模拟。我国从80年代开始，就分别在大连内燃机研究所和四方车辆研究所建造了机车牵引试验台和转向架滚动试验台；在九十年代初期，又在四方车辆研究所建造了激振试验台，与滚动试验台配套。由于它采用了滚动太（RTU）和激振台（VTU）相分离的方式，无法模拟机车车辆的真是运行环境，特别是对于高速运行的模拟。同时，由于它们专业性太强，试验的功能范围较窄，无法满足我国高速机车车辆综合性能和动力学性能试验研究发展的需要。为此，在1989年由国家计委立项，利用世行贷款，以牵引动力国家重点实验室的建设为契机，研制和制造了滚动和振动相结合的，可实现左右滚轮独立横向、垂直随机激振的机车车辆动态模拟试验台，其基本功能与德国慕尼黑试验台相似。除了进行各种模拟试验以外，还可以利用它进行轮轨关系等基础性的理论研究。从1994年底试验台安装调试完毕到目前为止，以进行了近十个大型试验。并且，牵引动力国家重点实验室也于1995年底，通过国家验收，正式对外开放。三 研究内容1液压系统的基本原理:利用不可压缩的流体，将作用于某一点的力传递到另一点，这种流体通常是某种油。传递过程中，原来的力通常会成数倍增大。液压源：液压源为液压设备提供所需能量。液压源由油箱、电动机、液压泵、安全阀、过滤器和冷却器等组成，但液压源上也可安装其它液压元件（如压力表和换向阀等）。2电液伺服阀：电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件，它是一种接受模拟电信号后，相应输出调制的流量和压力的液压控制阀。电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点，已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中。3激振器：附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件。激振器能使被激物件获得一定形式和大小的振动量，从而对物体进行振动和强度试验，或对振动测试仪器和传感器进行校准。激振器还可作为激励部件组成振动机械，用以实现物料或物件的输送、筛分、密实、成型和土壤砂石的捣固等工作。按激励型式的不同,激振器分为惯性式电动式、电磁式、电液式、气动式和液压式等型式。激振器可产生单向的或多向的，简谐的或非简谐的激励力。4 齿轮联轴器:连接两个滚动轮的连接器. 5 万向联轴器：一种特殊的球面铰链四杆机构，其中除机架外，每一个构件上两转动副 轴线间的夹角均为90.6轴承: 用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置，起支承或导向作用的零部件。四 研究方案1 计算机控制的液压私服激振器系统包括：主控制计算机、实时过程控制器、数字式私服控制器、液压源和激振器2 试验台满足以下基本要求：（1）4轴整车试验；（2）整车试验（3）机车牵引制动试验；（4）直线运行的模拟。被试车通过纵向拉杆固定在实验台上，车轮与试验台的滚轮正对放置。为了方便起见 试验台的机械部分坐落在抗震基础之上，试验台供电方式有2种：一种是三相交流380V/50HZ；另一种是铁路专用电（单相交流25KV/50HZ）3确定滚轮自由度 : （1）左右滚轮绕Y轴方向转动 模拟车辆的向前、向后运动. （2）左右滚轮沿Z轴方向分别移动，模拟上下垂直运动 （3）左右滚轮沿X轴转动 模拟左右运动。在上面的滚轮运动自由度中，沿Y、Z轴方向的移动和转动可以实时控制，绕X轴、Z轴的方向的移动需要2台电液伺服液压激振器实现动态控制。4 中间轮齿联轴器的设计由于左右滚轮要实现独立的前后左右上下运动，为此左右滚轮相对错动和窜动5 轴承的确定1 根据轴承工作条件（包括载荷方向及载荷类型、转速、润滑方式、同轴度要求、定位或非定位、安装和维修环境、环境温度等），选择轴承基本类型、公差等级和游隙；2 根据轴承的工作条件和受力情况和寿命要求，通过计算确定轴承型号，或根据使用要求，选定轴承型号，再验算寿命.3 验算所选轴承的额定载荷和极限转速。选择轴承的主要考虑因素是极限转速、要求的确良寿命和载荷能力，其它的因素则有助于确定轴承类型、结构、尺寸及公差等级和游隙工求的最终方案。各类滚动轴承具有不同的特性，适用于各种机械的不同使用情况。选择轴承类型时通常应考虑下列因素。一般情况下：对承受推力载荷时选用推力轴承、角接触轴承，对高速应用场合通常使用球轴承，承受重的径向载荷时，则选用滚子轴承。总之，选用人员应从不同生产厂家、众多的轴承产品中，选用合适的类型。轴承所占机械的空间和位置 在机械设计中，一般先确定轴的尺寸，然后，根据轴的尺寸选择滚动轴承。通常是小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承。但是，当轴承在机器的直径方向受到限制时，则选用滚针轴承、特轻和超轻系列的球或滚子轴承；当轴承在机器的轴向位置受到限制时，可选用窄的或特窄系列的球或滚子轴承。轴承所受载荷的大小、方向和性质 载荷是选用轴承的最主要 因素。滚子轴承用于承受较重的载荷，球轴承用于承受较轻的或中等载荷，渗碳钢制造或贝氏体淬火的轴承，可承受冲击与振动载荷。在载荷的作用方向方面，承受纯径向载荷时，可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。承受较小的纯轴向载荷时，可选用推力球轴承；承受较大的纯轴向载荷时，可选用推力滚子轴承。当轴承承受径向和轴向联合载荷时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。对于悬臂支撑结构，常采用圆锥滚子轴承或角接触球轴承。五 进度计划2010.11-2010.12 收集资料、调研、翻译外文技术资料，完成开题报告2010.12-2011.1 研读资料，拟定设计方案。2011.1-2011.3 完成设计草图，作必要的设计计算。2011.3-2011.4 最终完成总装配图，以及部件图和零件图设计。2011.4-2011.5 完成控制系统设计，撰写设计计算说明书。2011.6 答辩准备及答辩。六 参考文献【1】 张卫华，普京 机车车辆滚动激振试验台的发展及我国整车试验台的研制A 。机械科技的未来青年科学家论坛M。北京：机械工业出版社，1993.【2】 陈良麒，张卫华，陈建政。机车车辆滚动振动试验台和试验方法【J】。西南佳通大学学报，1997,32（2）:208213.【3】 张卫华。铁路机车车辆运行模拟研究【D】。成都：西南交通大学，1996【4】 周文祥，连级三，郭育华。滚动振动试验台电气传动系统研制。西南交通大学学报，1994；29（3）：294【5】 彭忆强 应用于机车车辆滚动振动试验台的计算机控制系统。计算机应用，1995；15（专辑）：152154【6】 张卫华，徐涛。铁路高速机车车辆运行品质预测的最佳途径。见：王金诺主编。险难交通大学百周年校庆论文集，成都：西南交通大学出版社1996:4042【7】 王福天 车辆系统动力学。北京：中国铁道出版社，1994:1623【8】 彭忆强 在滚动振动试验台上再现轨道实况的一种说法。西南交通大学学报，1995；30（6）：662666【9】 Alfred Jaschinski,Hugues Chollet,Simon Iwnicki, et al.The Application of Roller Rigs to railway Vehicle DynamicsJ. Vehicle System Dynamics,1999 ,31(5_6): 345-392.【10】 Masayuki Miyamoto. JR Rolling Stock Testing Plant Capable of Testing at a Speed of 500 km/J. QR of RTRI, 1991,32(4);211212【11】 Vitrano F, Plego U. Le prove su veicoli ferroviari mediante banco a rulli J. Ingegneria Ferroviaria, 1993 , 48(7):480492【12】 宫元照 东风4型内燃机车定制试验台 内燃机车 1999，2；18-20【13】 濮良贵 纪名刚 机械设计基础 北京：高等交易出版社机车试验激振台及控制系统设计 VI 机车试验激振台及控制系统设计作 者 姓 名：学科、专业 ：学 号 ：指 导 教 师：完 成 日 期：摘 要本课题通过同分析机车试验平台的运动特点设计了具有2个方向自由度得机车试验平台及控制系统。使用有限元软件ANSYS对机车试验平台进行了静力学校核证实结构满足设计要求，并对关键零部件油缸,键，轴承，电动机进行了设计与校核。本课题基于CAN总线技术设计平台运动的控制系统。通过本课题的设计了解了机械CAD，CAE的使用，并学习和掌握的CAN总线控制技术。关键词：机车试验平台；ANSYS；控制AbstractAnalysis of this issue through the same motion characteristics of motorcycle test platform is designed with two degrees of freedom was the direction of test platform and the locomotive control system. Using the ANSYS finite element software test platform on the locomotive were confirmed by static checking the structure to meet the design requirements, and key parts of cylinder, keys, bearings, motors have been designed and better. The subject of design platform based on CAN bus technology motion control systems. I am learn to master the subject of mechanical CAD, CAEs use, and learn and master the CAN bus control technology by the design of this project.Key Words：motorcycle test platform，ANSYS，control- VI -目 录 摘要.II Abstract III1 绪论 IV 1.1 选题背景及其意义 1 1.2 国内外发展趋势 22 试验平台的确定 23 平台架的校核. 4 3.1 平台架的形式 4 3.2 平台架尺寸的确定 5 3.3 平台架强度校核 5 3.3.1有限元简介 . 6 3.3.2有限元求解思路 6 3.3.3 单元类型选择 .6 3.3.4 物理模型创建. 9 3.3.5 模型校核求解 .13 3.4 平台稳定性校核. 14 3.41 水平运动平台校核. 14 3.4.2 垂直运动平台校核. 16 4 液压缸的设计计算 18 4.1.1 水平油缸.18 4.1.2 有刚工作压力.19 4.1.3 缸筒强度 19 4.1.4 活塞杆强度 19. 4.1.5 活塞杆稳定性 19 4.2 垂直油缸 19 4.2.1 垂直油缸工作压力 20 4.2.2缸筒强度 20 4.2.3活塞杆强度 20 4.1.5活塞杆稳定性. 215液压系统方案 21. 5.1 执行元件形成的分析与选择21. 5.2 油路循环方式的分析和选择 21 5.3 油源类型的分析和选择 22 5.4 调速方案的分析和选择22 5.5 液压基本回路的分析与选择.22. 5.6 液压系统原理图的拟定22. 5.7 液压系统参数设计 23. 5.8 选择液压元件 23 5.8.1液压泵、液压马达23. 5.9 液压泵站的类型与选择 24 5.10 油箱的设计24 5.11 油箱容积的确定24 5.12 油箱附件的选择24 5.13 空气滤清器的选择 24 5.14 加热器的选择24 5.15 吸油管出滤油器的选择24 5.16 精滤油器的选择24 5.17 管路的设计 24 5.18 管件尺寸的确定24 5.19 液压管路的连接方式246. 关键部件校核.25 6.1 销轴的校核.25. 6.1.1 水平运动球铰销轴的校核.26 6.1.2 垂直运动销轴的校核 26 7 控制系统设计 27 7.1 通信计算确定 27 7.2 控制手柄选择 27 7.3 控制器选择.28. 7.4 油缸位移传感器. 28 7.5 控制系统原理288 结论 29 参考文献. 29 致谢 30机车试验激振台及控制系统设计 119Locomotive vibration testing and control system design platform Dynamic simulation o rolling stock (One) Research status and development trendWith the increasing maturity of the development of rail transportation, more and more motorcycles will be put into used. Not only during the manufacturing of locomotives have a higher quality requirements, but also includes the production is completed, put into operation before the test locomotive. The orbit limited resources, can not be put into orbit a new motorcycle test line, so the motorcycle test has become an essential platform for detection tool. With the development of science and technology, the traditional transport motorcycle industry has gone through a period of declining competitiveness, the development is an unprecedented speed, with the aerospace, automotive and other transport modes, in a fierce competition. This successful operation of high-speed train which has greatly enhanced the competitiveness of the railway. It is their safety, comfort, punctuality, low energy consumption, pollution and many other advantages, as the countries in the world of transportation industry investment. Modern high-tech high-speed rail such as: modern communications technology to modern high speed railway operation, automatic control technology, computer technology, detection technology and tell locomotive technology, to achieve the modernization of the railway transport. And with the same period the development of test techniques for railway rolling stock, but also by researchers in general attention. Any new rolling stock is put into operation prior to the vehicles on the locomotive and rolling stock in the overall performance of the dynamic properties (such as: running safety limits, load security) to conduct a comprehensive test, generally can be two tests: One is the line running test; the other is set-test. But the line running test conducted on the actual route, by climate and other factors, and not in line with my practice. The stationary test subject to the above factors, but also more and more attention in deveped countries. Rolling test-bed for custom test equipment, has the following characteristics:(FIFST)Rolling stock can reduce development costs and timeThe line running test, it takes a lot of funding, manpower, material resources and time. The use of test-bed test, can greatly save a lot of new rolling stock development costs and time. (TWICE) It can be a variety of tests under extreme conditions.Extreme running in the test range, can be a variety of tests under extreme conditions. Such as: the maximum speed limit. The limits of track irregularity, body, bogie to achieve light of the limits, and snake instability, such as testing derailment.(3) It can easily test a variety of test signals. In line running test, in addition to encounter implementation methods, measurement methods and other aspects of the difficulties. Also some unexpected interference can not be determined. The test bench test equipment, placement of the test installation, it becomes easy, there are a variety of performance tests of the effective exclusion of the Gurao uncertainties and can be detected in some experiments can not detect line signal.Because of these characteristics, which make dynamic simulation of rolling test bed indoor growing by the national railway researchers attention. It can be said locomotive dynamic simulation test bed for the development of modern technology, the role of the railway is withheld. This test bed from Munich, Germany, built in 78 years starting from 1996 by nearly 40 trials and the national laboratories since the completion of traction so far completed nearly 10 major achievements have been fully confirmed by experiment. The railway developed countries, from the 60s, were established motorcycle dynamics bench. The proposed unit from the single-axis simulation, and gradually developed to simulate the vehicle axis. Wheel (or track wheel) is also from the simple to achieve with the eccentric wheel is one-dimensional spin wave excitation, the development of hydraulic servo system to achieve arbitrary waveform exciting multi-dimensional excitation. Functions are becoming more comprehensive dynamic simulation of rolling test bed for the development of new rolling stock to provide a full dynamic simulation of indoor environment parameters, is awakened by a variety of tests necessary rolling stock research tool. The railway in the world, developed countries, such as: Germany, Japan. France, not seen, the United Kingdom, the former Soviet Union are all different depending on the purpose and scope of application, the construction of locomotive-set test bed. Them. Munich, Germany, the dynamic simulation of rolling stock test stand, is as rail simulator, in addition to rolling speed, it also can simulate the rail up and down, left and right, tilt, direction of rotation 4 is not smooth, and the movement in all directions by Independent control of hydraulic servo excitation system, the devil can you line status area to realize the dynamic simulation of vehicle operation China from the 80s to in Dalian Institute of Internal Combustion Engine Research Institute and the four vehicles built locomotive bogie rolling test stand and test stand; in the early nineties, but also in the construction of a four-vehicle vibration test stand Institute, and rolling test bed facilities. Because it uses a scroll too (RTU) and the vibration units (VTU) phase separation method, can not simulate the operating environment is really rolling stock, especially for high-speed operation of the simulation. Also, because they are too specialized, narrow range of test functions, high-speed rolling stock can not meet our overall performance and dynamic performance tests for research and development needs. To this end, in 1989 by the State Planning Committee, the use of World Bank loans to the Traction Power State Key Laboratory of the building as an opportunity to develop and manufacture a combination of rolling and vibration, can be realized around wheel independent horizontal and vertical random excitation Dynamic simulation of locomotive and vehicle vibration test stand, the basic function and test bed similar to Munich, Germany. In addition to a variety of simulated test, you can also use it for the relationship between wheel and rail fundamental theory. From the end of 1994 test-bed installation is completed so far, for nearly ten large-scale test. And, State Key Laboratory of Traction Power is also in late 1995, confirmed by the state, was formally opened.（TWO）Dynamic simulation method for rolling stock As the name suggests, the simulation is truly the object of research activitiesBehavior simulation and gain dynamic characteristics of the subjects and activitiesDynamic performance. Therefore, the dynamic simulation of rolling stock is to simulate the operation of the process of rolling stock, resulting in motion the process of rolling the dynamics of the detection point to study the system of rolling stock and their dynamics and quality of rolling stock to run. With the development of computers, simulation techniques can be divided into three types: 1） computer simulation study by simulation of the mathematical model, in theory, access to study performance. 2）physical simulation, direct simulation of the physical object, physical object properties to obtain. 3）loop, half-virtual hybrid simulation, which is part of the real object of study, part of the theoretical model, with the actual situation model of a complete study, simulated. Railway rolling stock in the verification process, simulation is widely used throughout the entire process.（THREE）Simulation test bed for rolling stock designed to run basic requirementsLocomotive development of vehicle dynamic test rig, with from simpleOrders to the complex process. With the improvement of train speed, mechanical industry and electronic industry, developed the test bed are maturing. Accurately simulate operating conditions for rolling stock, is the inevitable trend of development test bed. Construction of rolling stock test stand main purpose is to provide a rolling stock operating environment. Test bed should be all or part of the vehicle operating conditions simulated: simulated vehicle forward movement. analog line is not smooth disturbances. simulate load conditions, the traction during braking. How to track irregularity simulation, first review the concept of track irregularity, the so-called rail track irregularity is about the error. Habits into the track irregularity: gauge irregularity, the level of irregularity, irregularity and vertical direction of irregularity. Strictly speaking, there are rail surface error. These types of track irregularity is actually about the rail by the vertical and horizontal error (zL, YL, zR, yR) made a decision. When the gauge is not smooth Yg= YL-YRWhen the direction of irregularity Ya=(Y L + yR) / 2When the level of irregularity Zc= ZL-2R Where L is the scroll wheel on the horizontal distance of a half circleWhen the vertical irregularity Zp (zL + ZR) / 2 Ideal test bed can simulate not only the track irregularity and analog lines, while simulation curve.Unfortunately, the mechanical structure of the complex nature of the world there is no such ideal test bed.(FOUR) Locomotive Rolling vehicle vibration test standBy the Southwest Jiaotong University, State Key Laboratory of Traction Power developed by the vehicle rolling rolling vibration test stand, is the worlds the worlds largest and most versatile, the only vehicle simulation curve of the simulation run rolling test bed. Test-bed development in 1989, built in 1994 four-axis vibration test stand rolling, the formal undertaking experiments in 1995, after 5 years of successful operation, in 2000 the renovation and expansion, the end of 2002 the new 6-axis vibration test stand completed rolling And put into operation. Using this test rig has completed 50 bench test vehicle or truck, the national scientific and technological progress award.Locomotive vehicle vibration test rig mainly by the rolling wheel unit, drive machine unit, hydraulic vibration system, electric drive system, data acquisition and processing systems, surveillance systems and power system. Among them, the wheel unit and drive unit is composed of a complete mechanical testing unit, was a wheel on each test corresponds to a test unit. Rolling vibration test stand system block diagram shown in , railway power 25kV/50 Hz, mainly for locomotive or other powered vehicles by the stream, but also can be used to drive the power supply, mains 380 V/50 Hz, Mainly used for excitation systems and drive systems and other auxiliary systems power supply. Figure 1 is SS9 electric locomotive in the six-axis vibration test stand rolling entity Photos Test Bench Main technical indicators such as shown in Table 1. The test stand to meet the meter gauge, standard gauge and broad gauge, six-axle locomotive all of the following dynamic performance and traction brake test requirements. Using this test Inspection station, the specific tests carried out research work may include basic and applied research lJ: theory of wheel-rail contact creep, and creep coefficient of validation. derailment derailment mechanism and criteria identified. Test of Stability of rolling stock hunting. locomotive running stability test of comfort. rolling stock systems, components and dynamic modes of dynamic strength test. run the security and safety trials of loading goods. traction braking power test and method of operation Optimization. use of wheel-rail adhesion, control and wear of tread. locomotive wheel and rail interaction force and stress analysis of vehicle operation. analysis of noise sources and noise reduction. （FIVE）Rolling vibration test computer running dynamic simulation test of the feasibility analysisThroughout the world test bed for rolling stock, railway development in their countries played an important role in both, especially the function relatively complete test rig, have been very good application. For example, the Japanese Railway Institute, vibration test sets rolling in off the wheel to prevent the trucks, electric power and regenerative braking, and many non-bogie bolster research and development projects have played an important role; Munich, Germany, rolling vibration test stand in the German ICE High-speed trains play an important role in the development process I training, the most busy time to reach 10 years of pilot projects; Traction Power State Key Laboratory of Rolling vibration test stand tain our speed and high-speed rolling stock also played in the development process Irreplaceable roleBench with a wheel instead of rolling stock rail, the test method is reasonable, the credibility of test results has been the majority of pilot users and academic concerns. Here the stability of rolling stock dynamics, stability and curving performance bench and do some showsFirst)Sports stability test Stability of motion is a rolling test bench most of the pilot project, which is the line test can not replace the item. Introduce motion stability test methods and the definition of critical speed Locomotive critical velocity stability test is to measure, often by rolling stock to be tested in the test stand hunting limit cycle graph analysis, the various meanings of the critical speed. Snake-like movement typical limit cycle shown in Figure 2. When the rolling stock in the ideal running on straight track, which is the test bed rollers for pure rolling without disturbance, when the test run speed vc0 when the locomotive system in the stable periodic motion, that is, hunting, hunting with the amplitude speed increased with the increase, vc0 called linear critical speed; when the speed is greater than vcl, the periodic motion of a jump, vibration increased, the phenomenon appears rim hunting impact, then unconditional instability, vc1 termed non-linear instability speed. Dashed line in Figure 2 for the unstable limit cycle amplitude periodic motion. When the speed is greater than and less than vc2 vc1, when the initial disturbance amplitude greater than the dotted line in Figure 2, the same amplitude limit cycles can appear larger hunting, then called conditional instability, unstable speed vc should be located between vc2 and vcl; when the speed is less than vc: when the system is stable, it is called non-linear steady speed vc2Rolling bench and the difference between running for two lines, one at the wheel when the wheel bench Creep coefficient than the line contact with wheel-rail contact creep coefficient is small (due to a difference contact patch), the second is when the wheel A red corner, the round wheel contact stiffness of gravity is an absolute angle of wheel-rail contact over a large negative value.From the above analysis we can see, rolling stock test stand trial there in error, but predictable, and the bench test results tend to security. It should be said, with a rolling test bed for rolling vibration stability test is feasible.Twice) The running stability tests Smooth running of the test is through a combination of roller vibration test method was tested to simulate smooth rolling online Lubu Ping running under excitation measured vibration response of the stationary body. Test, first determine the first axis of the vibration test bed signal, the latter from 2 to 6-axis excitation signal through the first axis of the excitation signal delay receive. Like to 206WP quasi-high speed passenger bogie, for example, the calculated spectrum of the body lateral acceleration is shown in. Clearly in the low frequency, in the bench of the body slightly in the low frequency vibration acceleration on the road than the big online, and the theoretical analysis results. Comparison of results, with lines running rolling bench compared The acceleration error is smaller, indicating a smooth rolling with a bench for the determination is feasible.Third) The curve through the test Rolling stock in the test bed is an abnormal curve of the experiment difficult, since there is not a test bed can be completely simulated Curve, curve by rolling to simulate the performance test bed must have the following capabilities. (Fifst) According to the curve radius, the wheel set in the curve tangent direction,simulated by testing the corresponding curve. (Twice) According to the curve radius, adjust the left and right wheel speed difference,both inside and outside the curved track on the length difference. (Third) According to the speed and ultra-high, set on the same axis of the outstandingbalance of ultra-high roller. (Forth) According to the speed and curve radius, set in the body and bogiero