周建民，江炜文，谢锋云，刘 翊, 陈红年，李雪萌，刘博文

(华东交通大学 机电与车辆工程学院，南昌 330013)

三坐标可调式激振器安装实验平台的设计*

周建民，江炜文，谢锋云，刘 翊, 陈红年，李雪萌，刘博文

(华东交通大学 机电与车辆工程学院，南昌 330013)

针对CRH380列车转向架轮对1:2模型的模态试验激振器安装困难及多点激振的问题，设计一个三坐标可调式激振器安装实验平台，其可以在X轴、Y轴与Z轴上自由移动，使激振器可以对研究对象选定的任一激励点、任意激励方向进行激振，同时对设计的实验装置中螺栓连接进行了强度、螺栓抗剪、螺栓抗拉及孔壁承压能力等校核，结果符合要求。设计三坐标可调式激振器安装实验平台，可有效的解决模态试验中激振器的安装问题，改善了激振器的激励效果，从而提高了模态分析结果的准确性。

模态实验；激振器；模态分析

0 引言

机械设备的故障检测与寿命评估技术已得到迅速的发展，而试验模态分析是根据测得的振动信号来判断机械故障与诊断设备状态的有效方法[1-2]，该方法受到了国内外科学界与工程界的广泛重视[3]，但对于模态实验中激振器的安装，少有相关方面的设计研究。试验模态分析是对采集的振动信号进行模态参数识别[4]，再对获得的模态参数进行定量分析，从而判断研究对象运行状态的一种方法。模态试验中激振方式一般有两种，一是力锤激励，二是激振器激励。使用激振器对结构进行激励有激励信号便于控制，激振效果好，响应信号不容易发生泄漏等优点。但是它也有致命弱点，不便于安装，倘若激振器安装不稳，激励点选择不当，将严重影响试验模态分析的最终结果[5]，所以设计一个激振器安装实验平台以便于激振器安装，利于激励方向的选择是十分必要。

基于激振器安装困难的问题与激振器正确安装对模态实验的重要性，设计了一种三坐标可调式激振器安装实验平台，实现激振器对研究对象进行激励时可在X轴、Y轴与Z轴的自由移动，并且可以实现对任意激励点与任何激励方向的激振，该实验平台可优化激励方案，防止激振器其他方向振动对实验的干扰，以实现增强采集数据可靠性的目的。

1 激振器安装实验平台的总体设计

1.1 激振器安装实验平台的总体设计方案

试验模态分析的研究对象是CRH380列车转向架轮对1:2的模型，根据研究对象的具体尺寸，确定激振器安装实验平台的实际尺寸。其设计方案的总体要求[6-7]如下：①实验平台可以实现X轴、Y轴与Z轴方向的自由移动；②实验平台在可移动的范围内，可以在任何一点固定；③考虑到转向架轮对模型的结构特点与激振器的耐用性，激振器与实验平台应柔性连接。

三坐标可调式激振器安装实验平台的装配图如图1所示，它主要由固定结构、可移动结构和激振平台三大部分组成，固定结构主要由主架支撑腿1、主架平台2组成，主架平台上的底面与两根角钢导轨焊接；移动结构主要由横向导轨3、纵向导轨5、竖直导轨6和横向导轨7组成，激振平台主要由弹簧8、螺栓9与安装平台11组成。激振平台的移动通过横向导轨与纵向导轨的相对移动实现，横向导轨与纵向导轨通过角板4与螺栓连接，横向导轨3与固角钢导轨通过螺栓连接。在进行模态实验时，根据研究对象的结构特点以及各个模态的重要程度确定合适的激振点与激振方向，确定激振器的安装位置，通过调节导轨间的相对位置以及激振器安装平台的相对高度，实现激振器对研究对象上任何一点、任意方向的激振。

1.主架支撑腿 2.主架台平面 3.横向导轨 4.角板 5.纵向导轨 6.竖直导轨 7.横向导轨 8.弹簧 9.螺栓 10.激振器 11.安装平台图1 三坐标可调式激振器安装实验平台的装配图

1.2 激振器安装实验平台的主要技术参数

三坐标可调式激振器安装实验平台的尺寸参数根据被测对象，即CRH380列车转向架轮对的1:2模型的具体尺寸确定，各个构件的材料选择根据实验装置的自身特点与造价成本的经济性确定。

实验平台的主要尺寸参数：主架支撑腿1的高度为860mm，主架平台2的高度为10mm，长度为1340mm，宽度为800mm，内圈的长度为1250mm，宽度为350mm，横向导轨3的长度为800mm，纵向导轨5的长度为390mm，竖直导轨6的长度为600mm，横向导轨7的长度为340mm，安装平台11 的高度为3mm，长度为230mm，宽度为220mm。实验平台各构件的材料：主架支撑腿1、主架平台2与实验平台11为45号钢板，横向导轨3、纵向导轨5、竖直导轨6与横向导轨7为45×45mm的铝型材，主架平台下焊接的角钢为25×25mm的等边角钢。

2 实验装置构件的连接与校核

2.1 纵向导轨与横向导轨的连接

三坐标可调式激振器安装实验平台的移动由导轨实现，导轨间的连接由螺栓与角板实现，如图2所示。螺栓连接十分必要，否则在激振时，激振器容易发生左右摆动，激振点可能出现相对位移，导致激振效果不佳，得到的实验数据可靠性不高，严重影响试验模态分析的最终结果。

由于实验装置中导轨之间主要由螺栓连接，所以深度分析螺栓的受承载力[8-9]情况，严格校对螺栓的连接状况很有必要。

图2 导轨间的连接

单个螺栓的抗剪承载力设计值为：

(1)

单个螺栓的承压承载力设计值为：

(2)

单个螺栓抗剪切承载力设计值为：

(3)

单个螺栓的抗拉承载力设计值为：

(4)

本实验装置的螺栓受到剪切力与拉力的同时作用[10]，所以要同时考虑这两种力的分布情况，既要保证螺栓杆在剪切力与拉力的共同作用下安全，同时要保证孔壁不会压坏[11]。其校对公式为：

(5)

为了校对螺栓连接在激振器激振过程中是否处于安全状态，可根据公式(5)求得ηmax值进行定性的判断。

表1 该实验装置中各个螺栓的ηmax值

从表1可知实验装置连接型材导轨的各个螺栓的ηmax值都远小于1，即它们都满足连接要求。

2.2 激振器与激振平台的连接

激振器的安装一般有两种方式：一种是激振器外壳直接与地面刚性固接，这种情况激振系统的固有频率比较高，为了防止激振系统与研究对象发生共振，这种安装方式适用于振动频率较低的结构；另一种是激振器外壳通过软弹簧与激振平台连接，这种安装方式的激振系统的固有频率比较低，故适合用于振动频率较高的结构。考虑到高速列车转向架轮对模型的振动频率比较高，以及激振器安装的可行性，选择第二种激振器的安装方式，如图3所示，激振器与激振平台由螺栓与螺母连接，但在它们之间安装4个完全一样的弹簧，其中弹簧的一端与安装平台焊接。

1.激振器 2.横向导轨 3.弹簧 4.螺栓 5.安装平台图3 激振器与激振平台的连接

在激振的过程中，螺栓只受到拉力的作用，根据式(4)、式(5)可得ηmax4=5.10×10-4，ηmax4值远小于1，故激振器与激振平台的螺栓满足连接要求。

2.3 角钢导轨与纵向导轨的连接

主架平台是实现实验平台自由移动的基础，它由平台与等边角钢导轨两部分组成，角钢焊接于平台底面。角钢导轨与横向导轨3由螺栓连接，如图4所示。螺栓连接的目的是保证激振时，激振平台能处于稳定状态，以防激振器的摆动对实验产生干扰。

图4 角钢导轨与纵向导轨的连接

为了校对螺栓的连接状态，需要计算ηmax值，通过公式(4)、公式(5)得ηmax5=4.68×10-3，ηmax5值远小于1，所以角钢导轨与纵向导轨的螺栓满足连接要求。

3 结论

为了便于激振器的安装，以及提高模态分析中实验数据的可靠性，设计了一个三坐标可调式激振器安装实验平台。同时在理论上证明了该安装实验平台的可行性，对实验装置的螺栓连接进行了强度、螺栓抗剪、抗拉及孔壁承压能力的校核，验算结果显示符合螺栓连接要求。设计的激振器安装实验平台有效解决了激振器安装问题，实现了激振器对任一点与任一方向的激振，为试验模态分析提供了重要保障，是获得可靠实验数据的前提条件。

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DesignofExciterInstallationExperimentPlatformofThreeCoordinateAdjustableVibration

ZHOU Jian-min, JIANG Wei-wen, XIE Feng-yun, LIU Yi, CHEN Hong-nian, LI Xue-meng, LIU Bo-wen

(School of Mechatronics & Vehicle Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

According to the difficulty installation of the model of CRH380 wheel bogie 1:2 about vibration exciter in the modal experiment, an exciter experimental platform of three coordinate adjustable vibration is developed. The experimental platform can move freely on theXaxis, theYaxis and theZaxis. The vibration exciter can excite any excitation point that be selected by arbitrary excitation direction. At the same time, the design of the bolt connection experimental device is checked by calculating the strength of the bolt, shear, tensile and pressure capacity of the hole wall. The results meet the requirements. The design of the experimental platform can effectively solve the problem of the installation vibration exciter in the modal test, and improve the excitation effect of the exciter to the research structure, and improve the accuracy of the test results.

modal experiment; vibration exciter; modal analysis

1001-2265(2017)11-0120-02

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.031

2016-12-23；

2017-02-25

国家自然科学基金(51565015)；江西省教育厅基金(GJJ160479)

周建民(1975—)，男，湖南邵阳人，华东交通大学教授，研究方向为智能诊断、无损检测等；通讯作者：谢锋云(1976—)，男，湖南邵阳人，华东交通大学副教授，研究方向为信号处理、模态分析等，(E-mail)xiefyun@163.com。

TH122;TG65

A

(编辑李秀敏)