SimMechanics在轉向架測試臺運動仿真中的應用

陳 云，陳 熔，蘇 建

（1.北華大學 汽車與建筑工程學院，吉林 132013；2.吉林大學 交通學院，長春 130022）

SimMechanics在轉向架測試臺運動仿真中的應用

陳 云1，陳 熔2，蘇 建2

（1.北華大學 汽車與建筑工程學院，吉林 132013；2.吉林大學 交通學院，長春 130022）

振動試驗臺在各種車輛以及機械裝備的道路模擬實驗以及環境試驗中發揮著越來越重要的作用。文中研究的六自由度轉向架測試臺是多自由度振動試驗臺的一種。研制轉向架測試臺的過程中，在計算機上基于系統的控制策略對測試臺進行運動模擬仿真，可以縮短研制時間和降低研制成本。以一種七作動器六自由度轉向架測試臺為例，通過SimMechanics模塊構建與實際測試臺一致的模型，在Simulink環境中建立相應的控制模塊，對振動試驗臺進行運動模擬仿真。通過對該問題的研究，擴展了當前SimMechanics模塊在解決復雜機械系統問題中的應用。

振動試驗臺；六自由度轉向架測試臺；SimMechanics；運動仿真

SimMechanics是立足于Simulink模塊之上的，不僅提供了大量與實際系統相對應的元件，而且依據實際系統通過SimMechanics模塊構建好的系統模型可以與Simulink環境直接進行無縫聯接，實現對系統的各種控制。通過SimMechanics模塊建立的系統模型可以同時將系統的結構、尺寸以及質量等實際因素都包含在內，使得建立的系統模型與實際系統十分接近，仿真結果也更加可靠。

振動試驗臺是在實驗室內用于模擬真實振動環境效應的實驗設備，通過對其輸入不同的激勵信號來實現各種振動環境的模擬，在進行復雜機械產品的可靠性實驗上有著廣泛的應用，如機車、汽車、船舶、兵器、航空航天設備等。在振動環境模擬試驗中，多軸振動實驗臺因能夠更真實的模擬實際的動力學環境，能夠更全面的暴露大型復雜結構的缺陷和隱患而得到更廣泛的關注。

轉向架的性能對軌道客車的安全性和乘坐舒適性有很大的影響，對于高速軌道客車的影響更是至關重要。吉林大學汽車運輸研究所研制的室內六自由度轉向架測試臺可以通過輸入轉向架構型及運行環境來模擬轉向架的運行行為和軌道線路信息。在計算機中通過SimMechanics對其建模，并在Simulink環境中完成運動模擬仿真，為后續的控制策略的驗證等工作提供了新的實現思路。

1 六自由度轉向架測試臺

通過Solidworks建模軟件建立的六自由度轉向架檢測臺模型如圖1所示。該轉向架檢測臺是由一對七作動器六自由度振動試驗臺組成。在實際多軸振動試驗臺的研制過程中，為提高多軸振動試驗臺上在進行大型試驗件試驗時的抗傾覆力矩能力，從而保證實驗的穩定性，大型多軸振動試驗臺上使用的作動器的數量常常會多于控制自由度的數量。文中在說明整個運動仿真研究過程時只對其中的一個振動試驗臺進行研究，如圖2所示，對于整個系統的運動仿真建模只需將各個子系統的模型進行組合即可。振動試驗臺的激振平臺通過球鉸與7個液壓作動器連接在一起，通過給7個液壓作動器輸入相應的激勵信號可以使激振平臺實現目標運動，達到模擬實驗環境的目的，從而完成對固定于激振平臺上的試驗試件的性能測試。

圖 1 六自由度轉向架測試臺

圖 2 七作動器六自由度振動試驗臺

2 基于SimMechanics模塊建立振動試驗臺的SimMechanics框圖

為振動試驗臺建立SimMechanics框圖時，首先對振動試驗臺進行簡化，將振動試驗臺分成2大組件，分別為激振臺組件和支腿組件。激振臺組件主要包括激振平臺，上鉸座和活塞桿。支腿組件主要包括下鉸座和液壓缸。為更加準確的建立振動試驗臺的SimMechanics框圖模型，建立振動試驗臺的SimMechanics框圖模型時，根據簡化模型各個零部件之間的裝配關系，在SimMechanics Library中直接拖拽所需的模塊進行SimMechanics框圖模型的建立。SimMechanics中所包含的模塊集如圖3所示。每個模塊集中還包含有各種不同型式及不同功能的子模塊。在建立振動試驗臺的SimMechanics框圖時，根據各部分的零部件類型及互相之間的裝配、相對運動關系來選擇相應的模塊，并通過對剛體模塊及連接副模塊進行參數設置來保證零部件的主要尺寸并完成零部件之間的裝配關系。在SimMechanics框圖中為實現各個振動平臺的運動模擬仿真，還需要在模型中的相應位置加入驅動器模塊和傳感器模塊。建立好的振動試驗臺的SimMechanics框圖如圖4所示。振動試驗臺的SimMechanics框圖即為后面整個振動試驗臺仿真模型中Plant模塊。振動試驗臺各個支腿的SimMechanics框圖如圖5所示，各個支腿的組成模塊皆相同，只是模塊的參數設置有所區別。由建立好的振動試驗臺的SimMechanics框圖生成的三維模型如圖6所示。

圖 3 SimMechanics中的模塊

3 基于Matlab-SimMechanics模塊振動試驗臺的運動仿真

對振動試驗臺進行運動仿真前，在Simulink環境中建立振動試驗臺的運動反解模型以及運動仿真的控制模塊。建立好的振動試驗臺的運動反解模型如圖7所示。建立的PID控制模塊及內部結構如圖8所示。

圖 4 振動試驗臺的SimMechanics框圖

圖 5 支腿的SimMechanics框圖

圖 6 振動試驗臺的3D結構圖

圖 7 振動試驗臺的運動反解模型

圖 8 PID控制模塊及內部構造圖

建立的運動學反解模型是根據振動平臺的反解運算過程來建立的。反解運算主要是根據運動仿真時給定的目標位姿來求解出各個液壓作動器液壓桿的伸長量。在仿真的過程中，液壓作動器的液壓桿的伸長量作為運動仿真的輸入量，從而驅動振動平臺來實現目標位姿。振動試驗臺的完整運動仿真模型如圖9所示。在仿真模型中加入了激振平臺中心位置的位姿傳感器，在平臺運動結束后可以給出激振平臺運動后中心位置的三維坐標值。

圖 9 振動試驗臺的仿真模型

文中為節省篇幅，只列舉振動試驗臺的2種簡單的運動，分別是繞X軸轉動 的極限轉動和沿X軸平移100 mm的平移運動，運動后振動試驗臺的姿態及平臺中心位置的仿真曲線分別如圖10和圖11所示。

圖 10 振動試驗臺繞X軸旋轉后的姿態及平臺中心的位置曲線

圖 11 振動試驗臺沿X軸平移后的姿態及平臺中心的位置曲線

4 結束語

本文應用SimMechanics模塊構建了振動試驗臺的SimMechanics框圖模型，并在Simulink環境中對該振動試驗臺進行了運動仿真。SimMechanics模塊的建模也是方塊圖建模方式，簡單高效，并且能夠與Simulink中各個子模塊很好結合并對目標進行仿真控制，這對振動試驗臺研制初期的運動仿真研究提供了一個新的研究思路。在基于SimMechanics運動仿真的過程中得到清晰明了的模擬運動動畫的同時還可以通過添加傳感器模塊得到目標測定點的實時位姿等數據。在研制應用于檢測機車運行參數及疲勞耐久性等的轉向架檢測臺時，可將在實際道路行駛的試驗車輛上采集到的實際載荷譜（即原始響應信號）作為道路模擬實驗的期望信號，在計算機上對轉向架檢測臺進行基于SimMechanics的運動仿真來檢驗試驗臺對實際復雜信號的響應情況，從而節省研制成本和研制時間。

[1]王洪瑞.液壓六自由度并聯機器人運動控制策略[D].秦皇島：燕山大學，2002（10）.

[2]關廣豐，王海濤，熊 偉.六自由度液壓振動平臺分析及控制策略[J].振動、測試與診斷，2011，31（1）：89-93.

[3]曲中英，翁正新.基于Simulink的Stewart平臺仿真研究[J].計算機仿真，2005（4）：264-267.

責任編輯 方 圓

Application of SimMechanics in motion simulation of bogie test bench

CHEN Yun1, CHEN Rong2, SU Jian2

( 1.College of Automotive and Architectural engineering, Beihua University, Jilin 132013, China; 2.College of Transportation, Jilin University, Changchun 130022, China )

Vibration test bench played a more and more important role on the road simulation test and environment test of vehicles and mechanized equipment. The 6 degree freedom bogie test bench in this paper was one kind of multi degree freedom of vibration test bench. In the development process of bogie test bench, development time and development costs could be shorten and reduced by the motion simulation based on control strategy on computer. A six degree freedom of bogie test bench with seven actuators was taken for example, a model which was consistent with the vibration table was built by the Matlab-Sim Mechanics module, and relevant control model was set to implement the motion simulation of the vibration test bench in Simulink. The application of the Matlab-Sim Mechanics module was extended in solving problems of complex mechanical systems.

vibration test bench; 6 degree freedom bogie test bench; SimMechanics; motion simulation

U270.33∶TP39

A

2013-04-17

陳 云，助教；陳 熔，副教授。

1005-8451（2014）01-0040-04