SimMechanics在转向架测试台运动仿真中的应用

陈 云，陈 熔，苏 建

（1.北华大学 汽车与建筑工程学院，吉林 132013；2.吉林大学 交通学院，长春 130022）

SimMechanics在转向架测试台运动仿真中的应用

陈 云1，陈 熔2，苏 建2

（1.北华大学 汽车与建筑工程学院，吉林 132013；2.吉林大学 交通学院，长春 130022）

振动试验台在各种车辆以及机械装备的道路模拟实验以及环境试验中发挥着越来越重要的作用。文中研究的六自由度转向架测试台是多自由度振动试验台的一种。研制转向架测试台的过程中，在计算机上基于系统的控制策略对测试台进行运动模拟仿真，可以缩短研制时间和降低研制成本。以一种七作动器六自由度转向架测试台为例，通过SimMechanics模块构建与实际测试台一致的模型，在Simulink环境中建立相应的控制模块，对振动试验台进行运动模拟仿真。通过对该问题的研究，扩展了当前SimMechanics模块在解决复杂机械系统问题中的应用。

振动试验台；六自由度转向架测试台；SimMechanics；运动仿真

SimMechanics是立足于Simulink模块之上的，不仅提供了大量与实际系统相对应的元件，而且依据实际系统通过SimMechanics模块构建好的系统模型可以与Simulink环境直接进行无缝联接，实现对系统的各种控制。通过SimMechanics模块建立的系统模型可以同时将系统的结构、尺寸以及质量等实际因素都包含在内，使得建立的系统模型与实际系统十分接近，仿真结果也更加可靠。

振动试验台是在实验室内用于模拟真实振动环境效应的实验设备，通过对其输入不同的激励信号来实现各种振动环境的模拟，在进行复杂机械产品的可靠性实验上有着广泛的应用，如机车、汽车、船舶、兵器、航空航天设备等。在振动环境模拟试验中，多轴振动实验台因能够更真实的模拟实际的动力学环境，能够更全面的暴露大型复杂结构的缺陷和隐患而得到更广泛的关注。

转向架的性能对轨道客车的安全性和乘坐舒适性有很大的影响，对于高速轨道客车的影响更是至关重要。吉林大学汽车运输研究所研制的室内六自由度转向架测试台可以通过输入转向架构型及运行环境来模拟转向架的运行行为和轨道线路信息。在计算机中通过SimMechanics对其建模，并在Simulink环境中完成运动模拟仿真，为后续的控制策略的验证等工作提供了新的实现思路。

1 六自由度转向架测试台

通过Solidworks建模软件建立的六自由度转向架检测台模型如图1所示。该转向架检测台是由一对七作动器六自由度振动试验台组成。在实际多轴振动试验台的研制过程中，为提高多轴振动试验台上在进行大型试验件试验时的抗倾覆力矩能力，从而保证实验的稳定性，大型多轴振动试验台上使用的作动器的数量常常会多于控制自由度的数量。文中在说明整个运动仿真研究过程时只对其中的一个振动试验台进行研究，如图2所示，对于整个系统的运动仿真建模只需将各个子系统的模型进行组合即可。振动试验台的激振平台通过球铰与7个液压作动器连接在一起，通过给7个液压作动器输入相应的激励信号可以使激振平台实现目标运动，达到模拟实验环境的目的，从而完成对固定于激振平台上的试验试件的性能测试。

图 1 六自由度转向架测试台

图 2 七作动器六自由度振动试验台

2 基于SimMechanics模块建立振动试验台的SimMechanics框图

为振动试验台建立SimMechanics框图时，首先对振动试验台进行简化，将振动试验台分成2大组件，分别为激振台组件和支腿组件。激振台组件主要包括激振平台，上铰座和活塞杆。支腿组件主要包括下铰座和液压缸。为更加准确的建立振动试验台的SimMechanics框图模型，建立振动试验台的SimMechanics框图模型时，根据简化模型各个零部件之间的装配关系，在SimMechanics Library中直接拖拽所需的模块进行SimMechanics框图模型的建立。SimMechanics中所包含的模块集如图3所示。每个模块集中还包含有各种不同型式及不同功能的子模块。在建立振动试验台的SimMechanics框图时，根据各部分的零部件类型及互相之间的装配、相对运动关系来选择相应的模块，并通过对刚体模块及连接副模块进行参数设置来保证零部件的主要尺寸并完成零部件之间的装配关系。在SimMechanics框图中为实现各个振动平台的运动模拟仿真，还需要在模型中的相应位置加入驱动器模块和传感器模块。建立好的振动试验台的SimMechanics框图如图4所示。振动试验台的SimMechanics框图即为后面整个振动试验台仿真模型中Plant模块。振动试验台各个支腿的SimMechanics框图如图5所示，各个支腿的组成模块皆相同，只是模块的参数设置有所区别。由建立好的振动试验台的SimMechanics框图生成的三维模型如图6所示。

图 3 SimMechanics中的模块

3 基于Matlab-SimMechanics模块振动试验台的运动仿真

对振动试验台进行运动仿真前，在Simulink环境中建立振动试验台的运动反解模型以及运动仿真的控制模块。建立好的振动试验台的运动反解模型如图7所示。建立的PID控制模块及内部结构如图8所示。

图 4 振动试验台的SimMechanics框图

图 5 支腿的SimMechanics框图

图 6 振动试验台的3D结构图

图 7 振动试验台的运动反解模型

图 8 PID控制模块及内部构造图

建立的运动学反解模型是根据振动平台的反解运算过程来建立的。反解运算主要是根据运动仿真时给定的目标位姿来求解出各个液压作动器液压杆的伸长量。在仿真的过程中，液压作动器的液压杆的伸长量作为运动仿真的输入量，从而驱动振动平台来实现目标位姿。振动试验台的完整运动仿真模型如图9所示。在仿真模型中加入了激振平台中心位置的位姿传感器，在平台运动结束后可以给出激振平台运动后中心位置的三维坐标值。

图 9 振动试验台的仿真模型

文中为节省篇幅，只列举振动试验台的2种简单的运动，分别是绕X轴转动 的极限转动和沿X轴平移100 mm的平移运动，运动后振动试验台的姿态及平台中心位置的仿真曲线分别如图10和图11所示。

图 10 振动试验台绕X轴旋转后的姿态及平台中心的位置曲线

图 11 振动试验台沿X轴平移后的姿态及平台中心的位置曲线

4 结束语

本文应用SimMechanics模块构建了振动试验台的SimMechanics框图模型，并在Simulink环境中对该振动试验台进行了运动仿真。SimMechanics模块的建模也是方块图建模方式，简单高效，并且能够与Simulink中各个子模块很好结合并对目标进行仿真控制，这对振动试验台研制初期的运动仿真研究提供了一个新的研究思路。在基于SimMechanics运动仿真的过程中得到清晰明了的模拟运动动画的同时还可以通过添加传感器模块得到目标测定点的实时位姿等数据。在研制应用于检测机车运行参数及疲劳耐久性等的转向架检测台时，可将在实际道路行驶的试验车辆上采集到的实际载荷谱（即原始响应信号）作为道路模拟实验的期望信号，在计算机上对转向架检测台进行基于SimMechanics的运动仿真来检验试验台对实际复杂信号的响应情况，从而节省研制成本和研制时间。

[1]王洪瑞.液压六自由度并联机器人运动控制策略[D].秦皇岛：燕山大学，2002（10）.

[2]关广丰，王海涛，熊 伟.六自由度液压振动平台分析及控制策略[J].振动、测试与诊断，2011，31（1）：89-93.

[3]曲中英，翁正新.基于Simulink的Stewart平台仿真研究[J].计算机仿真，2005（4）：264-267.

责任编辑 方 圆

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

陈 云，助教；陈 熔，副教授。

1005-8451（2014）01-0040-04