轨道车辆PT温度传感器振动检测实验台结构设计

李 淼， 陈 栋， 高长春， 苏 虹， 刘唯达*

(1.长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春 130012;2.长春市中小企业人才创业指导中心， 吉林 长春 130012)

轨道车辆PT温度传感器振动检测实验台结构设计

李 淼1， 陈 栋1， 高长春2， 苏 虹1， 刘唯达1*

(1.长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春 130012;2.长春市中小企业人才创业指导中心， 吉林 长春 130012)

为了检测轨道车辆PT(铂)温度传感器在振动条件下的性能，设计了轨道车辆PT温度传感器振动检测实验台。根据传感器实际工况确定了实际工况模拟条件以及振动检测实验台机械结构。应用ANSYS软件对关键部件进行有限元分析，CATIA软件对各部件进行建模。 实验仿真曲线表明，该检测实验台能准确模拟PT温度传感器的实际振动工况。

温度传感器； 振动； 实际工况； 检测

0 引 言

PT温度传感器在轨道车辆上的应用起着重要的监视作用，研究轨道车辆振动环境对PT温度传感器性能的影响变得尤为重要[1]。

为了检测PT温度传感器在振动条件下的性能，通过分析其工作的振动环境工况，确定了如何模拟不同方向、不同振幅和频率的振动工况方法，设计了针对轨道车辆PT温度传感器振动检测的实验台。

应用CATIA三维建模软件对各部件进行三维建模，并应用ANSYS分析软件对关键部件进行有限元分析，确定该部件是否能够满足强度要求，最后模拟仿真得出振动实验台的振动曲线，能够真实地模拟轨道车辆中PT温度传感器振动的实际工况，为检测其它温度传感器的抗振性能提供一定借鉴作用。

1 工况分析

PT温度传感器作为轨道车辆中轴温和齿轮箱温度探测的主要温度传感器，能够反映轨道车辆的运行状态，其性能的好坏在轨道车辆整个监测系统中具有举足轻重的作用。

轨道车辆在运行过程中，由于轨道的不平整和自身的装配精度等原因会产生具有不同振幅和频率的振动[2]。

根据实测的数据可知，安装PT温度传感器的位置振动振幅不会超出50 mm，频率不会超出50 Hz。振动方向为X，Y，Z3个方向并包含一定的复合振动。

2 工况模拟

2.1X，Y，Z方向的模拟

在工况分析中得出振动的3个方向，为了模拟实际的振动方向，采用不同的工位进行安装即可。考虑到X，Y两个方向为一个平面的振动，可以在工装台的两个侧面进行安装，复合振动可以通过安装在工装台的斜面进行模拟。工装台如图1所示。

图1中，A，B，C，D这4个点分别模拟不同方向的振动，在各点安装被检测的温度传感器。

图1 模拟振动的工装台

2.2振幅和频率的模拟

根据工况分析，模拟振动的振幅为50 mm，频率为50 Hz[3]。其中的频率靠电机转速来调节，振幅可以根据偏心原理来调节。在输出的动力圆盘上加工阿基米德螺线孔，调节距离圆心的位置即可调节不同振幅。其机械简图如图2所示。

1.旋转圆盘； 2.连杆； 3.减振弹簧

3 振动实验台结构设计

3.1振动实验台机械结构简图

根据上述对实际工况模拟方法的研究，设计针对PT温度传感器振动检测实验台[4]，其机械结构简图如图3所示。

图3 振动实验台机械结构简图

在图3中，1为动力源电机；2为齿轮箱和电机的连接装置----联轴器；3为齿轮箱，具有减速换向的作用；4为偏心轮，具有调整振幅的作用，调节距离圆心的位置设置不同的振幅；5为连接杆，连接工装台和偏心轮对的作用；6为工装台，安装被检测PT温度传感器。

3.2振动实验台检测装置设计

为检测输出振动的频率和幅值，在工装台下部安装有减振装置和测量振动的加速度、位移传感器。其结构简图如图4所示。

1.被检温度传感器工装台； 2.振动台； 3.传感器；4.振动传感器支架； 5.减振弹簧； 6.实验台面；7.连接杆； 8.实验台支架

从图中可以看出，来自动力转换部分的动力通过连杆7带动振动台2做往复运动，形成振动。振动台2与实验台6的接触方式为轨道接触方式，弹簧5起到减振和支撑的作用，保证振动台和检测件的平衡。振动传感器测量振动台，将振动波的电信号传输到计算机中，并通过调节振幅和频率得到想要的振动波。

3.3 CATIA三维建模

应用CATIA三维建模软件对振动实验台进行三维建模，如图5所示。

图5 振动试验台三维模型

4 关键部件有限元分析

针对振动检测试验台在实际工作状态下，对设计的关键部件旋转圆盘进行了静力学分析，旋转圆盘的受力情况见表1。

表1 旋转圆盘受力情况

其中F1是旋转圆盘在极限位置上工装台产生的最终等效到旋转圆盘上的力，T1是选装圆盘连接的旋转轴所传递的扭矩；F3是旋转圆盘自身所受的重力[5-8]。

将表格F1的力施加到旋转圆盘上，划分网格，添加约束条件，最后求解出旋转圆盘的应力、应变和总变形，相关分析云图结果如图6所示。

(a) 应力云图

(b) 应变云图

(c) 总变形云图

分析结果表明，旋转圆盘承受的最大应力产生在和连杆连接处，其值为143.44 MPa，小于45#钢的屈服极限355 MPa，符合强度要求；最大总变形为0.002 mm，变形较小，能够满足试验台的精度要求。

5 试验仿真

当电机转速达到3 000 r/min时，频率为50 Hz，由于在动力换向箱中的锥齿轮齿数比为1∶1，所以在振动台上得到的振动波的频率也为50 Hz。将连杆调节到幅值最大时，即会产生幅值为50 mm的振动，可以得到一个正弦波图形[9-11]，如图7所示。

图7 振动波图像

6 结 语

通过对轨道车辆PT温度传感器的实际振动工况的分析，确定了模拟实际工况振动幅值和频率的方法，采用电机调速的方式调节频率，采用偏心的方式调节振幅，并确定传感器工装位置来模拟不同方向的振动。应用CATIA三维建模软件对各零件及整体振动实验台进行建模，并应用ANSYS分析软件对关键部件进行有限元分析，得出其应力应变云图，验证了选择材料的正确性。最后计算分析，测量其振动曲线，做出其振动波形图，说明设计的轨道车辆PT温度传感器检测振动实验台的可行性。

[1] 杨光,吴宁.CRH3高速动车组轴温监控系统安全可靠性研究[J].铁道机车车辆，2011(8):91-94.

[2] 范晓旭.汽轮机叶片振动特性实验台设计及叶片振动特性研究[D]:[硕士学位论文].北京：华北电力大学,2002.

[3] 李兆军,耿葵花,杨旭娟,等.机械动力学综合振动实验台的研制[J].实验室研究与探索,2010(6):134-136.

[4] Pietro Croce, Pietro Orsini, Walter Salvatore. Vibration isolation and design of automotive test benches[J]. Engineering Structures,2001：945-956.

[5] 李凌轩,宋桂秋,马源源,等.基于ANSYS分析客运列车固有振动特性对人的影响[J].振动与冲击,2011(1):133-135，173.

[6] 靳丽艳.汽车传感器实验台的研究和开发[D]:[硕士学位论文].武汉:武汉科技大学,2008.

[7] 冯志卫.基于阿基米德螺旋线的钢筋剥肋滚轧机刀具快速调整机构设计[J].机械制造,2011(8):81-83，84.

[8] 庞在祥,宫丽男,姜大伟,等.基于CATIA/ADAMS仿人灵巧手建模与动力学仿真[J].长春工业大学学报：自然科学版,2013,34(3):264-267.

[9] 江孝林.Pt膜温度传感器测试、分选系统数据采集与处理软件设计[D]:[硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2008.

[10] 贺鹏,许澍华,江波.基于阿基米德螺线的磨盘挤出机数学模拟[J].塑料,2003(2):60-64.

[11] X G Hua, Z Q Chen. Full-order and multimode flutter analysis using ANSYS[J]. Finite Elements in Analysis and Design,2008,44(9)：537-551.

Vibration test bench structure for railway vehicle PT temperature sensors

LI Miao1, CHEN Dong1, GAO Chang-chun2,SU Hong1, LIU Wei-da1*

(1.School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;2.Changchun Small and Medium-sized Enterprise Talent Teaching Entrepreneurship Center, Changchun 130012, China)

In order to test the performance of railway vehicles PT temperature sensor in vibration conditions, a platform is designed. Based on the working condition in site, both the simulation conditions and mechanical structure of platform are determined. ANSYS is used for the finite element analysis of the key components, while CATIA for model establishment. The experimental curves show that the platform can accurately simulate the real vibration conditions of the PT temperature sensors.

temperature sensor; vibration； working conditions in site； test.

2014-03-02

吉林省教育厅科学技术研究项目(2009482)

李 淼(1985-)，男，汉族，河北保定人，长春工业大学硕士研究生，主要从事机电检测与控制方向研究,E-mail:limiao900109@126.com. *通讯作者：刘唯达(1976-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学讲师，硕士，主要从事机械设计与优化方向研究,E-mail:liuweida1234@126.com.

TP 277.1

A

1674-1374(2014)04-0375-05