列车行程在全球范围内的增长正加大对新铁路客车的需求，而这对全球制造商而言是可喜的消息。与此同时，这些新车必须满足更高的期望。现代铁路客车需要以更高的速度行驶，提供舒适的乘坐环境，很大程度地提高能源效率，当然还要全面遵守法律法规。
而同时满足这些需求提出了一系列艰巨的设计挑战。效率取决于减轻重量，但减轻重量不能影响稳定性。高速行驶时，实现稳定性变得更加困难，当今世界上运行最快的轨道车时速可达 350 公里。高速行驶时，乘坐舒适性也更难实现。
由于这些因素是相互关联的，制造商必须能够优化新设计，以便有效地权衡取舍。例如，更坚固的转向架可提供更高的稳定性，但乘客的舒适度会降低。轧制杆刚度的改变可带来更好的操控性或更舒适的乘车体验，但不能同时兼顾。
由于市场需求大，产品开发团队承受着巨大的时间压力，因此设计人员必须提高工作效率。这种情况下，力学测试就非常有用武之地。
实验室的挑战
在测试实验室中，零部件设计人员可以以高度可控和可重复的方式相对快速地检查新设计的许多迭代。测试结果可得出系数和其他因数，而这些系数和因数可以反馈到部件和子系统的虚拟模型中，使其更加精确。这有助于加快分析和改进新设计的进程。
实验室面临着自身的挑战。相关测试清单很长，每一项测试通常都需要具有独特设置的不同类型的测试系统。购买优化新转向架设计所需的系统可能成本很高。当使用多个系统时，配置和运行测试可能会变得低效。
其中最大的一项挑战是需要测试整个机构，而不仅仅是单个部件。这似乎有悖于直观性，但高级设计工程师明白，测试单个零件并不能得出与测试整个转向架同等的精确性或见解。
尽管分立部件测试更易于管理并且可以快速执行，但并不能提供与测试所有部件同等的精确性。由于摩擦和离轴运动，部件之间的交互作用会产生意想不到的行为。单独评估每个部件无法复制这些交互作用。工程师们早就怀疑是这样一种情况，但直到最近十年答案才逐渐明朗。虚拟模型变得愈加复杂，而工程师无法根据单个部件的特性准确预测轨道上的系统性能。
最近，一套创新的轨道车辆测试系统已投入使用，可用于测量整个转向架机构的运动学与柔顺性。该系统由 MTS Systems Corp. 提供，也可用于在单一系统中提供表征、基本耐久性能和振动测试。
初级和次级悬架测试
新型转向架测量系统当前安装在亚洲的一家高速客运轨道车辆制造商处，可提供装载整个转向架以及整个轨道车辆所需的尺寸和载荷。该测试系统包含大量仪器，专门用于对这些复杂机构进行极其精确的测量。
复杂性来自于测试数据可能会通过多种方式失真。为确保结果准确，测试系统必须能够防止（或补偿）以下所有现象：由间隙或阻尼引起的相移；由系统和样件共振引起的信号失真和噪音；以及由交叉串扰，传感器温度补偿，固定工装和样件的热胀冷缩，标定误差，滑移，漂移，或传感器、支架、线缆或调理器损坏引起的载荷测量误差。在许多情况下，将多个信号组合起来计算所需的结果，从而加大了总误差。
该系统执行的一些重要的测试为初级悬架测试，其中包括转向架和车轴之间的所有部件（弹簧、螺旋弹簧、扭转杆、橡胶块等）。初级悬架会影响转向、操控性，并在一定程度上影响乘客的舒适度，而工程师需要深入了解整个轮对安装和悬架系统，以优化新设计。初级悬架的刚度与转向框架的刚度在同一范围内，两者之间的相互作用决定了转向架的整体操控响应。因此，新测试系统经独特设计，可用于测量单个部件的贡献或作为集成系统的完整装配特性。
初级悬架刚度测试包括固定次级悬架，在轴承座和转向架响应点安装线性可变差动传感器 (LVDT)，并在各个所需的自由度 (DOF) 中施加编程力或位移。为获得有用的结果，工程师需要确保载荷传感器和 LVDT 的精确性和分辨率，在实验室中保持恒温，并以不同的速率进行测量以评估阻尼特性。关键一点是要测量各个方向（而不仅仅是垂向方向）的转向架刚度，因为稳定性是多轴位移组合（而不仅仅是垂向方向）函数。例如，在转弯时，转向架会发生变形（偏航轴变形），而变形刚度是稳定转向的关键。
同样的设置可用于执行初级悬架阻尼测试，并评估与弹簧刚度相关的阻尼。初级悬架测试的测试数据有助于将数据反馈到转向架的虚拟模型中，以进行模型生成和验证。
另一组重要的测试是对次级悬架进行的测试，次级悬架位于转向架顶部和轨道车辆底部之间。在这些测试中，测试人员会将初级悬架固定，将次级悬架（通常是一对气囊）安装在多轴载荷传感器上。在 3DOF 中对模拟轨道车辆固定工装进行约束，并在其余的 3DOF 中进行控制，以使次级悬架呈现出与使用中同样的载荷和变形量。这样就可以对刚度和阻尼特性进行评估。鉴于气囊"帽子”的倾斜形状，预测横向和轧制刚度特别具有挑战性。弹性材料会以不可预知的方式变形，这些运动极大地影响了乘坐舒适度。
其他性能测试
该系统可以执行的另一种测试为转向阻力扭矩测量，即在模拟轨道车辆下旋转转向架，并测量其刚度。运行这项测试时，对每个车轴施加相等和相反的横向载荷或位移。将拉伸力/压缩力和纵向力设置为零，并命令垂向作动缸在转轮上保持所需的力或固定的平面运动。
此外，还可将测试系统配置为测试直轨或弯曲轨道的悬架系数。在这一测试中，样件是一辆完整的（或模拟的）轨道车辆，其工作台、转向架和车身上带有测角陀螺仪。该测试是将转向架一侧的转轮提升到所需的超高程，并测量转向架和轿厢相对于工作台面的角度。由于悬架整架中存在诸多因素，这些关系可能难以预测。制造商可通过类似的测试来了解倾覆系数，这对于确保乘坐舒适性和安全性至关重要。
也可以对轨道车辆整车进行评估。如果工程师想了解系数测试的动态响应，则可以通过宽带整形噪声或特定波形（例如正弦波）来指示系统。通过测试软件测量轨道车辆车身响应，并根据得出的数据估计其固有频率。
系统可以执行的其他测试包括重心定位、惯性矩测试和轨道运行数据的实时回放。
多功能性能测试系统的确是实验室的一项重大资本投资，但该系统能够加快测试进度，降低成本，并提高测试数据和样件表征的精确性，从而能够带来同样可观的投资回报。最终，轨道车辆和转向架制造商将能够利用这些功能提高各型号的精确性，更快地实现创新，制造更高品质的车辆，并建立持久的竞争优势。
