軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置及方法，其裝置包括激振機構、行駛機構和質量塊，所述的激振機構固定在行駛機構上，所述的質量塊設置在激振機構上，軌道車輛的車輪連接于激振機構，在激振機構及質量塊的作用下向位于車輪下方的鋼軌施加荷載；其方法通過設置不同的質量塊分別模擬輕載、滿載或超載的工況，調節(jié)激振器的頻率和質量塊的偏向距，使激振機構的振動頻率以及激振器的作用力達到預設值。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有結構簡單、模擬精度高等優(yōu)點。
【專利說明】軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種軌道車輛振動測試領域，尤其是涉及一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置及方法。

【背景技術】
[0002]車輛振動試驗可分為線路運行試驗及實驗室振動試驗兩類。線路運行試驗具有試驗周期長、費用高、影響因素多和影響線路運行等缺點，所以，實驗室模型試驗受到廣泛重視，特別是在日本、德國、美國和我國的原鐵道部部屬大學都在試驗臺試驗方面做了大量研究工作。但建造一座現(xiàn)代化的全尺寸機車車輛模型進行試驗，不僅工程巨大、而且研制費用高，是一般研究機構或一般研究項目所難以承受的。所以，采用縮尺比例的模型進行試驗同樣受到重視。我國在上海、蘭州和成都的原鐵道部直屬高校也曾建造過1: 5比例的滾動試驗臺，用于車輛動力學方面的試驗研究。研究的主要有兩種試驗臺，機車車輛滾動試驗臺和車輛-軌道振動試驗臺。前者通過滾輪系統(tǒng)模擬軌道的不平順給車輛施加耦合作用力來研究車輛的動力學特性，后者對車輛和軌道都建立了完整的模型，但是對于鋼軌及其軌下系統(tǒng)動力學的研究，建立包括車體、構架、輪對質量和一系、二系懸掛剛度及阻尼的完整的車輛模型顯得過于復雜，且沒有必要。尋找一種結構簡單的，能模擬車輛給軌道系統(tǒng)垂向耦合作用力的方法和裝置顯得很有必要。現(xiàn)有技術中，對于車輛垂向耦合作用力的模擬總是要建立復雜的車輛模型，而且無法模擬軌道不平順所引起的車體振動，缺乏針對軌道垂向耦合振動臺架試驗的有效方法。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置及方法。
[0004]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0005]一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置，包括激振機構、行駛機構和質量塊，所述的激振機構固定在行駛機構上，所述的質量塊設置在激振機構上，軌道車輛的車輪連接于激振機構，在激振機構及質量塊的作用下向位于車輪下方的鋼軌施加荷載。
[0006]所述的激振機構包括激振器、振動箱、直線導軌滑塊、彈簧和懸掛板，所述的激振器設置于振動箱內，直線導軌滑塊設置在振動箱的側板上，懸掛板通過彈簧與振動箱的底板連接，軌道車輛的車輪固定在懸掛板上。
[0007]所述的激振器有兩個，以振動箱的中心線為軸對稱設置，所述的彈簧設有4個，呈矩形狀連接于振動箱的底板。
[0008]所述的行駛機構包括行走直線滑塊、行走電機墊板、行走齒輪、兩個行走梁、行走變頻調速電機、行走機構側板、激振機構防脫架、行走側立板和直線滑塊，所述的行走直線導軌固定在行走側立板上，行走側立板上栓固定有四個激振機構防脫架，所述的行走梁與行走側立板連接，其中一個行走梁上連接行走電機，行走電機的輸出軸上設有行走齒輪，該行走齒輪與齒條嚙合。
[0009]所述的質量塊為輕載質量塊、滿載質量塊或超載質量塊。
[0010]一種應用上述裝置的軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬方法，通過設置不同的質量塊分別模擬輕載、滿載或超載的工況，調節(jié)激振器的頻率和質量塊的偏向距，使激振機構的振動頻率以及激振器的作用力達到預設值。
[0011]該模擬方法包括對靜荷載的模擬和對動荷載的模擬兩部分，其中，所述的靜荷載利用加載質量塊來模擬，所述的動荷載利用一個激振機構模擬。動荷載是僅考慮引起車輛動荷載的主要因素建筑結構沉降所產生的長波不平順頻率情況下的動荷載，所述的動荷載的變化規(guī)律為正弦曲線(^+，所述的兩對應于建筑結構沉降所產生的長波不平順引起的車輛振動頻率，所述的？為對應頻率的動荷載分量。
[0012]建筑結構沉降所產生的長波不平順引起的車輛振動頻率艱和對應頻率的動荷載分量？的計算方法:采用二系懸掛減振裝置的列車簡化計算模型，一系、二系懸掛簡化為彈性阻尼系統(tǒng)，其值為4和4、1?和(? ；輪對、轉向架和車體都簡化為質量塊，其中1?模擬輪對質量、1?模擬轉向架質量、％模擬車體質量；71為參考坐標系，分別對應于各質量的靜平衡位置為輪軌間的作用力，假定車體的重量均勻分配給每個輪對，可取為單個輪對質量、1?為轉向架質量的二分之一、叫為車體質量的四分之一。
[0013]通常車體在縱向和橫向都是對稱的，忽略輪軌之間的彈跳作用以及車體的搖擺和點頭作用的影響，那么作用在兩根鋼軌上的車輛輪軌垂向耦合作用力是相等的，所以本裝置只模擬一根鋼軌上的軌道車輛輪軌垂向耦合作用力。對軌道車輛垂向耦合作用力的模擬包括對靜荷載的模擬和對動荷載的模擬兩部分，所述的靜荷載用激振機構的整體自重和質量塊來模擬即可，所述的動荷載的變化規(guī)律為正弦曲線被+110，利用慣性式激振器模擬動荷載。在實現(xiàn)上述方法的過程中，一共有3個質量塊，激振機構加入質量塊一之后，就相當于車輛輕載時候的自重，加入質量塊二之后就相當于車輛滿載時的自重，加入質量塊三之后就相當于車輛超載時的自重，如此就能模擬測量的3種常用工況。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明能夠準確模擬車輪和鋼軌之間的耦合作用力，為相關試驗提供保障。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的裝置安裝在單軌軌道系統(tǒng)中的示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的裝置中激振機構示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明的裝置中行駛機構示意圖。

【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0018]實施例
[0019]如圖1所示，一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置，包括激振機構、行駛機構和三個分別用于模擬輕載、滿載或超載工況的質量塊3，激振機構固定在行駛機構上，質量塊3通過固定螺栓2安裝在激振機構上，軌道車輛的車輪連接于激振機構，在激振機構及質量塊3的作用下向位于車輪下方的鋼軌1施加荷載。
[0020]激振機構的結構如圖2所示，包括兩個激振器9、振動箱、直線導軌滑塊4、彈簧10和懸掛板12。激振器9采用兩個慣性式激振器9，以振動箱的中心線為軸對稱設置，固定在振動箱的底板11上。振動箱底板11的下面與四個彈簧定位螺栓13固定連接，這四個彈簧定位螺栓13呈矩形中心對稱設置，保證作用力的平衡。四個彈簧10的上端安裝在四個彈簧定位螺栓13上，下端與懸掛板12連接。軌道車輛的輪軌則活動連接在懸掛板12上。
[0021]整個激振機構是通過導軌導套與行駛機構滑動連接，所述的導軌導套由四個圓形直線導軌組成，每個圓形直線導軌上安裝有兩個圓形直線導軌滑塊4，所述的圓形直線導軌滑塊通過螺栓7固定在所述的振動箱的側板6上，中間墊設滑塊墊片5。在振動箱的頂板8上有四個通孔，可通過固定螺栓2在其上安裝質量塊3。
[0022]而行駛機構的結構如圖3所示，由行走直線滑塊15、行走電機墊板22、行走齒輪23、第一行走梁16、第二行走梁21、行走電機20、行走機構側板19、激振機構防脫架14、行走側立板17和直線導軌(圖中未示)組成。激振機構的圓形直線導軌通過導軌固定螺栓固定在所述行走側立板17上，所述行走側立板17上用內六角螺栓固定有四個激振機構防脫架14，所述行走側立板17通過螺栓與第一行走梁16、第二行走梁21連接，兩個行走兩通過內六角螺栓與行走直線滑塊15連接，行走梁21上螺栓連接行走電機20，之間放有行走電機墊板22，行走電機的輸出軸上固定連接行走齒輪23，所述行走齒輪23與齒條(圖中未示)
口四合。
[0023]一種應用上述裝置的軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬方法，通過設置不同的質量塊分別模擬輕載、滿載或超載的工況，調節(jié)激振器的頻率和質量塊的偏向距，使激振機構的振動頻率以及激振器的作用力達到預設值。
[0024]該模擬方法包括對靜荷載的模擬和對動荷載的模擬兩部分，其中，所述的靜荷載利用加載質量塊來模擬，所述的動荷載利用一個激振機構模擬。耦合力作用于單根鋼軌1上，產生1: 20的靜荷載以及1: 20的動荷載。
[0025]動荷載是僅考慮引起車輛動荷載的主要因素建筑結構沉降所產生的長波不平順頻率情況下的動荷載，所述的動荷載的變化規(guī)律為正弦曲線1)0，所述的蝴對應于建筑結構沉降所產生的長波不平順引起的車輛振動頻率，所述的？為對應頻率的動荷載分量。
[0026]建筑結構沉降所產生的長波不平順引起的車輛振動頻率艱和對應頻率的動荷載分量？的計算方法:采用二系懸掛減振裝置的列車簡化計算模型，一系、二系懸掛簡化為彈性阻尼系統(tǒng)，其值為4和4、1?和(? ；輪對、轉向架和車體都簡化為質量塊，其中1?模擬輪對質量、1?模擬轉向架質量、％模擬車體質量；71為參考坐標系，分別對應于各質量的靜平衡位置為輪軌間的作用力，假定車體的重量均勻分配給每個輪對，可取為單個輪對質量、1?為轉向架質量的二分之一、叫為車體質量的四分之一。
[0027]實際操作時，將模擬軌道車輛垂向耦合作用力的方法的裝置安裝在鋼軌1上，當模擬車輛輕載工況時，在振動箱頂板8上安裝所述的車輛輕載質量塊，調節(jié)變頻器頻率，通過力傳感器測量激振機構此時的作用力，使激振機構的振動頻率為V，通過頻率傳感器測量，如果偏大，就減小慣性質量塊的偏向距如果偏小，就增大慣性質量塊的偏向距如此不斷調節(jié)，使激振器的輸出作用力為？。當模擬車輛滿載工況時，在振動箱頂板8上安裝所述的車輛輕載質量塊和所述的車輛滿載質量塊，調節(jié)變頻器頻率，通過頻率傳感器測量，使激振機構的振動頻率為艱，通過力傳感器測量激振機構此時的作用力，如果偏大，就減小慣性質量塊的偏向距如果偏小，就增大慣性質量塊的偏向距如此不斷調節(jié)，使激振器的輸出作用力為？。當模擬車輛超載工況時，在振動箱頂板8上安裝車輛所述的輕載質量塊、所述的車輛滿載質量塊和所述的車輛超載質量塊，調節(jié)變頻器頻率，通過頻率傳感器測量，使激振機構的振動頻率為艱，通過力傳感器測量激振機構此時的作用力，如果偏大，就減小慣性質量塊的偏向距如果偏小，就增大慣性質量塊的偏向距如此不斷調節(jié)，使激振器的輸出作用力為？。
[0028]以上海地鐵為例，上海地鐵車輛的相關數(shù)據(jù):車體質量(滿載)=41.8。轉向架質量(動力轉向架)=7.46〖，輪對質量=1.8。一系懸掛剛度(每軸)=1.051^/111，一系懸掛阻尼(每軸)=24礎? 8加，二系懸掛剛度(每轉向架)=0.二系懸掛阻尼(每轉向架)=10^ - 8加，一系懸掛剛度(每軸)=1.051^/%—系懸掛阻尼(每軸)=24礎，8加，二系懸掛剛度(每轉向架)=0.61^/111，二系懸掛阻尼(每轉向架)=101^^/III，建筑結構沉降所產生的長波不平順激擾位移輸入模型為:2 = 1/2(1-⑶洲10，式中，％= 271 ^/1,取地鐵列車的速度V = 60^/11,則激擾位移輸入模型為；2 = -2.500810.471,上述建立的列車激振荷載簡化模型，根據(jù)機械振動以及力學的相關知識，并假定輪軌為綁定接觸，即1 = 2，可以得到車輛振動表達式如下:
[0029]+ 02 (九 ~ 夕2 ) + 灸2 (? 上2 ) = 0
[0030]+ 0\ (少2 -少丨)+ ^2 (夕2 -少3 ) + 弋(少2 —只)+ 女2 卜2 -只)=0 ,
[0031]根據(jù)達朗伯原理，可以得到輪軌作用力？的表達式為；
[0032]尸=+所2 +所3 )茗+撤決十用2艿+歷3?
[0033]對上式進行變形:
[0034]% = 1/^3^2 (少2 -少3 ) + 灸2 (少2 一少3 )]
[0035]% =―心丨(?(少2女2 (少2 一少3 )
[0036]由于該模型為三自由度系統(tǒng)，通過1^11:12113/31皿111成對該系統(tǒng)進行模擬仿真求解，根據(jù)車輛荷載的頻率分析，可得到車輛荷載的模擬表達式為:
[0037]？ = 150.85+1.558111(0.628^+1.仞4)，其中，？ = 1.55, ^ = 0.628, V = 1.494。
【權利要求】
1.一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置，其特征在于，包括激振機構、行駛機構和質量塊，所述的激振機構固定在行駛機構上，所述的質量塊設置在激振機構上，軌道車輛的車輪連接于激振機構，在激振機構及質量塊的作用下向位于車輪下方的鋼軌施加荷載。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置，其特征在于，所述的激振機構包括激振器、振動箱、直線導軌滑塊、彈簧和懸掛板，所述的激振器設置于振動箱內，直線導軌滑塊設置在振動箱的側板上，懸掛板通過彈簧與振動箱的底板連接，軌道車輛的車輪固定在懸掛板上。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置，其特征在于，所述的激振器有兩個，以振動箱的中心線為軸對稱設置，所述的彈簧設有4個，呈矩形狀連接于振動箱的底板。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置，其特征在于，所述的行駛機構包括行走直線滑塊、行走電機墊板、行走齒輪、兩個行走梁、行走變頻調速電機、行走機構側板、激振機構防脫架、行走側立板和直線滑塊，所述的行走直線導軌固定在行走側立板上，行走側立板上栓固定有四個激振機構防脫架，所述的行走梁與行走側立板連接，其中一個行走梁上連接行走電機，行走電機的輸出軸上設有行走齒輪，該行走齒輪與齒條嚙合。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬裝置，其特征在于，所述的質量塊為輕載質量塊、滿載質量塊或超載質量塊。
6.一種應用權利要求1所述裝置的軌道車輛輪軌垂向耦合作用力的模擬方法，其特征在于，通過設置不同的質量塊分別模擬輕載、滿載或超載的工況，調節(jié)激振器的頻率和質量塊的偏向距，使激振機構的振動頻率以及激振器的作用力達到預設值。
【文檔編號】G01M17/08GK104280201SQ201310288014
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月10日 優(yōu)先權日:2013年7月10日
【發(fā)明者】楊儉, 劉小威, 袁天辰, 宋瑞剛 申請人:上海工程技術大學