CN104280201B - 轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置及方法，其装置包括激振机构、行驶机构和质量块，所述的激振机构固定在行驶机构上，所述的质量块设置在激振机构上，轨道车辆的车轮连接于激振机构，在激振机构及质量块的作用下向位于车轮下方的钢轨施加荷载；其方法通过设置不同的质量块分别模拟轻载、满载或超载的工况，调节激振器的频率和质量块的偏向距，使激振机构的振动频率以及激振器的作用力达到预设值。与现有技术相比，本发明具有结构简单、模拟精度高等优点。

Description

轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种轨道车辆振动测试领域，尤其是涉及一种轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置及方法。

背景技术

车辆振动试验可分为线路运行试验及实验室振动试验两类。线路运行试验具有试验周期长、费用高、影响因素多和影响线路运行等缺点，所以，实验室模型试验受到广泛重视，特别是在日本、德国、美国和我国的原铁道部部属大学都在试验台试验方面做了大量研究工作。但建造一座现代化的全尺寸机车车辆模型进行试验，不仅工程巨大、而且研制费用高，是一般研究机构或一般研究项目所难以承受的。所以，采用缩尺比例的模型进行试验同样受到重视。我国在上海、兰州和成都的原铁道部直属高校也曾建造过l：5比例的滚动试验台，用于车辆动力学方面的试验研究。研究的主要有两种试验台，机车车辆滚动试验台和车辆—轨道振动试验台。前者通过滚轮***模拟轨道的不平顺给车辆施加耦合作用力来研究车辆的动力学特性，后者对车辆和轨道都建立了完整的模型，但是对于钢轨及其轨下***动力学的研究，建立包括车体、构架、轮对质量和一系、二系悬挂刚度及阻尼的完整的车辆模型显得过于复杂，且没有必要。寻找一种结构简单的，能模拟车辆给轨道***垂向耦合作用力的方法和装置显得很有必要。现有技术中，对于车辆垂向耦合作用力的模拟总是要建立复杂的车辆模型，而且无法模拟轨道不平顺所引起的车体振动，缺乏针对轨道垂向耦合振动台架试验的有效方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置，包括激振机构、行驶机构和质量块，所述的激振机构固定在行驶机构上，所述的质量块设置在激振机构上，轨道车辆的车轮连接于激振机构，在激振机构及质量块的作用下向位于车轮下方的钢轨施加荷载。

所述的激振机构包括激振器、振动箱、直线导轨滑块、弹簧和悬挂板，所述的激振器设置于振动箱内，直线导轨滑块设置在振动箱的侧板上，悬挂板通过弹簧与振动箱的底板连接，轨道车辆的车轮固定在悬挂板上。

所述的激振器有两个，以振动箱的中心线为轴对称设置，所述的弹簧设有4个，呈矩形状连接于振动箱的底板。

所述的行驶机构包括行走直线滑块、行走电机垫板、行走齿轮、两个行走梁、行走变频调速电机、行走机构侧板、激振机构防脱架、行走侧立板和行走直线导轨，所述的行走直线导轨固定在行走侧立板上，行走侧立板上固定有四个激振机构防脱架，所述的行走梁与行走侧立板连接，其中一个行走梁上连接行走变频调速电机，行走变频调速电机的输出轴上设有行走齿轮，该行走齿轮与行走直线导轨上的齿条啮合连接关系。

所述的质量块为轻载质量块、满载质量块或超载质量块。

一种应用上述装置的轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟方法，通过设置不同的质量块分别模拟轻载、满载或超载的工况，调节激振器的频率和质量块的偏向距，使激振机构的振动频率以及激振器的作用力达到预设值。

该模拟方法包括对静荷载的模拟和对动荷载的模拟两部分，其中，所述的静荷载利用加载质量块来模拟，所述的动荷载利用一个激振机构模拟。动荷载是仅考虑引起车辆动荷载的主要因素建筑结构沉降所产生的长波不平顺频率情况下的动荷载，所述的动荷载的变化规律为正弦曲线Fsin(wt+ψ)，所述的w对应于建筑结构沉降所产生的长波不平顺引起的车辆振动频率，所述的F为对应频率的动荷载分量。

建筑结构沉降所产生的长波不平顺引起的车辆振动频率w和对应频率的动荷载分量F的计算方法：采用二系悬挂减振装置的列车简化计算模型，一系、二系悬挂简化为弹性阻尼***，其值为k₁和c₁、k₂和c₂；轮对、转向架和车体都简化为质量块，其中m₁模拟轮对质量、m₂模拟转向架质量、m₃模拟车体质量；y_i为参考坐标系，分别对应于各质量的静平衡位置；P为轮轨间的作用力，假定车体的重量均匀分配给每个轮对，可取m₁为单个轮对质量、m₂为转向架质量的二分之一、m₃为车体质量的四分之一。

通常车体在纵向和横向都是对称的，忽略轮轨之间的弹跳作用以及车体的摇摆和点头作用的影响，那么作用在两根钢轨上的车辆轮轨垂向耦合作用力是相等的，所以本装置只模拟一根钢轨上的轨道车辆轮轨垂向耦合作用力。对轨道车辆垂向耦合作用力的模拟包括对静荷载的模拟和对动荷载的模拟两部分，所述的静荷载用激振机构的整体自重和质量块来模拟即可，所述的动荷载的变化规律为正弦曲线Fsin(wt+ψ)，利用惯性式激振器模拟动荷载。在实现上述方法的过程中，一共有3个质量块，激振机构加入质量块一之后，就相当于车辆轻载时候的自重，加入质量块二之后就相当于车辆满载时的自重，加入质量块三之后就相当于车辆超载时的自重，如此就能模拟测量的3种常用工况。与现有技术相比，本发明能够准确模拟车轮和钢轨之间的耦合作用力，为相关试验提供保障。

附图说明

图1是本发明的装置安装在单轨轨道***中的示意图；

图2是本发明的装置中激振机构示意图；

图3是本发明的装置中行驶机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置，包括激振机构、行驶机构和三个分别用于模拟轻载、满载或超载工况的质量块3，激振机构固定在行驶机构上，质量块3通过固定螺栓2安装在激振机构上，轨道车辆的车轮连接于激振机构，在激振机构及质量块3的作用下向位于车轮下方的钢轨1施加荷载。

激振机构的结构如图2所示，包括两个激振器9、振动箱、直线导轨滑块4、弹簧10和悬挂板12。激振器9采用两个惯性式激振器9，以振动箱的中心线为轴对称设置，固定在振动箱的底板11上。振动箱底板11的下面与四个弹簧定位螺栓13固定连接，这四个弹簧定位螺栓13呈矩形中心对称设置，保证作用力的平衡。四个弹簧10的上端安装在四个弹簧定位螺栓13上，下端与悬挂板12连接。轨道车辆的轮轨则活动连接在悬挂板12上。

整个激振机构是通过导轨导套与行驶机构滑动连接，所述的导轨导套由四个圆形直线导轨组成，每个圆形直线导轨上安装有两个圆形直线导轨滑块4，所述的圆形直线导轨滑块通过螺栓7固定在所述的振动箱的侧板6上，中间垫设滑块垫片5。在振动箱的顶板8上有四个通孔，可通过固定螺栓2在其上安装质量块3。

而行驶机构的结构如图3所示，由行走直线滑块15、行走电机垫板22、行走齿轮23、第一行走梁16、第二行走梁21、行走电机20、行走机构侧板19、激振机构防脱架14、行走侧立板17和直线导轨(图中未示)组成。激振机构的圆形直线导轨通过导轨固定螺栓固定在所述行走侧立板17上，所述行走侧立板17上用内六角螺栓固定有四个激振机构防脱架14，所述行走侧立板17通过螺栓与第一行走梁16、第二行走梁21连接，两个行走两通过内六角螺栓与行走直线滑块15连接，行走梁21上螺栓连接行走电机20，之间放有行走电机垫板22，行走电机的输出轴上固定连接行走齿轮23，所述行走齿轮23与齿条(图中未示)啮合。

一种应用上述装置的轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟方法，通过设置不同的质量块分别模拟轻载、满载或超载的工况，调节激振器的频率和质量块的偏向距，使激振机构的振动频率以及激振器的作用力达到预设值。

该模拟方法包括对静荷载的模拟和对动荷载的模拟两部分，其中，所述的静荷载利用加载质量块来模拟，所述的动荷载利用一个激振机构模拟。耦合力作用于单根钢轨1上，产生1：20的静荷载以及1:20的动荷载。

动荷载是仅考虑引起车辆动荷载的主要因素建筑结构沉降所产生的长波不平顺频率情况下的动荷载，所述的动荷载的变化规律为正弦曲线Fsin(wt+ψ)，所述的w对应于建筑结构沉降所产生的长波不平顺引起的车辆振动频率，所述的F为对应频率的动荷载分量。

建筑结构沉降所产生的长波不平顺引起的车辆振动频率w和对应频率的动荷载分量F的计算方法：采用二系悬挂减振装置的列车简化计算模型，一系、二系悬挂简化为弹性阻尼***，其值为k₁和c₁、k₂和c₂；轮对、转向架和车体都简化为质量块，其中m₁模拟轮对质量、m₂模拟转向架质量、m₃模拟车体质量；y_i为参考坐标系，分别对应于各质量的静平衡位置；P为轮轨间的作用力，假定车体的重量均匀分配给每个轮对，可取m₁为单个轮对质量、m₂为转向架质量的二分之一、m₃为车体质量的四分之一。

实际操作时，将模拟轨道车辆垂向耦合作用力的方法的装置安装在钢轨1上，当模拟车辆轻载工况时，在振动箱顶板8上安装所述的车辆轻载质量块，调节变频器频率，通过力传感器测量激振机构此时的作用力，使激振机构的振动频率为w，通过频率传感器测量，如果偏大，就减小惯性质量块的偏向距r_e，如果偏小，就增大惯性质量块的偏向距r_e，如此不断调节，使激振器的输出作用力为F。当模拟车辆满载工况时，在振动箱顶板8上安装所述的车辆轻载质量块和所述的车辆满载质量块，调节变频器频率，通过频率传感器测量，使激振机构的振动频率为w，通过力传感器测量激振机构此时的作用力，如果偏大，就减小惯性质量块的偏向距r_e，如果偏小，就增大惯性质量块的偏向距r_e，如此不断调节，使激振器的输出作用力为F。当模拟车辆超载工况时，在振动箱顶板8上安装车辆所述的轻载质量块、所述的车辆满载质量块和所述的车辆超载质量块，调节变频器频率，通过频率传感器测量，使激振机构的振动频率为w，通过力传感器测量激振机构此时的作用力，如果偏大，就减小惯性质量块的偏向距r_e，如果偏小，就增大惯性质量块的偏向距r_e，如此不断调节，使激振器的输出作用力为F。

以上海地铁为例，上海地铁车辆的相关数据：车体质量(满载)＝41.8t,转向架质量(动力转向架)＝7.46t，轮对质量＝1.8t，一系悬挂刚度(每轴)＝1.05MN/m，一系悬挂阻尼(每轴)＝24kN·s/m，二系悬挂刚度(每转向架)＝0.6MN/m，二系悬挂阻尼(每转向架)＝10kN·s/m，一系悬挂刚度(每轴)＝1.05MN/m，一系悬挂阻尼(每轴)＝24kN·s/m，二系悬挂刚度(每转向架)＝0.6MN/m，二系悬挂阻尼(每转向架)＝10kN·s/m，建筑结构沉降所产生的长波不平顺激扰位移输入模型为：Z＝1/2(1-cosw1t)，式中，W₁＝2лv/L，取地铁列车的速度v＝60km/h，则激扰位移输入模型为：Z＝-2.5cos10.47t，上述建立的列车激振荷载简化模型，根据机械振动以及力学的相关知识，并假定轮轨为绑定接触，即y₁＝z，可以得到车辆振动表达式如下：

根据达朗伯原理，可以得到轮轨作用力P的表达式为：

对上式进行变形：

由于该模型为三自由度***，通过Matlab/Simulink对该***进行模拟仿真求解，根据车辆荷载的频率分析，可得到车辆荷载的模拟表达式为：

p＝150.85+1.55sin(0.628t+1.494)，其中，F＝1.55，w＝0.628，ψ＝1.494。

Claims (5)

1.一种轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置，其特征在于，包括激振机构、行驶机构和质量块，所述的激振机构固定在行驶机构上，所述的质量块设置在激振机构上，轨道车辆的车轮连接于激振机构，在激振机构及质量块的作用下向位于车轮下方的钢轨施加荷载，所述的行驶机构包括行走直线滑块、行走电机垫板、行走齿轮、两个行走梁、行走变频调速电机、行走机构侧板、激振机构防脱架、行走侧立板和行走直线导轨，所述的行走直线导轨固定在行走侧立板上，行走侧立板上固定有四个激振机构防脱架，所述的行走梁与行走侧立板连接，其中一个行走梁上连接行走变频调速电机，行走变频调速电机的输出轴上设有行走齿轮，该行走齿轮与行走直线导轨上的齿条啮合连接。

2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置，其特征在于，所述的激振机构包括激振器、振动箱、直线导轨滑块、弹簧和悬挂板，所述的激振器设置于振动箱内，直线导轨滑块设置在振动箱的侧板上，悬挂板通过弹簧与振动箱的底板连接，轨道车辆的车轮固定在悬挂板上。

3.根据权利要求2所述的一种轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置，其特征在于，所述的激振器有两个，以振动箱的中心线为轴对称设置，所述的弹簧设有4个，呈矩形状连接于振动箱的底板。

4.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟装置，其特征在于，所述的质量块为轻载质量块、满载质量块或超载质量块。

5.一种应用权利要求2所述装置的轨道车辆轮轨垂向耦合作用力的模拟方法，其特征在于，通过设置不同的质量块分别模拟轻载、满载或超载的工况，调节激振器的频率和质量块的偏向距，使激振机构的振动频率以及激振器的作用力达到预设值。