CN103728144B - 高速列车轮对轴箱装置试验台 - Google Patents

Abstract

高速列车轮对轴箱装置试验台，属于轨道交通技术领域，是涉及一种高速列车轮对轴箱装置试验台。本发明对高速列车轮对轴箱装置的动力学分析和故障诊断研究提供有效的试验验证平台。本发明包括轨道倾角控制系统、轨道轮驱动系统、第一、第二转向架机构和车厢加载系统；轨道倾角控制系统由基础、固定在基础上的若干个千斤顶和若干个底座支撑机构组成，轨道轮驱动系统设置在轨道倾角控制系统上方，轨道轮驱动系统由第一、第二轨道轮机构、底座、电机及第一、第二减速箱组成，在底座上固定有支柱，在支柱上设置有第一、第二转向架机构，车厢加载系统设置在第一、第二转向架机构的上方，车厢加载系统由定位杆、若干个加载器、车厢组成。

Description

高速列车轮对轴箱装置试验台

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，是涉及一种高速列车轮对轴箱装置的试验台。

背景技术

随着高速铁路里程的不断增加及运行速度的逐步提高，高速列车的试验研究广受关注，试验台的建造广受重视。日本、德国、美国都在整车1:1全尺寸试验台试验方面做了大量试验研究工作。目前国内的整车试验台多为整车滚动试验台，如西南交通大学的滚动振动试验台，大连内燃机研究所的滚动试验台，株洲电力机车研究所的半车滚动试验台。由于建造1:1全尺寸机车车辆试验台工程巨大且研制费用高，小尺寸的小比例试验台近些年备受青睐。我国在上海、兰州和成都的铁道部属大学建有类似的1:5滚动试验台。为了使小比例试验台的试验结果与全尺寸车辆运行结果一致，试验台设计过程中要满足以下相似：(1)行为相似：要求两种系统有相似的行为属性，遵守有确定关系的相似定律、定理；(2)几何相似：主要强调在几何形状上的比例关系；(3)物理相似：主要指物理量的相似，如比重、密度、表面粘着力等物理属性的相似，当然也可以是时间、重力场等相似问题。但已经存在的试验台在以下几个方面未能完善：(1)以轮对轴箱装置故障诊断为主要研究目标的高速列车整车试验台未见报道；(2)从动力学角度在结构方面与实际高速列车相似的试验台鲜有论述；(3)以成本低且结构相似性为目标的高速列车试验台还没有文献报道；(4)未见有基于等效载荷的高速列车轮对轴箱装置故障诊断方法试验验证的合理平台。

为了弥补上述不足，专门设计了该高速列车轮对轴箱装置试验台，对高速列车轮对轴箱装置的故障诊断研究提供有效的试验验证平台。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高速列车轮对轴箱装置试验台，该整车试验台对高速列车轮对轴箱装置的动力学分析和故障诊断研究提供有效的试验验证平台。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：高速列车轮对轴箱装置试验台，包括轨道倾角控制系统、轨道轮驱动系统、第一、第二转向架机构和车厢加载系统；轨道倾角控制系统由基础、固定在基础上的若干个千斤顶和若干个底座支撑机构组成，轨道轮驱动系统设置在轨道倾角控制系统上方，轨道轮驱动系统由第一、第二轨道轮机构、底座、电机及第一、第二减速箱组成，底座固定在千斤顶顶部和底座支撑机构的顶部；在底座上设置有四个电机，每个电机轴均与第一减速箱相连接，第一减速箱与第二减速箱相连接；第一减速箱与第一轨道轮机构相连接，第二减速箱与第二轨道轮机构相连接；第一、第二减速箱及第一、第二轨道轮机构均固定在底座上；在底座上固定有若干个支柱，在支柱上设置有第一、第二转向架机构，在每个支柱上均设置有滑道，在每个滑道上均设置有上、下滑块，第一、第二转向架机构均与下滑块之间通过下滑动减震器相连接，所述车厢加载系统设置在第一、第二转向架机构的上方，车厢加载系统由定位杆、若干个加载器、车厢组成，定位杆固定在支柱上，车厢设置在定位杆下方，并通过加载器与定位杆相连接；车厢与上滑块之间通过上滑动减震器相连接。

所述若干个千斤顶排布成一直线，若干个底座支撑机构沿轴向排布成一直线，且千斤顶排布成的直线与底座支撑机构排布成的直线平行设置。

所述底座支撑机构由支撑座、第一轴承、第一端盖、透盖、轴和第一轴套组成，在轴上设置有第一轴套，轴的两端分别通过左、右第一轴承与左、右支撑座相连接，左、右支撑座固定在基础上；所述轨道轮驱动系统的底座固定在支撑座上，在支撑座的两端分别设置有第一端盖与透盖。

所述第一、第二轨道轮机构均由轴承座、轨道轮、第二轴承、第二端盖、轮轴及第二轴套组成，在轮轴上设置有轨道轮，轮轴两端分别通过左、右第二轴承与左、右轴承座相连接，在所述轨道轮一侧、轮轴上具有轴肩，在轨道轮另一侧、轮轴上设置有第二轴套，在所述左、右轴承座的两端设置有第二端盖；所述第一减速箱与第一轨道轮机构的轮轴相连接，第二减速箱与第二轨道轮机构的轮轴相连接，所述第一、第二轨道轮机构的轴承座固定在底座上。

所述第一、第二转向架机构均由构架、车轴、车轮、轴箱、及上、下减震器组成，在构架上方设置有若干个上减震器，在构架下方设置有若干个下减震器，在构架前、后部均设置有车轴，每根车轴的两端均通过轴箱与下减震器相连接；在每根车轴上均设置有车轮，车轮与轨道轮驱动系统的轨道轮一一对应、配合，构架与下滑块之间通过下滑动减震器相连接，构架与车厢加载系统的车厢之间通过上减震器相连接。

所述加载器由螺杆、上座、弹簧、定位螺杆及下座组成；弹簧设置在上、下座之间，加载器的上座通过螺杆与定位杆相连接，加载器的下座通过定位螺杆与车厢相连接。

所述电机与电源控制系统相连接，电源控制系统由变频器和同步控制器组成，电机分别通过变频器与电机同步控制器相连接。

本发明的有益效果：

本发明的高速列车轮对轴箱装置试验台，对高速列车轮对轴箱装置的故障诊断研究提供有效的试验验证平台，具体有益效果如下：

1、本发明实验台的车轮踏面采用磨耗形踏面，避免了以往采用锥形踏面磨损严重的问题，使轮对外形保持稳定，提高了试验获取数据的科学性、准确性、有效性；

2、本发明试验台采用调节千斤顶的方法来实现对实际高速列车轮对轴箱装置转弯时外轨道高度高于内轨道高度的情况的模拟，采用第一、第二减速箱实现同一转向架机构的同侧车轮转速一致，采用电机同步控制器实现直线轨道运行时各车轮同转速，采用上、下弹簧阻尼减震器解决了小型高速列车试验台一系和二系悬挂弹簧和阻尼器相对位置较为分离的问题；

3、本发明的底座、电机架、构架、支柱及车厢采用槽钢焊接的方法制成，既降低了生产成本又保留与实际列车相似的结构，采用四台电机完成模拟列车转弯和直行运动状态，采用橡胶减震器消减车厢的横向振动，采用螺杆压缩弹簧的方法模拟轴重。

附图说明

图1是本发明的高速列车轮对轴箱装置试验台的结构示意图；

图2是本发明的底座支撑机构的结构示意图；

图3是本发明的第一或第二轨道轮机构的结构示意图；

图4是本发明的加载器、定位杆及车厢安装后的结构示意图；

图5是本发明的第一或第二转向架机构的结构示意图；

图6是本发明的电源控制系统的电路原理图；

图中，1—基础，2—千斤顶，3--底座支撑机构，4--第一端盖，5--支撑座，6--第一轴承，7—透盖，8—轴，9—第一轴套，10—底座，11—电机架，12—电机，13—联轴器，14—第一减速箱，15—第一轨道轮机构，16—第二轨道轮机构，17—轨道轮，18—轴承座，19—轴肩，20—轮轴，21—第二轴套，22—第二轴承，23—第二端盖，24—第二减速箱，25—床身，26—第一转向架机构，27—第二转向架机构，28--构架，29—车轴，30—轴箱，31—车轮，32—上弹簧阻尼减震器，33—下弹簧阻尼减震器，34—连接板，35—垫片，36—支柱，37—定位杆，38—车厢，39—加载器，40—上座，41—下座，42—定位螺杆，43—螺杆，44—弹簧，45--滑道，46--上滑块，47--下滑块，48—上滑动橡胶减震器，49--下滑动橡胶减震器，50--传感器定位杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例的高速列车轮对轴箱装置试验台与实际高速列车轮对轴箱装置的比例为1:4。

如图1～图6所示，高速列车轮对轴箱装置试验台，包括轨道倾角控制系统、轨道轮驱动系统、第一、第二转向架机构和车厢加载系统；所述轨道倾角控制系统由基础1、若干个千斤顶2和若干个底座支撑机构3组成，若干个千斤顶2排布成一直线，若干个底座支撑机构3排布成一直线，且千斤顶2排布成的直线与底座支撑机构3排布成的直线相互平行，底座支撑机构3与千斤顶2固定在基础1的上表面上；底座支撑机构3由支撑座5、第一轴承6、第一端盖4、透盖7、轴8和第一轴套9组成，轴8穿过第一轴套9内孔且与第一轴套9的内壁之间通过过盈配合方式相连接；轴8两端分别通过左、右第一轴承6与左、右支撑座5相连接，轴8的外壁与第一轴承6的内圈之间、第一轴承6的外圈与支撑座5的内壁之间均通过过盈配合方式相连接；支撑座5固定在基础1上；在支撑座5的两端分别设置有第一端盖4与透盖7，防止支撑座5内的第一轴承6脱落；

所述轨道轮驱动系统设置在轨道倾角控制系统上方，轨道轮驱动系统由第一、第二轨道轮机构、底座10、电机12及第一、第二减速箱组成，第一、第二轨道轮机构均由轴承座18、第二端盖23、轨道轮17、第二轴承22、轮轴20及第二轴套21组成，轨道轮17设置在轮轴20上，轨道轮17与轮轴20之间采用键固定连接，以便限定轨道轮17与轮轴20之间的圆周运动，轨道轮17按两条平行直线方向排布，并与千斤顶2排布的直线相平行；轮轴20的两端分别通过左、右第二轴承22与左、右轴承座18相连接，所述轮轴20的外壁与第二轴承22的内圈之间、第二轴承22的外圈与支撑座18的内壁之间均通过过盈配合方式相连接；在轨道轮17一侧、轮轴20上具有轴肩19，在轨道轮17另一侧、轮轴20上设置有第二轴套21，轮轴20的外壁与第二轴套21的内壁之间通过过盈配合方式相连接；轴肩19与第二轴套21限制轨道轮17的轴向移动；在轴承座18的两端均设置有第二端盖23，防止轴承座18内的第二轴承22从轴承座18内脱落；在底座10上设置有四个电机12，四个电机12分布在底座10的顶面的四角，四个电机12均固定在电机架11上，电机架11通过螺栓固定在底座10上；四个电机12轴均通过联轴器13与第一减速箱14的输入轴相连接，第一减速箱14具有两根输出轴，一根输出轴通过联轴器13与第二减速箱24的输入轴相连接，第一减速箱14的另一根输出轴通过联轴器13与第一轨道轮机构15的轮轴20相连接，第二减速箱24的输出轴通过联轴器13与第二轨道轮机构16的轮轴20相连接；所述第一、第二减速箱及第一、第二轨道轮机构的轴承座18均固定在床身25上，床身25通过螺栓固定在底座10上；底座10底部固定在千斤顶2顶部和底座支撑机构3的支撑座5的顶部；

在所述底座10上固定有四个支柱36，四个支柱36排布成矩形，在前两个支柱36、后两个支柱36上分别设置有第一、第二转向架机构，第一、第二转向架机构均由构架28、车轴29、车轮31、轴箱30及上、下弹簧阻尼减震器组成，构架28为矩形框架，在构架28的上方通过螺钉固定有两个上弹簧阻尼减震器32，在构架29的下方四角通过螺钉固定有下弹簧阻尼减震器33，下弹簧阻尼减振器33的底端均与轴箱30的顶部固定连接，在构架29下方的前、后部均设置有车轴29，每根车轴29的两端通过轴承与轴箱30相连接，在每根车轴29上均设置有两个车轮31，每个车轮31均与轨道轮驱动系统的轨道轮17一一对应、配合；设置在构架29前、后部的同一侧的两个轴箱30通过连接板34相连接；在所述支柱36上均设置有滑道45，在每个滑道45上均设置有上、下滑块，上、下滑块通过垫片35分别固定有上、下滑动橡胶减震器，第一、第二转向架机构的构架28通过下滑动橡胶减震器49与下滑块47相连接，以便能够沿着支柱36的滑道45上、下移动；所述车厢加载系统设置在第一、第二转向架机构的上方，车厢加载系统由前、后定位杆37、四个加载器39及车厢38组成，前、后定位杆37的两端分别固定在前两个支柱36、后两个支柱36上，车厢38为矩形框架，车厢38设置在定位杆37下方，并通过前后对称设置的加载器39与定位杆37相连接；加载器39由螺杆43、上座40、弹簧44、定位螺杆42及下座41组成；弹簧44设置在上、下座之间，弹簧44的两端分别与上、下座相连接；加载器39的上座40通过螺杆43与定位杆37相连接，加载器43的下座41通过定位螺杆42与车厢38相连接；通过旋入螺杆43压缩弹簧44实现对车厢38加载：螺杆43在旋入时下压上座40，在上座40与下座41作用下，弹簧44压缩进而对车厢38进行加载；车厢38与第一、第二转向架机构的构架28之间通过上弹簧阻尼减震器32相连接，车厢38与上滑块46之间通过上滑动橡胶减震器48相连接，以便能够沿着支柱36的滑道45上、下移动。

所述底座10、电机架11、构架28、支柱36及车厢38均采用槽钢焊接的方法制成。

所述第一、第二减速箱均采用T12伞型齿轮减速箱。

所述车轮31的踏面采用磨耗形踏面，避免了以往采用锥形踏面磨损严重的问题。

所述电机12与电源控制系统相连接，电源控制系统由变频器和同步控制器组成，所述电机12的输入端分别通过变频器与电机同步控制器的输出端相连接，电机同步控制器采用TB-4电机同步控制器。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

如图1～图6所示，使用本发明的高速列车轮对轴箱装置试验台，能够获得高速列车轮对轴箱装置在弯道行驶时的动力学响应结果，其具体过程如下：

步骤一：接通电机同步控制器的电源线，但不与三相电源接通，避免误操作从而使电机转起来；

步骤二：操作千斤顶2，使千斤顶2的顶杆上移，使本发明的底座10以上的所有部分均绕底座支撑机构3的轴8转动，转动角度根据不同试验要求设定，用来模拟列车在弯道时的轨道倾角θ，其计算公式为其中，x为千斤顶2的顶杆伸出长度，L为千斤顶2到底座支撑机构3的轴8的距离，当L=1022.75mm时，为了模拟列车在弯道时的轨道倾角弧度时，千斤顶2的顶杆伸出长度 $x=\tan \left(\mathrm{\θ}\right)L=\tan \left(\frac{\mathrm{\π}}{180}\right)\×1022.75=17.88\mathrm{mm},$ 即操作千斤顶2使其顶杆伸出17.85mm，完成轨道倾角弧度的试验条件模拟；

步骤三：在本发明试验台中，车厢加载系统和第一、第二转向架机构为实际车厢的简化结构，但造成了车轮31承受垂向载荷与实际不符合的问题，通过拧紧螺杆43增加垂向载荷给予解决；为了车轮31承受与实际相符合的垂向载荷，弹簧44的压缩量为0.5mm；

步骤四：在通过本发明的每根车轴29的轴线的垂直平面和水平面上分别安装四个位移传感器，四个位移传感器均通过传感器定位杆50固定在构架28上；（可以根据试验要求，通过更换传感器定位杆50或改变传感器定位杆50上的传感器安装孔，增加或者减少安装位移传感器的数目，）在第一、第二转向架机构和车厢38上安装加速度传感器；

步骤五：根据试验列车的速度，计算出在直道行驶工况下的电机12的转速r：.3其05中2VV为试验列车速度，D为实际列车车轮半径，r_L为车轮31半径，r_G为轨道轮17半径，i为第一、第二减速箱的传动比，当V=200km/h，D=0.86m，r_L=0.215m，r_G=0.5m，i=2时，电机12的转速r＝5.3052*200＝1061转/每分；

步骤六：通过步骤五中得到在直道行驶工况下的电机12的转速r，调整电机同步控制i器，使电机12以不同速度旋转，实现在弯道上行驶工况的模拟，此时弯道外侧的两个电机12的转速r₁和弯道内侧的两个电机12的转速r₂按如下公式计算： 其中r_L为车轮31半径，r_G为轨道轮17半径，V为试验列车速度，D为实际列车车轮半径，R为弯道的转弯半径，r为在直道行驶工况i下的电V机12的转速，i为第一、第二减速箱的传动比，当r_L=0.215m，r_G=0.5m，V=200km/h，D=0.86m，R=800m，r＝5.3052*200＝1061转/每分，i=2时，弯道外侧的两个电机12的转速r₁=1062转/每分，弯道内侧的两个电机12的转速r₂=1060转/每分；将电机同步控制器的电源线接通三相电源，开启电机同步控制器和变频器；

步骤七：根据位移传感器测得的位移信号，可以获得测量点处车轴29的轴心位移曲线，也可以利用该位移信号获得对应点的加速度和速度随时间的变化曲线；根据加速度传感器测得的加速度信号，可以获得第一、第二转向架机构和车厢38上任一点的加速度随时间的变化曲线，即获得高速列车轮对轴箱装置在弯道行驶时的动力学响应结果；利用上述的位移、加速度信号，可以进行高速列车在弯道上行驶时的整车或轮对轴箱装置动力学模型的验证试验和高速列车的车轴、转向架及车体等的振动特性评价等；

步骤八：关闭电机同步控制器的电源，试验台停止运行。

本发明可以进行故障状态下的高速列车轮对轴箱装置的故障动力学特性和故障诊断分析研究，车轴裂纹状态下的高速列车轮对轴箱装置的动力学测试试验，其操作步骤如下：

步骤A：旋出螺杆43使轴重为零，即车轮31与轨道轮17之间只存在由于重力产生的垂向载荷；

步骤B：利用起重机将构架28吊起，使车轮31和轨道轮17分离，利用另一台起重机将一根车轴29托住，并将此车轴29和与此车轴29相连接的车轮31以及轴箱30从本发明试验台上拆卸、取出；

步骤C：将车轴29的两端从轴箱30上取出，拆卸车轴29上的车轮31，将预制好的裂纹车轴与拆卸的车轮31组装后与轴箱30安装成一体，然后将安装成一体的裂纹车轴、车轮31以及轴箱30安装回本发明的构架28上；

步骤D：重复操作步骤一至步骤八，得出在车轴29具有裂纹状态下的高速列车轮对轴箱装置的动力学测试试验结果。

Claims (7)

1.一种高速列车轮对轴箱装置试验台，其特征在于包括轨道倾角控制系统、轨道轮驱动系统、第一、第二转向架机构和车厢加载系统；轨道倾角控制系统由基础、固定在基础上的若干个千斤顶和若干个底座支撑机构组成，轨道轮驱动系统设置在轨道倾角控制系统上方，轨道轮驱动系统由第一、第二轨道轮机构、底座、电机及第一、第二减速箱组成，底座固定在千斤顶顶部和底座支撑机构的顶部；在底座上设置有四个电机，每个电机轴均与第一减速箱相连接，第一减速箱与第二减速箱相连接；第一减速箱与第一轨道轮机构相连接，第二减速箱与第二轨道轮机构相连接；第一、第二减速箱及第一、第二轨道轮机构均固定在底座上；在底座上固定有若干个支柱，在支柱上设置有第一、第二转向架机构，在每个支柱上均设置有滑道，在每个滑道上均设置有上、下滑块，第一、第二转向架机构均与下滑块之间通过下滑动减震器相连接，所述车厢加载系统设置在第一、第二转向架机构的上方，车厢加载系统由定位杆、若干个加载器、车厢组成，定位杆固定在支柱上，车厢设置在定位杆下方，并通过加载器与定位杆相连接；车厢与上滑块之间通过上滑动减震器相连接。

2.根据权利要求1所述的高速列车轮对轴箱装置试验台,其特征在于所述若干个千斤顶排布成一直线，若干个底座支撑机构沿轴向排布成一直线，且千斤顶排布成的直线与底座支撑机构排布成的直线平行设置。

3.根据权利要求1所述的高速列车轮对轴箱装置试验台,其特征在于所述底座支撑机构由支撑座、第一轴承、第一端盖、透盖、轴和第一轴套组成，在轴上设置有第一轴套，轴的两端分别通过左、右第一轴承与左、右支撑座相连接，左、右支撑座固定在基础上；所述轨道轮驱动系统的底座固定在支撑座上，在支撑座的两端分别设置有第一端盖与透盖。

4.根据权利要求1所述的高速列车轮对轴箱装置试验台,其特征在于所述第一、第二轨道轮机构均由轴承座、轨道轮、第二轴承、第二端盖、轮轴及第二轴套组成，在轮轴上设置有轨道轮，轮轴两端分别通过左、右第二轴承与左、右轴承座相连接，在所述轨道轮一侧、轮轴上具有轴肩，在轨道轮另一侧、轮轴上设置有第二轴套，在所述左、右轴承座的两端设置有第二端盖；所述第一减速箱与第一轨道轮机构的轮轴相连接，第二减速箱与第二轨道轮机构的轮轴相连接，所述第一、第二轨道轮机构的轴承座固定在底座上。

5.根据权利要求1所述的高速列车轮对轴箱装置试验台,其特征在于所述第一、第二转向架机构均由构架、车轴、车轮、轴箱、及上、下减震器组成，在构架上方设置有若干个上减震器，在构架下方设置有若干个下减震器，在构架前、后部均设置有车轴，每根车轴的两端均通过轴箱与下减震器相连接；在每根车轴上均设置有车轮，车轮与轨道轮驱动系统的轨道轮一一对应、配合，构架与下滑块之间通过下滑动减震器相连接，构架与车厢加载系统的车厢之间通过上减震器相连接。

6.根据权利要求1所述的高速列车轮对轴箱装置试验台,其特征在于所述加载器由螺杆、上座、弹簧、定位螺杆及下座组成；弹簧设置在上、下座之间，加载器的上座通过螺杆与定位杆相连接，加载器的下座通过定位螺杆与车厢相连接。

7.根据权利要求1所述的高速列车轮对轴箱装置试验台,其特征在于所述电机与电源控制系统相连接，电源控制系统由变频器和同步控制器组成，电机分别通过变频器与电机同步控制器相连接。