CN106226016A - 全自由度轨道模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自由度轨道模拟器,其包括结构相同的4个四自由度滚振台，分别为一号滚振台、二号滚振台、三号滚振台和四号滚振台；一号滚振台与二号滚振台以及三号滚振台与四号滚振台沿y轴方向对称地布置；二号滚振台与三号滚振台以及一号滚振台与四号滚振台沿x轴方向对称地布置；一号滚振台或二号滚振台或三号滚振台或四号滚振台由下部四自由度振动平台、上部滚动装置以及外侧驱动装置组成；所述的下部四自由度振动台主要包括四个垂向作动器、基础平台、轴距可调平台、轨距可调平台、两个横向作动器以及纵向作动器；上部滚动装置包括滚轮、滚轮轴、轴承和轴承增高支座；外侧驱动装置包括可调速电机、减速器、调距平板基座和万向联轴器。

Description

全自由度轨道模拟器

技术领域

本发明涉及车辆动态仿真与测试领域。

背景技术

我国在西南交通大学建立了牵引动力国家重点实验室，并自行研制了机车车辆整车滚动振动试验台。该试验台于1994年建成，1995年投入运行，在我国铁路提速机车车辆研发中发挥了重要作用。滚动振动试验台是以机车车辆为试验对象，通过试验台模拟线路轨道状况，故也称轨道模拟器，就是以不断滚动具有钢轨轨头型面的滚轮来代表轨道，并通过滚轮垂向和横向激振来模拟线路轨道的不平顺。该滚动振动试验台的滚轮可以模拟轨距变化和方向不平顺；模拟水平和垂向不平顺；模拟曲线外轨超高；模拟车辆的向前运动以及模拟轨道弯曲方向，但是该滚动振动试验台无法实现单独滚轮的垂向、横向以及倾斜运动，因此，无法实现轨距不平顺以及扭曲(三角坑)不平顺的动态模拟，某些实验结果也存在较大误差，精确度也有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中无法同时实现滚轮的滚动以及轨距、轨向、高低、水平、扭曲(三角坑)等轨道不平顺和各种轨道线型室内动态模拟的问题，提供了一种更符合实际状况的列车轨道线型及不平顺的室内全自由度轨道模拟器。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：所述的全自由度轨道模拟器，其主要包括结构相同的4个四自由度滚振台，分别为一号滚振台A、二号滚振台B、三号滚振台C和四号滚振台D，所述的一号滚振台A与二号滚振台B以及三号滚振台C与四号滚振台D沿y轴方向对称地布置；二号滚振台B与三号滚振台C以及一号滚振台A与四号滚振台D沿x轴方向对称地布置。

所述的一号滚振台A或二号滚振台B或三号滚振台C或四号滚振台D由下部四自由度振动台1、上部滚动装置2以及外侧驱动装置3组成；所述的下部四自由度振动台1垂直固定安装在地基上，上部滚动装置2通过螺栓安装在轨距可调平台7上平面的T型槽上，外侧驱动装置3输出端通过万向联轴器16与上部滚动装置2的滚轮轴13连接，外侧驱动装置3下部则由调距平板基座20上的地脚螺栓26固定安装在支撑地基上。所述的下部四自由度振动台1主要包括四个垂向作动器4、基础平台5、轴距可调平台6、轨距可调平台7、一号横向作动器8、二号横向作动器9以及纵向作动器10；所述的四个垂向作动器4一端分别球铰接于基础平台5下平面的四个角上，另一端垂直固定在水平地基上，一号横向作动器8一端沿x轴方向球铰接于基础平台5侧平面的中间位置，另一端水平固定在竖向地基上；所述的轴距可调平台6通过其下平面上的T型凸台配合安装在基础平台5上的T型槽内，并由安装在其外侧沿y轴方向布置的纵向作动器10调节纵向位移，最后利用L型挡板11及螺栓固定其位置；所述的轨距可调平台7通过其下平面上的T型凸台配合安装在基础平台5上的T型槽内，并由安装在其外侧沿x轴方向布置的二号横向作动器9调节横向位移，最后利用L型挡板11及螺栓固定其位置。所述的四个垂向作动器4和一号横向作动器8的主要作用是使基础平台5进行四自由度的运动，所述的纵向作动器10的主要作用是在模拟试验之前使轴距可调平台6进行纵向位置的移动，以实现轴距的调整；所述的二号横向作动器9的主要作用是在模拟试验之前使轨距可调平台7进行横向位置的移动，以实现轨距的调整。所述的上部滚动装置2主要包括滚轮15、滚轮轴13、轴承14和轴承增高支座12；所述的滚轮15采用键联接压配安装在滚轮轴13上，并由两侧的轴承14和轴承增高支座12支撑起来，可随滚轮轴13一起转动；所述的轴承增高支座12通过螺栓固装在轨距可调平台7上平面的T型槽上，由此保证滚轮15随下部四自由度振动台1实现垂向、横向以及倾斜运动。所述的外侧驱动装置3包括可调速电机19、减速器18、调距平板基座20和万向联轴器16；所述的可调速电机19的底端由螺栓固定在电机支座21上，电机支座21又由螺栓固定安装在调距平板基座20上的T型槽内；所述的减速器18通过箱体下端的联接螺栓固定在减速器支座22上，减速器支座22又由螺栓固定安装在调距平板基座20上的T型槽内；所述的可调速电机19的输出轴端通过法兰17与减速器18的输入轴连接，减速器18的输出轴端通过法兰17与万向联轴器16的一端连接，万向联轴器16的另一端与滚轮轴13通过法兰17连接，从而保证了可调速电机19输出动力的有效传递，以驱动滚轮15的转动；所述的万向联轴器16安装时与滚轮轴13处于同一轴线上，其作用是在不影响上部滚轮装置2振动的前提下，保证外侧驱动装置3的输出动力能够进行有效地输出，使滚轮15转动。所述的调距平板基座20主要由底部支撑平板23，中间纵向滑板24，上部横向滑板25组成，所述的底部支撑平板23四个角由地脚螺栓26固定在支撑地基上，中间纵向滑板24下平面上的T型凸台配合安装在底部支撑平板23上平面的T型槽内并可以在x轴方向上移动，上部横向滑板25下平面上的T型凸台配合安装在中间纵向滑板24上平面的T型槽内并可以在y轴方向上移动，底部支撑平板23和中间纵向滑板24的位置按要求通过两侧的L型挡板11及螺栓固定；所述的调距平板基座20的作用是使外侧驱动装置3能够随轴距可调平台6以及轨距可调平台7的调整从而进行横向和纵向的位置移动。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

本发明所述的全自由度轨道模拟器不仅可以模拟机车车辆相对于轨道前进所需要的滚轮滚动，还可以模拟各种轨道不平顺及各种线型，从而实现了以往技术中不能同时实现的单个滚轮的滚动以及轨距、轨向、高低、水平、扭曲(三角坑)等轨道不平顺和各种轨道线型室内模拟的问题，并且还大大提高了实验的精确度，为轨道车辆、转向架及车辆其他总成的动态模拟与测试提供更近真实的室内模拟环境，为轨道车辆的开发和性能优化提供重要的试验平台。

附图说明

图1是本发明所述的全自由度轨道模拟器结构的轴测投影图；

图2是本发明所述的一号滚振台结构的轴测投影图一；

图3是本发明所述的一号滚振台的下部振动平台总成的轴测投影图；

图4是本发明所述的一号滚振台结构的左视图；

图5是本发明所述的一号滚振台结构中所采用的调距平板基座轴侧图；

图6是本发明所述的全自由度轨道模拟器结构的俯视图；

图7是本发明所述的全自由度轨道模拟器结构的左视图；

图8是本发明所述的一号滚振台结构的轴测投影图二；

图9是本发明所述的全自由度轨道模拟器进行弯道模拟时的运动原理图；

图10是本发明所述的一号滚振台、二号滚振台、三号滚振台以及四号滚振台的振动装置组成的4-4dof振动台总成的轴测投影图；

图中，A.一号滚振台，B.二号滚振台，C.三号滚振台，D.四号滚振台，1.下部四自由度振动台，2.上部滚动装置，3.外侧驱动装置，4.垂向作动器，5.基础平台，6.轴距可调平台，7.轨距可调平台，8.一号横向作动器，9.二号横向作动器，10.纵向作动器，11.L型挡板，12.轴承增高支座，13.滚轮轴，14.轴承，15.滚轮，16.万向联轴器，17.法兰，18.减速器，19.可调速电机，20.调距平板基座，21.电机支座，22.减速器支座，23.底部支撑平板，24.中间纵向滑板，25.上部横向滑板，26.地脚螺栓

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1、图6和图7，所述的全自由度轨道模拟器，其主要包括结构相同的4个四自由度滚振台，分别为一号滚振台A、二号滚振台B、三号滚振台C和四号滚振台D，所述的一号滚振台A与二号滚振台B以及三号滚振台C与四号滚振台D沿y轴方向对称地布置；二号滚振台B与三号滚振台C以及一号滚振台A与四号滚振台D沿x轴方向对称地布置。

参阅图2，所述的一号滚振台A或二号滚振台B或三号滚振台C或四号滚振台D由下部四自由度振动台1、上部滚动装置2以及外侧驱动装置3组成；所述的下部四自由度振动台1垂直固定安装在地基上，上部滚动装置2通过螺栓安装在轨距可调平台7上平面的T型槽上，外侧驱动装置3输出端通过万向联轴器16与上部滚动装置2的滚轮轴13连接，外侧驱动装置3下部则由调距平板基座20上的地脚螺栓26固定安装在支撑地基上。

参阅图3，所述的下部四自由度振动台1主要包括四个垂向作动器4、基础平台5、轴距可调平台6、轨距可调平台7、一号横向作动器8、二号横向作动器9以及纵向作动器10；所述的四个垂向作动器4一端分别球铰接于基础平台5下平面的四个角上，另一端垂直固定在水平地基上，一号横向作动器8一端沿x轴方向球铰接于基础平台5侧平面的中间位置，另一端水平固定在竖向地基上；所述的轴距可调平台6通过其下平面上的T型凸台配合安装在基础平台5上的T型槽内，并由安装在其外侧沿y轴方向布置的纵向作动器10调节纵向位移，最后利用L型挡板11及螺栓固定其位置；所述的轨距可调平台7通过其下平面上的T型凸台配合安装在基础平台5上的T型槽内，并由安装在其外侧沿x轴方向布置的二号横向作动器9调节横向位移，最后利用L型挡板11及螺栓固定其位置。所述的垂向作动器4和一号横向作动器8的主要作用是使基础平台5进行四自由度的运动，所述的纵向作动器10的主要作用是在模拟试验之前使轴距可调平台6进行纵向位置的移动，以实现轴距的调整；所述的二号横向作动器9的主要作用是在模拟试验之前使轨距可调平台7进行横向位置的移动，以实现轨距的调整。

参阅图2和图4，所述的上部滚动装置2主要包括滚轮15、滚轮轴13、轴承14和轴承增高支座12；所述的滚轮15采用键联接压配安装在滚轮轴13上，并由两侧的轴承14和轴承增高支座12支撑起来，可随滚轮轴13一起转动；所述的轴承增高支座12通过螺栓固装在轨距可调平台7上平面的T型槽上，由此保证滚轮15随下部四自由度振动台1实现垂向、横向以及倾斜运动。所述的外侧驱动装置3包括可调速电机19、减速器18、调距平板基座20和万向联轴器16；所述的可调速电机19的底端由螺栓固定在电机支座21上，电机支座21又由螺栓固定安装在调距平板基座20上的T型槽内；所述的减速器18下端由螺栓固定在减速器支座22上，减速器支座22又由螺栓固定安装在调距平板基座20上的T型槽内；所述的可调速电机19的输出轴端通过法兰17与减速器18的输入端连接，减速器18的输出轴端通过法兰17与万向联轴器16的一端连接，万向联轴器16的另一端与滚轮轴13通过法兰17连接，从而保证了可调速电机19输出动力的有效传递，以驱动滚轮15的转动；所述的万向联轴器16安装时与滚轮轴13处于同一轴线上，其作用是在不影响滚轮装置2振动的前提下，保证外侧驱动装置3的输出动力能够进行有效地输出，使滚轮15转动。

参阅图2和图5，所述的调距平板基座20主要由底部支撑平板23，中间纵向滑板24，上部横向滑板25组成。所述的底部支撑平板23四个角由地脚螺栓26固定在支撑地基上，中间纵向滑板24下平面上的T型凸台配合安装在底部支撑平板23上平面的T型槽内并可以在x轴方向上移动，上部横向滑板25下平面上的T型凸台配合安装在中间纵向滑板24上平面的T型槽内并可以在y轴方向上移动，底部支撑平板23和中间纵向滑板24的位置按要求通过两侧的L型挡板11及螺栓固定；所述的调距平板基座20的作用是使外侧驱动装置3能够随轴距可调平台6以及轨距可调平台7的调整从而进行横向和纵向的位置移动。

全自由度模拟器的工作原理：

参阅图3、图4和图8，所述的一号滚振台A或二号滚振台B或三号滚振台C或四号滚振台D通过上部滚动装置2以及外侧驱动装置3使滚轮15转动，从而模拟轨道列车前进时轨道的无限延伸；下部四自由度振动台1不仅可以使滚轮进行四自由度运动，即沿x轴的移动、沿z轴的移动、绕x轴的转动以及绕y轴的转动，还可以调节轨道车辆的轴距和轨距，每次调整之前，轴距可调平台6以及轨距可调平台7要及时回位(回到中间位置)，并且要先调节轨距，然后再调节轴距。

参阅图9和图10，所述的全自由度轨道模拟器进行弯道动态模拟时，设车轮与滚轮的接触区间为一个线段单位，则弯道就可以看成是由无数个线段单位组成的曲线，因此，在滚轮转动状态下，通过控制一号滚振台A、二号滚振台B、三号滚振台C以及四号滚振台D的四个横向作动器的横向位移速度就可以实现轨道的弯道模拟。

参阅图6、图7和图10，由一号滚振台A、二号滚振台B、三号滚振台C以及四号滚振台D组成的全自由度轨道模拟器利用4-4dof振动台总成可以模拟轨距、轨向、高低、水平、扭曲(三角坑)等轨道不平顺以及超高等轨道不同几何线型(坡度、弯道)的室内模拟。

因此，本发明所述的全自由度轨道模拟器不仅可以使滚轮模拟不断延伸的轨道，还实现了轨道各种不平顺以及几何线型(坡度、弯道)的室内模拟，由于模拟轨道更接近真实情况，因此也大大提高了试验结果的精确度。

Claims (6)

1.全自由度轨道模拟器，其特征在于所述的全自由度轨道模拟器，其主要包括结构相同的4个四自由度滚振台，分别为一号滚振台(A)、二号滚振台(B)、三号滚振台(C)和四号滚振台(D)，所述的一号滚振台(A)与二号滚振台(B)以及三号滚振台(C)与四号滚振台(D)沿y轴方向对称地布置；二号滚振台(B)与三号滚振台(C)以及一号滚振台(A)与四号滚振台(D)沿x轴方向对称地布置；所述的一号滚振台(A)或二号滚振台(B)或三号滚振台(C)或四号滚振台(D)由下部四自由度振动台(1)、上部滚动装置(2)以及外侧驱动装置(3)组成；所述的下部四自由度振动台(1)垂直固定安装在地基上，上部滚动装置(2)通过螺栓安装在轨距可调平台(7)上平面的T型槽上，外侧驱动装置(3)输出端通过万向联轴器(16)与上部滚动装置(2)的滚轮轴(13)连接，外侧驱动装置(3)下部则由调距平板基座(20)上的地脚螺栓(26)固定安装在支撑地基上。

2.按照权利要求1所述的全自由度轨道模拟器，其特征在于所述的下部四自由度振动台(1)主要包括四个垂向作动器(4)、基础平台(5)、轴距可调平台(6)、轨距可调平台(7)、一号横向作动器(8)、二号横向作动器(9)以及纵向作动器(10)，所述的四个垂向作动器(4)一端分别球铰接于基础平台(5)下平面的四个角上，另一端垂直固定在水平地基上，一号横向作动器(8)一端沿x轴方向球铰接于基础平台(5)侧平面的中间位置，另一端水平固定在竖向地基上；所述的轴距可调平台(6)通过其下平面上的T型凸台配合安装在基础平台(5)上的T型槽内，并由安装在其外侧沿y轴方向布置的纵向作动器(10)调节纵向位移，最后利用L型挡板(11)及螺栓固定其位置；所述的轨距可调平台(7)通过其下平面上的T型凸台配合安装在基础平台(5)上的T型槽内，并由安装在其外侧沿x轴方向布置的二号横向作动器(9)调节横向位移，最后利用L型挡板(11)及螺栓固定其位置。

3.按照权利要求2所述的全自由度轨道模拟器，其特征在于所述的垂向作动器(4)和一号横向作动器(8)的主要作用是使基础平台(5)进行四自由度的运动，所述的纵向作动器(10)的主要作用是在模拟试验之前使轴距可调平台(6)进行纵向位置的移动，以实现轴距的调整；所述的二号横向作动器(9)的主要作用是在模拟试验之前使轨距可调平台(7)进行横向位置的移动，以实现轨距的调整。

4.按照权利要求1所述的全自由度轨道模拟器，其特征在于所述的上部滚动装置(2)主要包括滚轮(15)、滚轮轴(13)、轴承(14)和轴承增高支座(12)；所述的滚轮(15)采用键联接压配安装在滚轮轴(13)上，并由两侧的轴承(14)和轴承增高支座(12)支撑起来，可随滚轮轴(13)一起转动；所述的轴承增高支座(12)通过螺栓固装在轨距可调平台(7)上平面的T型槽上，由此保证滚轮(15)随下部四自由度振动台(1)实现垂向、横向以及倾斜运动。

5.按照权利要求1所述的全自由度轨道模拟器，其特征在于所述的外侧驱动装置(3)包括可调速电机(19)、减速器(18)、调距平板基座(20)和万向联轴器(16)；所述的可调速电机(19)的底端由螺栓固定在电机支座(21)上，电机支座(21)又由螺栓固定安装在调距平板基座(20)上的T型槽内；所述的减速器(18)通过箱体下端的联接螺栓固定在减速器支座(22)上，减速器支座(22)又由螺栓固定安装在调距平板基座(20)上的T型槽内；所述的可调速电机(19)的输出轴端通过法兰(17)与减速器(18)的输入轴连接，减速器(18)的输出轴端通过法兰(17)与万向联轴器(16)的一端连接，万向联轴器(16)的另一端与滚轮轴(13)通过法兰(17)连接，从而保证了可调速电机(19)输出动力的有效传递，以驱动滚轮(15)的转动；所述的万向联轴器(16)安装时与滚轮轴(13)处于同一轴线上，其作用是在不影响上部滚轮装置(2)振动的前提下，保证外侧驱动装置(3)的输出动力能够进行有效地输出，使滚轮(15)转动。

6.按照权利要求1所述的全自由度轨道模拟器，其特征在于所述的调距平板基座(20)主要由底部支撑平板(23)，中间纵向滑板(24)，上部横向滑板(25)组成；所述的底部支撑平板(23)四个角由地脚螺栓(26)固定在支撑地基上，中间纵向滑板(24)下平面上的T型凸台配合安装在底部支撑平板(23)上平面的T型槽内并可以在x轴方向上移动，上部横向滑板(25)下平面上的T型凸台配合安装在中间纵向滑板(24)上平面的T型槽内并可以在y轴方向上移动，底部支撑平板(23)和中间纵向滑板(24)的位置按要求通过两侧的L型挡板(11)及螺栓固定；所述的调距平板基座(20)的作用是使外侧驱动装置(3)能够随轴距可调平台(6)以及轨距可调平台(7)的调整进行横向和纵向的位置移动。