CN107796589B - 电控可调式高铁路况模拟风洞实验台 - Google Patents

Abstract

本发明电控可调式高铁路况模拟风洞实验台，该实验台包括固定架、纵向支撑轴、球轴承、滑块、转轴、倾斜电动推杆、转弯电动推杆和转盘、支架凸台、刚性杆和风洞底面；固定架采用桁架结构，固定架的上部安装在风洞底面的外表面，风洞底面内表面安装列车模型，固定架的下部安装在纵向支撑轴的上端；纵向支撑轴的上部套接有球轴承，纵向支撑轴的上部与球轴承间隙配合，球轴承的外部为具有螺纹侧面的凸台结构，该球轴承的下端穿入支架凸台，与支架凸台通过螺纹配合方式固定在一起，支架凸台下端固定在地面上。该实验台能通过电控的方式对实验台上的列车实现精确稳定的控制，并减少对风洞流场的干扰，主要用于在风洞中模拟高铁运行时的不同种工况。

Description

电控可调式高铁路况模拟风洞实验台

技术领域

本发明涉及电控可调式高铁路况模拟风洞实验台，主要用于高速列车风洞试验中高速列车在风洞中实现实际运行工况的模拟。

背景技术

高铁与普通铁路运输相比有着巨大的速度优势，随着高铁技术的日益成熟，在未来的铁路运输乃至整个运输行业中都将占有极重的份额。而与普通铁路运输相比，高铁随着速度的提高，产生的噪声污染也远大于普通铁路运输。尤其是运行时的气动噪声，是降低高铁噪声污染的重要技术难题。

现有的主流风洞实验装置主要是专利CN 104568371 A中所使用的抬高装置。其主要结构是四根可变长度的立柱支撑实验模型，并实现路况的模拟，其主要用于汽车行业。高铁模型的风洞模拟实验环境需要0.3～0.4马赫(350km/h～500km/h)的气流，其风洞空气流速远大于汽车行业的要求。使用该抬高装置进行高铁风洞模拟的话，抬高装置中的四根立柱会对风洞流场产生较大扰流，对气动噪声的分析产生较大的误差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电控可调式高铁路况模拟风洞实验台。本发明能通过电控的方式对实验台上的列车实现精确稳定的控制，并减少对风洞流场的干扰，主要用于在风洞中模拟高铁运行时的不同种工况，并实现电控。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：提供一种电控可调式高铁路况模拟风洞实验台，其特征在于该实验台包括固定架、纵向支撑轴、球轴承、滑块、转轴、倾斜电动推杆、转弯电动推杆和转盘、支架凸台、刚性杆和风洞底面；固定架采用桁架结构，固定架的上部安装在风洞底面的外表面，风洞底面内表面安装列车模型，固定架的下部安装在纵向支撑轴的上端；纵向支撑轴的上部套接有球轴承，纵向支撑轴的上部与球轴承间隙配合，球轴承的外部为具有螺纹侧面的凸台结构，该球轴承的下端穿入支架凸台，与支架凸台通过螺纹配合方式固定在一起，支架凸台下端固定在地面上；位于球轴承下部的纵向支撑轴为方杆，所述滑块的内腔为与方杆相配合的形状，滑块能在方杆上自由移动；在纵向支撑轴的下方设有转盘，所述转盘套接在与地面固定的支架的转轴上，转盘能绕支架上的转轴旋转，在转盘的上表面上安装有两个倾斜电动推杆，两个倾斜电动推杆的自由端相互垂直，一个倾斜电动推杆的自由端与平行导轨相互平行，另一个倾斜电动推杆的自由端与平行导轨相互垂直；两个倾斜电动推杆的自由端分别通过一个刚性杆与滑块相连接，两个刚性杆与两个倾斜电动推杆及滑块的连接处均为铰接，即两个刚性杆的连接处均能转动，且两个刚性杆的传动方向相互垂直；所述转弯电动推杆安装在与地面固定的支架上，且转弯电动推杆与转盘的外侧面相接触，能推动转盘转动；两个倾斜电动推杆、转弯电动推杆均能根据输入电流的规律改变自由端的伸缩位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在高速流场中，降低了因实验工况变化而产生的对流场的干扰；与高铁实际路况变化更加适合，并可减小因控制系统、原动件产生的系统误差。

由于高铁模拟路况的左右转弯角度远远小于汽车行驶中上下坡道左右转弯的角度，本发明将运动件结构置于风洞外部，风洞内部仅有安装高铁模型，最大程度上降低了非实验结构对流场的干扰，使气动噪声分析更为精确。

本发明结构简单,安装维护方便,操作简单,效率高,适用于多种不同的高铁模型,可以根据实际情况调节车底和模拟地面之间的距离以及高铁模型的水平度,可以调节高铁模型与来流方向的夹角，还可以模拟高铁在各种路况下的形态，电控实现高铁模型在风洞中的上下坡左右转弯路况的模拟集于一身，装置成本低廉，可控精度高。

附图说明

图1为本发明电控可调式高铁路况模拟风洞实验台的机械运动原理图。

图2为本发明电控可调式高铁路况模拟风洞实验台一种实施例的整体结构示意图；

图3(a)为本发明电控可调式高铁路况模拟风洞实验台一种实施例的固定架的主视结构示意图；

图3(b)为本发明电控可调式高铁路况模拟风洞实验台一种实施例的固定架的俯视结构示意图；

图4(a)为本发明中所述球轴承3的俯视结构示意图；

图4(b)为图4(a)中A-A面的剖视结构示意图；

图5(a)为本发明中纵向支撑轴2的俯视结构示意图；

图5(b)为本发明中纵向支撑轴2的主视结构示意图；

图6(a)为本发明中滑块4的俯视结构示意图；

图6(b)为本发明中滑块4的主视结构示意图；

图7为本发明等效的杠杆结构示意图；

图中，1.固定架、2.纵向支撑轴、3.球轴承、4.滑块、5.转轴、6.倾斜电动推杆、7.转弯电动推杆、8.转盘、9.支架凸台、10.刚性杆、11.风洞底面，301.外壳、302.内芯。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明电控可调式高铁路况模拟风洞实验台主要是用于研究高铁气动噪声，不包含轮轨噪声等部分。

本发明电控可调式高铁路况模拟风洞实验台(简称实验台，参见图2)包括固定架1、纵向支撑轴2、球轴承3、滑块4、转轴5、倾斜电动推杆6、转弯电动推杆7、转盘8、支架凸台9、刚性杆10、风洞底面11；固定架采用桁架结构(参见图3(a)和图3(b))，具有较高的强度和较小的体积，固定架1的安装在风洞底面11的外部，下部安装在纵向支撑轴2的上端，高铁模型安装在风洞底面的内部，风洞底面与风洞密封安装；纵向支撑轴2的上部套接有球轴承3，纵向支撑轴2的上部与球轴承间隙配合，球轴承的外部为具有螺纹侧面的凸台结构，球轴承的下端穿入支架凸台，与支架凸台9通过螺纹配合方式固定在一起，支架凸台下端固定在地面上；位于球轴承下部的纵向支撑轴为方杆，所述滑块4的内腔为与方杆相配合的形状，滑块4能在方杆上自由移动；在纵向支撑轴2的下方设有转盘8，所述转盘8套接在与地面固定的支架的转轴上，转盘可绕支架上的转轴旋转，在转盘8的上表面上安装有两个倾斜电动推杆6，两个倾斜电动推杆6的自由端相互垂直，一个倾斜电动推杆的自由端与平行导轨相互平行，另一个倾斜电动推杆的自由端与平行导轨相互垂直；两个倾斜电动推杆的自由端分别通过一个刚性杆10与滑块4相连接，两个刚性杆与两个倾斜电动推杆及滑块的连接处均为铰接，即两个刚性杆的连接处均能转动，且两个刚性杆的传动方向相互垂直；所述转弯电动推杆7安装在与地面固定的支架上，且转弯电动推杆与转盘8的外侧面相接触，能推动转盘转动；两个倾斜电动推杆6、转弯电动推杆7均能根据输入电流的规律改变自由端的伸缩位移。

通过控制两个倾斜电动推杆6的电流输入规律，改变倾斜电动推杆自由端的位移，进而带动纵向支撑轴2绕球轴承3的转动，带动风洞底面11转动，从而实现风洞底面11上固定的高铁模型的前后倾斜、左右倾斜；通过控制转弯电动推杆7的电流输入规律，使转弯电动推杆自由端推动转盘8绕转轴的转动，实现高铁模型的转弯路况模拟。

所述固定架1由多个杆件构成，多个杆件按照三角形的方式布置在风洞底面及纵向支撑轴之间，且多个杆件沿转动中心线呈对称的布置，提高系统的稳定性。固定架1上面安装的风洞底面11需要特殊密封，在小角度转动后仍能保证风洞密封性。

所述球轴承3(参见图4(a)和图4(b))包括内芯302和外壳301两个部分，在竖直方向上，内芯内表面是圆柱面，外表面是球面，外壳的内表面是球面，外表面是带螺纹的圆柱面；内芯的圆柱面与纵向支撑轴2配合，内芯的球面与外壳301的球面配合；球轴承3的外壳的上表面是一个中空的螺帽结构，保证球轴承3在支架凸台9上安装时竖直方向上的定位。

所述纵向支撑轴2(参见图5(a)和图5(b))自上至下包括螺帽结构、圆柱直杆和正四棱柱三部分，且三部分依次连接，上部的螺帽结构，保证在穿过球轴承3时竖直方向上的定位，同时为固定架提供安装部位；中部的圆柱直杆，与球轴承3内芯的内表面配合；下部的正四棱柱与滑块4配合，且正四棱柱的外接圆直径与圆柱直杆的内径一致，便于加工，整个纵向支撑轴采用中空结构，减小机构质量。

所述滑块4(参见图6(a)和图6(b))为中空的四棱柱，滑块的内部形状尺寸与纵向支撑轴的正四棱柱相配合，套在纵向支撑轴2的正四棱柱上，且能在其上上下滑动；滑块外表面在相互垂直的两个方向上分别与两个刚性杆10铰接。

平行导轨的前后倾斜的角度为0～5°，左右倾斜角度为0～20°，转向角度为0～5°。

图1是整个结构中实现模型左右倾斜、前后倾斜的运动机构简图。原动件为倾斜电动推杆6，电控信号输入后输出相应的运动规律，该运动规律经刚性杆传递给滑块4，滑块4沿着纵向支撑轴2的下部滑动同时带动纵向支撑轴2绕球轴承3中心转动，纵向支撑轴2上端安装的固定架1也以较小的转动弧度绕球轴承3中心转动。从而实现固定架1及其上面安装的列车模型实现前后倾斜、左右倾斜。

本发明实验台在使用时，高铁模型通过螺栓固定于风洞底面11上，风洞底面11通过螺栓与固定架1固定，球轴承外表面的螺纹和支架凸台连接，通过控制两个位置相互垂直的电动推杆的输入电流实现挺杆自由端长度的变化，经刚性杆10、纵向支撑轴2、球轴承3组成的摆杆滑块机构将长度变化转变成列车绕球轴承角度变化，从而实现列车在风洞内侧倾、前后倾，实现列车模拟上下坡路况、车身左右倾路况；通过控制转弯电动推杆的自由端伸缩，推动转盘绕转轴转动，实现列车转弯路况。本发明将运动件结构置于风洞外部，风洞内部仅有安装高铁模型，尽量减小了空气正向来流方向上的装置面积，因高铁路况较简单，固定架转动角度小，尤其是前后倾斜的角度为0～5°，转向角度为0～5°，左右倾斜角度为0～20°，角度变化较小，便于风洞底面11的特殊密封，减少了实验台对风洞来流气体的扰流。

本发明实验台的电控原理是：通过控制原动件倾斜电动推杆6的输入电流控制倾斜电动推杆的自由端的位移运动规律，该运动规律经刚性杆10、滑块4、纵向支撑轴2、球轴承3、固定架1组成的滑块摆杆机构后变成绕球轴承3的转动，实现高铁模型的前后左右倾斜，实现模拟上下坡路况的电控。通过控制原动件转弯电动推杆7的输入电流控制转向电动推杆的自由端的位移运动规律，该运动规律经转盘8、滑块4、纵向支撑轴2、球轴承3、固定架1实现纵向支撑轴沿轴心的旋转，实现高铁模型转弯路况模拟的电控。本发明中的电控是指通过改变简单的电信号实现实验工况的改变，能方便地改变高铁在风洞实验时的不同模拟状态。

实施例1

本实施例高铁模型通过螺钉固定在风洞底面11上，风洞底面11固定在固定架1的两根平行导轨上，固定架1和纵向支撑轴2通过螺钉连接；球轴承3通过外表面的螺纹安装在风洞的下方；纵向支撑轴2穿过球轴承3内孔，基孔制间隙配合；滑块4与纵向支撑轴2下部嵌套，可沿纵向支撑轴上下滑动；滑块4与倾斜电动推杆6之间通过刚性杆10铰接；倾斜电动推杆6通过螺栓固定在转盘8上，转盘8套在转轴置于与地面固定的支架上，转盘可绕支架上的转轴旋转，支架通过地脚螺栓固定于地面。通过控制与固定架1平行的倾斜电动推杆6电流规律，当该倾斜电动推杆自由端伸长时固定架1和高铁模型向上倾斜，自由端缩短时高铁模型向下倾斜，从而实现对高铁上下坡路况的模拟；通过控制与固定架1垂直方向的倾斜电动推杆电流规律，该倾斜电动推杆自由端伸长时，固定架1和高铁模型向左倾斜，电动推杆自由端缩短时，高铁模型向右倾斜；通过控制转弯电动推杆7的电流输入规律，当该推杆自由端伸长时，固定架1和高铁模型以纵向支撑轴2为中心向左转，该推杆自由端缩短时，固定架1和高铁模型以纵向支撑轴2为中心向右转，实现高铁模型的转弯路况模拟。

验证本申请实验台的误差精度：假设原动件倾斜电动推杆6的输入电流规律为i0，电动推杆的输出运动规律为m0+e0，其中m0是理想情况下输出规律，e0是原动件产生的误差。经过刚性杆10、滑块4和纵向支撑轴2后，高铁模型的运动规律为m1＝b/a(m0+e0)+e1。其中e1是本发明结构产生的误差；其中b代表球轴承3旋转中心到固定架1的垂直长度，a代表电动推杆到球轴承3的垂直距离，通过设计使b<<a，所以本实施例将电动推杆产生的误差缩小了b/a。

本发明所采用的机械结构可以减小控制误差，实验结果更准确。本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种电控可调式高铁路况模拟风洞实验台，其特征在于该实验台包括固定架、纵向支撑轴、球轴承、滑块、转轴、倾斜电动推杆、转弯电动推杆和转盘、支架凸台、刚性杆和风洞底面；风洞底面固定在固定架的两根平行导轨上，固定架采用桁架结构，固定架的上部安装在风洞底面的外表面，风洞底面内表面安装列车模型，固定架的下部安装在纵向支撑轴的上端；纵向支撑轴的上部套接有球轴承，纵向支撑轴的上部与球轴承间隙配合，球轴承的外部为具有螺纹侧面的凸台结构，该球轴承的下端穿入支架凸台，与支架凸台通过螺纹配合方式固定在一起，支架凸台下端固定在地面上；位于球轴承下部的纵向支撑轴为方杆，所述滑块的内腔为与方杆相配合的形状，滑块能在方杆上自由移动；在纵向支撑轴的下方设有转盘，所述转盘套接在与地面固定的支架的转轴上，转盘能绕支架上的转轴旋转，在转盘的上表面上安装有两个倾斜电动推杆，两个倾斜电动推杆的自由端相互垂直，一个倾斜电动推杆的自由端与平行导轨相互平行，另一个倾斜电动推杆的自由端与平行导轨相互垂直；两个倾斜电动推杆的自由端分别通过一个刚性杆与滑块相连接，两个刚性杆与两个倾斜电动推杆及滑块的连接处均为铰接，即两个刚性杆的连接处均能转动，且两个刚性杆的传动方向相互垂直；所述转弯电动推杆安装在与地面固定的支架上，且转弯电动推杆与转盘的外侧面相接触，能推动转盘转动；两个倾斜电动推杆、转弯电动推杆均能根据输入电流的规律改变自由端的伸缩位移；

所述固定架由多个杆件构成，多个杆件按照三角形的方式布置在平行导轨及纵向支撑轴之间，且多个杆件沿转动中心线呈对称的布置；

所述球轴承包括内芯和外壳两个部分，在竖直方向上，内芯内表面是圆柱面，外表面是球面，外壳的内表面是球面，外表面是带螺纹的圆柱面；内芯的圆柱面与纵向支撑轴配合，内芯的球面与外壳的球面配合；球轴承的外壳的上表面是一个中空的螺帽结构。

2.根据权利要求1所述的电控可调式高铁路况模拟风洞实验台，其特征在于所述纵向支撑轴自上至下包括螺帽结构、圆柱直杆和正四棱柱三部分，且三部分依次连接，上部的螺帽结构，保证在穿过球轴承时竖直方向上的定位，同时为固定架提供安装部位；中部的圆柱直杆，与球轴承内芯的内表面配合；下部的正四棱柱的外接圆直径与圆柱直杆的内径一致。

3.根据权利要求2所述的电控可调式高铁路况模拟风洞实验台，其特征在于所述滑块为中空的四棱柱，滑块的内部形状尺寸与纵向支撑轴的正四棱柱相配合，套在纵向支撑轴的正四棱柱上，且能在其上上下滑动。

4.根据权利要求1所述的电控可调式高铁路况模拟风洞实验台，其特征在于平行导轨的前后倾斜角度为0～5°，左右倾斜角度为0～20°，转向角度为0～5°。