CN107860595A - 一种铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法 - Google Patents

一种铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法 Download PDF

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姜瑞金
刘伟渭
张良威
刘凤伟
徐力
徐勇
熊颉
殷盛福
黎凯平
胡喜斌
龙华乐
阳帆
陈东鑫
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Abstract

本发明涉及一种铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法，本方法针对车辆运行于实际曲线线路条件下，综合考虑车辆自身受力和轨道变化特征，提出了一种试验台曲线模拟方法。考虑车辆运行时所受的离心力作用、线路超高、轨道内外轨长度差、轨道自身圆曲线特征下，通过对试验台滚振轮设置轮速差、把滚振轮设置于切线位置、设置滚轮超高角、车体重心位置施加离心力，实现车辆曲线通过试验的模拟。该方法可以有效的模拟车辆曲线运行下的轮轨间接触点位移变化、轮对摇头角等接触特征，以及轮轨横向力、脱轨系数、磨耗功特征。同时，也能模拟出车辆运行时轨道的横向、垂向、弯曲及轨距变化带来的全方位、多自由度的所有不平顺工况，分析数据可靠、准确。

Description

一种铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法
技术领域
本发明涉及机械领域，尤其是涉及一种铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法。
背景技术
列车运行中的曲线通过性能是直接影响车辆运行质量的最重要因素，车辆具有良好的曲线通过性能意味着在通过曲线时轮轨间的作用力较小，这既提高了车辆的抗脱轨安全性能，又减小了对轨道的作用力和轮轨磨耗，延长了轨道的使用寿命。因此，对车辆曲线通过性能进行试验非常重要和必要。
目前，在铁道车辆曲线通过试验研究中主要采用以下几种方法:一种是在实际轨道上作线路运行试验；一种是在环形轨道上作线路运行试验；一种是在实验室里建造定置试验台。
采用实际线路试验方式，缺点在于：通过在钢轨上布置应变片而成为测力钢轨，需要布置大量的应变片；成为试验段的测力钢轨其线路曲线半径已固定，车辆运行于该试验段的速度不变，测试工况单一，不能进行多速度多曲线半径试验。
采用环形轨道方式，缺点在于：需要修建试验线路，要占用很大的场地，并且对运行中的列车的某些动态参数测试很不方便，甚至无法进行。
采用试验台的方式，则占用场地少，且能动态地、变化地模拟列车以不同的速度运行在不同的曲线，另外由于事先已在试验台上加装测力滚轮等设备，所以对于不同试验车辆可以方便快捷的进行测试。但现有的定置试验台，主要是针对车辆直线线路运行工况的模拟，少数试验台附带具有曲线线路模拟功能，并且也只考虑了曲线超高不足和曲线内外轨长度差，但这与实际的轮轨接触关系相差较大，并且在试验开始的未平衡阶段到平衡阶段的冲击很大，同时轮轨冲角明显偏小，这些均使得试验结果并不理想。因此，本发明综合考虑车辆线路曲线通过的影响因素，实现轨道车辆的滚振试验台曲线模拟。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种铁道车辆滚振试验台曲线模拟的试验方法，该方法通过试验台对车辆运行于实际线路圆曲线时所受的离心力作用、线路超高、轨道内外轨长度差、轨道自身圆曲线特征的模拟，实现曲线通过的模拟。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法，其特征在于，包含如下的步骤：
步骤1、根据曲线半径，调整左右滚轮的转速，模拟曲线上内外轨的长度差，具体是：
车辆通过一定半径的曲线线路时线路外轨长于内轨，滚动台调整滚振轮转动速度，使两侧滚振轮出现速度差，这样在相同的时间内左右车轮滚动过的距离不同，即可以模拟曲线上内、外轨长度的不同；
若曲线为右弯曲，曲线半径为R，轨距为2l，车轮通过曲线速度V，外侧车轮速度Vl，内侧车轮速度Vr，左侧轨道滚动轮角速度ωl，右侧轨道滚动轮角速度ωr，滚振轮半径r；车辆通过曲线时处于径向位置的左右车轮平移速度为：
则左右滚振轮角速度为：
其中，R为曲线半径，2l为轨距，V为车轮通过曲线速度，Vl为外侧车轮线速度，Vr为内侧车轮线速度，ωl为左侧轨道滚动轮角速度，ωr为右侧轨道滚动轮角速度，r为滚振轮半径；
步骤2、根据曲线半径，把滚轮设置在曲线切线方向，模拟被试车在相应曲线，具体方法是：
车辆通过一定半径的曲线线路时，车轮沿着曲线的切线方向运行，根据曲线半径，把滚轮设置在曲线切线方向，模拟被试车辆运行在相应曲线切线方向上；滚轮模拟曲线线路位置示意图和几何图如图2、图3所示；
O点是半径为R的曲线圆心，将车体中心F与O处于同一垂线上，则四位轮对与轨道切线夹角为∠COF＝θ4，三位轮对与轨道切线夹角为∠BOF＝θ3，二位轮对与轨道切线夹角为-θ3，一位轮对与轨道切线夹角为-θ4；
车辆定距为Lc，转向架轴距为d，AB＝a为初始位置三、四位滚轮间距，线路曲线半径OC＝OB＝R，BF＝Lc/2-d/2为车辆中心到三位轮对中心间距；做辅助线OE⊥BC，CG⊥AB，那么∠BOC＝2∠COE＝2β，∠ABC＝θ3+β；于是，
θ4＝θ3+2β(7)
其中，θ4＝θ3+2β，Lc为车辆定距，d转向架轴距；
步骤3、根据曲线半径，调整滚轮纵横向位移，使轮轴中心位于曲线线路中心，具体方法是：
把滚轮设置于线路切线方向时，此时的轮轴中心并未与线路中心重合，而是存在有一个横向和纵向距离，既|AG|、|CG|，根据图3:
四位轮对纵向位移|CG|为：
四位轮对横向位移|AG|为：
步骤4、在车体重心位置施加离心力，调整滚轮侧滚角度以模拟线路实际超高，随机选择以下模拟方法：
模拟方法一：通过滚轮倾斜产生超高角来模拟实际超高大小，并在车体重心位置施加作用力来模拟离心力，如式10、11所示：
离心力为:
超高角为：
其中，车辆质量为M，运行速度v，曲线半径为R，轨距为2l，超高为h；
模拟方法二：通过在车体重心位置施加作用力来模拟实际超高引起的重力分力与离心力的合力，如式12所示：
由超高不足引起的横向力H(未平衡的离心力)为：
超高分力S＝Mgθ0，方向指向曲线内侧，离心力方向指向曲线外侧：
模拟方法三：通过滚轮倾斜产生欠超高角或过超高角来模拟实际超高引起的重力分力与离心力的合力，如式13、14所示：
欠超高角为：
过超高角为：
因此，本发明具有如下优点：可以有效的模拟车辆曲线运行下的轮轨间接触点位移变化、轮对摇头角等接触特征，以及轮轨横向力、脱轨系数、磨耗功特征。同时，也能模拟出车辆运行时轨道的横向、垂向、弯曲及轨距变化带来的全方位、多自由度的所有不平顺工况，从而为整车滚振曲线动态性能测试提供一个更真实、良好的试验环境，使分析数据可靠、准确。
附图说明
图1为滚振试验台滚轮模拟曲线线路位置示意图，虚线滚轮表示模拟直线工况下蛇行稳定性、运行平稳性的初始位置，实线滚轮表示模拟曲线工况下的滚轮位置。
图2为滚振试验台滚轮模拟曲线线路位置示意图的几何关系图。
图3为车辆通过实际曲线线路示意图。
图4为车辆通过滚振试验台模拟曲线线路示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
下面结合实例对本发明做进一步的详细说明。
一种铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法，其步骤为：
A、曲线内外轨长度差模拟
车辆通过一定半径的曲线线路时线路外轨长于内轨，滚动台调整滚振轮转动速度，使两侧滚振轮出现速度差，这样在相同的时间内左右车轮滚动过的距离不同，即可以模拟曲线上内、外轨长度的不同。
若曲线为右弯曲，曲线半径为R，轨距为2l，车轮通过曲线速度V，外侧车轮速度Vl，内侧车轮速度Vr，左侧轨道滚动轮角速度ωl，右侧轨道滚动轮角速度ωr，滚振轮半径r。车辆通过曲线时处于径向位置的左右车轮平移速度为：
则左右滚振轮角速度为：
B、曲线切线方向运行模拟
车辆通过一定半径的曲线线路时，车轮沿着曲线的切线方向运行，根据曲线半径，把滚轮设置在曲线切线方向，模拟被试车辆运行在相应曲线切线方向上。滚轮模拟曲线线路位置示意图和几何图如图2、图3所示。
O点是半径为R的曲线圆心，将车体中心F与O处于同一垂线上，则四位轮对与轨道切线夹角为∠COF＝θ4，三位轮对与轨道切线夹角为∠BOF＝θ3，二位轮对与轨道切线夹角为-θ3，一位轮对与轨道切线夹角为-θ4。
车辆定距为Lc，转向架轴距为d，AB＝a为初始位置三、四位滚轮间距，线路曲线半径OC＝OB＝R，BF＝Lc/2-d/2为车辆中心到三位轮对中心间距。做辅助线OE⊥BC，CG⊥AB，那么∠BOC＝2∠COE＝2β，∠ABC＝θ3+β。于是，
θ4＝θ3+2β(21)
C、设置滚轮纵向、横向位移
把滚轮设置于线路切线方向时，此时的轮轴中心并未与线路中心重合，而是存在有一个横向和纵向距离，既|AG|、|CG|，根据图3:
四位轮对纵向位移|CG|为：
四位轮对横向位移|AG|为：
D、离心力和超高模拟
车辆曲线线路运行时受到离心力作用，实际线路中通过设置超高来平衡离心力，但离心力与线路超高产生的重力分力往往不能完全平衡。当运行速度较大时，车体离心力大于超高分力而发生欠超高，此时轮对与车体将向外侧移动。因为滚振试验是在定置试验台上进行，即车不动而“轨道”动，轮对由滚轮带动模拟车辆的前行，所以无法实现车辆通过曲线时产生的离心力。车辆通过实际曲线线路示意图如图3所示，滚振试验台模拟车辆曲线线路运行如图4所示。
此时可通过以下方法来模拟离心力和超高：
方法一：通过滚轮倾斜产生超高角来模拟实际超高大小，并在车体重心位置施加作用力来模拟离心力，如式10、11所示；
方法二：通过在车体重心位置施加作用力来模拟实际超高引起的重力分力与离心力的合力，如式12所示；
方法三：通过滚轮倾斜产生欠超高角或过超高角来模拟实际超高引起的重力分力与离心力的合力，如式13、14所示；
车辆质量为M，运行速度v，曲线半径为R，轨距为2l，超高为h。则离心力为:
超高角为：
超高分力S＝Mgθ0，方向指向曲线内侧，离心力方向指向曲线外侧。则由超高不足引起的横向力H(未平衡的离心力)为：
欠超高角为：
过超高角为：
通过运用该滚振试验台曲线试验方法，对某型铁路货运车辆进行了模拟。滚振轮直径为1.5m，曲线半径分别为300m、600m、800m、1500m，车辆运行速度40km/h-160km/h,轨道激扰为美国四级谱、五级谱。分析结果表明，与车辆实际曲线线路工况运行条件下的轮轨间接触点位移变化、轮对摇头角接触特征，以及轮轨横向力、脱轨系数、磨耗功特征均具有较好的一致性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法，其特征在于，包含如下的步骤：
步骤1、根据曲线半径，调整左右滚轮的转速，模拟曲线上内外轨的长度差，具体是：
车辆通过一定半径的曲线线路时线路外轨长于内轨，滚动台调整滚振轮转动速度，使两侧滚振轮出现速度差，这样在相同的时间内左右车轮滚动过的距离不同，即可以模拟曲线上内、外轨长度的不同；
若曲线为右弯曲，曲线半径为R，轨距为2l，车轮通过曲线速度V，外侧车轮速度Vl，内侧车轮速度Vr，左侧轨道滚动轮角速度ωl，右侧轨道滚动轮角速度ωr，滚振轮半径r；车辆通过曲线时处于径向位置的左右车轮平移速度为：
<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>R</mi> </mfrac> <mi>V</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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则左右滚振轮角速度为：
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其中，R为曲线半径，2l为轨距，V为车轮通过曲线速度，Vl为外侧车轮线速度，Vr为内侧车轮线速度，ωl为左侧轨道滚动轮角速度，ωr为右侧轨道滚动轮角速度，r为滚振轮半径；
步骤2、根据曲线半径，把滚轮设置在曲线切线方向，模拟被试车在相应曲线，具体方法是：
车辆通过一定半径的曲线线路时，车轮沿着曲线的切线方向运行，根据曲线半径，把滚轮设置在曲线切线方向，模拟被试车辆运行在相应曲线切线方向上；
O点是半径为R的曲线圆心，将车体中心F与O处于同一垂线上，则四位轮对与轨道切线夹角为∠COF＝θ4，三位轮对与轨道切线夹角为∠BOF＝θ3，二位轮对与轨道切线夹角为-θ3，一位轮对与轨道切线夹角为-θ4；
车辆定距为Lc，转向架轴距为d，AB＝a为初始位置三、四位滚轮间距，线路曲线半径OC＝OB＝R，BF＝Lc/2-d/2为车辆中心到三位轮对中心间距；做辅助线OE⊥BC，CG⊥AB，那么∠BOC＝2∠COE＝2β，∠ABC＝θ3+β；于是，
<mrow> <msub> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>R</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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θ4＝θ3+2β (7)
其中，θ4＝θ3+2β，Lc为车辆定距，d转向架轴距；
步骤3、根据曲线半径，调整滚轮纵横向位移，使轮轴中心位于曲线线路中心，具体方法是：
把滚轮设置于线路切线方向时，此时的轮轴中心并未与线路中心重合，而是存在有一个横向和纵向距离，既|AG|、|CG|:
四位轮对纵向位移|CG|为：
<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>sin</mi> <mo>&amp;angle;</mo> <mi>A</mi> <mi>B</mi> <mi>C</mi> <mo>=</mo> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>C</mi> <mi>G</mi> </mrow> <mrow> <mi>C</mi> <mi>B</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>C</mi> <mi>G</mi> </mrow> <mi>d</mi> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>&amp;DoubleRightArrow;</mo> <mi>C</mi> <mi>G</mi> <mo>=</mo> <mi>d</mi> <mi> </mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
四位轮对横向位移|AG|为：
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步骤4、在车体重心位置施加离心力，调整滚轮侧滚角度以模拟线路实际超高，随机选择以下模拟方法：
模拟方法一：通过滚轮倾斜产生超高角来模拟实际超高大小，并在车体重心位置施加作用力来模拟离心力，如式10、式11所示：
离心力为:
<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>Mv</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mi>R</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>10</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
超高角为：
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其中，车辆质量为M，运行速度v，曲线半径为R，轨距为2l，超高为h；
模拟方法二：通过在车体重心位置施加作用力来模拟实际超高引起的重力分力与离心力的合力，如式12所示：
由超高不足引起的横向力H为：
<mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>Mv</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mi>R</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>Mg&amp;theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>12</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
超高分力S＝Mgθ0，方向指向曲线内侧，离心力方向指向曲线外侧：
模拟方法三：通过滚轮倾斜产生欠超高角或过超高角来模拟实际超高引起的重力分力与离心力的合力，如式13、14所示：
欠超高角为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msup> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mi>g</mi> <mi>R</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>13</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
过超高角为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <msup> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mi>g</mi> <mi>R</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>14</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
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