CN109060388A - 独立旋转车轮主动导向模型试验台 - Google Patents

独立旋转车轮主动导向模型试验台 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，包括：机架、曲率产生装置、曲率台架、超高台架、超高转轴组件、轨道轮组件和轨道轮驱动系统、垂直设置于曲率台架和超高台架之间的超高举升装置，固定于机架内部顶端的独立旋转车轮；曲率台架、超高台架都活动设置于机架内部、与机架前后左右四侧无连接，曲率台架和超高台架在水平面内一起转动，本试验台模拟了城市轨道车辆独立旋转车轮的实际工况，避免了在实际工况实验下花费成本高、实验场地不易满足的缺点，在实验台上不仅可模拟列车在不同半径曲线上车辆通过时的横移量大小，还可以搭配不同的控制策略使作动器的输出进行实时调整，满足多种情况下列车的安全运行。

Description

独立旋转车轮主动导向模型试验台
技术领域
本发明涉及城市轨道交通车辆导向试验技术领域，具体而言，涉及一种独立旋转车轮主动导向模型试验台。
背景技术
近年来采用100％低地板面的现代城市轨道交通正在得到大力发展。为了实现小半径曲线通过及低地板结构设计要求，大多采用独立轮对，即左右车轮可绕自身轴线独立转动，取代贯通的转动车轴，这样车辆的地板高度可小于车轮半径，但这种车辆的安全导向、磨耗与噪声一直是难题。
为了构建环境友好型城市轨道交通，避免独立旋转车轮过曲线时的轮缘与钢轨的接触，从事轨道交通领域的研究人员提出了不少的解决办法，如让车辆运行在特殊的槽型轨道上，设置轮缘润滑装置，加大车轮踏面的接触角差，设置专门的导向装置，设计新型的转向架以及主动导向技术等。其中，独立旋转车轮的主动导向技术是改善其导向问题的最有效的方法之一。
主动导向技术属于一系主动悬挂的范畴。通过在构架和轮对轴箱之间加装作动器，作动器受控制器的控制，而控制器接收来自检测设备的轮轨间的状态信息，如轮对的横移量、摇头角、轨道曲率、超高及左右车轮的转速差等信号，来计算作动器所需输出的主动控制力，以使轮对趋向轨道的径向位置。
为了验证独立旋转车轮主动导向技术的可行性，必须对其进行试验。机车车辆动力学试验分试验台试验和线路试验。线路试验存在着试验周期长、费用高、因素多、干扰线路运行等缺点，所以，试验台试验收到广泛重视。特别在日本、德国、美国及中国，都建立了整车1:1全尺寸试验台，并在机车车辆整车试验研究方面做了大量工作。但建造一座现代化的1:1全尺寸机车车辆试验台，不仅工程量巨大，而且研制费用和运行费用高，是一般研究机构、一般研究项目所难以承受的。所以采用缩小尺寸的小比例机车车辆试验台成为机车车辆动力学研究的可选择工具，几乎每一个铁路工业发达的国家都建造过这类小比例滚动试验台，这些国家包括英国、德国、美国、法国和日本等。在20世纪80年代初期，为开展铁路机车车辆研究，我国原铁道部部属高校也建有类似的小比例滚动试验台，用于机车车辆动力学，特别是机车车辆运动稳定性方面的研究。
综上，线路试验存在着试验周期长、费用高、因素多、干扰线路运行，而全尺寸机车车辆试验台，工程量巨大，研制费用和运行费用高，是一般研究机构、一般研究项目所难以承受的。
超高是指铁路曲线道轨上外轨与内轨的高度差。机车车辆在曲线上行驶时产生离心力，使外轨承受较大的压力，发生剧烈的侧面磨耗，并使旅客感觉不适，严重时甚至会造成倾覆事故。为此须将外轨抬髙到一定的程度，利用车体重力产生的向心分力(向心力)来平衡离心力。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种独立旋转车轮主动导向模型试验台。它能对1:5比例模型的独立旋转车轮进行主动导向控制试验，从而验证主动导向技术对独立旋转车轮的有效性，并用其试验数据指导全尺寸的独立旋转车轮在实际线路上的运行结果。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，包括：机架、底部固定在机架上的曲率产生装置、曲率产生装置上方固定连接的曲率台架、曲率台架上方的超高台架、连接于超高台架和曲率台架之间的超高转轴组件、固定于超高台架上的轨道轮组件和轨道轮驱动系统、垂直设置于曲率台架和超高台架之间的超高举升装置，固定于机架内部顶端的独立旋转车轮；
曲率台架、超高台架都活动设置于机架内部、与机架前后左右四侧无连接，曲率台架远离超高举升装置的一端与超高台架通过轴承座连接在一起，轴承座约束曲率台架和超高台架使二者在水平面内一起转动，曲率台架靠近超高举升装置的一端上部与超高台架之间不连接，从而使得超高举升装置作用于超高台架时超高台架能相对曲率台架转动一定角度，轨道轮组件用于模拟无限长的轨道；轨道轮驱动系统为轨道轮组件的转动提供驱动力，超高举升装置的下部固定连接曲率台架，超高举升装置的执行部件顶在超高台架的底部；
曲率产生装置的主体结构为一带外齿轮的转盘轴承和与其啮合的主动小齿轮组成的行星轮系，其中带外齿轮的转盘轴承为太阳轮，主动小齿轮为行星轮且为动力输入端；
超高转轴组件包括纵向设置于机架前后两侧之间的超高转轴，超高转轴的两端都安装有第一带座轴承和第二带座轴承，第一带座轴承固定连接到曲率台架上表面，第二带座轴承固定连接至超高台架下表面，使得超高台架与曲率台架之间能绕超高转轴相对转动；
独立旋转车轮的车轮通过滚动轴承安装在车轴上，车轴横向连接于机架的左右两端之间，在车轴的两端安装有主动导向作动器；
轨道轮组件包括轨道轮轴、穿套在轨道轮轴上的轨道轮、轨道轮两侧的轨道轮带座轴承。
在超高举升装置的作用下，可以完成超高台架倾斜一定角度，实现轨道超高的模拟。
在电机的驱动下，曲率产生装置上部的曲率台架、超高台架等所有部件一起随着转盘轴承转动，使轨道轮绕空间当中的Z轴转动一定角度，以模拟曲线轨道。
作为优选方式，超高台架上有左右两组轨道轮组件和轨道轮驱动系统，左右两组轨道轮组件分别由两组轨道轮驱动系统驱动，左右两组轨道轮组件按不同的转速转动，以模拟轨道在曲线位置时内外钢轨的弧长不同的工况。
作为优选方式，独立旋转车轮包括车轴、独立旋转车轮、主动导向作动器、弹簧组件、滑槽，独立旋转车轮通过滚动轴承安装在车轴上，主动导向作动器为伺服作动系统，其接收控制器输出的控制信号，并将控制信号转换为主动导向作动器的需求输出力，弹簧组件设置在独立旋转车轮和机架之间，弹簧组件用于模拟实际独立旋转车轮转向架的一系悬挂，起到缓冲轮对横向力的作用，滑槽的一端和主动导向作动器的端部在纵向上固定连接。滑槽将独立旋转车轮垂向上的浮沉运动和横向上的摇头运动相互解耦，这就使得由轨道超高而引起的独立旋转车轮的侧滚运动不会影响到主动导向作动器的正常动作。主动导向作动器的输出力传到两个独立旋转车轮上进而控制两个独立旋转车轮的转速。主动导向作动器为独立旋转车轮轮对的摇头提供摇头力矩，从而迫使轮对摇头，提高轮对的曲线通过性能。
作为优选方式，超高举升装置包括电动缸、举升滑槽、电动缸安装座，超高举升装置其底部通过电动缸安装座安装在曲率台架上，其顶部通过举升滑槽安装在超高台架上。
作为优选方式，所述的超高举升装置为直流电机驱动的电动缸、或液压缸、或气缸。
作为优选方式，所述的左右轨道轮组件之间距离的可调整范围为200mm—287mm。
作为优选方式，所述的轨道轮轨头型面与轨道交通领域的钢轨型面的比例为1:5，所述的独立旋转车轮的车轮踏面与轨道交通领域的踏面的比例为1:5。
作为优选方式，轨道轮驱动系统为步进电机。由于1:5比例模型轨道轮的负载转矩比较小，且所需转矩不高，所以采用步进电机直连的方式驱动轨道轮，这样易于实现轨道轮的无级调速。
作为优选方式，超高台架、曲率台架都为铝型材搭建的长方体框架结构。
作为优选方式，所述的轨道轮组件、轨道轮驱动系统、超高台架、曲率台架、超高转轴组件、超高举升装置和曲率产生装置、独立旋转车轮构成了一个完整的模块，所述试验台包括两个以上的模块，能构成两轴转向架、4轴转向架或六轴转向架。
和现有技术相比，本发明的优点在于：本试验台模拟了城市轨道车辆独立旋转车轮的实际工况，避免了在实际工况实验下花费成本高、实验场地不易满足的缺点。在实验台上不仅可模拟列车在不同半径曲线上车辆通过时的横移量大小，还可以搭配不同的控制策略使作动器的输出进行实时调整，满足多种情况下列车的安全运行。
附图说明
图1是本发明结构的三维整体效果图。
图2是本发明结构的轨道轮组件三维图。
图3是本发明结构的超高台架和曲率台架的三维图。
图4是本发明结构的超高转轴组件的三维图。
图5是本发明结构的超高举升装置三维图。
图6是本发明结构的曲率产生装置三维图。
图7是本发明结构的曲率产生装置与上部结构装配关系图。
图8是本发明结构的独立旋转车轮三维图。
图9是本发明结构的独立旋转车轮剖视图。
图10是本发明结构的机架示意图。
1为轨道轮组件，101为轨道轮，102为轨道轮轴，103为轨道轮带座轴承1，2为轨道轮驱动系统，3为超高台架，4为曲率台架，5为超高转轴组件，501为超高转轴，502为第一带座轴承，503为第二带座轴承，6为超高举升装置，601为电动缸，602为举升滑槽，603为电动缸安装座，7为曲率产生装置，701为转盘轴承安装座，702为带外齿轮的转盘轴承，703为主动小齿轮，8为独立旋转车轮，801为车轴，802为独立旋转车轮，803为主动导向作动器，804为弹簧组件，805为滑槽，9为机架。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示，一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，包括：机架9、底部固定在机架9上的曲率产生装置7、曲率产生装置7上方固定连接的曲率台架4、曲率台架4上方的超高台架3、连接于超高台架3和曲率台架4之间的超高转轴组件5、固定于超高台架3上的轨道轮组件1和轨道轮驱动系统2、垂直设置于曲率台架4和超高台架3之间的超高举升装置6，固定于机架内部顶端的独立旋转车轮8；超高台架3、曲率台架4都为铝型材搭建的长方体框架结构。曲率台架4的底部通过螺栓与曲率产生装置7连接。
如图3所示，曲率台架4、超高台架3都活动设置于机架内部、与机架前后左右四侧无连接，曲率台架4远离超高举升装置的一端与超高台架3通过轴承座连接在一起，轴承座约束曲率台架4和超高台架3使二者在水平面内一起转动，曲率台架4靠近超高举升装置6的一端上部与超高台架3之间不连接，从而使得超高举升装置作用于超高台架时超高台架能相对曲率台架转动一定角度，轨道轮组件1用于模拟无限长的轨道；轨道轮驱动系统2为轨道轮组件1的转动提供驱动力，超高举升装置6的下部固定连接曲率台架4，超高举升装置的执行部件顶在超高台架3的底部；所述的超高举升装置6可为直流电机驱动的电动缸601、或液压缸、或气缸。
如图5所示，超高举升装置6主要由电动缸601，举升滑槽602，电动缸安装座603组成。电动缸601为超高台架3和曲率台架4之间的相对转动提供动力，使得超高台架3和曲率台架4能呈一定的倾角，以模拟轨道的超高。超高举升装置6其底部通过电动缸安装座603安装在曲率台架4上，其顶部通过举升滑槽602安装在超高台架3上。
如图6所示，曲率产生装置7的主体结构为一带外齿轮的转盘轴承702和与其啮合的主动小齿轮703组成的行星轮系，其中带外齿轮的转盘轴承702为太阳轮，主动小齿轮703为行星轮且为动力输入端；
如图4所示，超高转轴组件5包括纵向设置于机架前后两侧之间的超高转轴501，超高转轴的两端都安装有第一带座轴承502和第二带座轴承503，第一带座轴承502固定连接到曲率台架4上表面，第二带座轴承503固定连接至超高台架3下表面，使得超高台架3与曲率台架4之间能绕超高转轴501相对转动；
如图8图9所示，独立旋转车轮8包括车轴801、独立旋转车轮802、主动导向作动器803、弹簧组件804、滑槽805，独立旋转车轮802通过滚动轴承安装在车轴801上，车轴801横向连接于机架的左右两端之间，在车轴801的两端安装有主动导向作动器803；主动导向作动器803为伺服作动系统，其接收控制器输出的控制信号，并将控制信号转换为主动导向作动器803的需求输出力，弹簧组件804设置在独立旋转车轮802和机架之间，弹簧组件804用于模拟实际独立旋转车轮转向架的一系悬挂，起到约束轮对的作用，滑槽805的一端和主动导向作动器的端部在纵向上固定连接。滑槽805将独立旋转车轮8垂向上的浮沉运动和横向上的摇头运动相互解耦，这就使得由轨道超高而引起的独立旋转车轮8的侧滚运动不会影响到主动导向作动器803的正常动作。主动导向作动器的输出力传到两个独立旋转车轮上，为独立旋转车轮轮对的摇头提供摇头力矩，从而迫使轮对摇头，进而控制两个独立旋转车轮的转速，提高轮对的曲线通过性能。如图2所示，轨道轮组件1包括轨道轮轴102、穿套在轨道轮轴102上的轨道轮101、轨道轮两侧的轨道轮带座轴承103。
在超高举升装置的作用下，可以完成超高台架倾斜一定角度，实现轨道超高的模拟。
如图7所示，在电机的驱动下，曲率产生装置上部的曲率台架、超高台架等所有部件一起随着转盘轴承转动，使轨道轮绕空间当中的Z轴转动一定角度，以模拟曲线轨道。
本实施例中，超高台架3上有左右两组轨道轮组件1和轨道轮驱动系统2，左右两组轨道轮组件1分别由两组轨道轮驱动系统2驱动，左右两组轨道轮组件1按不同的转速转动，以模拟轨道在曲线位置时内外钢轨的弧长不同的工况。
本实施例中，所述的左右轨道轮组件1之间距离的可调整范围为200mm—287mm。
所述的轨道轮101轨头型面与轨道交通领域的钢轨型面的比例为1:5，所述的独立旋转车轮8的车轮踏面与轨道交通领域的踏面的比例为1:5。
轨道轮驱动系统2为步进电机。由于1:5比例模型轨道轮的负载转矩比较小，且所需转矩不高，所以采用步进电机直连的方式驱动轨道轮，这样易于实现轨道轮的无级调速。
如图7所示，所述的轨道轮组件1、轨道轮驱动系统2、超高台架3、曲率台架4、超高转轴组件5、超高举升装置6和曲率产生装置7、独立旋转车轮8构成了一个完整的模块，根据试验对象的不同，可对其进行相应的扩展，所述试验台包括两个以上的模块，能构成两轴转向架、4轴转向架或六轴转向架。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于包括：机架(9)、底部固定在机架(9)上的曲率产生装置(7)、曲率产生装置(7)上方固定连接的曲率台架(4)、曲率台架(4)上方的超高台架(3)、连接于超高台架(3)和曲率台架(4)之间的超高转轴组件(5)、固定于超高台架(3)上的轨道轮组件(1)和轨道轮驱动系统(2)、垂直设置于曲率台架(4)和超高台架(3)之间的超高举升装置(6)，固定于机架内部顶端的独立旋转车轮(8)；
曲率台架(4)、超高台架(3)都活动设置于机架内部、与机架前后左右四侧无连接，曲率台架(4)远离超高举升装置的一端与超高台架(3)通过轴承座连接在一起，轴承座约束曲率台架(4)和超高台架(3)使二者在水平面内一起转动，曲率台架(4)靠近超高举升装置(6)的一端上部与超高台架(3)之间不连接，从而使得超高举升装置作用于超高台架时超高台架能相对曲率台架转动一定角度，轨道轮组件(1)用于模拟无限长的轨道；轨道轮驱动系统(2)为轨道轮组件(1)的转动提供驱动力，超高举升装置(6)的下部固定连接曲率台架(4)，超高举升装置的执行部件顶在超高台架(3)的底部；
曲率产生装置(7)的主体结构为一带外齿轮的转盘轴承(702)和与其啮合的主动小齿轮(703)组成的行星轮系，其中带外齿轮的转盘轴承(702)为太阳轮，主动小齿轮(703)为行星轮且为动力输入端；
超高转轴组件(5)包括纵向设置于机架前后两侧之间的超高转轴(501)，超高转轴的两端都安装有第一带座轴承(502)和第二带座轴承(503)，第一带座轴承(502)固定连接到曲率台架(4)上表面，第二带座轴承(503)固定连接至超高台架(3)下表面，使得超高台架(3)与曲率台架(4)之间能绕超高转轴(501)相对转动；
独立旋转车轮(8)的车轮(802)通过滚动轴承安装在车轴(801)上，车轴(801)横向连接于机架的左右两端之间，在车轴(801)的两端安装有主动导向作动器(803)；
轨道轮组件(1)包括轨道轮轴(102)、穿套在轨道轮轴(102)上的轨道轮(101)、轨道轮两侧的轨道轮带座轴承(103)。
2.根据权利要求1所述的一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于：超高台架(3)上有左右两组轨道轮组件(1)和轨道轮驱动系统(2)，左右两组轨道轮组件(1)分别由两组轨道轮驱动系统(2)驱动，左右两组轨道轮组件(1)按不同的转速转动。
3.根据权利要求1所述的一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于：独立旋转车轮(8)包括车轴(801)、独立旋转车轮(802)、主动导向作动器(803)、弹簧组件(804)、滑槽(805)，独立旋转车轮(802)通过滚动轴承安装在车轴(801)上，主动导向作动器(803)为伺服作动系统，其接收控制器输出的控制信号，并将控制信号转换为主动导向作动器(803)的需求输出力，弹簧组件(804)设置在独立旋转车轮(802)和机架之间，弹簧组件(804)用于模拟实际独立旋转车轮转向架的一系悬挂，起到缓冲轮对横向力的作用，滑槽(805)的一端和主动导向作动器的端部在纵向上固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于：超高举升装置(6)包括电动缸(601)、举升滑槽(602)、电动缸安装座(603)，超高举升装置(6)其底部通过电动缸安装座(603)安装在曲率台架(4)上，其顶部通过举升滑槽(602)安装在超高台架(3)上。
5.根据权利要求1所述的一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于：所述的超高举升装置(6)为直流电机驱动的电动缸(601)、或液压缸、或气缸。
6.根据权利要求1所述的一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于：所述的左右轨道轮组件(1)之间距离的可调整范围为200mm—287mm。
7.根据权利要求1所述的一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于：所述的轨道轮(101)轨头型面与轨道交通领域的钢轨型面的比例为1:5，所述的独立旋转车轮(8)的车轮踏面与轨道交通领域的踏面的比例为1:5。
8.根据权利要求1所述的一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于：轨道轮驱动系统(2)为步进电机。
9.根据权利要求1所述的一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于：超高台架(3)、曲率台架(4)都为铝型材搭建的长方体框架结构。
10.根据权利要求1所述的一种独立旋转车轮主动导向模型试验台，其特征在于：所述的轨道轮组件(1)、轨道轮驱动系统(2)、超高台架(3)、曲率台架(4)、超高转轴组件(5)、超高举升装置(6)和曲率产生装置(7)、独立旋转车轮(8)构成了一个完整的模块，所述试验台包括两个以上的模块，能构成两轴转向架、4轴转向架或六轴转向架。
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