CN109916643A - 基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，包括环形轨道、转向架、动力控制系统、加载系统、检测系统、数据采集系统、信号分析处理系统，转向架通过轮轨接触布置在环形轨道上，所述加载系统包括激振器，所述激振器作用于环形轨道，动力控制系统包括牵引电机，牵引电机通过传动齿轮箱为转向架的车轮提供牵引力，转向架的一系弹簧为可变阻力弹簧，检测系统包括应力应变片、位移传感器和加速度传感器。本发明能够对列车车辆在轨道激励振动情况下的轮轨力载荷识别研究，并通过改变车辆一系弹簧阻尼，在各牵引控制下进行车辆运行情况和振动响应研究。利用激振器对轨道进行激振，模拟列车在行驶时受到不稳定轨道振动。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台及试验方法。
背景技术
高速列车是我国高科技新技术发展的一个重要方向，列车行驶的安全性和乘客舒适性是我们轨道车辆研究的重要方向。对于提高列车在运行时的稳定性，目前国内外主要是研究Sperling平稳性指标，即通过对横向平稳性指标和垂向平稳性指标的计算来评价列车行驶乘坐质量和舒适度。通过对列车运行加速度和列车振动频率的影响因素的修正来计算Sperling平稳性指标。目前国内外在进行列车舒适性测试时，都没有充分考虑在轨道振动的情况下对列车运行造成的影响，而本试验台旨在填补振动轨道对列车运行情况影响的这一空白。
对运行平稳性的Sperling平稳性指标的体系中，铁路行业发达国家都有自己完整的评价标准，如我国的GB/T 5599、欧洲的UIC 513以及国际标准ISO 2613。
在我国GB/T 5599中，对原始平稳性Sperling加权系数进行修改，计算方式有一定差异，主要表现在加权系数上。
乘坐质量：
乘坐舒适度：
其中
Wz—平稳性指标；
A—加速度,m/s2；
f—振动频率,Hz；
F(f)—频率修正系数；
B—频率加权系数.
为了衡量车辆运行安全性，需要用一些动力学指标评价其程度。车辆动力学运行安全指标尤其如此，主要是从轮轨作用角度来评判车辆是否安全，运行指标包括轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数等。其中脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数被称为车辆运行安全性指标。
脱轨系数：
轮重减载率：
倾覆系数：
其中
μ—轮缘摩擦系数；
α—最大轮缘接触角；
Pst—横向作用轮轨垂向静载荷；
Pd—横向作用轮轨垂向力变化量；
上述几种规范中，都是通过对车辆行驶横纵向加速度进行直接测量来计算车辆动力学安全系数，对轮轨力的直接测量难以实现，车轮受到的轮轨力需要安装侧力轮对，并花费大量成本测量受力，无法实现对多数车体轮对的轮轨力测量的需要，轮轨力间接识别方法越来越成为近年研究重点。本试验台以轮轨力载荷识别为目的，利用现有传感器和应力应变片获得车辆运动相关数据，结合激振器对轮轨系统的激振效果，来对现有车辆在实际运动中所受轮轨力进行模拟，间接获得脱轨系数等车辆行驶安全性指标，对车辆系统安全舒适性具有较大的提升。
发明内容
本发明旨在提供一种基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，公开了一种能够对列车车辆在轨道激励振动情况下的轮轨力载荷识别研究，并通过改变车辆一系弹簧阻尼，在各牵引控制下进行车辆运行情况和振动响应研究。利用激振器对轨道进行激振，模拟列车在行驶时受到不稳定轨道振动，从而研究列车在激振轨道条件下的运行情况，而得到的列车运行响应可以进行轮轨力的研究。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，包括环形轨道、转向架、动力控制系统、加载系统、检测系统、数据采集系统、信号分析处理系统，所述转向架通过轮轨接触布置在环形轨道上，所述加载系统包括激振器，所述激振器作用于环形轨道，所述动力控制系统包括牵引电机，所述牵引电机通过传动齿轮箱为转向架的车轮提供牵引力，转向架的一系弹簧为可变阻力弹簧，所述检测系统包括应力应变片、位移传感器和加速度传感器，所述应力应变片设置在环形轨道上，所述位移传感器设置在转向架的轴箱与一系弹簧的连接处，所述加速度传感器设置在转向架的轴箱上，应力应变片、位移传感器、加速度传感器均连接数据采集系统，所述数据采集系统连接信号分析处理系统。
优选的，所述环形轨道包括轨道支撑架、比例轨道，轨道支撑架通过螺栓固定枕梁，枕梁横跨于轨道支撑架上，枕梁与单边轨道螺栓固定，比例轨道通过螺栓固定在枕梁上，支撑架通过支撑底盘与地面进行固定。可保证固定效果和防止过定位
优选的，所述转向架为比例转向架；所述比例转向架非传统转向架，设计时不安装与轮轨力试验无关的部件，所述牵引电机通过螺栓安装在比例转向架横梁上，所述齿轮箱通过抱轴方式安装在车轴上，并在另一端由固定螺杆固定在横梁上，根据实际安装情况控制螺杆进行调整，为保证前后轮对一致性，两对牵引电机及齿轮箱对转向架中心对称布置。而所述转向架一系弹簧为可变阻尼弹簧，变阻尼弹簧安装于转向架与轴箱间，根据实际试验要求改变其阻尼值，研究阻尼变化对车辆行驶振动响应的影响。比例转向架包括轴箱、一系弹簧、齿轮箱等主要部件，省略了与测试无关部件。为还原车辆运动实际情况，牵引由牵引电机带动齿轮箱为车轮提供牵引动力，转速和方向由动力控制系统控制；加载使用激振器对轮轨施加垂向激振力；在测试中，轨道上粘贴应力应变片收集轨道振动情况，轴箱布置的加速度传感器将得到的响应数据输出至信号采集仪。
优选的，所述齿轮箱通过抱轴方式安装在车轴上，并通过固定螺杆固定在横梁上。
进一步的，本发明还包括固定架，所述固定架在不进行试验时用于放置转向架。比例转向架在试验完毕后应放置于安装固定架上，防止长时间放置在轨道上造成轨道损伤和轨道黏着等问题。
优选的，所述激振器有12组，每组两个，激振器通过固定在环形轨道的螺母连接。
进一步的，所述信号分析处理系统计算机数据分析模块和数据处理及模型修正模块，所述计算机数据分析模块用于绘制试验响应曲线、应力应变曲线和振动响应曲线，所述数据处理及模型修正模块包括牵引控制响应分析、垂向动力学分析和轮轨接触力识别。
本发明还公开了一种轮轨力载荷识别研究试验方法，采用本发明公开的基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台进行试验。
优选的，所述轮轨力载荷识别研究试验方法包括通过动力控制系统改变车轮的转速和方向，通过加速度传感器分别对车辆行驶加速度和轴箱横向及垂向加速度进行测量。
优选的，所述轮轨力载荷识别研究试验方法包括通过激振器对环形轨道进行激振，通过位移传感器获取在激振情况子下弹簧的变形，并通过布置在车轴连接处的位移传感器作清零处理，获取一系弹簧阻尼变化时对车辆垂向及纵向影响，还通过应力应变片获取在激振中轨道对振动的响应情况。
本发明的工作原理如下：
试验台分为车辆牵引控制、垂向动力学变阻尼弹簧影响和轮轨力载荷识别研究三个试验目标。三个试验目标既可以分别研究也可以根据具体要求进行联合研究。对于车辆牵引控制试验目标，可以通过计算机控制系统对牵引电机进行牵引指令，使车辆在环形轨道上运行。通过对轨道的激振来模拟车辆行驶时发生的轨道颤振和耦合振动，通过车辆上配置的传感器得到车辆在该牵引控制下的运行情况和响应，通过调整控制系统牵引制动来模拟车辆线路运行时运行情况，将得到响应数据进行分析后实现车辆牵引控制试验要求。对于垂向动力学变阻尼弹簧研究目的是研究车辆在一系弹簧阻尼变化时的车辆垂向动力学响应研究，使用变阻尼减振器弹簧代替传统车辆使用的一系弹簧，根据实际研究对象调整变阻尼进行试验，得到车辆在各阶段和轨道激振情况下的垂向动力学响应情况。而轮轨力载荷识别是收集环形轨道上车辆运动响应，通过对轴箱加速度、车辆行驶加速度及一系弹簧位移量等参数的剔除奇异值、滤波等处理，在轮轨载荷力算法模型中计算车辆行驶时受到的轮轨垂向力、横向力及纵向力。
通过对激振器的位置和激振力的调整能够模拟车辆在行驶中受到的轮轨颤振和耦合振动，调节牵引电机转速可实现对车辆在各个工况如牵引启动工况、制动工况等工况的模拟，运用传感器和应力应变片对各工况下数据进行收集处理。通过合理改变一系弹簧阻尼值，来获得在不同阻尼下车辆行驶加速度等参数，对垂向动力学研究和轮轨力的载荷识别都有较大的意义。
本发明可满足在轨道受到激振器激励下对试验转向架的运动模拟及轮轨力识别，以及在一系弹簧阻尼变化下对试验转向架运行影响的测试。该试验台包括环形轨道、动力控制系统、加载系统、液压控制系统、检测系统、数据采集与信号分析处理系统。其特征在于：所述环形轨道包括轨道支撑架、比例轨道等，所述动力控制系统包括牵引电机、传动齿轮箱及计算机控制平台，所述的加载系统包括激振器，所述的检测系统包括传感器及应力应变片等，所述的数据采集与信号分析处理系统包括信号采集仪，及采集器对应的计算机分析软件等。试验目标分为列车牵引控制、垂向动力学变阻尼弹簧影响和轮轨力载荷识别研究。在试验完成后，将得到试验数据进行剔除奇异值，消除趋势项，滤波等处理，实现对列车转向架在轨道激励下的载荷识别和变阻尼动力学等研究。
本发明的有益效果如下：
1、可以对高速车辆进行实际运行模拟，将载荷数据缩减，经由系统主控制器，根据控制算法，将实测载荷信号转换为电压电流信号，经由计算机控制系统发出指令，控制牵引电机的转速及转向，模拟各车辆实际运行工作情况，实现各工况牵引控制模拟。
2、经过计算后，根据试验需要使用激振器对轨道进行激振，实现对车辆运行时受到的轨道颤振和耦合振动的模拟，计算车辆行驶脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数等重要安全系数，可实现对高速列车车辆在线路运行时在发生轨道颤振等恶劣运行情况时的车辆运行安全性的研究，大幅降低线路试验昂贵的试验成本。
3、使用可变阻尼弹簧代替原一系弹簧，选择不同等级的一系弹簧阻尼系数，可实现对不同阻尼系数对列车车辆运行情况影响，完善车辆垂向动力学的变阻尼试验的研究，对车辆垂向稳定性和安全性研究也具有意义。
4、由于试验转向架省略了大量与试验目的无关的装置，减少了车体多体系统对轮轨载荷识别的影响。并在车辆轴箱等重要部件处布置加速度、位移传感器，获得各工况下车辆行驶数据，配合轨道应力应变测试，对试验数据进行剔除奇异值、消除趋势项、滤波等处理后进行轮轨载荷识别研究，填补轮轨力载荷识别难以实现的空白。
综上，本发明所公开的基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，旨在实现车辆牵引控制、垂向动力学变阻尼弹簧影响和轮轨力载荷识别研究三个试验目标。对于车辆牵引控制试验目标，通过计算机控制系统指令，对牵引电机进行牵引控制使车辆在环形轨道上运行。利用轨道的激振来模拟车辆行驶时发生的轨道颤振和耦合振动，将得到响应数据进行分析后实现车辆牵引控制试验要求。对于垂向动力学变阻尼弹簧研究试验目标，研究车辆在一系弹簧阻尼变化时的车辆垂向动力学响应研究，根据实际研究需求调整变阻尼进行试验，得到车辆在各阶段和轨道激振情况下的垂向动力学响应情况。轮轨力载荷识别试验目标，收集环形轨道上车辆运动响应，通过对轴箱加速度、车辆行驶加速度及一系弹簧位移量在轮轨载荷力算法模型中计算车辆行驶时受到的轮轨垂向力、横向力及纵向力。试验后数据采集系统得到的试验响应输入计算机数据分析系统进行数据分析，得到试验响应曲线、应力应变曲线及振动响应曲线，在通过消除奇异项、剔除奇异值、滤波等处理后，对试验数据进行可靠性分析并对试验台进行模型修正。
附图说明
图1为转向架部分的主视图；
图2为转向架部分的侧视图；
图3为轮轨部分的示意图；
图4为试验台的立体示意图；
图5为试验台的原理图；
图6为试验方法的流程图。
图中：1-支撑弹簧、2-转向架构架、3-垂向减振器、4-二系弹簧、5-二系簧支撑架、6-牵引电机、7-轴箱、8-车轴、9-加速度传感器、10-位移传感器、11-一系弹簧轮对、12-轮对、13-应力应变片、14-环形轨道、15-激振器、16-固定架、17-联轴器A、18-传动齿轮箱、19-联轴器B。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明公开的基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，包括环形轨道14、转向架、动力控制系统、加载系统、检测系统、数据采集系统、信号分析处理系统，转向架通过轮轨接触布置在环形轨道14上，转向架为比例转向架，转向架构架2与轮对12之间设有支撑弹簧1，环形轨道14包括轨道支撑架、比例轨道，轨道支撑架通过螺栓固定枕梁，枕梁横跨于轨道支撑架上，枕梁与单边轨道螺栓固定，比例轨道通过螺栓固定在枕梁上，支撑架通过支撑底盘与地面进行固定；加载系统包括激振器15，激振器15作用于环形轨道14，动力控制系统包括牵引电机，所述牵引电机通过联轴器A17、齿轮箱18、联轴器B19为转向架的车轮提供牵引力，齿轮箱18通过抱轴方式安装在车轴7上，并通过固定螺杆固定在横梁上，转向架的一系弹簧为可变阻力弹簧，检测系统包括应力应变片13、位移传感器10和加速度传感器9，应力应变片13设置在环形轨道上，位移传感器10设置在转向架的轴箱7与一系弹簧轮对11的连接处，加速度传感器9设置在转向架的轴箱7上，应力应变片13、位移传感器19、加速度传感器9均连接数据采集系统，数据采集系统连接信号分析处理系统。
激振器有12组，每组两个，根据实验需要对轨道进行激振。在需要布置激振器的轨道位置布置固定螺母，方便实验时进行激振的连接。
本发明还包括固定架16，固定架16在不进行试验时用于放置转向架。
信号分析处理系统计算机数据分析模块和数据处理及模型修正模块，计算机数据分析模块用于绘制试验响应曲线、应力应变曲线和振动响应曲线，数据处理及模型修正模块包括牵引控制响应分析、垂向动力学分析和轮轨接触力识别。
如图6所示，本发明还公开了一种轮轨力载荷识别研究试验方法，采用本发明公开的轮轨力载荷识别研究试验台进行试验，包括通过动力控制系统改变车轮的转速和方向，通过加速度传感器分别对车辆行驶加速度和轴箱横向及垂向加速度进行测量；还包括通过激振器对环形轨道进行激振，通过位移传感器获取在激振情况子下弹簧的变形，并通过布置在车轴连接处的位移传感器作清零处理，获取一系弹簧阻尼变化时对车辆垂向及纵向影响，还通过应力应变片获取在激振中轨道对振动的响应情况。
具体的，试验步骤如下：
1、根据试验目的选择具体试验对象，将静态布置的试验转向架通过吊车或起重机从固定架放置于环形轨道上，并适当调整其位置，保证车轮与轨道正常接触。
2、根据试验需要在试验比例转向架上布置加速度传感器、位移传感器等响应采集元件，并在环形轨道上粘贴应力应变片，获得在激振情况下的轨道应力应变曲线。将预加载的轨道激励通过信号发生器对环形轨道进行预加载，检查垂向激振器能否正常加。
3、准备完毕后，在牵引控制系统中对比例转向架进行牵引测试，按照所需要实验的实验工况，确定电机转速并启动电机，根据牵引曲线进行牵引控制，加载系统在试验时对轨道进行激励，数据采集系统对试验数据进行采集。
4、试验完毕后使用电机制动对比例转向架进行制动控制，并在完成后停止试验数据采集。
5、将数据提取到信号分析系统进行剔除奇异值，消除趋势项，滤波等处理，然后得到试验响应曲线、应力应变曲线及振动响应曲线，根据试验结果对原模型进行修正和补偿，完成试验目标。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，其特征在于：包括环形轨道、转向架、动力控制系统、加载系统、检测系统、数据采集系统、信号分析处理系统，所述转向架通过轮轨接触布置在环形轨道上，所述加载系统包括激振器，所述激振器作用于环形轨道，所述动力控制系统包括牵引电机，所述牵引电机通过传动齿轮箱为转向架的车轮提供牵引力，转向架的一系弹簧为可变阻力弹簧，所述检测系统包括应力应变片、位移传感器和加速度传感器，所述应力应变片设置在环形轨道上，所述位移传感器设置在转向架的轴箱与一系弹簧的连接处，所述加速度传感器设置在转向架的轴箱上，应力应变片、位移传感器、加速度传感器均连接数据采集系统，所述数据采集系统连接信号分析处理系统。
2.根据权利要求1所述的基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，其特征在于：所述环形轨道包括轨道支撑架、比例轨道，轨道支撑架通过螺栓固定枕梁，枕梁横跨于轨道支撑架上，枕梁与单边轨道螺栓固定，比例轨道通过螺栓固定在枕梁上，支撑架通过支撑底盘与地面进行固定。
3.根据权利要求2所述的基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，其特征在于：所述转向架为比例转向架。
4.根据权利要求2所述的基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，其特征在于：所述齿轮箱通过抱轴方式安装在车轴上，并通过固定螺杆固定在横梁上。
5.根据权利要求1所述的基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，其特征在于：还包括固定架，所述固定架在不进行试验时用于放置转向架。
6.根据权利要求1所述的基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，其特征在于：所述激振器有12组，每组两个，激振器通过固定在环形轨道的螺母连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于轨道振动的轮轨力载荷识别研究试验台，其特征在于：所述信号分析处理系统计算机数据分析模块和数据处理及模型修正模块，所述计算机数据分析模块用于绘制试验响应曲线、应力应变曲线和振动响应曲线，所述数据处理及模型修正模块包括牵引控制响应分析、垂向动力学分析和轮轨接触力识别。
8.一种轮轨力载荷识别研究试验方法，其特征在于：采用如权利要求6所述的轮轨力载荷识别研究试验台进行试验。
9.根据权利要求8所述的轮轨力载荷识别研究试验方法，其特征在于：包括通过动力控制系统改变车轮的转速和方向，通过加速度传感器分别对车辆行驶加速度和轴箱横向及垂向加速度进行测量。
10.根据权利要求9所述的轮轨力载荷识别研究试验方法，其特征在于：包括通过激振器对环形轨道进行激振，通过位移传感器获取在激振情况子下弹簧的变形，并通过布置在车轴连接处的位移传感器作清零处理，获取一系弹簧阻尼变化时对车辆垂向及纵向影响，还通过应力应变片获取在激振中轨道对振动的响应情况。
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