CN110383026A - 用于模拟车轮和轨道之间的接触以检测附着值的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于模拟车轮和轨道(1)之间的接触的系统，特别是轨道车辆的车轮和轨道(1)之间的接触，包括：‑至少一个中空圆柱形结构(3)，其具有第一直径(D1)并且包括与所述中空圆柱形结构(3)的内表面(7)一体布置的轨道模拟表面(5)；以及‑至少一个车轮(9)，其具有小于第一直径(D1)的第二直径(D2)，并且包括适于与中空圆柱形结构(3)的所述轨道模拟表面(5)接触放置的滚动表面(11)。

Description

用于模拟车轮和轨道之间的接触以检测附着值的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及用于检测轨道车辆的车轮和轨道之间的附着值的系统和方法的领域；特别地，本发明涉及一种用于模拟车轮和轨道之间的接触以检测附着值的系统和方法。
背景技术
用于分析由轨道车辆的车轮和轨道之间的接触产生的附着值的方法和系统的领域是其中正在进行重要研究以寻找新解决方案的领域。
在现有技术中，在实验室中模拟轨道车辆的车轮和轨道之间的接触的系统是已知的。
在这种系统中，圆柱滚子用来模拟用于轨道车辆的轨道。至少一个车轮以滑动接触的方式放置在滚子的外周上。滚子近似于轨道，因为其圆柱形形状改变了车轮和轨道之间的攻角。
为了再现轨道车辆的车轮在轨道上的相同运动条件，例如通过使用电机来独立地控制车轮的角速度和滚子的角速度。
这些系统还用来分析在轨道污染的情况中车轮和轨道之间的附着力。轨道污染可能是由于水、腐烂树叶、油或其他碎屑的存在而引起的。
在已知的系统中，为了模拟轨道污染，使用污染物喷射系统，其将污染物喷射到滚子的外周上，靠近与车轮的接触点。
不利地，如可在图1中看到的，由于离心力Fcentr，滚子将通过喷射系统沉积在滚子上的污染物物质甩掉，离心力Fcentr与滚子的角速度和滚子的半径的平方成比例。
此缺点不能实现稳定地调节滚子表面上的污染物。当滚子的角速度增加时，离心力趋于将污染物从所关注的滚子的表面分离。
此外，由于将污染物在一个车轮和下一车轮之间的空间中从滚子甩掉，所以此缺点在一个车轮和下一车轮之间引入清洁效果(不现实的清洁)。
此外，污染物存在的模拟仅限于一些类型的污染物，仅限于一定量的污染物，或者仅限于滚子的角速度的有限范围。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种系统和方法，其允许通过对于任何类型的污染物或任何模拟速度来说稳定的污染物层来模拟轨道的污染状况。
此外，能够真实地评估污染物相对于车轮和轨道之间的附着值的影响，并且在评估期间还考虑由于车轮在轨道上的滑动而产生的轨道的清洁效果。
根据本发明的一个方面，通过具有独立权利要求中限定的特征的用于模拟车轮和轨道之间的接触以检测附着值的系统和方法，来实现以上及其他目的和优点。本发明的优选实施方式在从属权利要求中限定，其旨在作为本说明书的组成部分。
附图说明
现在将描述根据本发明的用于模拟车轮和轨道之间的接触以检测附着值的系统和方法的一些优选实施例的功能和结构特性。参考附图，在附图中：
图1示出了两个根据现有技术的用于模拟车轮和轨道之间接触的系统；
图2示出了用于模拟车轮和轨道之间接触的系统的第一实施例；
图3示出了用于模拟车轮和轨道之间接触的系统的第二实施例；
图4示出了用于模拟车轮和轨道之间接触的系统的第三实施例；
图5示出了用于模拟车轮和轨道之间接触的系统的第四实施例；
图6示出了用于模拟车轮和轨道之间接触的系统的第五实施例，其中，旋转电机通过相应的带齿表面耦合到中空圆柱形结构的周边上；并且
图7示出了用于模拟车轮和轨道之间接触的系统，其包括车轮滑动保护系统WSP。
具体实施方式
在详细说明本发明的多个实施例之前，应清楚，本发明在其应用方面不限于在以下描述中提供的或在附图中示出的构造细节和部件配置。本发明可采用其他实施例，并且可以基本上不同的方式实施或实现。还应理解，措辞和术语具有描述性目的，并且不应被解释为是限制性的。“包括”和“包含”及其变型的使用应理解为包括以下列出的元件及其等同物，以及附加元件及其等同物。
根据本发明的用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统，特别是轨道车辆的车轮和轨道1之间的接触，包括至少一个中空圆柱形结构3，也称为滚子，其具有第一直径D1并包括与中空圆柱形结构3的内表面7一体布置的轨道模拟表面5。
轨道模拟表面5优选地由金属材料制成，特别是通常构成轨道的金属材料，例如钢。
用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统进一步包括至少一个车轮9，其具有小于所述第一直径D1的第二直径D2，车轮9包括与中空圆柱形结构3的轨道模拟表面5接触放置的滚动表面11。
上述布置允许避免由于离心力而将通过喷射系统沉积在滚子上的污染物物质甩掉。
参考图2，用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统还包括旋转电机M1，其耦合到圆柱形结构3以产生所述第一圆柱形结构3的旋转。
例如，电机M1的驱动轴10与位于中空圆柱形结构中心的相应孔12耦合。例如，多个杆，也称为辐条，或者从中空圆柱形结构3的内表面7延伸到孔12的平面，可用来将所述孔12保持在适当位置。
此外，第二旋转电机M2与车轮9相关联，以产生所述车轮9的旋转并控制其相对于圆柱形结构3的滑动，即相对速度。
用于扭矩的第一传感器装置13，例如扭矩传感器，放置在电机M2和车轮9之间，以允许测量在车轮9和中空圆柱形结构3之间的接触点中产生的附着力Fa。
用于负载的第二传感器装置15，例如测力传感器，位于车轮9上方，并允许测量作用在轨道模拟表面5上的法向负载力Fc。
附着力Fa和法向负载力Fc之间的比例允许计算实际的车轮-轨道附着系数。
实际的车轮-轨道附着系数是表示在轨道车辆的正常使用条件中将出现的附着系数值的估计值。
附着力Fa和法向负载力Fc之间的比例通过图中未示出的处理装置计算。
处理装置可以指属于用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统的控制单元，或者适于接收由用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统的传感器装置13、15测量的数据的远程处理器，其中，执行实际的车轮-轨道附着系数的实际计算。
用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统还包括至少一个污染物控制系统14，其适于重建车轮9和轨道模拟表面5之间的摩擦条件的变化。
如果所喷射的污染物物质是例如水、油或树叶，则摩擦条件的变化可与摩擦值的降低一致，而如果所喷射的污染物物质是例如沙子，则摩擦条件的变化可与摩擦值的增加一致。
该至少一个污染物控制系统14放置在每个车轮9附近。
污染物控制系统14包括污染物喷射系统14A，以沿着轨道模拟表面5均匀地分布污染物。
由于污染物沿着位于中空圆柱形结构3的内表面7上的轨道模拟表面5分布，所以在中空圆柱形结构3的旋转期间产生的离心力便于检查污染物水平。与已知的解决方案不同，污染物不是从旋转的中空圆柱形结构3甩掉，而是通过这种离心力沿着轨道模拟表面5保持。
污染物控制装置14可进一步包括污染物去除系统14B，其例如通过适于从圆柱形结构3去除污染物的压缩空气射流或抹刀或刮刀或抽吸器来实现。
污染物控制系统14可包括至少一个污染物传感器装置20，其适于检测用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统的污染水平。这样，如果中空圆柱形结构3上的污染物不足，则可能确定注入更多污染物；或者如果圆柱形结构3上的污染物足够，则停止注入污染物；或者如果污染物在中空圆柱形结构3上的量过多，则去除污染物。
所使用的污染物传感器装置20可以是例如光学传感器或电导率传感器中的至少一种。
图3示出了用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统的第二实施例。相对于以上示出的实施例的差异在于车轮9的数量是至少两个的事实。在此图所示的示例中，具有四个车轮。
这四个车轮9沿着垂直于其旋转轴线的平面彼此纵向对齐地布置，与轨道模拟表面5接触。
使用多于一个车轮9的事实以及污染物材料保持在中空圆柱形结构3的内表面7上的事实，允许详细分析轨道清洁现象，该轨道清洁现象发生在若干在轨道上滑动的车轮9的紧密连续通过处。
在图4所示的第三实施例中，相对于以上示出的实施例的差异在于具有两个中空圆柱形结构3的事实，其形成一对圆柱形结构3A、3B，包括第一中空圆柱形结构3A和第二中空圆柱形结构3B。
特别地，第二中空圆柱形结构3B沿着其公共旋转轴线平行于第一中空圆柱形结构3A布置。
将车轮分成成对的车轮9A、9B，每个车轮包括与第一圆柱形结构3A的轨道模拟表面5接触放置的第一车轮9A，以及与第二圆柱形结构3B的轨道模拟表面5接触放置的第二车轮9B。
第一车轮9A和第二车轮9B通过轴17彼此连接。
轴17及由此第一车轮9A和第二车轮9B通过旋转电机M2旋转。
每个中空圆柱形结构3A、3B通过相应的旋转电机M1彼此独立地旋转。
在图5所示的第四实施例中，车轮对是至少两个，并安装在轨道车辆的转向架(bogie，小车)19上。车轮对沿着垂直于其旋转轴线的平面彼此纵向对齐地布置。
为了模拟在轨道车辆在轨道上行驶的实际情况中出现的作用在轨道上的车厢的重量，每个车轮9通过未在图中示出的负载致动系统保持与轨道模拟表面5接触，负载致动系统适于产生力F1以模拟由轨道车辆的车厢的重量产生的负载。
例如，负载致动系统可通过液压或气动弹簧或致动器来实现。
用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统可进一步包括电磁制动系统22，称为磁瓦或MTB(磁轨制动器)，其直接作用在轨道模拟表面5上并位于两个车轮之间。可选地，可激活这种系统以评估对传递到中空圆柱形结构3的制动力的影响，并且评估其对轨道模拟表面5的影响。
在图6所示的第五替代实施例中，至少一个旋转电机M1例如通过相应的带齿表面60耦合到中空圆柱形结构3的周边上，而不是与位于中空圆柱形结构中心的相应的孔12耦合。
参考图7，示出了用于模拟车轮和轨道之间接触的系统，其包括车轮滑动保护系统72，WSP。
在此情况中，通过用于模拟车轮和轨道之间接触的系统，还可能模拟真实情况，其中，轨道车辆在其上具有车轮滑动保护系统72，WSP，其适于在车轮滑动时进行干预。
如图7所示，用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统包括多个速度传感器装置70。每个速度传感器装置70适于检测所述车轮9中的一个车轮的角速度。
用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统还包括车轮9的滑动保护系统72，WSP，其适于确定已检测到角速度的车轮的滑动值。
车轮9的滑动保护系统72，WSP还适于对空气罐74施加压力，空气罐74适于模拟已检测到角速度的每个车轮9的制动缸。空气罐可以是内部封闭有一定量空气的容器。
施加到空气罐74的压力值作为由滑动保护系统72，WSP确定的滑动值的函数而产生。例如，对于与WSP已确定为打滑的车轮相关联的空气罐74，压力值可以较低。
此外，用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统包括压力/制动扭矩转换系统76和多个制动装置78，压力/制动扭矩转换系统76适于将施加到空气罐74的压力值转换成用于每个车轮的相应制动扭矩信号79，每个制动装置78与已检测到其角速度的所述车轮中的一个车轮相关联。
每个制动装置适于对其相关联的车轮施加制动扭矩，其对应于从压力/制动扭矩转换系统76接收的制动扭矩信号79。
仍然参考图7，压力/制动扭矩转换系统76可包括多个压力传感器80，每个压力传感器80用于提供电压力信号82，电压力信号82的值对应于由滑动保护系统72产生的施加到空气罐74的压力值中的一个。
压力/制动扭矩转换系统76可进一步包括适于将每个电压力信号82转换成电制动力信号85的压力/力转换模块84，和适于根据车轮半径将电制动力信号85转换成将供应到相应制动装置78的相应制动扭矩信号79的力/扭矩转换模块86。
图7示出了在根据实施例的用于模拟车轮和轨道之间接触的系统中使用WSP模块的情况，其中，车轮9沿着垂直于其旋转轴线的平面彼此纵向对齐地布置；然而，这种WSP系统也可在以上描述的和图中示出的任何实施例中使用，其中存在多个车轮。
在一个替代解决方案中，用于模拟车轮和轨道之间接触的系统的结构可包括简化的结构，并且包括至少一个中空圆柱形结构3和至少一个车轮9，中空圆柱形结构3具有第一直径D1并且包括与所述中空圆柱形结构3的内表面7一体布置的轨道模拟表面5，车轮9具有小于所述第一直径D1的第二直径D2并且包括滚动表面11，滚动表面11与中空圆柱形结构3的所述轨道模拟表面5接触放置。特别地，所述至少一个车轮9可以是多个车轮9，其沿着垂直于轨道模拟表面5的旋转轴线的平面彼此纵向对齐地布置接触轨道模拟表面5，以模拟轨道清洁的条件。明显地，上述关于旋转电机M1和M2、第一扭矩传感器装置13、第二负载传感器装置15、处理装置、污染物控制系统14、污染物传感器装置20、形成一对圆柱形结构3A、3B的多个圆柱形结构3、通过轴17彼此连接的第一车轮9A和第二车轮9B、安装在用于轨道车辆的转向架19上的车轮对、负载致动系统、电磁制动系统22、带齿表面60和车轮滑动保护系统72，WSP的概念可单独应用或与此解决方案组合应用。
本发明进一步包括一种用于模拟车轮和轨道1之间的接触的方法，特别是轨道车辆的车轮和轨道1之间的接触，包括以下步骤：
-提供至少一个中空圆柱形结构3，其具有第一直径D1并包括轨道模拟表面5，轨道模拟表面5与所述中空圆柱形结构3的内表面7一体地设置；并且
-在所述第一圆柱形结构3内提供至少一个与圆柱形结构3的所述轨道模拟表面5接触的车轮9，其具有小于所述第一直径D1的第二直径D2；
-通过至少第一电机M1旋转所述第一圆柱形结构3；
-通过与所述至少一个车轮9相关联的至少一个旋转电机M2旋转所述至少一个车轮9；
-通过至少一个污染物控制系统14将污染物物质喷射在所述轨道模拟表面5的至少一部分上；
-测量在该至少一个车轮9和该至少一个圆柱形结构3之间的接触点产生的附着力Fa；
-检查并测量轨道模拟表面5上的法向负载力Fc；并且
-通过附着力Fa和法向负载力Fc之间的比例计算实际的车轮-轨道附着系数。
因此，本发明提供的优点是提供一种系统和方法，其允许通过对于任何类型的污染物或模拟速度来说稳定的污染物层来模拟轨道的污染状况。
此外，有利地，可能真实地评估污染物对车轮和轨道之间的附着值的影响，并且在评估期间还考虑由于车轮的通过而产生的轨道的清洁效果。
已经描述了根据本发明的用于模拟车轮和轨道1之间的接触的系统和方法的各个方面和实施例。应理解，每个实施例可与任何其他实施例组合。此外，本发明不限于所描述的实施例，而是可在所附权利要求所限定的范围内变化。

Claims (15)

1.一种用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，特别是轨道车辆的车轮和轨道之间的接触，所述用于模拟车轮和轨道之间接触的系统包括：
-至少一个中空圆柱形结构(3)，具有第一直径(D1)并且包括与所述中空圆柱形结构(3)的内表面(7)一体布置的轨道模拟表面(5)；
-至少一个车轮(9)，具有小于所述第一直径(D1)的第二直径(D2)，并且包括与所述中空圆柱形结构(3)的所述轨道模拟表面(5)接触放置的滚动表面(11)
-至少一个旋转电机(M1)，与所述中空圆柱形结构(3)相关联，以产生所述第一圆柱形结构(3)的旋转；
-至少一个第二旋转电机(M2)，与所述至少一个车轮(9)相关联，以控制所述至少一个车轮(9)的旋转；
-至少一个污染物控制系统(14)，适于控制污染物在所述轨道模拟表面(5)上的分布，以产生所述至少一个车轮(9)和所述轨道模拟表面(5)之间的摩擦条件的变化；
-用于扭矩的至少一个第一传感器装置(13)，适于测量在所述至少一个车轮(9)和所述至少一个中空圆柱形结构(3)之间的接触点产生的附着力(Fa)；
-用于负载的至少一个第二传感器装置(15)，适于测量所述轨道模拟表面(5)上的法向负载力(Fc)；以及
-处理装置，适于通过所述附着力(Fa)和所述法向负载力(Fc)之间的比例计算实际的车轮-轨道附着系数。
2.根据权利要求1所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，所述至少一个车轮(9)是多个车轮(9)；这些车轮(9)彼此纵向对齐地布置，并沿着垂直于其旋转轴线的平面接触所述轨道模拟表面(5)，以模拟轨道清洁的条件。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中：
-所述至少一个中空圆柱形结构(3)是至少一对圆柱形结构(3A，3B)，包括第一中空圆柱形结构(3A)和第二中空圆柱形结构(3B)；所述第二中空圆柱形结构(3B)沿着其公共旋转轴线布置；
-所述至少一个车轮(9)是至少一对车轮(9A，9B)，包括第一车轮(9A)和第二车轮(9B)，所述第一车轮与所述第一中空圆柱形结构(3A)的轨道模拟表面(5)接触放置，所述第二车轮与所述第二中空圆柱形结构(3B)的轨道模拟表面(5)接触放置；所述第一车轮和所述第二车轮(9A，9B)连接到轴(17)。
4.根据权利要求3所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，车轮对是至少两个，并且安装在用于轨道车辆的转向架(19)上；所述车轮对沿着垂直于其旋转轴线的平面彼此纵向对齐地布置。
5.根据权利要求3或4所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，通过单个旋转电机(M2)来控制轴的车轮(9)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，每个中空圆柱形结构(3)通过旋转电机(M1)彼此独立地旋转。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，所述污染物控制系统(14)包括用于沿着所述轨道模拟表面(5)分布污染物的污染物喷射系统(14A)、适于从所述轨道模拟表面(5)去除污染物的污染物去除系统(14B)，以及适于检测所述用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统的污染水平的至少一个污染物水平传感器装置(20)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，所述污染物水平传感器装置(20)是光学传感器或电导率传感器中的至少一种。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，每个车轮(9)通过适于模拟由轨道车辆的车厢的重量产生的负载的力(F1)而保持与所述轨道模拟表面(5)接触。
10.根据前述权利要求中任一项所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，所述至少一个车轮与电磁制动系统(22)相关联，该电磁制动系统直接作用在所述轨道模拟表面(5)上。
11.根据权利要求10所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，所述电磁制动系统(22)是磁瓦，MTB。
12.根据前述权利要求中任一项所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，与所述中空圆柱形结构(3)相关联的所述至少一个旋转电机(M1)耦合到所述中空圆柱形结构(3)的周边。
13.根据前述权利要求2至12中任一项所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，包括：
-多个速度传感器装置(70)，每个速度传感器装置(70)适于检测所述车轮(9)中的一个的角速度；
-所述车轮(9)的滑动保护系统(72)，WSP，适于确定已检测角速度的车轮的滑动值，并且适于对空气罐(74)施加压力，该空气罐适于模拟已检测角速度的每个车轮(9)的制动缸，施加到所述空气罐(74)的压力值根据由所述滑动保护系统(72)，WSP确定的滑动值而产生；
-压力/制动扭矩转换系统(76)，适于将在所述空气罐(74)中检测到的压力值转换成用于每个车轮的相应的制动扭矩信号(79)；
-多个制动装置(78)，每个制动装置与已检测角速度的所述车轮中的一个相关联；每个制动装置适于对其相关联的车轮施加制动扭矩，该制动扭矩对应于从所述压力/制动扭矩转换系统(76)接收的制动扭矩信号(79)。
14.根据权利要求13所述的用于模拟车轮和轨道(1)之间接触的系统，其中，所述压力/制动扭矩转换系统(76)包括：
-多个压力传感器(80)，其中，每个压力传感器适于提供电压力信号(82)，该电压力信号的值对应于通过所述滑动保护系统(72)施加到所述空气罐(74)的压力值中的一个；
-压力/力转换模块(84)，适于将每个电压力信号(82)转换成电制动力信号(85)；
-力/扭矩转换模块(86)，适于根据所述车轮的半径将所述电制动力信号(85)转换成将供应到相应制动装置(78)的相应制动扭矩信号(79)。
15.一种用于模拟车轮和轨道(1)之间的接触的方法，特别是轨道车辆的车轮和轨道(1)之间的接触，包括以下步骤：
-提供至少一个中空圆柱形结构(3)，该至少一个中空圆柱形结构具有第一直径(D1)并且包括轨道模拟表面(5)，该轨道模拟表面与所述中空圆柱形结构(3)的内表面(7)一体地布置；
-在所述第一中空圆柱形结构(3)内提供与所述中空圆柱形结构(3)的所述轨道模拟表面(5)接触的至少一个车轮(9)，该至少一个车轮具有的第二直径(D2)小于所述第一直径(D1)；
-通过至少第一电机(M1)旋转所述第一中空圆柱形结构(3)；
-通过与所述至少一个车轮(9)相关联的至少一个旋转电机(M2)旋转所述至少一个车轮(9)；
-通过至少一个污染物控制系统(14)将污染物物质喷射在所述轨道模拟表面(5)的至少一部分上；
-通过至少一个第一扭矩传感器装置(13)测量在所述至少一个车轮(9)和所述至少一个中空圆柱形结构(3)之间的接触点产生的附着力(Fa)；
-通过至少一个第二负载传感器装置(15)检查和测量所述轨道模拟表面(5)上的法向负载力(Fc)；以及
-通过所述附着力(Fa)和所述法向负载力(Fc)之间的比例计算实际的车轮-轨道附着系数。
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