CN111442935A - 一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，包括水平布置且整体平滑过渡的环形轨道；环形轨道上布置有实验列车，环形轨道的中央布置有用于牵引实验列车的环形牵引装置，环形牵引装置通过转臂和车钩与实验列车连接，在环形牵引装置的作用下实验列车沿环形轨道运动；实验列车包括车体、转向架、轮对和受电弓，受电弓与环形轨道上方布置的电缆网接触，转向架上安有用于驱动轮对转动的转向架牵引电机，转向架牵引电机的输出轴与轮对连接。本发明通过环形牵引装置和转向架牵引电机两套动力系统来模拟列车运行时导致的蠕滑现象，真实模拟轮轨接触状态；与完全模拟场景相比，极大地降低了模拟条件，降低了模拟成本，应用前景好。

Description

一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置

技术领域

本发明属于轨道模拟试验技术领域，涉及一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，特别涉及一种能在实验室环境下以接近实际的方式模拟轮轨及弓网接触状态的实验装置。

背景技术

随着运营时间的增加，铁路轨道会在其轨顶面的某些部位沿纵向出现具有一定规律性和周期性的类似波浪形状的磨耗，这种现象称为轨道波浪形磨耗，简称波磨。轨道波磨是导致轨道损坏、轮轨振动和噪声的主要原因之一。

波磨通常可分为短波长波磨和长波长波磨，前者波长为20～80mm，波深约为0.1～0.5mm；后者波长大于80mm，波深小于2mm。波磨的成因大致可分为动力类和非动力类两种，其中动力类成因认为波磨的波长取决于系统的振动特性。

因此，研究波磨的产生和发展机理就显得尤为必要。而在现有研究轮轨关系的试验台中，多采用滚动试验台，即车轮在施加的载荷下保持静态，同时利用轨道(滚轮)在其下旋转来模拟轮轨接触。滚动试验台采用的加载方法和现实中的加载方法不同，特别是在发生在车辆和轨道子系统中的振动方面。这样的加载方法可以适用于轮轨接触问题的准静态分析，但是当车轮运行时，滚动试验台中的轮轨接触力就会发生变化，使得模拟结果不准确。

因此，开发一种能够真实模拟轮轨接触状态的实验装置极具现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术无法模拟轮轨接触状态的缺陷，提供一种能够真实模拟轮轨及弓网接触状态的环形实验装置，为完善轮轨结构、改进轮轨材质、提高线路质量、延长轨道大修周期、减少线路维修工作量、确保重载、高速列车安全和经济的运行以及减少波磨产生和发展提供了新的实验手段。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，包括水平布置的环形轨道，这是目前为止在实验室环境下能提供连续的、长期的滚动接触的最有效方法；

所述环形轨道整体平滑过渡，环形轨道上布置有实验列车，环形轨道的中央布置有用于牵引实验列车的环形牵引装置，所述环形牵引装置通过转臂和车钩与实验列车连接，在环形牵引装置的作用下实验列车沿环形轨道运动；

所述实验列车包括车体、转向架、轮对和受电弓，所述轮对布置在环形轨道上，所述受电弓与环形轨道上方布置的电缆网接触，模拟真实场景下列车通过受电弓与电缆作用，所述转向架上安装有用于驱动轮对转动的转向架牵引电机，所述转向架牵引电机的输出轴与轮对连接，实验列车的受电弓通过电缆(市电)受电，在受电弓提供电能的驱动下，转向架牵引电机驱动轮动转动，无需进行高压受电，一方面能够极大地降低模拟成本，另一方面提高了模拟实验的安全性。

本发明的环形牵引装置带动转臂驱动的速度可与转向架牵引电机驱动速度形成速度差，从而人为实现轮轨间的各种实验所需纵向蠕滑系数，蠕滑系数可在0～0.5间变化，此蠕滑系数的人为调节可满足牵引或制动实验工况下所需实验蠕滑系数；此外，也可关闭转向架牵引电机，单独使用环形牵引装置牵引实验列车，模拟被机车牵引且无独立动力的车厢即动拖车，本发明仅列举环形实验装置的部分可能的应用场景，本领域技术人员可根据实际需求应用本发明的环形实验装置模拟不同的场景。以目前的技术条件，环形实验装置的实验列车能够模拟0～120km/h的车速范围，当然本发明的保护范围并不仅限于此，采用如上所述的结构的环形实验装置均在本发明的保护范围内，环形实验装置的实验列车能够模拟的车速范围必然随着技术的进步增大。

本发明一方面通过环形牵引装置牵引列车在轨道上做圆周运动，另一方面通过转向架牵引电机驱动轮对自行旋转，在速度控制系统的调节下模拟不同蠕滑率下的轮轨及弓网接触状态，贴近真实情况，能真实模拟轮轨及弓网接触状态。

本发明的模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，与目前多采用的滚动实验台(仅有两轮在转动)相比，本发明通过仿真形式(车、转向架、轮对、电缆、轨道及扣件等部件)逼真地模拟了真实列车在轨道上运行的状态，具有以下优点：1、稳定性及安全性更佳，更接近实际轨道；2、能够提高波磨产生的速度，缩短实验周期，帮助研究人员快速获取急需的实验数据，改善科研进度长期落后于铁路生产发展的问题；3、允许研究人员在不同的轮轨条件下，进行模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的实验，达到试验不同的轮对结构和轨道结构振动特性的目的，从而可以为减少轮轨接触噪声和磨耗提供有效的试验手段和解决方案。此外，本发明中两套动力系统(环形牵引装置及转向架牵引电机)的设计真实地模拟量真实场景中被动力车牵引且同时具有动力的车厢(列车运行时轮轨间产生的蠕滑现象)，与目前机车厂的模拟场景(完全模拟真实场景，机车牵引具有独立驱动装置的车厢)相比，本发明极大地降低了模拟条件(本发明仅需一节车厢即可完成模拟，真实场景需要至少两节车厢才能完成模拟，此外，本发明的环形牵引装置及转向架牵引电机的供电均采用市电，相比之下，真实场景需要高压供电)，降低了模拟成本，极具应用前景。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，所述实验列车是真实列车的比例缩小件，以降低成本，其与真实列车的尺寸比例为1:2～10，具体尺寸比例本领域技术人员可根据实际情况进行设置，此外轨道的尺寸应当与实验列车的尺寸匹配，且应当保证实验列车能够在轨道上平稳运行，不发生侧翻等异常；

所述环形轨道为圆形轨道，小车的圆周运动使得轮轨间产生向心力，有助于模拟横向蠕滑率，本发明的保护范围并不仅限于此，环形轨道也可为包括弧线段和直线段的轨道，或者椭圆形轨道，当然此类型的环形轨道相比于均为弧线段的环形轨道，同时包括弧线段和直线段的环形轨道产生波浪型磨损所需的时间更长，采用本发明的圆形轨道，实验装置的高频振动模拟能够使得轨道最快速地产生波浪型磨损，缩短实验时长，能够降低时间成本。

如上所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，所述受电弓和转向架分别布置在车体的上方和下方，转向架下布置有轮对；

所述转向架在一级、二级悬挂的基础上，在转向架轮对四个导框上方增加旁承来提供六点支撑以提高车体的抗倾覆稳定性。真实列车上有前后两个转向架，每个转向架都提供两个支撑点即四点支撑，而实验列车仅用了一个转向架，提供两个支撑点，因此本发明通过增加了四个旁承以提供六点支撑，以提高车体的抗倾覆稳定性。

如上所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，所述轨道通过弹性扣件固定在轨道道床板上，所述电缆网架设在与轨道道床板固定连接的电缆支架上，本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的固定组件，本发明仅以此为例。

如上所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，所述环形牵引装置包括驱动机构、齿轮盘和液压制动器，所述齿轮盘中央布置有驱动机构，所述驱动机构与转臂连接，用于驱动转臂牵引实验列车做圆周运动，所述转臂通过转臂支架与齿轮盘固定连接，液压制动器布置在齿轮盘的一侧，用于夹紧或松开齿轮盘，夹紧齿轮盘即可对齿轮盘进行制动。

如上所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，所述驱动机构包括电动机和与其连接的减速机，所述减速机与转臂连接，所述电动机与变流调速设备连接；所述环形牵引装置通过变流调速设备来控制电动机的启停及牵引速度。

如上所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，所述齿轮盘下布置有与变流调速设备连接的导电滑环，所述转向架牵引电机通过导电滑环和附于转臂上的电缆来供电，以避免外接电源造成的电缆缠绕问题；

所述变流调速设备包括调速控制器和VVVF变频器，具体是通过控制调速控制器控制驱动机构中的电动机及转向架牵引电机的启停及转速，本发明的变流调速设备的具体构造并不仅限于此，此处仅给出一种可行的技术方案，本领域技术人员可根据实际情况进行具体设置。

如上所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，所述电缆网通过变流设备供电，转向架牵引电机通过受电弓受电，通过控制变流设备控制转向架牵引电机的转速。本发明的转向架牵引电机的供电方式并不仅限于此，本发明仅给出以上两种供电控制方式作为示例，其中通过受电弓受电的方式能够全真地模拟列车真实的状态，相对而言，其成本更高，本领域技术人员可根据实际情况选择转向架牵引电机的合适的供电方式。

如上所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，所述轨道、转向架及弹性扣件采用模块化设计，可根据实际需要更换合适材质、类型或结构的产品，通过模块化更换这些部件能够真实的模拟安有各类零件的场景，实现一机多能，此外弹性扣件是影响列车运行时轨道振动频率的重要因素，同时也是轨道噪声的重要来源，其中弹性扣件具有刚度、横向位置、垂向位置及坡度调节的功能，通过更换弹性扣件及改变(调整)弹性扣件的安装形式，可以实现扣件的不同隔振频率以及轨距(±5mm)、超高(>20mm)、轨底坡(<1：10范围)和轨道平顺度的调节，此外，本发明的弹性扣件相当于现实场景中的轨道的枕木，通过改变弹性扣件的安装间距能够模拟枕距，以求在最大限度地模拟真实应用场景，本发明的设计精巧，通过简单便捷的设计实现了对真实场景的全真模拟，应用前景好。

如上所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，所述环形牵引装置和轮对上安装有转速传感器，所述转向架的质心上安装有加速度传感器，所述齿轮盘与转向架对应位置安装有横向位移传感器，用于测量转向架构架、轮对的横向位移，所述轨道上安装有用于监测应变、位移及振动加速度的传感器；

所有的传感器通过信号适配器及数据采集卡将采集的数据输入到分析软件完成数据采集和分析工作。本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的传感器，同时根据需要安装在合适的位置，数据采集的具体软件及硬件本领域技术人员也可根据实际需要进行选择，此处仅给出一种可行的技术方案而已。

有益效果：

(1)本发明的模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，稳定性及安全性更佳，更接近实际轨道；

(2)本发明的模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，能够提高波磨产生的速度，缩短实验周期，帮助研究人员快速获取急需的实验数据，改善科研进度长期落后于铁路生产发展的问题；

(3)本发明的模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，允许研究人员在不同的轮轨条件下，进行模拟轮轨接触高频振动状态的实验，达到试验不同的轮对结构和轨道结构振动特性的目的，从而可以为减少轮轨接触噪声和磨耗提供有效的试验手段和解决方案；

(4)本发明的模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，通过环形牵引装置和转向架牵引电机两套动力系统来模拟列车运行时导致的蠕滑现象，能真实模拟轮轨及弓网接触状态；

(5)本发明的模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，与完全模拟真实场景相比，极大地降低了模拟条件，降低了模拟成本，极具应用前景。

附图说明

图1为本发明的模拟轮轨接触高频振动状态的环形实验装置的示意图；

其中，1-轨道道床板，2-轨道，3-驱动机构，4-齿轮盘，5-转臂，6-车钩，7-转向架，8-受电弓，9-转向架牵引电机，10-车体，11-轮对，12-液压制动器，13-电缆网，14-电缆支架，15-弹性扣件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

实施例1

一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，如图1所示，包括水平布置的环形轨道2；

环形轨道2为整体平滑过渡的圆形轨道，其通过弹性扣件15固定在轨道道床板1上，环形轨道2上布置有实验列车，环形轨道的中央布置有用于牵引实验列车的环形牵引装置，环形牵引装置通过转臂5和车钩6与实验列车连接，在环形牵引装置的作用下实验列车沿环形轨道2运动；

环形牵引装置包括驱动机构3、齿轮盘4和液压制动器12，齿轮盘4中央布置有驱动机构3，驱动机构3包括电动机和与其连接的减速机，减速机与转臂5连接，用于驱动转臂5圆周转动，电动机与变流调速设备(包括调速控制器和VVVF变频器)连接，转臂5通过转臂支架与齿轮盘4固定连接，液压制动器12布置在齿轮盘4的一侧，用于夹紧或松开齿轮盘4，夹紧齿轮盘4即可对齿轮盘4进行制动，环形牵引装置通过调速控制器来控制电动机的启停及牵引速度；

实验列车是真实列车的比例缩小件，其与真实列车的尺寸比例为1:2～10，实验列车包括车体10、转向架7、轮对11和受电弓8，其中，受电弓8和转向架7分别布置在车体10的上方和下方，转向架7下布置有轮对11，轮对11布置在环形轨道2上，受电弓8与环形轨道2上方布置的电缆网13接触，其架设在与轨道道床板1固定连接的电缆支架14上，转向架7在一级、二级悬挂的基础上，在转向架轮对四个导框上方增加旁承来提供六点支撑以提高车体的抗倾覆稳定性，转向架7上安装有用于驱动轮对11转动的转向架牵引电机9，转向架牵引电机9的输出轴与轮对11连接，转向架牵引电机9通过布置在齿轮盘4下方且与变流调速设备(包括调速控制器和VVVF变频器)连接的导电滑环和附于转臂5上的电缆来供电，通过控制调速控制器控制转向架牵引电机的启停及转速；

轨道2、转向架7及弹性扣件15采用模块化设计。

采用以上装置进行产生波磨的动力类成因的摩擦验证实验，需要安装以下传感器：安装在环形牵引装置和轮对上的转速传感器，安装在转向架的构架上的加速度传感器，安装在齿轮盘与转向架对应位置的横向位移传感器，安装在轨道上的用于监测应变、位移及振动加速度的传感器；所有的传感器通过信号适配器及数据采集卡将采集的数据输入到分析软件完成数据采集和分析工作。

实验的具体步骤如下：

首先进行一小时的低速滑动试验，同时记录摩擦振动信号和轨道的磨痕轮廓。然后每隔半小时观察一次轨道的磨痕，直至产生初始波磨。此后每隔十分钟观察一次轨道磨痕，直至产生明显的波磨，之后停止摩擦试验。

经验证，本发明的模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，稳定性及安全性更佳，更接近实际轨道；能够提高波磨产生的速度，缩短实验周期，帮助研究人员快速获取急需的实验数据，改善科研进度长期落后于铁路生产发展的问题；允许研究人员在不同的轮轨条件下，进行模拟轮轨接触高频振动状态的实验，达到试验不同的轮对结构和轨道结构振动特性的目的，从而可以为减少轮轨接触噪声和磨耗提供有效的试验手段和解决方案；通过环形牵引装置和转向架牵引电机两套动力系统来模拟列车运行时导致的蠕滑现象，能真实模拟轮轨及弓网接触状态；与完全模拟真实场景相比，极大地降低了模拟条件，降低了模拟成本，极具应用前景。

实施例2

一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其结构与实施例1基本相同，不同在于，转向架牵引电机的供电方式，转向架牵引电机通过受电弓与电缆网受电，而电缆网通过变流设备供电，通过控制变流设备控制转向架牵引电机的转速。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (10)

1.一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，包括水平布置的环形轨道；

所述环形轨道整体平滑过渡，环形轨道上布置有实验列车，环形轨道的中央布置有用于牵引实验列车的环形牵引装置，所述环形牵引装置通过转臂和车钩与实验列车连接，在环形牵引装置的作用下实验列车沿环形轨道运动；

所述实验列车包括车体、转向架、轮对和受电弓，所述轮对布置在环形轨道上，所述受电弓与环形轨道上方布置的电缆网接触，所述转向架上安装有用于驱动轮对转动的转向架牵引电机，所述转向架牵引电机的输出轴与轮对连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，所述实验列车是真实列车的比例缩小件，其与真实列车的尺寸比例为1:2～10；

所述环形轨道为圆形轨道。

3.根据权利要求1所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，所述受电弓和转向架分别布置在车体的上方和下方，转向架下布置有轮对；

所述转向架在一级、二级悬挂的基础上，在转向架轮对四个导框上方增加旁承来提供六点支撑以提高车体的抗倾覆稳定性。

4.根据权利要求1所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，所述轨道通过弹性扣件固定在轨道道床板上；所述电缆网架设在与轨道道床板固定连接的电缆支架上。

5.根据权利要求1所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，所述环形牵引装置包括驱动机构、齿轮盘和液压制动器，所述齿轮盘中央布置有驱动机构，所述驱动机构与转臂连接，用于驱动转臂牵引实验列车做圆周运动，所述转臂通过转臂支架与齿轮盘固定连接，液压制动器布置在齿轮盘的一侧，用于夹紧或松开齿轮盘，夹紧齿轮盘即可对齿轮盘进行制动。

6.根据权利要求5所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，所述驱动机构包括电动机和与其连接的减速机，所述减速机与转臂连接，所述电动机与变流调速设备连接；所述环形牵引装置通过变流调速设备来控制电动机的启停及牵引速度。

7.根据权利要求6所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，所述齿轮盘下布置有与变流调速设备连接的导电滑环，所述转向架牵引电机通过导电滑环和附于转臂上的电缆来供电；

所述变流调速设备包括调速控制器和VVVF变频器。

8.根据权利要求6所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，所述电缆网通过变流设备供电，转向架牵引电机通过受电弓受电，通过控制变流设备控制转向架牵引电机的转速。

9.根据权利要求4所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，所述轨道、转向架及弹性扣件采用模块化设计。

10.根据权利要求5所述的一种模拟轮轨及弓网接触高频振动状态的环形实验装置，其特征在于，所述环形牵引装置和轮对上安装有转速传感器，所述转向架的构架上安装有加速度传感器，所述齿轮盘与转向架对应位置安装有横向位移传感器，所述轨道上安装有用于监测应变、位移及振动加速度的传感器；

所有的传感器通过信号适配器及数据采集卡将采集的数据输入到分析软件完成数据采集和分析工作。

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