CN112082779B - 地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统 - Google Patents

地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统 Download PDF

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Abstract

本专利公开了一种地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，包括驱动轮、电机、差速装置、固定装置在内的驱动装置、地震模拟振动台以及车辆模型、列车运行线路的数值模型，其特征在于，基于现有地震模拟振动台设备和实时混合试验技术，线路数值模型实时计算当前时间步桥梁和轨道变形，通过地震模拟振动台将地震强作用传递至车辆模型上，根据实时车速计算车轮转速，驱动装置带动车辆模型车轮向后转动，模拟车辆在轨道上向前运动的情形，测量车辆模型对驱动轮的作用力并施加到线路数值模型中进行下一时间步的运算，反复上述过程，直至试验工况结束。整个试验系统为地震下高速铁路列车走行实时模拟试验研究提供了节约便捷的建设方式和安全可靠的技术保障。

Description

地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统
技术领域
本专利涉及高铁线路行车模拟装置技术领域，具体涉及一种地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统。
背景技术
近年来，我国高速铁路事业发展迅猛，在总里程和运行速度等众多方面都稳居世界首位。我国疆土辽阔，地质条件复杂，时常有地震等自然灾害的发生，这些均给高速铁路运行带来威胁。我国位于环太平洋地震带，属于地震多发国家，数次地震给人民生命财产造成的损失不可估量。高速列车运行时不可避免会有遭遇地震的可能，研究地震作用下高速列车的安全运行及车轨耦合振动成为高铁建设的重中之重。由于地震的偶发性，无法实地采集地震下高速列车运行数据；且国内外相关的试验设备数量较少，设备建设较为困难，地震作用下高速列车运行稳定性以及车轨耦合振动的研究受到限制，许多研究机构局限于理论分析和数值仿真，缺少相关试验数据支持。地震模拟振动台作为地震模拟的主要实验设备在国内外应用较广。因此，在现有地震模拟振动台设备基础上，研究一种新型列车动态模拟实验系统意义重大。
地震模拟振动台作为模拟地震的主要动力试验设备在国内外发展十分迅速，在房屋建筑、桥梁等土木抗震领域研究领域应用广泛。实时混合试验技术是通过数值模型和试验模型数据实时交互分析得到结构振动特性的试验方法，目前在国内外研究十分广泛。结合地震模拟振动台和实时混合试验技术可以解决地震下高速铁路列车运行试验的两大难题。(1)常规列车运行试验一般建立铁路试验线或滚振台试验，试验线占地大且造价高，高速铁路列车试验需要更长的加速和减速距离及装置，较常规列车试验线占地更大、造价更高，滚振台占地较小但建设成本大、技术难度大；结合现有的地震模拟振动台和实时混合试验技术对线路部分建立数值模型，制作高速铁路列车试验模型，大大降低试验用地和建设费用。(2)铁路试验线无法复现地震下的行车试验工况，滚振台可复现预先设计好的地震下试验路谱工况，无法考虑车辆对轨道的反作用力对线路的动力作用；结合现有的地震模拟振动台和实时混合试验技术，将地震作用输入给线路部分数值模型，试验过程中线路部分数值模型和高速铁路列车试验模型实时进行数据交互，保证地震下的行车过程模拟与现实的一致性。基于此，地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统可有限试验用地和建设费用基础上模拟地震下的高速列车行车过程。
发明内容
针对现有技术问题，本专利提供了地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，结合现有的地震模拟振动台和实时混合试验技术模拟高速铁路列车和列车运行线路进行地震下高速铁路列车运行模拟测试。
为了实现上述目的，本专利的技术方案是：地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，包括驱动轮、电机、差速装置、固定装置在内的驱动装置、地震模拟振动台以及车辆模型、列车运行线路的数值模型。电机通过转动轴和齿轮带动驱动轮转动，带动车辆模型的车轮转动模拟车轨之间相互作用，采用实时混合试验技术，计算列车运行线路的数值模型在地震下的变形模拟地震作用下桥梁和轨道的变形。
本专利还在于，根据列车运行线路数值模型实时计算地震下的桥梁以及轨道结构刚体位移及变形量，通过地震模拟振动台实现三向六自由度的振动实时复现桥梁以及轨道结构刚体位移及变形量，车辆模型与驱动轮之间的接触力发生变化并实时反馈至列车运行线路数值模型再次计算，重复此过程从而模拟现实中地震作用下桥梁以及轨道结构的变形。
本专利还在于，车辆模型平稳放置于四个地震模拟振动台的四个驱动轮轮对上，一个车辆轮对对应一个驱动轮轮对，一个驱动轮轮对对应一个振动台，驱动轮转动。车身不动，驱动轮和车轮密贴接触，驱动轮带动车轮向后转动，与现实中车辆在轨道上向前运动等效。通过这种轮-轮关系模拟列车真实运行状态的轮-轨关系。
本专利还在于，地震模拟振动台之间间距可调，地震模拟振动台可以实现三向六自由度的运动，精确控制负载底部运动。地震模拟振动台台面通过螺栓与连接板相连，根据试验需求可调整连接板位置及尺寸。
本专利还在于，电机用螺栓固定在连接板上，保证了试验系统动力源的安全性。固定装置与连接板焊接，并焊有三角加强钢板提高侧向支撑力，振动台台面通过连接板和固定装置精确控制驱动轮的位移，模拟地震作用下桥梁以及轨道结构的变形。
本专利还在于，电机提供电驱动，电机转动轴转动，从而带动齿轮传递转动状态，使得驱动杆转动，再通过另一对齿轮带动与驱动轮连接的转动轴转动，从而使驱动轮转动，可根据车辆运动速度给驱动轮提供不同的转速。
本专利还在于，驱动轮之间安装差速装置，左右驱动轮速度可不同，模拟左右轮不同运行速度的轮-轨关系。
本专利还在于，固定装置内嵌轴承，驱动轮转动轴通过该轴承与固定装置连接，转动轴与轴承密贴，消除转动轴与固定装置之间的干摩擦和相对振动，保证驱动轮正常转动。
本专利还在于，车辆模型首尾均通过连杆与固定于地面上的反力架连接，连杆和反力架用球铰连接，连杆有足够的转动空间，反力架通过地脚螺栓固定于地面上。
本专利还在于，驱动轮之间用伸缩杆连接，伸缩杆长度可调，确定长度后用螺栓固定，伸缩杆的长度根据试验车辆模型轮距调节，模拟不同车型。
本专利有益效果在于：
(系统建设要求)系统结合现有的地震模拟振动台和实时混合试验技术对线路部分建立数值模型，制作高速铁路列车试验模型，不需额外建设滚振台等其他试验设备或高铁试验线。驱动装置通过连接板与地震模拟振动台台面用螺栓连接，不对振动台设备本身进行改造。在保证地震下高速铁路列车运行模拟时减小试验用地、降低建设费用和技术难度。
(系统功能特色)试验系统通过驱动轮带动车轮转动，以模拟轮 -轨关系和列车行驶状态，同时根据数值模型实时计算的桥梁和轨道的变形，借助地震模拟振动台模拟进行复现，共同模拟地震下桥梁振动的强作用和车辆对桥梁的弱作用的耦合，完成地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统。
(系统安全性)车头尾用连杆和反力架通过球铰连接，正常运行时，连杆有足够的转动空间，对车辆模型无约束，若车辆模型坠落，连杆提供足够的支撑力，保证车辆模型和试验设备不会损坏。反力架通过地脚螺栓固定在地面上，电机用螺栓与连接板相连，驱动杆、驱动轮的转动轴用固定装置与连接板焊接，并焊有三角加强钢板，连接板通过螺栓与地震模拟振动台台面相连，各连接点确保地震模拟振动台振动时装置不会松动脱落。确保了整个系统的安全性和可行性。下面将结合图形进一步说明
附图说明
图1为试验系统的三维模型总图
图2为驱动装置三维图
图3为地震模拟振动台三维图
图4为反力架三维图
图5为固定装置详图
其中，1为车辆模型，2驱动装置(包括：201为电机，202为驱动轮固定装置，203为车辆模型轮对，204为差速装置，205为驱动轮，206为齿轮，207为驱动杆，208为驱动杆固定装置，209为电机转动轴，210为轴承，211为驱动轮转动轴，212为连接板)，3 为地震模拟振动台，301为螺栓，4为反力架(包括：401为反力架柱，402为连杆水平支撑，403为反力架加固板，404连接套筒， 405为连杆竖向支撑，406为反力架柱加固板，407为车身连接法兰，408为球铰，409为液压连杆)，
具体实施方法
下面对本专利的技术内容的进一步说明，但并非对本专利实质内容的限制。图1是为试验系统的三维模型总图。系统主要由车辆模型1、驱动装置2、地震模拟振动台3、反力架4等组成，基于实时混合试验技术，线路数值模型实时计算当前时间步桥梁和轨道变形，通过地震模拟振动台3将地震强作用传递至车辆模型1上，根据实时车速计算车轮转速，驱动装置2带动车辆模型1车轮向后转动，模拟车辆在轨道上向前运动的情形，测量车辆模型1对驱动轮205的作用力并施加到线路数值模型中进行下一时间步的运算，反复这个过程，直至试验工况结束。驱动轮205与车辆模型1中的车轮紧密贴合，以轮- 轮关系模拟轮-轨关系。驱动装置2与地震模拟振动台3用螺栓301 连接在一起，模拟地震作用下桥梁与轨道的变形。车辆模型1的头尾两端用液压连杆409和球铰408与反力架4连接，液压连杆409有一定的活动范围，在正常试验过程中不会对车辆模型1产生约束，在车辆脱轨时提供足够的支撑力，不会造成模型和设备损坏。图2为驱动装置2的三维图，由电机201作为动力源驱动电机转动轴209转动，通过齿轮与驱动杆207形成传动装置，驱动杆207通过齿轮206带动驱动轮转动轴211，驱动轮转动轴211与驱动轮205通过螺栓连接，驱动轮205跟随驱动轮转动轴211转动，并带动车辆模型轮对203滚动，形成轮-轮关系模拟高速列车在线路上行驶时的轮-轨关系。电机 201通过螺栓与连接板212连接，驱动轮固定装置202和驱动杆固定装置208焊接在连接板212上，并焊有三角加强钢板，提供足够的支撑力。差速装置204使驱动轮205的两驱动轮具有不同的转速，从而模拟车轮左右轮不同转速的情况。另外，差速装置204包含伸缩杆，能实现对驱动轮205轮距的调节，以适应不同车轮轮距的试验需求。驱动轮转动轴211和驱动杆207均采用轴承210分别与驱动轮固定装置202和驱动杆固定装置208密贴连接。图3为地震模拟振动台三维图，地震模拟振动台3通过螺栓301与连接板212连接，连接板 212尺寸和位置需根据试验需求调节，螺栓301分布需根据试验时振动台出力进行布置。图4为反力架三维图，液压杆409连接在车身连接法兰407上。球铰408与液压杆409另一端相连。反力架柱401下端焊接反力架加固板403，上端焊接反力架柱加固板406，使反力架 4具有足够的刚度。连杆水平支撑402和连杆竖向支撑405通过连接套筒404与球铰409相连。图5为固定装置详图，驱动轮转动轴211 通过轴承210与驱动轮固定装置202连接，驱动轮转动轴211与轴承 210之间、轴承210与驱动轮固定装置202之间均为密贴，确保两两之间不会有相对滑动和缝隙，驱动轮转动轴可任意转动，不会受到转动约束。通过以上设计为地震下高速铁路列车走行实时模拟试验研究提供了技术保证。

Claims (9)

1.地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，其特征在于：包括驱动轮、电机、差速装置、固定装置在内的驱动装置、地震模拟振动台以及车辆模型、列车运行线路的数值模型；整个系统主要分为两个部分，第一部分是车轨相互作用模拟，第二部分是地震作用下桥梁和轨道变形模拟；
车辆模型平稳放置于四个地震模拟振动台的四个驱动轮轮对上，一个车辆轮对对应一个驱动轮轮对，一个驱动轮轮对对应一个振动台，驱动轮转动，带动车轮转动，模拟车辆在轨道上运行时车轮滚动过程，通过这种轮-轮关系来模拟列车真实运行状态；
根据列车运行线路数值模型实时计算地震下的桥梁以及轨道结构变形量，通过地震模拟振动台实现三向六自由度的振动实时复现桥梁以及轨道结构变形量，带动台面上的驱动轮与高铁车辆模型振动，车辆模型与驱动轮之间的接触力发生变化并实时反馈至列车运行线路数值模型再次计算，重复此过程从而模拟现实中地震作用下桥梁以及轨道结构的变形；
车辆模型首尾均通过液压连杆与固定于地面上的反力架连接，防止车辆模型脱轨时坠落；
液压连杆和反力架用球铰连接，液压连杆有足够的转动空间，满足车辆模型试验振动需求，若车辆模型坠落，连杆提供足够的支撑力，保证车辆模型和试验设备不会损坏。
2.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，其特征在于：电机提供电驱动，带动驱动轮转动。
3.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，其特征在于：固定装置将驱动轮固定于地震模拟振动台台面上，固定装置与连接板焊接，并焊有三角加强钢板，提供足够的支撑力。
4.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，其特征在于：振动台台面上的装置均与连接板连接，并将连接板用螺栓固定在台面上。
5.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，其特征在于：同一振动台上驱动轮轮对之间由伸缩杆连接，伸缩杆根据不同车辆轮距调整驱动轮之间距离，满足不同车型的试验需求。
6.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，其特征在于：同一振动台上驱动轮轮对之间用差速装置连接，以模拟左右轮不同速的状态。
7.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，其特征在于：电机转动轴通过齿轮带动驱动轮转动轴运动，根据车辆车轮滚动速度给驱动轮提供不同的转速。
8.根据权利要求3所述的地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，其特征在于：固定装置内嵌轴承，驱动轮转动轴通过该轴承与固定装置连接，转动轴与轴承密贴，消除转动轴与固定装置之间的摩擦和相对振动，保证驱动轮正常转动。
9.根据权利要求1或4所述的地震作用下高速铁路列车走行实时模拟试验系统，其特征在于：地震模拟振动台之间间距可调，振动台上连接板固定位置可调，根据不同车型调整驱动轮与车辆模型之间的相对位置，满足不同车型的试验需求。
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