CN112284703A - 一种全尺寸轮对道岔接触实验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全尺寸轮对道岔接触实验台。其包括：基础平台、轨道驱动系统、龙门支架、工装夹具、传感监测系统，以及可根据实验需要更换不同型号的道床、道岔、钢轨和轮对。本发明通过轨道驱动系统驱动实验轨道直动往复运动，通过工装夹具对其所连接的轮对施加垂直向下的作用力，使得轮对的底部下压实验轨道并受往复运动的实验轨道的摩擦力驱动而旋转，模拟轮对通过道岔的过程。由此，本发明可以在模拟轮对通过道岔的过程中通过相应的传感监测系统获取最接近真实工况下的各传感数据，实现对全尺寸轮对道岔接触状况的模拟和实验数据采集。本发明所获得的实验数据有助于降低轨道车辆的振动及运行噪声，提高列车过叉速度，减少对周围建筑物的影响。

Description

一种全尺寸轮对道岔接触实验台

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体而言涉及一种全尺寸轮对道岔接触实验台。

背景技术

轮轨系统是铁路和城市轨道交通运输系统中的关键零部件，轮轨关系问题是轨道运输技术的关键问题。道岔是轨道的重要组成部分，由转辙器（尖轨、基本轨、护轨）、连接部分、辙叉等部分组成，其中尖轨和辙叉是变截面结构，会使轮岔关系与轮轨关系相比具有较大差异，是轨道系统中的薄弱部位。轨道车辆通过道岔的过程中，车轮与道岔之间的滚动接触关系也更加复杂。因此，研究轮对和道岔之间的接触状态及动态特性，对轨道运输系统而言尤为重要。轮对和道岔之间的接触状态及动态特性对于减缓道岔磨耗，降低企业运营成本以及充分提高道岔通过性能都具有十分关键的作用。

目前，针对轮对-道岔接触关系的研究，通常采用数值模拟仿真的方法。现有的一些研究过程中，也可以通过轮岔实验进行轮岔关系的研究。该试验中，轮岔的滚动接触状态主要有实验台实验或线路实体实验进行模拟。

线路实体实验更接近轨道交通工具的实际运行情况，但其具有试验持续时间长，成本巨大，对线路运营影响大，不易单独测试某个单一因素对轮岔关系的影响等缺陷。

实验台实验经济快捷，便于单独测试某个因素对轮岔关系的影响，同时，实验可以模拟各种极限工况。因此世界各国开发了各种形式的轮轨关系实验台，以研究轮轨接触情况及车辆动力学性能。

现有的轮轨实验台大多采用轮-轮对滚的形式模拟车轮通过钢轨的过程。然而，在现实中，钢轨本身无曲率，用于实验的轨道轮其自身的曲率将会影响轮轨之间的接触状态。因此，现有轮-轮对滚实验台的模拟结果往往与实际运行状态存在一定的偏差。

除上述轮-轮对滚的形式以外，现有技术中还存在通过曲柄滑块机构模拟车轮通过钢轨过程的实验台。这种结构虽然克服了轮-轮对滚实验中轨道轮本身存在曲率、实验结果不准确的缺陷，但是这种实验结构具有占地面积大，不易保证轮对匀速运动的缺点。

此外，现有技术中，有的实验台还可采用行星轮带动轨道进行往复运动，通过这样的结构实现对真实轮轨关系的模拟，而不需要改变电机转向。但是，现有行星轮带动轨道进行往复运动的实验系统依旧存在造价与维护成本高、占地面积大等问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种全尺寸轮对道岔接触实验台，本发明通过丝杆与道床之间的联动，以及龙门支架对整体车轮的支撑，能够模拟真实的轮岔滚动接触状态，实现对其动力学性能的准确测试。本发明具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种全尺寸轮对道岔接触实验台，其包括：基础平台，用于固定所述全尺寸轮对道岔接触实验台；轨道驱动系统，其设置在所述基础平台上，用于沿基础平台轴线方向输出往复的驱动力；道床，其固定安装在所述轨道驱动系统的顶部，随同所述轨道驱动系统同步沿基础平台轴线方向往复运动；实验轨道，其固定安装在所述道床上，随同所述道床同步沿基础平台轴线方向往复运动；龙门支架，其底部与所述基础平台的两侧固定连接，以垂直于实验轨道往复运动的方向横跨设置在基础平台的上方；工装夹具，其设置在所述龙门支架的正下方与所述实验轨道之间，用于连接并固定实验用的轮对，并对所述轮对施加垂直向下的作用力，使得所述轮对的底部下压实验轨道并受往复运动的实验轨道的摩擦力驱动而旋转，模拟轮对通过道岔的过程；传感监测系统，其至少设置在所述工装夹具与龙门支架之间，用于检测并获取轮对通过道岔过程中的实验数据。

可选的，如上任意所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其中，所述实验轨道包括：道岔、护轨以及基本轨；所述道床与轨道驱动系统之间、所述实验轨道与道床之间、所述轮对与工装夹具之间均为可拆卸连接，所述道床、实验轨道以及轮对均分别包括有若干型号，能够根据实验需要进行拆卸更换和重新安装。

可选的，如上任意所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其中，所述轨道驱动系统包括：电机，其固定安装在所述基础平台上，所述电机的电机轴沿所述基础平台的轴线方向设置，用于旋转输出驱动力；丝杆，其与所述电机的电机轴固定连接，用于随同所述电机轴的旋转而同步转动；往复运动平台，其底部与所述丝杆的螺母副刚性相连，其顶部与所述道床以及实验轨道固定连接，所述往复运动平台随同所述丝杆往复转动而同步带动所述道床以及实验轨道沿基础平台轴线方向往复移动。

可选的，如上任意所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其中，所述丝杠包括：往复丝杆和/或滚珠丝杆；所述轨道驱动系统还包括：导轨，其沿所述往复运动平台的移动方向固定安装在所述基础平台的两侧；平台导向轮，其转动设置在所述往复运动平台的两侧，位于所述导轨的正上方，限制所述往复运动平台仅能够沿导轨进行水平直线往复运动。

可选的，如上任意所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其中，所述龙门支架包括分别设置在基础平台两侧的龙门立柱以及水平设置在两龙门立柱顶部的水平横梁；所述水平横梁与工装夹具的顶部之间连接有加载装置，所述加载装置固定在轮对的轴向位置，用于垂直于轮对的轴向施加向下的作用力，使得所述轮对的底部下压实验轨道。

可选的，如上任意所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其中，所述工装夹具设置在两龙门立柱之间，位于龙门支架的内侧；所述工装夹具的外侧还分别设置有滑块；所述两龙门立柱的内侧壁上还分别开设有垂直方向的滑轨，所述滑块嵌入所述滑轨；工装夹具受所述加载装置下压而由滑块及滑轨引导，带动所述轮对垂直向下紧密抵接在实验轨道的上表面并沿实验轨道的上表面运动。

可选的，如上任意所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其中，所述传感监测系统包括：设置在水平横梁与加载装置之间的位移传感器和/或力学传感器，其中，所述位移传感器用于检测轮对通过道岔的过程中轮对的垂向位移、速度、加速度中的一种或其组合，所述力学传感器用于检测轮对通过道岔的过程中轮对对实验轨道的作用力。

可选的，如上任意所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其中，所述工装夹具对称设置在所述轮对轴向的两端。

可选的，如上任意所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其中，所述加载装置对称设置在轮对轴向位置的上方，轮对两端的加载装置同步运转，同时对所述轮对的轴向两侧同样施加向下的作用力。

有益效果

本发明通过轨道驱动系统驱动实验轨道直动往复运动，通过工装夹具对其所连接的轮对施加垂直向下的作用力，使得轮对的底部下压实验轨道并受往复运动的实验轨道的摩擦力驱动而旋转，模拟轮对通过道岔的过程。由此，本发明可以在模拟轮对通过道岔的过程中通过相应的传感监测系统获取最接近真实工况下的各传感数据，实现对全尺寸轮对道岔接触状况的模拟和实验数据采集。本发明所获得的实验数据有助于降低轨道车辆的振动及运行噪声，提高列车过叉速度，减少对周围建筑物的影响。

进一步，本发明通过加载装置在轮对轴向位置施加垂向作用力，模拟轨道车辆在运行时轮对所受到的载荷。本发明模拟轮对运行状况，通过对龙门支架、加载装置和工装夹具的设计，使得轮对在通过道岔时所受到的垂向载荷不变，轮对只允许垂向的移动和绕轴线的转动。本发明在轨道驱动系统作用下使道岔做直线往复运动，利用轮轨间的摩擦力使得轮对旋转，进而使得本发明能够以最为接近实际工况的方式模拟轮对通过道岔的过程。

本发明在实验过程中，可以根据不同的实验需要，安装不同的传感器，从而获取不同的传感数据，实现不同的实验目的。除实时监测和输出轮对的垂向位移外，本发明还能通过加装探针以采集轮轨表面伤损情况，研究轮对通过道岔时与道岔的摩擦磨损情况，探究道岔表面伤损的原因，阐明轮岔表面伤损的规律和影响因素，从而有利于找到减轻道岔表面损伤的方法。本发明还可以通过安装传感器测得轮对通过道岔过程中的速度、加速度变化规律，也可以通过更换道床来研究不同道床的减振性能。本发明采用整体车轮和道岔钢轨进行试验，这样做能够充分模拟在真实情况下轮对通过道岔时的接触及动力学性能。本发明机械结构简单，具有成本低、自动化程度高、准确性高等特点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的全尺寸轮对道岔接触实验台的整体结构示意图；

图2是本发明的全尺寸轮对道岔接触实验台的主视图；

图中，1—龙门支架，2—滑块，3—滑轨，4—加载装置，5—工装夹具，6—轮对，7—道岔，8—平台导向轮，9—导轨，10—往复运动平台，11—道床，12—滚珠丝杆，13—电机，14—基础平台，15—位移传感器，16—力学传感器，17—护轨，18—基本轨。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于全尺寸轮对道岔接触实验台本身而言，由试验台外壳指向龙门支架以及基础平台之间工装夹具的方向为内，反之为外；而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本发明中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对全尺寸轮对道岔接触实验台时，由基础平台指向龙门支架水平横梁的方向即为上，反之即为下，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明提供有一种用于研究轮对通过道岔结构时轮岔滚动接触状态的实验台，其包括：

基础平台14，用于固定所述全尺寸轮对道岔接触实验台；

轨道驱动系统，其设置在所述基础平台14上，用于沿基础平台14轴线方向输出往复的驱动力；

道床11，其固定安装在所述轨道驱动系统的顶部，随同所述轨道驱动系统同步沿基础平台14轴线方向往复运动；

实验轨道，其固定安装在所述道床11上，随同所述道床11同步沿基础平台14轴线方向往复运动；

龙门支架1，其底部与所述基础平台14的两侧固定连接，以垂直于实验轨道往复运动的方向横跨设置在基础平台14的上方；

工装夹具5，其设置在所述龙门支架1的正下方与所述实验轨道之间，用于连接并固定实验用的轮对6，并对所述轮对6施加垂直向下的作用力，使得所述轮对6的底部下压实验轨道并受往复运动的实验轨道的摩擦力驱动而旋转，模拟轮对通过道岔的过程；

传感监测系统，其至少设置在所述工装夹具5与龙门支架之间，用于检测并获取轮对通过道岔过程中的实验数据。

本发明可以用于研究轨道车辆通过道岔中辙叉部分和尖轨转辙器部分的滚动接触状态。通过更换实验台上的实验轨道，即可实现对各种型号类型辙叉的滚动接触实验，可以实现对不同平面形式、不同区段尖轨的滚动接触实验，也可以实现不同减振道床的滚动接触实验。搭建本发明所提供的全尺寸轮对-道岔接触实验台对轮对通过道岔时的轮轨关系进行研究，可有助于降低轨道车辆的振动及运行噪声，提高列车过叉速度，减少对周围建筑物的影响。

在更为具体的实现方式下，参照图1以及图2所示，本发明的全尺寸轮对道岔接触实验台具体可设置为由龙门支架、基础平台、平台导向轮、导轨、轨道驱动系统（包括电机、滚珠丝杆及连接装置）、往复运动平台、道床、道岔（部分辙叉、尖轨）、基本轨与护轨、轮对、加载装置、各种传感器等部分构成。基础平台设置在水平面上，龙门支架通过龙门立柱支撑固定在基础平台上；轨道驱动系统安装在基础平台两根龙门立柱中间，轨道驱动系统中的滚珠丝杆的螺母副与往复运动平台刚性连接，从而将电机的转动转化为往复运动平台的直动；往复运动平台上装有四个导向轮，在基础平台导轨上往复运动；使电机转动，滚珠丝杆螺母副将电机的运动传递给往复运动平台，使安装在平台上的导向轮滚动，通过连接装置带动往复运动平台连同道床做水平直线运动，通过改变电机转向可实现直线往复运动。轮对放置在道岔和钢轨上，道岔由往复运动平台带动而进行直线运动的过程中能够通过摩擦力作用于轮对使其滚动；加载装置安装在龙门支架的顶部，加载装置的底部通过工装夹具在轴向位置对轮对施加垂向作用力，工装夹具的侧面通过滑块滑轨固定在龙门立柱的侧方，滑块滑轨装置可以限制轮对横向和纵向的移动与转动，使轮对只能垂向移动和旋转，并且可以减小摩擦力，保证轮对微小的垂向位移也不会因为摩擦而损失，从而将轮对的受力状况最大限度地传递给加载装置上端所安装的力学传感器和位移传感器。力学传感器和位移传感器通常可被固定并安装在传感器套筒中，由套筒结构提供对传感器的保护及限位作用。

在此示例中，基础平台14对整个实验台装置起到固定和支撑的作用，龙门支架1与各装置组成完整的系统，放置于水平地面。滑轨3安装在1龙门支架的龙门立柱内侧，滑块2固定安装在工装夹具5的外侧，滑块2与滑轨3配合运动。工装夹具5通过加载装置4固定在轮对6的轴向位置，并为轮对6处施加垂向下的作用力。工装夹具5侧面通过滑块2滑轨3固定于1龙门立柱的侧方。轮对6放置于道岔7、基本轨18上，道岔7放置在道床11上，道床11放置在往复运动平台10上。轨道驱动系统由电机13、滚珠丝杠12及连接装置组成。往复运动平台10与滚珠丝杆12螺母副刚性相连，同时往复运动平台10的边缘安装有四个平台导向轮8与基础平台14上的导轨配合运动。本发明中轮对6、道岔7、道床11均可更换，可通过电机13转速控制轮对过岔的速度，可通过加载装置4向下施压模拟载荷对轮对的作用力，因此，本发明可模拟不同速度、不同载荷、不同轮岔型面匹配、不同道床情况下轮对通过道岔的接触与动力学性能。

本发明提供的全尺寸轮对-道岔接触实验台，其进行实验时，具体控制方法如下：驱动电机13转动使得12滚珠丝杠转动，改变电机13转向可实现滚珠丝杠螺母副带动往复运动平台10做往复运动。此时，可通过四个平台导向轮8在导轨9上运动带动往复运动平台10进行水平直线往复运动。轮轨间的摩擦力使得实验用的轮对6旋转，模拟轮对6通过道岔7的过程。其中，本发明可通过改变电机13的输出转速，而模拟道岔7运动速度的改变，模拟轮对6以不同速度通过道岔7的运行状态；本发明可通过改变加载装置4的力矩输出可以改变轮对6所受到的垂向力，模拟列车以不同的载荷通过道岔7的运行状态。上述模拟过程中，本发明可通过位移传感器15以及力学传感器16，可以在实验过程中实时监测和输出轮对6的垂向位移和对轮对6所施加的垂向力的大小。也可以通过加装其他传感器测得轮对通过道岔过程中的速度、加速度变化规律以及轮轨表面伤损情况，使本发明实现更多的功能。

本发明所设计的“全尺寸轮对-道岔接触实验台”，轨道为现场所用实际钢轨，可弥补轮-轮对滚实验台轨道轮的曲率对轮轨接触关系影响的偏差。本发明的实验装置操作简单方便。轨道驱动系统也可以将滚珠丝杆替换成往复丝杆，从而通过电机的单向转动即可带动往复丝杆做直线往复运动，无需改变电机转向。

本发明也可用于研究不同车轮（车轮直径、车轮型面）通过不同道岔的性能，该实验台除道岔部分可以更换之外，轮对也可更换。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种全尺寸轮对道岔接触实验台，其特征在于，包括：

基础平台（14），用于固定所述全尺寸轮对道岔接触实验台；

轨道驱动系统，其设置在所述基础平台（14）上，用于沿基础平台（14）轴线方向输出往复的驱动力；

道床（11），其固定安装在所述轨道驱动系统的顶部，随同所述轨道驱动系统同步沿基础平台（14）轴线方向往复运动；

实验轨道，其固定安装在所述道床（11）上，随同所述道床（11）同步沿基础平台（14）轴线方向往复运动；

龙门支架（1），其底部与所述基础平台（14）的两侧固定连接，以垂直于实验轨道往复运动的方向横跨设置在基础平台（14）的上方；

工装夹具（5），其设置在所述龙门支架（1）的正下方与所述实验轨道之间，用于连接并固定实验用的轮对（6），并对所述轮对（6）施加垂直向下的作用力，使得所述轮对（6）的底部下压实验轨道并受往复运动的实验轨道的摩擦力驱动而旋转，模拟轮对通过道岔的过程；

传感监测系统，其至少设置在所述工装夹具（5）与龙门支架之间，用于检测并获取轮对通过道岔过程中的实验数据。

2.如权利要求1所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其特征在于，所述实验轨道包括：道岔（7）、护轨（17）以及基本轨（18）；

所述道床（11）与轨道驱动系统之间、所述实验轨道与道床（11）之间、所述轮对（6）与工装夹具（5）之间均为可拆卸连接，所述道床（11）、实验轨道以及轮对（6）均分别包括有若干型号，能够根据实验需要进行拆卸更换和重新安装。

3.如权利要求1-2所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其特征在于，所述轨道驱动系统包括：

电机（13），其固定安装在所述基础平台（14）上，所述电机的电机轴沿所述基础平台（14）的轴线方向设置，用于旋转输出驱动力；

丝杆，其与所述电机（13）的电机轴固定连接，用于随同所述电机轴的旋转而同步转动；

往复运动平台（10），其底部与所述丝杆的螺母副刚性相连，其顶部与所述道床（11）以及实验轨道固定连接，所述往复运动平台（10）随同所述丝杆往复转动而同步带动所述道床（11）以及实验轨道沿基础平台（14）轴线方向往复移动。

4.如权利要求1-2所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其特征在于，所述丝杠包括：往复丝杆和/或滚珠丝杆（12）；

所述轨道驱动系统还包括：

导轨（9），其沿所述往复运动平台（10）的移动方向固定安装在所述基础平台（14）的两侧；

平台导向轮（8），其转动设置在所述往复运动平台（10）的两侧，位于所述导轨（9）的正上方，限制所述往复运动平台（10）仅能够沿导轨（9）进行水平直线往复运动。

5.如权利要求1-2所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其特征在于，所述龙门支架（1）包括分别设置在基础平台（14）两侧的龙门立柱以及水平设置在两龙门立柱顶部的水平横梁；

所述水平横梁与工装夹具（5）的顶部之间连接有加载装置（4），所述加载装置（4）固定在轮对（6）的轴向位置，用于垂直于轮对（6）的轴向施加向下的作用力，使得所述轮对（6）的底部下压实验轨道。

6.如权利要求5所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其特征在于，所述工装夹具（5）设置在两龙门立柱之间，位于龙门支架（1）的内侧；

所述工装夹具（5）的外侧还分别设置有滑块（2）；

所述两龙门立柱的内侧壁上还分别开设有垂直方向的滑轨（3），所述滑块（2）嵌入所述滑轨（3）；

工装夹具（5）受所述加载装置（4）下压而由滑块（2）及滑轨（3）引导，带动所述轮对（6）垂直向下紧密抵接在实验轨道的上表面并沿实验轨道的上表面运动。

7.如权利要求1-6所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其特征在于，所述传感监测系统包括：

设置在水平横梁与加载装置（4）之间的位移传感器（15）和/或力学传感器（16），其中，所述位移传感器用于检测轮对通过道岔的过程中轮对的垂向位移、速度、加速度中的一种或其组合，所述力学传感器（16）用于检测轮对通过道岔的过程中轮对对实验轨道的作用力。

8.如权利要求1-7所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其特征在于，所述工装夹具（5）对称设置在所述轮对（6）轴向的两端。

9.如权利要求8所述的全尺寸轮对道岔接触实验台，其特征在于，所述加载装置（4）对称设置在轮对（6）轴向位置的上方，轮对（6）两端的加载装置（4）同步运转，同时对所述轮对（6）的轴向两侧同样施加向下的作用力。

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