CN112731898A - 一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，包括试验过程中用到的铁路轨道以及设置在铁路轨道上的试验用高速铁路列车转向架，在转向架外侧设有导轨，在导轨上设置牵引导框，牵引导框通过牵引拉杆与转向架相连接，在牵引导框与转向架之间设置垂向液压作动器以及横向液压作动器，牵引导框连接驱动系统并在驱动系统作用下在导轨上运行，在牵引导框的前后分别放置配重块。本发明能够模拟转向架在受外部激励载荷作用下的主动悬挂控制过程，并通过研究轮轨接触状态、转向架运行速度和外部激励条件对主动悬挂控制的可靠性、安全性和控制效果进行评估，实现了对列车主动悬挂控制系统的研究。

Description

一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台。

背景技术

高速铁路因其高速、舒适性以及安全性得到快速发展。同时高速列车面临着复杂多变的外部环境条件、复杂的运营条件以及服役性能的演化，传统的被动悬挂常常不能兼顾各项指标达到最优，因此高速铁路的主动控制系统成为未来高速铁路发展的重要方向。但是现阶段，许多主动控制技术都是基于理论而未进行试验评估，因此其可靠性、安全性得不到保障而未普遍在高速列车上运用。因此为了评估主动控制系统的安全性、可靠性以及控制系统性能，进一步开展主动控制系统的试验研究显得尤为重要。

目前为止，高速列车主动控制的试验方法主要有：

一、在实际线路上进行主动悬挂控制系统的评估试验，此方法能够准确的模拟实际列车的运行状态，但有许多缺点：试验过程中线路状态、环境激励难以实时掌握；其次，试验过程中列车参数无法准确测量，且无法根据试验需求进行改变；不仅如此，由于列车的主动控制试验对列车的行车安全有很大影响，无法确保主动控制的可靠性，因此实际线路的主动控制评估试验一般只能进行简单的半主动控制，不能进行极端工况的测试；最后实际线路试验会影响线路的正常运行，试验周期长，经济性差。

二、室内试验研究，又分为：

比例模型试验：比例模型试验台能够在一定程度对模拟车辆在线路上的动力学行为，但由于轮轨关系的强非线性，比例模型的试验结果还受到相似关系的影响，除了要在轮轨几何型面上相似，还需要在蠕滑系数、摩擦系数等方面进行相似。因为复杂的轮轨接触状态，难以根据一般的相似理论设计比例模型试验台对线路上的高速列车车辆主动控制动力学进行模拟，特别是一系主动控制技术、主动抗蛇行减振器等的主动控制技术进行精确估算。

全尺寸机车车辆整车滚动振动试验台：同样的全尺寸的机车车辆整车滚动试验台虽然能够在较高程度上还原车辆在线路运行时的动力学特性，并且根据需要改变轨道激励，能够满足舒适性主动悬挂的测试，主要包括二系垂向主动悬挂控制、一系垂向主动悬挂控制。但用有限半径的滚动轮代替钢轨，不能精确的描述轮轨接触几何关系，无法反映真实的轮轨相互作用状态，因此不能够用于车辆稳定性的主动控制测试。

因此实际线路试验、比例模型试验和全尺寸整车滚动台对高速列车主动控制技术的测试评估都存在明显的不足。通过合理的发明方法，实现转向架在轨道上运行的全尺寸主动控制评估试验台，将成为高速列车主动控制技术研究的重要基础，对高速列车健康、快速发展具有十分重要的意义。

发明内容

为克服上述存在之不足，提出了一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，包括铁路轨道、铁路轨道上放置的转向架。铁路轨道外侧设有牵引导轨，牵引导轨通过扣件橡胶垫固定，牵引导轨与牵引导框的车轮相配合，转向架安装在牵引导框内部，同时转向架通过牵引拉杆与牵引导框相连接；牵引导框与转向架之间设置左右两侧的垂向液压作动器、前后的横向液压作动器；牵引导框前后分别放置了试验需要的配重块。本发明能够动态模拟转向架在受外部激励载荷作用下的主动悬挂控制过程，研究轮轨接触状态、转向架运行速度和外部激励条件对主动悬挂控制的可靠性、安全性和控制效果进行评估，实现高速列车主动悬挂控制系统的研究。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，包括试验过程中用到的铁路轨道以及设置在铁路轨道上的试验用高速铁路列车转向架，在转向架外侧设有导轨，在导轨上设置牵引导框，牵引导框通过牵引拉杆与转向架相连接，在牵引导框与转向架之间设置垂向液压作动器以及横向液压作动器，牵引导框连接驱动系统并在驱动系统作用下在导轨上运行，在牵引导框的前后分别放置配重块。

根据本发明所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其进一步的优选技术方案是：在牵引导框以及转向架上均设置有牵引拉杆安装座，牵引拉杆两端设置橡胶节点接头，然后用螺栓把橡胶节点接头固定在牵引拉杆安装座上。

根据本发明所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其进一步的优选技术方案是：所述垂向液压作动器安装在转向架的枕梁上，两个垂向液压作动器关于枕梁中心对称且位于枕梁对角位置，并与铁路轨道在水平方向垂直。

根据本发明所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其进一步的优选技术方案是：所述横向液压作动器安装在转向架的枕梁上，两个横向液压作动器关于枕梁纵向中心线镜像对称安装且位于枕梁的横向对称线上，并与铁路轨道在水平方向平行。

根据本发明所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其进一步的优选技术方案是：所述牵引导框设置有垂向液压作动器支撑梁，垂向液压作动器连接垂向液压作动器支撑梁以及转向架。

根据本发明所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其进一步的优选技术方案是：所述牵引导框设置有横向液压作动器支撑梁，横向液压作动器连接横向液压作动器支撑梁以及转向架。

根据本发明所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其进一步的优选技术方案是：所述牵引导框安装有电机传动系统，其包括带、电机和轮轴，牵引导框上安装电机,所述电机为三相异步牵引电机，电机通过带的传动将驱动扭矩传递到轮轴上。

根据本发明所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其进一步的优选技术方案是：所述导轨与铁路轨道平行布置。

根据本发明所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其进一步的优选技术方案是：所述导轨通过扣件橡胶垫进行安装。

根据本发明所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其进一步的优选技术方案是：所述牵引导框前后两端设置有放置配重块的平台。

相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：

一、试验过程中的转向架及轨道与线路条件完全一致，实现了室内1：1全尺寸试验台的搭建。试验台准确的模拟了线路列车车辆的轮轨动态相互作用关系，准确的反应了主动控制作用下转向架的动力学行为，准确的评估主动悬挂系统的可靠性、稳定性以及作用效果。

二、试验时可调整轮轨型面，探究不同轮轨接触状态下主动悬挂系统的性能；其次可通过改变电机的输入电压或者频率改变牵引导框的运行速度，从而研究不同速度对主动悬挂系统的影响；同时，可通过实时改变垂向、横向液压作动器的作用力来模拟不同运行工况下研究转向架的动力学行为；由于牵引导框的保护作用，可研究计算工况下主动悬挂控制系统的可靠性与稳定性。

三、与线路试验相比较，本发明不会影响正线列车的正常运行，试验可控、周期短、成本低，便于实施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的总体结构示意图。

图2为本发明实施例的转向架与牵引导框连接结构示意图。

图3为本发明实施例的牵引导框牵引驱动的结构示意图。

图4为本发明实施例的液压作动器作用力简化示意图。

图中标记分别为：1.导轨；2.扣件橡胶垫；3.铁路轨道；4.配重块；5.横向液压作动器 5a.横向液压作动器安装座 5b.横向液压缸 5c.横向液压缸安装工装；6.牵引导框；6a.垂向液压作动器支撑梁；6b.横向液压作动器支撑梁；6c.牵引拉杆安装座；7.垂向液压作动器；7a.垂向液压作动器安装座；7b.垂向液压缸；7c.垂向液压缸安装工装；8.转向架；8a.枕梁；8b.构架；8c.二系悬挂系统；8d.转臂；8e.一系螺旋钢弹簧；8f.一系垂向液压减振器；8g.轮对轴箱；8h.单牵引拉杆；9.牵引拉杆；9a.拉杆；9b.橡胶节点接头；10.驱动系统；10a.电机；10b.轮轴；10c.带。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。

实施列：

如图1-图3所示，本发明涉及一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，包括试验过程中用到的铁路轨道3以及设置在铁路轨道3上的试验用的高速铁路列车转向架8，在转向架8外侧设有导轨1，在导轨1上设置牵引导框6，牵引导框6的底部设置有具有锥形踏面的车轮，并通过轴承刚连接在牵引导框6上，使得牵引导框6能够沿导轨1稳定运行。牵引导框6通过牵引拉杆9与转向架8相连接，在牵引导框6与转向架8之间设置垂向液压作动器7以及横向液压作动器5，牵引导框6连接驱动系统10并在驱动系统10作用下在导轨1上运行，在牵引导框6的前后分别放置配重块4。高速铁路列车转向架是现有的转向架结构，具体结构为枕梁8a通过二系悬挂系统8c与构架8b相连接，轮对轴箱8g通过转臂8d定位结构以及一系螺旋钢弹簧8e、一系垂向液压减振器8f与构架8b相连接，其中构架8b与枕梁8a之间采用结构简单的单牵引拉杆8h连接实现纵向连接，转向架8与牵引导框6间用牵引拉杆9连接，传递纵向牵引或制动力。

在牵引导框6以及转向架8上均设置有牵引拉杆安装座6c，牵引拉杆9两端设置橡胶节点接头9b，然后用螺栓把橡胶节点接头9b的两端分别固定在牵引导框6以及转向架8的牵引拉杆安装座6c上。即通过牵引拉杆9以及牵引拉杆安装座6c连接牵引导框6以及转向架8，该整体结构实质上是为了设置便于拆卸安装的结构，其它适宜的安装结构均可使用。

牵引导框6通过垂向液压作动器7、横向液压作动器5施加组合载荷对转向架8施加外部激励；高速铁路列车转向架8安装有牵引拉杆9以及牵引拉杆安装座6c；高速铁路列车转向架8安装有垂向液压作动器7，垂向液压作动器7包括垂向液压作动器安装座7a、垂向液压缸7b、垂向液压缸安装工装7c，垂向液压缸7b的两端安装在垂向液压缸安装工装7c和垂向液压作动器安装座7a之间，垂向液压作动器安装座7a安装在牵引导框6上，垂向液压缸安装工装7c安装在转向架8上；高速铁路列车转向架8安装有横向液压作动器5，横向液压作动器5包括横向液压作动器安装座5a、横向液压缸5b、横向液压缸安装工装5c，横向液压缸5b的两端安装在横向液压缸安装工装5c和横向液压作动器安装座5a之间，横向液压作动器安装座5a安装在牵引导框6上，横向液压缸安装工装5c安装在转向架8上。

牵引导框6安装有垂向液压作动器支撑梁6a；所述牵引导框6设置有横向液压作动器支撑梁6b；所述牵引导框6安装有包括通过带10c、电机10a和轮轴10b的电机传动系统。

所述的转向架8与牵引导框6通过两个垂向液压减振器、两个横向液压减振器相连接，通过协调改变作动器的作用力的大小可模拟不同运行工况下转向架的动力学特性。所述垂向液压作动器7安装在转向架8的枕梁上，两个垂向液压作动器7关于枕梁中心对称且位于枕梁对角位置，并与铁路轨道3在水平方向垂直。所述横向液压作动器5安装在转向架8的枕梁上，两个横向液压作动器5关于枕梁纵向中心线镜像对称安装且位于枕梁的横向对称线上，并与铁路轨道3在水平方向平行。

所述的转向架8与牵引导框6通过牵引拉杆9纵向连接，牵引拉杆9由拉杆9a与橡胶节点接头9b组成，在保证转向架8与牵引导框6一起沿纵向运动的同时，使得枕梁8a具有横向、垂向、侧滚、摇头和点头自由度。

所述牵引导框6设置有垂向液压作动器支撑梁6a，垂向液压作动器7连接垂向液压作动器支撑梁6a以及转向架8。牵引导框6设置有横向液压作动器支撑梁6b，横向液压作动器5连接横向液压作动器支撑梁6b以及转向架8。牵引导框6安装有电机传动系统，其包括带10c、电机10a和轮轴10b，牵引导框6上安装电机10a,所述电机10a为三相异步牵引电机，电机10a通过带10c的传动将驱动扭矩传递到轮轴10b上。

所述牵引导框6上安装了电机10a,所述电机10a为三相异步牵引电机，电机10a通过带10c传动，将驱动扭矩传递到轮轴10b上；通过改变电机10a的输入电压或三相交流电的频率可实现对牵引导框6运行速度的控制。所述导轨与铁路轨道3平行布置。导轨通过扣件橡胶垫2进行安装，即实质上导轨与铁路轨道可以按照相同的方式进行固定。牵引导框6前后两端设置有放置配重块的平台，在平台上放置配重块。

图1示出，牵引导框6通过牵引拉杆9控制转向架8与牵引导框6一起沿纵向运动；图3示出，安装在牵引导框6上的电机10a通过带10c传动，将驱动力矩传递到牵引导框6的轮轴10b上。

本发明的目的是提供一种高速列车车辆转向架在轨道上运行的全尺寸主动控制性能评估的室内全尺寸试验台，试验过程中可任意改变转向架和轨道结构参数，具有试验周期短，成本低的优点；其次试验台可根据主动控制技术作动器的位置进行工装的安装，可进行常规的一系主动悬挂控制、二系主动悬挂控制技术等的控制技术进行控制性能的评估，设计车辆舒适性、稳定性以及安全性等方面的控制技术研究；试验台可在转向架上施加任意大小的横向作用力、垂向作用力、摇头力矩、侧滚力矩可模拟不同工况车体对转向架的载荷激励。从而为转向架的主动控制技术提供完整且准确的评估试验台，对高速铁路进一步健康、快速的发展具有十分重要的意义。

本发明的试验过程是：电机10a通过带传动方式将驱动力矩传递到牵引导框6的轮轴10b上，驱动牵引导框6沿铁路轨道3前进，并通过牵引拉杆带动转向架前进。牵引导框6通过其左右两侧的垂向液压作动器7施加垂向载荷激励与侧滚载荷激励；牵引导框6前后侧的横向液压作动器5施加横向载荷激励与摇头载荷激励。在试验过程中可测试并记录构架端部（一系螺旋钢弹簧）的加速度响应、枕梁左右两侧的加速度响应、四个轴箱的加速度响应、轮轨垂向力、轮轨垂向力以及特定的评价指标参数，为主动悬挂控制技术的评估提供更加真实有效的试验数据。

试验过程中液压作动器对转向架的作用力如图4所示，已知液压作动器对转向架的作用合力，各个分力的计算过程如下：

式中：FV—液压作动器对构架垂向作用合力，N;

FL—液压作动器对构架横向作用合力，N；

Mx—液压作动器对构架侧滚合力矩，N·m；

Mz—液压作动器对构架摇头合力矩，N·m；

FL1、FL2—分别代表左右两侧横向液压作动器作用力，N;

FV1、FV2—分别代表左右两侧横向液压作动器作用力，N;

da—垂向液压作动器横向跨距之半，m；

hb—构架质心与横向液压作动器的垂向距离，m;

la—横向液压作动器纵向距离之半，m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、试验过程中的转向架与轨道与线路条件完全一致，实现了室内1：1全尺寸试验台的搭建。试验台准确的模拟了线路列车车辆的轮轨动态相互作用关系，准确的反应了主动控制作用下转向架的动力学行为，准确的评估主动悬挂系统的可靠性、稳定性以及作用效果。

二、试验时可调整轮轨型面，探究不同轮轨接触状态下主动悬挂系统的性能；其次可通过改变电机的输入电压或者频率改变牵引导框的运行速度，从而研究不同速度对主动悬挂系统的影响；同时，可通过实时改变垂向、横向液压作动器的作用力来模拟不同运行工况下研究转向架的动力学行为；由于牵引导框的保护作用，可研究计算工况下主动悬挂控制系统的可靠性与稳定性。

三、与线路试验相比较，本发明不会影响正线列车的正常运行，试验可控、周期短、成本低，便于实施。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，包括试验过程中用到的铁路轨道（3）以及设置在铁路轨道（3）上的试验用高速铁路列车转向架（8），其特征在于，在转向架（8）外侧设有导轨（1），在导轨（1）上设置牵引导框（6），牵引导框（6）通过牵引拉杆（9）与转向架（8）相连接，在牵引导框（6）与转向架（8）之间设置垂向液压作动器（7）以及横向液压作动器（5），牵引导框（6）连接驱动系统（10）并在驱动系统（10）作用下在导轨（1）上运行，在牵引导框（6）的前后分别放置配重块（4）。

2.根据权利要求1所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其特征在于，在牵引导框（6）以及转向架（8）上均设置有牵引拉杆安装座（6c），牵引拉杆（9）两端设置橡胶节点接头（9b），然后用螺栓把橡胶节点接头固定在牵引拉杆安装座（6c）上。

3.根据权利要求1所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其特征在于，所述垂向液压作动器（7）安装在转向架（8）的枕梁（8a）上，两个垂向液压作动器（7）关于枕梁（8a）中心对称且位于枕梁（8a）对角位置，并与铁路轨道（3）在水平方向垂直。

4.根据权利要求1所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其特征在于，所述横向液压作动器（5）安装在转向架（8）的枕梁（8a）上，两个横向液压作动器（5）关于枕梁（8a）纵向中心线镜像对称安装且位于枕梁（8a）的横向对称线上，并与铁路轨道（3）在水平方向平行。

5.根据权利要求1所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其特征在于，所述牵引导框（6）设置有垂向液压作动器支撑梁（6a），垂向液压作动器（7）连接垂向液压作动器支撑梁（6a）以及转向架（8）。

6.根据权利要求1所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其特征在于，所述牵引导框（6）设置有横向液压作动器支撑梁（6b），横向液压作动器（5）连接横向液压作动器支撑梁（6b）以及转向架（8）。

7.根据权利要求1所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其特征在于，所述牵引导框（6）安装有电机传动系统，其包括带（10c）、电机(10a)和轮轴（10b），牵引导框（6）上安装电机（10a）,所述电机(10a)为三相异步牵引电机，电机(10a)通过带(10c)的传动将驱动扭矩传递到轮轴(10b)上。

8.根据权利要求1所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其特征在于，所述导轨（1）与铁路轨道（3）平行布置。

9.根据权利要求1所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其特征在于，所述导轨（1）通过扣件橡胶垫（2）进行安装。

10.根据权利要求1-8任一所述的一种评估转向架主动悬挂控制性能的室内全尺寸试验台，其特征在于，所述牵引导框（6）前后两端设置有放置配重块（4）的平台。

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