CN114323541B

CN114323541B - 应用运动模拟装置的列车风洞试验系统及姿态调节方法

Info

Publication number: CN114323541B
Application number: CN202111507481.1A
Authority: CN
Inventors: 常宗瑜; 郝兴文; 郭家乐; 张扬; 郑中强
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-02-24
Anticipated expiration: 2041-12-10
Also published as: CN114323541A

Abstract

本发明提供一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统及姿态调节方法，包括列车车厢、位姿传感器、运动模拟装置及控制系统，其特点是：位姿传感器设置在列车车厢内，运动模拟装置包括：机架、驱动组件和运动执行装置，机架包括机架Ⅰ及机架Ⅱ上，机架Ⅰ上平行设置2条安装轨道，机架Ⅱ上平行设置4条安装轨道，每条安装轨道上安装一组驱动组件。运动执行装置包括6根连杆和用于固定列车车厢的动平台。在动平台底部四周和中心位置设置6块斜坡铁块，斜坡铁块上设置球铰基座，各连杆的上端分别与球铰基座铰接，连杆的下端与驱动组件铰接。其结构简单，可减少支链间的干涉，扩大工作空间，提高对于姿态的控制精度。

Description

应用运动模拟装置的列车风洞试验系统及姿态调节方法

技术领域

本发明属于列车风洞试验技术领域，具体说是一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统及姿态调节方法。

背景技术

高速列车的气动阻力与列车速度的平方成正比，列车的速度越大所受的气动阻力越大，这将增大列车的能耗，影响列车的节能减排能力；而研究列车的空气动力学参数很难通过理论分析得到，需要通过试验的方法测量。风洞试验的过程就是高速列车在行驶情况下的客观再现，尽可能模拟列车高速行驶状况下所受气动阻力的真实情况，具有容易控制条件、成本低和重复性好等优点。

高速列车的结构、外形复杂，在进行风洞试验时模型的安装和姿态调整，对试验结果的精确度和进行效率都有很大的影响。针对上述问题，因为并联机构能够调节姿态，具有较高的刚度且机构稳定，容易实现高速、高频率的运动等优点，所以基于Stewart并联机构的风洞模型支撑系统（OMS）被广泛应用；但该构型依然有以下的不足：

1、工作空间小，且在工作空间中存在很多奇异点；

2、机构整体刚度过于复杂，影响机构的刚度和精度。

因此，如何设计一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统及姿态调节方法，其结构简单，可减少支链间的干涉，扩大工作空间，提高对于姿态的控制精度，这是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统及姿态调节方法，其结构简单，可减少支链间的干涉，扩大工作空间，提高对于姿态的控制精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统，包括列车车厢、位姿传感器、运动模拟装置及控制系统，其特征在于，所述位姿传感器设置在所述列车车厢内，所述的运动模拟装置包括：机架、驱动组件和运动执行装置，所述机架包括机架Ⅰ及机架Ⅱ，所述机架Ⅰ的前端与所述机架Ⅱ连接形成机架Ⅰ高于机架Ⅱ的台阶状机架，所述机架Ⅰ上设置2条安装轨道，所述机架Ⅱ上设置4条安装轨道，各所述安装轨道之间相互平行设置；所述驱动组件有6组，每条所述安装轨道上各安装一组所述驱动组件；所述运动执行装置包括6根连杆和1个动平台，所述动平台上安装有固定装置，用于固定所述列车车厢，在所述动平台底部四周和中心位置设置6块斜坡铁块，各所述斜坡铁块上均设置有球铰基座，各所述连杆的上端分别通过球铰安装在对应的所述球铰基座上，所述连杆的下端与所述驱动组件铰接。

对上述技术方案的改进：所述驱动组件包括滑块、滚珠丝杠、滑块模组和伺服电机，所述滑块模组内安装所述滑块、滚珠丝杠及伺服电机，所述滑块沿滚珠丝杠运动，所述滑块上部连接的斜坡铁块上安装有球铰基座，所述连杆的下端通过球铰与所述滑块上的球铰基座铰接，所述滚珠丝杠和安装导轨用于保证所述驱动组件直线运动。

对上述技术方案的进一步改进：所述机架Ⅰ由三个钢管平行横向排列并焊接为一体的栅栏状，所述机架Ⅱ由四个钢管平行纵向间隔排列设置，且一端与所述机架Ⅰ前端焊接为一体。

对上述技术方案的进一步改进：所述机架Ⅰ和机架Ⅱ的底部均装有用于增强底部稳定性的机架板筋。

对上述技术方案的进一步改进：所述位姿传感器可用螺栓连接固定于所述列车车厢内部，且保持其纵向中心线与所述列车车厢的纵向中心线平行。

对上述技术方案的进一步改进：所述运动模拟装置由电控系统通过伺服控制器控制伺服电机驱动的方式，进行全数字化控制，所述电控系统为实现编程调速的步进伺服多轴控制器。

一种上述应用运动模拟装置的列车风洞试验系统的姿态调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：首先将位姿传感器安装在列车车厢内部；

S2：将安装位姿传感器的列车车厢与动平台固定；

S3：根据参数和试验需求通过电控系统控制运动模拟装置运动，调整位姿。

对上述技术方案的改进：所述电控系统接受所述控制系统中输入的指令，并将其传输给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器将信号放大后控制所述伺服电机运动，从而完成姿态的变化, 所述姿态的变化包括横向、纵向、垂向的位移运动以及滚转、俯仰、偏航三个角度的姿态运动。

本发明的优点和积极效果是：

1、利用本发明中的运动模拟装置进行风洞试验的姿态调节，驱动组件位于底座上，其结构简单，减少了支链间的干涉，扩大了工作空间；

2、本发明中的滑块分布在安装轨道上，提高了对于姿态的控制精度，且有较高的动态响应。

附图说明

图1是本发明一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统的立体图；

图2是本发明一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统中运动模拟装置的结构示意图；

图3是本发明一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统的坐标系示意图。

图中，1-运动模拟装置、2-列车车厢、101-动平台、102-斜坡铁块、103-连杆、104-球铰基座、105-滑块、106-机架、107-安装轨道、108-滑块组模、201-位姿传感器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

参见图1-图3，本发明一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统的实施例，包括列车车厢2、位姿传感器201、运动模拟装置1及控制系统，位姿传感器201设置在所述列车车厢2内。上述运动模拟装置1包括：机架106、驱动组件和运动执行装置，上述机架106包括机架Ⅰ及机架Ⅱ，所述机架Ⅰ的前端与所述机架Ⅱ连接形成机架Ⅰ高于机架Ⅱ的台阶状机架106。在机架Ⅰ上设置2条安装轨道107，在机架Ⅱ上设置4条安装轨道107，各安装轨道107之间相互平行设置。上述驱动组件有6组，每条所述安装轨道107上各安装一组驱动组件。上述运动执行装置包括6根连杆103和1个动平台101，在动平台101上安装有固定装置，用于固定列车车厢2。在动平台101底部四周和中心位置上焊接6个斜坡铁块102，在斜坡铁块102上焊接有球铰基座104，各所述连杆103的上端分别通过球铰安装在对应的球铰基座104上，连杆103的下端与所述驱动组件铰接。

进一步地，如图3所示，上述驱动组件包括滑块105、滚珠丝杠、滑块模组和伺服电机，所述滑块模组108内安装所述滑块105、滚珠丝杠及伺服电机，所述滑块沿滚珠丝杠运动，所述滑块105上部连接的斜坡铁块102上安装有球铰基座104，所述连杆103的下端通过球铰与所述滑块105上的球铰基座104铰接，所述滚珠丝杠和安装导轨107用于保证驱动组件直线运动。

再进一步地，上述机架Ⅰ由三个钢管平行横向排列并焊接为一体的栅栏状，上述机架Ⅱ由四个钢管平行纵向间隔排列设置，且一端与机架Ⅰ前端焊接为一体。优选地，在上述的机架Ⅰ和机架Ⅱ的底部均装有用于增强底部稳定性的机架板筋。

优选地，上述位姿传感器201可用螺栓连接固定于列车车厢2内部，且保持其纵向中心线与列车车厢2的纵向中心线平行。

又进一步地，上述运动模拟装置1由电控系统通过伺服控制器控制伺服电机驱动的方式，进行全数字化控制，所述电控系统为实现编程调速的步进伺服多轴控制器。

参见图1-图3，本发明一种上述应用运动模拟装置的列车风洞试验系统的姿态调节方法的实施例，包括如下步骤：

S1：首先将位姿传感器201安装在列车车厢2内部；

S2：将安装位姿传感器101的列车车厢2与动平台101固定；

S3：根据参数和试验需求通过电控系统控制运动模拟装置1运动，调整位姿。

进一步地，上述电控系统接受所述控制系统中输入的指令，并将其传输给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器将信号放大后控制所述伺服电机运动，从而完成姿态的变化，所述姿态的变化包括横向、纵向、垂向的位移运动以及滚转、俯仰、偏航三个角度的姿态运动。

具体而言：运动模拟装置1对于控制系统的设计采用伺服电机驱动的方式，本实施例所采用的运动模拟装置1结构如图2所示，动平台101由伺服电机驱动，可实现横向、纵向、垂向的位移运动以及滚转、俯仰、偏航三个角度的姿态运动，从而进行模拟列车行驶情况的风洞试验。

为了实现对动平台101、列车车厢2和位姿传感器201的姿态，以及连杆103驱动的控制，设计了三个坐标系，如图3所示。固定坐标系o-xyz与大地固定，即全局坐标系；当列车车厢2与动平台101连接固定时，列车车厢2坐标原点与动平台101坐标原点重合，定义为运动坐标系o'- x'y'z'，初始位置时运动坐标系与固定坐标系在y轴上共线；在位姿传感器201处设置坐标系o''- x''y''z'，位姿传感器201的坐标系o''- x''y''z'与运动坐标系o'- x'y'z'在y轴方向上保持平行。

当然，上述说明并非是对发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种应用运动模拟装置的列车风洞试验系统，包括列车车厢、位姿传感器、运动模拟装置及控制系统，其特征在于，所述位姿传感器设置在所述列车车厢内，所述的运动模拟装置包括：机架、驱动组件和运动执行装置，所述机架包括机架Ⅰ及机架Ⅱ，所述机架Ⅰ的前端与所述机架Ⅱ连接形成机架Ⅰ高于机架Ⅱ的台阶状机架，所述机架Ⅰ上设置2条安装轨道，所述机架Ⅱ上设置4条安装轨道，各所述安装轨道之间相互平行设置；所述驱动组件有6组，每条所述安装轨道上各安装一组所述驱动组件；所述运动执行装置包括6根连杆和1个动平台，所述动平台上安装有固定装置，用于固定所述列车车厢，在所述动平台底部四周和中心位置设置6块斜坡铁块，各所述斜坡铁块上均设置有球铰基座，各所述连杆的上端分别通过球铰安装在对应的所述球铰基座上，所述连杆的下端与所述驱动组件铰接；所述驱动组件包括滑块、滚珠丝杠、滑块模组和伺服电机，所述滑块模组内安装所述滑块、滚珠丝杠及伺服电机，所述滑块沿滚珠丝杠运动，所述滑块上部连接的斜坡铁块上安装有球铰基座，所述连杆的下端通过球铰与所述滑块上的球铰基座铰接，所述滚珠丝杠和安装导轨用于保证所述驱动组件直线运动；所述机架Ⅰ由三个钢管平行横向排列并焊接为一体的栅栏状，所述机架Ⅱ由四个钢管平行纵向间隔排列设置，且一端与所述机架Ⅰ前端焊接为一体；所述位姿传感器可用螺栓连接固定于所述列车车厢内部，且保持其纵向中心线与所述列车车厢的纵向中心线平行；所述运动模拟装置由电控系统通过伺服控制器控制伺服电机驱动的方式，进行全数字化控制，所述电控系统为实现编程调速的步进伺服多轴控制器。

2.根据权利要求1所述的应用运动模拟装置的列车风洞试验系统，其特征在于，所述机架Ⅰ和机架Ⅱ的底部均装有用于增强底部稳定性的机架板筋。

3.一种如权利要求1或2所述的应用运动模拟装置的列车风洞试验系统的姿态调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：首先将位姿传感器安装在列车车厢内部；

S2：将安装位姿传感器的列车车厢与动平台固定；

S3：根据参数和试验需求通过电控系统控制运动模拟装置运动，调整位姿；所述电控系统接受所述控制系统中输入的指令，并将其传输给所述伺服控制器，所述伺服控制器将信号放大后控制所述伺服电机运动，从而完成姿态的变化, 所述姿态的变化包括横向、纵向、垂向的位移运动以及滚转、俯仰、偏航三个角度的姿态运动。