CN202420880U - 铁道车辆抗大风倾覆能力测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型所述的铁道车辆抗大风倾覆能力测试装置，包括有加载横梁(10)、模拟车体加载平台(1)和模拟轨道平台(3)；在加载横梁(10)与模拟车体加载平台(1)之间，连接第一垂向作动器(11)、第二垂向作动器(12)和第一横向作动器(13)；模拟车体加载平台(1)通过中央牵引装置和二系悬挂装置承载于转向架构架(2)，转向架构架(2)通过一系悬挂装置和轴箱承载于车轮(4)，车轮(4)承载于设置在模拟轨道平台(3)上的轨道工装(5)，在模拟轨道平台(3)与轨道工装(5)之间安装有多自由度力传感器(6)。

Description

铁道车辆抗大风倾覆能力测试装置

技术领域

本实用新型是一种用于模拟并验证铁路车辆在大风工况下发生倾覆可能的测试装置，属于轨道交通技术领域。

背景技术

随着国内城市轨道交通的迅速普及与车辆行驶速度的大幅提升，对于高速行驶过程中安全性能的设计与试验难证提出了更高的要求。

铁道车辆抗大风倾覆能力是指在特定的环境风速和线路状态下，车辆运行的运行限速曲线，即反映某个倾覆系数限值下运行限速(x轴)-风速级别(y轴)对应关系。

根据GB_5599-85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范的标准规定，倾覆系数用于鉴定试验车辆在侧向风力、离心力、振动惯性力、线路激扰等因素共同作用下是否会导致车辆倾覆D，计算公式为：

$D=\frac{P_d}{P_{\mathrm{st}}},$

其中，P_d为同一侧车轮的动载荷，P_st为车轮的静载荷；

影响铁道车辆倾覆状态的相关要素主要包括有作用在车体上的气动力，即由风载荷作用在车体上形成的气动升力、横向力、倾覆力矩等。当然也包括有车辆运行状态下车体自身重力、离心力、振动惯性力等、以及作用在车轮上的轨道激励，转向架的簧间质量分布和悬挂系统特性等等因素。

在铁道车辆线路试验时，由于倾覆临界工况的危险性，外界风载荷的不可控和随机性，以及轨道状态的不确定性等，仅能测定车轮静载荷和动载荷，无法得出某个倾覆系数限值下运行限速-风速级别的曲线图。因此通过线路试验，不足以全面测试评估铁道车辆的抗大风倾覆性能。无法在可控状态下，实现影响铁道车辆倾覆状态相关要素的再现与具体测定。

有鉴于此，特提出本专利申请。

实用新型内容

本实用新型所述的铁道车辆抗大风倾覆能力测试装置，其目的在于解决上述现有技术存在的问题而在实验室室内可控地测量抗大风倾覆能力，通过模拟车体加载平台向车轮施加的变量力与力矩，实现具体的试验规范与流程以期提高验证车体受力是否会形成倾覆可能性的准确性，为后续有针对性地实施车辆抗倾覆能力结构设计、效果评估奠定试验基础，并提供校验车辆仿真计算模型的正确性和可靠性。

为实现上述设计目的，所述铁道车辆抗大风倾覆能力测试装置主要包括有：

加载横梁、模拟车体加载平台和模拟轨道平台；

在加载横梁与模拟车体加载平台之间，连接第一垂向作动器、第二垂向作动器和第一横向作动器；

模拟车体加载平台通过中央牵引装置和二系悬挂装置承载于转向架构架，转向架构架通过一系悬挂装置和轴箱承载于车轮，车轮承载于设置在模拟轨道平台上的轨道工装，在模拟轨道平台与轨道工装之间安装有多自由度力传感器。

进一步的细化与优选实施方案是，模拟轨道平台分别连接一组垂向作动器、两组相对方向安装的横向作动器和两组相对方向安装的纵向作动器。

综上内容，本实用新型铁道车辆抗大风倾覆能力测试装置具有以下优点：

1、能够在实验台上再现大风作用下的车体受到的侧向力、侧滚力矩与垂向力，从而通过模拟车体加载平台实时测试轮重以计算倾覆系数，能够为铁路车辆在大风运行条件下的倾覆安全性提供可靠的试验评估手段；

2、能够对车辆动力学仿真模拟提供试验数据验证，为真实再现轮轨关系、模拟线路曲线超高和轨道不平顺等因素对车辆大风倾覆性能的影响，提供诸多准确的数据支持与参考。

附图说明

现结合以下附图对本实用新型做进一步地说明。

图1铁路车辆抗大风倾覆能力测试装置的示意图；

图2是所述模拟车体加载平台的初始状态图；

图3是模拟车体加载平台在加载中间过程中的状态图。

如图1至图3所示，模拟车体加载平台1，转向架构架2，模拟轨道平台3，车轮4，轨道工装5，多自由度力传感器6，加载横梁10，第一垂向作动器11，第二垂向作动器12，第一横向作动器13，垂向作动器14，横向作动器15。

具体实施方式

实施例1，如图1至图3所示，用于实现铁道车辆抗大风倾覆能力测试方法的测试装置，主要包括有加载横梁10、模拟车体加载平台1和模拟轨道平台3。其中，

在加载横梁10与模拟车体加载平台1之间，连接第一垂向作动器11、第二垂向作动器12和第一横向作动器13；

模拟车体加载平台1通过中央牵引装置和二系悬挂装置承载于转向架构架2，转向架构架2通过一系悬挂装置和轴箱承载于车轮4，车轮4承载于设置在模拟轨道平台3上的轨道工装5，在模拟轨道平台3与轨道工装5之间安装有多自由度力传感器6。

模拟轨道平台3分别连接一组垂向作动器14、两组相对方向安装的横向作动器15和两组相对方向安装的纵向作动器。

所述铁道车辆抗大风倾覆能力测试方法如下：

基于上述测试装置，还包括同步控制模拟车体加载平台1和模拟轨道平台3的控制器和终端电脑，以及实现相关力参数、角度参数测试的传感器等组成。

对转向架构架2施加载荷的模拟车体加载平台1装置包括，连接转向架构架2与车体之间中央牵引装置和二系悬挂的假摇枕、对假摇枕施加驱动力的液压作动器、与作动器串联力传感器、将作动器两端链接在刚性框架和假摇枕上的球铰、测量假摇枕侧滚角度的角度传感器等。

在假摇枕上设置作动器连接接口，为避免有害试验工况，设置球铰防止试验过程中出现作动器受侧向力的工况。在作动器和假摇枕之间设置单向力传感器，测量作动器施加给假摇枕的力。

液压作动器和电子控制器组成电-液伺服控制驱动装置，作动器内部设有LVDT位移传感器。

模拟车体加载平台1的作动器采用美国MTS带静压轴承的液压作动器，根据铁道车辆轴重和横风对车体载荷的分析，模拟加载平台的垂向作动器额度出力为300kN，横向作动器额定出力为200kN。

模拟车体加载平台1上作动器串联力传感器量程为300kN。

模拟轨道平台3上设置与钢轨轮廓一致的工装接口，实现真实轮轨接触几何状态。在该工装和模拟轨道平台3之间设置多自由度力传感器，用于测量轮轨之间的垂向载荷，同时测量其他方向的载荷作为试验参考。车轮载荷的测量可以不采用多自由度力传感器，也可以制作连续测量测力轮对，对轮轨垂向力和横向力进行测试。本试验方案采用多自由度力传感器测量轮轨力。

模拟轨道平台3的作动器，每个激振平台垂向额定输出力不小于300kN；最大垂向位移为±100mm。模拟轨道平台3的力传感器为美国AMTI多自由度力传感器，量程为垂向300kN，横向150kN，纵向150kN。

加载设备的控制器采用Flextest 200型控制器，32位A/D转换，数采频率最高122.8kHz，控制系统刷新频率2048Hz。

控制电脑为IBM工业计算机，通过控制器的控制软件实现作动器动作控制。实时控制过程中，模拟车体加载平台1的侧滚角度计算值与实测值(由设置在假摇枕上的角度传感器实时测量测滚角度)。

另外，为了适应转向架与车体之间连接部件的广泛类型，在假摇枕上设置T型槽，用T型螺栓将过渡接口固定在假摇枕上；根据转向架类型，以及与车体间的连接部件设计相应过渡接口，具体到本试验方案实施，以CRH380A转向架为例，过渡接口如下：

1个中心销安装接口、2个抗蛇行减振器座安装接口、2个抗侧滚扭杆座安装接口、2个空气弹簧上部进气安装接口(根据空气弹簧类型选择设置空气补给座)、2个高度调整阀安装接口等；

过渡接口通过T型槽和螺栓固定在假摇枕上，方便各接口的固定、位置调整、以及替换等；车体底架与转向架构架2之间的安装接口，用于实现假摇枕和转向架构架2之间安装现车的中心销、抗蛇行减振器座、抗侧滚扭杆、空气弹簧、高度调整阀安装接口等。

测试方法具体地包括有以下实施步骤：

第一步，安装被试工件。

在模拟车体加载平台(1)上安装用于连接转向架构架(2)的连接工件，

在模拟轨道平台(3)上、对应车轮(4)的位置安装多自由度力传感器(6)，将模拟车体加载平台(1)固定连接垂向作动器和横向作动器；

即首先，在模拟车体加载平台1的假摇枕上，安装中心销安装接口、抗蛇行减振器座安装接口、抗侧滚扭杆座安装接口、空气弹簧上部进气安装接口(接口内设置根据空气弹簧类型选择设置空簧补气座)、高度调整阀安装接口等。

其次，在两个模拟轨道平台3上(对应车轮位置)安装多自由度力传感器，每个平台上两个力传感器。力传感器质心横向距离为1470mm；在力传感器上平面安装轨道工装(按实际轨底坡设置，1∶40)，用于实现钢轨外形轮廓，轨道工装内侧距离为1435mm；将被试转向架构架2吊装至轨道工装上；

再次，将模拟车体加载平台1固定在刚性框架上，并用软管连接压缩空气源和空簧补气座。

第二步，测定静载荷P_st、设定模拟车体加载平台(1)的初始平衡位置；

通过设备控制器，同步控制模拟车体加载平台1和模拟轨道平台3。

对模拟车体加载平台1采用位移控制，指令模拟车体加载平台1的两个垂向作动器长度相同且固定，同时横向作动器平行于地面；同时对模拟轨道平台3采用力控制，结合作动器位移控制，即指令轨道激振平台3缓慢向上抬升，保持水平。

在轨道激振平台3抬升过程中，将空气弹簧上进气口导入假摇枕的上部进气安装接口，使压缩空气风源对空气弹簧充气，此时空气弹簧压缩，提供刚度力；当轨道激振平台3的两个多自由度力传感器的垂向力读数和达到车体自重15吨时，指令轨道激振平台3垂向位置固定，锁定高度调整阀杆的长度；同时指令模拟车体加载平台1的控制方式由位移控制切换为力控制；

初始加载平衡后，在转向架构架2和假摇枕之间安装中心销，连接横向减振器、牵引拉杆、抗侧滚扭杆，以及抗蛇行减振器等。

第三步，按设定的力与力矩进行加载与测算；

测得模拟车体加载平台(1)的初始质量中心的坐标(y₀，z₀)，旋转角度θ₀为0；

在执行第n个加载时间段时，确定模拟车体加载平台(1)上各个作动器当前输出的加载力F_1(n)，F_2(n)和F_3(n)，以实现模拟车轮(4)受到的Fy_(n)，Fz_(n)和力矩Mx_(n)；

按下述内容逐步地进行加载计算。

模拟轨道平台3采用通用的六自由度平台位移加载控制方法。

模拟车体加载平台1采用平面并联3连杆机构的力控制方法。在IBM工业计算机中编制控制控制指令，写入风载荷的升力(垂向力)、侧向力(横向力)、倾覆力矩(侧滚力矩)的时间变化曲线；设定时间步长为0.01s。设定控制器刷新频率为1024Hz，控制器数采频率为8192Hz，即对作动器内置LVDT位移传感器和力传感器的数采频率设为8192Hz。

下面结合附图2和附图3说明模拟车体加载平台1的实时控制算法：

(1)得出模拟车体加载平台1的初始质心坐标为(y₀，z₀)，旋转角度为θ₀为0；

各作动器在刚性框架上链接点初始位置分别为A₁，A₂和A₃；在加载平台上链接点初始位置为

和

各作动器长度为 $A_1{P}_1^{\left(0\right)}=L_{10},A_2{P}_2^{\left(0\right)}=L_{20}$ 和 $A_3{P}_3^{\left(0\right)}=L_{30};$

各作动器倾斜角度为θ₁₀，θ₂₀和θ₃₀；

作动器串联的力传感器读数为F₁₀，F₂₀和F₃₀；

(2)在执行第n个时间步时，目标是确定模拟车体加载平台1上各个作动器在当前时间步应输出的力F_1(n)，F_2(n)和F_3(n)，实现模拟车体加载平台1受到的Fy_(n)，Fz_(n)和力矩Mx_(n)。

(a)根据第n-1时间步的控制结果，已知加载平台质心坐标(y_n-1，z_n-1)，旋转角度为θ_n-1；作动器长度(L_1(n-1)，L_2(n-1)，L_3(n-1))，力传感器读数为(F_1(n-1)，F_2(n-1)，F_3(n-1))；

(b)由于加载平台还受到转向架构架2的悬挂系统作用力，在作动器力和悬挂系统作用力的合力下，加载平台朝合力方向微动，作动器活塞杆产生随动，加载平台各作动器长度更新为(L_1(n)，L_2(n)，L_3(n))。

根据描述各作动器长度与加载平台y-z平面质心(y，z)和旋转角度θ之间关系的非线性方程组(1)如下：

$F(x_{\left(n\right)},y_{\left(n\right)},{\mathrm{\θ}}_{\left(n\right)})=\left\{\begin{array}{c}{f}_1(x_{\left(n\right)},y_{\left(n\right)},{\mathrm{\θ}}_{\left(n\right)})=A_1{P}_1-L_{1\left(n\right)}=0;\\ f_2(x_{\left(n\right)},y_{\left(n\right)},{\mathrm{\θ}}_{\left(n\right)})=A_2{P}_2-L_{2\left(n\right)}=0;\\ f_3(x_{\left(n\right)},y_{\left(n\right)},{\mathrm{\θ}}_{\left(n\right)})=A_3{P}_3-L_{3\left(n\right)}=0;\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中A₁P₁，A₂P₂和A₃P₃分别为作动器在刚性框架上链接点A₁，A₂和A₃，与作动器在模拟加载平台上链接点P₁，P₂和P₃之间的距离，即作动器长度；

P₁，P₂和P₃的坐标如下式(2)：

$P_i=\left(\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{yi}}^{\left(n\right)}\\ P_{\mathrm{zi}}^{\left(n\right)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\left(n\right)}& \sin {\mathrm{\θ}}_{\left(n\right)}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\left(n\right)}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\left(n\right)}\end{array}\right)(\left(\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{yi}}^{\left(0\right)}\\ P_{\mathrm{zi}}^{\left(0\right)}\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{y}_{\left(n\right)}\\ z_{\left(n\right)}\end{array}\right))+\left(\begin{array}{c}{y}_{\left(n\right)}\\ z_{\left(n\right)}\end{array}\right),i=\mathrm{1,2,3};---\left(2\right)$

上式中 $\left(\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{yi}}^{\left(0\right)}\\ P_{\mathrm{zi}}^{\left(0\right)}\end{array}\right)$ 分别对应P₁，P₂和P₃在加载平台的初始位置。

(c)设定以(y_n-1，z_n-1)和θ_n-1为初始点，以及已知的作动器长度(L_1(n)，L_2(n)，L_3(n))；运用Newton-Raphson算法对非线性方程组(1)进行求解，得到加载平台质心坐标(y_n，z_n)和θ_n；进而根据式(2)，得出作动器在加载平台上链接点P₁，P₂和P₃的坐标；结合作动器在刚性框架上链接点坐标A₁，A₂和A₃已知点坐标和作动器的角度θ_1n，θ_2n和θ_3n；

(d)根据下述表达式(3)中力变换法则和加载平台质心受到加载力的目标值(模拟车体加载平台1受到的Fy_(n)，Fz_(n)和力矩Mx_(n))，得出各个作动器的出力F_1(n)，F_2(n)和F_3(n)；

$\left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_{1\left(n\right)}& \cos {\mathrm{\θ}}_{2\left(n\right)}& \cos {\mathrm{\θ}}_{3\left(n\right)}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_{1\left(n\right)}& \sin {\mathrm{\θ}}_{2\left(n\right)}& \sin {\mathrm{\θ}}_{3\left(n\right)}\\ D_{1\left(n\right)}& D_{2\left(n\right)}& D_{3\left(n\right)}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{F}_{1\left(n\right)}\\ F_{2\left(n\right)}\\ F_{3\left(n\right)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{Fy}}_{\left(n\right)}\\ {\mathrm{Fz}}_{\left(\text{n}\right)}\\ {\mathrm{Mx}}_{\left(n\right)}\end{array}\right);---\left(3\right)$

其中，D_1(n)，D_2(n)和D_3(n)分别是加载平台质心到作动器力作用线的距离；

(e)通过试验系统控制器实现作动器对加载平台的目标力值输出；

第四步，根据测得的动载荷P_d计算倾覆系数，

若达到限值，则锁定各个作动器的长度，终止以上步骤的迭代；

若未达到限值，判断作动器长度是否有变化，若无变化，则表明模拟车体加载平台(1)进入另一个平衡状态，说明在某一组Fy_(n)，Fz_(n)和Mx_(n)情况下，铁路车辆是不会发生倾覆的，终止迭代；若作动器长度有变化，则进入第(n+1)步迭代；

在终止迭代的情况下，重复上述第三步至第四步的测算与迭代，以验证下一组Fy_(n)，Fz_(n)和Mx_(n)。

通过以上对多种试验工况组合进行的试验，确定某个倾覆系数限值下运行限速(x轴)-风速级别(y轴)的曲线图。

Claims (2)

1.一种铁道车辆抗大风倾覆能力测试装置，其特征在于：包括有加载横梁(10)、模拟车体加载平台(1)和模拟轨道平台(3)；

在加载横梁(10)与模拟车体加载平台(1)之间，连接第一垂向作动器(11)、第二垂向作动器(12)和第一横向作动器(13)；

模拟车体加载平台(1)通过中央牵引装置和二系悬挂装置承载于转向架构架(2)，转向架构架(2)通过一系悬挂装置和轴箱承载于车轮(4)，车轮(4)承载于设置在模拟轨道平台(3)上的轨道工装(5)，在模拟轨道平台(3)与轨道工装(5)之间安装有多自由度力传感器(6)。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆抗大风倾覆能力测试装置，其特征在于：模拟轨道平台(3)分别连接一组垂向作动器(14)、两组相对方向安装的横向作动器(15)和两组相对方向安装的纵向作动器。

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