基于差速传动机构的铁路机车车辆运行仿真试验台

摘要

基于差速传动机构的铁路机车车辆运行仿真试验台，由数个试验单元构成，每一试验单元的结构为：驱动机构与左、右滚轮相连，左、右滚轮支撑在左、右U字形框架上；左、右U字形框架分别通过其侧壁上的垂向线性轴承安装在左、右滚轮座内壁上；左、右滚轮座均安装在基座上；左、右U字形框架的底部分别通过垂向液压激振器连接在基座上；左、右滚轮轴的外端与横向液压激振器相连，横向液压激振器固定在基座上；左、右滚轮座分别通过回转轴承安装在基座上，并与各自的回转激振器相连。该试验台可以模拟机车车辆在铁路线路上的运动；它能模拟平顺的车辆运行状态，又能模拟线路垂向不平顺、横向不平顺、侧向水平弯曲的扰动和车辆在曲线线路环境下的运动状态。

说明书

本申请为名称是“铁路机车车辆运行仿真试验台”、申请日为2006年12月31日的200610022732.6号专利申请的分案申请。是根据该原案申请的第二次审查意见通知书的建议进行分案的，为了避免与原案申请名称完全相同而无法区分，申请人将本分案申请的名称改为“基于差速传动机构的铁路机车车辆运行仿真试验台”。

技术领域

本发明涉及一种铁路机车车辆运行仿真试验台。

背景技术

铁路机车车辆整车动态性能的好坏是直接影响列车运行质量(包括安全可靠、快速便捷、高效节能、平稳舒适等)的最重要的因素。因而，对机车车辆整车动态性能进行运行试验研究是必需的。

列车在实际的线路上运行时的工况是极其复杂多变的。测试铁路机车车辆整车动态性能，需要测试机车车辆整车在各种工况下的动态性能，具体而言是指测试在下述工况下的动态性能：1.列车的前进运动，即车轮的滚动。2.钢轨的加工、安装等因素形成的误差带来的线路不平顺扰动，具体包括：a.垂向不平顺，即轨道上的钢轨高低不平；b.横向不平顺，即轨道延伸方向上侧面不光滑、产生了侧向水平偏移；c、侧向水平弯曲，即钢轨在轨道延伸方向上产生了侧向的水平弯曲；3.线路弯道处钢轨的曲线状态(缓和曲线及圆弧曲线)，以及在曲线状态下的同轴的两车轮由于切线方向上的线速度不一致而产生的滑移现象；4.载荷状况下的牵引、制动过程。

目前，在铁路机车车辆整车动态性能运行试验研究中主要采用两种方法：一种是在环行轨道上作线路运行试验；另一种方法是在实验室里建造定置试验台。采用环行轨道方式，缺点在于：需要修建试验线路，要占用很大的场地，并且对运行中的列车的某些动态参数的检测很不方便，甚至无法进行。试验台的方式，则占用场地少，且能动态地、变化地仿真模拟列车运行的多种工况。但现有的定置试验台，一方面结构复杂，难于控制，另一方面同一试验台上也只能实现少数工况的模拟。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁路机车车辆运行仿真试验台，该种试验台可以方便地模拟机车车辆在铁路线路上的运动；它能模拟平顺的车辆运行状态，又能模拟线路垂向不平顺、横向不平顺、侧向水平弯曲的扰动和车辆在曲线线路环境下的运动状态。

本发明解决实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种铁路机车车辆运行仿真试验台，其组成为，由数个试验单元构成，每一试验单元的具体结构为：

驱动机构通过万向轴与右滚轮轴相连，左滚轮轴通过浮动式联轴器与右滚轮轴相连；或者左滚轮轴与驱动机构的差速传动机构相连；左、右滚轮分别安装在左、右滚轮轴上。

左、右滚轮轴分别通过轴承支撑在左、右U字形框架上；左、右U字形框架分别通过其侧壁上的垂向线性轴承安装在左、右滚轮座内壁上；左、右滚轮座均安装在基座上。

左、右U字形框架的底部分别通过的垂向液压激振器连接在基座上。

左、右滚轮轴的外端分别连在轴承座上，轴承座与连接杆铰接，连接杆再与L形拐臂的一端铰接，L形拐臂的拐角通过铰链固定在左、右滚轮座上，L形拐臂的另一端与横向液压激振器连接，横向液压激振器的另一端固定在基座上。

左、右滚轮座分别通过回转轴承安装在基座，左、右滚轮座与各自的回转激振器相连。

本发明试验台的工作过程及原理是：

由于驱动机构是通过万向轴带动右滚轮轴运动，右滚轮运动时可在各个方向上有一定的偏移范围，并且左、右滚轮中间设置了一个浮动式联轴器，该浮动式联轴器具有较大的轴向位移补偿能力、径向位移补偿能力和角度位移补偿能力，在传递转动和扭矩的同时，允许左、右滚轮在各自的垂向和横向液压激振器的推动下作垂向和横向的相对移动。也就是说左、右滚轮能够产生相对独立的垂向和横向移动。或者断开左、右滚轮轴间的浮动式联轴器，通过差速机构将其连接，则左、右滚轮能够产生完全独立的垂向和横向移动。

车辆直线平顺运行的模拟：用装在滚轮轴上的滚轮来代替轨道，滚轮的外圆截面具有铁路轨道踏面的形状，每个滚轮经滚轮轴支承在一个U字形框架里的轴承中，滚轮在驱动机构的驱动下转动，从而带动车轮转动，模拟列车的平顺前进运动。

轨道垂向不平顺状况的模拟：由于U字形框架通过垂向线性轴承安装在滚轮座里，U字形框架的下面通过垂向液压激振器联结在基座上；滚轮转动的同时，使垂向液压激振器工作，U字形框架及滚轮受到激振器的振动作用力，因此左、右滚轮将按激振器的振动频谱作垂向往复运动，该往复运动与滚轮转动的复合即可模拟出车轮在纵向运动中的高低不平；由于左右滚轮的振动频谱是独立的，因此它也可以模拟出在同一断面上两条轨道的高低不平。从而可以极其真实地模拟出不同线路的各种垂向不平顺状况。

轨道横向不平顺状况的模拟：由于滚轮轴的外端通过轴承座和L形拐臂与基座上的横向液压激振器联结。滚轮转动的同时，使横向液压激振器工作，其运动通过L形拐臂传递到滚轮轴及滚轮上，迫使左、右滚轮按各自激振器的振动频谱作横向(侧向)往复运动，即可模拟出车辆运行时线路的横向不平顺状况。

轨道侧向水平弯曲不平顺状况的模拟：由于右滚轮轴与万向轴相连，左右滚轮轴间由一个浮动式联轴器联结；并且左右滚轮分别通过回转轴承安装在基座上，因此，在一定角度范围内左右滚轮均可发生相对基座的回转运动。滚轮滚动时，回转激振器工作，带动左右滚轮相对基座发生频率较高的回转运动，从而模拟出车辆运行时轨道侧向水平无规则弯曲所引起的方向变化状况。

曲线线路状态的模拟：垂向激振器工作，即可使外侧轨道适当抬高，再结合同时工作的回转激振器，则能在一定程度上模拟出车辆在轨道曲线线路状态下的运行工况。

本发明的垂向、横向及回转三个激振器既可单独工作，也可任意两个或三个同时工作，实现各种不平顺运动的迭加。尤其是三个方向的激振器同时工作时，能使车辆产生上下颠跛、左右摇摆和摇头的运动，从而极其真实地模拟出列车在线路上的真实运行状况。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

通过垂向、横向液压激振器及回转液压激振器可分别或结合地模拟出车辆运行时轨道的垂向、横向、轨距及弯曲变化带来的全方位、全自由度的所有不平顺工况及其曲线状态；因此，它能够很真实地模拟出车辆运行的各种不平顺实际工况，较真实地模拟出车辆在轨道曲线状态下的运行工况。从而为整车动态性能测试提供了一个更真实、更良好的测试环境，使测试数据更准确、可靠。

上述的基座由上部的可倾基座和下部的刚性基座组成，其具体结构为：可倾基座与刚性基座之间的一侧通过球铰连结，另一侧通过液压作动器相连。

液压作动器动作时，可使可倾基座及两个滚轮发生水平倾斜，结合回转液压激振器的动作，可以极为真实地模拟出铁轨的曲线及其外侧轨道超高的状况。其具体的工作过程是：针对线路曲线半径的大小，将左右滚轮相对基座回转至一定的角度，模拟相应的径向位置；由液压作动器推举基座上的可倾基座的一端，绕另一端(铰支端)抬升一定角度，使其一端的滚轮高于另一端滚轮，模拟弯道处外侧钢轨超高；再通过差速机构(此时左右滚轮轴间的浮动式联轴器脱开)，使左右滚轮轴和滚轮获得不同的转速，模拟左右滚轮在钢轨踏面上产生的滑差。由此，车辆在弯道处的曲线运行状况可得到完整的极为真实的模拟。

上述的驱动机构的构成为：电机与传动箱相连，传动箱通过万向联轴器与右滚轮轴相连。

上述的电机在与传动箱相背的另一输出轴上接有飞轮装置。

上述的飞轮装置与电机轴之间接有增速齿轮箱，电机为直流电机。

为了模拟列车牵引、制动过程，适应不同机车牵引与制动特性的试验需要，对列车的运行阻力和惯性质量采用了机械惯量模拟与电气惯量模拟相结合的方案。以上的飞轮装置既可以用来模拟列车的惯性质量，同时也可保证试验台整个系统运行的稳定性能，并降低作为发电功能使用的电机即负载电机控制的难度，也为实现无级的电气惯量模拟提供有利的条件。以驱动机构中的直流电机作为负载电机即发电机，该电机在模拟制动过程时，通过控制装置切断其电源输入回路，而接通与输入回路并联的另一负载电阻回路进行能量消耗，也即将滚轮运动的机械能通过该电机转换成电能，再由负载电阻消耗，从而模拟出在制动过程中制动器的制动作用。通过对负载电机的控制来调节电气惯量的大小。为了增强飞轮的作用，用增速齿轮箱对飞轮进行增速，以加大对列车惯性质量的模拟能力，确保对列车牵引、制动过程的模拟品质。从而可以准确模拟出列车在载重情况下的牵引及制动过程中的工况，为可靠准确测试列车在牵引及制动过程中的动态性能提供了良好的测试环境。

上述的驱动机构的构成为：电机与同步分流齿轮箱相连，同步分流齿轮箱与电机轴同向的直通输出端经万向轴与右滚轮轴连接；与电机轴方向垂直的同步输出端与相邻试验单元的同步分流齿轮箱的同步输出端对接，与电机轴方向垂直的垂向输出端通过差速传动机构与左滚轮轴连接。

上述差速传动机构的组成为：同步分流齿轮箱的垂向输出端通过第一转向齿轮箱与差速齿轮箱相连；差速齿轮箱经过万向轴与第二转向齿轮箱相连、第二转向齿轮箱通过第三转向齿轮箱与左滚轮轴相连；差速齿轮箱内部设有锥齿轮包，该锥齿轮包与调速电机连接。

这样左、右滚轮相互完全独立。电机将旋转运动输入到同步分流齿轮箱，通过同步分流齿轮箱把运动分成三个方向输出，其中直通方向的旋转运动直接传递给右滚轮，另外两侧与电机轴呈垂直方向输出。一侧垂向输出端与相邻试验单元的同步分流齿轮箱的对应输出端对接，用以实现与相邻试验单元的机械同步；另一侧垂向输出端与转向齿轮箱联结，改变输出方向，使输出方向与滚轮轴的方向平行，然后与差速齿轮箱的输入轴连接。差速齿轮箱内部有一个可以转动的锥齿轮包，锥齿轮包的转动速度由调速电机驱动和控制，可实现无级调速，差速齿轮箱输出轴的转速是其输入轴转速和锥齿轮包转速之和，也就是说，差速齿轮箱的输出转速与输入转速之间可以产生一速差，而且这一速差的正负、大小均随时设定和可调。差速齿轮箱的输出轴通过连接轴将运动传到第二转向齿轮箱，经第二转向齿轮箱转向输出再传到第三转向齿轮箱，经第三转向齿轮箱转向后，其输出轴获得与右滚轮轴同轴线、同方向的旋转运动，再通过万向轴与左滚轮的伸出轴对接，以此驱动左滚轮以与右滚轮同方向但不同转速旋转，从而实现车辆通过曲线路段时的差速，模拟出同一轴线上的两滚轮在轮、轨接触处切线方向上存在的滑差现象。最终更加真实地模拟出车辆在转弯处的运行工况。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例一去掉驱动机构的结构示意图。

图2是本发明实施例一的驱动机构及其与左右滚轮的连接关系示意图。

图3是本发明实施例二去掉驱动机构的结构示意图。

图4是本发明实施例二的驱动机构及其与左右滚轮的连接关系示意图。

图5是本发明的滚轮运动自由度示意图。图中：X方向为轨道延伸方向，Y方向为侧向或水平方向，Z为垂向方向。

具体实施方式

实施例一

图1、图2及图5示出，本发明的一种具体实施方式为：

一种铁路机车车辆运行仿真试验台，其组成为由数个试验单元构成，每一试验单元的具体结构为：

驱动机构通过万向轴7与右滚轮轴9b相连，左滚轮轴9a通过浮动式联轴器22与右滚轮轴9b相连；或者左滚轮轴9a与驱动机构的差速传动机构相连；左、右滚轮8a、8b分别安装在左、右滚轮轴9a，9b上。

左、右滚轮轴9a，9b分别通过轴承13支撑在左、右U字形框架12a、12b上；左、右U字形框架12a、12b分别通过其侧壁上的垂向线性轴承35安装在左、右滚轮座14a、14b内壁上；左、右滚轮座14a、14b均安装在基座17上。

左、右U字形框架12a、12b的底部分别通过的垂向液压激振器18连接在基座17上。

左、右滚轮轴9a，9b的外端分别连在轴承座19上，轴承座19与连接杆36铰接，连接杆36再与L形拐臂20的一端铰接，L形拐臂20的拐角通过铰链固定在左、右滚轮座14a、14b上，L形拐臂20的另一端与横向液压激振器21连接，横向液压激振器21的另一端固定在基座17上。

左、右滚轮座14a、14b分别通过回转轴承15安装在基座17，左、右滚轮座14a、14b与各自的回转激振器相连。

基座17由上部的可倾基座17a和下部的刚性基座17b组成，其具体结构为：可倾基座17a与刚性基座17b之间的一侧通过球铰23连结，另一侧通过液压作动器24相连。

驱动机构的构成为：电机1与传动箱2相连，传动箱2通过万向联轴器7与右滚轮轴9b相连。

电机1在与传动箱2相背的另一输出轴上接有飞轮装置5。飞轮装置5与电机1轴之间接有增速齿轮箱4；电机1是直流电机。

本例中的传动箱2为变速传动箱，该变速传动箱是用来向轨道滚轮对提供不同速度和扭矩，通过不同安装方式，传动比可设置成1∶1、2∶1用于大扭矩或1∶2用于高速。本例中，驱动机构直接驱动滚轮转动，是一种直通工作方式。

在这种直通方式连接下，滚轮8a、8b在驱动机构的驱动下带动被测试机车车轮37一起转动，模拟列车的前进运动。a.当垂向液压激振器18工作时，U字形框架12a、12b及滚轮8a、8b在激振器18的作用下按一定的振动频谱在垂向往复运动，模拟线路钢轨垂向不平顺状况。b.当横向液压激振器21工作时，其运动通过L形拐臂20传递到滚轮轴9a、9b及滚轮8a、8b上，迫使滚轮8a、8b按一定的振动频谱在横向往复运动，模拟线路的横向不平顺状况。c.滚轮座14a、14b与可倾基座17a间通过回转轴承15连接，因而滚轮座14a、14b及滚轮8a、8b可产生相对于可倾基座17a的回转；而回转激振器工作时，使滚轮座14a、14b及滚轮8a、8b产生相对于可倾基座17a的回转振动，从而可模拟轨道水平弯曲方向变化状况。d.当液压作动器24推举时，可使可倾基座17a及滚轮8a、8b相对刚性基座17b产生倾斜，从而可以模拟轨道在曲线状态下一侧超高的状况。对上述运动进行叠加，则可实现各种复合工况的模拟。

本例的电机1是直流电机，由于直流电机既可以作电动机应用，也可作发电机应用。也即与电机线圈相连的支路有两条，分别为电源输入支路和负载电阻支路。在模拟制动过程时，通过控制装置切断电源输入支路，接通负载电阻支路，进行能量消耗，从而将滚轮8a、8b运动的机械能通过该该直流电机转换成电能，再由负载电阻消耗，以模拟出在制动过程中制动器的制动作用。与电机1相连的飞轮装置5也用来模拟列车的惯性质量，同时还可保证试验台整个系统运行的稳定性能。

实施例二

图3、图4及图5示出，本例与实施例一基本相同，不同的是去掉左滚轮轴(9a)与右滚轮轴(9b)之间的浮动式联轴器(22)。而变成：左滚轮轴9a与驱动机构的差速传动机构相连；驱动机构的构成为：电机1与同步分流齿轮箱2’相连，同步分流齿轮箱2’与电机1轴同向的直通输出端经万向轴7与右滚轮轴9b连结；与电机轴方向垂直的同步输出端与相邻试验单元的同步分流齿轮箱2’的同步输出端对接，与电机轴方向垂直的垂向输出端通过差速传动机构与左滚轮轴9a连接。差速传动机构的组成为：同步分流齿轮箱2’的垂向输出端通过第一转向齿轮箱28a与差速齿轮箱31相连；差速齿轮箱31经过万向轴与第二转向齿轮箱28b相连、第二转向齿轮箱28b通过第三转向齿轮箱28c与左滚轮轴9a相连；差速齿轮箱31内部设有锥齿轮包32，该锥齿轮包32与调速电机33连接。

本例中，将传动箱2改为同步分流齿轮箱2’，最终可以实现左滚轮8a作与右滚轮8b同旋转方向但不同转速的转动。

本例的装置可进行差速模拟。此时左、右滚轮8a、8b相互完全独立。电机1将旋转运动输入到同步分流齿轮箱2’，通过同步分流齿轮箱2’把运动分成三个方向输出，其中直通方向的旋转运动直接传递给右滚轮8b，另外两侧与电机轴呈垂直方向输出。一侧的垂向输出端与相邻试验单元的同步分流齿轮箱2’的对应输出端对接，用以实现与相邻试验单元的机械同步。另外一侧垂向输出端通过差速传动机构传至滚轮8a。这样左滚轮8a与右滚轮8b分别获得同旋转方向但不同转速的转动，从而实现了对车辆通过曲线路段时同轴的两侧车轮37之间在切线方向上存在差速状态的模拟。

显然，在差速状态下也可以与垂向液压激振器18、横向液压激振器21、回转激振器和液压作动器24等控制的运动进行叠加，从而实现在差速状态下各种复合工况的模拟。

当然，本例的差速机构也可设置为左滚轮8a和右滚轮8b的速度完全相同，则本例所模拟的工况与实施例一完全相同。

本发明在使用时，试验单元的具体个数根据被试车辆的轮轴数而定，通常为6个，试验时车辆的每根轮轴对应一个试验单元。刚性基座17b安装在钢筋混泥土地坑上。相邻试验单元的刚性基座17b间距是可调的，也即根据不同试验车辆的不同轮轴距离，相邻试验单元的刚性基座17b安装的间距也相应不同。

本发明装置中的垂向激振器18和横向激振器21输出的激振力可以通过在激振器活塞杆顶部加装力传感器进行测定，而电机1的转矩转速则可通过加装在驱动机构中的任意一根连接轴上的转矩转速传感器获得。这样，试验台的控制机构可以实现对激振力和驱动的转矩转速进行反馈闭环控制。

本发明的各个激振器的振动频谱可以使用标准频谱，也可以从在实际的铁路线路上运行的过程中用传感检测系统采集得到。这样可使本装置在使用时，能更好地模拟出车辆在相应铁路轨道线路上的实际工况，使测得的数据更有参考和使用价值。