短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置及方法

摘要

本发明提供了一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置及方法。该装置包括：缩尺列车模型安装于缩尺轨道模型的上方；缩尺轨道模型安装于试验台承台之上，为列车运行提供支撑；电磁支撑台架安装于试验台承台之上，电磁铁安装在电磁支撑台架内侧，通过电磁继电器控制系统保证缩尺列车模型平稳抬升、降落及稳定加速；控制液压动力发生装置输出列车车轮转动所需的能量输入值大小；列车弹射动力系统在列车车轮下落接触钢轨的瞬间，启动列车弹射设备，使缩尺列车模型瞬间以高速弹出。本发明能够确保室内缩尺列车动力弹射平台上列车模型在极短距离内实现模型车轮高速滚动运行，在有限的试验距离范围内完成高速列车轮轨接触关系模拟的试验装置。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置及方法。

背景技术

我国轨道高速铁路事业快速发展，已从大规模建设阶段逐步转变为长期安全稳定运营阶段，如何长期保证高速列车高安全、高稳定、高可靠的运营品质，是我国现阶段面临的重大科学问题。高速列车轮轨动态接触关系反映了车轮与钢轨之间的动力相互作用，良好的轮轨接触关系是保证高速列车安全、平稳运行的核心科学问题，而车辆运行速度及轨道、车轮服役状态等多因素的共同作用直接影响高速列车轮轨接触关系。目前对于轮轨接触关系主要集中于理论研究，大多学者通过建立车辆轨道耦合动力学模型，从数值模拟的角度研究高速列车在不同的运行工况下轮轨接触关系；但理论模型研究如何与现场实际状况紧密结合，还亟待学者们继续研究。部分学者通过现场试验来研究列车在运行过程中轮轨接触关系，但基于实车、实轨的现场试验大多在正线上进行，存在的主要缺点是成本高、难以模拟极端工况条件、测试难度大还会受到各类随机因素的影响、风险性大、可重复性差。因此，国内外学者尝试开展室内列车试验平台的设计研发，大多从以下几个方面开展室内试验，建立室内轮轨滚动试验台来研究列车轮轨接触姿态，但无法考虑轮轨纵向蠕滑及复杂线路条件的影响；此外，部分学者基于相似理论搭建缩尺高速列车试验平台，其功能可以分为以下两种：一种试验台对车体转向架及列车车轮结构进行了简化，将研究重点放在高速列车在运行过程中所受到的空气动力问题，无法开展列车轮轨接触姿态的研究。另一种是建立了低速轮轨滚动缩尺试验平台，仅能研究列车在低速运行下，不同工况对列车轮轨接触姿态的影响。目前若想实现列车试验平台车轮随车体高速转动运行，现面临巨大的技术瓶颈，分析其原因是由于，部分试验平台通过外力弹射装置可以使列车短时间内达到很高的速度，但是，车轮仅能依靠钢轨滑动摩擦力慢慢实现加速转动，也就是说缩尺列车模型即使借助外力被瞬间高速弹出，车轮仍在很长的距离范围内只能在钢轨上连滚带滑前行，当车轮转动角速度达到v/R时，车轮才能实现滚动运行，很明显若想研究高速列车轮滚滚动接触姿态的研究，加速段所需距离对试验平台的成本带来巨大增大，因此应考虑如何克服这一难题，在有限的距离内真正实现试验段轮轨滚动而非滑动运行模拟。

发明内容

本发明的实施例提供了一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置及方法，以实现在有限的距离内真正实现试验段轮轨滚动。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置，包括：缩尺列车模型(1)、缩尺轨道模型(2)、试验台承台(3)、电磁支撑台架(4)、电磁铁(5)、电磁继电器控制系统、车轮速度控制系统(12)、列车弹射动力系统和液压动力发生装置；

所述缩尺列车模型(1)安装于所述缩尺轨道模型(2)的上方，并与所述列车弹射动力系统相连接；

所述缩尺轨道模型(2)安装于所述试验台承台(3)之上，为列车运行提供支撑；

所述电磁支撑台架(4)安装于所述试验台承台(3)之上，所述电磁铁(5)安装在电磁支撑台架(4)内侧，通过电磁继电器控制系统对缩尺列车模型(1)提供非接触抬升斥力，保证所述缩尺列车模型平稳抬升、降落及稳定加速；

所述车轮速度控制系统(12)安装于缩尺轨道模型的下部，与所述液压动力发生装置相连，控制所述液压动力发生装置输出所述列车车轮转动所需的能量输入值大小；

所述列车弹射动力系统在列车车轮下落接触钢轨的瞬间，启动列车弹射设备，使所述缩尺列车模型瞬间以高速弹出。

优选地，所述缩尺列车模型(1)包括：缩尺车体(13)、列车车轮(6)、缩尺构架(14)、电磁铁(5)、驱动齿轮(7)、分动器(8)、列车车轮齿轮(9)和驱动轴(10)；

所述四组列车车轮(6)通过缩尺构架(14)连接于所述缩尺车体(13)的下方；

所述电磁铁(5)安装于缩尺车体(13)的上表面及两个侧面，并与电磁继电器控制系统连接，通过电磁继电器控制系统提供大小可调的非接触电磁力，实现缩尺车体(13)平稳抬升、降落及弹出；

所述驱动齿轮(7)安装于缩尺车体(13)中间位置的底部，并与外部液压动力发生装置(11)相连，用于接收外部动能；

所述分动器(8)安装于缩尺车体(13)的中间底部及各个缩尺构架的(14)中间底部，用于接收动力并通过齿轮组将动力分别传输；

所述列车车轮齿轮(9)安装于各个列车车轮(6)上，用于接收动力，并驱动车轮转动；

所述驱动轴(10)安装于驱动齿轮(7)、分动器(8)和列车车轮齿轮(9)之间，用于传递动能。

优选地，所述缩尺轨道模型(2)安装于所述试验台承台(3)的正中，在所述缩尺轨道模型2两侧一定距离设置一定深度的凹槽，并在试验台承台(3)的上部设置电磁支撑台架(4)。

优选地，所述驱动齿轮(7)采用外部液压动力发生装置(11)提供动力，在能量传输过程中采用了增速滑轮组，完成能量传递后自动解锁，使驱动齿轮(7)与外部动力发生装置(11)脱离。

优选地，所述试验台承台(3)包括由下部素混凝土浇筑而成的底座及多根槽钢焊接而成的上部框架，所述下部素混凝土底座直接浇筑于地面，为所述上部框架搭建提供平整平面，并传递试验过程中的动力荷载至下部，所述试验台承台(3)为上部各结构提供稳定支承。

优选地，所述电磁支撑台架(4)的材质为耐硬质铝材。

优选地，所述缩尺轨道模型(2)为装配式结构，包括：缩尺钢轨(15)及道床(16)，所述缩尺钢轨(15)固定于所述道床(16)上，所述道床(16)安装于试验台承台(3)指定位置。

优选地，所述电磁继电器控制系统根据所述缩尺列车模型(1)的重力大小来计算抬升所需电磁力，进而获取电流强度变化曲线，完成车轮加速后，通过电流强度变化曲线来改变电磁铁(5)所产生的电磁力大小与方向，使所述缩尺列车模型(1)下落，并利用电磁力保证所述缩尺列车模型(1)被弹射过程的稳定性。

优选地，所述车轮速度控制系统(12)包括：外部液压动力发生装置(11)，所述外部液压动力发生装置(11)安装于驱动齿轮(7)与车轮速度控制系统(12)之间，为实现车轮高速转动提供动能。

根据本发明的另一个方面，提供了一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的试验方法，包括：

通过电磁继电器控制系统打开电磁支撑台架(4)的电磁铁5，通过电磁引力将缩尺列车模型(1)抬升一定高度，使车轮与钢轨脱离，待缩尺列车模型(1)稳定后；连接外部液压动力发生装置(11)与车载车轮驱动齿轮(7)；打开速度控制系统(12)输入列车车轮转动试验速度，启动外部液压动力发生装置(11)，通过能量多级传递，完成列车车轮的高速转动；

打开列车弹射动力系统，并输入列车运行试验速度，通过调节电磁继电器控制系统使缩尺列车模型(1)稳定下落，在列车车轮下落接触钢轨的瞬间，启动列车弹射设备，使缩尺列车模型瞬间(1以高速弹出，短距离实现车轮高速滚动运行。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置，能够通过借助外部动力源通过速度控制系统及能量多级传输系统在列车弹射之前实现车轮的高速转动，并与非接触电磁力相配合，保障缩尺列车抬升、车轮加速、下落、车体弹射加速过程中的安全性及稳定性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的纵向整体结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的横向整体结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的剖面俯视结构示意图。

图4为本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置中的缩尺列车模型结构示意图。

图5为本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的缩尺轨道模型的结构示意图。

附图标记：

1、缩尺列车模型；2、缩尺轨道模型；3、试验台承台；4、电磁支撑台架；5、电磁铁；6、列车车轮；7、驱动齿轮；8、分动器；9、列车车轮齿轮；10、驱动轴；11、外部液压动力发生装置；12、车轮速度控制系统；13、缩尺车体；14、缩尺构架；15、缩尺钢轨；16、道床。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

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。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置，通过带有电磁继电装置的电磁支撑台架提供非接触电磁力将缩尺列车模型稳定抬升一定高度，同时根据试验所需列车车体运行速度换算得到车轮转动速度，利用车轮速度控制系统控制外部液压动力发生装置提供相应的动力源，并通过增速滑轮组将动力传递到缩尺列车模型，利用车载动力传输装置使车轮在缩尺列车模型被弹出前实现高速转动；电磁支撑台架提供非接触电磁力保证缩尺列车模型下落及弹出过程中的稳定性，从而完成短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验模拟，大大节约试验场地建设资金的投入，为高速铁路轮轨关系研究提供更可靠的试验数据。

本发明实施例提供了一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的结构图如图1所示，包括：缩尺列车模型1、缩尺轨道模型2、试验台承台3、电磁支撑台架4、列车车轮6、驱动齿轮7、外部液压动力发生装置11、车轮速度控制系统12、动力系统(图中未示出)和继电器控制系统(图中未示出)。其中缩尺列车模型(1)安装于缩尺轨道模型(2)上方，并与列车弹射动力系统(图中未示出)相连接；缩尺轨道模型(2)安装于所述试验台承台(3)之上，为列车运行提供支撑；电磁支撑台架(4)安装于所述试验台承台(3)之上，并与继电器控制系统连接，为非接触电磁力提供反作用力，保证缩尺列车模型(1)平稳抬升、降落及稳定弹射加速；车轮速度控制系统(12)安装于缩尺轨道模型(2)下部，与液压动力发生装置(11)相连，控制列车车轮(6)转动所需的能量输入值大小。

图2为本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的横向整体结构示意图。如图2所示，电磁支撑台架(4)由槽钢焊接而成，并装配安装在试验承台上，电磁支撑台架(4)由继电器控制系统调控的电磁铁(5)以及支座锚固装置组成。电磁铁(5)与继电器控制系统连接，通过电磁继电器控制系统实现对缩尺列车模型(1)平稳抬升、下降、稳定和加速，电磁继电器控制系统根据缩尺列车模型(1)的重力大小来计算抬升所需电磁力，进而获取电流强度变化曲线并输入电磁继电器控制系统，进而实现缩尺列车模型(1)平稳抬升，当完成车轮加速后，通过电流强度变化曲线来改变电磁铁所产生的电磁力大小与方向，使缩尺列车模型(1)平稳下落，并利用周向电磁力保证缩尺列车模型(1)被弹射加速过程的稳定性。

图3为本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的剖面俯视结构示意图。如图3所示，列车车载动力传输系统包括驱动齿轮7、分动器8、列车车轮齿轮9和驱动轴10；通过电磁继电器控制系统实现对缩尺列车模型(1)平稳抬升后，根据实验所需的列车(1)运行速度，换算得到相应车轮转速，利用车轮速度控制系统(12)控制液压动力发生装置(11)控制所述液压动力发生装置输出列车车轮(6)转动所需的能量输入值大小。所述驱动齿轮(7)安装于缩尺车体(13)中间位置的底部，并与外部液压动力发生装置(11)相连，用于接收外部动能。分动器(8)安装于缩尺车体(13)的中间底部及各个缩尺构架(14)的中间底部，用于接收动力并通过齿轮组将动力分别传输；驱动轴(10)安装于驱动齿轮(7)、分动器(8)和列车车轮齿轮(9)之间，用于传递动能；列车车轮齿轮(9)安装于各个列车车轮(6)上，用于接收动力，并驱动车轮转动；通过该装置可以使列车(1)被弹射瞬间保证列车(1)车速与车速转动速度匹配。

图4为本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置中的缩尺列车模型结构示意图。如图4所示，该缩尺列车模型主要包括：缩尺车体13、列车车轮6、缩尺构架14和电磁铁5，四组列车车轮6通过缩尺构架14连接于缩尺车体13的下方，电磁铁5安装于缩尺车体13的上表面及侧面位置，用于提供电磁连接，并保证缩尺列车模型1被抬升下降及弹射过程中不发生偏心。缩尺列车模型1几何特征根据实际列车按1：10比例缩尺。

图5为本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的缩尺轨道模型的结构示意图，如图5所示，该缩尺轨道模型2为装配式结构，包括：缩尺钢轨15及道床16。缩尺钢轨15固定于道床16上，道床16安装于试验台承台3指定位置。缩尺轨道模型2几何尺寸根据实际轨道1：10比例缩尺。

在整个试验方法过程中，试验台承台3是主要的承载结构，其为上部其他结构提供支承及稳定的安装环境；缩尺轨道模型2与缩尺列车模型1直接接触，承载缩尺列车模型1的平稳滚动运行；电磁铁(5)通过电磁继电器控制系统产生非接触电磁力，用于提升或降低缩尺列车模型(1)，并保证其稳定加速运行，电磁支撑台架(4)提供电磁力反作用支撑；车轮速度控制系统(12)用以控制液压动力发生装置(11)控制所述液压动力发生装置输出列车车轮(6)转动所需的能量输入值大小；驱动齿轮(7)与外部液压动力发生装置(11)相连，用于接收外部动能；分动器(8)用于接收动力并通过齿轮组将动力分别传输；驱动轴(10)用于传递动能；列车车轮齿轮(9)用于接收动力，并驱动车轮转动；通过该装置可以使列车(1)被弹射瞬间保证列车(1)车速与车速转动速度匹配，实现短距离内轮滚高速滚动运行。

需要说明的是，试验台承台3包括由下部素混凝土浇筑而成的底座及多根槽钢焊接而成的上部框架，以便于为上部各结构提供稳定支承。下部素混凝土底座直接浇筑于地面，为上部框架搭建提供平整平面，并传递试验过程中的动力荷载至下部，从而基础保证动力试验的稳定性。需要说明的是，电磁力大小根据缩尺列车模型1型号的不同而有所差异，但需要遵循与产生电磁力所需电流大小匹配的原则，以保证缩尺列车模型(1)被抬升、下降及弹射过程中的稳定性。

优选地，作为一种可实施方案，缩尺轨道模型(2)安装于试验台承台(3)的正中，在缩尺轨道模型(2)两侧一定距离设置一定深度的凹槽，并在试验台承台(3)的上部设置电磁支撑台架(4)。

优选地，作为一种可实施方案，电磁支撑台架(4)的材质为耐硬质铝材，避免与缩尺列车模型(1)上的电磁铁(5)产生引力，干扰缩尺列车模型(1)的稳定性。

本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置的试验过程包括：

在整个试验方法过程中，首先通过电磁继电器控制系统打开电磁支撑台架(4)的电磁铁5，通过电磁引力将缩尺列车模型(1)缓慢抬升一定高度，使车轮与钢轨脱离，待缩尺列车模型(1)稳定后；连接外部液压动力发生装置(11)与车载车轮驱动齿轮(7)；打开速度控制系统(12)输入列车车轮转动试验速度，启动外部液压动力发生装置(11)，通过能量多级传递，完成列车车轮的高速转动；打开列车弹射动力系统，并输入列车运行试验速度，同时通过调节电磁继电器控制系统使缩尺列车模型(1)稳定下落，在车轮下落接触钢轨的瞬间，启动列车弹射设备，使缩尺列车模型瞬间以高速弹出，短距离实现车轮高速滚动运行。

综上所述，本发明实施例提供的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置，能够通过借助外部动力源通过速度控制系统及能量多级传输系统在列车弹射之前实现车轮的高速转动，并与非接触电磁力相配合，保障缩尺列车抬升、车轮加速、下落、车体弹射加速过程中的安全性及稳定性。

本发明实施例的一种短距离实现高速列车车轮滚动运行的试验装置能够确保室内缩尺列车动力弹射平台上缩尺列车模型在极短距离内实现模型车轮高速滚动运行，在有限的试验距离范围内完成高速列车轮轨接触关系模拟的试验装置，为高速列车平台的科学试验提供了必要保障。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。