机车车辆滚动振动试验台及控制设计
机车车辆整车滚动振动试验台设计
ｌ 试验台总体方案
由于 试验 台 的试 验 目的和 对 象不 同 、设 计 技 术路 线不 同 以及投 资规模 不 同 ，出现 了几 种类 型 的试验 台 ， 如滚 动 台 、振 动 台 以 及 滚 动 和振 动 相 结 合 的试 验 台 。 然 而 ，就 机 车车辆 整车 动态 运行模 拟而 言 ，最 佳方 案是 带 功率试 验 功能 的滚动 与振 动相结 合 的试验 台 。
（１）可 同时进行 多项 性能 试验 ，周期 短 ，成 本低 ； （２）可 缩 短 机 车 车 辆 的 研 发 时 间 ，节 约 研 究 经 费 ； （３）具有 良好 的重 复性 ，不受 气候 条件影 响 ； （４）可排 除各 种干扰 ，进 行单 因素 分析 ； （５）可进行 线 路 上 无 法 进 行 的 试 验 ，如 超 高 速 运 行 、蛇行失 稳 、各 种人 为 设 置 的极 端 条 件 （如减 振 器 失 效 ）下运行试 验 等 ； （６）检测 方便 ，并 可 检测 在 线 路 运 行 中无 法 检 测 的运 行信 号 ，如车体振 动 的绝 对位 移等 。 正 因为机 车车辆 室 内动 态模 拟试验 台 具有上 述诸 多优越 性 ，并 且 试 验 台 已被 证 明在 基 础 研究 和 发 展创 新 的悬 挂 系 统 及 车辆 结 构 方 面 十分 有 用口 ］，近 几 十 年 ，通 过 机 车车 辆 试 验 台试 验 来研 究 车 辆 动力 学 、开 发高速 机 车车 辆 已十 分普 遍 。我 国在 西 南 交 通 大学 建 立 了牵 引 动 力 国家 重 点实 验室 ， 并 自行 研 制 了机 车 车辆 整 车滚 动振 动试 验 台 。 该 试 验 台于 １９９４年 建成 ，１９９５年投 入 运行 ，在 我 国铁 路 提 速 机 车 车 辆 研 发 中发 挥 了重 要 作 用 。为 了进 一 步满 足 ６轴 机 车 的试 验 ，对该 试 验 台进 行 了技 术 升级 和 ４轴 扩 建 ６轴 改 造 ，并 于 ２００２年改 造 完 成 ，２００３年 投 入 运 行 。所 改 造 的试验 台，不 仅满 足 ６轴机 车 的试验 要求 ，同 时 增加 了米 轨车试 验 功 能 、曲线模 拟功 能和 轮 轨 力 测 试 功能 ，并预 留了滚轮摇 头 功能 。 本 文对该 试 验 台 的设 计 ，特 别 是机 械结 构 的设计 进 行介 绍 。
种新的铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法
一种新的铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法汪群生1 曾 京1 张传英1,2魏 来11.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都,6100312.南京高精齿轮集团有限公司,南京,210012摘要:推导了车辆在通过曲线时的轮轨蠕滑率计算公式,并建立模拟铁道车辆曲线通过的滚振台非线性动力学模型,提出一种新的曲线通过台架试验方法,并分析了不同试验方法对车辆轮轨垂向力的影响㊂研究结果表明:滚动台上的车辆系统经由未平衡至平衡状态的过程中,现行的曲线通过试验方法冲击过大,而新的试验方法可以很好地避免这种冲击;将根据两种试验方法计算得到的安全性指标与曲线线路的结果进行对比可知,三者的变化规律一致;在两种试验方法的安全性指标对比中,新的试验方法与线路结果的误差更小,说明所提出的曲线通过试验方法是可行的㊂关键词:铁道车辆;滚动台;曲线通过;车辆系统动力学;试验方法中图分类号:U 279.3 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.24.022AN e wT e s tM e t h o do fC u r v eN e g o t i a t i o no fR a i l w a y V e h i c l e o nR o l l e rR i gW a n g Q u n s h e n g 1 Z e n g J i n g 1 Z h a n g C h u a n y i n g 1,2 We i L a i 11.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fT r a c t i o nP o w e r ,S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,C h e n gd u ,6100312.N a n j i n g H i g hS pe e d &A c c u r a t eG e a rG r o u p C o .L t d ,N a n j i n g,210012A b s t r a c t :Af o r m u l aw a s d e d u c e d t o c a l c u l a t e t h e c r e e p a g e b e t w e e nw h e e l a n d r a i l a t c u r v e n e g o t i -a t i o n .T h en o n l i n e a r v e h i c l e s y s t e md y n a m i c sm o d e lw a s e s t ab l i s h e d ,w h ic hc o u l ds i m u l a t e t h e c u r v e n e g o t i a t i n gp r o p e r t y o n r o l l e r r i g .An e wt e s tm e t h od t os i m u l a te t h e c u r v en e go t i a t ew a s i n t r o d u c e d a n d t h e i n f l u e n c e s o f d i f f e r e n t t e s tm e t h o d s o nw h e e l ‐r a i l v e r t i c a l f o r c ew e r e s t u d i e d .A n a l ys i s r e s u l t s s h o wt h a t d u r i n g t h et i m eo f r a i l w a y v e h i c l eo nr o l l e rr i g f r o m u n s t a b l et os t a b l e ,t h et e s tm e t h o d w h i c h i s i no p e r a t i o nn o w a d a y sm a y c a u s e g r e a td e t r i m e n t t ob o t ho f t h ev e h i c l ea n dt h e r o l l e r r i g,w h i l e t h en e w m e t h o d c a n r e f r a i n i t .C o m p a r i n g t h e r e s u l t s c a l c u l a t e db y tw o t e s tm e t h o d sw i t ht h e m o d e l o f c u r v en e g o t i a t i o n ,a l lo f t h e m e t h o d sh a v et h es a m e l a w sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ev e h i c l e s p e e d .I n t h e c o m p a r i s o n o f t h e s a f e t y i n d e xb a s e d o n t w o t e s tm e t h o d s ,t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e r e -s u l t s c a l c u l a t e db y t h e n e w m e t h o d a n d t h em o d e l o f c u r v e n e g o t i a t i o n i s s m a l l e r.I t i n d i c a t e s t h a t t h e n e wt e s tm e t h o dh e r e i n i s f e a s i b l e .K e y wo r d s :r a i l w a y v e h i c l e ;r o l l e rr i g ;c u r v en e g o t i a t i n gp r o p e r t y ;v e h i c l es y s t e m d y n a m i c s ;t e s t m e t h o d收稿日期:20150331基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012A A 112001);国家自然科学基金高铁联合基金资助项目(U 1334206)0 引言世界上高速铁路技术发达的国家均建有滚动振动试验台,这一试验台具有很多线路试验无法比拟的优势,在各国高速铁路建设发展中发挥了至关重要的作用㊂例如德国的I C E 和日本的新干线均采用了滚动振动试验台;国内如西南交通大学的机车车辆滚动振动试验台和青岛四方车辆研究所的滚动试验台,均对我国的高铁建设作出了卓越的贡献㊂国内外的学者[1‐8]对滚动振动试验台进行了很多研究,但是通过试验台来模拟车辆系统曲线通过性能的研究很少[7]㊂曲线通过性能是车辆系统动力学研究的重要部分,车辆具有良好的曲线通过性能意味着在通过曲线时轮轨间的作用力较小,这既提高了车辆的抗脱轨安全性能,又减小了对轨道的作用力,延长了轨道的使用寿命㊂因此,有必要在试验台上进行曲线通过性能的试验,以便对车辆的运行安全性作出预测㊂已有的研究主要考虑了曲线超高不足和曲线内外轨长度差,但是与实际的轮轨接触关系相差较大,并且在试验开始的未平衡阶段到平衡阶段的冲击很大,对试验台和车辆系统本身具有很强的破坏性㊂基于此,本文深入研究了试验台上曲线通过的试验方法,并通过仿真分析㊃1933㊃一种新的铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法汪群生 曾 京 张传英等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.对所提出的试验方法进行了可行性验证㊂1 车辆通过曲线线路机理分析一个完整的曲线线路包括直线㊁缓和曲线和稳态曲线,本文主要研究了稳态曲线下车辆系统的曲线通过动力学性能㊂当铁道车辆进入曲线时,由于重力分量的作用,轮对向曲线的外侧偏移,当车轮偏离纯滚线时,会在轮轨接触点上产生横向和纵向的蠕滑力,并且左右轮的纵向蠕滑力会形成一个力矩㊂在轮轨间蠕滑力和力矩作用下,具有锥形踏面的轮对两侧会以不同的滚动半径与钢轨接触[8]㊂一个自由轮对在半径为R 的曲线上运行,假设左右车轮滚动圆之间的横向跨距为2b ,则有r lr =R +b R r rr =R -b üþýïïïïR (1)r l +r r =2r (2)式中,r 为车轮的名义滚动圆半径;r l 为左轮的实际滚动圆半径;r r 为右轮的实际滚动圆半径㊂新轮的踏面斜率λ在一定范围内是相同的,旧轮和其他踏面位置的斜率是变化的㊂根据车轮踏面等效锥度定义有λe =r l -r r2y(3)式中,λe 为车轮踏面等效锥度;y 为轮对横移量㊂根据式(1)~式(3)可得轮对纯滚线距轨道中心线的距离为y =-r bλeR (4)式中的负号表明纯滚线位于轨道中心线的外侧㊂式(4)说明:随着曲线半径R 的增大,轮对横移量y 减小;当曲线半径为无穷大即为直线时,轮对横移量为零;车轮踏面的等效锥度越大,轮对横移量越小㊂轮对通过曲线,主要依靠轮轨间的蠕滑导向,考虑轮轨刚性的蠕滑率定义为[9]v 1=v w 1-v r 1v v 2=v w 2-v r 2v w 3=Ωw 3-Ωr 3v式中,v 1㊁v 2㊁w 3分别为纵向㊁横向和自旋蠕滑率;v r 1㊁v r 2和Ωr 3分别是钢轨接触椭圆在接触斑坐标系中的纵向㊁横向和自旋速度;v w 1㊁v w 2和Ωw 3分别为车轮接触椭圆在接触斑坐标系中的纵向㊁横向和自旋速度;v 为车轴中心的速度㊂根据文献[10],假设钢轨静止,忽略所有运动矢量的高阶小量,根据运动学速度合成方法,推导得v 1=(1-r w r )c o s ψw +s i n ψw y v +1r{[Δj + (-1)j b ]c o s φw -r s i n φw }r ψw vv 2=(-s i n ψw +c o s ψw y v )c o s (φw -(-1)j δj )+(-Δj v +r w φw v )c o s δj +{[b +(-1)j Δj ]φw v +(-1)j r w v }s i n δjw 3=(-1)j s i n δj r +1r c o s [δj -(-1)j φw )r ψw v式中,ψw ㊁φw 分别为轮对的摇头角和侧滚角;j =1,2,分别表示左㊁右轮轨接触;Δj 为轮轨接触点在车轮踏面上的位移;δj 为轮轨接触角;r w 为车轮瞬时滚动半径㊂如果车辆通过曲线时的每一瞬间轮对和钢轨的运动量已知,那么通过上述轮轨蠕滑率就可以求出轮轨蠕滑力和力矩,从而确定出车辆在曲线上每一瞬间的运动姿态㊂2 滚振试验台曲线通过试验方法车辆系统在曲线上运行时,由于车轮的导向作用,造成了同一轴上左右轮的转动线速度不同,重心的偏移使得车辆受到离心力的作用,需要设置轨道超高来平衡㊂文献[11]中的试验方法考虑通过左右滚轮的转速差来实现同一轴上左右车轮的转动线速度不同,设置欠超高来模拟曲线超高和离心力,在本文称该试验方法为方法1,该方法未考虑轮轨(轮)冲角关系㊂车辆在通过半径为R 的圆弧曲线时,各轮对与钢轨之间存在一个冲角,基于此本文提出的试验方法同样考虑了左右滚轮的转速差,并且在滚轮与车轮之间设置了一定的冲角,在车体上加载向曲线外侧的横向力来模拟车辆运行过程中受到的离心力,该试验方法称为方法2,考虑了轮轨(轮)冲角关系㊂2.1 试验方法1原理由于滚振试验台是车不动滚轮动,所以需要通过调节左右轨道轮的升降来模拟曲线上设置的超高㊂设轨距为2d ,超高为h ,则超高角为θ0=ar c s i n h 2d ≈h2d当车辆质量为m 时,超高分力F s =m gθ0,方向指向曲线内侧,车辆以速度v 在曲线上运行时产生的离心力方向指向曲线外侧㊂如果不计风压力,则由于超高不足引起的未平衡的离心力为F H =m v 2R-m g θ0=m gθd 方向指向曲线外侧,式中的θd 称为超高不足角:θd =v 2g R -θ0=v 2gR -h2d ㊃2933㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.车辆通过一定半径的曲线线路时,线路外轨长于内轨,滚动台调整轨道轮转动速度,使两侧轨道轮出现速度差,这样在相同的时间内左右车轮滚动过的距离不同,即可以模拟曲线上内外轨长度的不同㊂假设曲线为右弯曲,车轮通过曲线的速度为v,外侧车轮速度为v L,内侧车轮速度为v R,左侧轨道滚动轮角速度为ωL,右侧轨道滚动轮角速度为ωR,轨道轮半径为r R,则车辆通过曲线处于径向位置时左右车轮速度为v L=R+d R vv R=R-d R v左右轨道轮角速度为ωL=R+dr R R vωR=R-dr R R v2.2 试验方法2原理车辆通过一定半径的曲线线路时,车轮沿着曲线的切线方向运行,车轮与轨道间成一夹角㊂根据曲线半径,将滚轮设置在曲线切线方向,模拟被试车的转向架运行在相应曲线上㊂图1所示为车辆位于曲线上的位置关系㊂如图1所示,O点是半径为R的曲线圆心,若将车体中心与O处于同一水平线上,则一位轮对与轨道切线夹角为β,二位轮对与轨道切线夹角为α,三位轮对与轨道切线夹角为-α,四位轮对与轨道切线夹角为-β,∠A O B的角度为2γ㊂假设车辆定距为L C,轴距为L B,根据几何关系则有图1 车辆与曲线的位置关系示意图12L C=R c o sγs i n(γ+α)12L B=R s i nγβ=α+2γ车辆在试验台上时,左右轨的转速仍然存在一定的转速差㊂在曲线线路中,通过设置超高来平衡车辆受到的离心力作用㊂试验台模拟曲线通过时,左右滚轮设置为曲线线路实际的超高,然后在车体上施加方向指向曲线外侧的离心力㊂车辆以速度v在曲线上运行时产生的离心力为F c=m v2R3 车辆安全性能仿真分析本文建立了三种车辆系统非线性动力学模型来研究试验台曲线通过试验方法的可行性和准确性:①半径为1500m,超高60mm的曲线线路模型,即线路模型;②根据试验方法1建立的试验台模型;③根据试验方法2建立的试验台模型㊂本文中计算所用的轨道不平顺幅值谱是武广线实测轨道谱,如图2所示㊂车辆系统的曲线通过性能主要考察的是车辆在曲线线路下的运行安全性,因此,本文主要对三种模型的轮轨垂向力进行比较分析㊂图3所示为本文建立的试验台动力学仿真模型㊂(a)横向(b)垂向图2轨道不平顺幅值图3 试验台动力学仿真模型㊃3933㊃一种新的铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法 汪群生 曾 京 张传英等Copyright©博看网. All Rights Reserved.3.1 两种试验方法的比较试验台以100k m /h 的速度带动车轮转动,同时施加武广线实测轨道谱㊂图4是车辆系统在试验台上运行时经由未平衡状态至平衡状态的轮轨垂向力时域图㊂(a)方法1(b)方法2图4 轮轨垂向力时域图由图4中两种试验台的轮轨垂向力时域图的对比可知,方法1中的车辆经由未平衡状态至平衡状态的冲击很大,平衡状态下的轮轨垂向力大约为70k N ,而未平衡状态下的最大值达到了170k N ,是平衡状态下的2.43倍;而方法2中车辆经由未平衡状态至平衡状态的冲击很小,平衡状态下的轮轨垂向力大约为74k N ,而未平衡状态下的最大值达到了81k N ,仅为平衡状态下的1.09倍㊂这说明了现有的曲线通过的滚振台试验方法对车辆纵向约束的拉杆存在较强的冲击作用,这种冲击一方面会导致纵向牵引拉杆的耐久性降低,另一方面也会造成试验数据的可靠性降低㊂在台架试验中也存在施加轨道激扰时,纵向牵引拉杆座冲击剧烈的现象,与仿真结果吻合㊂对比两种方法的仿真结果,本文提出的试验方法2可以明显地减缓台架试验过程中对纵向拉杆的冲击作用,但仍需要对采用方法2得到的试验数据可靠性进行分析㊂3.2 试验方法与线路结果的比较在曲线通过台架试验中,轮轨垂向力很容易测得,但是轮轨横向力的测量较为困难,因此本文主要讨论了与轮轨垂向力相关的安全性指标:轮轨垂向力㊁轮重减载率和倾覆系数㊂表1~表3所示是线路和两种试验方法的计算结果对比分析,其中,F v 0表示线路结果,F v 1表示方法1试验结果,F v 2表示方法2试验结果㊂由表1中轮轨垂向力的对比可知,两种试验方法模型与线路模型的计算结果变化规律保持一致㊂在90k m /h 时方法2模型与线路模型结果的差异相对误差最大,达到了6.27%;随着速度的增大,两者的差异减小,在110k m /h 时差异为2.18%;在110k m /h 时方法2模型与线路模型结果的差异达到了最大值7.18%,在90k m /h 时两者的差异最小,为2.67%㊂从轮轨垂向力的角度分析,试验方法2的计算结果要好于试验方法1㊂表2所示是轮重减载率的对比,在100k m /h时,方法2模型与线路模型的计算结果差异最大,达到了0.054k N ,在80k m /h 时两者的差异最小,为0.024k N ;方法1模型与线路模型结果的差异在110k m /h 时达到了最大,为0.079k N ,同样在80k m /h 时达到了最小值0.032k N ㊂从轮重减载率的误差结果看,试验方法2略好于方法1㊂表1 轮轨垂向力的比较F v 0(k N )F v 1(k N )F v 2(k N )(F v 0-F v 1)/F v 0(%)(F v 2-F v 0)/F v 0(%)速度(k m /h)7072.04669.20275.8993.955.358071.21668.15174.0384.303.969072.13770.21376.6602.676.2710075.01171.36378.4274.864.5511078.11772.51079.8187.182.18表2 轮重减载率的比较F v 0(k N )F v 1(k N )F v 2(k N )F v 0-F v 1(k N )F v 2-F v 0(k N )速度(k m /h)700.1020.0430.1310.0590.029800.0870.0550.1110.0320.024900.1040.0710.1540.0330.0501000.1420.0870.1960.0550.0541100.1850.1060.2170.0790.032㊃4933㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表3 倾覆系数的比较F v 0(k N )F v 1(k N )F v 2(k N )(F v 0-F v 1)/F v 0(%)(F v 2-F v 0)/F v 0(%)速度(k m /h)700.4850.5220.5097.634.95800.5000.5290.5215.804.20900.5210.5360.5532.886.141000.5370.5440.5751.307.081100.5560.5550.5910.186.29由表3倾覆系数的对比可知,线路模型与方法2的计算结果的差异较小,在100k m /h 时,两者的差异最大,为7.08%,在80k m /h 时最小,为4.20%,两者的误差随速度变化呈现先增大后减小的趋势;方法1模型与线路模型的计算结果在70k m /h 时,两者的差异最大,为7.63%,在110k m /h 时最小,为0.18%,随速度变化两者的误差呈现出减小的趋势㊂从这个角度上看,试验方法2得到的结果与实际线路更加吻合㊂4 结论(1)本文提出的试验台曲线通过试验方法从车辆系统未平衡状态到平衡状态的纵向冲击很小,明显优于现行的试验方法㊂(2)在轨道激扰的作用下,试验台模型的计算结果与曲线线路模型的计算结果随速度变化的规律相同,在同一速度级下两者之间的误差很小,均在10%以内㊂从工程的角度分析,本文所提出的试验方法是可行的㊂(3)对比试验方法2和试验方法1的安全性指标计算结果,在轮轨垂向力㊁轮重减载率和倾覆系数等方面,试验方法2的计算结果与实际线路计算结果的差值更小,说明了本文所提出的曲线通过试验方法优于现行的试验方法㊂参考文献:[1] 张卫华,黄丽湘,马启文,等.机车车辆动力性能的动态模拟[J ].机械工程学报,2007,43(12):114‐119.Z h a n g W e i h u a ,H u a n g L i x i a n g ,M a Q i w e n ,e ta l .D y n a m i cS i m u l a t i o no n D yn a m i cC h a r a c t e r i s t i c so f R a i l w a y Ve h i c l e [J ].C h i n e s eJ o u r n a lof M e c h a n i c a l E ng i n e e r i n g,2007,43(12):114‐119.[2] 陈良麒,张卫华,陈建政.机车车辆滚动台和试验方法[J ].西南交通大学学报,1997,32(2):208‐213.C h e n L i a n g q i ,Z h a n g W e i h u a ,C h e n J i a n z h e n g.A R o l l e rT e s t i n g R i g o fR a i l w a y V e h i c l e s a n d I t sT e s -t i n g P r o c e d u r e s [J ].J o u r n a lo fS o u t h w e s tJ i a o t o n g U n i v e r s i t y,1997,32(2):208‐213.[3] A l l o t t aB ,P u gi L ,M a l v e z z iM ,e t a l .AS c a l e dR o l l e r T e a tR i g f o rH i g h ‐s p e e d V e h i c l e s [J ].V e h i c l eS y s -t e m D yn a m i c s ,2010,48(S 1):3‐18.[4] J a s c h i n s k iA ,C h o l l e tH ,I w n i c k i S ,e t a l .T h eA p p l i -c a t i o no fR o l l e rR i g st oR a i l w a y V e h i c l eD y n a m i c s [J ].V e h i c l eS y s t e m D yn a m i c s ,1999,31(5/6):345‐392.[5] B o s s oN ,Z a m p i e r iN.R e a l ‐t i m e I m pl e m e n t a t i o n o f a T r a c t i o nC o n t r o lA l g o r i t h m o naS c a l e dR o l l e rR i g [J ].V e h i c l eS y s t e m D yn a m i c s ,2013,51(4):517‐541.[6] M a l v e z z iM ,A l l o t t aB ,P u g i L .F e a s i b i l i t y o f D e g r a d -e dA d h e s i o nT e s t s i naL o c o m o t i v eR o l l e rR i g [J ].J o u r n a l o fR a i l a n dR a pi d ,2008,222(1):27‐43.[7] 黄丽湘,张卫华,马启文,等.机车车辆动态模拟和台架试验[J ].交通运输工程学报,2007,7(2):14‐18.H u a n g L i x i a n g ,Z h a n g W e i h u a ,M aQ i w e n ,e t a l .D y -n a m i cS i m u l a t i o n a n d P l a n t T e s tf o r L o c o m o t i v ea n dR o l l i n g S t o c k [J ].J o u r n a l o fT r a f f i c a n dT r a n s -p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,2007,7(2):14‐18.[8] 王金田,艾兴乔,滕万秀,等.滚动试验台惯性负载模拟及耦合振动分析[J ].机车电传动,2014(4):79‐82.W a n g J i n t i a n ,A iX i n g q i a o ,T e n g W a n x i u ,e t a l .I n -e r t i aL o a d sS i m u l a t i o n a n dC o u p l e dV i b r a t i o nA n a l -y s i so fR o l l e rT e s tR i g [J ].E l e c t r i cD r i v eL o c o m o -t i v e ,2014(4):79‐82.[9] 王福天.车辆系统动力学[M ].北京:中国铁道出版社,1994.[10] 王开云,翟婉明,封全保.机车牵引状态下曲线通过导向特性研究[J ].中国铁道科学,2006,27(2):71‐76.W a n g K a i y u n ,Z h a i W a n m i n g ,F e n g Qu a n b a o .S t u d y o n t h eS t e e r i n g C h a r a c t e r i s t i c s o fC u r v eN e -go t i a t i o n u n d e r L o c o m o t i v e T r a c t i o n [J ].C h i n a R a i l w a y Sc i e n c e ,2006,27(2):71‐76.[11] 鲜荣.滚动振动试验台曲线通过试验方法研究[D ].成都:西南交通大学,2004.(编辑 王旻玥)作者简介:汪群生,男,1990年生㊂西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士研究生㊂研究方向为车辆系统动力学㊂曾 京,男,1965年生㊂西南交通大学牵引动力国家重点实验室教授㊁博士研究生导师㊂张传英,女,1990年生㊂西南交通大学牵引动力国家重点实验室硕士研究生,南京高精齿轮集团有限公司助理工程师㊂魏 来,男,1989年生㊂西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士研究生㊂㊃5933㊃一种新的铁道车辆滚振试验台曲线通过试验方法汪群生 曾 京 张传英等Copyright ©博看网. 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机车试验激振台及控制系统设计
机车试验激振台及控制系统设计作 者 姓 名： 朱赟学科、专业 ： 机械电子工程学 号 ： BJ07527指 导 教 师： 韩雄飞完 成 日 期： 2011.5.20摘 要本课题通过同分析机车试验平台的运动特点设计了具有2个方向自由度得机车试验 平台及控制系统。
使用有限元软件ANSYS对机车试验平台进行了静力学校核证实结构满 足设计要求，并对关键零部件油缸,键，轴承，电动机进行了设计与校核。
本课题基于 CAN总线技术设计平台运动的控制系统。
通过本课题的设计了解了机械CAD， CAE的使用， 并学习和掌握的CAN总线控制技术。
关键词：机车试验平台；ANSYS；控制AbstractAnalysis of this issue through the same motion characteristics of motorcycle test platform is designed with two degrees of freedom was the direction of test platform and the locomotive control system. Using the ANSYS finite element software test platform on the locomotive were confirmed by static checking the structure to meet the design requirements, and key parts of cylinder, keys, bearings, motors have been designed and better. The subject of design platform based on CAN bus technology motion control systems. I am learn to master the subject of mechanical CAD, CAE's use, and learn and master the CAN bus control technology by the design of this project.Key Words：motorcycle test platform，ANSYS，control目 录摘要 (II)Abstract (III)1 绪论 (IV)1.1 选题背景及其意义 (1)1.2 国内外发展趋势 (2)2 试验平台的确定 (2)3 平台架的校核 (4)3.1 平台架的形式 (4)3.2 平台架尺寸的确定 (5)3.3 平台架强度校核 (5)3.3.1有限元简介……………………………………………………… . 63.3.2有限元求解思路 (6)3.3.3 单元类型选择………………………………………………………… .63.3.4 物理模型创建 (9)3.3.5 模型校核求解……………………………………………………… .133.4 平台稳定性校核 (14)3.41 水平运动平台校核 (14)3.4.2 垂直运动平台校核 (16)4 液压缸的设计计算 (18)4.1.1 水平油缸 (18)4.1.2 有刚工作压力 (19)4.1.3 缸筒强度 (19)4.1.4 活塞杆强度………………………………………………………… 19.4.1.5 活塞杆稳定性 (19)4.2 垂直油缸 (19)4.2.1 垂直油缸工作压力 (20)4.2.2缸筒强度 (20)4.2.3活塞杆强度 (20)4.1.5活塞杆稳定性 (21)5液压系统方案…………………………………………………………………… 21.5.1 执行元件形成的分析与选择…………………………………………………21.5.2 油路循环方式的分析和选择 (21)5.3 油源类型的分析和选择 (22)5.4 调速方案的分析和选择 (22)5.5 液压基本回路的分析与选择………………………………………………….22.5.6 液压系统原理图的拟定………………………………………………………22.5.7 液压系统参数设计…………………………………………………………… 23.5.8 选择液压元件 (23)5.8.1液压泵、液压马达………………………………………………………23.5.9 液压泵站的类型与选择 (24)5.10 油箱的设计 (24)5.11 油箱容积的确定 (24)5.12 油箱附件的选择 (24)5.13 空气滤清器的选择 (24)5.14 加热器的选择 (24)5.15 吸油管出滤油器的选择 (24)5.16 精滤油器的选择 (24)5.17 管路的设计 (24)5.18 管件尺寸的确定 (24)5.19 液压管路的连接方式 (24)6. 关键部件校核 (25)6.1 销轴的校核…………………………………………………………………….25.6.1.1 水平运动球铰销轴的校核 (26)6.1.2 垂直运动销轴的校核 (26)7 控制系统设计 (27)7.1 通信计算确定 (27)7.2 控制手柄选择 (27)7.3 控制器选择....................................................28.7.4 油缸位移传感器 (28)7.5 控制系统原理 (28)8 结论 (29)参考文献 (29)致谢 (30)1 绪论1.1 选题背景及其意义随着轨道交通发展的日益成熟，越来越多的机车将被投入使用，期间不仅对 机车的制造生产有较高的质量要求，还包括对生产完毕，投入使用之前的机车的运 行测试。
613 轨道车辆振动平台及控制系统设计
摘 要本课题通过同分析机车试验平台的运动特点设计了具有2个方向自由度得机车试验 平台及控制系统。
通过平台的设计，及车辆在在平台上的固定，并对关键零部件油缸， 键，轴承，电动机等进行了设计与校核。
本课题通过PLC控制液压阀从而控制平台运动 的控制。
通过本课题的学习掌握了机械CAD的使用，并学习和掌握的PLC控制技术。
关键词：机车试验平台，液压阀，PLC控制ABSTRACTAnalysis of this issue through the same motion characteristics of motorcycle test platform is designed with two orientation degrees of freedom have motorcycle test platform and control system. Through the platform design, and vehicles are fixed on the platform, and key parts of cylinders, keys, bearings, motors have been designed and verified. This topic through PLC control hydraulic valve to control the platform motion control. To study and master the subject through the use of mechanical CAD, and to learn and master the PLC control technology.Keywards: motorcycle test platform , hydraulic valve , PLC Control目录1 绪论 (1)1.1 选题背景及其意义 (1)1.2国内外研究现状与发展趋势 (1)2 振动平台的设计与强度校核 (3)2.1 平台振动方案确定 (3)2.2 平台架结构尺寸确定 (5)2.3 车辆在平台的上下激振过程的运动计算 (6)2.4 液压系统方案设计 (7)2.5 上下运动液压缸液压系统参数设计 (8)2.6 左右运动液压缸液压系统参数设计 (12)2.7机车电机型号的确定 (16)2.8 键的校核 (18)3 振动平台控制方案设计 (19)3.1 PLC 介绍 (19)3.2 PLC 特点 (21)3.3 D/A转换器介绍与工作原理 (21)3.4 PLC控制程序与状态转移图等 (23)4 结论 (33)鸣谢 (34)参考文献 (35)1 绪论1.1 选题背景及其意义随着机车车辆的不断发展, 高速已成为当今中国铁路的发展趋势。
机车振动平台装置及控制
摘 要本文主要针对机车振动平台装置及其控制进行设计， 通过autocad软件进行 辅助设计。
首先分析机车振动平台的运动特性及运动方式确定其主要参数，包括 液压缸的推力，带传动带轮的位置；根据主参数和设计要求进行液压缸，控制系 统的设计及选用。
本设计的机车振动台共有三大部分， 包括机架部分， 液压部分， 和控制部分。
本课题主要模拟机车的颠簸情况，为振动试验搭建测试平台。
该项 目的研发具有重要的现实意义和工程应用价值。
关键词：振动平台，液压缸，机架，控制ABSTRACTIn this paper, vibration platform for the locomotive control device and its design, through autocad software computer aided design. First, the movement of locomotive vibration platform features and sports determine its main parameters, including the thrust hydraulic cylinder,the amplitude of vibration may; according to the main parameters and design requirements for hydraulic cylinders, control system design and selection. The design of the locomotive vibration table a total of three parts, including chassis parts, hydraulic parts, and the control section. The main subject of the rough conditions simulated locomotive, built for the vibration test test platform. The project's research and development has important practical significance and engineering applications.Key words: vibration platform, hydraulic cylinders, design, rack目 录1 绪论------------------------------------------------------------11.1 国内外基本情况----------------------------------------------11.2 目前存在问题------------------------------------------------31.3 完成设计的方案及主要措施------------------------------------32 机车振动平台的总体设计---------------------------------------42.1 振动台介绍--------------------------------------------------42.2 振动台分类--------------------------------------------------42.3 各种类型振动台的性能比较和选择原则--------------------------82.4 机车振动平台的主要设计参数----------------------------------93 总体设计及计算------------------------------------------------113.1 液压缸的选用------------------------------------------------113.2 电动机的选择------------------------------------------------183.3 V 带的设计及计算--------------------------------------------194 控制系统的设计------------------------------------------------234.1 控制系统总体设计及选择--------------------------------------234.2 D/A 转换器接口电路的设计------------------------------------244.3 机车振动平台的控制电路设计----------------------------------264.4 总接线电路--------------------------------------------------304.5 D/A转换电路控制流程图---------------------------------------315 结论------------------------------------------------------------33参考文献-------------------------------------------------------34 致 谢-----------------------------------------------------------351 绪论随着轨道交通发展的日益成熟，越来越多的机车将被投入使用，期间不仅对 机车的制造生产有较高的质量要求，还包括对生产完毕，投入使用之前的机车的 运行测试。
跨座式单轨车辆滚动振动试验台的设计
科学技术创新基金项目:华东交通大学2020大学生创新创业计划“跨座式单轨车辆滚动震动试验台研发”,项目编号:1500420027。
作者简介:肖乾(1977-),男,汉族,籍贯:湖南常德,博士,华东交通大学教授,研究方向:轨道车辆运行品质分析与评价。
跨座式单轨车辆滚动振动试验台的设计肖乾黎晨曦刘新龙付至晨(华东交通大学,江西南昌330013)近年来,我国城市汽车保有量年均增速高达15%,城镇道路里程增速仅为2%。
“两化”叠加带来了交通拥堵、空气污染等一系列社会问题;而跨座式单轨属于中等运量轨道交通系统,其特点是适应性强、噪声低、转弯半径小、爬坡能力强,能更好适应复杂的地形地貌环境。
同时,在城市道路中央或道路两旁的绿化带即可立柱,占地面积小、遮挡少、选线灵活、对现有城市道路的交通干扰很轻微。
跨座式单轨建设周期仅为地铁的一半,造价成本仅为地铁的三分之一[1]。
跨座式单轨的速度可以达到每小时80公里,在国内是较受欢迎的一种交通运输方式[2]。
然而一款新车在正式下线运营之前需进行各方面的综合性能测试,国内目前并没有现成的专门用于跨座式单轨车辆的滚动振动综合性能测试的试验台。
因此,笔者根据国内常用的几款跨座式单轨列车的结构特点和几何尺寸,设计了一种新型的跨座式单轨车辆滚动振动试验台。
1跨座式单轨滚动振动试验台的总体方案滚动振动试验台的工作原理是利用与轨头形状一致的轨道轮单元来代替实际的轨道,通过改变轨道轮单元的位置来模拟机车车辆的真实工况,例如轨道不平顺、曲线轨道等情况。
机车车辆借助上车梁或其它辅助设施被安放在对应轨道轮单元上方,且通过反力架纵向限位,通过轨道轮的不断转动来模拟无限长的两条钢轨,轨道轮对间一般设置有差速装置,用来控制左右轨道轮同步或者差速转动[3]。
而跨座式单轨以其独特的转向架而不同于其它机车车辆,导致跨座式单轨车辆不能在普通的机车车辆滚动振动试验台上进行试验[4]。
为了使该试验台适用于跨座式单轨车辆,笔者对其结构进行重新设计。
机车车辆滚动振动试验台及控制系统设计
由西南交通大学牵引动力国家重点实验室研制的机车车辆整车滚动振动试 验台，是目前世界上仅有的两台实现左右滚轮分别独立激振的滚动和振动想结合 实验台之一。采用先进滚动以及振动相结合的试验台的设计方案，并完成很大难 度难度的垂向、横向和滚动三维于一体的运动的精确藕合。因为只有将滚动和振 动相结合起来，这个试验台才能够动态的模拟机车车辆运行线路的情况，直接帮 助了我国机车车辆研究开发能力。滚动振动试验台实际上就是列车的线路模拟 器，通过试验台建立起真尺寸全参数，可以模拟机车车辆线路运行情况的动态氛 围，可以用来当作铁路高速、重载机车车辆研制的有效工具盒进行与轮轨振动接 触力学所相关的最基础探究的方法，实现让我国机车车辆探究开发水平进入国际 领先行列和在轮轨理论研究上取得全世界突破性进展的效果。2007年，机车车辆 整车滚动振动试验台，牵引动力国家重点实验室的机车车辆整车滚动振动试验台 是中国自主开发的大型实验台。
3 计算说明5
3.1 电动机的选择5 3.2 计算传动装置的运动和动力参数6 3.3 传动部分的设计计算15
机车车辆整车滚动振动试验台介绍
他还对成都 市修建地铁 和发展轨道交通多次提过建 议 ， 多 次建议修 建绵 乐 和成 渝成 丁字 形 他 相交 的高速铁路 网（ 最高速 度为 ３ ０ ５ｋｎ ｂ ， 对这一 宏伟 工 程在经 济 上和 技术 上 的可 ０ —３ ０ ｒ／． 并 ） 行性进 行 了详细 的研究 ， 向四川省 、 铁道部 和国务 院提 出建议 。 多年来 沈志 云院士始终站在 国际科技前沿 ， 开拓创新 ， 四川省 和我 国的科技进 步做出 了 为
性及货车 物品装载安全性研究 ；６ 机车牵引制动性能试 验研究 ；７ 轮轨 相互作 用 （ （） （） 粘着 、 脱
轨、 蠕滑 、 劳和磨 损 ） 础理论 和试验研 究 ； ８ 疲 基 （ ）机车 车辆运 行状 态及各 部件 运行受 力分 析 ； （ ） 轨噪声测定及 降噪措施 分析 ；１ ） ９ 轮 （０ 机车车辆动静 态参数测 量 。 机车车 辆整车滚 动振 动试验 台采用世界上公认 最合理 的滚 动与振 动相结 合 的模 拟 方式 ， 并在设计 中太胆采用新工艺 、 新技术 和强调合理 性 ， 如机 械结构 的合理设 计 ， 工和测 量基 准 加 的合 理选 择 ， 动平 衡及加工精 度的合理 确定 等 ， 保证 了试验 台研 制的质量 ， 做到 一次安装成功 ， 完全 达到设计要求 和试 验能力 。最高试验运 行速度 曾达 ４ ３ ｍ／． ５ｋ ｂ 。通过 对试验 台实测 ， 滚轮 运动几何 精度高 ， 差不 到 ０ ６ 试验 台具有很好的 刚性 ， 误 ％； 从激振信号 的输 人到滚 轮的输 出 ， 在 ０ ０ 的频率范 围 内传递关 系接近 １ —４ Ｈｚ 。试验 台基础能保 证试验台在 ｏ ＿０ Ｉ的频率 范围 － ３ ｝ｚ 内工作 。试验 台 自 １ ９ ９ ５年正式运行至今 ， 没有发 生因设计 不合理而出现的故 障。 现在 ， 引动力国家重点实验室 已成 为全 国机 车车辆研究开 发的重 要基地 ， 牵 先后 承担 了国 家 自然科学 基金重点项 目、 国家重点科技攻关项 目、 国家教委博士点基金项 目及 铁道部科 技发 展计 划项 目 ２ 余项 。完 成 ２ ０ ０多个 大型机 车 车辆 整 车性能试 验 和轮 轨相 互作用 基础 研 究试 验 。通 过试验 台试 验 ， 发现 和解决 了许 多被试机 车车辆 的设计参数 和结构 问题 ， 优化 了被试车 动力学性能 或牵 引制动性能 ； 过试 验使 人们对轮轨关 系 ， 通 如粘着 系数 、 脱轨机理 ， 有了新 的了 解 。机车 车辆整车滚动振动试验 台为促进我 国铁路科 技 的发 展和新型 高速 重载机车车辆 的研 制具 有重 要作用和 巨大 的经济和社会效益 ， 为铁路提速 和修 建高速铁路做出 了重 大贡 献。
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摘要本设计为机车车辆滚动振动试验台，与线路运行试验相比,车辆模拟运行试验台试验经证实具有如下优点：(1)可以同时测试几项性能实验,周期短,成本低;(2)可缩短机车车辆的研发时间,节约研究经费;(3)有较完善的重复性,不受气候条件的影响;(4)可以排除外界带来的干扰,实行错误分析;(5)可以试验线路上不能够完成的实验，例如超高速行驶、蛇行失稳、还有人工设置的极端条件（如减振器是小）情况下运行实验等；检测方便，并可检查在线路运行中无法检查的运行信号，如车体振动的绝对位移等。
(6)检测方便，而且可以检测在线路运行中无法检测的运行信号，如车体振动的绝对位移等。
试验台的滚轮将滚动和振动结合起来，在模拟机车车辆前进（滚动）的同时输入来自轨道不平顺的激扰（振动）。
此试验台利用激振器模拟轨道。
通过液压缸实现试验台滚轮的上下振动、通过液压缸以及X轴-Y轴的曲臂实现滚轮的左右移动，从而满足试验台的要求。
用可编辑逻辑控制器编程，进行实验时仅需要DA模块位置确定后，往相应的寄存器地址写入数值，DA模块就会输出模拟量电压，输入不同的数值激振器的运动情况不同。
因此，可以满足不同路况的道路模拟，最终目的来测试机车车辆是否可以在不平顺的道路上安全行驶。
关键词：机车车辆，试验台，可编辑逻辑控制器ABSTRACTThe design is called the precise survey of rail vehicle roller,compared with cicuit running test,vehicle simulation test proved has the following advantages:(1) can besimultaneously a number of performance test,short cycle,low cost; (2) can shorten the locomotive vehicle development time,saving research funding; (3) has a good reproducibility,without the influence of climatic conditions; (4) can elimate various kinds of interference,the univariate analysis; (5) can be carried out in line for testing,such as high-speed operation,hunting instability,various people in extreme conditions(such as a small ashock absorber) running test;the detection is convenient,and can be detected in the line operation can not be detected the operation signal as a car body vibration of absolute displacemeng. (6) the detection is convenient,and can be detected in the line operation can net detect the operation signal,such as a car body vibration of absolute displacemeng.Test rig for roller rolling and vibration combined,in the simulation of locomotive vehicle forward (rolling) and input from the track irregularity excitation (vibration).This test bench using vibration simulation track.Through the hydraulic cylinder test bed roller vibrating up and down through the hydraulic cylinder,as well as X and Y axis of the crank arm to achieve wheel moving around,so as to meet the requirements on the test ing programmable logic controller is programmed,the experimeng needs only DA module position are determined,corresponding to the register address witing a value,DAmodule can output analog voltage,rnter a different value of vibration of the motor is different.Therefore,to meet the different road simulation test,the ultimate aim of locomotive vehicle is on unven road safety driving.Key words: vehicle,test bench,programmable logic controller目录1绪论----------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1 国外机车车辆滚动振动试验台的应用情况-----------------------------------------11.2 国内机车车辆滚动振动试验台的应用情况-----------------------------------------11.3 机车车辆滚动振动试验台概述----------------------------------------------------------2 2整体设计方案------------------------------------------------------------------------------------------32.1 机械部分的设计-------------------------------------------------------------------------------32.2 电气关键理论----------------------------------------------------------------------------------32.3 控制方式的选择-------------------------------------------------------------------------------43 计算说明-------------------------------------------------------------------------------------------------53.1电动机的选择-----------------------------------------------------------------------------------53.2计算传动装置的运动和动力参数-------------------------------------------------------63.3 传动部分的设计计算-----------------------------------------------------------------------15 4控制系统设计-----------------------------------------------------------------------------------------214.1控制要求-----------------------------------------------------------------------------------------214.2设计方案-----------------------------------------------------------------------------------------214.3 DAC0832引脚功能电路应用原理-------------------------------------------------------24 5结论---------------------------------------------------------------------------------------------------------37参考文献---------------------------------------------------------------------------------------------------38 致谢-----------------------------------------------------------------------------------------------------------391 绪论机车车辆动态模拟试验台（dynamic simulation test rig of railway vehicles）机车车辆动态模拟是利用特殊的试验台进行的，目的是要把机车车辆在线路上的运行状态搬到室内进行再现模拟。
机车车辆室内动态模拟试验台具有上述诸多优越性，并且试验台已被证明在基础研究和发展创新的悬挂系统及车辆结构方面十分有用，近几十年，通过机车车辆实验台实验来探究车辆的动力学、并且告知机车车辆已经非常普遍。
我国在西南交通大学建造了牵引动力国家重点实验室，并且能够独立研究机车车辆整车滚动振动实验台。
此实验台建造于1994年，1995年开始实行运行，我国铁路提速机车车辆开发中起到了非常重要的作用。