滚动试验台以及用于滚动试验台的运行方法与流程

本发明涉及一种用于轨道车辆的轮对的滚动试验台，尤其是用于模拟正弦运动，以及本发明涉及一种用于这种类型的滚动试验台的运行方法。所述滚动试验台具有两个平行布置的尤其是可转动的轨道滚轮，这些轨道滚轮尤其具有轨道典型的或铁轨典型的轮廓，所述轨道滚轮尤其刚性地相互连接或者借助传动装置以限定的相对速度相互连接。此外，滚动试验台具有第一纵向致动器和第二纵向致动器。在所述运行方法中所使用的轮对具有两个尤其是刚性地与一个轮轴连接的车轮，所述车轮尤其具有轨道车辆典型的或铁轨车辆典型的车轮轮廓。轮轴以其端部可转动地支承在第一轴承和第二轴承中，其中，所述车轮在轴承的相应的基本位置中分别在轨道滚轮的预定的点中、尤其在上顶点中与所述轨道滚轮接触。第一和第二纵向致动器分别沿横向于轮轴延伸的并且尤其至少基本上水平延伸的纵向方向作用到第一和第二轴承上。

背景技术：

轨道车辆的行驶特性、尤其是可能的加速度和减速度受到车轮与轨道之间的接触的决定性影响。该接触主要受到车轮与轨道以及可能存在的中间层的摩擦特性和在车轮与轨道之间的打滑影响。尽可能准确地了解车轮与轨道之间的接触能够实现优化行驶特性和制动特性并且优化设计转向架、驱动设备和/或制动系统。

除了在轨道上的真实的行驶试验和利用不同数学模型的模拟仿真之外，滚动试验台提供能够以可复现的结果可靠地实施行驶动力学研究或负载研究的可能性。尤其能够实现极端的行驶状态，这些行驶状态在轨道上的正常运行中太危险或者出于其它原因是不允许的。

对滚动试验台的研究结果越富有成效并且越有价值，则能够越逼真地模仿轮对与轨道之间的运动过程。在铁轨典型的车轮轮廓中，滚动轮通常具有向外逐渐减小的轮廓。此外，在车轮的内侧边上设有轮缘。所述轮廓使得沿轴向向外偏移的车轮以比朝向轨道中心向内偏移的车轮更大的周长在轨道上滚动。因为所述两个车轮尤其刚性地通过它们的轴连接，因此在轮对从轨道中心偏移时，向内偏移的车轮相对于向外偏移的车轮落后，从而轮轴相对于行驶方向围绕至少基本上通过其中点竖直向上延伸的转动轴线朝向轨道内转动。于是，通过轮轴的该转动，起初向内偏移的车轮向外运动并且起初向外偏移的车轮相应地向内运动，从而轮对在轨道中心上经历相反的偏移，在该偏移中，上述过程以相反的符号重复。

该行驶动力学造成整个轮轴的侧向的摆动。该摆动也称为正弦运动，因为该摆动在第一近似中遵循正弦曲线。关于轮轴围绕竖直转动轴线的周期性摆动的转动，该行驶动力学也称为摇摆运动。当然，轮对的周期性侧向偏移以及轮轴的周期性转动这两个现象是相同过程的不同方面。在这种意义上，下面为了简化通常为该过程使用仅一个名称、即正弦运动，其中，两个现象被包括在内。

对于开头提及的类型的滚动试验台来说已知的是，基于模拟计算的正弦运动由一个横向致动器和/或所述两个纵向致动器的相应的位移控制来强行施加。然而，轮对在轨道滚轮上的自然运动在此被抑制或者被所施加的运动叠加。尤其是，在轮轨系统中、尤其在车轮与轨道之间的接触点中出现的力仅表示自然力与由于所施加的正弦运动而出现的力叠加。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是，创造一种用于滚动试验台的运行方法，在该方法中可以尽可能接近现实地或者说符合现实地、尤其是在使用尽可能自然的正弦运动的情况下实施研究。另一任务是，给出一种适合用于实施所述方法的滚动试验台。

该任务通过一种具有独立权利要求的特征的用于滚动试验台的运行方法或者通过一种具有独立权利要求的特征的滚动试验台来解决。本发明的有利的设计方案和进一步改进方案在从属权利要求中给出。

开头提及的类型的按本发明的运行方法的特征在于，作用到第一轴承上的第一纵向致动器以力调节的方式运行，并且确定第一轴承相对于其基本位置在纵向方向上的偏移。作用到第二轴承上的第二纵向致动器以位移调节的方式这样运行，使得第二轴承相对于其基本位置的偏移被调整，该偏移在数值上等于第一轴承的偏移并且在纵向方向上与第一轴承的偏移反向。

以这种方式实现，轮对能够围绕竖直转动轴线转动，而轮对的中心点、即所述两个车轮或轴承之间的中心在纵向方向上不从其基本位置、尤其是在轨道滚轮轴正上方运动离开。所述两个车轮与预定的点、尤其是与轨道滚轮的上顶点的偏差平均总是为零。在此仍然可能的是，能自由选择地按力设定值或力设定值曲线调节第一纵向致动器。因此，与从现有技术已知的方法不同，不对所述两个纵向致动器进行位移控制，而是对所述两个纵向致动器中的一个纵向致动器进行力调节，而对所述两个纵向致动器中的另一纵向致动器进行位移调节。与从现有技术已知的方法不同，正弦形的历程(Verlauf)不是通过对所述两个纵向致动器的相应的位移控制来施加，而是自动出现轮对的至少近似自然的正弦运动。

在所述运行方法的一种有利的设计方案中，在一种运行方式中以预定的恒定的力来实现对第一纵向致动器的力调节。以恒定的等于零的力可以模拟在直道行驶时的未衰减的正弦运动，以恒定的不等于零的力可以模拟在弯道行驶时的未衰减的正弦运动。

当滚动试验台附加地具有横向致动器时，所述横向致动器在沿着轮轴的并且尤其至少基本上水平延伸的横向方向上作用到第一或第二轴承上，可以使用所述运行方法的另一有利的设计方案。优选地，作用到相应的轴承上的横向致动器同样如第一纵向致动器那样以力调节的方式运行。尤其在一种用于模拟在直道或弯道行驶时的未衰减的正弦运动的运行方式中优选的是，以预定的恒定的横向力来实现对横向致动器的力调节，该横向力尤其是等于或不等于零。

在所述运行方法的另一有利的设计方案中，在另一运行方式中以预定的时间上变化的由第一纵向致动器施加的力和/或横向力来实现对第一纵向致动器和/或横向致动器的力调节，该力和/或横向力具有与第一轴承在纵向方向上的偏移在时间上的变化有关的或者与横向致动器作用在其上的轴承在横向方向上相对于轮对的中间位置所实现的偏移在时间上的变化有关的衰减分量。因此可以模拟在直道或弯道行驶时的衰减的正弦运动。

备选地或附加地，可以以预定的由第一纵向致动器施加的力和/或横向力来实现对第一纵向致动器和/或横向致动器的力调节，该力和/或横向力具有与第一轴承在纵向方向上的偏移有关的或者与横向致动器作用在其上的轴承在横向方向上相对于轮对的中间位置所实现的偏移有关的分量。因此例如可以模仿对于机械式弹簧阻尼系统来说典型的死位移。

根据本发明的一种设计方案，尤其是在所述运行方法开始时、尤其是为了激励正弦运动，所述纵向致动器中的至少一个纵向致动器和/或横向致动器以脉冲冲击或激励脉冲作用到相应的轴承上。这种类型的脉冲冲击可以用于使轮对至少稍微从其基本位置偏移并且由此开始正弦运动。轮对也可以在最初时已经在基本位置之外、尤其是偏心地放置到轨道滚轮上。

在所述运行方法的另外的有利的设计方案中，至少为所述致动器之一监视作用到相应的轴承上的力和/或加速度，其中，当相应的力和/或加速度的绝对值超过相应预定的边界值时，输出故障信号。优选在存在故障信号时至少部分切断所述滚动试验台和/或所述运行方法。尤其可以使旋转的轨道滚轮和车轮进入安全的状态和尤其使它们制动。采取这样的安全措施，以便防止轮对的不受控制的运动。

前述任务还通过另一方法来解决，在该方法中，不仅作用到第一轴承上的第一纵向致动器、而且作用到第二轴承上的第二纵向致动器分别以力调节的方式运行。所述另一方法的有利的实施方式以类似的方式从结合按本发明的第一方法在说明书、附图和/或权利要求中阐述的进一步改进方案中得出。尤其是，两个纵向致动器可以与结合按本发明的第一方法说明的力调节的纵向致动器类似地运行。

开头提及的类型的按本发明的滚动试验台具有尤其与第一和第二纵向致动器相连接的并且必要时与横向致动器相连接的调节装置，该调节装置设置用于实施之前提及的方法。得到结合所述方法提及的优点。

附图说明

下面依据实施例借助两个附图更详细地说明本发明。其中：

图1以示意的透视图示出一种滚动试验台，以及

图2示出一种用于运行滚动试验台的方法的流程图。

具体实施方式

在图1中以示意的透视图示出滚动试验台的一个实施例。该滚动试验台简化至其基本的在本发明的范畴内重要的元件。

滚动试验台包括一根轨道滚轮轴1，该轨道滚轮轴具有两个与其刚性连接的轨道滚轮2、3。轨道滚轮轴1通过轴承结构4、5可转动地支承。轨道滚轮轴1与在此未示出的驱动装置耦联，通过该驱动装置可以使轨道滚轮2、3转动。轨道滚轮2、3在其圆周上具有模仿被关注的轨道系统的轮廓。轨道滚轮2、3的距离相当于轨道系统的轨距。也可以想到一种具有如下的轨道滚轮轴1的滚动试验台的实施构造，该轨道滚轮轴借助至少一个尤其可切换的传动装置在限定的相对速度下与轨道滚轮2、3相连接。但是，所述两个轨道滚轮可以通过两个彼此分离的驱动装置来驱动，其中，所述两个轨道滚轮相互间的转速比可以通过相应的控制装置调节，等于或不等于1。

在滚动试验台运行时，可转动的轨道滚轮2、3代表相对于试验件、轮对、尤其是测试轮对运动的轨道。这种类型的轮对以附图标记10作为标记在图1中示出。

轮对10包括一根轮轴11、尤其是测试轮轴，该轮轴在外侧区域中在一侧与一个第一车轮12、尤其是测试车轮刚性连接，并且在相反的一侧与一个第二车轮13、尤其是测试车轮刚性连接。轮轴11以其端部分别在第一车轮12那侧可转动地支承在第一轴承14中和在第二车轮13那侧可转动地支承在第二轴承15中。

轮对10可以是要测试的从轮对。在这种情况下，从轮对与轨道之间的运动通过驱动轨道滚轮轴1以及因此驱动轨道滚轮2、3来模拟。轮对10也可以是驱动轮对，该驱动轮对能经由合适的(在此未示出的)自身的驱动装置来驱动。在这种情况下，驱动轮对相对于轨道的运动可以通过驱动车轮12、13和/或通过驱动轨道滚轮2、3来模拟。如果车轮12、13和轨道滚轮2、3被驱动，则例如可以追踪在车轮与轨道之间存在打滑时的行驶状况。在所有提及的情况下可以附加地在轮对10上布置有制动装置，以便研究在制动过程中的行驶动力学。

滚动试验台还包括调节装置21，该调节装置与一个第一纵向致动器22、一个第二纵向致动器23和一个横向致动器24耦联并且可以使这些致动器受调节地运行。

第一纵向致动器22直接或间接地与第一轴承14机械连接，并且设置用于将力Fx1沿纵向方向(Fx1>0)或与该纵向方向相反地(Fx1<0)施加到第一轴承14上。该纵向方向在图1中在坐标系中作为x方向标出。它水平地并且横向于、尤其是垂直于轨道滚轮轴1或轮轴11的定向延伸。

与此类似地，第二纵向致动器23直接或间接地与第二轴承15机械耦联。当纵向致动器22、23作用在与轴承14、15相连接的横杆上时，例如给出纵向致动器22、23的间接耦合。在轴承14、15与横杆之间可以布置有弹簧和/或阻尼系统。

此外设有一个横向致动器24，该横向致动器作用在所述两个轴承之一上、在此示例性地作用在第二轴承15上，并且该横向致动器设置用于将横向力Fy在横向方向上沿着轮轴11施加到轮对10上。横向致动器14起作用所沿的该横向方向在图1的坐标系中作为y方向标出。备选地，横向致动器也可以作用在横杆上。

所提及的致动器优选是液压致动器、尤其是液压缸，然而使用机电式工作的致动器也是可能的。在图1中没有分开示出集成在第一和第二纵向致动器22、23以及横向致动器24中的或与这些致动器配合作用的力传感器和位移传感器。由相应的力传感器尤其检测由纵向致动器22和由横向致动器24施加到轴承14或15上的力Fx1或Fy，并且将其传输给调节装置21。作为力传感器例如可以采用应变式传感器或压电式传感器。

由位移传感器相应地检测第一轴承14或第二轴承15的运动并且同样将其传输给调节装置21。第一轴承14或第二轴承15沿纵向方向的运动在下面称为偏移Sx1或Sx2，其中，这些偏移相对于中间位置或基本位置测量，在该中间位置或基本位置中，车轮12、13接触轨道滚轮2、3的上顶点。轮对10沿横向方向的运动在下面称为偏移Sy。位移传感器例如可以是光学传感器或通过电阻变化工作的传感器。也可以采用图像采集系统、尤其是摄像机。结合液压式工作的致动器也能够通过检测流入该致动器中的或者流出该致动器的液压流体量来实现位移确定。

在图中未示出可选的其它致动器，这些致动器沿竖直方向向下、在图中与z方向相反地作用在第一和第二轴承14、15上。经由这些致动器可以在测试过程期间仿真轮对10的静态载荷和/或动态载荷。

按照本发明，调节装置21构成为用于使第一纵向致动器22以力调节的方式运行。此外，调节装置21构成为用于检测第一轴承14的偏移Sx1并且这样调节作用到第二轴承15上的纵向致动器22，使得第二轴承15的偏移Sx2在数值上与第一轴承14的偏移Sx1一样大，但指向相反的方向、亦即为Sx2＝-Sx1。以这种方式能够实现，轮对10可以围绕竖直转动轴线16转动，而轮轴11的中心点沿纵向方向不从其在轨道滚轮轴1正上方的位置运动离开。可以出现轮对10的自然的正弦运动，在该正弦运动中，车轮12、13与轨道滚轮2、3的顶点的在时间上平均的偏移趋向于零或等于零。

接下来借助在图2中的流程图描述一种用于滚动试验台的根据不同运行方式的运行方法，该运行方法例如由图1的滚动试验台来实施，以便模仿不同的行驶状况。参考图1并且在使用图1的附图标记的情况下对该运行方法进行说明。

在第一步骤S1中，开始作为轮对10的滚动轮对的测试过程，方式是，首先将纵向致动器22、23和横向致动器24或者轴承14、15固定在基本位置，并且通过轨道滚轮的驱动装置使这些轨道滚轮2、3旋转。在达到预定的转动频率之后，以步骤S2继续所述方法。

在步骤S2中，由调节装置21为第一纵向致动器22和横向致动器24转换至力调节模式。在力调节中检测相应的力Fx1和Fy并且这样调节第一纵向致动器22和横向致动器24，使得遵守力的预定的设定值F0x1、F0y。例如为了模仿在直的铁轨中的行驶状况，将力的所述两个设定值设定为F0x1＝F0y＝0。

在下一步骤S3中，检测第一轴承14的偏移Sx1并且这样调节第二纵向致动器23，使得对于第二轴承15的偏移Sx2适用：Sx2＝-Sx1。因此，对第二纵向致动器23以位移调节模式进行操控。第一纵向致动器22和横向致动器24保留在之前设定的力调节模式中。

一旦轮对10从其基本位置中稍微偏移，此时就出现正弦运动。这尤其一次性在下一步骤S4中优选由横向致动器24通过短的偏移脉冲来实现，方式为在力调节模式中短时间地预定力的设定值F0y≠0，或者方式为使横向致动器24短时间地从力调节模式中离开。

在下一步骤S5中，将力Fx1、Fx2和Fy以及偏移Sx1、Sx2和Sy的当前值与预定的边界值相比较。如果这些值低于边界值，则所述方法分支回到步骤S3，然后与步骤S5交替地或者与该步骤S5并行地实施该步骤S3。如果所述值之一高于相应的边界值，则所述方法以步骤S6继续。

在步骤S6中实现滚动试验台的紧急停机。采取安全措施来防止轮对10的不受控制的运动。例如可以将所有致动器22、23、24切换到位移调节模式中，以便使轮对10重新处于其基本位置中。此外降低轨道滚轮2、3的驱动装置的转速或者停止该驱动装置。也可以通过抬起轮对10来达到安全的状态。

在一种备选的运行方式中，在步骤S2中给横向致动器24施加恒定值Fy≠0。该沿横向方向或与该横向方向相反地起作用的力模拟轨道车辆由于弯道行驶而出现的横向加速度或者模拟在转弯行驶时的方向控制力。对此附加地或备选地可以规定，为第一纵向致动器22预定力Fx1不等于零的恒定的设定值F0x1。Fx1≠0的力相当于例如双轴转向架的横摆力矩。以这种方式产生轮对的受到力影响的正弦运动，如这些力影响对于弯道行驶来说是典型的。轮对10可能侧向起动冲击(anlaufen)并且处于一定的冲击角度作用下，但是仍然显示出对于预定的约束力来说典型的行驶动力学。

在所述方法的另一运行方式中规定，由第一纵向致动器22和/或横向致动器24作用到轮对10上的力Fx1或Fy不保持恒定，而是配设有与第一轴承14的偏移Sx1或第二轴承15的偏移Sy在时间上的变化有关的分量。在此，力Fx1优选可以根据下面的公式来调节：

Fx1(t)＝F0x1-q d(Sx1(t))/dt。

出现与时间t有关的力Fx1(t)，该力由预定的恒定的设定值F0x1和与偏移Sx1在时间上的变化、亦即轴承14的速度有关的项得出。引入阻尼，该阻尼的大小可以由一个阻尼常数q来调整。

类似地，力Fy优选可以根据下面的公式来调节：

Fy(t)＝F0y-p d(Sy(t))/dt，

其中，阻尼的大小也可以由一个阻尼常数p来调整。阻尼例如可以借助优选能电子调整的调节器来调整。

此外可能的是，直接根据相应偏移Sx1或Sy的大小来预定力Fx1和Fy，例如方式为，在超过某一预定的偏移时力才采用恒定的(或衰减的)设定值F0x1或F0y并且低于边界值零。因此，引入对于机械式弹簧阻尼系统来说典型的死位移。

以这种方式可以在试验台中模拟单个的轮对的运动和阻尼特性，而无须为此使用转向架或完整的轨道车辆。阻尼常数p和q以及可能的死位移是摆振阻尼器的特征值，通过所述摆振阻尼器在车辆中衰减轮对的侧向和横向运动。这样的试验布置方案的优点是，由此可以在滚动试验台上纯电子地描绘主要的运动特征，并且以这种方式也可以在滚动试验台上展现轮对例如对制动过程和驱动过程的反应、轨道与车轮的轮廓的变化的轮廓配对以及不同的接触条件。为此不需要机械加建或改建。

附图标记列表

1 轨道滚轮轴

2、3 轨道滚轮

4、5 轴承结构

10 轮对

11 轮轴

12 第一车轮

13 第二车轮

14 第一轴承

15 第二轴承

16 竖直转动轴线

21 调节装置

22 第一纵向致动器

23 第二纵向致动器

24 横向致动器