一种高速列车环形试验线的制作方法

本发明属于一种高速铁路牵引动力技术领域，特别涉及高速列车试验线及其牵引供电方式。

背景技术：

世界各国争相发展高速铁路并创造世界纪录。德国高速列车ice曾经在1988年创下时速407公里的世界铁路试验纪录；法国高速列车tgv在2007年4月3日创造了574.8公里/小时的世界铁路试验纪录。中国后来居上，于2010年12月3日用国产高速动车组crh380a在京沪先导段创造了时速486.1公里的世界铁路运营试验最高速。

随着世界铁路试验纪录的不断刷新，不禁要问：基于轮轨的高速铁路最高速度可达几何，如何用最短的线路加以实现？更高速度下的黏着特性怎样？牵引供电用什么方式，效果怎样？诸多实际技术问题亟待解决，而显然地，更高速度的轮轨试验在运营线路上进行存在技术、成本各方面的制约，以至于难以实施，因此近年来没有新的记录刷新。

目前，更高速度的轮轨试验均在试验台上进行模拟，即车辆处于静止状态，车轮在带有模拟钢轨踏面的高速电机带动下旋转，再根据踏面线速度换算成车辆运行速度进行轮轨关系试验，该试验台不能用于牵引供电方式的试验。我国拥有环形铁道试验线，但是它不能用于高速列车试验。

本申请提出一种高速列车环形试验线，可以用最短的线路进行最高速度试验，检验轮轨黏着特性，同时进行新的牵引供电方式试验。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高速列车环形试验线，它能解决用最短的线路进行最高速度试验问题，可以检验轮轨黏着特性和牵引力发挥情况，同时具有新的牵引供电方式试验功能。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：包括试验车、标准轮对、标准钢轨和钢轨之间给试验车供电的接触带，采用标准轨距；环形隧道为半径为r的圆周，在环形隧道内的外侧墙体设有垂直轨道，底面设有水平轨道；垂直轨道的两轨之间为上部与下部关系，钢轨踏面与底面的夹角为90°；水平轨道的两轨之间为内侧与外侧关系，钢轨踏面与地面平行；试验车的侧面设有垂直轮对，通过动车转向架与试验车外侧中间固定；水平轮对通过动车转向架与试验车底部中间固定；垂直轮对的踏面与垂直轨道的踏面接触，水平轮对的踏面与水平轨道的踏面接触；敷设在环形隧道内垂直轨道的踏面与水平轨道的踏面夹角为90°，垂直轨道与水平轨道在环形隧道内均为同心圆。所述动车转向架提供牵引动力向垂直轮对和水平轮对传递，其牵引动力源于牵引电机，并且牵引动力可以调节和控制；垂直轮对和水平轮对可以是多组；试验车也可以与其他动车或挂车编组。试验车质量分配到每个水平轮对上，称为轴重。根据试验需求，所述水平轨道可以与垂直轨道中的上部钢轨组合运行，此时水平轮对保持动力，垂直轮对解除动力；垂直轨道可以与水平轨道中的内侧钢轨组合运行，此时垂直轮对保持动力，水平轮对解除动力。所述环形隧道可以密封，进行内部空气减压或增压，以调整空气阻力。所述垂直轨道之间以及水平轨道之间安装接触带，给试验车供电，进行新的牵引供电方式——接触带与集电装置性能试验。所述水平轨道可为磁浮轨道。

本发明的工作原理是：垂直轨道中的两根钢轨等长，垂直轨道与垂直轮对的结合等效于无限长直线铁路；设试验车质量为m，速度为v，环形隧道半径为r；水平轮对与水平轨道接触的摩擦力正比于试验车重力在其内侧钢轨和外侧钢轨上的分量，试验车重力g＝9.8m，与试验车运行速度与无关；垂直轮对与垂直轨道接触的摩擦力正比于试验车离心力，离心力f＝mv²/r，即离心力的大小正比于试验车质量和试验车速度(线速度)平方的乘积，反比于环形隧道半径；如果摩擦系数相同，当重力g大于离心力f时，水平轮对与水平轨道之间的摩擦力大于垂直轮对与垂直轨道之间的摩擦力，试验车的牵引力主要由水平轮对与水平轨道来保障；随着速度提升，离心力增大，垂直轮对与垂直轨道接触的摩擦力增大，更高速度所需要的更大的牵引力将主要由垂直轮对与垂直轨道之间的摩擦力来保障；通过试验车质量m、速度v和环形隧道半径r的配合，利用水平轮对与水平轨道之间有限的摩擦力和垂直轮对与垂直轨道之间可调的摩擦力，检验水平轮对与水平轨道之间、垂直轮对与垂直轨道之间的粘着特性和牵引力发挥情况，完成不同速度等级的运行试验。

由于垂直轨道踏面受到离心力作用，水平轨道踏面受到重力作用，当重力g大于离心力f时，考虑到试验车的重心位置和动稳定性，轮轨黏着特性可以由水平轨道与垂直轨道中的上部钢轨组合运行完成；离心力作用于试验车产生的力矩将使重力在水平轨道的内侧钢轨和外侧钢轨上的分配发生变化，即内侧钢轨增加，外侧钢轨减少，随着速度提升，离心力f大于重力g时，轮轨黏着重点转移至垂直轨道，而水平轨道只起到支撑作用，考虑到试验车的重心位置和静稳定性，可以选择垂直轨道与水平轨道中的内侧钢轨组合运行来完成，此时，试验车的重力由水平轨道中的内侧钢轨和垂直轨道分担。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明可以用最短线路实现轮轨1:1最高速度试验；理论上速度不受限制。

二、本发明可以检验更高速度下的轮轨黏着特性，并探索轮轨粘着极限。

三、本发明可以进行新的牵引供电方式——接触带与集电装置性能试验。

四、本发明具有扩展性，可以进行高速磁浮试验，如将水平轨道改为磁浮轨道。

五、本发明在环形隧道内运行，可确保试验的安全性。

六、本发明技术先进、可靠，且易于实施。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的俯视示意图。

图3是本发明实施例的水平轨道与垂直轨道中的上部钢轨组合的结构示意图。

图4是本发明实施例的垂直轨道与水平轨道中的内侧钢轨组合的结构示意图。

具体实施方式

实施例：下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种高速列车环形试验线的横断面示意图，包括试验车、标准轮对、标准钢轨和钢轨之间给试验车4供电的接触带，采用标准轨距；环形隧道1为半径为r的圆周，在环形隧道1内的外侧墙体设有垂直轨道2，底面设有水平轨道3；垂直轨道2的两轨之间为上部与下部关系，钢轨踏面与底面的夹角为90°；水平轨道3的两轨之间为内侧与外侧关系，钢轨踏面与地面平行；试验车4的侧面设有垂直轮对5，通过动车转向架与试验车4外侧固定；水平轮对6通过动车转向架与试验车4底部固定；垂直轮对5的踏面与垂直轨道2的踏面接触，水平轮对6的踏面与水平轨道2的踏面接触；敷设在环形隧道1内垂直轨道2的踏面与水平轨道3的踏面夹角为90°，垂直轨道2与水平轨道3在环形隧道1内均为同心圆。

所述动车转向架提供牵引动力向垂直轮对5和水平轮对6传递，其牵引动力源于牵引电机，并且牵引动力可以调节和控制；垂直轮对5和水平轮对6可以是多组；试验车4也可以与其他动车或挂车编组。

根据试验需求，所述水平轨道3可以与垂直轨道2中的上部钢轨或下部钢轨组合运行，此时水平轮对6保持动力，垂直轮对5解除动力；垂直轨道2可以与水平轨道3中的内侧钢轨组合运行，此时垂直轮对5保持动力，水平轮对6解除动力。

所述环形隧道1可以密封，进行内部空气减压或增压，以调整空气阻力。

所述垂直轨道2之间以及水平轨道3之间安装接触带，给试验车4供电，进行新的牵引供电方式——接触带与集电装置性能试验。

所述水平轨道3可为磁浮轨道。

考虑重力等于离心力的临界状态：

9.8m＝mv²/r

若试验车4达目前运行最高时速360km/h，即100m/s，则对应环形隧道1半径r＝1.02km。因此，为了更高速度的试验，环形隧道1半径r最小应为1.02km，周长约为6.4km，尚可进行类比16节编组crh动车组、长约400m那样的试验车试验。

本发明的工作原理是：垂直轨道2中的两根钢轨等长，垂直轨道2与垂直轮对5的结合等效于无限长直线铁路；设试验车4质量为m，速度为v，环形隧道1半径为r；水平轮对6与水平轨道3接触的摩擦力正比于试验车4重力在其内侧钢轨和外侧钢轨上的分量，试验车4重力g＝9.8m，与试验车4运行速度与无关；垂直轮对5与垂直轨道2接触的摩擦力正比于试验车4离心力，离心力f＝mv²/r，即离心力的大小正比于试验车4质量和试验车4速度(线速度)平方的乘积，反比于环形隧道1半径；如果摩擦系数相同，当重力g大于离心力f时，水平轮对6与水平轨道3之间的摩擦力大于垂直轮对5与垂直轨道2之间的摩擦力，试验车4的牵引力主要由水平轮对6与水平轨道3来保障；随着速度提升，离心力增大，垂直轮对5与垂直轨道2接触的摩擦力增大，更高速度所需要的更大的牵引力将主要由垂直轮对5与垂直轨道2之间的摩擦力来保障；通过试验车4质量m、速度v和环形隧道半径r的配合，利用水平轮对6与水平轨道3之间有限的摩擦力和垂直轮对5与垂直轨道2之间可调的摩擦力，检验水平轮对6与水平轨道3之间、垂直轮对5与垂直轨道2之间的粘着特性和牵引力发挥情况，完成不同速度等级的运行试验。

图2是是本发明实施例的俯视示意图。图中示出，试验车4在水平轨道3与垂直轨道2作用下，绕环形隧道1做圆周运动；垂直轨道2中的上下两根钢轨等长，垂直轨道2与垂直轮对5的结合等效于无限长直线铁路；通过试验车4质量m、速度v和环形隧道半径r的配合，利用水平轮对6与水平轨道3之间有限的摩擦力和垂直轮对5与垂直轨道2之间可调的摩擦力，检验水平轮对6与水平轨道3之间、垂直轮对5与垂直轨道2之间的粘着特性和牵引力发挥情况，完成不同速度等级的运行试验。

试验车及其内部物体受到重力和离心力的联合作用，可以在试验车4内设置悬挂座椅，供人体验。

图3是本发明实施例的水平轨道3与垂直轨道2中的上部钢轨组合的结构示意图。由于垂直轨道2踏面只受到离心力作用，水平轨道3踏面只受到重力作用，当重力大于离心力时，如图所示，考虑到试验车4的重心位置和动稳定性，轮轨黏着特性可以由水平轨道3与垂直轨道4中的上部钢轨组合运行完成。

图4是本发明实施例的垂直轨道2与水平轨道3中的内侧钢轨组合的结构示意图。离心力作用于试验车4产生的力矩将使重力在水平轨道3的内侧钢轨和外侧钢轨上的分配发生变化，即内侧钢轨增加，外侧钢轨减少，随着速度提升，离心力大于重力时，轮轨黏着重点转移至垂直轨道2，而水平轨道3只起到支撑作用，考虑到试验车4的重心位置和静稳定性，选择垂直轨道2与水平轨道3中的内侧钢轨组合运行来完成，此时，试验车4的重力由水平轨道3中的内侧钢轨和垂直轨道2分担。