用于双轴独立轮转向架主动导向控制器开发的滚动试验台

1.本实用新型涉及轨道车辆行业的独立轮导向技术领域，尤其涉及一种用于双轴独立轮转向架主动导向控制器开发的滚动试验台。


背景技术：

2.城市轨道交通车辆100％低地板技术的应用中遇到了独立轮的导向难题。独立轮将左右车轮解耦，失去了纵向蠕滑力，削弱了其导向能力，由此引起安全、磨耗、噪音等问题。提升独立轮的导向能力对于大力发展100％低地板面的城市轨道交通车辆至关重要。
3.结合机电一体化技术针对独立轮采用主动导向的解决方案是提升其导向能力，改善上述问题的一个有效方式。为了开发合理、高效的主动导向控制器以及测试其性能，有必要进行相关试验。由于线路试验周期长、成本高，所以在实验室利用滚动试验台进行前期试验比较合适。考虑到试验台用于开发和测试独立轮的主动导向控制器，综合考虑空间、成本等因素，没有必要1:1还原真实车辆，采用1:5缩小比例设计滚动试验台即可满足试验要求。


技术实现要素：

4.本试验台可模拟转向架通过曲线时的工况，包含超高不足和内外轨长度差两个特征。基于此试验台开发和测试主动导向的控制器，从而验证独立轮主动导向方案的有效性，期望得到效果良好的主动导向控制器。
5.为实现上述实用新型目的，本实用新型技术方案如下：
6.一种用于双轴独立轮转向架主动导向控制器开发的滚动试验台，包括：
7.机架7：位于试验台的底部，用于固定各结构；
8.超高模拟装置6：底部固定在机架7的底板上，用于模拟轨道曲线线路的超高特征，与轨道轮组件5配合实现多种线路工况的模拟；
9.纵向定位装置1：一端连接机架7的侧架、一端连接独立轮转向架半车模型3的车体309，用于限制试验台的纵向自由度，保持试验台稳定；
10.主动导向执行装置2：连接在独立轮转向架半车模型3的车体309上，用于执行控制器发出的控制指令，对独立轮施加绕z轴旋转的摇头力矩实现主动导向姿态控制；
11.独立轮转向架半车模型3：垂直位于轨道轮组件5上方，用于模拟真实装备有独立轮转向架的轨道车辆；
12.数据测量装置4：一部分安装在轨道轮组件5上、一部分固定连接在独立轮转向架半车模型3的车轴302上；用于测量独立轮的横移量、独立轮的摇头角度、超高角度，根据测量数据开发主动导向控制器以及评估其性能；
13.轨道轮组件5：位于超高模拟装置6上方，相对于超高模拟装置6的超高转轴605有绕y轴的旋转自由度，用于在实验室条件下模拟无限长的轨道，并且通过控制其驱动电机实现不同工况下试验所需的独立轮转速；
14.其中，独立轮滚动的方向为y轴，独立轮横移的方向为x轴，z轴垂直于xy轴的平面，
x轴为横向，y轴为纵向，z轴为垂向。
15.作为优选方式，数据测量装置4获取的试验台状态信息作为主动导向控制器的输入信息，控制器发出指令后主动导向执行装置2动作，实验人员观察独立轮的行为和分析数据判断控制器的性能优劣。
16.作为优选方式，纵向定位装置1沿纵向设置，包括纵向定位螺柱101、纵向定位套102、纵向定位销103、纵向定位杆104、轴承套105、推力关节轴承106、纵向定位安装座107；
17.纵向定位装置1一端与车体309固定连接、另一端设有纵向定位安装座107，纵向定位安装座107与机架7的纵向定位安装板704固定连接，纵向定位螺柱101与纵向定位套102之间螺纹连接，定位杆104插入定位套102内部，且定位杆104与纵向定位套102的对应位置设有小孔，定位销103插入小孔将定位杆104与定位套102连接，轴承套105内装有两个推力关节轴承106，定位螺柱101与车体的纵向定位孔连接。
18.作为优选方式，主动导向执行装置2包括：两个主动导向作动器201和两个连杆装置，每个连杆装置包括横连杆202、竖连杆203、纵拉杆204；两个主动导向作动器201在xoy平面关于z轴旋转对称，两个连杆装置关于xoz平面对称；
19.主动导向作动器201用螺栓连接在车体309上，主动导向作动器201的执行部分沿纵向伸缩，横连杆202沿横向设置且穿过主动导向作动器201的执行部分，横连杆202两端各连接一根沿垂向设置的竖连杆203，竖连杆203远离202的一端连接纵向的纵拉杆204，纵拉杆204不与竖连杆203连接的一端的中心孔套接在车轴302上，横连杆202的中间有一孔与竖支杆307连接，竖连杆203的中间有一孔与横支杆310连接。
20.作为优选方式，独立轮转向架半车模型3包括：独立轮301、车轴302、轴箱盖303、轴箱304、一系悬挂装置305、转向架构架306、二系悬挂装置308、车体309，
21.转向架构架306上设有垂向的竖支杆307、横向的横支杆310，用于给主动导向执行装置的连杆机构提供旋转支点；二系悬挂装置308沿垂向固定在转向架构架306上，二系悬挂装置308上方固定连接车体309，车体309包括底板、垂直连接在底板上方的两个侧板，侧板固定连接主动导向作动器201的底座，转向架构架306底部固定一系悬挂装置305，一系悬挂装置305一端与转向架构架306连接、另一端与轴箱304连接，轴箱304与车轴302转动连接，车轴302沿横向设置，独立轮301转动连接在车轴302上，独立轮301和轨道轮组件5的轨道轮507接触，且轨道轮轴508与车轴302同在一个x轴z轴组成的平面上。
22.作为优选方式，数据测量装置4沿垂向设置，包括横向位移传感器安装座401、横向位移传感器402、姿态传感器安装座403、姿态传感器404；
23.横向位移传感器安装座401下端通过螺栓固定在轨道轮安装板501上；横向位移传感器安装座401上端放置横向位移传感器402，横向位移传感器402用于测量独立轮301的横向位移；车轴302穿入姿态传感器安装座403的中间位置；姿态传感器安装座403上安装姿态传感器404，姿态传感器404用于测量独立轮301的摇头角度。
24.作为优选方式，轨道轮组件5包括轨道轮安装板501和4套轨道轮组件，每一套轨道轮组件包括固定在轨道轮安装板501上的轨道轮驱动电机安装座502、轨道轮驱动电机503、减速器504、膜片式联轴器505、第一带座轴承506、轨道轮507、轨道轮轴508、轨道轮安装座509；4套轨道轮组件5分别关于xoz平面和yoz平面对称设置；
25.轨道轮驱动电机安装座502下方通过螺栓固定在轨道轮安装板501上，轨道轮驱动
电机安装座502上方与轨道轮驱动电机503通过螺栓连接，轨道轮驱动电机503经减速器504连接膜片式联轴器505,轨道轮驱动电机503通过膜片式联轴器505与轨道轮轴508相连，轨道轮轴508沿横向设置，第一带座轴承506转动连接轨道轮轴508,第一带座轴承506用螺栓与轨道轮安装座509连接，轨道轮安装座509用螺栓固定在轨道轮安装板501上，轨道轮轴508与轨道轮507过盈配合连接。
26.作为优选方式，机架7包括：底板701、固定在底板701上的防超高倾覆板706、以及两套关于xoz平面对称设置的安装架，每套安装架包括：超高转轴安装座702、侧架703、纵向定位安装板704、承重座705；
27.超高转轴安装座702和第三带座轴承606连接，承重座705支撑轨道轮安装板501，纵向定位安装板704固定连接于侧架703顶部，纵向定位安装板704和纵向定位安装座107连接；
28.超高转轴安装座702、侧架703、承重座705和防超高倾覆板706均固定在底板701上。
29.作为优选方式，超高模拟装置6包括抬升装置和转动装置，抬升装置包括：举升作动器安装座601、举升作动器602、举升作动器转轴603、第二带座轴承604，转动装置包括：超高转轴605、第三带座轴承606、第四带座轴承607；
30.抬升装置固定于底板701靠近防超高倾覆板706的一端，防超高倾覆板706对超高模拟装置6的所有部件绕x轴旋转的极限位置进行限位，转动装置固定于底板701远离防超高倾覆板706的一端，举升作动器安装座601上方安装举升作动器602,举升作动器602的执行部分沿垂向，举升作动器602推动举升作动器转轴603和第二带座轴承604沿垂向移动，举升作动器转轴603插接在举升作动器602的执行部分，举升作动器转轴603沿横向布置，举升作动器转轴603两端与第二带座轴承604连接；
31.超高转轴605沿纵向布置，超高转轴605的每一端连接第三带座轴承606和第四带座轴承607，第四带座轴承607和上方的轨道轮安装板501固定连接，第三带座轴承606和下方的超高转轴安装座702连接；
32.超高举升作动器安装座601固定连接在底板701上，带座轴承604与上方的轨道轮安装板501固定连接。
33.作为优选方式，独立轮转向架半车模型与对应真实轨道车辆的大小比例为1:5。
34.作为优选方式，轨道轮驱动电机为直流电机。
35.本实用新型的工作原理如下：
36.轨道轮驱动电机503驱动轨道轮组件的轨道轮507旋转，轨道轮507带动其上方的独立轮301旋转，超高模拟装置6的抬升装置启动，使轨道轮组件5绕y轴旋转，轨道轮组件5运动到极限位置时防超高倾覆板706和轨道轮安装板501接触对其限位，主动导向作动器201接收主动导向控制器的命令开始执行主动导向动作，主动导向作动器201沿纵向做伸缩运动，当主动导向作动器201伸长时横连杆202以竖支杆307为支点做绕z轴旋转运动，带动竖连杆203以横支杆310为支点做绕x轴的旋转运动，从而带动纵拉杆204沿纵向做位移，由于纵拉杆204与车轴302连接，通过纵拉杆204做沿纵向的位移运动可带动车轴302做摇头运动，从而带动独立轮301做摇头运动，通过控制主动导向作动器201的执行部件的位移能够控制独立轮301的摇头角度。
37.超高模拟装置上方的部件可以在举升作动器的举升动作下绕远端的超高转轴发生旋转运动，则一端的轨道轮相比另一端会抬升一定高度，这个动作模拟的是真实线路的超高特征。通过理论计算将真实线路曲线工况的内外轨长度差转化为左右轨道轮的转速差，控制左右轨道轮的驱动电机则可模拟这一特征。根据数据测量装置获取的试验台状态信息作为主动导向控制器的输入信息，控制器发出指令主动导向执行装置动作，实验人员观察独立轮的行为和分析相关数据判断控制器的性能优劣。
38.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
39.1.实用性好，本试验台在结构上模拟的是装备有独立轮的双轴转向架车辆，符合城市轨道车辆行业发展趋势。
40.2.创新性好，本试验台考虑到转向架的安装空间将主动导向作动器置于车体通过一套连杆机构把作动器的伸缩动作转换为独立轮的摇头动作以实现导向目的。
41.3.可扩展性好，本试验台多采用螺栓活连接尽量避免焊接，保留的试验台的扩展可能性，例如：改变轨道轮安装座的横向位置模拟不同的轮对内侧距；改变轨道轮安装座的纵向位置模拟不同轴距的转向架；通过联轴器把左右轨道轮连接则可将独立轮转换为传统轮对；通过改变车体配重模拟不同轴重情况等。
42.4.经济性好，通过本试验台获得成熟的控制器后再进行线路试验可大大减少在独立轮主动导向控制器开发过程中线路试验的次数，从而节约大量的人力、物力、财力。
附图说明
43.图1为本实用新型整体结构示意图；
44.图2为纵向定位装置结构示意图；
45.图3为主动导向执行装置结构示意图；
46.图4为独立轮转向架半车模型结构示意图；
47.图5为数据测量装置结构示意图；
48.图6为轨道轮装置结构示意图；
49.图7为超高模拟装置结构示意图；
50.图8为机架结构示意图；
51.1为纵向定位装置、2为主动导向执行装置、3为独立轮转向架半车模型、4为数据测量装置、5为轨道轮组件、6为超高模拟装置、7为机架；
52.101为纵向定位螺柱、102为纵向定位套、103为纵向定位销、104为纵向定位杆、105为轴承套、106为推力关节轴承、107为纵向定位安装座；
53.201为主动导向作动器、202为横连杆、203为竖连杆、204为纵拉杆；
54.301为独立轮、302为车轴、303为轴箱盖、304为轴箱、305为一系悬挂装置、306为转向架构架、307为竖支杆、308为二系悬挂装置，309为车体、310为横支杆；
55.401为横向位移传感器安装座、402为横向位移传感器、403为姿态传感器安装座、404为姿态传感器；
56.501为轨道轮安装板、502为轨道轮驱动电机安装座、503为轨道轮驱动电机、504为减速器、505为膜片式联轴器、506为第一带座轴承、507为轨道轮、508为轨道轮轴、509为轨道轮安装座；
57.601为举升作动器安装座、602为举升作动器、603为举升作动器转轴、604为第二带座轴承、605为超高转轴、606为第三带座轴承、607为第四带座轴承；
58.701为底板、702为超高转轴安装座、703为侧架、704为纵向定位安装板、705为承重座、706为防超高倾覆板。
具体实施方式
59.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
60.如图1所示，一种用于双轴独立轮转向架主动导向控制器开发的滚动试验台，包括：
61.机架7：位于试验台的底部，用于固定各结构；
62.超高模拟装置6：底部固定在机架7的底板上，用于模拟轨道曲线线路的超高特征，与轨道轮组件5配合实现多种线路工况的模拟；
63.纵向定位装置1：一端连接机架7的侧架、一端连接独立轮转向架半车模型3的车体309，用于限制试验台的纵向自由度，保持试验台稳定；
64.主动导向执行装置2：连接在独立轮转向架半车模型3的车体309上，用于执行控制器发出的控制指令，对独立轮施加绕z轴旋转的摇头力矩实现主动导向姿态控制；
65.独立轮转向架半车模型3：垂直位于轨道轮组件5上方，用于模拟装备有独立轮转向架的真实车辆；
66.数据测量装置4：一部分安装在轨道轮组件5上、一部分固定连接在独立轮转向架半车模型3的车轴302上；用于测量独立轮的横移量、独立轮的摇头角度、超高角度，根据测量数据开发主动导向控制器以及评估其性能；
67.轨道轮组件5：位于超高模拟装置6上方，相对于超高模拟装置6的超高转轴605有绕y轴的旋转自由度，用于在实验室条件下模拟无限长的轨道，并且通过控制其驱动电机实现不同工况下试验所需的独立轮转速；
68.其中，独立轮滚动的方向为y轴，独立轮横移的方向为x轴，z轴垂直于xy轴的平面，x轴为横向，y轴为纵向，z轴为垂向。
69.数据测量装置4获取的试验台状态信息作为主动导向控制器的输入信息，控制器发出指令后主动导向执行装置2动作，实验人员观察独立轮的行为和分析数据判断控制器的性能优劣。
70.如图2所示，纵向定位装置1沿纵向设置，包括纵向定位螺柱101、纵向定位套102、纵向定位销103、纵向定位杆104、轴承套105、推力关节轴承106、纵向定位安装座107；
71.纵向定位装置1一端与车体309固定连接、另一端设有纵向定位安装座107，纵向定位安装座107与机架7的纵向定位安装板704固定连接，纵向定位螺柱101与纵向定位套102之间螺纹连接，定位杆104插入定位套102内部，且定位杆104与纵向定位套102的对应位置设有小孔，定位销103插入小孔将定位杆104与定位套102连接，轴承套105内装有两个推力关节轴承106，定位螺柱101与车体的纵向定位孔连接。推力关节轴承可实现仅限制车体的
纵向自由度，纵向定位装置保证了试验台的稳定性。
72.如图3所示，主动导向执行装置2包括：两个主动导向作动器201和两个连杆装置，每个连杆装置包括横连杆202、竖连杆203、纵拉杆204；两个主动导向作动器201在xoy平面关于z轴旋转对称，两个连杆装置关于xoz平面对称；
73.主动导向作动器201用螺栓连接在车体309上，主动导向作动器201的执行部分沿纵向伸缩，横连杆202沿横向设置且穿过主动导向作动器201的执行部分，横连杆202两端各连接一根沿垂向设置的竖连杆203，竖连杆203远离202的一端连接纵向的纵拉杆204，纵拉杆204不与竖连杆203连接的一端的中心孔套接在车轴302上，横连杆202的中间有一孔与竖支杆307连接，竖连杆203的中间有一孔与横支杆310连接。该通过连杆机构将作动器的伸缩运动转换为独立轮的摇头运动，调整独立轮相对于轨道轮中心线的横向位移以提升其曲线通过能力。
74.如图4所示，独立轮转向架半车模型3包括：独立轮301、车轴302、轴箱盖303、轴箱304、一系悬挂装置305、转向架构架306、二系悬挂装置308、车体309，
75.转向架构架306上设有垂向的竖支杆307、横向的横支杆310，用于给主动导向执行装置的连杆机构提供旋转支点；二系悬挂装置308沿垂向固定在转向架构架306上，二系悬挂装置308上方固定连接车体309，车体309包括底板、垂直连接在底板上方的两个侧板，侧板固定连接主动导向作动器201的底座，转向架构架306底部固定一系悬挂装置305，一系悬挂装置305一端与转向架构架306连接、另一端与轴箱304连接，轴箱304与车轴302转动连接，车轴302沿横向设置，独立轮301转动连接在车轴302上，独立轮301和轨道轮组件5的轨道轮507接触，且轨道轮轴508与车轴302同在一个x轴z轴组成的平面上。
76.如图5所示，数据测量装置4沿垂向设置，包括横向位移传感器安装座401、横向位移传感器402、姿态传感器安装座403、姿态传感器404；
77.横向位移传感器安装座401下端通过螺栓固定在轨道轮安装板501上；横向位移传感器安装座401上端放置横向位移传感器402，横向位移传感器402用于测量独立轮301的横向位移；车轴302穿入姿态传感器安装座403的中间位置；姿态传感器安装座403上安装姿态传感器404，姿态传感器404用于测量独立轮301的摇头角度。
78.如图6所示，轨道轮组件5包括轨道轮安装板501和4套轨道轮组件，每一套轨道轮组件包括固定在轨道轮安装板501上的轨道轮驱动电机安装座502、轨道轮驱动电机503、减速器504、膜片式联轴器505、第一带座轴承506、轨道轮507、轨道轮轴508、轨道轮安装座509；4套轨道轮组件5分别关于xoz平面和yoz平面对称设置；
79.轨道轮驱动电机安装座502下方通过螺栓固定在轨道轮安装板501上，轨道轮驱动电机安装座502上方与轨道轮驱动电机503通过螺栓连接，轨道轮驱动电机503经减速器504连接膜片式联轴器505,轨道轮驱动电机503通过膜片式联轴器505与轨道轮轴508相连，轨道轮轴508沿横向设置，第一带座轴承506转动连接轨道轮轴508,第一带座轴承506用螺栓与轨道轮安装座509连接，轨道轮安装座509用螺栓固定在轨道轮安装板501上，轨道轮轴508与轨道轮507过盈配合连接。
80.如图8所示，机架7包括：底板701、固定在底板701上的防超高倾覆板706、以及两套关于xoz平面对称设置的安装架，每套安装架包括：超高转轴安装座702、侧架703、纵向定位安装板704、承重座705；
81.超高转轴安装座702和第三带座轴承606连接，承重座705支撑轨道轮安装板501，纵向定位安装板704固定连接于侧架703顶部，纵向定位安装板704和纵向定位安装座107连接；
82.超高转轴安装座702、侧架703、承重座705和防超高倾覆板706均固定在底板701上。
83.如图7所示，超高模拟装置6包括抬升装置和转动装置，抬升装置包括：举升作动器安装座601、举升作动器602、举升作动器转轴603、第二带座轴承604，转动装置包括：超高转轴605、第三带座轴承606、第四带座轴承607；
84.抬升装置固定于底板701靠近防超高倾覆板706的一端，防超高倾覆板706对超高模拟装置6的所有部件绕x轴旋转的极限位置进行限位，转动装置固定于底板701远离防超高倾覆板706的一端，举升作动器安装座601上方安装举升作动器602,举升作动器602的执行部分沿垂向，举升作动器602推动举升作动器转轴603和第二带座轴承604沿垂向移动，举升作动器转轴603插接在举升作动器602的执行部分，举升作动器转轴603沿横向布置，举升作动器转轴603两端与第二带座轴承604连接；
85.超高转轴605沿纵向布置，超高转轴605的每一端连接第三带座轴承606和第四带座轴承607，第四带座轴承607和上方的轨道轮安装板501固定连接，第三带座轴承606和下方的超高转轴安装座702连接；
86.超高举升作动器安装座601固定连接在底板701上，带座轴承604与上方的轨道轮安装板501固定连接。
87.独立轮转向架半车模型与对应真实轨道交通车辆的大小比例为1:5。
88.轨道轮驱动电机为直流电机，通过其自带的编码器可获得转速信息，通过控制左右两边轨道轮转速差间接模拟曲线工况的内外轨长度差。
89.本实用新型的工作原理如下：
90.轨道轮驱动电机503驱动轨道轮组件的轨道轮507旋转，轨道轮507带动其上方的独立轮301旋转，超高模拟装置6的抬升装置启动，使轨道轮组件5绕y轴旋转，轨道轮组件5运动到极限位置时防超高倾覆板706和轨道轮安装板501接触对其限位，主动导向作动器201接收主动导向控制器的命令开始执行主动导向动作，主动导向作动器201沿纵向做伸缩运动，当主动导向作动器201伸长时横连杆202以竖支杆307为支点做绕z轴旋转运动，带动竖连杆203以横支杆310为支点做绕x轴的旋转运动，从而带动纵拉杆204沿纵向做位移，由于纵拉杆204与车轴302连接，通过纵拉杆204做沿纵向的位移运动可带动车轴302做摇头运动，从而带动独立轮301做摇头运动，通过控制主动导向作动器201的执行部件的位移能够控制独立轮301的摇头角度。
91.超高模拟装置上方的部件可以在举升作动器的举升动作下绕远端的超高转轴发生旋转运动，则一端的轨道轮相比另一端会抬升一定高度，模拟的是真实线路的超高特征。通过理论计算将真实线路曲线工况的内外轨长度差转化为左右轨道轮的转速差，控制左右轨道轮的驱动电机则可模拟这一特征。根据数据测量装置获取的试验台状态信息作为主动导向控制器的输入信息，控制器发出指令主动导向执行装置动作，实验人员观察独立轮的行为和分析相关数据判断控制器的性能优劣。
92.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新
型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。