铁路桥车气动模拟系统的制作方法

1.本发明涉及建筑领域，尤其涉及一种铁路桥和列车的气动模拟系统。


背景技术：

2.大型建筑(例如铁路桥)受自然风的影响较大，在建造周期内现有技术常常对大型建筑进行气动模拟实验，具体做法是构建大型建筑的比例模型并在建筑模型的设定点位放置六分量天平、风压传感器等各类传感器，然后将建筑模型置于风场内，测量在风场环境下建筑的各项数据，以便对大型建筑进行更加精密的分析研究。如果大型建筑是铁路桥这种承载高速列车的建筑类型，则会在铁路桥上布置列车模型并在列车模型上布置传感器，实现对铁路桥和列车的共同模拟实验。目前，针对铁路桥车的模拟实验多为静态实验，列车处于静止状态；如果铁路桥包含巨大的桥塔，则列车的测量数据受列车在桥面的不同位置影响巨大，很难获得较为真实的模拟数据。另一方面，对于传统的节段测试试验，大桥模型的尺寸有限且两端均为断面，与实际大桥存在差异，气流在大桥端面产生的三维效应对大桥的试验数据影响较大。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种新的铁路桥车气动模拟系统，克服桥塔对列车的影响以及减少大桥端面的气流效应影响。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种铁路桥车气动模拟系统，包括桥梁模型组件、列车模型、第一移动组件和底座；
5.所述桥梁模型组件包括桥体主梁、支撑架、支撑横梁和桥塔，所述支撑横梁安装在底座上，支撑架安装在支撑横梁上，桥体主梁安装在支撑架上，桥体主梁的表面设置有列车轨道，列车模型放置在列车轨道上；所述支撑横梁上设置有滑轨，桥塔的内腔中空，桥塔安装在支撑横梁的滑轨上，桥塔能够沿着滑轨长度方向移动；桥体主梁、支撑架和列车模型上按照设定安装传感器，用于测量桥体主梁、支撑架和列车模型在风场中的各项参数；
6.所述第一移动组件包括活塞杆、活塞、活塞筒、塞头、直线驱动组件和离合器，活塞杆的一端安装活塞并插入活塞筒，活塞筒的有杆腔封闭，活塞筒的无杆腔设置与塞头匹配的塞孔，塞头固定在桥塔上；直线驱动组件驱动活塞杆往复移动，离合器实现直线驱动组件与活塞杆的分离和结合；在进行气动模拟试验之前，桥塔移动至活塞筒处，塞头塞进活塞筒的塞孔中，直线驱动组件驱动活塞杆移动使得活塞压缩活塞筒有杆腔内的空气，达到蓄能的效果；在进行气动模拟试验时，直线驱动组件释放活塞杆，活塞杆在压缩空气的作用下向着活塞筒的无杆腔方向移动，进而使得塞头被空气挤出，桥塔从活塞筒处高速弹出。
7.移动桥塔的目的是模拟列车在桥面高速运动的情形。在本发明的模拟系统中，桥梁模型组件中的桥体主梁长度有限，在桥体主梁表面不能增加额外机构的情况下(否则会破坏铁路桥自身的气动模拟实验)，很难实现列车模型在桥体主梁表面的高速移动。考虑到真实环境下列车在铁路桥表面行驶时，自然风对列车的作用主要受到体积巨大的桥塔的影
响，即列车与桥塔之间的相对位移是影响自然风作用列车的主要因素，因此本发明通过移动桥塔的方式来实现列车和桥塔的相对位移。
8.在现实环境中，铁路桥的两端与铁路连通，不存在断面，但是在模拟实验中，桥梁模型组件的桥体主梁两端却是直接断开的，这将导致模拟风场在桥体主梁两端的断面处产生三维效应；为了减少这种三维效应对模拟实验的影响，现有技术的做法之一是在桥体主梁的两端各设置一个与风向平行的端板。由于铁路桥车的气动模拟实验中会提供各种不同风向的风场，因此传统的模拟实验中需要实验人员多次调整端板的方向来确保端板始终与风向平行。为了简化实验操作，本发明提供了一种带有端板的补偿组件，实现端板方向的自动调整；具体做法是：所述桥体主梁的两端均安装补偿组件，所述补偿组件包括端板、外筒、中盘、翻板、第一驱动轮和第二驱动轮，外筒竖直安装在桥体主梁的端头，外筒能够在桥体主梁内自由旋转，外筒的圆周面上设置有环形槽，中盘安装在环形槽中，环形槽的宽度大于中盘的厚度，中盘的中心设置有插入外筒内部的螺纹孔，即中盘能够在外筒的环形槽中上下移动，但是中盘无法相对外筒旋转；端板固定在外筒上；所述翻板的一端设置有螺纹轴，螺纹轴插入外筒并且与中盘的螺纹孔螺纹连接，当翻板相对于外筒旋转时，翻板上的螺纹轴将导致带有螺纹孔的中盘向上或者向下移动；端板设置有与翻板匹配的缺口，翻板位于缺口中；第一驱动轮和第二驱动轮分别位于中盘的上方和下方，当中盘与第一驱动轮或者第二驱动轮接触时，第一驱动轮或者第二驱动轮将驱动中盘旋转且旋转方向相反；
9.本发明的补偿组件在初始状态下，翻板应与端板共面且此时的中盘在竖直方向上处于第一驱动轮和第二驱动轮的正中间且与两个驱动轮均不接触；当本发明的补偿组件处于风场时，翻板首先受到风力的作用产生旋转，旋转的螺纹轴将导致中盘向上或者向下移动继而触碰到第一驱动轮或者第二驱动轮，第一驱动轮或者第二驱动轮将带动中盘旋转，中盘带动外筒和端板旋转，使得端板和翻板再次共面。这意味着无论翻板如何旋转，第一驱动轮和第二驱动轮都将最终驱动端板旋转至与翻板共面的状态；由于螺纹轴位于翻板的一端，因此处于风场中的翻板将自动旋转直至与风向平行，端板则随着翻板也旋转至与风向平行。
10.进一步的，所述中盘的上表面和下表面设置有摩擦带，摩擦带用于增加中盘与第一驱动轮和第二驱动轮之间的摩擦力。
11.本发明中第一移动组件使用活塞等部件驱动桥塔移动，桥塔移动速度很快，这主要用于模拟列车高速移动的情况；为了能够模拟列车低速移动的情况，本发明还提供了第二移动组件，所述第二移动组件包括传送带、带轮和连接机构，传送带缠绕在带轮上，连接机构安装在桥塔上，桥塔通过连接机构与传送带连接，传送带驱动桥塔以较低的速度移动，进而模拟列车低速移动的情况。具体的，所述连接机构包括连接座、电磁铁和夹板，连接座固定在桥塔上，电磁铁固定在连接座上，夹板插接在连接座上，夹板由钢铁材料制作，夹板与电磁铁之间具有间隙，传送带位于夹板与电磁铁之间的间隙中；电磁铁通电后吸引夹板即可夹住传送带。当模拟实验使用的是第一移动组件时，电磁铁应断电，确保桥塔与传送带分离。
12.具体的，所述直线驱动组件包括第一电机、第一齿轮和转轴，第一齿轮安装在转轴上，第一电机驱动转轴旋转，活塞杆上设置有齿并且与第一齿轮啮合，第一齿轮旋转即可驱动活塞杆水平移动；所述离合器包括第二电机、第二齿轮、齿条和弹簧，弹簧套在转轴上并
且抵住第一齿轮的一侧，齿条抵住第一齿轮的另一侧，第二齿轮与齿条啮合，第二电机驱动第二齿轮旋转。当第二齿轮驱动齿条移动时，齿条可以推动第一齿轮沿着转轴移动，使得第一齿轮与活塞杆分离。
13.进一步的，所述底座上设置有转盘，支撑横梁安装在转盘上，转盘可以转动整个铁路桥车气动模拟系统。在气动模拟实验中，一般而言，改变风场的风向比较困难，通过转盘转动整个铁路桥车气动模拟系统可以达到间接改变风场风向的效果。
14.有益效果：(1)本发明的铁路桥车气动模拟系统利用第一移动组件驱动桥塔快速移动，实现了间接模拟列车在桥面高速行驶，使得铁路桥车气动模拟实验的结果更加精确。(2)本发明的铁路桥车气动模拟系统在桥体主梁两端设置补偿组件，利用翻板实现了端板的自动调整，确保翻板始终保持与风场的风向平行，简化了实验操作。(3)本发明的铁路桥车气动模拟系统配置了第二移动组件实现桥塔的低速移动，间接模拟列车在桥面低速行驶，使得模拟系统的模拟情形更加丰富。(4)本发明的铁路桥车气动模拟系统配置了转盘来旋转整个系统，使得模拟实验系统即使在固定风场内也能达到间接调整风场风向的效果。
附图说明
15.图1是实施例1铁路桥车气动模拟系统的立体图。
16.图2是实施例1铁路桥车气动模拟系统的立体图(另一个视角)。
17.图3是实施例1中第一移动组件立体图(剖切活塞筒)。
18.图4是实施例1中第一移动组件的主视图(剖切活塞筒)。
19.图5是实施例1中第二移动组件的立体图(剖切传送带)。
20.图6是实施例1中补偿组件立体图(剖切外筒和中盘)。
21.图7是实施例1中中盘的零件图。
22.图8是实施例1中补偿组件的应用状态图(剖切桥体主梁)。
23.图9是图8的局部图。
24.图10是图8的局部图(旋转翻板)。
25.图11是图8的局部图(剖切外筒和中盘)。
26.图12是图8的局部图(剖切外筒和中盘并隐藏翻板)。
27.其中：100、桥梁模型组件；110、桥体主梁；120、支撑架；130、支撑横梁；140、桥塔；200、列车模型；300、第一移动组件；310、活塞杆；320、活塞；330、活塞筒；331、塞孔；340、塞头；350、直线驱动组件；351、第一电机；352、第一齿轮；353、转轴；360、离合器；361、第二电机；362、第二齿轮；363、齿条；364、弹簧；400、底座；410、转盘；500、第二移动组件；510、传送带；520、带轮；530、连接机构；531、连接座；532、电磁铁；533、夹板；600、补偿组件；610、端板；611、缺口；620、外筒；621、环形槽；630、中盘；631、摩擦带；632、螺纹孔；640、翻板；641、螺纹轴；650、第一驱动轮；660、第二驱动轮。
具体实施方式
28.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
29.实施例1
30.如图1和图2所示，本实施例的铁路桥车气动模拟系统包括桥梁模型组件100、列车
模型200、第一移动组件300、底座400、第二移动组件500和补偿组件600。
31.桥梁模型组件100包括桥体主梁110、支撑架120、支撑横梁130和桥塔140，底座400上设置有转盘410，支撑横梁130安装在转盘410上，支撑架120安装在支撑横梁130上，桥体主梁110安装在支撑架120上，桥体主梁110的表面设置有列车轨道，列车模型200放置在列车轨道上；支撑横梁130沿着自身长度方向设置有滑轨，桥塔140的内腔中空，桥塔140安装在支撑横梁130的滑轨上，桥塔140能够沿着滑轨长度方向移动；桥体主梁110、支撑架120和列车模型200上按照气动模拟实验的设定安装传感器，用于测量桥体主梁110、支撑架120和列车模型200在风场中的各项参数。
32.如图3和图4所示，第一移动组件300包括活塞杆310、活塞320、活塞筒330、塞头340、直线驱动组件350和离合器360，活塞杆310的一端安装活塞320并插入活塞筒330，活塞筒330的有杆腔封闭，活塞筒330的无杆腔设置与塞头340匹配的塞孔331，塞头340固定在桥塔140上；直线驱动组件350包括第一电机351、第一齿轮352和转轴353，第一齿轮352安装在转轴353上，第一电机351驱动转轴353旋转，活塞杆310上设置有齿并且与第一齿轮352啮合，第一齿轮352旋转即可驱动活塞杆310水平移动；离合器360包括第二电机361、第二齿轮362、齿条363和弹簧364，弹簧364套在转轴353上并且抵住第一齿轮352的一侧，齿条363抵住第一齿轮352的另一侧，第二齿轮362与齿条363啮合，第二电机361驱动第二齿轮362旋转。当第二齿轮362驱动齿条363移动时，齿条363可以推动第一齿轮352沿着转轴353移动，使得第一齿轮352与活塞杆310分离。第一移动组件300用于驱动桥塔140沿着支撑横梁130快速移动，具体做法是，桥塔140移动至活塞筒330处，塞头340塞进活塞筒330的塞孔331中，直线驱动组件350驱动活塞杆310移动使得活塞320压缩活塞筒330有杆腔内的空气，达到蓄能的效果；然后离合器360释放活塞杆310，活塞杆310在压缩空气的作用下向着活塞筒330的无杆腔方向移动，进而使得塞头340被空气挤出，桥塔140从活塞筒330处高速弹出。
33.如图2和图5所示，第二移动组件500包括传送带510、带轮520和连接机构530，传送带510缠绕在带轮520上，连接机构530包括连接座531、电磁铁532和夹板533，连接座531固定在桥塔140上，电磁铁532固定在连接座531上，夹板533插接在连接座531上，夹板533由钢铁材料制作，夹板533与电磁铁532之间具有间隙，传送带510位于夹板533与电磁铁532之间的间隙中。第二移动组件500用于驱动桥塔140沿着支撑横梁130低速移动，具体做法是，电磁铁532通电后吸引夹板533夹住传送带510，传送带510驱动连接机构530和桥塔140沿着支撑横梁130低速移动。
34.如图1和图2所示，桥体主梁110的两端各安装一个补偿组件600。补偿组件600的结构如图6至图12所示，补偿组件600包括端板610、外筒620、中盘630、翻板640、第一驱动轮650和第二驱动轮660，外筒620竖直安装在桥体主梁110的端头，外筒620能够在桥体主梁110内自由旋转，外筒620的圆周面上设置有环形槽621，中盘630安装在环形槽621中，环形槽621的宽度大于中盘630的厚度；如图7所示，中盘630的上表面和下表面设置有摩擦带631，中盘630的中心设置有插入外筒620内部的螺纹孔632，即中盘630能够在外筒620的环形槽621中上下移动，但是中盘630无法相对外筒620旋转；端板610固定在外筒620上；翻板640的一端设置有螺纹轴641，螺纹轴641插入外筒620并且与中盘630的螺纹孔632螺纹连接，当翻板640相对于外筒620旋转时，翻板640上的螺纹轴641将导致带有螺纹孔632的中盘630向上或者向下移动；如图9和图10所示，端板610设置有与翻板640匹配的缺口611，翻板
640位于缺口611中；第一驱动轮650和第二驱动轮660分别位于中盘630的上方和下方，当中盘630与第一驱动轮650或者第二驱动轮660接触时，第一驱动轮650或者第二驱动轮660将驱动中盘630旋转且旋转方向相反。
35.补偿组件600的作用是在桥体主梁110两端提供一个与风场的风向平行的端板610，减少风场在桥体主梁110两端的断面处产生三维效应。并且，本实施例的补偿组件600具有自动调节端板610的功能，确保端板610自动旋转至与风向平行，具体原理是：
36.(1)如图9所示，补偿组件600在初始状态下，翻板640应与端板610共面且此时的中盘630在竖直方向上处于第一驱动轮650和第二驱动轮660的正中间；
37.(2)当本发明的补偿组件600处于风场时，如图10所示，翻板640首先受到风力的作用产生旋转，旋转的螺纹轴641将导致中盘630向上或者向下移动继而触碰到第一驱动轮650或者第二驱动轮660，第一驱动轮650或者第二驱动轮660将带动中盘630旋转，中盘630带动外筒620和端板610旋转，使得端板610和翻板640再次共面；
38.(3)如果翻板640依然没有达到与风向平行，那么翻板640还会继续偏转，端板610也会随后旋转至与翻板640共面；由于螺纹轴641位于翻板640的一端，因此处于风场中的翻板640将不断偏转直至与风向平行，端板610则随着翻板640也旋转至与风向平行。
39.本实施例的铁路桥车气动模拟系统主要用于铁路桥车共同进行气动模拟实验，第一移动组件300或者第二移动组件500驱动桥塔140相对列车模型200移动，用以模拟桥塔140对运行中的列车周围气动影响；转盘410则用于转动整个铁路桥车气动模拟系统，达到间接改变风场风向的效果，以便进行多风向的气动实验，补偿组件600中的端板610则配合风向改变自动旋转，始终确保端板610与风向平行，提高了整个模拟系统的便捷性和智能性。
40.虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：包括桥梁模型组件(100)、列车模型(200)、第一移动组件(300)和底座(400)；所述桥梁模型组件(100)包括桥体主梁(110)、支撑架(120)、支撑横梁(130)和桥塔(140)，所述支撑横梁(130)安装在底座(400)上，支撑架(120)安装在支撑横梁(130)上，桥体主梁(110)安装在支撑架(120)上，桥体主梁(110)的表面设置有列车轨道，列车模型(200)放置在列车轨道上；所述支撑横梁(130)上设置有滑轨，桥塔(140)安装在支撑横梁(130)的滑轨上；所述第一移动组件(300)包括活塞杆(310)、活塞(320)、活塞筒(330)、塞头(340)、直线驱动组件(350)和离合器(360)，活塞杆(310)的一端安装活塞(320)并插入活塞筒(330)，活塞筒(330)的有杆腔封闭，活塞筒(330)的无杆腔设置与塞头(340)匹配的塞孔(331)，塞头(340)固定在桥塔(140)上；直线驱动组件(350)驱动活塞杆(310)往复移动，离合器(360)实现直线驱动组件(350)与活塞杆(310)的分离和结合。2.根据权利要求1所述的铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：还包括补偿组件(600)，所述桥体主梁(110)的两端均安装补偿组件(600)，所述补偿组件(600)包括端板(610)，端板(610)安装在桥体主梁(110)的端头。3.根据权利要求2所述的铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：所述补偿组件(600)还包括外筒(620)、中盘(630)、翻板(640)、第一驱动轮(650)和第二驱动轮(660)，外筒(620)竖直安装在桥体主梁(110)的端头，外筒(620)的圆周面上设置有环形槽(621)，中盘(630)安装在环形槽(621)中，环形槽(621)的宽度大于中盘(630)的厚度，中盘(630)的中心设置有螺纹孔(632)，端板(610)固定在外筒(620)上；所述翻板(640)的一端设置有螺纹轴(641)，螺纹轴(641)插入外筒(620)并且与中盘(630)的螺纹孔(632)螺纹连接；端板(610)设置有与翻板(640)匹配的缺口(611)，翻板(640)位于缺口(611)中；第一驱动轮(650)和第二驱动轮(660)分别位于中盘(630)的上方和下方，当中盘(630)与第一驱动轮(650)或者第二驱动轮(660)接触时，第一驱动轮(650)或者第二驱动轮(660)将驱动中盘(630)旋转且旋转方向相反。4.根据权利要求3所述的铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：所述中盘(630)的上表面和下表面设置有摩擦带(631)。5.根据权利要求1所述的铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：还包括第二移动组件(500)，所述第二移动组件(500)包括传送带(510)、带轮(520)和连接机构(530)，传送带(510)缠绕在带轮(520)上，连接机构(530)安装在桥塔(140)上，桥塔(140)通过连接机构(530)与传送带(510)连接。6.根据权利要求5所述的铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：所述连接机构(530)包括连接座(531)、电磁铁(532)和夹板(533)，连接座(531)固定在桥塔(140)上，电磁铁(532)固定在连接座(531)上，夹板(533)插接在连接座(531)上，夹板(533)由钢铁材料制作，夹板(533)与电磁铁(532)之间具有间隙，传送带(510)位于夹板(533)与电磁铁(532)之间的间隙中。7.根据权利要求1所述的铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：所述直线驱动组件(350)包括第一电机(351)、第一齿轮(352)和转轴(353)，第一齿轮(352)安装在转轴(353)上，第一电机(351)驱动转轴(353)旋转，活塞杆(310)上设置有齿并且与第一齿轮(352)啮
合。8.根据权利要求7所述的铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：所述离合器(360)包括第二电机(361)、第二齿轮(362)、齿条(363)和弹簧(364)，弹簧(364)套在转轴(353)上并且抵住第一齿轮(352)的一侧，齿条(363)抵住第一齿轮(352)的另一侧，第二齿轮(362)与齿条(363)啮合，第二电机(361)驱动第二齿轮(362)旋转。9.根据权利要求1所述的铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：所述底座(400)上设置有转盘(410)，支撑横梁(130)安装在转盘(410)上。10.根据权利要求1所述的铁路桥车气动模拟系统，其特征在于：所述桥塔(140)的内腔中空。

技术总结
本发明公开了一种铁路桥车气动模拟系统，包括桥梁模型组件、列车模型、第一移动组件和底座；桥梁模型组件包括桥体主梁、支撑架、支撑横梁和桥塔，支撑横梁安装在底座上，支撑架安装在支撑横梁上，桥体主梁安装在支撑架上，桥塔安装在支撑横梁的滑轨上，第一移动组件包括活塞杆、活塞、活塞筒、塞头、直线驱动组件和离合器，活塞杆的一端安装活塞并插入活塞筒，活塞筒的有杆腔封闭，塞头固定在桥塔上；直线驱动组件驱动活塞杆往复移动，离合器实现直线驱动组件与活塞杆的分离和结合。本发明的铁路桥车气动模拟系统利用第一移动组件驱动桥塔快速移动，实现了间接模拟列车在桥面高速行驶，使得铁路桥车气动模拟实验的结果更加精确。使得铁路桥车气动模拟实验的结果更加精确。使得铁路桥车气动模拟实验的结果更加精确。


技术研发人员：谢祖育 李欢 何旭辉
受保护的技术使用者：高速铁路建造技术国家工程研究中心
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/7/19