CN102607869A - 一种高速轮轨模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

一种高速轮轨模拟实验装置，其构成是：底座的右部设有转座，转座上安有右直流电动机，该电动机轴的左端通过右升变速齿轮箱与钢轨模拟盘相连，轴的右端则连接有右光电编码器；底座的左部设有立座，立座上安有左直流电动机，该电动机轴的右端通过左升变速齿轮箱及万向联轴器与模拟车轮的轴连接，轴的左端则连接有左光电编码器；模拟车轮位于钢轨模拟盘正上方，模拟车轮的轴安装于轴承座上，轴承座依次通过三维力传感器、支架与立座上的垂向激振作动器连接，轴承座侧面与立座上的横向加载电动缸连接。该试验装置能方便地模拟出高速运动中的轮轨关系及其摩擦磨损情况，且其自动化程度高、操作简单方便、测量精度高、试验数据的重现性好。

Description

一种高速轮轨模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种高速轮轨模拟实验装置。

背景技术

随着经济的快速发展，我国铁路尤其高速铁路进入了快速发展阶段。高速铁路超越了常规铁路的技术范畴，是一项综合性强、多学科组成的系统工程。高速铁路的高速轮轨关系问题直接影响到机车牵引功率的发挥、轮轨表面损伤、列车运行稳定性、列车制动等方面，是高速铁路的关键技术之一。列车的运行是由轮轨相互作用产生的牵引和制动粘着摩擦力而实现的，车轮在轨道上高速滚动，由于车轮踏面的锥度及轨道弯道、坡道等多种因素影响，存在着不同形式的蠕滑现象，同时由于轮轨之间的牵引和制动粘着摩擦力的作用，使得轮轨之间的作用成为一种最为复杂的滚动形式，其相互作用过程是一个很复杂的摩擦学过程。

实践表明，根据现有的知识，还很难单凭理论来评估高速轮轨系统结构和性能，一般来说都需要进行大量的试验研究，以获得可靠的试验数据用以指导生产设计。线路运用试验虽然具有较高的可靠性，但其费用大、持续时间长，对正常的铁路运营影响大，同时也难以控制运用条件。室内模拟实验可以控制运用条件，也可把许多复杂的因素分别加以研究，从而获得较为精确、详尽的实验数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速轮轨模拟实验装置，该试验装置能在实验室内方便地模拟出高速运动中的轮轨关系及其摩擦磨损情况，且该装置自动化程度高、操作简单方便、测量精度高、试验数据的重现性好。从而为高速铁路轮轨的设计生产与维护提供更可靠的试验数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高速轮轨模拟实验装置，其构成是：

底座的右部设有可沿垂轴转动的转座，转座上安装有右直流电动机，右直流电动机轴的左端通过右升变速齿轮箱与钢轨模拟盘相连接；右直流电动机轴的右端连接有右光电编码器；

底座的左部设有立座，立座上安装有左直流电动机，左直流电动机轴的右端通过左升变速齿轮箱及万向联轴器与模拟车轮的轴连接，左直流电动机轴的左端连接左光电编码器；

模拟车轮位于钢轨模拟盘的正上方，模拟车轮的轴通过轴承安装于轴承座上，轴承座的上端依次通过三维力传感器、可横向移动的支架与立座上的垂向激振作动器连接，轴承座的侧面则与立座上的横向加载电动缸连接。

本发明的工作过程和原理是：

转动转座调整模拟车轮与模拟钢轨盘的冲角，以模拟出车轮转弯时的弯道曲线半径。开启左、右直流电动机分别驱动模拟车轮与模拟钢轨盘按设定转速匀速转动，由于左直流电动机是通过万向联轴器与模拟车轮相连，使得模拟车轮既能沿其轴转动，同时车轮整体又能在一定范围内沿各个方向偏移及转动，也即左直流电动机在驱动其转动的同时不妨碍其各个方向上载荷的加载。保证了垂向激振动作器可以垂向向模拟车轮加压，同时垂向激振动作器又是通过可横向移动的支架与模拟车轮相连，使得横向加载电动缸能够从轴承座的侧面向模拟车轮施加横向压力。

启动垂向激振动作器，使支架、轴承座及模拟车轮向下移动，模拟车轮接触到钢轨模拟盘；然后，按试验要求通过垂向激振动作器向模拟车轮施加设定的垂向力和垂向激振频率，模拟列车运行时因车体重量向车轮施加的垂向力，即因轨道纵向不平顺产生的车轮垂向振动；同时，启动横向加载电动缸，向模拟车轮施加横向作用力，模拟车辆拐弯时产生的离心力等横向作用力，从而可完整的实现各种工况下的高速轮轨接触行为的模拟。实验过程中，通过三维力传感器采集并传送模拟轮轨受到的垂向力、横向力、切向力(摩擦力)。实验完成后，通过对采集到数据的处理可分析不同工况下的轮轨接触行为，如垂向力、横向力、切向力之间的变化关系；并可对模拟车轮和钢轨模拟盘的表面摩擦磨损情况进行进一步的观察与分析测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、模拟车轮和钢轨模拟盘分别通过左、右升变速齿轮箱与左、右直流电动机相连接，可模拟出高速轮轨间的相对运动速度，其轮轨间的相对线速度最高可达到400km/h，能满足高速轮轨关系试验的要求。

二、左直流电动机通过万向联轴器与模拟车轮相连，使得模拟车轮既能沿其轴转动，同时车轮整体又能在一定范围内沿各个方向偏移及转动。加之垂向激振作动器又是通过可横向移动的支架与模拟车轮相连，从而能够通过垂向激振作动器和横向加载电动缸对模拟车轮进行垂向力和垂向振动加载及横向力的加载。从而在实验室里能较真实地模拟出各种工况下的高速轮轨关系行为。试验机最大垂向力加载达15kN，最大横向力达5kN，最大频率可到20Hz，能满足高速列车多种轮轨接触行为的实验研究。

三、该实验装置转座能在底座平台上沿垂轴转动，从而使模拟车轮与轮盘之间形成一定冲角，从而能实现多种曲线轮轨关系的模拟。

四、左、右直流电动机轴端均连接有光电编码器，从而可对直流电动机的转速进行精确测量并反馈控制，模拟车轮和钢轨模拟盘的转速精确，使得测量数据与结果更加精确、可靠。

上述的底座位于钢轨模拟盘正前方的部位，设置有手动切削机床。

这样，当钢轨模拟盘发生磨损后，可以方便的通过手动切削机床的切削机构对轨盘的表面进行切削修复，修复后即可进行新的模拟实验，一个轨盘可进行多次试验，降低了试验成本。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

附图说明

图1是本发明实施例的主视结构示意图(去掉了前方的手动切削机床)。

图2是本发明实施例的手动切削机床和钢轨模拟盘的俯视结构示意图。

图3是本发明实施例过程中垂向力、摩擦系数、模拟车轮表面损伤SEM微观测量结果。其中图(a)和(b)中横轴为钢轨模拟盘循环次数，纵轴分别为垂向力和摩擦系数。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种高速轮轨模拟实验装置，其构成是：

底座18的右部设有可沿垂轴转动的转座29，转座29上安装有右直流电动机4，右直流电动机4轴的左端通过右升变速齿轮箱5与钢轨模拟盘6相连接；右直流电动机4轴的右端连接有右光电编码器32；

底座18的左部设有立座19，立座19上安装有左直流电动机1，左直流电动机1轴的右端通过左升变速齿轮箱2及万向联轴器11与模拟车轮3的轴连接，左直流电动机1轴的左端连接左光电编码器31；

模拟车轮3位于钢轨模拟盘6的正上方，模拟车轮3的轴通过轴承安装于轴承座3A上，轴承座3A的上端依次通过三维力传感器25、可横向移动的支架10与立座19上的垂向激振作动器17连接，轴承座3A的侧面则与立座19上的横向加载电动缸13连接。

图2示出，本实施例的底座18位于钢轨模拟盘6正前方的部位，设置有手动切削机床30。

本发明实施时，模拟车轮3和钢轨模拟盘6分别由真实的车轮钢和钢轨钢制造而成，这样能更真实的模拟再现高速轮轨材料的损伤特性。

本发明的转座29的转动结构可以是各种现有的转动机构，如：在转座20的底部设置与底座18的垂轴配合的轴孔；同时在底座18上设有穿过转座29弧形槽的定位螺杆，定位螺杆上端设置拧紧螺母。

本发明的可横向移动的支架10的横向移动机构可以是各种现有的移动机构，如：支架10由上、下两层构成，上层的底部设有与下层上部的滑槽配合的滑块。

图3为采用本例的装置进行的一次高速轮轨实验测量的结果。由图(a)、(b)可见，该实验过程中测出的垂向力基本稳定，其值约为170N，测量得到的摩擦系数(切向力与垂向力之比)随钢轨模拟盘循环次数变化呈现先降低后稳定的趋势，其值约为0.39；实验后对模拟车轮表面损伤进行了SEM微观分析，如图(c)所示，结果表明：模拟车轮表面出现了较为明显的剥离损伤痕迹。

Claims (2)

1.一种高速轮轨模拟实验装置，其构成是：

底座(18)的右部设有可沿垂轴转动的转座(29)，转座(29)上安装有右直流电动机(4)，右直流电动机(4)轴的左端通过右升变速齿轮箱(5)与钢轨模拟盘(6)相连接；右直流电动机(4)轴的右端连接有右光电编码器(32)；

底座(18)的左部设有立座(19)，立座(19)上安装有左直流电动机(1)，左直流电动机(1)轴的右端通过左升变速齿轮箱(2)及万向联轴器(11)与模拟车轮(3)的轴连接，左直流电动机(1)轴的左端连接左光电编码器(31)；

模拟车轮(3)位于钢轨模拟盘(6)的正上方，模拟车轮(3)的轴通过轴承安装于轴承座(3A)上，轴承座(3A)的上端依次通过三维力传感器(25)、可横向移动的支架(10)与立座(19)上的垂向激振作动器(17)连接，轴承座(3A)的侧面则与立座(19)上的横向加载电动缸(13)连接。

2.根据权利要求1所述的一种高速轮轨模拟实验装置，其特征在于：所述的底座(18)位于钢轨模拟盘(6)正前方的部位，设置有手动切削机床(30)。

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