CN103196822B - 一种钢轨打磨实验装置 - Google Patents

Abstract

一种钢轨打磨实验装置，其构成是：底座上从左至右依次安装有直流变频电动机、扭矩传感器、同轴的两个滚动轴承和气缸；直流变频电动机轴依次通过第一联轴器、扭矩传感器、第二联轴器与两个滚动轴承轴的左端连接，两个滚动轴承轴的右端固定连接磨石安装盘；磨石安装盘的右盘面通过螺钉安装有磨石；气缸内部的活塞通过向心球轴承连接移动杆的右端，移动杆的左端固定连接钢轨安装盘，钢轨安装盘的左盘面通过螺钉安装有钢轨试样；移动杆的左部与竖杆的上端固定连接，竖杆的下端滑动连接于底座的横梁上；气缸与气压装置相连。该实验装置能方便地模拟出磨石与钢轨之间的相互作用行为，能为高速重载铁路钢轨的现场打磨设计与操作提供可靠的实验数据。

Description

一种钢轨打磨实验装置

技术领域

本发明涉及一种钢轨打磨实验装置。

背景技术

钢轨打磨是通过砂轮磨削清除轨头表面金属的过程，起源于上世纪五六十年代。由于钢轨打磨技术对铁路线路维护和保证铁路运输起着重要的作用，发展至今钢轨打磨已成为世界范围内高速重载铁路线路的一种常规的养护维修技术。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。在现代的工务养护中，针对钢轨表面病害通过钢轨打磨进行廓面的养护，成为高速铁路线路养护维修工作中一个必不可少的环节。采用较好的钢轨打磨技术可以有效控制钢轨表面疲劳的扩展，保持钢轨表面的平顺度，避免增大轮轨动态接触力，减少由转向架曲线通过时引起的轮轨横向力，防止直线轨道的蛇形运动对钢轨的冲击，减少轮轨之间的冲击和磨耗，有效地延长钢轨的使用寿命。此外，钢轨打磨也可保证列车运行的安全性、平稳性和舒适性，直接降低铁路运行的经济成本。

我国正处在高铁运营及维护的经验积累阶段，而高速铁路打磨技术同样也处于摸索阶段，没有较为成熟的打磨标准指导现有的高速铁路如何进行钢轨打磨，比如何时打磨、怎么打磨、合理选择磨石等问题。针对运营过程中出现的种种轮轨接触表面损伤，缺乏深刻的机理认识和有效的打磨维修措施。此外，钢轨打磨过程中，磨石与钢轨之间存在复杂的摩擦学行为，钢轨打磨的表面质量、打磨效率、打磨量等与打磨参数、磨石的类型存在着密切的关系。

实践表明，根据现有的知识，还很难单凭理论仿真计算来评估钢轨打磨中磨石与钢轨的相互作用行为，一般来说需要进行大量的打磨试验研究，以获得可靠的实验数据用以指导现场钢轨打磨设计。现场钢轨打磨实验虽可靠性较高，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钢轨打磨实验装置，该实验装置能在实验室内方便地模拟出打磨过程中磨石与钢轨之间的相互作用行为，能为高速重载铁路钢轨的现场打磨设计与操作提供可靠的实验数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种钢轨打磨实验装置，其构成是：底座上从左至右依次安装有直流变频电动机、扭矩传感器、同轴的两个滚动轴承和气缸；

直流变频电动机轴通过第一联轴器与扭矩传感器左端相连接，扭矩传感器右端通过第二联轴器与两个滚动轴承轴的左端连接，两个滚动轴承轴的右端固定连接磨石安装盘；磨石安装盘的右盘面通过螺钉安装有磨石；

气缸内部的活塞通过向心球轴承连接移动杆的右端，移动杆的左端固定连接钢轨安装盘，钢轨安装盘的左盘面通过螺钉安装有钢轨试样；移动杆的左部与竖杆的上端固定连接，竖杆的下端滑动连接于横梁上，横梁固定在底座上；

气缸的进气口和排气口分别通过进气管、排气管与电磁气阀的进气阀和排气阀连接；电磁气阀的进气阀通过气管依次与空气减压阀、过滤器和压缩空气气瓶相连。

本发明的工作过程和原理是：

在磨石安装盘上通过螺钉安装固定好选定的磨石试样、并在钢轨安装盘上通过螺钉安装固定好材料与钢轨完全相同的钢轨试样。

开启直流变频电动机，直流变频电动机依次通过第一联轴器、扭矩传感器、第二联轴器、两个滚动轴承的轴、驱动磨石安装盘及其上的磨石，按设定转速均匀转动；

同时，打开压缩空气瓶上的开关阀，压缩空气通过过滤器进入空气减压阀上，调节空气减压阀上的调节手柄到合适的压力值，然后开启电磁气阀上的进气阀，关闭电磁气阀上的出气阀，使压缩空气按设定的压力进入气缸内，在压缩空气作用下活塞沿缸体向左移动并带动移动杆、钢轨安装盘及其上的钢轨试样向右移动，使钢轨试样的右侧表面与磨石表面产生接触，由于压缩空气通过空气减压阀保持恒定压力，从而使钢轨试样与磨石之间的接触压力恒定。

在恒定压力接触的同时，磨石在直流变频电动机的驱动下以设定转速均匀转动；而由于移动杆的左部与竖杆的上端固定连接，竖杆的下端滑动连接于底座的横梁上，因此移动杆及与其相连的钢轨安装盘和钢轨试样只能横向移动，而不能转动，从而磨石与钢轨试样间发生恒定压力、设定转速的相对转动以模拟钢轨的打磨过程。实验过程中，通过扭矩传感器采集转动摩擦扭矩。

实验完成后，关闭直流变频电动机和压缩空气瓶上的开关阀，开启电磁气阀的排气阀，整个装置即处于停机、待用状态。

通过实验数据的处理，可分析不同工况下磨石与钢轨的相互作用行为，如施加的载荷(压力)、磨石转速、打磨时间与摩擦扭矩的变化关系；并可对磨石和钢轨试样的表面状态进行进一步的观察与微观测试分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、采用直流变频电动机驱动磨石安装盘转动，这便于磨石转速的调节并保持恒定的转速，其转速调节范围0～4500r/min，压缩空气通过空气减压阀保持恒定压力，从而使钢轨试样与磨石之间的接触压力、相对转速恒定，能准确、方便的模拟出打磨过程中磨石与钢轨之间的相互作用行为。

二、磨石安装盘和钢轨安装盘分别通过螺钉固定安装磨石和钢轨试样，这使得磨石和钢轨试样的安装、拆卸、更换十分方便，且能保证实验过程中磨石和钢轨试样的可靠接触。

三、在实验过程中能同时准确的记录与测试施加的载荷、磨石的转速、摩擦扭矩和打磨时间，并可对磨石和钢轨试样的表面状态进行进一步的观察与微观测试分析。从而能准确、可靠的分析出磨石种类、施加的载荷、磨石的转速、摩擦扭矩、打磨时间、打磨后的形态等因素间的相互作用关系，进而能为高速重载铁路钢轨的现场打磨设计与操作提供可靠的实验数据。

上述的同轴的两个滚动轴承均为单列向心推力球轴承，且两个滚动轴承的安装方向相反。

这使轴承能承受轴向和径向两个方向的载荷联合作用，承载性能好，能承受现场钢轨打磨要求的大载荷。

上述的同轴的钢轨安装盘上安装的钢轨试样为两个，两个钢轨试样在钢轨安装盘均匀分布。

钢轨安装盘上对称安装两块相同的钢轨试样，这保证了在实验过程中磨石受到均匀轴向载荷作用，实验结束后也可对两块钢轨试样进行对比分析，保证实验结果的可靠性。

上述的钢轨试样的右侧面设有传感器孔，在该传感器孔内焊接固定有热电偶传感器。

在钢轨试样的非接触面上的传感器孔内焊接安装的热电偶传感器，能准确测量记录打磨实验过程中钢轨温度的变化情况，能对实验结果进行更进一步的全面分析。

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是本发明实施例的结构示意图。

图2是用本发明实施例的装置进行的一次钢轨打磨实验中测出的摩擦扭矩与时间的关系曲线。

图3是图2实验后的钢轨试样的打磨表面微观形貌图。

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：一种钢轨打磨实验装置，其构成是：

一种钢轨打磨实验装置，其构成是：

底座1上从左至右依次安装有直流变频电动机2、扭矩传感器4、同轴的两个滚动轴承6和气缸8；

直流变频电动机2轴通过第一联轴器3与扭矩传感器4左端相连接，扭矩传感器4右端通过第二联轴器5与两个滚动轴承6轴的左端连接，两个滚动轴承6轴的右端固定连接磨石安装盘7；磨石安装盘7的右盘面通过螺钉安装有磨石；

气缸8内部的活塞9通过向心球轴承23连接移动杆10的右端，移动杆10的左端固定连接钢轨安装盘18，钢轨安装盘18的左盘面通过螺钉安装有钢轨试样22；移动杆10的左部与竖杆11的上端固定连接，竖杆11的下端滑动连接于横梁25上，横梁25固定在底座1上；

气缸8的进气口8a和排气口8b分别通过进气管12a、排气管12b与电磁气阀13的进气阀和排气阀连接；电磁气阀13的进气阀通过气管依次与空气减压阀14、过滤器15和压缩空气气瓶17相连。

本例的同轴的两个滚动轴承6均为单列向心推力球轴承，且两个滚动轴承6的安装方向相反。

本例的同轴的钢轨安装盘11上安装的钢轨试样22为两个，两个钢轨试样22在钢轨安装盘11均匀分布。

本例的钢轨试样22的右侧面设有传感器孔，在该传感器孔内焊接固定有热电偶传感器。

钢轨打磨实验

采用本例的装置进行了钢轨打磨实验，其结果如下：

磨石21的具体尺寸为150mm×40mm×55mm(外径×内径×厚度)，在磨石非接触面(左侧表面)沿圆周均匀分布有螺纹孔，通过该螺纹孔及螺钉将磨石21固定安装在磨石安装盘7上；钢轨试样22的具体尺寸为80mm×30mm×30mm(长×宽×高)，两个钢轨试样22通过螺钉均匀安装在钢轨安装盘11上。

图2为采用本例的装置进行的一次钢轨打磨实验中测出的摩擦扭矩与时间的关系曲线；由图2可见，该实验过程中测出的摩擦扭矩基本稳定，其平均值约为6.16N.m。实验后对钢轨试样打磨表面损伤进行了微观分析，图3是实验后的钢轨试样的打磨表面微观形貌图。图3表明：钢轨试样的表面粗糙度约为15.6μm，其表面存在有明显的犁沟作用痕迹，这主要是钢轨与磨石之间的滑动磨损造成。

Claims (4)

1.一种钢轨打磨实验装置，包括直流变频电动机和气缸，其特征在于：

底座(1)上从左至右依次安装有直流变频电动机(2)、扭矩传感器(4)、同轴的两个滚动轴承(6)和气缸(8)；

直流变频电动机(2)轴通过第一联轴器(3)与扭矩传感器(4)左端相连接，扭矩传感器(4)右端通过第二联轴器(5)与两个滚动轴承(6)轴的左端连接，两个滚动轴承(6)轴的右端固定连接磨石安装盘(7)；磨石安装盘(7)的右盘面通过螺钉安装有磨石(21)；

气缸(8)内部的活塞(9)通过向心球轴承(23)连接移动杆(10)的右端，移动杆(10)的左端固定连接钢轨安装盘(18)，钢轨安装盘(18)的左盘面通过螺钉安装有钢轨试样(22)；移动杆(10)的左部与竖杆(11)的上端固定连接，竖杆(11)的下端滑动连接于横梁(25)上，横梁(25)固定在底座(1)上；

气缸(8)的进气口(8a)和排气口(8b)分别通过进气管(12a)、排气管(12b)与电磁气阀(13)的进气阀和排气阀连接；电磁气阀(13)的进气阀通过气管依次与空气减压阀(14)、过滤器(15)和压缩空气气瓶(17)相连。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨打磨实验装置，其特征在于：所述的同轴的两个滚动轴承(6)均为单列向心推力球轴承，且两个滚动轴承(6)的安装方向相反。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨打磨实验装置，其特征在于：所述的同轴的钢轨安装盘(11)上安装的钢轨试样(22)为两个，两个钢轨试样(22)在钢轨安装盘(11)均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种钢轨打磨实验装置，其特征在于：所述的钢轨试样(22)的右侧面设有传感器孔，在该传感器孔内焊接固定有热电偶传感器。