CN104634685A - 高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置，由轮轨滚动磨损试验台架及其辅助系统构成。低温腔风沙环境腔(4)通过送沙管(16)与风沙模拟控制机组相通；所述低温腔风沙环境腔(4)是由铜合金制成的双层腔体，具有上、下两部分，即上腔体(401)和下腔体(402)；冷媒联接管(501)连接在上腔体(401)和下腔体(402)；上冷媒管(5)将低温腔体机组制得的制冷剂输入到上腔体(401)，下冷媒管(6)将下腔体(402)的冷媒输送回低温腔体机组。本发明装置能模拟高寒风沙环境，从而能准确、可靠的分析出温度、风沙条件、施加的载荷、试件的转速、滑差、冲角、摩擦扭矩、实验时间、实验后的形态等因素间的相互作用关系，并为研究轮轨磨损机制和减轻磨损的措施提供可靠的实验数据。

Description

高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置，特别是能够实现高寒地区低温环境下铁路运输系统轮轨材料滚动磨损情况模拟。

背景技术

铁路运输具有安全、速度快、运量大、能源消耗低等优点。作为重要的基础设施、经济发展的大动脉和大众化的运输工具，在现有运输体系中，铁路发挥着日益重要的作用，已成为运输行业和经济建设的中流砥柱。轮轨摩擦副是铁路运输工具的关键部件，列车的运行、牵引和制动都需要轮轨的作用才能实现。而且，轮轨摩擦副对于列车运行的安全性、舒适性以及维修性能具有关键的作用。

随着我国气候环境的逐步恶化，极端环境对高速铁路的快速发展带来日益显著的影响。尤其是中国西北地区的高寒地域，极端的低温及风沙工况迫使轮轨在极端环境条件下服役。北方大部分铁路在行驶过程中都要受到极端低温气候的影响，如全长1956公里的青藏铁路及世界首条穿越高寒地区的哈大高铁服役环境最低温度可达-45℃，同时，隶属中亚沙尘暴区的中国内蒙古中西部地区正处于沙尘暴高活动区的中心地段，强沙尘暴在每年冬、春和夏初受气候影响更为严重，这对该地区的铁路钢轨等基础设施的安全耐久性影响较为显著。轮轨材料在极端温度及风沙环境下受到的损伤及产生的断裂疲劳与一般情况下的损伤及断裂疲劳不同，由于极端环境在形成宏观裂纹前就已造成材料在强度、韧性等方面的劣化，从而对轮轨材料服役行为造成较大影响。然而，目前对于轮轨材料在极端温度环境下的摩擦磨损及损伤机制研究尚未开展。因此，为了保证轮轨系统的安全服役性能，开展极端温度及风沙环境下的轮轨材料摩擦磨损及损伤性能研究显得十分必要和急迫，同时，低温及风沙环境下的轮轨磨损机制以及预防措施的研究对于高寒地区铁路建设具有重要意义。

轮轨磨损机理十分复杂，其涉及摩擦学、材料学、力学等诸多领域，凭借现有知识，对其进行理论仿真难度较大。现场实验虽可靠性较高，但其费用大，耗用时间长，特别是对于极端高寒环境工况的研究，很难在线路现场对轮轨磨损系统进行人为的温度、风沙环境控制。而室内模拟实验，可以方便地控制影响轮轨摩擦的各个因素，比如轴重、转速、滑差、线路曲线半径、以及在现场中难以人为控制的环境条件——温度、风沙等。针对高速铁路所面临的极端环境工况，根据现场温度及风沙环境的数据，开展高寒风沙环境工况下轮轨滚动磨损试验设备设计和研究，通过相关设备结构设计，实现相关设备的加工与组装调试，并实现轮轨材料摩擦磨损试验研究，不仅有助于科研工作者研究极端环境工况下轮轨磨损行为及伤损形成，更有助于科研工作者进行进一步机理形成及预防措施的提出，而且研究结果能对高速铁路的安全运行提供指导作用及保障措施。就中国目前高铁走出去的伟大目标而言，该项发明的研究具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置，该实验装置能在实验室内方便地模拟出现场列车运行时轮轨的相互作用，能够用来研究模拟高寒地区的低温环境下轮轨磨损机制及疲劳特性，通过调节各项参数研究实现有效的预防措施，从而提高轮轨使用寿命、列车运行的安全性、舒适性以及维修性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置，由轮轨滚动磨损试验台架及其辅助系统构成，其特征在于，在轮轨滚动磨损试验台上设置；所述低温腔风沙环境腔为圆筒状构造，低温腔风沙环境腔4通过送沙管16与风沙模拟控制机组相通；所述风沙模拟控制机组的构成为：空气压缩机20通过风速调节阀19与出风管18一管口相连，同时在供沙容器21处，出风管18另一管口依次与下沙量调节阀17及送沙管16一管口相连，而送沙管16另一管口则对准试样接触位置；所述低温腔风沙环境腔4是由铜合金制成的双层腔体，具有上、下两部分，即上腔体401和下腔体402，冷媒联接管501连接在上腔体401和下腔体402；上冷媒管5将低温腔体机组制得的制冷剂输入到上腔体401，下冷媒管6将下腔体402的冷媒输送回低温腔体机组；在上低温腔外侧贴有连接到制冷系统控制器的温度传感器。

低温控制箱机组的上低温腔和下低温腔都是由铜合金制成的双层腔体，经过腔体端面处矩形缺口实现轮轨试样在腔体内无阻碍接触，制冷剂在腔体的两层铜壁内流动，这便于热的传导，可快速降低上、下低温腔内的温度；制冷剂在由铜管、上低温腔、铜管、下低温腔和铜管串联连接的通路内流动；在上低温腔内侧贴有温度传感器，以便制冷系统控制器实时检测、控制上、下低温腔温度。低温控制箱采用双压缩机机组及制冷系统，使得上、下低温腔能够达到常温至-60℃的无级调温，温度波动值可控制在±2.5℃内。

本发明的工作过程和原理是：

本发明作为辅助配件与现有轮轨磨损模拟实验台配合使用。实验时，先根据不同滑差要求选择安装相应齿轮对；根据不同的冲角要求，调节旋转台及固定盘的角度，并通过螺母将旋转台及固定盘固定在底座上；在车轮试样安装处通过螺母安装固定好车轮试样，在钢轨试样安装处通过螺母安装固定好钢轨试样；

低温试验中需安装好上、下低温腔，并在上、下低温腔外包裹好保温材料；

而风沙试验中调整好送沙管口位置，同时做好试验台的防沙措施；

启动计算机、闭合实验台总电源，输入试件转速和实验时间、手动设定加载力；

同时，低温试验中启动制冷机组，制冷剂通过低温控制箱机组和铜管、上低温腔、下低温腔来调节温度，使低温腔内温度达到设定温度；风沙试验中启动空气压缩机，设定好风速及下沙量参数；

实验结束后，伺服电机根据设定转动时间自动停机，保存计算机实验数据，关闭制冷系统至常温，关闭实验台电源和计算机。

通过实验数据的处理，可分析不同工况下轮轨的相互作用行为，如实验温度、风沙颗粒大小、风速、滑差、冲角、加载力、转速与磨损率的变化关系；并可对钢轨和车轮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：

本发明装置能模拟对高寒风沙环境，从而能准确、可靠的分析出温度、风沙条件、施加的载荷、试件的转速、滑差、冲角、摩擦扭矩、实验时间、实验后的形态等因素间的相互作用关系，进而能模拟现场铁路轮轨作用，并为研究轮轨磨损机制和减轻磨损的措施提供可靠的实验数据。

上述的风沙模拟控制机组通过简单的风吹沙砾原理，设计了5m/s～40m/s的风速范围、0～20g/s的下沙量范围设定的机械结构，良好的实现了风沙气候环境的模拟。

上述的采用伺服电机驱动车轮和钢轨试样，这便于车轮和钢轨试样转速的调节并保持稳定的转动，其转速调节范围可达到0～1000r/min内的无级变速。

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是图1的局部放大图。

图3是图2的B-B剖面图。

图4是用本发明实施例的装置进行的一次低温滚动磨损实验和一次常温滚动磨损实验中测出的摩擦系数与时间的关系曲线；

图5是本发明实施例低温实验后的轮、轨试件的表面微观形貌图。

具体实施方式

实施例

图1-3示出，本发明的一种具体实施方式为：

高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置，其构成是：

1为WR-1轮轨滚动磨损试验机，低温腔风沙环境腔8罩在试验机轮轨滚动磨损台上，低温腔风沙环境腔8通过送沙管16与风沙模拟控制机组相通；所述风沙模拟控制机组的构成为：空气压缩机20通过风速调节阀19与出风管18一管口相连，同时在供沙容器17处，出风管18另一管口依次与下沙量调节阀17及送沙管16一管口相连，而送沙管16另一管口则对准试样接触位置；所述低温腔风沙环境腔8是由铜合金制成的双层腔体，具有上、下两部分，即上腔体401和下腔体402，冷媒联接管501连接在上腔体401和下腔体402；上冷媒管5将低温腔体机组制得的制冷剂输入到上腔体401，下冷媒管6将下腔体402的冷媒输送回低温腔体机组；在上低温腔外侧贴有连接到制冷系统控制器的温度传感器。

低温控制箱机组：制冷压缩机7、辅助制冷压缩机9均连接制冷蒸发器15，同时制冷蒸发器依次与储液罐14、干燥过滤器13、管道视液镜12、制冷膨胀阀11、钎板式换热器8连接，钎板式换热器8一方面连接制冷压缩机7，另一方面经由油分离器10与辅助制冷压缩机9相连，同时油分离器10又与制冷蒸发器15相连。低温控制箱机组均通过铜管完成连接，制冷压缩机9、钎板式换热器8分别经铜管与上冷媒管5、下冷媒管6相连。低温腔风沙环境腔8是由铜合金制成的双层腔体，具有上、下两部分，即上腔体401和下腔体402，冷媒联接管501连接在上腔体401和下腔体402；上冷媒管5将低温腔体机组制得的制冷剂输入到上腔体401，下冷媒管6将下腔体402的冷媒输送回低温腔体机组；在上低温腔外侧贴有连接到制冷系统控制器的温度传感器。

风沙模拟控制机组：空气压缩机20经由风速调节阀19与出风管18相连，同时在供沙容器21处，出风管18依次与下沙量调节阀17、送沙管16相连。

本例的上、下低温腔都是由铜合金制成的双层腔体，制冷剂在腔体的两层铜壁内流动；上、下低温腔加工有矩形方槽，能够实现轮轨试样在腔内无阻碍接触并运转；在上低温腔外侧贴有温度传感器，并连接制冷系统控制器。

本例的风速调节阀可通过调整空气压缩机气压的大小，实现风速的无极调控，同时下沙量调节阀在供沙容器内的相对位置可实现下沙量的无极调控。

本例的轮轨滚动磨损试验机组动力装置采用伺服电机，低温控制箱机组采用双制冷压缩机。

高寒低温环境轮轨滚动磨损模拟实验

采用本例的装置进行了高寒低温环境轮轨滚动磨损模拟实验，其结果如下：

钢轨试样的具体尺寸为40mm×16mm×10mm(外径×内径×厚度)，通过螺母将钢轨试样固定安装在钢轨轴上；车轮试样的具体尺寸为40mm×16mm×10mm(外径×内径×厚度)，且其外径在轴向方向成半径为14mm的圆弧曲线，通过螺母将车轮试样固定安装在车轮轴上。

图2为采用本例的装置进行的一次低温滚动磨损实验和一次常温滚动磨损实验中测出的摩擦系数与时间的关系曲线；由图4可见，温度对轮轨滚动摩擦系数有显著的影响，常温下轮轨滚动摩擦系数大约为0.3左右，-50℃低温下轮轨滚动摩擦系数增至为0.48左右。实验后对钢轨试样和车轮试样进行了微观分析，图5是实验后的钢轨试样和车轮试样的微观形貌图。图5表明：其表面存在有明显的犁沟作用痕迹，这主要是轮轨试样间磨粒的犁削作用造成的。

Claims (3)

1.高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置，由轮轨滚动磨损试验台架及其辅助系统构成，其特征在于，在轮轨滚动磨损试验台上设置；所述低温腔风沙环境腔为圆筒状构造，低温腔风沙环境腔(4)通过送沙管(16)与风沙模拟控制机组相通；所述风沙模拟控制机组的构成为：空气压缩机(20)通过风速调节阀(19)与出风管(18)一管口相连，同时在供沙容器(21)处，出风管(18)另一管口依次与下沙量调节阀(17)及送沙管(16)一管口相连，而送沙管(16)另一管口则对准试样接触位置；所述低温腔风沙环境腔(4)是由铜合金制成的双层腔体，具有上、下两部分，即上腔体(401)和下腔体(402)，冷媒联接管(501)连接在上腔体(401)和下腔体(402)；上冷媒管(5)将低温腔体机组制得的制冷剂输入到上腔体(401)，下冷媒管(6)将下腔体(402)的冷媒输送回低温腔体机组；在上低温腔外侧贴有连接到制冷系统控制器的温度传感器。

2.根据权利要求1所述的高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置，其特征在于：通过调节风速调节阀(19)为无极调控。

3.根据权利要求1所述的高寒风沙环境轮轨磨损模拟实验装置，其特征在于：轮轨滚动磨损试验台动力装置采用伺服电机，低温控制箱机组采用双制冷压缩机。