CN105806576B - 一种轮轨关系模拟疲劳实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮轨关系模拟疲劳实验装置及方法，该装置包括设置在水平面上的基础平台，固定安装在基础平台上的加载框架上方滑动连接有荷载箱，所述基础平台上安装有电机，电机作为驱动轮带动曲柄旋转，曲柄与传动机构连接，传动机构带动模拟车轮在钢轨试件上水平往复运动，所述模拟车轮通过载荷连杆与所述荷载箱连接，模拟车轮的水平往复运动又会通过载荷连杆带动荷载箱上下往复运动，从而对放置在模拟车轮下方的钢轨试件施加动荷载。本发明克服现有技术中成本高、维护费用大和花费时间长的缺陷，具有成本低、维护费用小和花费时间短等优点。

Description

一种轮轨关系模拟疲劳实验装置及方法

技术领域

本发明涉及铁路领域的一种室内试验装置，具体地，涉及一种运用曲柄连杆机构的轮轨关系模拟疲劳实验装置及方法。

背景技术

轮轨接触问题是轨道交通系统中的一个重要问题。钢轨作为轮轨系统的重要组成部分，是发展铁路运输的基础。近年来，随着铁路的高速化和重载化，钢轨疲劳裂纹扩展、波浪形磨耗、剥离掉块、压溃以及断裂等轮轨摩擦损伤问题日益严重，大大增加了线路的运行和维护成本，严重影响列车运行的安全性和舒适性，造成了巨大的人力和物力损失。因此，研究轮轨接触对钢轨疲劳伤损影响对减缓钢轨损伤，延长其使用寿命具有重要的现实和经济意义。

由于轮轨损伤是多种因素共同作用的结果，其损伤机理非常复杂，数值分析方法难以实现对复杂工况下轮轨损伤准确的定量分析。因此，为了更好地研究轮轨摩擦接触关系，揭示轮轨损伤的发展机理，进行试验研究是非常必要且可行的方法。目前，轮轨接触关系的试验研究主要有线路实验(实测)、台架实验和试样试验三种。线路试验是在现场条件下进行摩擦磨损试验，虽然更接近实际情况，但需要多个测量点保证测量的精确度，受偶然因素影响大，不易单独分析单一因素对轮轨接触的影响，可比性差，因此使用不广泛。台架试验是将实际使用的轮轨部件装在专用的试验机上进行实验，比较接近实际，实验数据可靠性较高，是一种能真实反映轮轨系统运动形式的实验，但费用非常昂贵。试样实验是将摩擦副材料按一定比例缩小尺寸制成结构形状比较简单的试样进行实验，实验中的轮轨接触要与实际的接触情况满足相似准则，因此实验结果能反应实际工况，该方法便于单独测试各个因素对轮轨接触的影响，有利于揭示轮轨摩擦损伤的形成机理，实验可重复进行，经济方便，在轮轨摩擦磨损实验中较常用。

目前，国内外具有代表性的轮轨模拟试验机主要有美国的IIT-GMEMD轮轨模拟试验机、日本轮轨实物环形疲劳试验台、德国慕尼黑机车车辆整车滚振试验台、全尺寸单轮轨滚动接触疲劳试验台、西南交通大学的JD-1型和JD-2型轮轨模拟实验机等。

JD-1型轮轨模拟实验机与IIT GMEMD轮轨模拟试验机原理相似，采用一个按一定比例制作的车轮模拟实际的车轮，采用一个轨道轮来模拟钢轨，轨道轮和车轮分别由电机驱动，采用专门的加载装置在车轮上施加垂向和横向载荷，并可以模拟实际运行，对车轮施加激振，配置专门的传感器测试轮轨之间的载荷并反馈到控制台。这两种实验机的不足之处是车轮和钢轨均用轮子模拟，不能很好的模拟车轮和钢轨的实际接触关系。JD-2型实验机与JD-1型实验机的原理相同。

日本轮轨实物环形疲劳试验台能在不同轮轨条件下，进行轮轨实物疲劳伤损和磨耗机理的综合试验研究，但车轮滚动过程中钢轨承受的垂向荷载是恒定的，不能真实模拟列车运行过程中钢轨受到的垂向振动作用。

全尺寸单轮轨滚动接触疲劳试验台的工作原理是：电机通过曲轴带动滑动平台做往返运动，钢轨放置在滑动平台上，用按一定比例制作的车轮模拟实际车轮，轴动器施加荷载到滑动支架上，此试验装置可模拟轮轨滚动接触疲劳现象。该试验台是通过钢轨的往返运动来模拟轮轨间的接触，钢轨在运动过程中具有不断变化的速度和加速度，这与实际轮轨接触的边界条件不符。

德国慕尼黑机车车辆整车滚振试验台是在目前所建成的试验台中，滚轮运动功能最强的试验台。滚轮的动态位移有上下、左右、倾斜、旋转4个自由度，并采用了液压伺服激振控制，能准确模拟线路状态，实现整车线路运行的动态模拟。该试验台的造价和维护费用非常昂贵。

通过以上几种轮轨关系试验台可以看出，传统的轮轨关系试验台主要采用静力加载方式，与实际的钢轨受力情况相比仍有差距，且存在成本高、维护费用大和花费时间长等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种运用曲柄连杆机构的新型轮轨关系模拟疲劳实验装置及方法，以实现成本低、维护费用小和花费时间短的优点。

本发明的第二目的在于，提出一种模拟钢轨垂向振动的动力疲劳加载实验方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种轮轨关系模拟疲劳实验装置，该装置包括设置在水平面上的基础平台，固定安装在基础平台上的加载框架上方滑动连接有荷载箱，所述基础平台上安装有电机，电机作为驱动轮带动曲柄旋转，曲柄与传动机构连接，传动机构带动模拟车轮在钢轨试件上水平往复运动，所述模拟车轮通过载荷连杆与所述荷载箱连接，模拟车轮的水平往复运动又会通过载荷连杆带动荷载箱上下往复运动，从而对放置在模拟车轮下方的钢轨试件施加动荷载。

优选地，所述传动机构包括曲柄、导轮连杆、车轮连杆和橡胶导轮，所述曲柄一端与所述电机的输出轴连接，曲柄另一端与导轮连杆一端连接，所述导轮连杆另一端与橡胶导轮连接，所述橡胶导轮同时又与车轮连杆一端连接，所述车轮连杆另一端与设置在钢轨试件上的模拟车轮连接，通过与曲柄相连的导轮连杆带动橡胶导轮水平往复运动，从而带动模拟车轮在钢轨试件上水平往复运动。

优选地，所述电机为变速电机，可以通过调节电机的转速改变模拟车轮的运行速度。

优选地，所述橡胶导轮设置在导轮限位框内，保证所述橡胶导轮水平方向运动。

优选地，所述加载框架，是由焊接在基础平台上的四根钢柱和上部固定荷载箱的钢板构成的锥形结构，荷载箱两侧钢板的内侧装有定向轮，用以减小荷载箱和钢板之间的摩擦力。

优选地，所述钢轨试件左、右两侧分别安装横向限位板和纵向限位板，并且在所述模拟车轮上安装车轮制动装置。

优选地，所述加载框架是由焊接在基础平台上的四根钢柱和上部固定荷载箱的钢板构成的锥形结构，荷载箱两侧钢板的内侧装有定向轮，可以减小荷载箱和钢板之间的摩擦力。(载荷箱与框架通过什么连接方式实现载荷箱上下移动)

一种利用轮轨关系模拟疲劳实验装置进行的动荷载疲劳加载实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据相似性原理，采用钢轨材料制成几何尺寸缩小的几组钢轨试件，在钢轨试件上用钼丝切割机预制初始裂纹，可根据初始裂纹的倾角不同将钢轨试件进行分组，不设初始裂纹的钢轨试件作为参照组；

(2)在试件限位器内，钢轨试件的下方放置轨枕模型，钢轨试件通过扣件固定在轨枕模型上，模拟不同轨枕间距对钢轨疲劳的影响；

(3)轨枕的下方设置橡胶垫，通过调整橡胶垫的厚度模拟不同的轨道刚度对钢轨疲劳的影响；

(4)调节电机、橡胶导轮和模拟车轮的高度，使三者的轴心在同一水平线上；

(5)在荷载箱中加入砝码，通过调节荷载箱中砝码的质量，模拟不同轴重下的钢轨疲劳情况；

(6)启动电机，驱动连接在电机输出轴上的曲柄旋转，通过与曲柄相连的导轮连杆带动橡胶导轮水平往复运动，橡胶导轮通过连杆与模拟车轮连接，带动模拟车轮在其下方的钢轨试件上水平往复运动，同时，模拟车轮的水平往复运动又会通过连杆带动与其相连的荷载箱上下往复运动，荷载箱的速度和加速度的大小和方向均不断变化，通过连杆把荷载传递到模拟车轮上，使模拟车轮的垂向速度和加速度不断变化，在模拟车轮做水平往复运动的同时，车轮作用在钢轨试件上的垂向荷载不断变化，有效的模拟了列车实际运行过程中的垂向振动作用，同时，模拟车轮的水平往复运动更真实的模拟了线路的双向运输工况。

优选地，所述模拟车轮上设有刹车装置，根据调节刹车装置螺栓的松紧模拟轮轨间不同蠕滑率工况。

本发明有益效果是：本发明克服现有技术中成本高、维护费用大和花费时间长的缺陷，具有成本低、维护费用小和花费时间短等优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

图1为本发明运用曲柄连杆机构的新型轮轨关系模拟疲劳实验的结构示意图；

图2为本发明运用曲柄连杆机构的新型轮轨关系模拟疲劳实验的结构俯视图；

图3为本发明中荷载箱和加载框架间连接方式示意图；

图4为本发明中曲柄连杆机构的局部示意图；

图5为本发明中基础平台和加载框架示意图；

图6为本发明中橡胶导轮限位框示意图；

图7为本发明中钢轨试件纵向限位器示意图；

图8为本发明中钢轨试件横向限位板示意图；

图9为本发明中新型轮轨关系模拟疲劳实验动载荷加载流程示意图。

图中：1-基础平台，2-电机，3-导轮底座，4-导轮限位框；

10-输出轴，11-曲柄，12-导轮连杆，13-车轮连杆，14-荷载箱连杆，15-车轮制动装置，20-橡胶导轮，30-模拟车轮；

50-纵向限位板支撑，51-纵向限位板，52-钢轨试件，53-轨枕试件，54-横向限位板，55-纵向限位板移动孔位，56-模拟车轮横向限位板，57-模拟车轮横向位移调节器；

100-加载框架，200-荷载箱，300-荷载箱限位器。

具体实施方法

结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种轮轨关系模拟疲劳实验装置，该装置包括设置在水平面上的基础平台，固定安装在基础平台上的加载框架上方滑动连接有荷载箱，所述基础平台上安装有电机，电机作为驱动轮带动曲柄旋转，曲柄与传动机构连接，传动机构带动模拟车轮在钢轨试件上水平往复运动，所述模拟车轮通过载荷连杆与所述荷载箱连接，模拟车轮的水平往复运动又会通过载荷连杆带动荷载箱上下往复运动，从而对放置在模拟车轮下方的钢轨试件施加动荷载。

根据本发明实施例，如图1-8所示，提供了一种室内轮轨疲劳荷载实验装置及方法，具体是一种运用曲柄连杆机构的新型轮轨关系模拟疲劳实验装置及动荷载加载方法。

本发明的技术方案，将加载框架上的荷载箱通过荷载箱连杆与模拟车轮连接，当电机通过曲柄连杆机构带动模拟车轮水平往返运动时，荷载箱连杆会带动荷载箱上下往返运动，达到对钢轨试件施加垂向振动荷载的效果。通过调节电机的转速可以模拟不同的行车速度，通过调整荷载箱中的砝码质量可以模拟不同轴重工况。模拟车轮由列车轮毂材料制成，钢轨试件由60kg/m的钢轨材料制成。

本发明的技术方案中，一种运用曲柄连杆机构的新型轮轨关系模拟疲劳实验装置，包括基础平台1、荷载框架100、传动机构、限位机构、轮轨系统和加载机构。

其中，基础平台1的功能是对整个实验装置起固定和支撑作用，尺寸依赖于电机的长度和整个曲柄连杆机构的长度，厚度以3cm左右为宜，材料为钢材。

荷载框架100的功能是固定和支撑荷载箱200，尺寸依赖于荷载箱的位置，高度由整个曲柄连杆机构的几何尺寸决定。

传动机构包括电机2、曲柄11、导轮连杆12、橡胶导轮20、车轮连杆13、模拟车轮30和荷载箱连杆14。启动电机，驱动连接在电机输出轴上的曲柄旋转，进一步通过导轮连杆带动橡胶导轮水平往复运动，从而通过车轮连杆带动模拟车轮水平往复运动，同时，通过荷载箱连杆带动荷载箱上下往返运动，使作用在钢轨试件上的垂向荷载周期性变化，有效的模拟了列车实际运行过程中的垂向振动作用。

限位机构包括导轮底座13、导轮限位框4、钢轨纵向限位板支撑50、钢轨纵向限位板51、钢轨横向限位板54、模拟车轮横向限位板56和荷载箱限位器300。调整导轮底座的高度，使电机的输出轴、橡胶导轮和模拟车轮的轴心在同一水平线上。导轮限位框约束橡胶导轮的垂向运动，保证模拟车轮和橡胶导轮具有完全相同的运动状态。钢轨纵向限位板支撑、钢轨纵向限位板和钢轨横向限位板共同作用，保证钢轨试件的稳定。模拟车轮横向限位板可以限制模拟车轮的横向位移。荷载箱限位器起到固定荷载箱和限制荷载箱水平位移的作用。

轮轨系统包括模拟车轮30、钢轨试件52、车轮制动装置15和轨枕试件53。钢轨试件固定在轨枕试件上，安装在模拟车轮上的车轮制动装置可以调节车轮和钢轨间的蠕滑率，模拟车轮与钢轨间的纯滑动、纯滚动和又滚又滑工况。

加载机构包括加载框架100、荷载箱200和荷载箱连杆14。模拟车轮的往返运动通过荷载箱连杆传递给荷载箱，使荷载箱做垂直往返运动，在此过程中，荷载箱的速度和加速度周期性变化，从而使模拟车轮收到周期性变化的垂向力，模拟车轮又会将这种垂向力传递给钢轨试件，对钢轨试件形成周期性的垂向激励，有效的模拟了列车运行过程中钢轨的垂向振动。

同时，本发明采用的另一种技术方案是：一种与上述运用曲柄连杆机构的新型轮轨关系模拟疲劳实验装置相匹配的动力加载实验方法，包括：

(1)根据相似性原理，采用钢轨材料制成几组钢轨试件，钢轨试件的截面几何形状按60kg/m钢轨的截面尺寸等比例缩小；在钢轨试件上用钼丝切割机预制初始裂纹，控制在疲劳加载过程中疲劳裂纹萌生的位置和方向，可根据初始裂纹的倾角不同将钢轨试件进行分组，不设初始裂纹的钢轨试件作为参照组；

(2)在钢轨限位器内，钢轨试件的下方放置轨枕模型，轨枕试件用C50混凝土浇筑而成，钢轨试件通过扣件固定在轨枕模型上，模拟不同轨枕间距对钢轨疲劳的影响；

(3)轨枕的下方设置橡胶垫，通过调整橡胶垫的厚度模拟不同的轨道刚度对钢轨疲劳的影响，轨枕试件和橡胶垫通过螺栓固定在基础平台上；

(4)调节电机、橡胶导轮和模拟车轮的高度，使三者的轴心在同一水平线上；

(5)在荷载箱中加入砝码，通过调节荷载箱中砝码的质量，模拟不同轴重下的钢轨疲劳情况；

(6)启动电机，驱动连接在电机输出轴上的曲柄旋转，通过与曲柄相连的导轮连杆带动橡胶导轮水平往复运动，橡胶导轮通过连杆与模拟车轮连接，带动模拟车轮在其下方的钢轨试件上水平往复运动，同时，模拟车轮的水平往复运动又会通过连杆带动与其相连的荷载箱上下往复运动，荷载箱的速度和加速度的大小和方向均不断变化，通过连杆把荷载传递到模拟车轮上，使模拟车轮的垂向速度和加速度不断变化，在模拟车轮做水平往复运动的同时，车轮作用在钢轨试件上的垂向荷载不断变化，有效的模拟了列车实际运行过程中的垂向振动作用，同时，模拟车轮的水平往复运动更真实的模拟了线路的双向运输工况；

其中，电机为变速电机，根据调节电机的转速可以模拟不同的运行速度工况；

改变轮轨接触表面的粗糙度，可以模拟轮轨间不同摩擦系数工况；

通过不同材料的轮轨试件，可以研究不同材料对轮轨疲劳的影响；

制作踏面形状不同的车轮试件和断面形状不同的钢轨试件，可以研究轮轨几何型面对轮轨疲劳的影响；

在进行疲劳加载后，可以通过游标卡尺和高精度电子秤测量钢轨试件的磨耗量，通过红外线探伤仪和光学显微镜观察钢轨裂纹的扩展情况。

与现有技术相比，本发明的技术方案，至少可以达到的有益效果是：

(1)利用曲柄连杆机构带动车轮和荷载箱同时运动，有效的模拟了列车在轨道上运行时的垂向振动作用，使钢轨具有垂向的振动速度和振动加速度，更加真实的模拟了轮轨间的垂向相互作用，且操作简单，容易实现。

(2)利用曲柄连杆机构带动车轮做水平往复运动，模拟线路双向运输，更加靠近线路运营的实际情况。

(3)实验装置结构简单，造价低廉，养护维修方便。现有技术中，国内外现有的轮轨实验台造价都非常昂贵，且养护维修费用也很高，极大的限制了轮轨室内实验的开展，特别是限制了轮轨实验教学的进行。本发明总造价不超过3万元人名币，且超声波探伤仪和光学显微镜均可与其实验仪器共用，可进一步降低了实验室设备采购费。

例如，参见图1～图4，本实施例的运用曲柄连杆机构的新型轮轨关系模拟疲劳实验装置，包括基础平台1、荷载框架100、2-电机、传动机构、限位机构、轮轨系统和加载机构。

其中，基础平台1的功能是对整个实验装置起固定和支撑作用，尺寸为1030×400×30mm，材料为钢材。

荷载框架100的功能是固定和支撑荷载箱200，尺寸依赖于荷载箱的位置，高度由整个曲柄连杆机构的几何尺寸决定。本实施例中荷载箱的高度为1000mm，荷载框架底板尺寸为1500×1500×50mm，示意图见图5，载荷箱和支撑框架通过导轨相连，载荷箱下部有与之铰结相连的链杆，链杆另一端铰结于模拟车轮的轮轴。车轮水平往复运动时，带动链杆绕载荷箱底部铰发生转动，由于车轮轴始终保持水平，链杆的这种相对转动推动载荷箱在支撑框架内沿铅直导轨上下往复运动，从而模拟出列车铅直方向荷载的周期性变化。

传动机构包括电机2、曲柄11、导轮连杆12、橡胶导轮20、车轮连杆13、模拟车轮30和荷载箱连杆14。启动电机，驱动连接在电机输出轴上的曲柄旋转，进一步通过导轮连杆带动橡胶导轮水平往复运动，从而通过车轮连杆带动模拟车轮水平往复运动，同时，通过荷载箱连杆带动荷载箱上下往返运动，使作用在钢轨试件上的垂向荷载周期性变化，有效的模拟了列车实际运行过程中的垂向振动作用。本实施例中曲柄尺寸为5×50×70mm，导轮连杆为5×50×200mm，车轮连杆为5×50×300mm，荷载箱连杆为8×50×820mm。橡胶导轮直径为75mm，厚度为32mm。

限位机构包括导轮底座13、导轮限位框4、钢轨纵向限位板支撑50、钢轨纵向限位板51、钢轨横向限位板54、移动螺栓孔55、模拟车轮横向限位板56和荷载箱限位器300。调整导轮底座的高度，使电机的输出轴、橡胶导轮和模拟车轮的轴心在同一水平线上。导轮限位框约束橡胶导轮的垂向运动，保证模拟车轮和橡胶导轮具有完全相同的运动状态。钢轨纵向限位板支撑、钢轨纵向限位板和钢轨横向限位板共同作用，保证钢轨试件的稳定。通过移动螺栓孔改变纵向限位板间的距离可以适应不同长度的钢轨试件。模拟车轮横向限位板可以限制模拟车轮的横向位移。荷载箱限位器起到固定荷载箱和限制荷载箱水平位移的作用。上诉导轮限位框尺寸为200×35×80mm，示意图如图6。钢轨纵向限位板支撑尺寸为67×140×100mm，如图7；钢轨横向限位板尺寸为130×30×30mm的角钢加工而成，示意图见图8。

轮轨系统包括模拟车轮30、钢轨试件52、车轮制动装置15和轨枕试件53。钢轨试件固定在轨枕试件上，安装在模拟车轮上的车轮制动装置可以调节车轮和钢轨间的蠕滑率，模拟车轮与钢轨间的纯滑动、纯滚动和又滚又滑工况。本实施例中模拟车轮的直径为75mm，厚度为32mm。

加载机构包括加载框架100、荷载箱200和荷载箱连杆14。模拟车轮的往返运动通过荷载箱连杆传递给荷载箱，使荷载箱做垂直往返运动，在此过程中，荷载箱的速度和加速度周期性变化，从而使模拟车轮收到周期性变化的垂向力，模拟车轮又会将这种垂向力传递给钢轨试件，对钢轨试件形成周期性的垂向激励，有效的模拟了列车运行过程中钢轨的垂向振动。所诉荷载箱的外观尺寸为400×250×750mm。

本实施例中实验设备的使用流程如图9所示。

本发明的技术方案中，运用曲柄连杆机构的新型轮轨疲劳加载实验装置的安装方法是首先将加工好的基础平台安置到实验室某一位置，然后将加工好的加载框架和荷载箱限位器焊接到工作台台面；将电机通过螺栓固定在基础平台左端，根据曲柄和连杆的长度，将导轮底座、钢轨试件纵向和横向限位器沿基础平台长度方向和电机固定在同一直线上；将荷载箱安装在荷载箱限位器内；将橡胶导轮、模拟车轮和荷载箱用连杆连接起来，左侧连杆与曲柄相连，曲柄焊接在电机输出轴上；将导轮限位框用螺栓固定在导轮底座，橡胶导轮放置导轮限位框内；将橡胶垫、轨枕试件和钢轨试件依次安装在钢轨纵向和横向限位器内；调整各部件螺栓，使电机输出轴、橡胶导轮和模拟车轮的轴心在同一水平线上。

本发明的技术方案中，运用曲柄连杆机构的新型轮轨疲劳加载实验装置在模型轮轨接触疲劳实验的流程是：首先在荷载箱中放置一定质量的砝码；启动电机，将电机转速调整到满足车轮运行速度的转速上；加载一段时间后，观察钢轨试件和车轮的疲劳扩展情况；用高精度电子秤和游标卡尺测量钢轨和车轮的磨耗量，用超声波探伤仪和光学显微镜观察疲劳裂纹的扩展情况；改变砝码的质量和电机的转速，重复以上实验，模拟不同载荷和运行速度下轮轨疲劳的扩展情况。

本发明的技术方案，公开了一种运用曲柄连杆机构的新型轮轨疲劳加载实验装置及方法，该装置包括基础平台、焊接在基础平台上的加载框架、焊接在加载框架上方的荷载箱、固定在基础平台上的电机、通过曲柄和连杆相连接的橡胶导轮、模拟车轮和荷载箱、限制橡胶导轮位置和运动轨迹的导轮底座和导轮限位框、限制荷载箱位置和运动轨迹的荷载箱限位器、置于模拟车轮下方的钢轨试件、固定钢轨试件的纵向限位板支撑、纵向限位板和横向限位板、限制模拟车轮横向运动的模拟车轮横向限位板、调整轮轨接触状态的车轮制动装置。本发明的技术方案，可进行室内轮轨接触特性和轮轨疲劳实验研究，具有测试精确、占地面积小、构造简单、造价低、组装方便优点。

本发明的技术方案，采用简单、易操作、易加工的自平衡杠杆式静力加载装置，所设计的实验装置总造价不超过3万元，若考虑超声波探伤仪和光学显微镜的通用型，其造价将会大幅降低。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轮轨关系模拟疲劳实验装置，其特征在于，该装置包括设置在水平面上的基础平台，固定安装在基础平台上的加载框架上方滑动连接有荷载箱，所述基础平台上安装有电机，电机作为驱动轮带动曲柄旋转，曲柄与传动机构连接，传动机构带动模拟车轮在钢轨试件上水平往复运动，所述模拟车轮通过载荷连杆与所述荷载箱连接，模拟车轮的水平往复运动又会通过载荷连杆带动荷载箱上下往复运动，从而对放置在模拟车轮下方的钢轨试件施加动荷载；

所述传动机构包括曲柄、导轮连杆、车轮连杆和橡胶导轮，所述曲柄一端与所述电机的输出轴连接，曲柄另一端与导轮连杆一端连接，所述导轮连杆另一端与橡胶导轮连接，所述橡胶导轮同时又与车轮连杆一端连接，所述车轮连杆另一端与设置在钢轨试件上的模拟车轮连接，通过与曲柄相连的导轮连杆带动橡胶导轮水平往复运动，从而带动模拟车轮在钢轨试件上水平往复运动；

所述电机为变速电机，通过调节电机的转速改变模拟车轮的运行速度。

2.根据权利要求1所述的轮轨关系模拟疲劳实验装置，其特征在于，所述橡胶导轮设置在导轮限位框内，保证所述橡胶导轮水平方向运动。

3.根据权利要求2所述的轮轨关系模拟疲劳实验装置，其特征在于，所述加载框架，是由焊接在基础平台上的四根钢柱和上部固定荷载箱的钢板构成的锥形结构，荷载箱两侧钢板的内侧装有定向轮，用以减小荷载箱和钢板之间的摩擦力。

4.根据权利要求2所述的轮轨关系模拟疲劳实验装置，其特征在于，所述钢轨试件左、右两侧分别安装横向限位板和纵向限位板，并且在所述模拟车轮上安装车轮制动装置。

5.一种利用权力要求1-4任一所述的轮轨关系模拟疲劳实验装置进行的动荷载疲劳加载实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据相似性原理，采用钢轨材料制成几何尺寸缩小的几组钢轨试件，在钢轨试件上用钼丝切割机预制初始裂纹，可根据初始裂纹的倾角不同将钢轨试件进行分组，不设初始裂纹的钢轨试件作为参照组；

（2）在试件限位器内，钢轨试件的下方放置轨枕模型，钢轨试件通过扣件固定在轨枕模型上，模拟不同轨枕间距对钢轨疲劳的影响；

（3）轨枕的下方设置橡胶垫，通过调整橡胶垫的厚度模拟不同的轨道刚度对钢轨疲劳的影响；

（4）调节电机、橡胶导轮和模拟车轮的高度，使三者的轴心在同一水平线上；

（5）在荷载箱中加入砝码，通过调节荷载箱中砝码的质量，模拟不同轴重下的钢轨疲劳情况；

（6）启动电机，驱动连接在电机输出轴上的曲柄旋转，通过与曲柄相连的导轮连杆带动橡胶导轮水平往复运动，橡胶导轮通过车轮连杆与模拟车轮连接，带动模拟车轮在其下方的钢轨试件上水平往复运动，同时，模拟车轮的水平往复运动又会通过荷载箱连杆带动与其相连的荷载箱上下往复运动，荷载箱的速度和加速度的大小和方向均不断变化，通过车轮连杆把荷载传递到模拟车轮上，使模拟车轮的垂向速度和加速度不断变化，在模拟车轮做水平往复运动的同时，模拟车轮作用在钢轨试件上的垂向荷载不断变化，有效的模拟了列车实际运行过程中的垂向振动作用，同时，模拟车轮的水平往复运动更真实的模拟了线路的双向运输工况。

6.根据权利要求5所述的动荷载疲劳加载实验方法，其特征在于，所述模拟车轮上设有刹车装置，根据调节刹车装置螺栓的松紧模拟轮轨间不同蠕滑率工况。