CN106198378A - 一种轮轨热摩擦系数测定实验装置 - Google Patents

Abstract

一种轮轨热摩擦系数测定装置及方法，包括基础平台、摆式结构、车轮试件加热固定机构、钢轨加热固定机构、温度控制系统、动态应变测试系统和超声波测速仪。基础平台上安装摆式结构和温度控制系统，钢轨加热固定机构安装在基础平台和摆式结构之间，车轮试件加热固定机构安装在摆式结构上，超声波测速仪和动态应变测试系统安装在摆式结构上，本发明能够进行不同材料、不同轮对几何形状、不同温度条件下的轮轨摩擦系数测定实验，可以克服现有技术中加热温度低、温度控制不精确、实验工况单一、成本高、维护费用大的问题，具有加热温度高、机构操作简单、运行稳定、成本低、维护费用小和花费时间短等优点。

Description

一种轮轨热摩擦系数测定实验装置

技术领域

本发明涉及铁路领域的一种室内试验装置，具体的说是一种轮轨热摩擦系数测定装置及方法。

背景技术

铁路机车车辆沿轨道运行时，摩擦系数直接影响着列车的制动和牵引力，特别是高速重载列车长大坡运行急刹车时，车轮会沿钢轨产生纯滑动，大量的摩擦热使轮轨接触温度急剧升高。而温度的变化直接影响着轮轨的摩擦系数，从而影响列车的牵引力和制动力，对列车安全造成影响，如何研究高温条件下的轮轨摩擦性能就显得尤为重要。因此，研究高温下的轮轨摩擦系数，对于保证轮轨的稳定性、安全性以及延长其使用寿命具有重要的现实和经济意义。

测量摩擦系数的方法比较多，一般可分为静摩擦系数和动摩擦系数两种测量方法，而对轮轨主要测定动摩擦系数。动摩擦系数是通过测定摩擦副中一连续运动试样带动对偶件的摩擦力或摩擦力矩，然后经换算求出动摩擦系数。测量摩擦力矩一般采用电测法，利用应力或应变传感器将摩擦产生的摩擦力或力矩作用到传感器上，再转换成电信号传输到测量仪器和记录仪器上。

目前，针对轮轨动摩擦系数的测定主要采用室内试验，大多数的实验条件为常温，关于高温条件下的摩擦系数测定装置还很少见。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种轮轨热摩擦系数测定装置及方法，具有加热温度高、机构操作简单、运行稳定、成本低、维护费用小和花费时间短等优点。

本发明的目的是这样实现的：一种轮轨热摩擦系数测定装置及方法，其特征在于，包括基础平台、摆式结构、车轮试件加热固定机构、钢轨加热固定机构、温度控制系统、动态应变测试系统和超声波测速仪，所述摆式结构、钢轨加热固定机构和温度控制系统分别固定于基础平台上，所述超声波测速仪焊接在所述摆式结构的立杆下部，测速探头对称分布于立杆两侧，所述摆式结构包括摆杆，所述车轮试件加热固定机构固定在摆杆的下部，所述摆杆的上部与摆式结构立杆的上部栓接，摆杆可绕连接部转动，所述动态应变测试系统固定于摆杆上，所述超声波测速仪焊接于摆式结构的立杆下部。

进一步，所述基础平台包括一整块厚3cm的钢板。

进一步，所述摆式结构包括三组底座调平装置、基础底座、高度调节器、释放装置，三组所述底座调平装置内部都含有底座调平气泡，三组所述底座调平装置均匀安装在所述基础底座的边缘，所述高度调节器安装在所述摆式结构的立杆上。

进一步，所述车轮试件加热固定机构包括加热固定箱体、加热台、温度传感器、石棉隔热层和可调压力弹簧，所述加热固定箱体通过可调压力弹簧与所述摆杆连接，所述加热台固定在加热固定箱体下部，所述温度传感器焊接在所述加热固定箱体内部，所述石棉隔热层固定在所述加热固定箱体与梯形加热台之间。

进一步，所述钢轨加热固定机构包括钢轨加热固定箱体、箱体固定螺栓、试件限位螺栓、耐高温陶瓷垫片、橡胶垫片、涡管加热丝和温度传感器，所述箱体通过所述箱体固定螺栓加橡胶减震垫片固定在所述基础平台上，所述钢轨加热固定箱体与所述基础平台之间安装有耐高温陶瓷垫片和橡胶垫片，所述耐高温陶瓷垫片安装于橡胶垫片上，所述涡管加热丝安装于试件上部，所述温度传感器焊接钢轨加热固定箱体内部。

进一步，所述温度控制系统包括温控仪，所述温控仪通过螺栓加橡胶减震垫片固定在所述基础平台上，所述温控仪包括温度显示器、电源开关和功率调节开关。

进一步，所述动态应变测试系统包括应变片、数据采集装置、计算机和屏蔽线，所述应变片固定在所述摆杆上，所述应变片通过屏蔽线连接数据采集装置，所述数据采集装置还于计算机连接。

进一步，所述加热台为外梯形内半圆形钢制的。

进一步，车轮试件轴接于加热固定箱体底部，所述试件上部还安装有两颗限位螺栓。

进一步，所述限位螺栓与钢轨接触面装有高摩擦性压电陶瓷垫片。

一种轮轨热摩擦系数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）根据相似性原理，分别采用与实际钢轨、车轮相同材料等比例缩小制成钢轨、车轮试件；

2）对车轮、钢轨试件进行双向温控加热，测定不同温度条件下的摩擦系数；

3）改变实验车轮的弧度以及钢轨试件的断面形状，进行轮轨不同几何型面下的摩擦系数测定实验；

4) 改变车轮、钢轨试件的材质，进行不同轮轨材料的热摩擦系数测定实验。

本发明的优点在于：

(1)利用加热台和涡管加热器分别对车轮、钢轨试件加热并温控，可测定轮轨试件高温条件下的摩擦系数。

(2) 利用超声测速装置准确测得试件摩擦前后摆杆的速度，利用动态应变测试系统获得接触正压力和时间滑动时间，根据动量定理划算求得摩擦系数。

(3) 实验装置结构简单，加热温度高，造价低廉，养护维修方便。

附图说明

图1为本发明的轮轨热摩擦系数测定装置示意图；

图2为本发明中轮轨热摩擦系数测定仪底座的结构俯视图；

图3为本发明中基础平台示意图；

图4为本发明中车轮加热固定机构局部示意图；

图5为本发明中钢轨加热固定机构示意图；

图6为本发明中温度控制系统示意图；

图7为本发明中释放装置示意图；

图8为本发明中底座调平装置示意图；

图9为本发明中摆杆轴承示意图；

图10为本发明中立杆高度调节装置示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-基础平台，2-测定仪底座，3-车轮加热固定箱，4-钢轨加热固定箱，5-温控仪6-动态应变测试装置，7-高度调节器8-底座调平装置9-超声波测速仪，10-释放装置,11-摆杆；

1001-钢轨加热固定箱固定螺孔，1002-温控仪固定螺孔，2001-底座调平气泡，2002-底座调平装置3001-梯形加热台，3002-温度传感器，3003-加热固定箱体，3004-石棉隔热层，3005-弹簧，3006-弹簧调节螺母，3007-车轮限位螺母，4001-钢轨加热固定箱体，4002-箱体固定螺栓，4003-底部带有高摩擦陶瓷垫片的试件限位螺栓，4004-耐高温陶瓷垫片，4005-橡胶垫片，4006-涡管加热丝，4007-温度传感器，5001-温控仪箱体，5002-箱体固定螺栓，5003-温度显示器，5004-功率调节开关，5005-电源开关6001-应变片，6002-数据采集仪，6003-计算机，6004-抗干屏蔽线，7001-限位齿轮，7002-限位槽，7003-调节扳手，8001-限位螺母，100-钢轨试件，200-车轮试件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明一种轮轨热摩擦系数测定装置及方法，具体是一种运用恒温加热盘、涡管加热器对试件进行精确加热，车轮试件随摆杆自由端释放利用重力做工使车轮、钢轨试件发生滑动摩擦，利用动态应变测试系统测定接触正压力并记录摩擦时间，根据动量定理换算求得轮轨材料热摩擦系数的实验装置。

摩擦系数换算公式如下：

根据刚体绕定轴转动的角动量定理，摆的角动量L的增量等于合外力矩M在该段时间内冲量矩，即

（1）

（2）

式中：J为摆的转动惯量；ω₁为摆在车轮试件与钢轨钢轨试件刚接触t₁时刻的角速度；ω₂为摆在车轮试件与钢轨试件刚分离t₂时刻的角速度；t_1、t₂通过应变数据采集装置读取；l₁为钢轨摩擦面到摆的定轴O的距离；F_N车轮试件在钢轨试件上滑动过程中的正压力；μ为摩擦系数。分别将车轮试件和钢轨试件加热到指定温度并进行温控，车轮试件由水平端自由释放，下落过程中车轮试件会与钢轨试件发生动摩擦，通过动态应变测试系统测定正压力和滑动时间，通过超声测速仪器测得摆杆摩擦前后的角速，根据公式（2）得出轮轨试件的摩擦系数。

本发明的技术方案中的一种轮轨热摩擦系数实验装置，该装置主要由基础平台、摆式结构、车轮试件加热固定机构、钢轨试件加热固定机构、温控仪、动态应变测试系统、超声波测速仪7部分组成。

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，尺寸依赖于摆式结构和温控仪的尺寸，及钢轨加热固定装置的尺寸，厚度以3 cm左右为宜，材料为钢材，与地面固定处加有防震垫片。

摆式结构包括基础底座2，高度调节器7，释放装置10，下部安装有车轮试件加热器的摆杆11，底座调平气泡2001，底座调平装置8。底座调平后调节高度限位器，从水平位置处释放的车轮试件100，摆杆带动车轮试件在轨迹底部与钢轨试件100发生滑动摩擦，有效的模拟了列车刹车时车轮沿钢轨的纯滑动。

车轮加热固定机构包括梯形加热台3001，焊接于箱体的温度传感器3002，加热固定箱体3003，石棉隔热层3004，弹簧3005，弹簧调节螺母3007车轮限位螺栓3008，车轮试件与梯形加热台密切接触，轴接于箱体下部。

钢轨加热固定机构由钢轨加热固定箱体4001，箱体固定螺栓4002，底部带有高摩擦陶瓷垫片的试件限位螺栓4003，耐高温陶瓷垫片4004，橡胶垫片4005，涡管加热丝4006，焊接于箱体的温度传感器4007

箱体通过带有减震垫片的螺栓4002固定于基础平台1，并可通过调节底部橡胶垫片4005的厚度模拟不同地基刚度。

温控仪包括温控仪箱体5001，箱体固定螺栓5002，温度显示器5003，功率调节开关5004，电源开关5005。箱体通过四个带有减震垫片的螺栓5002固定于基础平台1，盒上表面装有可显示由温度传感器传来的试件温度的温度显示器5003，功率调节开关5004及电源开关可分别对车轮试件200、钢轨试件100精确温控。

应力应变测试系统包括粘贴于摆杆上的应变片6001、数据采集装置6002、计算机6003，屏蔽线6004。可准确检测实验过程中摆杆的的动态应变值。

超声波测速仪9，固定于摆式结构立杆的下端，两侧对称分布有超声波速度探头，用来测定试件摩擦前后摆杆的的速度，并可通过自带表显系统准确读数。

本实验装置测定轮轨热摩擦系数的方法为：

根据相似性原理，采用钢轨材料制成钢轨试件，钢轨试件的截面几何形状按60 kg/m钢轨的截面尺寸等比例缩小；采用车轮材料等比例缩小制成车轮试件，并精确保证车轮曲率，模拟车轮沿钢轨纯滑动工况。

分别对车轮、钢轨试件精确温控，可模拟轮轨不同温度下的滑动摩擦。

通过不同材料的轮轨试件，可以研究不同轮轨材料的摩擦系数；

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，可以研究不同轮轨几何型面的摩擦系数。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种轮轨热摩擦系数测定装置，其特征在于，包括基础平台、摆式结构、车轮试件加热固定机构、钢轨加热固定机构、温度控制系统、动态应变测试系统和超声波测速仪，所述摆式结构包括立杆和摆杆，所述摆式结构、钢轨加热固定机构和温度控制系统分别固定于基础平台上，所述超声波测速仪焊接在所述摆式结构的立杆下部，测速探头对称分布于立杆两侧，所述摆式结构包括摆杆，所述车轮试件加热固定机构固定在摆杆的下部，所述摆杆的上部与摆式结构立杆的上部栓接，所述动态应变测试系统固定于摆杆上，所述超声波测速仪焊接于摆式结构的立杆下部。

2.根据权利要求1所述的一种轮轨热摩擦系数测定装置，其特征在于，所述摆式结构包括三组底座调平装置、基础底座、高度调节器和释放装置，三组所述底座调平装置内部都含有底座调平气泡，三组所述底座调平装置均匀安装在所述基础底座的边缘，所述高度调节器安装在所述摆式结构的立杆上。

3.根据权利要求1所述的一种轮轨热摩擦系数测定装置，其特征在于，所述车轮试件加热固定机构包括加热固定箱体、加热台、温度传感器、石棉隔热层和可调压力弹簧，所述加热固定箱体通过可调压力弹簧与所述摆杆连接，所述加热台固定在加热固定箱体下部，所述温度传感器焊接在所述加热固定箱体内部，所述石棉隔热层固定在所述加热固定箱体与梯形加热台之间，所述加热台为外梯形内半圆形钢制的，试件轴接于加热固定箱体底部，所述试件上部还安装有两颗限位螺栓。

4.根据权利要求1所述的一种轮轨热摩擦系数测定装置，其特征在于，所述钢轨加热固定机构包括钢轨加热固定箱体、箱体固定螺栓、试件限位螺栓、耐高温陶瓷垫片、橡胶垫片、涡管加热丝和温度传感器，所述箱体通过所述箱体固定螺栓加橡胶减震垫片固定在所述基础平台上，所述钢轨加热固定箱体与所述基础平台之间安装有耐高温陶瓷垫片和橡胶垫片，所述耐高温陶瓷垫片安装于橡胶垫片上，所述涡管加热丝安装于试件上部，所述温度传感器焊接钢轨加热固定箱体内部。

5.根据权利要求1所述的一种轮轨热摩擦系数测定装置，其特征在于，所述温度控制系统包括温控仪，所述温控仪通过螺栓加橡胶减震垫片固定在所述基础平台上，所述温控仪包括温度显示器、电源开关和功率调节开关。

6.根据权利要求1所述的一种轮轨热摩擦系数测定装置，其特征在于，所述动态应变测试系统包括应变片、数据采集装置、计算机和屏蔽线，所述应变片固定在所述摆杆上，所述应变片通过屏蔽线连接数据采集装置，所述数据采集装置还于计算机连接。

7.根据权利要求4所述的一种轮轨热摩擦系数测定装置，其特征在于，所述限位螺栓与钢轨接触面装有高摩擦性压电陶瓷垫片。

8.一种轮轨热摩擦系数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）根据相似性原理，分别采用与实际钢轨、车轮相同材料等比例缩小制成钢轨、车轮试件；

2）对车轮、钢轨试件进行双向温控加热，测定不同温度条件下的摩擦系数；

3）改变实验车轮的弧度以及钢轨试件的断面形状，进行轮轨不同几何型面下的摩擦系数测定实验；

4) 改变车轮、钢轨试件的材质，进行不同轮轨材料的热摩擦系数测定实验。