CN107014627A - 轮轴疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮轴疲劳试验装置及方法，所述轮轴疲劳试验装置包括：缩比轮和轨道轮，分别模拟实际车轮和实际轨道；缩比轮取样于待测的实际车轮，并与实际车轮成比例缩放制成，轨道轮选用于与实际轨道具有相同成分、显微组织和力学性能的材料制成；旋转驱动机构驱动缩比轮和轨道轮中的一个；垂向加载系统向从动轮施加垂向载荷，使缩比轮的踏面与轨道轮接触；阻尼及制动机构向从动轮施加扭矩，模拟车轮实际运行中与实际轨道间的摩擦力及制动力；控制器控制旋转驱动机构、垂向加载机构和阻尼及制动机构。

Description

轮轴疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明涉及材料性能测试和研究领域，尤其涉及一种轮轴疲劳试验装置及方法。

背景技术

随着铁路运输高速技术及重载技术的发展，铁路列车的运输安全及运行性能的要求越来越高，而车轮和车轴作为铁路机车的重要部件之一，其运行安全直接关系到整个铁路系统的运行品质和发展。

轮轴系统在列车运行过程中起着传递动力、承载及制动的作用，是列车在高速运行中服役条件最严酷的部件。由于交变载荷、摩擦、磨损等苛刻的服役条件容易造成服役过程中车轮和车轴的疲劳开裂，为了评价服役过程中车轮、车轴的性能，需要对其进行疲劳测试，目前广泛使用的是轮、轴材料疲劳性能试验以及全尺寸轮轴试验台试验。

由于车轮和车轴的结构形状复杂，用材料疲劳数据很难准确预测车轮、车轴产品的疲劳性能，而使用全尺寸车轮和车轴在大型试验台上进行车轮或车轴的疲劳性能研究，所得实验数据更准确，更接近实际，但同时其实验成本高、实验周期长，难于应用在轮、轴的疲劳测试、寿命预测及新型车轮的指导开发上，目前该方法主要用于轮、轴产品的认证考核。

发明内容

本发明提供一种轮轴疲劳试验装置及方法，可在低成本条件下得到车轮、车轴材料及构件的疲劳性能，克服了材料试验的局限性以及全尺寸轮、轴疲劳性能试验的不足，具备高精度、高效率、低成本、多功能的特点，对指导新型车轮设计及开发具有重要的实用价值。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

本发明提供一种轮轴疲劳试验装置，包括：

缩比轮和轨道轮，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中模拟实际车轮和实际车轮运行的实际轨道；所述缩比轮取样于待测的实际车轮，并与所述实际车轮成比例缩放制成，所述轨道轮选用于与实际轨道具有相同成分、显微组织和力学性能的材料制成；；

旋转驱动机构，用于驱动所述缩比轮和所述轨道轮中的一个；

垂向加载系统，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中向所述缩比轮和所述轨道轮中的从动轮施加垂向载荷，使所述缩比轮的踏面与所述轨道轮接触；

阻尼及制动机构，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中向所述缩比轮和所述轨道轮中的从动轮施加扭矩，模拟车轮实际运行中与实际轨道间的摩擦力及制动力；

控制器，用于控制所述旋转驱动机构、所述垂向加载系统和所述阻尼及制动机构。

优选地，所述的轮轴疲劳试验装置还包括：横向移动系统，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中驱动所述缩比轮和所述轨道轮中的从动轮，使所述缩比轮相对所述轨道轮发生横向移动，模拟车轮实际运行中的横向移动；所述控制器还用于控制所述横向移动系统。

具体地，所述横向移动系统包括：横向移动滑板和横向移动机构；所述横向移动滑板与所述横向移动机构相连，所述横向移动机构通过所述横向移动滑板驱动所述缩比轮，使所述缩比轮相对所述轨道轮发生横向移动。

具体地，所述垂向加载系统，包括：垂向可移动横梁、载荷传感器、加载连杆和垂向加载机构；所述垂向可移动横梁通过所述载荷传感器与所述加载连杆连接，所述加载连杆与所述垂向加载机构相连。

进一步地，所述轮轴疲劳试验装置，还包括：在车轴疲劳试验中使用的缩比车轴和模拟车轮，所述缩比车轴取样于待测的实际车轴，并与所述实际车轴成比例缩放制成，所述模拟车轮用于模拟实际运行时车轮对实际车轴的作用；在车轴疲劳试验时，所述缩比车轴一端与旋转驱动机构相连，另一端为加载端，与一加载端轴承相连；所述垂向加载系统还用于通过所述加载轴承对所述缩比车轴的加载端施加载荷；所述模拟车轮压装连接所述缩比车轴，与所述缩比车轴压装好的模拟车轮固定在固定盘上。

进一步地，所述轮轴疲劳试验装置，还包括：在车轮辐板疲劳试验中使用的缩比轮和模拟车轴，所述缩比轮的辐板从实际的全尺寸车轮辐板上取样，并与所述实际车轮的辐板成比例缩放制成，所述模拟车轴用于模拟实际运行时车轴对实际车轮的作用；在车轮辐板疲劳试验时，所述模拟车轴一端与旋转驱动机构相连，另一端为加载端，与一加载端轴承相连；所述垂向加载系统还用于通过所述加载轴承对所述模拟车轴的加载端施加载荷；所述缩比轮压装连接所述模拟车轴，与所述模拟车轴压装好的缩比轮固定在固定盘上。

优选地，所述缩比轮与所述模拟车轴采用过盈压装方式连接，压装过盈比与实际车轮和车轴压装过盈比相同。

可选地，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机及轴承；在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中，所述旋转驱动电机及轴承与所述轨道轮的主轴相连接，所述缩比轮的主轴与所述阻尼及制动机构相连接；在车轴疲劳试验和车轮辐板疲劳试验中，所述旋转驱动电机及轴承与所述缩比车轴相连接。

所述的轮轴疲劳试验装置，还包括：装置底座和固定在装置底座上的承载立柱，所述承载立柱上设置有固定横梁，垂向加载系统中的垂向加载机构固定在所述固定横梁上；所述轨道轮设置在轨道轮支座上，所述旋转驱动电机设置在电机支座上，所述缩比车轴设置在约束支撑装置上；所述装置底座上开有T型槽，所述电机支座、所述轨道轮支座及所述缩比车轴固定端的约束支撑装置均通过螺栓连接在所述装置底座上。

本发明还提供一种使用上述任一项的轮轴疲劳试验装置进行轮轴疲劳试验的方法，进行轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验时，该方法包括：

试样准备：准备缩比轮和轨道轮；

试验过程：安装实验装置，包括安装缩比轮和轨道轮，使旋转驱动机构用于驱动所述缩比轮和所述轨道轮中的一个；通过控制器控制垂向加载系统和横向移动系统，使所述缩比轮对的车轮踏面和所述轨道轮接触，并通过垂向加载系统对所述缩比轮或所述轨道轮施加载荷；启动旋转驱动机构，待运转平稳后，通过阻尼及制动机构对向所述缩比轮和所述轨道轮中的从动轮施加阻尼转矩，使所述缩比轮的车轮踏面与所述轨道轮之间形成摩擦力；通过控制器控制横向移动系统，使所述缩比轮相对所述轨道轮进行横向运动，用以模拟车轮实际运行时的横向运动；试验过程中自动记录用于后期试样疲劳性能分析的实验数据，包括垂向加载载荷、试样旋转周次、车轮横向移动距离、横向载荷；对实验数据进行处理并对所述缩比轮的踏面进行检查，评价车轮踏面接触疲劳损伤状态；

进行车轴疲劳试验和/或车轮辐板疲劳试验时，该方法包括：

试样准备：车轴疲劳试验中需要准备缩比车轴和模拟车轮，所述模拟车轮用于模拟实际运行时车轮对实际车轴的作用；车轮辐板疲劳试验中需要准备缩比轮和模拟车轴，所述缩比轮的辐板从实际的全尺寸车轮辐板上取样，并与所述实际车轮的辐板成比例缩放制成，所述模拟车轴用于模拟实际运行时车轴对实际车轮的作用；

试验过程：安装实验装置，包括安装缩比车轴和/或缩比轮，使旋转驱动机构用于驱动缩比车轴或者缩比轮；通过旋转驱动电机驱动试样旋转，进行疲劳试验；试验过程中自动记录用于后期试样疲劳性能的分析的试验数据，包括垂向加载载荷、试样旋转周次；对所述缩比车轴的表面进行检查，评价车轴疲劳损伤状态，确定车轴疲劳性能，或者对所述缩比轮的辐板表面进行检查，评价车轮辐板疲劳损伤状态，确定车轮辐板疲劳性能。

本发明实施例提供一种轮轴疲劳试验装置及方法，采用取样于待测的实际轮、轴的缩比轮、轴，可以满足不同尺寸缩比轮、轴疲劳试验的需求，实现对轮、轴(例如列车轮、轴)服役条件下多种疲劳性能的综合测试，同时满足轮、轨摩擦磨损性能试验、接触疲劳试验、车轮踏面制动热疲劳性能等一系列轮轴系统综合性能的测试和研究。由于采用了缩比轮、轴来研究轮、轴的疲劳性能，兼顾了轮、轴产品的结构形状及受力方式，因此可克服材料试验的局限性以及全尺寸轮、轴疲劳性能试验的不足，同时具备高精度、高效率、低成本、多功能的特点，并且可以将材料疲劳试验于与全尺寸轮轴疲劳性能的试验结果相联系，指导车轮、车轴材料及新产品的开发。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一提供的轮轴疲劳试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的轮轴疲劳试验装置的结构示意图；

附图标记

1-装置底座，2-承载立柱，3-轨道轮，4-阻尼及制动机构，5-缩比轮，6-横向移动滑板，7-垂向可移动横梁，8-载荷传感器，9-加载连杆，10-固定横梁，11-垂向加载机构，12-横向移动机构，13-旋转驱动电机，14-缩比车轴，15-模拟车轮，16-加载端轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种轮轴疲劳试验装置，包括：待测试时样品，可以是缩比轮或缩比轴；轨道轮，选用与实际轨道具有相同成分、显微组织和力学性能的材料制成，使缩比轮实验时相当于在实际轨道上运行。，用于实验时模拟车轮运行的实际轨道；旋转驱动机构，用于驱动缩比轮或缩比轴；垂向加载系统，用于向样品施加垂向载荷；阻尼及制动机构，用于模拟车轮实际运行中与实际轨道间的摩擦力及制动力；控制器，用于控制上述的旋转驱动机构、垂向加载机构和阻尼及制动机构；以及装置底座和固定在装置底座上的承载立柱，用于安装上面所述的部件。

本实施例提供的轮轴疲劳试验装置，可实现轮、轴的不同疲劳试验内容，亦可将轮、轴的不同疲劳试验内容在同一设备进行性能测试，上述的轮、轴的不同疲劳试验内容包括但不限于车轮接触疲劳试验、摩擦磨损试验、车轮辐板疲劳极限、车轴疲劳性能及轮-轴微动疲劳等性能测试，具备高精度、高效率、低成本、多功能的特点。

该装置主要由装置底座、承载立柱形成的承力框架、试验用轮-轴旋转驱动机构、加载系统(垂向加载系统和横向移动系统)、阻尼与制动机构及其附属构件，以及传感器和控制器等组成。该装置中使用的缩比轮(或缩比轴)从实际待测的车轮(或车轴)取样，可简单理解为，采用相同材料，制成与实际待测的车轮(或车轴)成一定比例缩放的实验件，尽量保证制成的缩比轮(或缩比轴)试样与全尺寸车轮(或车轴)具有相近的力学性能和几何相似性，以保证实验结果的准确性和可信性，尤其在影响实验结果的关键部分上，例如轮、轨接触疲劳实验中缩比轮的踏面要与实际车轮的踏面性能保持尽量一致。本领域技术人员可以理解的是，在不同的疲劳试验中，影响实验结果的因素也不大相同，因此对缩比轮和缩比轴的要求也会不同，下面叙述中会进一步结合具体试验情况进行说明。而且，如果该装置用于指导新型车轮设计及开发，缩比轮、轴可采样于设计人员所设计的虚拟轮、轴。

另外，本实施例对控制器、旋转驱动机构、垂向加载系统和阻尼及制动机构，以及装置底座、承载立柱的具体结构不做限定，只要各部件能实现相应的功能即可。下面叙述中示出的具体示例仅为便于理解而示出，并不用于限定。另外，本实施例的装置还可包括未提及的其它模块或部件，在不影响本文所描述的装置功能实现的前提下，本实施例对此均不做限定。

可以理解的是，本实施例提供的轮轴疲劳试验装置，可以根据具体应用场景存在多种实现方式，下面结合附图以及具体实施例对上述装置及其方法进行说明：

本实施例提供的轮轴疲劳试验装置，其试验模式及装置使用方法主要有两种：1、轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验，采用缩比轮装配样品，采用轨道轮模拟轨道，在垂向加载系统作用下缩比轮对与轨道轮接触产生接触载荷，由旋转驱动机构例如电机驱动轨道轮旋转(作为另一种选择，也可以是驱动缩比轮)，达到缩比轮模拟运行的效果。缩比轮对主轴连接阻尼及制动机构，模拟施加在轮-轨间的摩擦力。可选地，缩比轮可沿车轴轴向进行一定距离的移动，模拟实际车轮的横向运动。2、缩比车轴疲劳试验及缩比轮辐板疲劳试验，这两种试验均采用缩比轮-轴装配样品，在车轴一端进行悬臂加载。进行车轴疲劳试验时，可采用强度较高的模拟车轮，避免实验中车轮先于样品车轴(缩比车轴)损坏；进行车轮辐板疲劳试验时，采用强度较高的模拟车轴，避免实验中模拟车轴先损坏。试验时，可由电机驱动安装在固定盘上的缩比轮-轴装配样品旋转，实现疲劳加载。下面将详细介绍这两种试验模式。

示例一：缩比轮滚动接触疲劳试验

本示例结合缩比轮滚动接触疲劳试验说明该装置的构成和应用方法。如图1所示，本实施例装置包括：缩比轮5、轨道轮3、旋转驱动机构、垂向加载系统、阻尼及制动机构4和控制器。

缩比轮5和轨道轮3，在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中，缩比轮5用于模拟实际车轮，轨道轮3用于模拟实际车轮运行的实际轨道；缩比轮5取样于待测的实际车轮，并与实际车轮成比例缩放制成，一般要求缩比轮5除了大小外，其它尺寸均与实际车轮保持几何相似性；所述轨道轮取样于实际车轮运行的实际轨道，即轨道轮选用于与实际轨道具有相同成分、显微组织和力学性能的材料制成。一般要求轨道轮3表面性能与实际轨道的表面性能尽可能一致，包括但不限于材料、表面粗糙程度等，只要能使轨道轮模拟实际轨道对轮子的作用即可。

旋转驱动机构，用于驱动缩比轮5和轨道轮3中的一个；示例性地，图1中，旋转驱动机构包括旋转驱动电机13及轴承，旋转驱动电机13及轴承与轨道轮3的主轴相连接，缩比轮5的主轴与阻尼及制动机构4相连接。另外，可选地，也可以将旋转驱动电机13及轴承与缩比轮5的主轴相连接，轨道轮3的主轴与阻尼及制动机构4相连接。

垂向加载系统，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中向缩比轮5和轨道轮3中的从动轮施加垂向载荷，使缩比轮5的踏面与轨道轮3接触；此处的从动轮指缩比轮5和轨道轮3中未被旋转驱动系统直接驱动的那一个，例如图1中，旋转驱动电机13直接驱动轨道轮3，垂向加载系统向缩比轮5施加垂向载荷，缩比轮5的踏面与轨道轮3接触，缩比轮5被轨道轮3带动，为从动轮。图1中垂向加载系统包括垂向可移动横梁7、载荷传感器8、加载连杆9和垂向加载机构11，垂向可移动横梁通过载荷传感器8与加载连杆9连接，加载连杆9与垂向加载机构11相连。

阻尼及制动机构4，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中向缩比轮5和轨道轮3中的从动轮施加扭矩，模拟车轮实际运行中与实际轨道间的摩擦力及制动力；例如，图1所述示例中，旋转驱动电机13驱动轨道轮3，阻尼及制动机构4向缩比轮5施加扭矩。

控制器(图中未示出)，用于控制旋转驱动机构、垂向加载系统和阻尼及制动机构4。具体地，控制器可与旋转驱动电机13、垂向加载机构和阻尼及制动机构4相连。

优选地，上述的轮轴疲劳试验装置还可包括：横向移动系统，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中驱动缩比轮5和轨道轮3中的从动轮(例如，缩比轮5)，使缩比轮5相对轨道轮3发生横向移动，模拟车轮实际运行中的横向移动；控制器还用于控制该横向移动系统。示例性地，如图1所示，该横向移动系统可包括：横向移动滑板6和横向移动机构12；横向移动滑板6与横向移动机构12相连，横向移动机构12通过横向移动滑板6驱动缩比轮5，使缩比轮5相对轨道轮3发生横向移动，模拟车轮实际运行中的横向移动，使实验结果更接近车轮的实际运行情况。

上述的轮轴疲劳试验装置还可包括：装置底座1、轨道轮支座、电机支座；轨道轮3设置在轨道轮支座上，旋转驱动电机13设置在电机支座上，装置底座1上开有T型槽，电机支座、轨道轮支座均通过螺栓(例如T型螺栓)连接在装置底座1上，并具有位置可调节性，可根据试验的需要调节轨道轮3和旋转驱动电机13的位置。另外，相关安全防护机构也安装在装置底座1上。还包括固定在装置底座上的承载立柱2，一般为4根，构成稳定的承力框架。所述承载立柱上设置有固定横梁10，垂向加载系统中的垂向加载机构11固定在固定横梁10上。

如图1所示，工作时，将轨道论3及支座调整好位置并固定在装置底座1上，并将轨道轮主轴与旋转驱动电机13及轴承相连接。将缩比轮对(缩比轮5一般为2个，所以称为缩比轮对)及支座调整好位置并固定在横向移动滑板6的下方，将缩比轮对主轴与阻尼及制动机构4相连。横向移动滑板6安装在垂向可移动横梁7下方，并与横向移动机构12相连。垂向可移动横梁通过载荷传感器8与加载连杆9连接，加载连杆9与垂向加载机构11相连，垂向加载机构固定在固定横梁10上。固定横梁安装在承载立柱2上，承载立柱2下端安装在装置底座1上。这样，整个装置通过装置底座1、承载立柱2和固定横梁10形成力封闭体系，实现对试样的加载。

本实施例还提供一种使用上述轮轴疲劳试验装置进行轮轴疲劳试验的方法，进行轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验时，该方法包括：

(1)试样准备

准备缩比轮和轨道轮；车轮滚动接触疲劳发生在车轮踏面，因此缩比轮接触疲劳试样应从全尺寸车轮轮辋取样，以保证缩比轮试样轮辋与全尺寸车轮轮辋具有相近的力学性能。一般而言，由于受实际车轮轮辋尺寸限制，缩比轮直径最大为实际车轮轮辋宽度，其与实际车轮的比例约为1:7。

(2)试验过程

安装实验装置，包括安装缩比轮5和轨道轮3，使旋转驱动机构用于驱动缩比轮5和轨道轮3中的一个。轮轨接触疲劳试验时，试样及相关部件的安装可如图1所示；

安装完毕，通过控制器(以及与之相连的主机)控制垂向加载系统和横向移动系统，使缩比轮对的车轮踏面和轨道轮3接触，并通过垂向加载系统对缩比轮5或轨道轮3施加载荷；具体地，可控制垂向加载机构11和横向移动滑板6，使缩比轮对的车轮踏面和轨道轮3在合适的位置接触，并通过垂向加载机构11对车轮施加一定的载荷。

然后启动旋转驱动机构(即启动旋转驱动电机13)，待运转平稳后，通过阻尼及制动机构4对向缩比轮5和轨道轮3中的从动轮施加阻尼转矩，使缩比轮5的车轮踏面与轨道轮3之间形成摩擦力；例如，通过阻尼及制动机构4对缩比轮5的车轮主轴施加一定的阻尼转矩，使缩比轮5的车轮踏面与轨道轮3之间形成一定的摩擦力。

同时可通过控制器控制横向移动系统，使缩比轮5相对轨道轮3进行横向运动，用以模拟车轮实际运行时的横向运动；例如可控制横向加载机构12驱动缩比轮对进行周期性横向往复运动，模拟车轮运行时的横向运动。

试验过程中自动记录用于后期试样疲劳性能分析的实验数据，包括垂向加载载荷、试样旋转周次、车轮横向移动距离、横向载荷等；经过一定的试验周期，对实验数据进行处理并对缩比轮5的踏面进行检查，评价车轮踏面接触疲劳损伤状态；同时检查轨道轮表面损伤状态，如有对试验产生明显影响的损伤，需对轨道轮表面进行加工处理，满足试验继续进行的要求。

本示例提供的装置可进行轮轨接触疲劳及摩擦磨损试验，试验时，轨道轮主轴与驱动电机连接，轨道轮由电机驱动旋转模拟实际轨道；缩比轮对固定在可移动横梁上，通过垂向加载机构施加车轮与轨道轮间的接触载荷。在轮轨接触疲劳试验中，缩比轮对还可在横向移动机构的驱动下进行横向移动，模拟车轮实际运行中的横向移动。缩比轮对的主轴连接阻尼及制动系统，可在缩比轮上施加一定的扭矩，模拟车轮实际运行中与轨道间的摩擦力及制动力。该装置可以实现缩比轮、轴的不同疲劳试验内容在同一设备进行性能测试，包括缩比轮接触疲劳试验、摩擦磨损试验、缩比车轮踏面制动热疲劳性能；可大大提高了设备使用效率、节约试验成本。

示例二：缩比车轴悬臂旋转弯曲疲劳试验

本示例还提供一种轮轴疲劳试验装置，该试验装置除示例一所述部件外，如图2所示，还可进一步包括：在车轴疲劳试验中使用的缩比车轴14和模拟车轮15，缩比车轴14取样于待测的实际车轴，并与实际车轴成比例缩放制成，模拟车轮15用于模拟实际运行时车轮对实际车轴的作用；在车轴疲劳试验时，缩比车轴14一端与旋转驱动机构相连，另一端为加载端，与一加载端轴承16相连；垂向加载系统还用于通过加载轴承16对缩比车轴14的加载端施加载荷；模拟车轮15压装连接缩比车轴14，与缩比车轴14压装好的模拟车轮15固定在固定盘上。

本实施例还提供一种使用上述试验装置进行轮轴疲劳试验的方法，试验时，一般需要去除上述缩比轮滚动接触疲劳试验中的试样即缩比轮5以及轨道轮3，再装配本次试验的样品即缩比车轴14。具体地，该方法包括：

(1)试样准备

缩比车轴疲劳试验采用悬臂旋转弯曲加载试验方法。试验中需要准备缩比车轴14和模拟车轮15，缩比车轴14试样从实际的全尺寸车轴上截取。由于部分车轴为空心车轴，缩比车轴14的直径与实际车轴直径比最大为1:3。缩比车轴的尺寸形状，尤其是卸荷槽等位置的圆弧过渡半径应以相同比例缩小。但试样表面粗糙度应与实际车轴相同。模拟车轮15用于模拟实际运行时车轮对实际车轴的作用，影响该种作用的因素应与实际车轮尽量一致，其它非影响因素例如踏面粗糙度等不做限定。另外需要说明的是，模拟车轮15可以是缩比轮5，但需要该缩比轮5能满足上述要求。

(2)试验过程

安装实验装置，包括安装缩比车轴14和模拟车轮15，使旋转驱动机构用于驱动缩比车轴14。缩比车轴14悬臂旋转弯曲疲劳试验时，与缩比轮滚动接触疲劳试验装置结构(示例一)大致类似，由于该试验的特殊性，试样及所需部件的具体安装如图2所示：试验时，调整好旋转驱动电机13的位置，并将其与轴承附件固定在装置底座1上。模拟车轮15压装连接缩比车轴14，将与缩比车轴14压装好的模拟车轮15固定在固定盘上，并将该缩比车轴14一端与旋转驱动机构相连，另一端与一加载端轴承16相连；缩比车轴14通过加载轴承16连接垂向加载系统，使垂向加载系统通过对缩比车轴14的加载端施加一定载荷。缩比车轴固定端的约束支撑装置均通过螺栓连接在装置底座上。

然后，通过旋转驱动电机13驱动试样旋转，进行疲劳试验；试验过程中自动记录用于后期试样疲劳性能的分析的试验数据，包括但不限于垂向加载载荷、试样旋转周次等参数；经过一定的试验周期，对缩比车轴14的表面进行检查，评价车轴疲劳损伤状态，确定车轴疲劳性能。该方法可测定车轴疲劳S-N曲线，得到缩比车轴疲劳极限。

本实施例提供的装置以及方法，可独立进行缩比车轴悬臂弯曲疲劳试验，加载连杆通过加载轴承16与缩比车轴14一端连接，用于施加垂直于车轴轴向的载荷；缩比车轴14另一端固定于旋转固定盘上，通过旋转驱动电机13驱动。加载方式与全尺寸车轴评价试验装置加载方法一致，满足相关标准试验要求。

示例三：缩比车轮辐板疲劳试验

本示例还提供一种轮轴疲劳试验装置，该试验装置除示例一、二所述部件外，进一步地还包括：在车轮辐板疲劳试验中使用的缩比轮和模拟车轴，所述缩比轮的辐板从实际的全尺寸车轮辐板上取样，并与实际车轮的辐板成比例缩放制成，所述模拟车轴用于模拟实际运行时车轴对实际车轮的作用；在车轮辐板疲劳试验时，该装置结构与示例二大致类似，可参照图2所示，模拟车轴一端与旋转驱动机构相连，另一端为加载端，与一加载端轴承相连；所述垂向加载系统还用于通过加载轴承对模拟车轴的加载端施加载荷；缩比轮压装连接模拟车轴，与模拟车轴压装好的缩比轮固定在固定盘上。

本实施例还提供一种使用上述试验装置进行车轮辐板疲劳试验的方法，试验时，一般需要去除上述缩比车轴悬臂旋转弯曲疲劳试验的试样即缩比轴14和模拟轮15，再装配本次试验的样品即缩比轮和模拟轴。具体地，该方法包括：

(1)试样准备

缩比轮的辐板试样从实际全尺寸车轮辐板上截取。缩比车车轮的辐板尺寸形状，尤其是与轮毂位置的圆弧过渡半径应以相同比例缩小，且试样辐板处表面粗糙度应与实际车轴相同。一般而言，模拟车轴也可以是缩比的，即与实际车轴成一定比例缩放。缩比轮与缩比的模拟车轴采用过盈压装方式连接，压装过盈比应与实际车轮和车轴的压装过盈比相同。上述模拟车轴固定端的约束支撑装置通过螺栓连接在装置底座上。

(2)试验过程

缩比辐板疲劳试验采用悬臂旋转弯曲加载试验方法。其基本过程与示例二基本相同。试验时，调整好旋转驱动电机的位置，并将其与轴承附件固定在装置底座上。将与模拟车轴压装好的缩比轮固定在固定盘上。通过垂向加载机构和加载轴承对模拟车轴加载端施加一定载荷。然后，通过旋转驱动电机驱动试样旋转，进行疲劳试验。试验过程中自动记录垂向加载载荷、试样旋转周次等参数，用于后期试样疲劳性能的分析。经过一定的试验周期，对缩比轮试样辐板表面进行检查，评价车轮辐板疲劳损伤状态，确定车轮辐板疲劳性能。此实验方法可以测定缩比车轮辐板的疲劳极限。

在对缩比车轮辐板进行疲劳试验时，模拟车轴的强度相对较高，以避免疲劳试验过程中模拟车轴先发生破坏。

本示例的装置可进行缩比轮辐板疲劳试验，采用缩比轮轴装配试样，使用车轴悬臂加载方式，缩比轮辐板受力方式符合相关标准要求。同时，模拟车轴加载端设计有防止车轴摆动的约束支持机构，保证了试验的稳定性和安全性。

上述示例中示出的轮轴疲劳试验装置，其中的旋转驱动机构包括旋转驱动电机及轴承；在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中，旋转驱动电机及轴承与所述轨道轮的主轴相连接，缩比轮的主轴与阻尼及制动机构相连接；在车轴疲劳试验和车轮辐板疲劳试验中，旋转驱动电机及轴承与缩比车轴相连接。

本发明实施例提供了一种缩比轮-轴疲劳综合试验装置和应用方法，属金属材料和结构性能测试和研究领域，可以实现缩比列车轮、轴的不同疲劳试验内容在同一设备进行性能测试，包括缩比轮接触疲劳试验、摩擦磨损试验、缩比尺寸车轮辐板疲劳极限、车轴疲劳性能及缩比轮-轴微动疲劳等性能测试，同时还能进行缩比尺寸车轮辐板疲劳极限、车轴疲劳性能及缩比轮-轴微动疲劳等性能测试，具备高精度、高效率、低成本、多功能的特点，可大大提高了设备使用效率、节约试验成本。

需要说明的是，上述试验过程中垂向载荷和横向位移可由载荷或位移传感器检测和记录，在试验过程中可实现载荷、应变及位移的稳定控制和相互平滑过渡。试验可任意设定和自动记录的载荷大小和疲劳周次，以便对轮、轴疲劳试验结果进行检测和分析。

最后，应当理解的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可对先前描述的部分进行各种修改或添加。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种轮轴疲劳试验装置，其特征在于，包括：

缩比轮和轨道轮，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中模拟实际车轮和实际车轮运行的实际轨道；所述缩比轮取样于待测的实际车轮，并与所述实际车轮成比例缩放制成，所述轨道轮选用与实际轨道具有相同成分、显微组织和力学性能的材料制成；

旋转驱动机构，用于驱动所述缩比轮和所述轨道轮中的一个；

垂向加载系统，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中向所述缩比轮和所述轨道轮中的从动轮施加垂向载荷，使所述缩比轮的踏面与所述轨道轮接触；

阻尼及制动机构，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中向所述缩比轮和所述轨道轮中的从动轮施加扭矩，模拟车轮实际运行中与实际轨道间的摩擦力及制动力；

控制器，用于控制所述旋转驱动机构、所述垂向加载系统和所述阻尼及制动机构。

2.根据权利要求1所述的轮轴疲劳试验装置，其特征在于，还包括：横向移动系统，用于在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中驱动所述缩比轮和所述轨道轮中的从动轮，使所述缩比轮相对所述轨道轮发生横向移动，模拟车轮实际运行中的横向移动；所述控制器还用于控制所述横向移动系统。

3.根据权利要求2所述的轮轴疲劳试验装置，其特征在于，所述横向移动系统包括：横向移动滑板和横向移动机构；

所述横向移动滑板与所述横向移动机构相连，所述横向移动机构通过所述横向移动滑板驱动所述缩比轮，使所述缩比轮相对所述轨道轮发生横向移动。

4.根据权利要求1所述的轮轴疲劳试验装置，其特征在于，所述垂向加载系统，包括：垂向可移动横梁、载荷传感器、加载连杆和垂向加载机构；

所述垂向可移动横梁通过所述载荷传感器与所述加载连杆连接，所述加载连杆与所述垂向加载机构相连。

5.根据权利要求1-4任一项所述的轮轴疲劳试验装置，其特征在于，还包括：在车轴疲劳试验中使用的缩比车轴和模拟车轮，所述缩比车轴取样于待测的实际车轴，并与所述实际车轴成比例缩放制成，所述模拟车轮用于模拟实际运行时车轮对实际车轴的作用；

在车轴疲劳试验时，所述缩比车轴一端与旋转驱动机构相连，另一端为加载端，与一加载端轴承相连；所述垂向加载系统还用于通过所述加载轴承对所述缩比车轴的加载端施加载荷；所述模拟车轮压装连接所述缩比车轴，与所述缩比车轴压装好的模拟车轮固定在固定盘上。

6.根据权利要求1-4任一项所述的轮轴疲劳试验装置，其特征在于，还包括：在车轮辐板疲劳试验中使用的缩比轮和模拟车轴，所述缩比轮的辐板从实际的全尺寸车轮辐板上取样，并与所述实际车轮的辐板成比例缩放制成，所述模拟车轴用于模拟实际运行时车轴对实际车轮的作用；

在车轮辐板疲劳试验时，所述模拟车轴一端与旋转驱动机构相连，另一端为加载端，与一加载端轴承相连；所述垂向加载系统还用于通过所述加载轴承对所述模拟车轴的加载端施加载荷；所述缩比轮压装连接所述模拟车轴，与所述模拟车轴压装好的缩比轮固定在固定盘上。

7.根据权利要求6所述的轮轴疲劳试验装置，其特征在于，所述缩比轮与所述模拟车轴采用过盈压装方式连接，压装过盈比与实际车轮和车轴压装过盈比相同。

8.根据权利要求6所述的轮轴疲劳试验装置，其特征在于，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机及轴承；

在轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验中，所述旋转驱动电机及轴承与所述轨道轮的主轴相连接，所述缩比轮的主轴与所述阻尼及制动机构相连接；

在车轴疲劳试验和车轮辐板疲劳试验中，所述旋转驱动电机及轴承与所述缩比车轴相连接。

9.根据权利要求8所述的轮轴疲劳试验装置，其特征在于，还包括：装置底座和固定在装置底座上的承载立柱，所述承载立柱上设置有固定横梁，垂向加载系统中的垂向加载机构固定在所述固定横梁上；

所述轨道轮设置在轨道轮支座上，所述旋转驱动电机设置在电机支座上，所述缩比车轴设置在约束支撑装置上；所述装置底座上开有T型槽，所述电机支座、所述轨道轮支座及所述缩比车轴固定端的约束支撑装置均通过螺栓连接在所述装置底座上。

10.一种使用1-9任一项所述的轮轴疲劳试验装置进行轮轴疲劳试验的方法，其特征在于，进行轮、轨接触疲劳及摩擦-磨损试验时，该方法包括：

试样准备：准备缩比轮和轨道轮；

试验过程：安装实验装置，包括安装缩比轮和轨道轮，使旋转驱动机构用于驱动所述缩比轮和所述轨道轮中的一个；通过控制器控制垂向加载系统和横向移动系统，使所述缩比轮对的车轮踏面和所述轨道轮接触，并通过垂向加载系统对所述缩比轮或所述轨道轮施加载荷；启动旋转驱动机构，待运转平稳后，通过阻尼及制动机构对向所述缩比轮和所述轨道轮中的从动轮施加阻尼转矩，使所述缩比轮的车轮踏面与所述轨道轮之间形成摩擦力；通过控制器控制横向移动系统，使所述缩比轮相对所述轨道轮进行横向运动，用以模拟车轮实际运行时的横向运动；试验过程中自动记录用于后期试样疲劳性能分析的实验数据，包括垂向加载载荷、试样旋转周次、车轮横向移动距离、横向载荷；对实验数据进行处理并对所述缩比轮的踏面进行检查，评价车轮踏面接触疲劳损伤状态；

进行车轴疲劳试验和/或车轮辐板疲劳试验时，该方法包括：

试样准备：车轴疲劳试验中需要准备缩比车轴和模拟车轮，所述模拟车轮用于模拟实际运行时车轮对实际车轴的作用；车轮辐板疲劳试验中需要准备缩比轮和模拟车轴，所述缩比轮的辐板从实际的全尺寸车轮辐板上取样，并与所述实际车轮的辐板成比例缩放制成，所述模拟车轴用于模拟实际运行时车轴对实际车轮的作用；

试验过程：安装实验装置，包括安装缩比车轴和/或缩比轮，使旋转驱动机构用于驱动缩比车轴或者缩比轮；通过旋转驱动电机驱动试样旋转，进行疲劳试验；试验过程中自动记录用于后期试样疲劳性能的分析的试验数据，包括垂向加载载荷、试样旋转周次；对所述缩比车轴的表面进行检查，评价车轴疲劳损伤状态，确定车轴疲劳性能，或者对所述缩比轮的辐板表面进行检查，评价车轮辐板疲劳损伤状态，确定车轮辐板疲劳性能。