CN107917817B - 轮轨滚动行为模拟试验台 - Google Patents
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Abstract
一种轮轨滚动行为模拟试验台，其高速回转盘上表面的边缘开有一圈大凹槽，大凹槽的底部嵌有模拟轨枕，模拟轨枕的上部开有小凹槽，小凹槽从下至上依次嵌合橡胶、钢轨的轨底；钢轨轨底上部两侧均设有模拟弹条，且模拟弹条同时覆盖轨底上部和轨枕；螺栓依次穿过模拟弹条、模拟轨枕后螺纹固定于高速回转盘的大凹槽底部；车轮传动电机轴的左端通过高速增速箱及万向联轴器与回转钢轨正上方的模拟车轮的轴连接，模拟车轮的轴同时通过轴承安装于轴承座上，轴承座的上端依次通过可横向移动的滑轨、三维力位移传感器、加载门架上的垂向加载器连接；该试验台更能真实的模拟再现高速轮轨关系及其损伤特性，且操作简单、测量精度高、实验数据重现性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种轮轨滚动行为模拟试验台装置。
背景技术
随着我国经济的快速发在，高速铁路运输越来越受到人们的青睐。列车牵引、运行和制动必须通过轮轨之间的滚动摩擦接触实现，轮轨系统是铁路运输的关键零部件，轮轨关系问题是铁路运输技术中的关键问题，世界各国尤其是铁路发达国家投入了大量的人力和财力开展了轮轨关系问题的研究。
轮对和轨道之间的滚动接触行为十分复杂：左右轮轨接触斑互相影响，特殊的几何型面、轮对相对钢轨的高速滚动和滑动、轮对和轨道的结构变形、轮轨接触表面粗糙度和第三介质(如水、油、沙子、树叶等)、轮轨材料缺陷和在反复碾压下的轮滚材料棘轮效应、轴重、车速等因素对轮轨接触力学行为均有影响。在轮轨接触接触理论模型和数值方法中，全部考虑到这些因素，进而对轮轨接触力学行为做出全面、准确的分析和研究存在相当大的困难。只能通过试验完成轮轨接触力学行为的测试和分析。线路运用试验虽然具有较高的可靠性，但持续时间长、费用大，对正常的铁路运营影响大，同时也难以控制运用条件。室内模拟试验可以控制运用条件，也可把许多复杂的因素进行独立的控制，从而获得较为精确、详尽的轮轨接触力学行为和轮轨伤损数据；从而为铁路运输的安全、可靠运行提供可靠的试验数据。已有的室内模拟试验装置，采用上部的一个轮子模拟车轮、下部的一个轮子模拟钢轨；通过两个轮子对滚，模拟轮轨的滚动行为，进而测出轮轨接触力学行为数据。其存在的问题是：下部模拟钢轨的轮子的形状、固定方式及材料均与与真实钢轨不同，导致其测出的轮轨接触力学行为及轮轨伤损数据，误差大，可靠性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种轮轨滚动行为模拟试验台，该试验台对轮轨滚动行为的模拟更真实，测得的轮轨滚动行为关系和轮轨伤损更准确、可靠，进而能为轮轨的设计、制备与维护，提供更加可靠的试验依据。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种轮轨滚动行为模拟试验台，其构成是：
钢轨底座的上部安装有钢轨回转电机，钢轨回转电机轴的右端连接光电编码器一；钢轨回转电机轴的左端通过钢轨底座上的回转变速箱与竖直的回转联轴器的下端相连，回转联轴器的上端与高速回转轴的下端相接；高速回转轴的中部安装有高速回转转盘，高速回转轴的上端通过轴承与支撑架连接，支撑架通过立柱支撑于地面；高速回转盘上表面的边缘安装有一圈闭合的钢轨；
所述的高速回转盘上表面的边缘安装有一圈闭合的钢轨的具体结构是：所述的高速回转盘上表面的边缘开有一圈大凹槽，大凹槽的底部间歇地嵌有模拟轨枕，模拟轨枕的上部开有小凹槽，小凹槽从下至上依次嵌合橡胶、钢轨的轨底；钢轨轨底上部两侧均设有模拟弹条，且模拟弹条同时覆盖钢轨的轨底上部和轨枕；螺栓依次穿过模拟弹条、模拟轨枕后螺纹固定于高速回转盘的大凹槽底部；
车轮安装座的上部安装可旋转的转动座，转动座上部的右侧安装车轮传动电机，车轮传动电机轴的右端连接光电编码器二；车轮传动电机轴的左端通过增速箱及万向联轴器与模拟车轮的轴连接；模拟车轮的轴同时通过轴承安装于轴承座上，轴承座的上端依次通过可横向移动的滑轨、三维力位移传感器和垂向加载器与加载门架连接；加载门架与转动座上的固定架连接；滑轨通过液压缸与固定架连接。
本发明的工作过程和原理是：
车轮传动电机是通过万向联轴器与模拟车轮连接，使模拟车轮既能沿其轴转动，同时模拟车轮整体又能在一定范围内沿各个方向偏移和转动；使车轮在轴向转动时，能够施加垂向和横向加载，且垂向和横向加载互不影响。
工作时，先开启钢轨回转电机和车轮传动电机分别驱动环形的钢轨和模拟车轮按设定转速匀速转动；启动垂向加载器，通过三维力位移传感器、滑轨、轴承座驱动模拟车轮向下移动，使模拟车轮与钢轨接触，模拟车轮与钢轨之间即产生轮轨滚动行为。
再通过垂向加载器，向模拟车轮施加设定的垂向载荷和振动，以分别模拟列车运行时的轮轨垂向力(车辆自重)和轨道纵向不平顺引起的车轮垂向振动。启动液压缸通过滑轨、轴承座驱动模拟车轮横向移动并施加设定的横向载荷，以模拟列车通过各种曲线轨道时的轮轨横向位移和离心力等横向力。同时，通过调节钢轨回转电机和车轮传动电机的转速，即可模拟出轮轨的不同滑差；旋轨转动座的角度，即可模拟车轮与钢轨的不同冲角，模拟出车轮转弯时的弯道曲线半径。从而完整的模拟各种工况下高速轮轨之间的接触滚动行为。
试验过程中，通过三维力位移传感器采集及传送模拟轮轨受到的垂向力、横向力、切向力。试验完成后，通过对采集到的数据进一步处理，即可测试分析得到不同工况下的轮轨接触关系；同时也能对模拟车轮与钢轨的磨损进行进一步分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、钢轨通过模拟弹条、橡胶、模拟轨枕经螺栓离散地支撑固定于高速回转盘上的模拟轨枕上，与真实的钢轨通过弹条、橡胶垫经螺栓离散支撑固定于道床的轨枕上的连接结构更逼近。不仅反映了支撑处无弯曲应力时的轮轨滚动行为及对轮轨材料服役性能的影响，也反映了非支撑(螺栓间歇)处钢轨发生弯曲应力时的轮轨滚动行为及对轮轨材料服役性能的影响，从而能更真实的模拟、再现高速轮轨接触滚动行为及损伤特性，其试验结果更准确、可靠。进而能为轮轨的设计、制备与维护，提供更加可靠、准确的试验依据。
二、本发明可以模拟出列车运行时的轮轨垂向力(车辆自重)、轨道纵向不平顺引起的车轮垂向振动，列车通过各种曲线轨道时的轮轨横向位移和离心力等横向力，轮轨的不同滑差，车轮转弯时的弯道曲线半径等各种工况。从而能更全面、更完整的测试出各种工况下，高速轮轨之间的接触滚动行为。
三、钢轨回转电机、车轮传动电机的轴上连接有光电编码器，能对电机进行精确测量并反馈控制，模拟车轮和钢轨模拟盘的转速精确，使得测量数据与结果更加精确、可靠。
进一步，本发明的车轮安装座的左侧固定有反力支撑座，反力支撑轮的轴通过轴承安装于反力支撑座的轴承座上，且反力支撑轮的顶缘与高速回转盘底面的右侧接触。
这样，高速回转盘的右侧在承受垂向载荷时，反力支撑座及反力支撑轮在不会妨碍高速回转盘转动的前提下，能对高速回转盘起到支撑作用，防止高速回转盘倾斜下移。进一步保证了试验的准确、可靠，同时也提高了本发明的试验台的使用寿命。
更进一步本发明的的支撑架的下表面安装有钢轨打磨装置，且钢轨打磨装置位于高速回转盘左侧的钢轨的正上方。
这样，当钢轨发生损伤后，可以对其进行修复，修复后即可进行新的实验，一个钢轨可进行多次试验，降低了试验成本。
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是本发明实施例的主视结构示意图。
图2是本发明实施例的俯视结构示意图。
图3是图2的B-B剖面放大图。
图4是图2中的C-C剖面放大图。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式为，一种轮轨滚动行为模拟试验台，其构成是：
参见图1、图2，钢轨底座10的上部安装有钢轨回转电机11，钢轨回转电机11轴的右端连接光电编码器一11a；钢轨回转电机11轴的左端通过钢轨底座 10上的回转变速箱12与竖直的回转联轴器13的下端相连，回转联轴器13的上端与高速回转轴14的下端相接；高速回转轴14的中部安装有高速回转转盘15，高速回转轴14的上端通过轴承与支撑架16连接，支撑架16通过立柱16a支撑于地面；高速回转盘15上表面的边缘安装有一圈闭合的钢轨17。
图3及图2、图4示出，所述的高速回转盘15上表面的边缘安装有一圈闭合的钢轨17的具体结构是：所述的高速回转盘15上表面的边缘开有一圈大凹槽15a，大凹槽15a的底部间歇地嵌有模拟轨枕18，模拟轨枕18的上部开有小凹槽，小凹槽从下至上依次嵌合橡胶19、钢轨17的轨底；钢轨17轨底上部两侧均设有模拟弹条20，且模拟弹条20同时覆盖钢轨17的轨底上部和轨枕17；螺栓21依次穿过模拟弹条20、模拟轨枕18后螺纹固定于高速回转盘15的大凹槽15a底部；
图1-2示出，车轮安装座30的上部安装可旋转的转动座31，转动座31上部的右侧安装车轮传动电机32，车轮传动电机32轴的右端连接光电编码器二 32a；车轮传动电机32轴的左端通过增速箱33及万向联轴器34与模拟车轮35 的轴连接；模拟车轮35的轴同时通过轴承安装于轴承座36上，轴承座36的上端依次通过可横向移动的滑轨37、三维力位移传感器38和垂向加载器40与加载门架39连接；加载门架39与转动座31上的固定架41连接；滑轨37通过液压缸37a与固定架41连接。
图1示出，本例的车轮安装座30的左侧固定有反力支撑座50，反力支撑轮 51的轴通过轴承安装于反力支撑座50的轴承座52上，且反力支撑轮51的顶缘与高速回转盘15底面的右侧接触。
图1示出，本例的支撑架16的下表面安装有钢轨打磨装置，且钢轨打磨装置位于高速回转盘15左侧的钢轨17的正上方。
本发明实施时，模拟车轮35和钢轨17分别由真实的车轮钢和钢轨钢制造而成，这样能更真实的模拟再现高速轮轨材料的损伤特性。
本发明的转动座31的转动结构可以是各种现有的转动机构，如：在转动座31底部的垂轴安装于车轮安装座30的轴孔中。并可在车轮安装座30上设有穿过转动座31弧形槽的定位螺杆，定位螺杆上端设置拧紧螺母，以实现转动座31的转动及定位。
Claims (1)
1.一种轮轨滚动行为模拟试验台，其构成是：
钢轨底座(10)的上部安装有钢轨回转电机(11)，钢轨回转电机(11)轴的右端连接光电编码器一(11a)；钢轨回转电机(11)轴的左端通过钢轨底座(10)上的回转变速箱(12)与竖直的回转联轴器(13)的下端相连，回转联轴器(13)的上端与高速回转轴(14)的下端相接；高速回转轴(14)的中部安装有高速回转转盘(15)，高速回转轴(14)的上端通过轴承与支撑架(16)连接，支撑架(16)通过立柱(16a)支撑于地面；高速回转盘(15)上表面的边缘安装有一圈闭合的钢轨(17)；
所述的高速回转盘(15)上表面的边缘安装有一圈闭合的钢轨(17)的具体结构是：所述的高速回转盘(15)上表面的边缘开有一圈大凹槽(15a)，大凹槽(15a)的底部间歇地嵌有模拟轨枕(18)，模拟轨枕(18)的上部开有小凹槽，小凹槽从下至上依次嵌合橡胶(19)、钢轨(17)的轨底；钢轨(17)轨底上部两侧均设有模拟弹条(20)，且模拟弹条(20)同时覆盖钢轨(17)的轨底上部和模拟轨枕(18)；螺栓(21)依次穿过模拟弹条(20)、模拟轨枕(18)后螺纹固定于高速回转盘(15)的大凹槽(15a)底部；
车轮安装座(30)的上部安装可旋转的转动座(31)，转动座(31)上部的右侧安装车轮传动电机(32)，车轮传动电机(32)轴的右端连接光电编码器二(32a)；车轮传动电机(32)轴的左端通过增速箱(33)及万向联轴器(34)与模拟车轮(35)的轴连接；模拟车轮(35)的轴同时通过轴承安装于第一轴承座(36)上，第一轴承座(36)的上端依次通过可横向移动的滑轨(37)、三维力位移传感器(38)和垂向加载器(40)与加载门架(39)连接；加载门架(39)与转动座(31)上的固定架(41)连接；滑轨(37)通过液压缸(37a)与固定架(41)连接；
所述的车轮安装座(30)的左侧固定有反力支撑座(50)，反力支撑轮(51)的轴通过轴承安装于反力支撑座(50)的第二轴承座(52)上，且反力支撑轮(51)的顶缘与高速回转盘(15)底面的右侧接触；
所述的支撑架(16)的下表面安装有钢轨打磨装置(6)，且钢轨打磨装置(6)位于高速回转盘(15)左侧的钢轨(17)的正上方。
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