CN108956067B - 一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台，用以通过模拟轮轨垂向加载和轮轨冲角调节，该滚动振动试验台包括：整体框架支撑装置：包括底板、顶板、连接底板和顶板的框架方钢以及用以固定框架方钢和底板的斜方钢；轮轨模拟装置：包括下端盖、通过从动轴与下端盖连接的滚动轮以及与滚动轮过盈配合的钢轨轮；主动轴旋转驱动装置：包括依次连接的电动机、十字联轴器和主动轴，所述的主动轴与钢轨轮传动连接；垂向加载装置：与顶板连接，用以向滚动轮加载垂向载荷；角度调节装置：与垂向加载装置连接，用以调整轮轨冲角。与现有技术相比，本发明具有检测切向和横向蠕滑、检测准确精度高、经济快捷、运行成本低等优点。

Description

一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台

技术领域

本发明涉及钢轨波磨技术领域，尤其是涉及一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台。

背景技术

钢轨波磨问题是轮轨关系领域研究的难题之一。随着我国地铁交通的快速发展,地铁线路钢轨波磨现象较为普遍。钢轨波磨不仅加剧轮轨间相互作用，导致车辆轨道系统振动噪声过大，影响乘坐舒适性，而且缩短车辆轨道零部件疲劳寿命，产生安全隐患。目前关于钢轨波磨成因的解释没有统一定论。因而，开展地铁钢轨波磨成因及其影响研究，为波磨机理的深入系统研究提供参考，为线路维护保养提供工程指导，对增加结构部件使用寿命和可靠性，保证列车运营安全和乘车舒适性有重要意义，由于波磨多方面的危害，如能找到波磨的产生及发展机理，可以从波磨产生初期进行预防以减少波磨的产生，这样对于铁路及相关部门具有重大的经济意义。

对轮轨磨耗的试验研究主要有试验台试验和线路试验，线路试验是指在实际的运营线路上进行试验或者单独建立环行线进行试验，试验结果更为接近实际线路磨耗情况，但成本昂贵，不易单独测试某因素对轮轨磨耗的影响。通过本试验台试验不仅经济快捷，而且可以单独测试各因素对轮轨磨耗的影响，可达到线路试验无法达到的极限工况。通过轮轨关系实验台试验进行轮轨波磨的理论研究是一种必须的技术手段，对轮轨关系试验台的研究具有十分重要的意义。本试验机可模拟不同工况下任意型机车车辆车轮作用于任意类型钢轨上，可以研究相关的轮轨关系，包括蠕滑、粘着、磨损机理、几何形状匹配、塑性流动、材质匹配等重要问题，另外还可研究轮轨接触应力、轮轨接触面积以及轮轨摩擦磨损的变化规律。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台，用以通过模拟轮轨垂向加载和轮轨冲角调节，该滚动振动试验台包括：

整体框架支撑装置：包括底板、顶板、连接底板和顶板的框架方钢以及用以固定框架方钢和底板的斜方钢；

轮轨模拟装置：包括下端盖、通过从动轴与下端盖连接的滚动轮以及与滚动轮过盈配合的钢轨轮；

主动轴旋转驱动装置：包括依次连接的电动机、十字联轴器和主动轴，所述的主动轴与钢轨轮传动连接；

垂向加载装置：与顶板连接，用以向滚动轮加载垂向载荷；

角度调节装置：与垂向加载装置连接，用以调整轮轨冲角。

所述的垂向加载装置包括上端盖、滚珠丝杠驱动杆、滚珠丝杠、弹簧和垂向传感器，所述的上端盖为圆凸台型，其凸台部中心设有用以穿过滚珠丝杠的通孔，且与顶板上的圆形通孔间隙配合，并且能够在顶板上的圆形通孔中旋转，所述的滚珠丝杠驱动杆、滚珠丝杠、弹簧、垂向传感器和下端盖依次传动连接，所述的上端盖通过多个定位轴与下端盖连接。

所述的角度调节装置包括设置在框架方钢上的角度调节固定架以及依次传动连接的角度调节手把、角度调节摇臂、角度调节丝杆、滑块和角度调节耳板，所述的角度调节耳板与上端盖连接，并且通过转动杆与滑块连接。

所述的该滚动振动试验台还包括数据采集装置，所述的数据采集装置包括轴向传感器、采集仪和PC机，所述的PC机通过采集仪分别与轴向传感器和垂向传感器连接，所述的轴向传感器通过推力球轴承与主动轴的尾端连接。

所述的垂向加载装置的最大加载力为2000N，电动机的最大转速为473rad/min，模拟轮轨冲角最大调整角度为15度。

所述的顶板上设有多个用以调节上端盖垂直位置的法兰直线轴承。

所述的主动轴旋转驱动装置还包括用以调节电动机转速的变频器，其变频范围为0-600Hz。

所述的主动轴旋转驱动装置还包括设置在主动轴两侧的圆柱滚子轴承，所述的圆柱滚子轴承为轴面无约束型圆柱滚子轴承。

所述的十字联轴器在左右联轴器连接处加设滚珠，用以使联轴器左右两端在轴向可相对左右移动。

为了精确得测出横向力即轴向力，通过增加滚珠与滚道使联轴器与主动轴由干摩擦接触转变为滚动摩擦，当滚动轮产生角度产生横向力可以全部传递到轴向传感器，避免干摩擦抵销掉一部分横向力，由于横向力本身不大，因此左右移动位移较小。

所述的角度调节耳板为一中部设有方形通槽的方形板件，所述的滑块为的上表面通过转动杆固定在方形通槽内，侧面与角度调节丝杆传动连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本试验台可精确模拟轨道车辆轮轨的局部切向滑动，观察在不同等效正压力作用下的蠕滑力-蠕滑率特性曲线。

2.本试验台通过角度调节装置使滚动轮与钢轨轮形成一个角度，以此角度引起横向蠕滑从而模拟轮轨切向蠕滑。

3.轴承座采用横向无约束止挡轴承座，轴圈可在轴向做自由伸缩运动，保证横向力向平面轴承方向的力的传递。

4.本试验台联轴器选用常用的SL100型号联轴器，对联轴器进行改造增加滚珠、滚道，滚珠和滚道可使联轴器在传递扭矩的同时又能使两半轴在轴向上自由伸缩运动，使模拟车轮和模拟轨轮之间产生的横向力自由传送到滚珠球轴承和横向载荷传感器上，从而获得不同角度下的横向蠕滑力。

5.本试验台垂向传感器和横向传感器通过东方所数据采集仪进行数据采集，通过设置和软件处理可实时显示和存储模拟车轮和模拟轨轮之间的垂向和横向压力，从而精确得出轮轨间的横向蠕滑率。

6.本实验台上端盖有4个法兰直线轴承与两个定位轴，上端盖可通过法兰直线轴承滚珠沿定位轴上下运动。消除了实验过程中振动对实验数据精度的影响。

7.本试验台可模拟不同工况下车辆车轮作用于钢轨上的关系，可以研究相关的轮轨关系，包括蠕滑、粘着、磨损机理、几何形状匹配、塑性流动、材质匹配等重要问题，另外还可研究轮轨接触应力、轮轨接触面积以及轮轨摩擦磨损的变化规律。

8.本实验台实验不仅经济快捷，而且可以单独测试各因素对轮轨磨耗的影响，可达到线路实验无法达到的极限工况。该实验台还可精确模拟轮对冲角，角度调节精度可达0.1度，实验过程操作简便，工作效率高，运行成本低，是可以模拟多种轮轨关系的多功能实验台。

附图说明

图1为本发明正视图。

图2为本发明侧视图。

图3为角度调节装置的机构示意图。

图中标记说明：1为滚珠丝杠驱动杆，2为滚珠丝杠，3为滚珠丝杆螺母，4为法兰直线轴承，5为顶板，6为上端盖，7为支撑杆，8为传感器垫片，9为垂向传感器，10为下端盖，11为深沟球轴承，12为从动轴，13-为滚动轮，14为斜方钢，15为电动机，16为十字联轴器，17为钢轨轮，18为圆柱滚子轴承座，19为圆柱滚子轴承，20为推力球轴承，21为轴向传感器，22为传感器座，23为斜方刚垫片，24为转动杆，25为角度调节丝杆轴承，26为角度调节支撑板，27为角度调节摇臂，28为角度调节手把，29主动轴，30为角度调节丝杆，31为角度调节耳板，32为框架支撑方刚，33为T型垫片，34为底板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1和2所示，本发明提供一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台，该试验台包括轮轨模拟装置、垂向加载装置、轴向驱动约束装置、角度调节装置、整体框架支撑装置、数据采集装置。其中，轮轨模拟装置是根据地铁车辆轮子和轨道几何尺寸及力学特征按1:3比例设计，是整个试验台的核心部分及基础，垂向加载装置是模拟轨道上的载荷，通过滚珠丝杠和弹簧控制实验台的垂向加载力。轴向驱动约束装置通过电机驱动钢轨轮模拟地铁车辆的速度，角度调节装置是为了模拟轮轨冲角。通过摇臂的旋转运动转化为丝杆的直线运动，之后带动滚动轮旋转使得钢轨轮与滚动轮间形成角度。整体框架支撑装置其最主要的作用是给其他装置提供稳定的空间位置，防止实验过程中装置的振动与晃动，从而保证实验数据的准确性。

轮轨模拟装置包括滚动轮13、下端盖10、从动轴12、深沟球轴承11、钢轨轮17，滚动轮13与从动轴12以k6公差过盈配合，从动轴12与深沟球轴承11内圈过盈配合，滚动轮13与钢轨轮17相切，当钢轨轮17转动时滚动轮13与钢轨轮17间的摩擦力带动滚动轮13转动，从而实现轮轨关系的模拟；

垂向加载装置包括滚珠丝杠驱动杆1、滚珠丝杠2、滚珠丝杠螺母3、法兰直线轴承4、顶板5、上端盖6、支撑杆7、传感器垫片8、从动轴12、垂向传感器9、深沟球轴承11，滚珠丝杠2通过滚珠丝杆螺母3与顶板5连接，上端盖6凸台与顶板5上的圆形通孔以0.5mm的间隙相配合，弹簧与传感器垫片8位于上端盖6的中心轴孔(用以穿过滚珠丝杠2)中，上端盖6与下端盖10通过定位轴相连，通过转动滚珠丝杠驱动杆1使的丝杠2沿螺母向下运动压缩弹簧，随着丝杠2的不断转动，弹簧力越来越大，加在传感器、下端盖10、滚动轮13的力也越来越大，即加载力不断增大，完成垂向力的加载，上端盖有4个法兰直线轴承与两个定位轴，上端盖可通过法兰直线轴承滚珠沿定位轴上下运动，垂向加载装置的最大加载力为2000N，转数最大为473rad/min，最大模拟轮对冲角30度；

轴向驱动约束装置包括电动机15、十字联轴器16、主动轴29、圆柱滚子轴承19、圆柱滚子轴承座18、推力球轴承20、轴向传感器21、传感器座22，主动轴29分别与十字联轴器16右端、圆柱滚子轴承19内圈、推力球轴承20过盈配合。电动机15通过键与十字联轴器16左端连接，推力球轴承20与主动轴尾端相连，传感器座22的推力将传感器21通过转换座与推力球轴承20紧紧接触，电动机15通过联轴器16带动主动轴转动，主动轴带动钢轨轮17转动，钢轨轮17带动滚动轮13转动，当钢轨轮17与滚动轮13之间有角度时，两轮子的滚动摩擦逐渐转化为滑动摩擦，产生横向蠕滑力通过推力球轴承20传递到传感器21上，电动机连着变频器与十字联轴器，变频器可以调节电动的转数，调频范围为0～600赫兹；

如图3所示，角度调节装置包括角度调节手把28、角度调节摇臂2、角度调节固定架26、角度调节丝杆轴承25、角度调节耳板31、转动杆24、角度调节丝杆30和滑块，角度调节丝杆30与角度调节丝杆轴承25内圈通过顶丝固定，轴承外圈与调心轴承座固定在角度调节固定架26上。通过角度调节摇臂27的旋转运动转化为角度调节丝杆30的直线运动，丝杆带动丝杆螺母、滑块、转动杆24做直线运动，从而带动上端盖6转动，角度调节耳板的作用为连接与传动，即把上端盖与耳板融为一体，又将推杆的推力转换为上端盖的旋转力。为保证连接紧固和推力传动效率高，上端盖与耳板的连接采用内六角螺丝连接；

整体框架支撑装置包括顶板5、框架支撑方刚32、斜方钢垫片、斜方钢14、角度调节固定架26、T型垫片33、底板34，底板34为轴向驱动约束装置提供固定的位置，顶板5与框架支撑方钢32约束垂向加载装置的空间位置，为轴向驱动约束装置提供固定的位置，顶板5与框架支撑方钢32约束垂向加载装置的空间位置，角度调节固定架26给角度调节装置提供固定的空间位置，斜方钢14从整体对试验台加固，即在框架支撑方刚32与底板间焊接两根斜方钢，保证整个试验台的稳定性，防止实验台在实验过程中晃动和振动；

数据采集装置包括垂向传感器9、轴向传感器21、东方所采集仪、计算机，垂向传感器9与轴向传感器21分别与东方所采集仪相连，东方所采集仪与计算机相连。

上端盖的三维模型设计为凸台结构，凸台结构即可通过顶板约束整个加载装置的空间位置，又可在耳板的扭矩力下轻松准确的完成角度调节，滚珠丝杠具有很小的摩擦力，可使加载装置达到高精度、高效率、可逆性的效果。可以轻松的完成加载与卸载的过程。

本发明的实验过程如下：

在做实验时，首先转动滚珠丝杠转杆，使丝杠沿滚珠丝杠螺母向下运动，丝杠通过传感器垫片向下压缩弹簧，加载力就通过弹簧传递到传感器上，同时观察采集仪上垂向加载力的数值，当采集仪显示垂向加载力数值为500N时，开始调节角度，角度调节范围为0～5度。第一次调节角度为0.5度，之后实验以每次0.5度增加。然后打开电动机，通过调整变频器频率使的电动机转数为200rad/min，待实验台稳定后，就记录下在对应加载力、调节角度、及转数下的轴向传感器的数值。此时轴向传感器的数值即横向蠕滑力，最后应用东方所采集仪自带软件分析所测数据，之后对所测数据应用MATLAB画出粘滑力曲线。同理，在转数为200rad/min时分别在加载力为600N、700N、800N、900N、1000N时做5组实验，并分别记录分析数据，最后应用MATLAB画出粘滑力曲线。针对每一组数据将其滤波后的数据应用东方所采集仪自带软件分析波形稳定的10s区间，并算出其平均值，此值即横向蠕滑力，然后以横向蠕滑力为纵坐标，以转动角度为横坐标，应用MATLAB画出粘滑力曲线。然后就可以分析在固定转数及固定加载力下转动角度与横向蠕滑力的关系，最后将六组数据画在同一坐标系下,分析对比在同一转数同一角度下垂向加载力与横向蠕滑力的关系，为之后的波磨机理的研究提供理论基础。

本实验机可模拟不同工况下任意型机车车辆车轮作用于任意类型钢轨上，研究相关的轮轨关系，包括蠕滑、粘着、磨损机理、几何形状匹配、塑性流动、材质匹配等重要问题，另外还可研究轮轨接触应力、轮轨接触面积以及轮轨摩擦磨损的变化规律。具体功能还包括：

1.可进行几何模拟和赫兹模拟试验研究；

2.可有效模拟直线工况和不同轨道曲线半径工况；

3.可有效模拟不同速度和轴重工况下的纯滚动、牵引和制动工况；

4.可有效模拟不同轮轴横向力工况；

5.可有效模拟不同轮轨表面污染工况(如轮轨接触面内存在油、水、砂、绣等污染物)；

6.可有效模拟不同工况下黏着-蠕滑特性；

7.可进行不同轮轨材质以及不同硬度的匹配研究；

8.对润滑油、润滑脂、润滑膏使用性能评定试验；

10.研究轨道车辆载荷与轮轨间最大静摩檫力的关系；

11.轨道车辆载重大小与钢轨波磨损伤程度的关系；

12.车辆转动角度与横向蠕滑力大小的关系。

Claims (6)

1.一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台，用以通过模拟轮轨垂向加载和轮轨冲角调节，其特征在于，该滚动振动试验台包括：

整体框架支撑装置：包括底板(34)、顶板(5)、连接底板(34)和顶板(5)的框架方钢(32)以及用以固定框架方钢(32)和底板(34)的斜方钢(14)；

轮轨模拟装置：包括下端盖(10)、通过从动轴(12)与下端盖(10)连接的滚动轮(13)以及与滚动轮(13)过盈配合的钢轨轮(17)；

主动轴旋转驱动装置：包括依次连接的电动机(15)、十字联轴器(16)和主动轴(29)，所述的主动轴(29)与钢轨轮(17)传动连接；

垂向加载装置：与顶板(5)连接，用以向滚动轮(13)加载垂向载荷，所述的垂向加载装置包括上端盖(6)、滚珠丝杠驱动杆(1)、滚珠丝杠(2)、弹簧和垂向传感器(9)，所述的上端盖(6)为圆凸台型，其凸台部中心设有用以穿过滚珠丝杠(2)的通孔，且与顶板(5)上的圆形通孔间隙配合，并且能够在顶板(5)上的圆形通孔中旋转，所述的滚珠丝杠驱动杆(1)、滚珠丝杠(2)、弹簧、垂向传感器(9)和下端盖(10)依次传动连接，所述的上端盖(6)通过多个定位轴与下端盖(10)连接，所述的十字联轴器(16)在左右联轴器连接处加设滚珠，用以使联轴器左右两端在轴向可相对左右移动；

角度调节装置：与垂向加载装置连接，用以调整轮轨冲角，所述的角度调节装置包括设置在框架方钢(32)上的角度调节固定架(26)以及依次传动连接的角度调节手把(28)、角度调节摇臂(27)、角度调节丝杆(30)、滑块和角度调节耳板(31)，所述的角度调节耳板(31)与上端盖(6)连接，并且通过转动杆(24)与滑块连接，所述的角度调节耳板(31)为一中部设有方形通槽的方形板件，所述的滑块为的上表面通过转动杆(24)固定在方形通槽内，侧面与角度调节丝杆(30)传动连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台，其特征在于，所述的该滚动振动试验台还包括数据采集装置，所述的数据采集装置包括轴向传感器(21)、采集仪和PC机，所述的PC机通过采集仪分别与轴向传感器(21)和垂向传感器(9)连接，所述的轴向传感器(21)通过推力球轴承(20)与主动轴(29)的尾端连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台，其特征在于，所述的垂向加载装置的最大加载力为2000N，电动机(15)的最大转速为473rad/min，模拟轮轨冲角最大调整角度为15度。

4.根据权利要求1所述的一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台，其特征在于，所述的顶板(5)上设有多个用以调节上端盖(6)垂直位置的法兰直线轴承(4)。

5.根据权利要求1所述的一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台，其特征在于，所述的主动轴旋转驱动装置还包括用以调节电动机(15)转速的变频器，其变频范围为0-600Hz。

6.根据权利要求1所述的一种模拟轨道交通轮轨关系的滚动振动试验台，其特征在于，所述的主动轴旋转驱动装置还包括设置在主动轴(29)两侧的圆柱滚子轴承(19)，所述的圆柱滚子轴承(19)为轴面无约束型圆柱滚子轴承。

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