CN109708906A

CN109708906A - 一种快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方法

Info

Publication number: CN109708906A
Application number: CN201910129168.5A
Authority: CN
Inventors: 王文健; 师陆冰; 丁昊昊; 李群; 郭俊; 刘启跃; 周仲荣; 温泽峰
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2019-05-03

Abstract

本发明公开了一种快速测量轮轨黏着‑蠕滑曲线的实验方法，试验开始伺服驱动电机以设定的模拟速度带动两转轴同速转动，保持蠕滑率为0；轮试样轴上施加方向向下的法向载荷，使轮轨试样发生滚动接触，其界面接触应力取现场轮轨界面接触应力水平；其后的实验过程中：轨试样轴驱动电机保持稳定转速，轮试样轴驱动电机按照设定的蠕滑率s变化曲线进行调整；控制轮轨试样间的蠕滑率按照设定的曲线变化，测量并记录蠕滑率变化过程中轮轨试样间的黏着系数。本方法可在一次实验过程中获得一条完整的黏着‑蠕滑曲线，与传统方法相比可有效降低实验时间，且所测曲线均匀连续，包含更多的曲线变化细节，可有效利用数值拟合方法进行曲线特征分析。

Description

一种快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方法

技术领域

本发明涉及模拟轮轨滚动接触实验技术，具体涉及一种测定轮轨界面黏着-蠕滑曲线及曲线特征的实验方法。

背景技术

轮轨界面黏着-蠕滑曲线是反映机车运行过程中轮轨界面的可利用黏着水平，是机车动力研究和黏着控制系统设计的重要参数，其曲线特征(包含曲线峰值点位置和初始阶段斜率)是评价蠕滑率对黏着系数影响规律的简化指标。

考虑实验的经济性和重复性，轮轨界面黏着实验广泛地在实验室内采用双轮对滚方式进行模拟，黏着-蠕滑曲线的测定往往通过进行多组不同蠕滑率下的独立实验测定每个蠕滑下平均黏着系数的方式获得。该实验方法获得的黏着-蠕滑曲线受实验样本量的限制，往往只是对几个间隔较大的蠕滑率下的数据点间的连线，其均匀性较差，只能进行趋势分析，不能准确判定曲线峰值点的具体位置和初始阶段的斜率。此外，该实验方法需要进行多组不同蠕滑率下的独立实验，所需实验时间较长，且易受不同实验组间的模拟条件变化的影响。

发明内容

针对现有实验方法存在的问题，本发明拟提供一种快速测量轮轨界面黏着-蠕滑曲线及曲线特征的实验方法，该方法同样基于双轮对滚式轮轨滚动接触模拟实验，实验过程中通过控制轮轨试样间蠕滑率按照设定的曲线进行均匀变化在一组实验内便可以自动获得一条完整、连续的黏着-蠕滑曲线，并通过对曲线进行数值拟合的方式自动获得曲线峰值点位置和初始斜率。

为实现发明目的，所采用的技术方案是：

一种快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方法，将车轮材料与钢轨材料加工成圆盘状对滚试样分别安装于两平行设置的轮试样轴和轨试样轴上，并由两个伺服驱动电机分别驱动以设定的模拟速度带动两轴转动，通过液压机构在上转轴上施加法向载荷，使轮轨试样发生滚动接触；通过设置在轮试样轴上的扭矩传感器和设置在液压机构中的压力传感器测定摩擦力矩和实验力数据而最终获得轮轨界面黏着-蠕滑性能。采用如下的步骤完成实验：(1)试验开始：伺服驱动电机以设定的模拟速度带动两转轴同速转动，保持蠕滑率为0；轮试样轴上施加方向向下的法向载荷，其载荷接触应力取现场轮轨界面接触应力；使轮轨试样发生滚动接触；(2)其后的实验过程中：轨试样轴驱动电机保持稳定转速，轮试样轴的伺服驱动电机按照设定的蠕滑率变化曲线进行降速或升速；钢轨试样转速恒定为n_r，车轮试样转速n_w按照n_w＝n_r*(1-s)的关系进行实时调整，控制轮轨试样间的蠕滑率按照设定的曲线变化，在此过程中测量并记录蠕滑率变化过程中轮轨试样间的黏着系数；(3)根据记录的蠕滑率和黏着系数输出一条完整的黏着-蠕滑曲线，及曲线的峰值点位置和初始斜率。

步骤(2)中蠕滑率s变化曲线在模拟制动工况时为阶梯式上升曲线，从0递增至终值S_t；在模拟牵引工况时为阶梯式下降曲线，从0递减至终值S_t；蠕滑率调整速率为每200转(钢轨试样转数)增加或降低0.1％，保证轮轨试样始终处于稳态滚动状态。

为保证能准确评估黏着-蠕滑曲线特征，所选终值S_t绝对值应超过所测黏着-蠕滑曲线峰值点处蠕滑率绝对值的两倍以上，该值可根据经验选择一较大值(通常5％即可满足要求)或通过预实验确定。

曲线的峰值点位置和初始斜率通过对测得的黏着-蠕滑曲线进行数值拟合获得。

本发明的工作过程是：

根据实验目的选择相匹配的车轮钢轨材料，并分别加工成相同直径的圆盘形试样，试样滚动接触面可选择带圆弧的点接触形式或不带圆弧的线接触形式。

实验前使用酒精或丙酮对轮轨试样进行超声波清洗，确保表面光洁无油污及其他污染物。

将轮轨试样分别安装在两平行设置的转轴上，根据设定的模拟速度，控制两伺服驱动电机以相同速度带动转轴转动，此时轮轨试样间的蠕滑率为0。

在上转轴上施加方向向下的法向载荷，使两试样间的接触应力等于现场轮轨界面接触应力，所需法向载荷根据试样的几何尺寸按照赫兹接触理论进行计算。

设定蠕滑率变化曲线，轨试样转轴伺服驱动电机转速始终保持恒定，轮试样转轴的驱动电机按照设定的蠕滑率变化曲线对转速进行调控，其计算公式为：

n_w＝n_r(1-s) (1)

其中s为蠕滑率，n_w，n_r分别为车轮试样和钢轨试样转速，制动工况下s为正，牵引工况下s为负。

实验过程中实验机配套的测控系统实时测量和记录轮轨试样间的实时蠕滑率和黏着系数。实验结束后根据记录的蠕滑率和黏着系数自动输出一条完整的黏着-蠕滑曲线。

考虑轮轨蠕滑理论中，黏着-蠕滑曲线总有以下形式：

其中μ为黏着系数，s为蠕滑率，蠕滑率绝对值|s|从0增加至s₀过程中黏着系数持续增加，在超过s₀后黏着系数达到稳定值μ₀。利用该规律，可在测得的黏着-蠕滑曲线上通过对大蠕滑率范围内黏着系数求平均值的方式确定μ₀，进而确定所测黏着-蠕滑曲线上首先达到μ₀时的蠕滑率s₀确定曲线峰值点的位置。

曲线初始斜率特征参数的获得按下式对测得的黏着-蠕滑曲线进行拟合：

其中μ为黏着系数，s为蠕滑率，μ_c和s_c为待定系数，通过对实验测得的黏着蠕滑曲线进行拟合获得。式(3)中μ_c和s_c之间的比值为该曲线在蠕滑率s趋紧于0时的导数，因此其比值可直接作为该黏着-蠕滑曲线初始阶段的曲线斜率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

可在一次实验内获得一条完整的黏着-蠕滑曲线，整个实验持续时间可控制在20分钟以内，与传统方法中进行若干组单滑差黏着实验的方法相比极大降低了所需的实验时间。

所获得的黏着-蠕滑曲线，包含50个以上的蠕滑率坐标，近似于一条连续的曲线，与传统方法中进行若干组单滑差黏着实验后对各滑差下黏着系数平均值进行连线的方式相比，所测得的黏着-蠕滑曲线具备更多细节。

整个实验过程及后续数据处理自动化程度高，可避免人工操作和主观因素带来的误差。

附图说明

图1是本发明实施例的中轮轨试样实验安装示意图。

图2是本发明实施例中所用的实验装置结构简图。图a为俯视图；图b为图a的A-A方向剖面图。

图3是本发明实施例中蠕滑率变化曲线及对应的轮轨试样转速变化曲线(模拟制动工况)。

图4为本发明实施例中获得的轮轨黏着-蠕滑曲线。

图5是本发明实施例中根据获得的黏着-蠕滑曲线利用数值拟合方法计算得到的曲线特征参数。其中图a为计算曲线峰值点位置示意图；图b为计算曲线初始阶段斜率示意图。

图2中各部件为：1机架，2伺服电机-1，3伺服电机-2，4液压缸，5摆臂，6齿轮带，7轮试样轴，8车轮试样，9钢轨试样，10轨试样轴，11扭矩传感器，12压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地说明。

实施例

本发明方法的一种具体实施方式为：

加工车轮、钢轨试样，车轮试样取自CL60车轮踏面，钢轨试样取自U71Mn钢轨轨头。两试样分别加工为外径52mm，内径32mm，滚动接触表面宽度为10mm的圆盘试样。试样表面进行抛光处理，表面粗糙度Ra小于1μm。

实验前用酒精对试样进行20分钟的超声清洗，保证试样表面光洁，无油污、氧化物等污染物。

清洗后的轮轨试样分别安装于双盘式轮轨滚动接触模拟实验机的上、下轴上，如图1所示。图2示出一种该类型实验机的一般结构示意图。车轮试样8和钢轨试样9分别安装于实验机上轮试样轴7和轨试样轴10上，分别由伺服电机(2和3)通过齿轮带6驱动。

实验中的法向载荷由液压缸4提供，通过摆臂5将法向载荷传递给轮轨试样(8和9)。实验所需的法向载荷由赫兹接触理论进行计算，满足最大接触应力与现场轮轨接触界面最大接触应力相等原则，本实施例中模拟城轨系统轮轨间的接触应力水平(800Mpa)，所需实验力为2300N。

实验中轮轨试样的实时转速由与伺服电机配套的伺服驱动器进行控制及测定。伺服电机额定转速范围为100-2000r/min，精度为0.1r/min，可满足对0.1％蠕滑率增量步的精确控制。

采用如下的步骤完成实验：(1)试验开始：伺服驱动电机以设定的模拟速度带动两转轴同速转动，保持蠕滑率为0；轮试样轴上施加方向向下的法向载荷，其载荷接触应力取现场轮轨界面接触应力，使轮轨试样发生滚动接触；(2)本实施例中模拟制动工况下的轮轨黏着-蠕滑特性，设定蠕滑率变化曲线为从0递增至5％，实验过程中，钢轨试样转速恒定为500r/min，车轮试样转速n_w按照n_w＝500*(1-s)的关系进行实时调整，控制轮轨试样间的蠕滑率按照设定的曲线变化，在此过程中测量并记录蠕滑率变化过程中轮轨试样间的黏着系数；(3)根据记录的蠕滑率和黏着系数输出一条完整的黏着-蠕滑曲线，及曲线的峰值点位置和初始斜率。

轮轨试样滚动接触过程中的黏着系数由分别安装于轨试样轴10上的扭矩传感器和安装于液压缸底部的压力传感器12在实验过程中测定的摩擦力矩和实验力获得。实验中测得的所有数据反馈至PLC测控系统进行处理。

图3示出实验过程中蠕滑率、车轮试样转速和钢轨试样转速的变化曲线。由图可见，实验中钢轨试样转速保持恒定，通过控制车轮试样转速的不断降低，实现轮轨试样间蠕滑率从0逐渐增加至5％。实验中蠕滑率的变化为阶梯式上升，增量为0.1％，每个蠕滑率下保持200转的稳态滚动，整个实验过程持续10000转，约20min。

图4示出按照图3所示实验过程中获得的黏着-蠕滑曲线(散点图)和按照传统实验方式获得的黏着-蠕滑曲线(点画线)的对照图。可以看出，两种方式获得的黏着-蠕滑曲线趋势基本一致，但传统实验方式获得的曲线数据点比较稀疏，难以获得精确的曲线峰值点位置和初始曲线斜率的特征参数。相比之下，本实施例中所示实验方法获得的黏着-蠕滑曲线近似于一条连续的曲线，具有更多的曲线变化细节和更高的精度。此外，图4中所示的传统实验方式获得黏着-蠕滑曲线共进行了8个蠕滑率点下的独立实验，每组实验至少应持续2000转(约4min)，合计需要32min(不含各组实验前后的准备时间)。

图5示出对实验获得的黏着-蠕滑曲线进行数值拟合获得曲线特征参数，其曲线峰值点在蠕滑率为1.95％处获得，其黏着系数为0.5，在该点前后曲线可分为上升区和稳定区；曲线的初始斜率为0.865，根据对实验数据按式(3)进行数值拟合获得的参数s_c和μ_c确定。

上述测试结果表明，通过控制实验中蠕滑率的自动变化，可以快速、准确地获得一条完整的黏着-蠕滑曲线，与传统方法中进行若干组单滑差黏着实验的方法相比更为高效，且得到的曲线具有更丰富和准确的细节，便于通过数值计算方式获得曲线特征参数，这为轮轨动力学研究中需要进行大量的各种工况和运行参数下的轮轨黏着-蠕滑特性研究提供了重要的实验方法和依据。

以上所述仅为本发明的一项优选实施例，并不用于限制本发明。在实际应用中，针对检测试样和测试目的的不同，本发明中的实验装置可做适当修改，实验方法可以且应该有相应的调整和变化。凡在本发明方法的何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方法，将车轮材料与钢轨材料加工成圆盘状对滚试样分别安装于两平行设置的轮试样轴和轨试样轴上，并由两个伺服驱动电机分别驱动以设定的模拟速度带动两轴转动，通过液压机构在上转轴上施加法向载荷，使轮轨试样发生滚动接触；通过设置在轮试样轴上的扭矩传感器和设置在液压机构中的压力传感器测定摩擦力矩和实验力数据而最终获得轮轨界面黏着-蠕滑性能，其特征在于，采用如下的步骤完成实验：(1)试验开始：伺服驱动电机以设定的模拟速度带动两转轴同速转动，保持蠕滑率为0；轮试样轴上施加方向向下的法向载荷，使轮轨试样发生滚动接触，其界面接触应力取现场轮轨界面接触应力水平；(2)其后的实验过程中：轨试样轴驱动电机保持稳定转速，轮试样轴的伺服驱动电机按照设定的蠕滑率s变化曲线进行降速或升速；轨试样转速恒定为n_r，轮试样转速n_w按照n_w＝n_r*(1-s)的关系进行实时调整，控制轮轨试样间的蠕滑率按照设定的曲线变化，在此过程中测量并记录蠕滑率变化过程中轮轨试样间的黏着系数；(3)根据记录的蠕滑率和黏着系数输出一条完整的黏着-蠕滑曲线，及曲线的峰值点位置和初始斜率。

2.根据权利要求1中所述的快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方法，其特征在于，模拟制动工况n_w<n_r时，所述蠕滑率s变化曲线为阶梯式上升曲线，从0递增至终值S_t；模拟牵引工况n_w>n_r时，所述蠕滑率s变化曲线为阶梯式下降曲线，从0递减至终值S_t；蠕滑率调整速率为钢轨试样转数每200转增加或降低0.1％，保证轮轨试样始终处于稳态滚动状态。

3.根据权利要求2中所述的快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方法，其特征在于所选终值S_t的绝对值应超过所测黏着-蠕滑曲线峰值点处蠕滑率绝对值的两倍以上。

4.根据权利要求1中所述的快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方法，其特征在于，所述曲线的峰值点位置和初始斜率通过对测得的黏着-蠕滑曲线进行数值拟合获得。