CN110146309A - 一种基于轮-轨接触的轮轨试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路轨道技术领域，尤其涉及一种基于轮‑轨接触的轮轨试验台。该轮轨试验台包括有传动系统、测试轮对系统、加载系统和环境系统；传动系统中导轨固定在地面，齿环滑块与导轨滑动连接，齿轮滑块的内侧设置有封闭齿环和环形凹槽；行星齿轮对称分布在行星轴两侧，行星轴插入到环形凹槽内，与环形凹槽滑动连接，行星齿轮与所述封闭齿环啮合；系杆一端与转轴间隙配合，另一端与行星轴配合；测试轮对系统中的轨道板底面与齿环滑块固定连接，轨道板顶面设有平行的两条轨道，车轮与轨道滑动连接。本发明基于轮‑轨接触模拟实际轮轨接触的工况，通过轨道往复直线运动模拟轮‑轨接触关系，并通过设定加载装置，模拟实际车轮的横移及摇头。

Description

一种基于轮-轨接触的轮轨试验台

技术领域

本发明涉及铁路轨道技术领域，尤其涉及一种基于轮-轨接触的轮轨试验台。

背景技术

轮轨磨损是轮轨关系中的一个重要研究问题。随着我国铁路运输的蓬勃发展，我国铁路轮轨的磨损问题也越来越突出。轮轨磨损不仅增大了铁路运输成本，而且还对行车安全造成了威胁。我国每年仅用于更换和维修受磨损的轮轨的费用就高达几十亿元。因此，研究轮轨磨损问题刻不容缓。目前研究轮轨关系主要是采用试验的方法，在实际线路上进行试验可靠性高，但人工和时间成本昂贵，因此，采取建立轮轨关系试验台的方法进行试验是更好的选择。目前的轮轨试验台大多是采用轨道轮代替实际的轨道，与车轮进行接触，虽然这种方法在一定程度上较好模拟出了轮轨接触情况，但是与实际高速列车运行时的轮轨关系相比仍然存在一定的差距。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，弥补过去传统轮轨接触试验台在接触特性上与实际行驶情况的存在差异的缺陷，本发明提供了一种基于轮-轨接触的轮轨试验台。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种基于轮-轨接触的轮轨试验台，该轮轨试验台包括有传动系统、测试轮对系统、加载系统和环境系统；

传动系统，包括导轨、齿环滑块、转轴、系杆、带传动机构、链传动机构和行星传动机构；

所述带传动机构包括有小带轮和大带轮，链传动机构包括主动链轮和从动链轮，行星传动机构包括有行星轴、行星齿轮；

所述导轨固定在地面，所述齿环滑块与导轨滑动连接，所述齿轮滑块的内侧设置有封闭齿环和环形凹槽；

所述转轴上套设有大带轮和主动链轮，所述大带轮与主动链轮同轴传动；

所述行星轴上套设有从动链轮及行星齿轮，所述行星齿轮对称分布在所述行星轴两侧，所述行星轴插入到环形凹槽内，与环形凹槽滑动连接，所述行星齿轮与所述封闭齿环啮合；

所述系杆一端与转轴间隙配合，另一端与行星轴配合；

测试轮对系统，包括测试轮对和轨道板，所述测试轮对包括有车轮，所述轨道板底面与所述齿环滑块固定连接，所述轨道板顶面设有平行的两条轨道，所述车轮与轨道滑动连接。

根据本发明，所述传动系统中还包括有电动机、联轴器和减速器，所述电动机依次连接联轴器、减速器与小带轮，将产生的动力通过小带轮带传动传递给大带轮。

根据本发明，所述测试轮对还包括空心车轴、转臂和圆锥滚子轴承；

所述车轮套设在所述空心车轴上，并对称分布在空心车轴两侧，转臂安装在空心车轴的两端，所述转臂通过圆锥滚子轴承与车轮转动连接。

根据本发明，所述测试轮对系统还包括导向框、悬挂结构和制动结构；

所述测试轮对通过悬挂结构与导向框固定连接，所述连接位置设置有悬挂支架；

悬挂结构包括有弹性节点、橡胶垫、双圈螺旋弹簧和垂向减振器，所述双圈螺旋弹簧一端与所述悬挂支架固定连接，另一端则与所述橡胶垫固定连接，所述橡胶垫固定在转臂上方，与转臂固定连接。

根据本发明，所述制动结构包括轴装制动盘、制动杠杆、制动闸片、制动液压缸，所述制动液压缸固定连接在导向框的底部，所述轴装制动盘套设在空心车轴上，车轮对称分布在轴装制动盘两侧，所述轴装制动盘直径小于车轮直径。

根据本发明，所述加载系统包括龙门架、试验台底座和液压作动器，所述龙门架固定在所述试验台底座上，所述液压作动器包括有垂向作动器、横向作动器和纵向作动器；

所述垂向作动器竖直放置，垂向作动器的一端与龙门架的横梁中心固定连接，另一端与所述导向框的顶面固定连接；

所述横向作动器一端与龙门架的立柱固定连接，另一端则与导向框的侧面固定连接；

所述纵向作动器一端通过支架固定在试验台底座上，另一端与导向框的顶面固定连接，加载系统系统中设置有两个纵向作动器，该两个纵向作动器对称布置在导向框的左右两侧。

根据本发明，所述环境系统中包括有介质管路和介质调速阀，介质管路呈U型固定在试验台底座下方，所述介质管路的两侧管路上设置有介质调速阀，所述介质管路的管口位于测试轮对系统上方。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明中的轮轨试验台基于轮-轨接触模拟实际轮轨接触的工况，通过轨道往复直线运动模拟轮-轨接触关系，从而改变传统的基于轮-轮接触关系的试验台模拟实际轮轨接触时存在的不足，并且通过合理的加载装置的设定，能够模拟实际线路中的横移、摇头等情况。

附图说明

图1为本发明的轮-轨试验台结构示意图；

图2为本发明的传动系统结构图；

图3为本发明的传动系统侧视图；

图4为本发明的测试轮对系统示意图；

图5为本发明的测试轮对结构图；

图6为本发明的悬挂结构示意图；

图7为本发明的制动结构示意图；

图8为本发明的环境系统示意图。

【附图标记说明】

1：导轨；2：齿轮滑块；201：封闭齿环；202：环形凹槽；3：支座；4：转轴；5：系杆；6：带传动机构；601：小带轮；602：窄V同步带；603：大带轮；7：链传动机构；701：主动链轮；702：从动链轮；703：链条；8：行星传动机构；801：行星轴；802：行星齿轮；803：轴套；9：测试轮对；901：车轮；902：空心车轴；903：转臂；904：圆锥滚子轴承；10：轨道板；1001：轨道；11：导向框；12：悬挂结构；1201：悬挂支架；1202：弹性节点；1203：橡胶垫；1204：双圈螺旋弹簧；1205：垂向减振器；13：制动结构；1301：轴装制动盘；13011：轮毂；13012：摩擦盘；13013：挡圈；1302：制动杠杆；1303：制动闸片；1304：制动液压缸；14：龙门架；15：试验台底座；16：垂向作动器；17：横向作动器；18：纵向作动器；19：介质管路；20：风速调节阀；21：电动机；22：联轴器；23：减速器

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明提供一种基于轮-轨接触的轮轨试验台，其主要结构包括有传动系统、测试轮对系统、加载系统和环境系统。

传动系统

如图1-3所示，传动系统中包括有导轨1、齿环滑块2、支座3、转轴4、系杆5、带传动机构6、链传动机构7和行星传动机构8，导轨1固定在地面，所述齿环滑块2与导轨1滑动连接，所述齿轮滑块2的内侧设置有封闭齿环201和环形凹槽202，所述封闭齿环201由两段半圆内齿条及两段齿条组成。

带传动机构6包括有小带轮601、窄V同步带602和大带轮603，链传动机构7包括主动链轮701、从动链轮702和链条703，行星传动机构8包括有行星轴801、行星齿轮802和衬套803。

小带轮与大带轮603通过窄V同步带602实现带传动，主动链轮701与从动链轮702通过链条703实现链传动。

传动系统中还包括有电动机9、联轴器10和减速器11，电动机9依次连接联轴器10、减速器11和小带轮601后，将动力通过窄V同步带602传递给大带轮603。

两块平行放置的齿环滑块2之间设置有两个支座3，该两个支座3之间设置有转轴4，该转轴4上套设有大带轮603和主动链轮701，大带轮603通过轴套与主动链轮701连接，主动链轮701与转轴4通过螺栓连接，大带轮603与主动链轮701同轴传动。

从动链轮702套设在行星轴801上，行星齿轮802对称分布在行星轴801两侧，且行星齿轮802与封闭齿环201啮合，行星轴801通过轴套803插入到环形凹槽202内，沿环形凹槽202滑动，轴套803安装在行星轴801的两端。转轴4与行星轴801之间设置有系杆5，系杆5的一端设置在主动链轮701与支座3之间，与转轴4间隙配合，系杆5的另一端设置在从动链轮702与行星齿轮802之间。

工作时，电动机21通过联轴器22和减速器23，通过带传动，将动力从小带轮601传输到大带轮603，带动转轴4和转轴4上的主动链轮701转动，系杆5的转动中心与转轴4重合，但与转轴4为间隙配合，不与之同步转动。从动链轮702和行星齿轮802都安装在行星轴801上，随着主动链轮701一起旋转。通过环形凹槽202在行星轴801的导向作用下，行星齿轮802与封闭齿环201的内啮合作用下，齿环滑块2沿导轨1做周期性的往复直线运动。

如图2所示，封闭齿环上设有A、B、C、D、O五点，行星齿轮802与封闭齿环201在内齿轮AD、BC段啮合时，系杆5作固定轴转动，此时，系杆5处于静止状态，齿轮传动系统绕转轴4转动，进而带动齿环滑块2沿导轨1作匀速直线运动；行星齿轮802与封闭齿环201在AB、CD段啮合时，系杆5绕转轴4转动，即传动系统为一个非固定轴传动系统。行星齿轮802越过O点时，齿环滑块2的速度方向也随之改变，齿环滑块2发生运动换向。这一过程中，电动机9不发生改变，齿环滑块2就可以作周期性的往复直线运动，不存在换向时对系统造成冲击。

齿环滑块的内部设有两段半圆内齿条和两段圆柱直齿齿条铰接构成的封闭齿环，在电动机功率不会改变的前提下，仅改变直齿齿条数或者单根齿条的长度，就可以改变直线往复运动的行，且通过调整电动机的转速，可实现轨道匀速运动速度可调，易于控制。

本试验台的传动机构具备以下特点：(1)运动换向时，不会对试验台造成冲击；(2)具有足够的行程；(3)可实现轨道的匀速运动。

测试轮对系统

测试轮对系统包括测试轮对9、轨道板10，导向框11、悬挂结构12、制动结构13。

如图4-5所示，测试轮对9包括车轮901、空心车轴902、转臂903和圆锥滚子轴承904组成。车轮参考CRH3型动车组采用S型曲辐板整体，其中车轮901套设在空心车轴902上，并对称分布在空心车轴902两侧，转臂903通过圆锥滚子轴承904与车轮901转动连接，且安装在空心车轴902的两端。

轨道板10底面与齿环滑块2固定连接，轨道板10顶面设有平行的两条轨道1001，车轮901与轨道1001配合，车轮901与轨道1001滑动连接。

如图6所示，参考CRH3型动车组，测试轮对9通过悬挂结构12与导向框11相连。其中，悬挂结构12与导向框11通过悬挂支架1201固定连接，悬挂结构12包括有弹性节点1202、橡胶垫1203、双圈螺旋弹簧1204和垂向减振器1205，双圈螺旋弹簧1204一端与悬挂支架1201固定连接，另一端则与橡胶垫1203固定连接。橡胶垫1203固定在转臂903上方，与转臂903通过圆盘片固定连接。弹性节点1202与转臂903配合，可有效减少车轮振动。

如图7所示，制动结构13包括轴装制动盘1301、制动杠杆1302、制动闸片1303、制动液压缸1304，其中轴装制动盘1301套设在空心车轴902上，车轮901对称分布在轴装制动盘1301两侧，轴装制动盘903的直径小于车轮901，轴装制动盘1301包括轮毂13011、摩擦盘13012、挡圈13013，三者的连接关系如图所示，其中制动液压缸1304固定连接在导向框11的底部，制动闸片1303与摩擦盘13012接触。

制动液压缸活塞的推力，通过杠杆增大数倍，后传到制动闸片上，从而压紧轴装制动盘，产生制动力。该制动结构采用盘形制动，制动作用力作用在车轮侧面而非不踏面，大大地减轻对车轮踏面的磨损和热负荷。

加载系统

如图1所示，加载系统包括龙门架14、试验台底座15和液压作动器，龙门架14固定在试验台底座15上，液压作动器安装在导向框11上，并分别在垂直方向、横向方向和纵向方向与导向框11连接。

液压作动器包括有垂向作动器16、横向作动器17和纵向作动器18，其中，垂向作动器16竖直放置，垂向作动器16的一端与龙门架14的横梁中心位置固定连接，另一端与导向框11的顶面固定连接。横向作动器17一端与龙门架14的立柱固定连接，另一端则与导向框11的侧面固定连接。纵向作动器18一端通过支架固定在试验台底座15上，另一端与导向框11的顶面固定连接，加载系统系统中设置有两个纵向作动器18，该两个纵向作动器18对称布置在导向框11的左右两侧。

液压作动器通过对导向框作用进而控制测试轮对：垂直方向的垂向作动器负责向测试轮对施加垂向载荷，横向作动器负责向测试轮对施加横向载荷，两组纵向作动器在导向框左右布置，通过施加力偶产生摇头矩，进而控制测试轮对的摇头自由度。

环境系统

如图8所示，轮-轨接触试验过程中，通常通过对轮-轨表面喷射水、油、砂等介质使轨-轮试验台的试验环境更符合实际情况。环境系统中包括有压缩机、介质管路19和介质调速阀20，介质管路19呈U型固定在试验台底座15下方，介质管路19的管口位于测试轮对系统上方。

压缩机与U型介质管路19的中间管路连接，连接位置设置有风速调节阀20，介质容器与U型介质管路19的两侧管路连接，连接位置设置有介质调速阀20，开启压缩机后，打开介质调速阀20，介质从容器经过介质调速阀进入到介质管路19中，在气压作用下喷射到轮-轨表面。

该试验台能够基于轮-轨接触模拟实际轮-轨接触的工况，从而改变传统的基于轮-轮接触关系的试验台模拟实际轮轨接触时存在的不足，并且通过合理的加载装置的设定，能够模拟实际线路中的横移、摇头等情况。

基于该试验台可完成多种功能的试验研究，包括：

轮轨磨损试验：通过模拟试验，分析直线运行、曲线通过、轮对冲角以及横移量等参数对轮轨磨耗的影响。

轮轨接触疲劳试验：模拟试验分析轮轨滚动接触疲劳现象，研究速度、轴重、牵引、制动、振动以及冲角等对轮轨滚动接触疲劳的影响。

轮轨蠕滑试验：试验不同条件下轮轨蠕滑力的状况，试验分析轮轨蠕滑力与蠕滑率的关系。

轮轨制动试验：进行轮对在盘形制动作用条件下的制动试验，研究制动的轮轨接触状态、制动盘温度、制动距离以及制动时间等。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于轮-轨接触的轮轨试验台，其特征在于：该轮轨试验台包括有传动系统、测试轮对系统、加载系统和环境系统；

传动系统，包括导轨(1)、齿环滑块(2)、转轴(4)、系杆(5)、带传动机构(6)、链传动机构(7)和行星传动机构(8)；

所述带传动机构(6)包括有小带轮(601)和大带轮(603)，链传动机构(7)包括主动链轮(701)和从动链轮(702)，行星传动机构(8)包括有行星轴(801)、行星齿轮(802)；

所述导轨(1)固定在地面，所述齿环滑块(2)与导轨(1)滑动连接，所述齿轮滑块(2)的内侧设置有封闭齿环(201)和环形凹槽(202)；

所述转轴(4)上套设有大带轮(603)和主动链轮(701)，所述大带轮(603)与主动链轮(701)同轴传动；

所述行星轴(801)上套设有从动链轮(702)及行星齿轮(802)，所述行星齿轮(802)对称分布在所述行星轴(801)两侧，所述行星轴(801)插入到环形凹槽(802)内，与环形凹槽(202)滑动连接，所述行星齿轮(802)与所述封闭齿环(201)啮合；

所述系杆(5)一端与转轴(4)间隙配合，另一端与行星轴(801)配合；

测试轮对系统，包括测试轮对(9)和轨道板(10)，所述测试轮对(9)包括有车轮(901)，所述轨道板(10)底面与所述齿环滑块(2)固定连接，所述轨道板(10)顶面设有平行的两条轨道(1001)，所述车轮(901)与轨道(1001)滑动连接。

2.根据权利要求1所述的基于轮-轨接触的轮轨试验台，其特征在于：

所述传动系统中还包括有电动机(21)、联轴器(22)和减速器(23)，所述电动机(21)依次连接联轴器(22)、减速器(23)与小带轮(601)，将产生的动力通过小带轮(601)带传动传递给大带轮(603)。

3.根据权利要求1所述的基于轮-轨接触的轮轨试验台，其特征在于：

所述测试轮对(9)还包括空心车轴(902)、转臂(903)和圆锥滚子轴承(904)；

所述车轮(901)套设在所述空心车轴(902)上，并对称分布在空心车轴(902)两侧，转臂(903)安装在空心车轴(902)的两端，所述转臂(903)通过圆锥滚子轴承(904)与车轮(901)转动连接。

4.根据权利要求3所述的基于轮-轨接触的轮轨试验台，其特征在于：

所述测试轮对系统还包括导向框(11)、悬挂结构(12)和制动结构(13)；

所述测试轮对(9)通过悬挂结构(12)与导向框(11)固定连接，所述连接位置设置有悬挂支架(1201)；

悬挂结构(12)包括有弹性节点(1202)、橡胶垫(1203)、双圈螺旋弹簧(1204)和垂向减振器(1205)，所述双圈螺旋弹簧(1204)一端与所述悬挂支架(1201)固定连接，另一端则与所述橡胶垫(1203)固定连接，所述橡胶垫(1203)固定在转臂(903)上方，与转臂(903)固定连接。

5.根据权利要求4所述的基于轮-轨接触的轮轨试验台，其特征在于：

所述制动结构(13)包括轴装制动盘(1301)、制动杠杆(1302)、制动闸片(1303)和制动液压缸(1304)，所述制动液压缸(1304)固定连接在导向框(11)的底部，所述轴装制动盘(1301)套设在空心车轴(902)上，车轮(901)对称分布在轴装制动盘(1301)两侧，所述轴装制动盘(903)直径小于车轮(901)直径。

6.根据权利要求4所述的基于轮-轨接触的轮轨试验台，其特征在于：

所述加载系统包括龙门架(14)、试验台底座(15)和液压作动器，所述龙门架(14)固定在所述试验台底座(15)上，所述液压作动器包括有垂向作动器(16)、横向作动器(17)和纵向作动器(18)；

所述垂向作动器(16)竖直放置，垂向作动器(16)的一端与龙门架(14)的横梁中心固定连接，另一端与所述导向框(11)的顶面固定连接；

所述横向作动器(17)一端与龙门架(14)的立柱固定连接，另一端则与导向框(11)的侧面固定连接；

所述纵向作动器(18)一端通过支架固定在试验台底座(15)上，另一端与导向框(11)的顶面固定连接，加载系统系统中设置有两个纵向作动器(18)，该两个纵向作动器(18)对称布置在导向框(11)的左右两侧。

7.根据权利要求1所述的基于轮-轨接触的轮轨试验台，其特征在于：

所述环境系统中包括有介质管路(19)和介质调速阀(20)，介质管路(19)呈U型固定在试验台底座(15)下方，所述介质管路(19)的两侧管路上设置有介质调速阀(20)，所述介质管路(19)的管口位于测试轮对系统上方。