CN110987697A - 一种双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法，该装置包括第一驱动轴传动部件、第二驱动轴传动部件、模拟轮试件、模拟轨试件、轮轨接触加载平台、冷却循环油路、基座和数据采集控制系统。本发明的第一驱动轴传动部件与第二驱动轴传动部件分别位于被测试样两侧且两驱动轴回转中心呈水平分布，以最大程度地降低模拟轮和轨试样的尺寸限制。作为第二驱动轴传动部件动力源的第二伺服控制电机经同步带与第二驱动轴传动部件的转动轴相连，且位于第二驱动轴传动部件的正下方，且与第二驱动轴传动部件为非共用平台刚性连接，有效避免了电机高速运转过程中自身微幅振动带来的接触载荷波动和冲击问题。

Description

一种双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种滚动接触疲劳试验技术，尤其涉及一种双驱式无极调速的轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法。

背景技术

安全是铁路发展的永恒主题，轮/轨作为铁路运输的关键部件对铁路运输的可靠运行至关重要。随着高速、重载线路的持续发展，轮轨在滚动接触条件下的滚动接触疲劳和磨损问题(如表面剥离/擦伤、轮轨侧磨、波浪形磨耗、压溃等)日益凸显并给铁路运输的安全、可靠运行带来了巨大的挑战。解决上述问题的关键在于深入揭示轮轨滚动接触疲劳/磨损失效机理研究，进而为减缓轮轨损伤提供理论依据。

目前，研究滚动接触疲劳的试验机主要有采用轮-轨滚动接触方式和轮-轮滚动接触两种方法进行模拟实验。前者利用有限长的钢轨作往复水平移动、车轮在钢轨上方往复转动实现滚动接触，如专利申请号201811541963.7公开了一种双驱动轮轨实物滚动接触疲劳试验机，但此类装置由于钢轨往复频率受限，试验周期长、成本高，不适用于机理研究；后者将钢轨材料加工成轮状，采用车轮和钢轨轮对滚的方式模拟轮轨滚动接触疲劳状态。例如：西南交通大学研制的JD-1型和JD-2型轮轨摩擦学模拟试验(轨道轮直径约1000mm)、中国铁道科学研究院的全尺寸轮对高速轮轨关系试验台(试验轮为实物车轮，轨道轮的直径为3000mm，最高速度为500km/h)、专利申请号201710387745.1也公开了一种轮轨摩擦疲劳实验装置及其实验方法，这类试验机能够对高速、重载轮轨的磨耗、接触疲劳等进行试验，但由于试件尺寸大，试验运行成本高。

近年来，大多数学者利用小尺寸(如Ф40mm圆柱试样)比例试件疲劳试验机(如MMS-2A微机控制摩擦摩损试验机)开展滚动接触疲劳试验，但通用的标准疲劳试验机按滚动接触疲劳试验标准设计，通常为单机驱动、两个试件间的滑差为固定值(一般为5％)。因此不能满足变滑差工况下的试验需求。另外，这种试验机常为弹簧施压加载，载荷控制精度也不高；此外，专利申请号 201810585668.5公开的一种高速滚动接触疲劳磨损试验台通过升降其中一个滚动轮相连的整体驱动平台来实现加载，这种方式不能避免电机高速运转过程中自身微幅振动带来的两被测试样间接触载荷波动和冲击问题。

本发明巧妙地将驱动加载端试样旋转的电机与加载平台分离，避免了电机高速运转过程中自身微幅振动带来的两被测试样间接触载荷波动和冲击问题；同时通过调节驱动电机的实时转速，可实现模拟轮轨试件在不同滑差或变滑差工况下的轮轨滚动接触磨损/疲劳试验；此外，本发明涉及的设备结构紧凑、摩擦扭矩和法向接触载荷实时记录且在闭环反馈控制下接触载荷稳定、可靠。

发明内容

本发明提供一种双驱式无极调速的轮轨滚动接触疲劳试验装置，该装置通过双伺服电机驱并达到无极调速的效果，从而能实现试验轮和试验轨之间的可变滑差轮轨滚动接触疲劳和磨损行为研究，对揭示轮轨损伤失效机理和提出改善轮轨失效预防措施等具有重要意义。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种双驱式无极调速的轮轨滚动接触疲劳试验装置，用以模拟轮轨间滚动接触疲劳和磨损过程，该滚动试验装置包括：

第一驱动轴传动部件：包括依次连接的第一伺服控制电机、同步带、第一轴承座组件、扭矩传感器、第二轴承座组件，所述的第二轴承座的输出端装有模拟轨试件；

第二驱动轴传动部件：包括第三轴承座组件、同步带、第二伺服控制电机、电机移动平台组件和平台滑移推杆；所述的第三轴承座组件固定于轮轨接触加载平台上，第三轴承座组件的输出端装有模拟轮试件；

所述的第二伺服控制电机固定于电机移动平台组件上，且位于第三轴承座组件的正下方；所述的第三轴承座组件的输入端与第二伺服控制电机之间由同步带柔性连接，从而有效避免了驱动电机高速运转过程中自身微幅振动导致轮轨试样间接触载荷波动和冲击问题；

所述的数据采集控制系统可以控制双列强力电磁座的开闭状态，从而实现第二伺服控制电机的紧固或松脱；

所述轮轨接触加载平台，包括移动平台、直线导轨副、导轨底座、弹性应力环、接触载荷传感器、丝杠和第三伺服控制电机。移动平台安装在两侧的直线导轨副上，所述的第三伺服控制电机经同步带与丝杠相连，丝杠上的丝杠螺母和移动平台之间通过弹性应力环连接。所述的平台滑移推杆上端与移动平台螺纹连接；

所述的平台滑移推杆下端设有直径大于拖动销直径的圆孔，因此平台滑移推杆与拖动销为间隙配合；拖动销与竖直铁板螺纹连接并由紧固螺母紧固在竖直铁板上；所述的电机移动平台组件上设有双列强力电磁座，在数据采集控制系统执行模拟轮试件和模拟轨试件靠近命令前，数据采集控制系统控制双列强力电磁座处于打开状态，数据采集控制系统控制第三伺服控制电机绕顺时针方向转动从而带动移动平台移动，此时拖动销与平台滑移推杆上的圆孔接触，使电机移动平台组件及第二伺服控制电机与移动平台同步运动。模拟轮试件和模拟轨试件逐渐靠近，当靠近到较短距离(如距离为3mm)时双列强力电磁座吸住竖直铁板并保持紧固，此时拖动销与平台滑移推杆上的圆孔同心；模拟轮试件和模拟轨试件接触时，拖动销与平台滑移推杆上的圆孔始终保持非接触状态。所述平台滑移推杆与拖动销为间隙配合的有益效果在于避免了第二伺服控制电机与电机移动平台组件的刚性接触，从而电机高速运转过程中自身微幅振动不会直接作用到模拟轮试件和模拟轨试件间。而在数据采集控制系统执行模拟轮试件和模拟轨试件脱开命令前，数据采集控制系统控制双列强力电磁座处于关闭状态，数据采集控制系统控制第三伺服控制电机绕逆时针转动并带动移动平台沿相反方向移动，模拟轮试件和模拟轨试件分离过程中，拖动销与平台滑移推杆上的圆孔再次接触，使电机移动平台组件及第二伺服控制电机与移动平台同步运动。

与其他发明相比，本发明的优势在于：

一、本发明将加载平台和加载端的旋转电机分离，使被测试样不会受到电机自身高速运转带来的微幅振动影响，避免接触载荷的波动带来误差。同时可通过改变驱动电机实时转速进行无级调速，实现不同滑差或变滑差下的滚动接触行为；也可增加介质装置、低温装置实现不同介质或低温环境下的测试。

二.本发明能真实模拟出轮轨滚动接触行为，克服了现有试验台轮轨接触载荷波动带来的技术问题，通过数据采集控制系统能对伺服控制电机进行精确反馈控制，从而能更真实地测试出实际工况下轮轨滚动接触状态下应力变化。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明装置的总体结构示意图。

图2为本发明装置的电机移动平台组件结构图。

图3为本发明装置的轮轨接触加载平台结构图。

图4为本发明装置的滑动推杆与电机移动平台间的配合关系。

1、第一驱动轴传动部件；1-1、第一轴承座组件；1-2、第二轴承座组件； 1-3、第一伺服控制电机；1-4、同步带；1-6、扭矩传感器；2、第二驱动轴传动部件；2-1、第三轴承座组件；2-1a、圆形通孔；2-2、同步带；2-4、平台滑移推杆；2-5、电机移动平台组件；2-5a、平台基板；2-5b、直线光轴；2-5c、直线轴承；2-5d、双列强力电磁；2-5e、竖直铁板；2-5ea、拖动销；2-5ee、紧固螺母；2-6、第二伺服控制电机；3、模拟轮试件；4、模拟轨试件；5、轮轨接触加载平台；5-1、移动平台；5-2、导轨底座；5-3、直线导轨；5-4、丝杠；5-5、弹性应力环；5-6、第三伺服控制电机；5-7、丝杠螺母；5-8、接触载荷传感器；5-9、同步带；6、润滑油循环冷却系统；7、基座；8、开关面板； 9、数据采集控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述。

如图1-图4所示，试验开始前将模拟轨试件4和模拟轮试件3分别通过螺母固定安装在第二轴承座1-2的输出端和第三轴承座2-1的输出端。其中，模拟轮试件3和模拟轨试件4的具体尺寸均为40mm×16mm×10mm(外径×内径×厚度)，随后开启冷却循环油路6；

打开数据采集控制系统9的操作程序，使模拟轮试件3和模拟轨试件4接近但不接触，将接触载荷传感器5-8数据清零；设置试验参数，开启第一伺服控制电机1-3转速到达试验设置的参数值，将扭矩传感器1-6清零，关闭第一伺服控制电机1-3；

运行试验程序，第三伺服控制电机5-6动作并使模拟轮试件3和模拟轨试件4接触，当模拟轮试件3和模拟轨试件4之间的接触载荷加载至试验设置的接触载荷值后保载一定时间，随后第一伺服控制电机1-3和第二伺服控制电机 2-6按预设转速运行，试验开始；

当试验进行至预设滚动循环周期后，第一伺服控制电机1-3和第二伺服控制电机2-6停止工作，随后第三伺服控制电机5-6动作并使模拟轮试件3和模拟轨试件4自动分离至一定距离，试验结束；

试验过程中，数据采集控制系统9自动采集接触载荷传感器5-8和扭矩传感器1-6传送的载荷与扭矩数据，并实时反馈和控制第三伺服控制电机5-6动作以保持模拟轮试件3和模拟轨试件4恒定的接触载荷；

试验结束后，保存数据后关闭数据采集控制系统9的操作程序，将待测试样取出清洗并保存，以便后续分析。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节。

发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此, 无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法，其特征在于包括第一驱动轴传动部件、第二驱动轴传动部件、模拟轮试件、模拟轨试件、轮轨接触加载平台、润滑油循环冷却系统、基座、开关面板和数据采集控制系统，所述的第一驱动轴传动部件与第二驱动轴传动部件分别位于被测试样两侧且两驱动轴回转中心呈水平分布。

2.如权利要求1所述双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法，其特征在于所述第一驱动轴传动部件包括第一轴承座组件和第二轴承座组件，第一伺服控制电机固定于所述基座上并经同步带与所述第一轴承座组件的输入端相连，所述第二轴承座组件的输出端装有所述模拟轨试件，所述第一轴承座的输出端和所述第二轴承座的输入端分别与扭矩传感器相连。

3.如权利要求1所述双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法，其特征在于所述第二驱动轴传动部件包括第三轴承座组件、同步带、第二伺服控制电机、电机移动平台组件和平台滑移推杆；所述第三轴承座组件固定于轮轨接触加载平台上，所述第三轴承座组件的输出端装有所述模拟轮试件；所述第二伺服控制电机固定于所述电机移动平台组件上，且位于所述第三轴承座组件的正下方，所述第三轴承座组件的输入端与所述第二伺服控制电机之间由所述同步带柔性连接。

4.如权利要求1所述双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法，其特征在于所述轮轨接触加载平台包括移动平台、直线导轨、导轨底座、弹性应力环、接触载荷传感器、丝杠和第三伺服控制电机，所述移动平台安装在两侧的所述直线导轨副上，所述直线导轨副与所述基座间设有所述导轨底座；所述第三伺服控制电机经同步带与所述丝杠相连，所述丝杠上的丝杠螺母和所述移动平台之间通过所述弹性应力环连接，通过数据采集控制系统控制所述第三伺服控制电机的正反转带所述动移动平台沿所述直线导轨向前或向后滑动，从而实现所述模拟轮试件和所述模拟轨试件之间接触应力的加载或卸载以及实时调节试验过程中接触载荷的动态稳定。

5.如权利要求1所述双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法，其特征在于所述数据采集控制系统与所述第一伺服控制电机、第二伺服控制电机、第三伺服控制电机、扭矩传感器和接触载荷传感器通信连接，试验过程中所述数据采集控制系统可对所述模拟轮试件和所述模拟轨试件间的接触应力反馈控制，以确保接触应力始终接近预设值。

6.如权利要求3所述双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法，其特征在于所述电机移动平台组件包括平台基板、直线光轴、直线轴承和双列强力电磁座，竖直铁板固定在所述平台基板上，所述平台基板固定在所述直线轴承上，沿所述直线光轴前后移动，所述所述平台滑移推杆上端穿过所述基座固定于所述移动平台，下端处于悬空状态并开设有一圆形通孔，双列强力电磁座固定于所述基座上，所述竖直铁板侧边设有拖动销，其直径略小于所述圆形通孔，其安装位置要求当所述模拟轮试件和所述模拟轨试件接触时所述竖直铁板恰好与所述双列强力电磁座接触、拖动销也恰好穿过圆形通孔，从而确保接触应力卸载时所述第二伺服控制电机与所述第三轴承座组件和轮轨接触加载平台保持同步滑动。

7.如权利要求6所述双驱式无极调速轮轨滚动接触疲劳试验装置及方法，其特征在于所述数据采集控制系统可以控制双列强力电磁座的开闭状态，从而实现第二伺服控制电机的紧固或松脱。

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