CN112881043A - 一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置及方法，解决了现有技术中试验周期长的问题，具有可缩短试验周期、保证试验结果准确度的有益效果，具体方案如下：一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，包括计算终端，设置磨损计算数值模型，轮轨磨耗计算模块用于计算设定运行交路下的理论踏面磨耗，第三介质‑车轮磨耗计算模块用于获得设定运行交路下第三介质对车轮磨耗后的第n次第三介质磨耗踏面；踏面磨耗加工单元，根据计算的理论踏面磨耗对实际车轮踏面进行磨耗加工，获得设定运行交路下的磨耗踏面；第三介质，用于研磨车轮踏面，与踏面磨耗加工单元交替研磨车轮踏面，在第三介质研磨后获得第n次第三介质磨耗后的车轮踏面。

Description

一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其是一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

研究研磨子动作策略对车轮踏面磨耗的影响，通常采取两种途径，一种是依托线路试验，调整研磨子动作策略，跟踪踏面磨耗规律；一种是依托滚动试验台，通过轨道轮滚动激励，模拟由于轮轨接触导致的磨耗。

发明人发现，目前的线路试验方式耗费时间多、试验成本高；滚动台试验方式受限于滚动轮直径，难以解决滚动轮磨损累积，与线路实际不匹配的问题；而且轮轨滚动磨损周期太长，一个试验周期需要约3个月，且仅能完成一种研磨子控制策略的评估验证，无法加速试验过程；如果将试验装置安装于车辆，受线路工务维护、车辆运营交路变化等不可控因素影响，试验结果准确性较差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，可获得第三介质作用下对车轮磨耗值，通过若干组数据的获取，可获得适用于研磨子的动作策略，避免占用线路试验资源，同时也克服模拟轨道滚动轮的磨损累积问题。

本发明的第二目的是提供一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，无需占用线路试验资源，加快了试验周期。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，包括：

计算终端，设置磨损计算数值模型，磨损计算数值模型包括轮轨磨耗计算模块、第三介质-车轮磨耗计算模块，轮轨磨耗计算模块用于计算设定运行交路下的理论踏面磨耗，第三介质-车轮磨耗计算模块用于获得设定运行交路下第三介质对车轮磨耗后的第n次第三介质磨耗踏面，n为自然数；

踏面磨耗加工单元，根据计算的理论踏面磨耗对实际车轮踏面进行磨耗加工，获得设定运行交路下的磨耗踏面；

第三介质，用于研磨车轮踏面，与踏面磨耗加工单元交替研磨车轮踏面，在第三介质研磨后获得第n次第三介质磨耗后的车轮踏面；

通过第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面进行比较，获得第三介质作用下踏面磨耗的演变规律。

如上所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，所述磨损计算数值模型还包括第三介质-车轮模型更新模块，第三介质-车轮模型更新模块基于第n-1次第三介质磨耗踏面，计算第n次第三介质磨耗踏面。

如上所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，所述磨损计算数值模型还包括运行工况及轨道激励设置模块，运行工况及轨道激励设置模块用于设定车轮运行的参数和轮轨参数。

如上所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，所述车轮运行的参数包括运行速度、牵引制动工况占比。

如上所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，所述轮轨参数包括轨道不平顺、线路类型占比分布和轮轨接触关系参数；

接触关系参数包括车轮与轮轨的接触点分布、接触宽带；通过运行工况及轨道激励设置模块的设置，可设置多种轨道激励水平、线路工况和速度等级，进行研磨子作用条件下车轮磨耗规律研究。

如上所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，所述轮轨磨耗计算模块基于Archard摩擦磨损模型来计算设定运行交路下的理论踏面磨耗；

所述第三介质-车轮磨耗计算模块基于Archard摩擦磨损模型来计算设定运行交路下的第三介质磨耗踏面，可通过第三介质-车轮某个接触点的磨耗深度获得第三介质磨耗踏面，保证计算结果的准确性。

如上所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，还包括踏面磨耗检测模块，在所述第三介质对车轮踏面研磨后，通过踏面磨耗检测模块来获得第n次第三介质磨耗后的车轮踏面。

如上所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，所述第三介质为研磨子，研磨子具有动作控制器,研磨子也可替换为轴瓦。

第二方面，本发明还提供了一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，采用所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置。

第三方面，本发明还提供了一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，包括如下内容：

通过轮轨磨耗计算模块计算计算设定运行交路下的理论踏面磨耗；

第三介质-车轮磨耗计算模块用于获得设定运行交路下第三介质对车轮磨耗后的第n次第三介质磨耗踏面，n为自然数；

踏面磨耗加工单元根据计算的理论踏面磨耗对实际车轮踏面进行磨耗加工，获得设定运行交路下的磨耗踏面；

踏面磨耗加工单元磨耗车轮踏面后，第三介质对车轮踏面进行研磨；

在第三介质研磨后获得第三介质磨耗后的车轮踏面；

重复多次，比较第n次第三介质磨耗后的车轮踏面和第n次第三介质磨耗踏面，获得第三介质作用下踏面磨耗的演变规律。

如上所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，在比较第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面过程中，

若第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面的数值相符，则可用第三介质-车轮磨耗计算模块来代替第三介质对车轮的研磨；

若第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面的数值不相符，则调整第三介质-车轮磨耗计算模块的设置参数，直至降低第n次理论踏面磨耗与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面的数值差异在设定范围内。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明采用计算终端中设置磨损计算数值模型，可通过轮轨磨耗计算模块轮轨对车轮磨耗后的理论车轮踏面，根据车轮磨耗后的理论车轮踏面来对车轮进行磨耗加工，在此基础上，再进行第三介质对车轮的研磨，与实际工况相符，整个试验周期短，且可完成多种控制策略下的评估验证；而且整个试验过程可控，不受其他因素影响，有效保证试验结果的准确度。

2)本发明一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，可获得第三介质磨耗后的车轮踏面；通过第三介质-车轮磨耗计算模块可获得第n次第三介质磨耗踏面；通过若干组数据的获取，可获得适用于第三介质的动作策略，得出第三介质作用下对车轮磨耗的影响规律；避免占用线路试验资源，同时也克服模拟轨道滚动轮的磨损累积问题。

3)本发明通过运行工况及轨道激励设置模块，可设置多种轨道激励水平、线路工况和速度等级，进行研磨子作用条件下车轮磨耗规律研究。

4)本发明通过第三介质-车轮磨耗计算模块，来获得理论上第三介质研磨车轮过程中的磨耗深度，可与实际第三介质作用下对车轮磨耗值进行比较。

5)本发明一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，可获得研磨子作用下对车轮磨耗值，得出研磨子作用下对车轮磨耗的影响规律，以更好地指导实际研磨子的控制策略。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法的示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在试验周期较长的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置、地板支撑部件及双层轨道交通车辆。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，包括：

计算终端，设置磨损计算数值模型，磨损计算数值模型包括轮轨磨耗计算模块、第三介质-车轮磨耗计算模块，轮轨磨耗计算模块用于计算设定运行交路下的理论踏面磨耗，第三介质-车轮磨耗计算模块用于获得设定运行交路下第三介质对车轮磨耗后的第n次第三介质磨耗踏面，n为自然数；

踏面磨耗加工单元，根据计算的理论踏面磨耗对实际车轮踏面进行磨耗加工，获得设定运行交路下的磨耗踏面；

第三介质，用于研磨车轮踏面，与踏面磨耗加工单元交替研磨车轮踏面，在第三介质研磨后获得第n次第三介质磨耗后的车轮踏面；

通过第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面进行比较，获得第三介质作用下踏面磨耗的演变规律。

容易理解的是，还包括踏面磨耗检测模块，踏面磨耗检测模块为现有的踏面测量仪，在第三介质对车轮踏面研磨后，通过踏面磨耗检测模块来获得第三介质磨耗后的车轮踏面。

当然，需要说明的是，第三介质可以是闸瓦，也可以是研磨子(踏面清扫单元)，研磨子具有动作控制器，动作控制器可为工控机或其他类型的控制器。

具体地，在本实施例中，研磨子与直线驱动机构连接，在直线驱动机构的带动下，研磨子可对车轮进行研磨，研磨设定时间后，直线驱动机构带动研磨子回位，直线驱动机构由动作控制器进行控制，。

进一步地，磨损计算数值模型还包括运行工况及轨道激励设置模块，运行工况及轨道激励设置模块用于设定车轮运行的参数和轮轨参数；车轮运行的参数包括运行速度、牵引制动工况占比；

轮轨参数包括轨道不平顺、线路类型占比分布和轮轨接触关系参数；

接触关系参数包括车轮与轮轨的接触点分布、接触宽带；通过运行工况及轨道激励设置模块的设置，可设置多种轨道激励水平、线路工况和速度等级，进行研磨子作用条件下车轮磨耗规律研究。

容易理解的是，踏面磨耗加工单元为车床，可为小型车床，车床用于对车轮踏面进行研磨。

进一步地，在本实施例中，轮轨磨耗计算模块基于Archard摩擦磨损模型来计算设定运行交路下的车轮踏面外形；

第三介质-车轮磨耗计算模块基于Archard摩擦磨损模型来计算设定运行交路下的第三介质磨耗踏面，可获得第三介质-车轮某个接触点的磨耗深度，获得第n次第三介质磨耗踏面，保证计算结果的准确性。

Archard摩擦磨损模型通过如下公式进行表示：

dh＝k*p*dS

其中，dh是研磨子—车轮某个接触点的磨耗深度，单位mm；k是磨耗系数，无量纲；p是接触压应力，单位MPa；dS是该接触点的摩擦距离，单位mm。

对于确定的研磨子(或闸瓦)—车轮材料而言，磨耗系数k可以近似认为是一个常数，可通过试验数据拟合得到；摩擦距离dS是外部输入条件，是已知的参数；只有接触压应力p是未知量，需要求解。采用有限元软件Abaqus计算研磨子—车轮接触，并求得接触区各个节点处的压应力p。

即，首先通过试验数据获得磨耗系数k，然后设定每一次计算中的摩擦距离dS，随后利用Abaqus计算出研磨子—车轮接触区各个节点处的压应力p，最后利用Archard磨损公式(1)计算得到本次计算中研磨子—车轮接触区各个节点处的磨耗深度dh。

需要说明的是，其中在开始试验前，被试轮对通过牵引电机牵引，且两组轮对通过转向架传动系统连接，传动系统为安装有电机-联轴节-齿轮箱的传动系统。

进一步地，磨损计算数值模型还包括第三介质-车轮模型更新模块，第三介质-车轮模型更新模块基于第n-1次第三介质磨耗踏面，计算第n次第三介质磨耗踏面；

以研磨子为例，对于接触区中研磨子上的某一个节点，如果在上一次磨耗计算中得到的磨耗深度为dh₁，那么让该节点沿Y轴负方向移动dh₁即可。但由于研磨子接触区上的网格单元尺寸很小(单元边长<1mm)，所以如果只移动接触区上的节点，那么当该节点的累积磨耗深度大于该节点处单元的边长时，该节点将无法再移动的。此外，即使累积磨耗深度没有超过该单元的边长，但由于多次磨耗，该单元沿X方向的长度将远大于沿Y方向的尺寸，会造成严重的网格畸变，从而影响接触计算精度。

为了解决这一问题，采用如下方法：

沿车轮平面(YOZ平面)方向切分研磨子模型并划分网格，确保接触区上的节点及其下方的一整列节点都具有相同的X坐标值(即该整列节点都在YOZ平面上)；

如果接触区中研磨子上的某一个节点的磨耗深度为dh₁，那么让接触区上该节点以及该节点以下整个一列节点都沿Y轴负方向移动(研磨子底部节点不动)；

该列节点总的移动距离为dh₁，同时可以测量得到该列节点沿Y轴方向的总长度L₁，可以计算得到移动系数c₁＝dh₁/L₁，随后计算出每个节点相对于其下方节点的相对移动距离为d_i＝c₁×L_i，其中L_i是该节点与其下方节点之间沿Y轴方向的长度，可以确保研磨子接触区上的该节点沿Y轴方向的移动距离为dh₁；

通过上述方法，即可以让研磨子接触区上的该节点沿Y轴方向的移动距离为磨耗深度dh₁，同时也将该磨耗深度“均匀分配”到整列单元上了，从而解决了网格畸变问题。

对于车轮踏面接触区上的网格节点，思路与研磨子完全相同。

实施例二

本实施例提供一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，采用实施例一或实施例二所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置。

第三介质以研磨子为例，参考图1所示，具体实现内容如下：

一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，包括如下内容：

1)通过轮轨磨耗计算模块计算设定运行交路下轮轨磨耗后的理论踏面磨耗；

步骤1)中，设定初始踏面外形f(x)，通过设定的轨道不平顺、轮轨接触关系(包括接触点分布位置、接触带宽(即接触点分布宽度))、线路类型占比分布(即直线、不同半径曲线的各自百分比例)、运行速度、牵引制动工况占比信息，基于Archard摩擦磨损模型，计算特定运行里程磨耗后的理论踏面磨耗；

2)踏面磨耗加工单元通过轮轨磨耗计算模块获得的理论车轮踏面，对实际车轮踏面进行磨耗加工，获得设定运行交路下轮轨磨耗后的车轮踏面f11(x)；

3)踏面磨耗加工单元磨耗车轮踏面后，根据研磨子控制策略、牵引制动工况占比，控制研磨子作用于车轮踏面，对车轮踏面进行研磨；

4)研磨结束后，通过踏面磨耗检测模块测量第三介质磨耗后的车轮踏面f12(x)；

5)重复多次，比较第n次第三介质磨耗后的车轮踏面和第n次第三介质磨耗踏面，获得第三介质作用下踏面磨耗的演变规律。

返回步骤1)，得到下一运营循环轮轨磨耗后的理论踏面磨耗；同时基于步骤1)中轮轨磨耗后的理论踏面磨耗，得到仅在运营工况下轮轨磨损所致的磨耗踏面；

经过第n次轮轨磨损计算—踏面磨耗加工研磨，获得第n次磨耗踏面fn1(x)；第三介质-车轮磨耗计算模块用于获得设定运行交路下第三介质对车轮磨耗后的第n次第三介质磨耗踏面f’n1(x)，n为自然数；

对比第n次磨耗踏面fn1(x)和第n次第三介质磨耗踏面f’n1(x)，得出研磨子作用下对车轮磨耗的影响规律；

同时，若第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面的数值相符，则可用第三介质-车轮磨耗计算模块来代替第三介质对车轮的研磨；

若第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面的数值不相符，则调整第三介质-车轮磨耗计算模块的设置参数，直至降低第n次理论踏面磨耗与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面的数值差异在设定范围内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，其特征在于，包括：

计算终端，设置磨损计算数值模型，磨损计算数值模型包括轮轨磨耗计算模块、第三介质-车轮磨耗计算模块，轮轨磨耗计算模块用于计算设定运行交路下的理论踏面磨耗，第三介质-车轮磨耗计算模块用于获得设定运行交路下第三介质对车轮磨耗后的第n次第三介质磨耗踏面，n为自然数；

踏面磨耗加工单元，根据计算的理论踏面磨耗对实际车轮踏面进行磨耗加工，获得设定运行交路下的磨耗踏面；

第三介质，用于研磨车轮踏面，与踏面磨耗加工单元交替研磨车轮踏面，在第三介质研磨后获得第n次第三介质磨耗后的车轮踏面；

通过第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面进行比较，获得第三介质作用下踏面磨耗的演变规律。

2.根据权利要求1所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，其特征在于，所述磨损计算数值模型还包括第三介质-车轮模型更新模块，第三介质-车轮模型更新模块基于第n-1次第三介质磨耗踏面，计算第n次第三介质磨耗踏面。

3.根据权利要求1所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，其特征在于，所述磨损计算数值模型还包括运行工况及轨道激励设置模块，运行工况及轨道激励设置模块用于设定车轮运行的参数和轮轨参数。

4.根据权利要求3所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，其特征在于，所述车轮运行的参数包括运行速度、牵引制动工况占比。

5.根据权利要求3所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，其特征在于，所述轮轨参数包括轨道不平顺、线路类型占比分布和轮轨接触关系参数；

接触关系参数包括车轮与轮轨的接触点分布、接触宽带。

6.根据权利要求1所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，其特征在于，所述轮轨磨耗计算模块基于Archard摩擦磨损模型来计算设定运行交路下的理论踏面磨耗；

所述第三介质-车轮磨耗计算模块基于Archard摩擦磨损模型来计算设定运行交路下的第三介质磨耗踏面。

7.根据权利要求1所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，其特征在于，还包括踏面磨耗检测模块，在所述第三介质对车轮踏面研磨后，通过踏面磨耗检测模块来获得第n次第三介质磨耗后的车轮踏面。

8.根据权利要求1所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置，其特征在于，所述第三介质为研磨子，研磨子具有动作控制器。

9.一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验装置。

10.一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，其特征在于，包括如下内容：

通过轮轨磨耗计算模块计算计算设定运行交路下的理论踏面磨耗；

第三介质-车轮磨耗计算模块用于获得设定运行交路下第三介质对车轮磨耗后的第n次第三介质磨耗踏面，n为自然数；

踏面磨耗加工单元根据计算的理论踏面磨耗对实际车轮踏面进行磨耗加工，获得设定运行交路下的磨耗踏面；

踏面磨耗加工单元磨耗车轮踏面后，第三介质对车轮踏面进行研磨；

在第三介质研磨后获得第三介质磨耗后的车轮踏面；

重复多次，比较第n次第三介质磨耗后的车轮踏面和第n次第三介质磨耗踏面，获得第三介质作用下踏面磨耗的演变规律。

11.根据权利要求10所述的一种第三介质作用下车轮磨耗规律试验方法，其特征在于，在比较第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面过程中，

若第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面的数值相符，则可用第三介质-车轮磨耗计算模块来代替第三介质对车轮的研磨；

若第n次第三介质磨耗踏面与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面的数值不相符，则调整第三介质-车轮磨耗计算模块的设置参数，直至降低第n次理论踏面磨耗与第n次第三介质磨耗后的车轮踏面的数值差异在设定范围内。

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