CN113252263A - 扣件高频振动疲劳试验系统 - Google Patents
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Abstract
扣件高频振动疲劳试验系统，涉及铁路安全领域，通过振动试验台、振动监测部件对扣件进行扫频试验，找出扣件零部件共振频率以及放大倍数，在典型的扣件零部件共振频率点上输入预定参数的振动，用来考核扣件零部件耐共振振动的能力。本发明可以分析高频载荷对扣件零部件疲劳损伤的影响，找出扣件零部件共振频率以及放大倍数，通过调整支撑工装斜面的角度，可以改变扣件垂横向加载的比例，可以分析垂向、横向力对扣件疲劳的贡献比例。
Description
技术领域
本发明涉及铁路安全领域，尤其涉及扣件高频振动疲劳试验系统。
背景技术
我国高速铁路在长期运营过程中，随着列车速度以及运行密度不断增大，车辆-轨道之间的相互作用愈加剧烈，轮轨磨损更加严重，出现车轮高阶多边形和钢轨波磨等短波轮轨不平顺现象，导致高频载荷产生，会造成扣件零部件中弹条以及螺栓断裂。扣件弹条大量疲劳断裂失效后，钢轨承受的扣压力减小，严重时会危及列车运行的平稳性及安全性。因此在铁路重点区段，如钢轨波磨易发区段，对扣件进行高频振动疲劳试验很有必要。
发明内容
(一)发明目的
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出扣件高频振动疲劳试验系统，通过振动试验台、振动监测部件对扣件进行扫频试验，找出扣件零部件共振频率以及放大倍数，在典型的扣件零部件共振频率点上输入预定参数的振动，用来考核扣件零部件耐共振振动的能力。本发明可以分析高频载荷对扣件零部件疲劳损伤的影响，找出扣件零部件共振频率以及放大倍数，通过调整支撑工装斜面的角度，可以改变扣件垂横向加载的比例，可以分析垂向、横向力对扣件疲劳的贡献比例。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了扣件高频振动疲劳试验系统，包括振动试验台、振动监测部件、扣件和钢轨；扣件和钢轨配合安装在振动试验台上；振动监测部件的监测端设置在扣件和钢轨上；振动试验台包括固定工装、第一台体、第二台体、支撑工装、承轨台工装、滑台、转接工装和振动控制设备；第一台体和第二台体设置在固定工装的上端两侧；支撑工装设置在第一台体上端，且靠近第二台体的一侧设置有安装斜面；承轨台工装可调节设置在安装斜面上，其上设置有扣件和钢轨的安装工位；滑台设置在第二台体上端；振动控制设备设置在滑台远离承轨台工装的一端；转接工装设置在另一端，且在工作状态下通过螺栓与钢轨。
优选的，承轨台工装形状模拟轨枕承轨，通过螺栓连接在支撑工装上。
优选的，第一台体和第二台体通过螺栓连接固定工装，并构成自平衡系统。
优选的，支撑工装的安装斜面角度可调节。
优选的，钢轨和转接工装通过螺栓连接，转接工装和钢轨垂向之间的角度设置为26°。
优选的，转接工装和滑台通过螺栓连接。
优选的，振动监测部件包括加速度传感器、应力片和数据采集仪。
优选的，系统设置有扫频模式、定频模式、宽带随机振动模式和宽带随机叠加定频模式。
本发明又提出一种扣件高频振动疲劳试验方法，步骤如下：
S1、将扣件和钢轨安装在振动试验台上，连接好振动监测部件；
S2、对扣件中零部件共振频率调查：在要求的频率范围内进行扫频试验，通过频响函数等曲线找出扣件中零部件共振频率；
S3、共振疲劳试验：在共振频率处输入预定参数的振动，考核扣件中零部件耐共振振动的能力；
S4、疲劳试验后检查：疲劳试验完成后，进行二次扫频试验判断共振频率有无改变，分析扣件的零部件经过共振疲劳试验后的可靠程度。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
以往的疲劳试验装置主要采用电液伺服动静万能系列试验机，频率范围在20Hz以下，本系统在结构上选取电动振动试验台，频率范围为5-3500Hz，可以分析高频载荷对扣件零部件疲劳损伤的影响。可以对扣件进行了扫频试验，找出扣件零部件共振频率以及放大倍数，这在传统的电液伺服设备上难以实现。同时在典型的扣件零部件共振频率点上输入预定参数的振动，用来考核扣件零部件耐共振振动的能力。在工装设计上，通过调整支撑工装斜面的角度，可以改变扣件垂横向加载的比例，可以分析垂向、横向力对扣件疲劳的贡献比例。传统的疲劳设备更多的是关注扣件系统的准静态或者说低频疲劳性能，本试验系统更多的是关注扣件系统在高频尤其是共振频率时的疲劳性能。这些高频载荷来自于多边形车轮以及钢轨波磨等轮轨短波不平顺，高频载荷会造成扣件零部件中弹条以及螺栓断裂。
附图说明
图1为本发明提出的扣件高频振动疲劳试验系统中振动试验台的结构示意图。
图2为本发明提出的扣件高频振动疲劳试验系统的测点位置示意图。
图3为本发明提出的扣件高频振动疲劳试验系统进行扫频时钢轨的加速度曲线a、弹条弹臂的加速度曲线b、弹条中弯垂向的加速度曲线c以及弹条后弯圆弧应力时域曲线d。
图4为本发明提出的扣件高频振动疲劳试验时钢轨-扣件弹条加速度传递率曲线图。
图5为本发明提出的扣件高频振动疲劳试验时钢轨-扣件弹条后弯圆弧传递函数曲线图。
附图标注：1、振动试验台；2、扣件；3、钢轨；101、固定工装；102、第一台体；103、第二台体；104、支撑工装；105、承轨台工装；106、滑台；107、转接工装；108、振动控制设备。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1
如图1所示，本发明提出的扣件高频振动疲劳试验系统，包括振动试验台1、振动监测部件、扣件2和钢轨3；扣件2和钢轨3配合安装在振动试验台1上；振动监测部件的监测端设置在扣件2和钢轨3上；振动试验台1包括固定工装101、第一台体102、第二台体103、支撑工装104、承轨台工装105、滑台106、转接工装107和振动控制设备108；第一台体102和第二台体103设置在固定工装101的上端两侧；支撑工装104设置在第一台体102上端，且靠近第二台体103的一侧设置有安装斜面；承轨台工装105可调节设置在安装斜面上，其上设置有扣件2和钢轨3的安装工位；滑台106设置在第二台体103上端；振动控制设备108设置在滑台106远离承轨台工装105的一端；转接工装107设置在另一端，且在工作状态下通过螺栓与钢轨3。
在一个可选的实施例中，承轨台工装105形状模拟轨枕承轨，起到模拟轨枕承轨台的作用，能完全模拟扣件2放置在轨枕上的状态，通过螺栓连接在支撑工装104上，可以根据扣件2类型更换对应的承轨台工装105。
在一个可选的实施例中，第一台体102和第二台体103通过螺栓连接固定工装101，并构成自平衡系统。
在一个可选的实施例中，支撑工装104的安装斜面角度可调节，通过调节安装斜面角度，可以改变扣件2垂横向加载的比例，进而分析垂向、横向力对扣件疲劳的贡献比例。
在一个可选的实施例中，钢轨3和转接工装107通过螺栓连接，由于国内试验标准TB/T 3396.4-2015《高速铁路扣件系统试验方法第4部分》要求疲劳试验时扣件荷载的加载角度为26°，因此转接工装107和钢轨3垂向之间的角度设置为26°。
在一个可选的实施例中，转接工装107和滑台106通过螺栓连接，调节连接螺栓纵向位置，可以使振动控制设备108处于平衡位置。
在一个可选的实施例中，振动监测部件包括加速度传感器、应力片和数据采集仪。
在一个可选的实施例中系统设置有扫频模式、定频模式、宽带随机振动模式和宽带随机叠加定频模式；
扫频模式：可以通过设定频段进行正弦扫频试验，从而分析出扣件2的动态特性，确定各部件的共振频率，得到钢轨3传递至各部件的放大因子等。
定频模式：在选定的频率如共振频率，按照预定的量值以及预定的时间进行正弦振动试验，用于评定各零部件如弹条的疲劳强度。
宽带随机振动模式：在感兴趣的频带内，依据预设的谱形状和总均方根值进行宽带随机振动试验，并且达到一定的时间要求，评价扣件2各零部件在宽频内的疲劳性能。
宽带随机叠加定频模式：在感兴趣的频率范围内，在宽带随机振动的基础上叠加有特定频率的正弦振动，依照预设量级预设时间完成试验。
实施例2
本发明又提出一种扣件高频振动疲劳试验方法，步骤如下：
S1、将扣件2和钢轨3安装在振动试验台1上，连接好振动监测部件；
S2、对扣件2中零部件共振频率调查：在要求的频率范围内进行扫频试验，通过频响函数等曲线找出扣件2中零部件共振频率；
S3、共振疲劳试验：在共振频率处输入预定参数的振动，考核扣件2中零部件耐共振振动的能力；
S4、疲劳试验后检查：疲劳试验完成后，进行二次扫频试验判断共振频率有无改变，分析扣件2的零部件经过共振疲劳试验后的可靠程度。
扫频试验的定义为进行试验时振动输入参数比如位移、速度或者加速度等的数值保持不变，而振动频率在预定范围内连续往复发生变化。依据扫频正弦振动试验的频率的变化规律，扫频试验可分成线性扫描以及对数扫描。线性扫描频率变化是线性的，在单位时间内扫过的频率是固定的，扫描率可由扫频速率(Hz/s)或单次扫频时间计算得到。对数扫描在单位时间内扫过的频率倍频程数相同，扫描率的单位可以是oct/min，其中oct表示的是倍频程。
振动试验台1可分为机械振动试验台、电液振动试验台以及电振动试验台三种型式，其分别有各自的优缺点。机械振动台包括不平衡重式以及凸轮式两种型式。凸轮式振动台运动部件的位移大小受到凸轮的类型和曲轴的臂长的影响，并且激振力受到运动部件的质量的影响。该类型振动台在激振力较大的情况下，能够在低频区完成较大的位移，缺点是其工作频率范围窄，加速度失真较大。电液振动台的原理是经过能量转换装置将来自油泵的高压液体能量转化为激振力，其优点是能实现较低频率，能够满足大推力、大载荷及大位移，其缺点是设备复杂、价格昂贵且需要专用地基。电动振动台的工作原理是恒定磁场和磁场中的交变电流的线圈发生作用，从而产生恒定的激振力，它的优点为工作频率范围宽，输出的振动波形良好，易于自动控制并且实际操作调节方便。在实际应用中，目前使用最广泛的是电动振动台，应用率达到在役振动台的80％以上，尤其是在宽带随机振动测试方面。
根据扣件系统的宽频受力特点，本发明选用电动振动试验台，其属于高频、大位移以及大推力振动试验台，能够适用于任何形式的给定信号的振动以及冲击试验。振动试验台1选取为航天希尔I1450/BT600M感应式电动振动试验系统，并搭配型号IPA300H功率放大器，同时振动控制仪采用美国Vibration Research公司型号VR8700，其可以产生正弦、随机、冲击、混合等信号。振动试验台1的额定推力为10000kgf，最大位移为51mm(p-p)，频率范围5-3500Hz，动圈质量15kg。
实施例3
以弹条为例，采用上述的扣件高频振动疲劳试验系统对其进行扫频试验和共振疲劳试验。进行试验时需要对弹条进行振动监测，在弹条弹臂、弹条中弯安装加速度传感器，在弹条后弯圆弧内侧安装应变片进行测试，如图2所示。数据采集仪采用的是北京东方所DASP 3060S网络式智能采集仪，加速度传感器采用LC0110型压电式加速度传感器，灵敏度为50mv/g，应变片采用日本共和KYOWA单轴应变片，采样频率设为5120Hz，根据采样定理，分析有效频率范围为2000Hz。
扣件2安装完成，将弹条安装扭矩设置为250N·m进行扫频试验。通过振动控制设备108进行振动输入控制，扫频范围设置为400-1500Hz，正弦幅值控制为10g，线性扫描，单边扫频时间为60s。钢轨3、弹条弹臂、弹条中弯垂向加速度和弹条后弯圆弧应力时域曲线如图3所示。从图中可知，钢轨3垂向加速度输入基本控制在10g左右，弹条弹臂垂向加速度时域曲线上有两个明显的峰值，弹条中弯垂向加速度时域曲线基本在10g以下，弹条后弯圆弧应变时域曲线上也有两个明显的峰值。
对钢轨3、弹条弹臂、弹条中弯垂向加速度和弹条后弯圆弧应力时域曲线进行扫频传递分析，结果如图4-5所示。钢轨-弹条弹臂加速度传递率曲线上有两个明显共振峰，频率分别为542、610Hz，可知其为弹条的前两阶共振频率，与理论仿真结果520、600Hz误差分别为4％、2％，扫频试验结果和仿真结果相互验证了准确性。弹条弹臂加速度相对于钢轨在542Hz处传递率为4.5，在610Hz处传递率为5.5。钢轨-弹条中弯加速度传递率在共振频率附近远小于钢轨-弹条弹臂加速度传递率，在1400Hz出现峰值，对应的传递率为1.1。钢轨-弹条后弯圆弧传递函数曲线上有两个明显共振峰，频率分别为542、610Hz，在542Hz处传递函数值为2.42με/g，在610Hz处传递函数值为3.41με/g，在400Hz处传递函数值为0.25με/g，两个共振峰值分别是400Hz处的8.7、12.6倍，表明在共振时应力得到大幅度放大。
本发明中的扣件高频振动疲劳试验系统，对扣件2进行了扫频试验，找出扣件2零部件共振频率以及放大倍数，在典型的扣件2零部件共振频率点上输入预定参数的振动，用来考核扣件2零部件耐共振振动的能力。以往的疲劳试验装置主要采用电液伺服动静万能系列试验机，频率范围在20Hz以下，本系统在结构上选取电动振动试验台，频率范围为5-3500Hz，可以分析高频载荷对扣件零部件疲劳损伤的影响。可以对扣件进行了扫频试验，找出扣件零部件共振频率以及放大倍数，这在传统的电液伺服设备上难以实现。同时在典型的扣件零部件共振频率点上输入预定参数的振动，用来考核扣件零部件耐共振振动的能力。在工装设计上，通过调整支撑工装斜面的角度，可以改变扣件垂横向加载的比例，可以分析垂向、横向力对扣件疲劳的贡献比例。传统的疲劳设备更多的是关注扣件系统的准静态或者说低频疲劳性能，本试验系统更多的是关注扣件系统在高频尤其是共振频率时的疲劳性能。这些高频载荷来自于多边形车轮以及钢轨波磨等轮轨短波不平顺，高频载荷会造成扣件零部件中弹条以及螺栓断裂。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (9)
1.扣件高频振动疲劳试验系统，其特征在于，包括振动试验台(1)、振动监测部件、扣件(2)和钢轨(3)；扣件(2)和钢轨(3)配合安装在振动试验台(1)上；振动监测部件的监测端设置在扣件(2)和钢轨(3)上；振动试验台(1)包括固定工装(101)、第一台体(102)、第二台体(103)、支撑工装(104)、承轨台工装(105)、滑台(106)、转接工装(107)和振动控制设备(108)；第一台体(102)和第二台体(103)设置在固定工装(101)的上端两侧；支撑工装(104)设置在第一台体(102)上端，且靠近第二台体(103)的一侧设置有安装斜面；承轨台工装(105)可调节设置在安装斜面上，其上设置有扣件(2)和钢轨(3)的安装工位；滑台(106)设置在第二台体(103)上端；振动控制设备(108)设置在滑台(106)远离承轨台工装(105)的一端；转接工装(107)设置在另一端，且在工作状态下通过螺栓与钢轨(3)。
2.根据权利要求1所述的扣件高频振动疲劳试验系统，其特征在于，承轨台工装(105)形状模拟轨枕承轨，通过螺栓连接在支撑工装(104)上。
3.根据权利要求1所述的扣件高频振动疲劳试验系统，其特征在于，第一台体(102)和第二台体(103)通过螺栓连接固定工装(101)，并构成自平衡系统。
4.根据权利要求1所述的扣件高频振动疲劳试验系统，其特征在于，支撑工装(104)的安装斜面角度可调节。
5.根据权利要求1所述的扣件高频振动疲劳试验系统，其特征在于，钢轨(3)和转接工装(107)通过螺栓连接，转接工装(107)和钢轨(3)垂向之间的角度设置为26°。
6.根据权利要求1所述的扣件高频振动疲劳试验系统，其特征在于，转接工装(107)和滑台(106)通过螺栓连接。
7.根据权利要求1所述的扣件高频振动疲劳试验系统，其特征在于，振动监测部件包括加速度传感器、应力片和数据采集仪。
8.根据权利要求1所述的扣件高频振动疲劳试验系统，其特征在于，系统设置有扫频模式、定频模式、宽带随机振动模式和宽带随机叠加定频模式。
9.一种包括权利要求1-8任一项所述的扣件高频振动疲劳试验方法，其特征在于，步骤如下：
S1、将扣件(2)和钢轨(3)安装在振动试验台(1)上，连接好振动监测部件；
S2、对扣件(2)中零部件共振频率调查：在要求的频率范围内进行扫频试验，通过频响函数等曲线找出扣件(2)中零部件共振频率；
S3、共振疲劳试验：在共振频率处输入预定参数的振动，考核扣件(2)中零部件耐共振振动的能力；
S4、疲劳试验后检查：疲劳试验完成后，进行二次扫频试验判断共振频率有无改变，分析扣件(2)的零部件经过共振疲劳试验后的可靠程度。
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2021
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Patent Citations (5)
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