CN113834674B - 基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改变轮径控制蠕滑率的方法，运用该方法可以模拟轨道列车通过不同半径的弯道时的轮轨接触条件。该装置包括上下固定的车轮实验轮对和轨道实验轮对；车轮实验轮对中的两个实验轮直径不同；轨道实验轮对带动车轮实验轮对转动。该装置还包括扭矩检测机构和垂向加载机构，扭矩检测机构包括编码器，设置在车轮实验轮对和轨道实验轮对的中心轴的两端；垂向加载机构包括一个托盘通过螺栓与车轮实验轮对的中心轴顶部相连。本发明通过更换不同直径的车轮实验轮可以控制蠕滑率，并绘制蠕滑曲线。

Description

基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置及方法

技术领域

本发明涉及轮轨蠕滑曲线的测量领域，尤其涉及一种基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置及方法。

背景技术

轮轨蠕滑曲线是描述轮轨滚动接触过程中黏着力或黏着系数与蠕滑率之间的关系曲线，是机车动力学、轮轨关系等研究中最为基础的问题。在某些接触条件下黏着系数会随着蠕滑率的增大而减小。

而现有轮轨接触实验台中，无法准确控制蠕滑率，因此也无法进行黏着系数的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有轮轨接触实验台中，无法准确控制蠕滑率的问题，提供一种能够保证轮轨蠕滑率为定值并测量蠕滑曲线的新方法。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置，该装置包括上下固定的车轮实验轮对和轨道实验轮对；车轮实验轮对中的两个实验轮直径不同；轨道实验轮对带动车轮实验轮对转动；

该装置还包括扭矩检测机构和垂向力加载机构，扭矩检测机构包括编码器，设置在车轮实验轮对和轨道实验轮对的中心轴的两端；重向力加载机构包括托盘和砝码，托盘固定在车轮轮对顶部。

在运行过程中，车轮实验轮对中两车轮的角速度保持一致，线速度不一致；在根据编码器判断车轮实验轮对与轨道实验轮对未发生滑动时，通过编码器测出车轮实验轮的轮轴角位移，计算车轮实验轮对的中心轴的扭矩，并结合车轮实验轮对的垂向力，得出特定蠕滑率下的黏着系数；更换不同直径的车轮实验轮测得不同蠕滑率下对应的黏着系数，并绘制蠕滑曲线。

接上述技术方案，轨道实验轮对包括两个盘型实验轮和中心轴，中心轴两端通过胀紧套固定两个盘型实验轮，中心轴中部连接外部驱动机构。

接上述技术方案，每个弹簧钢板通过轴承结构固定在中心轴上，轴承结构包括轴承，以及固定在轴承上方的垫块和压块，弹簧钢板固定在垫块和压块之间。

本发明还提供一种基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的方法，该方法基于上述技术方案的基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置，该方法包括以下步骤：

开始实验前先测量车轮轮对、以及其与其相连的轴承、弹簧钢板、托盘的重量，在托盘上添加特定重量的砝码。这样便可施加特定大小的垂向力。

使用特定尺寸的车轮使车轮实验轮对的内外车轮具有滚动半径差，对应列车过弯时由于轮对横移导致的内外车轮滚动半径差；

在安装车轮实验轮对时，通过适当调整垫片的厚度使得弹簧钢板处于没有形变的状态，这样最后计算的垂向力等于车轮轮对、以及其与其相连的轴承、弹簧钢板、托盘的重量加上托盘内添加的砝码的重量。

轨道实验轮对旋转，带动车轮实验轮对随之旋转；

根据编码器输出的数据，计算车轮实验轮对的中心轴的相对扭转角信息，并根据扭转角计算车轮实验轮对的中心轴的扭矩；

根据摩擦力与扭矩、垂向力之间的关系，计算特定蠕滑率下的黏着系数；

再选用其他不同半径的车轮换到车轮实验轮对的小轮一侧，用于调整到不同的蠕滑率值，重复实验得到多个蠕滑率下的黏着系数，并绘制蠕滑曲线。

本发明产生的有益效果是：本发明通过车轮实验轮对的内外车轮具有滚动半径差，来模拟列车过弯，并测量此时车轮的黏着系数，再选用其他不同半径的车轮换到车轮实验轮对的小轮一侧，用于调整到不同的蠕滑率值，重复实验得到多个蠕滑率下的黏着系数，并绘制蠕滑曲线。本发明的装置能够保证轮轨蠕滑率为定值，方法能够快速测量蠕滑曲线。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为列车运行大小轮的情况示意图；

图2为车轮实验轮对受力示意图；

图3为本发明实施例基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置结构示意图；

图4为本发明实施例的车轮实验轮对示意图；

图5为本发明实施例的车轮实验轮对局部图；

图6为本发明实施例的轨道实验轮对结构示意图；

图7为本发明实施例基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中通过改变轮径改变蠕滑率的原理：在列车实际运行过程中左右两轮的半径不同时会导致较小半径的一侧车轮的蠕滑率增大，其运行的示意图如图1所示。在黏着系数和垂向力相等的车轮正常滚动过程中大小两轮接触点的摩擦力是f₁和f₂相等的，但由于D₁＜D₂，摩擦力提供的扭矩T₁＜T₂，因此必然小轮先开始打滑。一旦小轮开始打滑，小轮与轨道间的摩擦力变为动摩擦，摩擦系数和摩擦力进一步降低，因此小轮处的蠕滑率便增大。而大轮处的摩擦力没有超过最大静摩擦力，由此大轮和轨道之间没有发生相对滑动，因此实验能保持恒定的纵向蠕变。

对于列车过弯的情况：外轨的半径大于内轨，说明外轮的行驶距离大于内轮的行驶距离。由于外轮与内轮由轮轴连接，因此外轮与内轮的旋转角位移相等。由上面的分析可以得出，内轮的转动位移大于其行走距离，导致内轮与内轨之间发生滑动。众所周知，静摩擦系数大于动摩擦系数。这就会导致内轮和内轨容易发生相对滑动。那么内轮接触点将产生特定的蠕滑率。

因此通过这种大小轮的实验方式可以模拟列车过弯的时候由于列车过弯时内外轮转动半径差异导致蠕滑情况。

本发明实施例

在实验过程中可以通过大轮一侧的车轮编码器和轨道轮编码器来检测是否发生滑动。如果发生了滑动，则分析上下外轮对编码器的数据，只取没有发生滑动的数据。

单位时间Δt内大小实验轮上相对应的两点的相对滑动速度为：

因此，由小轮的相对滑动速度引起的纵向蠕变为：

大轮和轨道轮处没有发生滑动因此摩擦力为静摩擦，小轮与轨道轮间发生蠕滑，摩擦系数在负斜率段振荡，相对大轮处摩擦力较小，因此可将大轮视为相对静止，而小轮发生扭振，通过编码器采集的角位移信号便可以测出轴的扭矩，由扭矩可以计算出小轮与轨道轮之间的摩擦力。

由1号编码器、2号编码器所测的角位移θ₁(t)，θ₂(t)计算得轮轴的扭转角：如图2所示。

同时，由轮轴的扭转角计算可得轮轴两端的扭矩，

公式(3)中，切变模量轮轴横截面的极惯性矩/>d为轮轴的直径；L为两车轮间轮轴的轴长；由轮对材料得轮对弹性模量E＝206GPa；泊松比ν＝0.3。

通过公式4可以计算出轮轨接触的摩擦力，其中F为轮轨间的摩擦力大小， N为轮轨间垂向力大小，μ为黏着系数。由公式(5)即可求出黏着系数。

其中，R为车轮实验轮对中小轮的半径。

本发明实施例基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置，如图3所示，该装置包括上下固定的车轮实验轮对4和轨道实验轮对5，以及用于固定轮对的支撑机构；车轮实验轮对中的两个实验轮直径不同；轨道实验轮与一外部驱动机构连接，在外部驱动机构的驱动下，带动车轮实验轮对转动。该装置还包含垂向力加载机构，固定在车轮实验轮对4上。其主要包括托盘8，其内可以根据实验需要添加砝码。在垂向力加载机构的托盘8中添加砝码或重物，设置特定的垂向力。

具体地，该装置包括轮对支架1，其上设有两层支撑架，上层支撑架上固定车轮实验轮对4，下层支撑架上固定轨道实验轮对5。该装置的动力通过轨道实验轮上的同步带轮由外部输入。

在运行过程中，车轮实验轮对中两车轮的角速度保持一致，线速度不一致；在根据编码器判断车轮实验轮对与轨道实验轮对未发生滑动时，通过编码器测出车轮实验轮的轮轴角位移，计算车轮实验轮对的中心轴的扭矩，并结合车轮实验轮对的垂向力，得出特定蠕滑率下的黏着系数；更换不同直径的车轮实验轮测得不同蠕滑率下对应的黏着系数，并绘制蠕滑曲线。

本发明实施例中轨道实验轮对包括两个盘型实验轮和中心轴，中心轴两端通过胀紧套9固定两个盘型实验轮11，中心轴中部连接外部驱动机构。

如图4、5所示，车轮实验轮对中，每个弹簧钢板16的中部通过轴承结构固定在中心轴上，轴承结构包括轴承12，以及固定在轴承上方的垫块13和压块14，弹簧钢板固定在垫块和压块之间。结合图1，托盘8安装在压块14 的上部，并通过螺栓固定。车轮实验轮对轴两端装有编码器6，可以通过检测轴的扭转角进而求出轴的扭矩大小，进而求出轮轨接触的摩擦力大小、黏着系数。

参见图6，轨道实验轮对的编码器通过编码器支撑3固定在轮对支架1 上，并与中心轴相连，车轮实验轮对的编码器连接方式和轨道实验轮对的编码器连接方式类似。

参见图5，弹簧钢板16的两端夹在两端的压块15和弹簧钢板支撑7中间，弹簧钢板16上的两个弹簧钢板支撑7可以调节相对距离，以改变支撑的刚度，满足不同的实验需求。

如图3、6所示，轨道实验轮对5包括两个盘型实验轮和中心轴，中心轴两端通过胀紧套固定两个盘型实验轮，光轴中部套设大同步带轮2，整个实验装置的动力由同步带轮2输入。编码器6通过编码器支撑3固定在轮对支架1 上，并与中心轴相连，车轮实验轮对的编码器连接方式和轨道实验轮对的编码器连接方式类似。车轮轮对两端的编码器可以用于判断装置运行时轴的相对扭转角，通过材料力学公式求出轴的扭矩，再由力学公式得出车轮和轨道之间的摩擦力大小。

本发明实施例中，小同步带轮轴安装在一带座的球轴承上。张紧轮机构包括张紧轮、张紧轮轴和张紧轮支架，张紧轮安装在张紧轮轴上，张紧轮轴安装在张紧轮支架上的一带座球轴承上。

进一步地，如图6所示，大同步带轮2通过键连接安装在中心轴上；大同步带轮两侧安装轴承结构，该轴承结构包括带座球轴承和弹簧钢板，带座球轴承上安装轴承压块和垫块，弹簧钢板中部夹在轴承垫块和轴承压块中间，通过螺栓固定。

如图7所示，本发明实施例基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的方法基于上述实施例的基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置，该方法包括以下步骤：

S1、使用特定尺寸的车轮使车轮实验轮对的内外车轮具有滚动半径差，对应列车过弯时由于轮对横移导致的内外车轮滚动半径差；

S2、轨道实验轮对旋转，带动车轮实验轮对随之旋转；

S3、根据编码器输出的数据，计算车轮实验轮对的中心轴的相对扭转角信息，并根据扭转角计算车轮实验轮对的中心轴的扭矩；

S4、由垂向力加载机构添加特定的垂向载荷，并记录垂向力值的大小。

S5、根据摩擦力与扭矩、垂向力之间的关系，计算特定蠕滑率下的黏着系数；

S6、再选用其他不同半径的车轮换到车轮实验轮对的小轮一侧，用于调整到不同的蠕滑率值，重复实验得到多个蠕滑率下的黏着系数，并绘制蠕滑曲线。

为了测量蠕滑曲线，需要选取一系列不同轮径的小轮对进行实验，实验中选取16组不同的小轮半径进行实验(如表1所示)，并在临界蠕滑附近设置得更密集一些。可以根据实验的需求选取不同的车轮直径。

表1轮径的选取

模拟半径(m)	大轮直径(mm)	小轮直径(mm)	蠕滑率常数项
				3000	400	399.81	0.00047833
2000	400	399.71	0.0007175
				……	……	……	……
763(临界蠕变的点)	400	399.25	0.00188
				……	……	……	……
400	400	398.565	0.0035875

车轮实验轮对的一侧小轮可根据表格设定的车轮半径依次换上：将车轮套到胀紧套上，拧紧张紧套上的螺钉，固定好车轮。

本发明的另一实施例中，该装置测量蠕滑曲线的方法包括以下步骤：

在加载特定垂向力的前提下，使用特定尺寸的盘型实验轮(例如表1中的第一行数据)使内外车轮具有滚动半径差，对应列车过弯时由于轮对横移导致的内外车轮滚动半径差。使用特定半径的实验轮时可以得到特定的轮轨蠕滑率。

外部驱动机构带动轨道实验轮对，驱动轨道实验轮对旋转，由于轨道实验轮对与车轮实验轮对紧密接触且存在相互作用力，在摩擦力的作用下，车轮实验轮对也将被驱动旋转。此时通过装在车轮实验轮对上的编码器可以得到轴的相对扭转角信息。

通过上文的计算公式(5)可以得出该蠕滑率下的黏着系数。

接下来拆下车轮实验轮对一侧的编码器，松开胀紧套，然后卸下车轮，根据表1(可以根据实验要求自己定制需要的车轮直径)换用直径小一号的车轮 (例如表1中的第二行数据)，这样，我们便可以得到另一个特定的蠕滑率值，再重复上述的操作，便可得到该蠕滑率下的黏着系数。经过多点的测量，便可绘制出各个蠕滑率下对应的黏着系数，将点拟合即得到了蠕滑曲线。

综上，本发明可通过换用不同半径的车轮来模拟轨道交通列车在不同过弯半径的情况。本发明克服了蠕滑率测试实验台不能精准控制蠕滑率的缺点，本发明通过选用一侧车轮的半径，并使其滑动，可以精确控制其蠕滑率。本发明通过测量多个蠕滑率下的车轮轮对轴的扭矩，在通过扭矩计算其黏着系数，即可得出蠕滑曲线。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置，其特征在于，该装置包括上下固定的车轮实验轮对和轨道实验轮对；车轮实验轮对中的两个实验轮直径不同；轨道实验轮对带动车轮实验轮对转动；

该装置还包括扭矩检测机构和垂向力加载机构，扭矩检测机构包括编码器，设置在车轮实验轮对和轨道实验轮对的中心轴的两端；

该装置包含垂向力加载机构，其主要包括托盘和砝码,托盘装在车轮实验轮的上部；

在运行过程中，车轮实验轮对中两车轮的角速度保持一致，线速度不一致；当根据编码器判断车轮实验轮对与轨道实验轮对未发生滑动时，通过编码器测出车轮实验轮的轮轴角位移，计算车轮实验轮对的中心轴的扭矩，得出特定蠕滑率下的轮轨间摩擦力；更换不同直径的车轮实验轮测得不同蠕滑率下对应的黏着系数，并绘制蠕滑曲线。

2.根据权利要求1所述的基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置，其特征在于，轨道实验轮对包括两个盘型实验轮和中心轴，中心轴两端通过胀紧套固定两个盘型实验轮，中心轴中部连接外部驱动机构。

3.根据权利要求1所述的基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置，其特征在于，该装置中轨道实验轮对的轴装有同步带轮，通过该同步带轮输入动力。

4.根据权利要求1所述的基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置，其特征在于，每个弹簧钢板通过轴承结构固定在中心轴上，轴承结构包括轴承，以及固定在轴承上方的垫块和压块，弹簧钢板固定在垫块和压块之间。

5.一种基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的基于改变轮径测量轮轨蠕滑率的装置，该方法包括以下步骤：

使用特定尺寸的车轮使车轮实验轮对的内外车轮具有滚动半径差，对应列车过弯时由于轮对横移导致的内外车轮滚动半径差；

在托盘内加入特定重量的砝码，以施加垂向力；

轨道实验轮对旋转，带动车轮实验轮对随之旋转；

根据编码器输出的数据，计算车轮实验轮对的中心轴的相对扭转角信息，并根据扭转角计算车轮实验轮对的中心轴的扭矩；

根据摩擦力与扭矩、垂向力之间的关系，计算特定蠕滑率下的黏着系数；

再选用其他不同半径的车轮换到车轮实验轮对的小轮一侧，用于调整到不同的蠕滑率值，重复实验得到多个蠕滑率下的黏着系数，并绘制蠕滑曲线。