CN114414272B - 一种列车车轮踏面制动模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

一种列车车轮踏面制动模拟试验装置，包括上、下试样运动系统和踏面制动系统，下试样运动系统连接有主轴，主轴用于安装车轮试样，上试样运动系统连接有副轴，副轴用于安装钢轨试样；踏面制动系统包括托板和加载机构，托板上连接有位于主轴下方的二维力传感器，二维力传感器上设有闸瓦片，二维力传感器记录当旋转的车轮试样与闸瓦片接触时的垂直压力和水平摩擦力的力数值。本发明可实现列车踏面制动时滑动接触模拟试验，并且滚动模拟试验和滑动接触模拟试验可同步进行，用来模拟列车踏面制动时的热机耦合工况，更贴近实际列车在运行时施加踏面制动的情形，真实还原了实际列车的车轮、钢轨、闸瓦片三者之间的相互作用及影响，以便分析列车踏面接触部位的损伤情况。

Description

一种列车车轮踏面制动模拟试验装置

技术领域

本发明涉及列车制动测试技术领域，具体涉及一种列车车轮踏面制动模拟试验装置。

背景技术

踏面制动广泛应用于传统机车车辆制动领域，在制动过程中闸瓦和踏面之间会存在剧烈摩擦，有大量的摩擦热产生，温升可达400℃，同时踏面轮轨接触处还承受巨大的接触应力及沿钢轨方向的制动力，是比较典型的热机耦合工况，加速车轮踏面的磨耗及其他损伤，严重影响车轮的使用寿命及列车的运行安全。

因此，验证车轮踏面在踏面制动过程中的滚动磨损和滚动接触疲劳损伤的全貌、了解车轮踏面制动过程中的热机耦合损伤机制具有重要意义，其有利于作出有效的预防措施，但是，现有技术中关于踏面制动过程中热机耦合工况下车轮的滚动磨损和滚动接触疲劳损伤的测试设备仍属空白。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种列车车轮踏面制动模拟试验装置，该模拟试验装置通过车轮试样与钢轨试样的接触可实现列车轮轨的滚动模拟试验，通过车轮试样与闸瓦的接触可实现列车踏面制动时滑动接触模拟试验，并且滚动模拟试验和滑动接触模拟试验可同步进行，用来模拟列车踏面制动时的热机耦合工况，更贴近实际列车在运行时施加踏面制动的情形，真实还原了实际列车的车轮、钢轨、闸瓦片三者之间的相互作用及影响，以便分析列车踏面接触部位的损伤情况，对研究列车车轮、轨道、闸瓦片等材料及了解列车制动工况具有重要意义。

为实现上述目的，本发明提供了一种列车车轮踏面制动模拟试验装置，其包括下试样运动系统、上试样运动系统和踏面制动系统，其中：

所述下试样运动系统连接有主轴，所述主轴由所述下试样运动系统驱动旋转，所述上试样运动系统连接有副轴，所述副轴由所述上试样运动系统驱动旋转，所述副轴与所述主轴上下相对分布设置，所述主轴上用于安装圆形的用以模拟列车车轮的车轮试样，所述副轴上用于安装滚环状的用以模拟列车钢轨的钢轨试样，所述车轮试样与所述钢轨试样通过各自的外周面相接触；

所述踏面制动系统包括托板和加载机构，所述托板上下活动设置，所述加载机构用于对所述托板提供向上的加载载荷，且加载载荷大小可调，所述托板上连接有位于所述主轴下方的二维力传感器，所述二维力传感器上设有闸瓦片，所述闸瓦片的表面可与所述车轮试样的外周面相接触，所述二维力传感器用于记录当旋转的所述车轮试样与所述闸瓦片接触时的垂直压力和水平摩擦力的力数值。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述下试样运动系统包括主轴驱动马达和主轴传动机构，所述主轴驱动马达通过所述主轴传动机构与所述主轴传动连接；所述上试样运动系统包括副轴驱动马达和副轴传动机构，所述副轴驱动马达通过所述副轴传动机构与所述副轴传动连接。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述踏面制动系统还包括底座、左右相对竖立设置在所述底座上的两根立柱，以及连接在两根所述立柱顶端的横梁，所述托板设置在两根所述立柱之间，两根所述立柱上各设有竖向的用于对所述托板活动支撑的直线导轨，所述托板在所述直线导轨的导向作用下进行上下活动。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述加载机构包括钢丝绳，以及与所述钢丝绳配合的第一定滑轮和第二定滑轮，所述第一定滑轮安装在所述托板上，所述第二定滑轮安装在所述横梁上，所述钢丝绳的一端绕过所述第一定滑轮的底部后向上通过吊环螺丝固定在所述横梁上，另一端绕过所述第二定滑轮的顶部后向下垂吊有挂件，所述挂件上用于放置砝码，所述钢丝绳用于将所述砝码重力产生的载荷依次通过所述第二定滑轮和所述第一定滑轮施加给所述托板。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一定滑轮和所述第二定滑轮均为两个，两个所述第一定滑轮在托板上左右间距设置，两个所述第二定滑轮在横梁上左右间距设置，两个所述第一定滑轮的底部以及两个所述第二定滑轮的顶部依次与所述钢丝绳接触配合。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述加载机构为两套，且相对所述二维力传感器对称分布设置在所述托板的两侧。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述二维力传感器上还设有定位模具，所述闸瓦片通过所述定位模具设置在所述二维力传感器上。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述试验装置还包括工作台，所述下试样运动系统、上试样运动系统和踏面制动系统分别设置在所述工作台上。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述工作台上设有直线凹槽，所述底座沿所述直线凹槽可滑动地配设在所述工作台上；所述工作台上设有夹紧块，所述夹紧块上拧设有与所述底座连接的手柄螺杆，所述手柄螺杆用于将所述底座与所述工作台固定，以及对所述底座在所述工作台上的位置进行调整。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述工作台上还设有液压作动器，所述液压作动器与所述副轴连接，所述液压作动器用于输出力矩使所述副轴产生垂向力，以使所述副轴上的钢轨试样在垂向力作用下与车轮试样接触。

本发明的列车车轮踏面制动小比例模拟试验装置，通过车轮试样与钢轨试样的接触可实现列车轮轨的滚动模拟试验，通过车轮试样与闸瓦的接触可实现列车踏面制动时滑动接触模拟试验，并且滚动模拟试验和滑动接触模拟试验可同步进行，用来模拟列车踏面制动时的热机耦合工况，更贴近实际列车在运行时施加踏面制动的情形，真实还原了实际列车的车轮、钢轨、闸瓦片三者之间的相互作用及影响，以便分析列车踏面接触部位的损伤情况，对研究列车车轮、轨道、闸瓦片等材料及了解列车制动工况具有重要意义；此试验装置结构简单，使用方便，便于操作，适合推广应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的列车车轮踏面制动模拟试验装置提供的一实例的结构示意图；

图2为本发明的列车车轮踏面制动模拟试验装置的局部放大图；

图3为踏面制动系统的结构详图。

图中：1、工作台，2、直线凹槽，3、二维力传感器，31、定位模具，32、闸瓦片，4、下试样运动系统，41、主轴，42、车轮试样，5、砝码，6、踏面制动系统，7、第二定滑轮，8、钢丝绳，9、上试样运动系统，91、副轴，92、钢轨试样，10、手柄螺杆，11、夹紧块，12、底座，13、第一定滑轮，14、托板，15、直线导轨，16、立柱，17、横梁，18、吊环螺丝，19、液压作动器。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明的列车车轮踏面制动模拟试验装置，主要用于车轮轮轨与踏面关系的研究和试验，能够准确再实现轮轨滚动时的与闸瓦片32接触疲劳、滑动磨损现象，模仿实际运行中列车轮轨损伤机理及粘着特性的必备装置，试验装置的功能齐全，涉及面广。此外，车轮试样41和钢轨试样92的几何尺寸可按参照《GB/T10622-1989金属材料滚动接触疲劳试验方法》制作得到小比例滚动试样，具有高度仿真，操作方便等特点。

如图1-3所示，本发明的列车车轮踏面制动模拟试验装置包括工作台1，以及设置在工作台1上的下试样运动系统4、上试样运动系统9和踏面制动系统6。

所述下试样运动系统4连接有主轴41，所述主轴41由所述下试样运动系统9驱动旋转，圆形的用以模拟列车车轮的车轮试样41安装在主轴41上并随主轴41转动。具体地，所述下试样运动系统4包括主轴驱动马达和主轴传动机构，所述主轴驱动马达通过所述主轴传动机构与所述主轴41传动连接，车轮试样41的滚动及转速由主轴41驱动马达进行控制。

所述上试样运动系统9连接有副轴91，所述副轴91由所述上试样运动系统4驱动旋转，所述副轴91与所述主轴41上下相对分布设置，滚环状的用以模拟列车钢轨的钢轨试样92安装在副轴91上并随副轴91转动。具体地，所述上试样运动系统9包括副轴驱动马达和副轴传动机构，所述副轴驱动马达通过所述副轴传动机构与所述副轴91传动连接，钢轨试样92的滚动及转速由副轴91驱动马达进行控制。

车轮试样41与钢轨试样92通过各自的外周面相接触以在运转过程中进行滚动摩擦，试验中可以通过调节下试样运动系统4和上试样运动系统9各自输出的转速差，来测试车轮试样41与钢轨试样92之间滚动摩擦的滑差率，从而模拟测试列车车轮与轨道到的滚动摩擦的滑差率情况。车轮试样41与钢轨试样92的转速可根据实验需求分别通过下试样运动系统4和上试样运动系统9进行设定和控制，具体如何设定过程中，在此不做详细描述。

工作台1上还设有液压作动器19，液压作动器19与副轴91连接，所述液压作动器19用于输出力矩使所述副轴91产生垂向力，以使所述副轴91上的钢轨试样92在垂向力作用下与车轮试样42接触，垂向力的大小由液压作动器19根据实际试验需求进行调节。

所述踏面制动系统6包括托板14和加载机构，所述托板14上下活动设置，所述加载机构用于对所述托板14提供向上的加载载荷，且加载载荷大小可调，所述托板14上连接有位于所述主轴41下方的二维力传感器3，所述二维力传感器3上设有通过定位模具31固定安装的闸瓦片32，在加载机构的加载力传递到托板14后施加到闸瓦片32上，使闸瓦片32向上与车轮试样41表面下压紧接触，二维力传感器3用于记录当旋转的所述车轮试样41与所述闸瓦片32接触时的垂直压力和水平摩擦力的力数值，通过测试闸瓦片32与车轮试样41之间的滚动摩擦与滑动摩擦，来模拟测试列车制动时车轮与闸瓦片32之间的滚动摩擦与滑动摩擦情况。

另外，试验时可采用热成像测温仪对车轮试样41、钢轨试样92和闸瓦片32之间的接触区域进行温度检测，以用于辅助研究温度变化情况，以便进行试验分析。当然，还可借助其他设备进行辅助分析，在此不做一一举例。

在此需要说明的是，车轮试样41与钢轨试样92之间的摩擦，以及车轮试样41与闸瓦片32之间的摩擦，根据实验需求可以同时进行测试，也可以分开进行测试。此外，下试样运动系统4带动车轮试样41进行转动的转速大小、上试样运动系统9带动钢轨试样92进行转动的转速大小、加载机构施加的载荷量、相互间的摩擦时间长短、闸瓦片32的材质、硬度及表面粗糙程度，均可根据试验需求进行调控和选择，以满足并适用于多种不同工况下的试验。

所述踏面制动系统6还包括底座12、左右相对竖立设置在所述底座12上的两根立柱16，以及连接在两根所述立柱16顶端的横梁17，所述托板14设置在两根所述立柱16之间，两根所述立柱16上各设有竖向的用于对所述托板14活动支撑的直线导轨15，托板14的两端分别连接在两根直线导轨15的滑块上，所述托板14在所述直线导轨15的导向作用下进行上下活动。

为了便于踏面制动系统6的安装及位置调整，所述工作台1上设有直线凹槽2，所述底座12沿所述直线凹槽2可滑动地配设在所述工作台1上；所述工作台1上设有夹紧块11，所述夹紧块11上拧设有与所述底座12连接的手柄螺杆10，所述手柄螺杆10用于将所述底座12与所述工作台1固定，以及对所述底座12在所述工作台1上的位置进行调整。

所述加载机构包括钢丝绳8，以及与所述钢丝绳8配合的第一定滑轮13和第二定滑轮7，所述第一定滑轮13安装在所述托板14上，所述第二定滑轮7安装在所述横梁17上，所述钢丝绳8的一端绕过所述第一定滑轮13的底部后向上通过吊环螺丝18固定在所述横梁17上，另一端绕过所述第二定滑轮7的顶部后向下垂吊有挂件，所述挂件上用于放置砝码5，所述钢丝绳8用于将所述砝码5重力产生的载荷依次通过所述第二定滑轮7和所述第一定滑轮13施加给所述托板14，结构设计巧妙，能很好的模拟列车制动施压情况，而且载荷大小调节方便。

优选地，所述第一定滑轮13和所述第二定滑轮7均为两个，两个所述第一定滑轮13在托板14上左右间距设置，两个所述第二定滑轮7在横梁17上左右间距设置，两个所述第一定滑轮13的底部以及两个所述第二定滑轮7的顶部依次与所述钢丝绳8接触配合。

进一步优选地，所述加载机构为两套，且相对所述二维力传感器3对称分布设置在所述托板14的两侧，使得施加到闸瓦片32上的加载力平稳，更好的模型列车制动，便于试验的进行，以提高试验的准确性。

本发明的列车车轮踏面制动模拟试验装置，用来模拟小比例踏面制动时的热机耦合工况，由车轮试样41和车轨试样滚动接触来模拟列出车轮和钢轨行进时的情况，由车轮试样41与闸瓦片32接触来模拟列出车轮制动时的情况，其满足滚动加滑动接触的同步测试模拟试验，从而更贴近实际列车在运行时施加踏面制动的情形，真实还原了实际列车的车轮、钢轨、闸瓦片三者之间的相互作用及影响，以便分析列车踏面接触部位的损伤情况，对研究列车车轮、轨道、闸瓦片等材料及了解列车制动工况具有重要意义；此试验装置结构简单，使用方便，便于操作。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种列车车轮踏面制动模拟试验装置，其特征在于，包括下试样运动系统、上试样运动系统和踏面制动系统，其中：

所述下试样运动系统连接有主轴，所述主轴由所述下试样运动系统驱动旋转，所述上试样运动系统连接有副轴，所述副轴由所述上试样运动系统驱动旋转，所述副轴与所述主轴上下相对分布设置，所述主轴上用于安装圆形的用以模拟列车车轮的车轮试样，所述副轴上用于安装滚环状的用以模拟列车钢轨的钢轨试样，所述车轮试样与所述钢轨试样通过各自的外周面相接触；

所述踏面制动系统包括托板和加载机构，所述托板上下活动设置，所述加载机构用于对所述托板提供向上的加载载荷，且加载载荷大小可调，所述托板上连接有位于所述主轴下方的二维力传感器，所述二维力传感器上设有闸瓦片，所述闸瓦片的表面可与所述车轮试样的外周面相接触，所述二维力传感器用于记录当旋转的所述车轮试样与所述闸瓦片接触时的垂直压力和水平摩擦力的力数值；

所述踏面制动系统还包括底座、左右相对竖立设置在所述底座上的两根立柱，以及连接在两根所述立柱顶端的横梁，所述托板设置在两根所述立柱之间，两根所述立柱上各设有竖向的用于对所述托板活动支撑的直线导轨，所述托板在所述直线导轨的导向作用下进行上下活动；

所述加载机构包括钢丝绳，以及与所述钢丝绳配合的第一定滑轮和第二定滑轮，所述第一定滑轮安装在所述托板上，所述第二定滑轮安装在所述横梁上，所述钢丝绳的一端绕过所述第一定滑轮的底部后向上通过吊环螺丝固定在所述横梁上，另一端绕过所述第二定滑轮的顶部后向下垂吊有挂件，所述挂件上用于放置砝码，所述钢丝绳用于将所述砝码重力产生的载荷依次通过所述第二定滑轮和所述第一定滑轮施加给所述托板。

2.根据权利要求1所述的列车车轮踏面制动模拟试验装置，其特征在于，所述下试样运动系统包括主轴驱动马达和主轴传动机构，所述主轴驱动马达通过所述主轴传动机构与所述主轴传动连接；所述上试样运动系统包括副轴驱动马达和副轴传动机构，所述副轴驱动马达通过所述副轴传动机构与所述副轴传动连接。

3.根据权利要求1所述的列车车轮踏面制动模拟试验装置，其特征在于，所述第一定滑轮和所述第二定滑轮均为两个，两个所述第一定滑轮在托板上左右间距设置，两个所述第二定滑轮在横梁上左右间距设置，两个所述第一定滑轮的底部以及两个所述第二定滑轮的顶部依次与所述钢丝绳接触配合。

4.根据权利要求3所述的列车车轮踏面制动模拟试验装置，其特征在于，所述加载机构为两套，且相对所述二维力传感器对称分布设置在所述托板的两侧。

5.根据权利要求1所述的列车车轮踏面制动模拟试验装置，其特征在于，所述二维力传感器上还设有定位模具，所述闸瓦片通过所述定位模具设置在所述二维力传感器上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的列车车轮踏面制动模拟试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括工作台，所述下试样运动系统、上试样运动系统和踏面制动系统分别设置在所述工作台上。

7.根据权利要求6所述的列车车轮踏面制动模拟试验装置，其特征在于，所述工作台上设有直线凹槽，所述底座沿所述直线凹槽可滑动地配设在所述工作台上；所述工作台上设有夹紧块，所述夹紧块上拧设有与所述底座连接的手柄螺杆，所述手柄螺杆用于将所述底座与所述工作台固定，以及对所述底座在所述工作台上的位置进行调整。

8.根据权利要求7所述的列车车轮踏面制动模拟试验装置，其特征在于，所述工作台上还设有液压作动器，所述液压作动器与所述副轴连接，所述液压作动器用于输出力矩使所述副轴产生垂向力，以使所述副轴上的钢轨试样在垂向力作用下与车轮试样接触。