CN115524147A - 一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机与模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机与模拟试验方法，试验机的结构主要由驱动电机、三个齿轮组、滑差调节装置、离合器、垂向力加载装置、转动惯量盘、模拟轮轨、磁粉制动器、压力传感器、扭矩传感器、编码器等组成。模拟试验方法通过配置试验初始参数后启动装置，待系统稳定时启动电缸，用于模拟轮轨载荷；进一步，通过调节离合器状态、磁粉制动器位置和加载力矩大小、驱动电机控制模式和模拟坡道所需力矩大小，可以实现轮轨黏着、停车制动、长大下坡匀速运动、长大上坡匀速牵引共四种工况下的模拟试验。本发明对研究多种工况下轮轨界面黏着机理及黏着调控等具有重要意义。

Description

一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机与模拟试验方法

技术领域

本发明属于轮轨摩擦模拟试验技术领域，尤其涉及一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机与模拟试验方法。

背景技术

随着我国川藏铁路的启动建设，未来列车运行将面临轮轨系统的连续长大上坡牵引和长大下坡制动，这对轮轨界面黏着性能提出了更高的要求和挑战。轮轨滚动摩擦是机车动轮转矩转换成牵引力的关键，轮轨间黏着失效，机车牵引时动轮空转，造成轨道擦伤；制动时黏着失效，车轮滑行导致车轮擦伤，我国每年更换擦伤的钢轨、车轮需要花费大量资金。因此，研究轮轨界面在不同工况下的黏着机理，是实现轮轨黏着有效调控的技术基础。

目前，已有的轮轨滚动试验台和制动试验台，功能单一。其中，模拟轮轨黏着的试验机主要有双电机驱动轮轨摩擦磨损试验机和单驱动摩擦磨损试验机。例如：西南交通大学研制的JD-1轮轨模拟试验机、MJP轮轨滚动接触摩擦磨损试验机、英国SUROS双盘摩擦试验机等属于双电机驱动轮轨摩擦磨损试验机，可通过改变两台伺服电机转速控制滑差，试验机采用液压加载，载荷控制精度较高，但整个试验装置能量消耗较高；WR-1轮轨滚动磨损试验机、JPM-1接触疲劳磨损试验机、MMS-2A微机控制摩擦磨损试验机等属于单电机驱动摩擦磨损试验机，且整个试验装置机械结构构成闭环，节省能量，但以上三种单驱动试验机，滑差速度恒定，不能连续变化，只能通过改变齿轮齿数改变滑差，且试验机常采用弹簧加载，载荷控制精度不高。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机与模拟试验方法。

本发明的一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机，具体结构为：驱动电机与齿轮组A通过联轴器连接，其中齿轮组A包括依次啮合的齿轮Z1、齿轮Z2、齿轮Z3、齿轮Z4，齿轮Z1与Z2传动比为3，齿轮Z2与Z4传动比为1，齿轮Z3为换向轮，齿轮Z4的轴与滑差调节装置输入轴通过联轴器连接，滑差调节装置输出轴与离合器2连接，齿轮组B与离合器2另一端连接，齿轮组B包括相互啮合的齿轮Z5、齿轮Z6，齿轮Z5与Z6的传动比为1/3，齿轮Z6一端与转动惯量盘通过万向节连接，另一端与模拟轮试样连接，模拟轮试样左侧与编码器1连接，垂向力加载装置与齿轮Z5、齿轮Z6轴通过轴承连接，齿轮Z2轴与离合器1连接，离合器1与扭矩传感器通过联轴器连接，扭矩传感器与模拟轨试样连接，模拟轨试样右侧与编码器2连接，齿轮组C连接于离合器1左侧，齿轮组C包括相互啮合的齿轮Z7、齿轮Z8，齿轮Z8与制动器通过联轴器连接；滑差调节装置包括行星齿轮差速器和加载电机；垂向力加载装置包括：活动杆与齿轮Z5轴和齿轮Z6轴通过轴承连接，加载电缸安装于机架上，加载电缸伸缩杆顶部安装有力传感器，用于检测加载于模拟轮试样上的垂向力大小。

垂向力加载装置主要包括加载电缸、活动杆，活动杆与上试样轴、齿轮Z5轴通过轴承连接，通过加载电缸对活动杆自由端加载，通过固定在加载电缸顶端的力传感器检测加载垂向力大小。

本发明的多功能轮轨黏着蠕滑试验机可进行黏着试验、停车制动、长大下坡匀速制动、长大上坡匀速牵引工况的模拟。

当模拟黏着试验时，转动惯量盘不连接，离合器1和离合器2闭合，驱动电机、齿轮Z2、齿轮Z3、齿轮Z4、滑差调节装置、垂向力加载装置、齿轮组B、编码器1、编码器2、模拟轮、模拟轨、扭矩传感器组成机械封闭系统，滑差调节装置包括行星齿轮差速器和加载电机，行星齿轮差速器的传动比为3，齿轮组B的传动比为1/3，整个封闭系统总传动比为1；试验开始时：采用转速控制驱动电机，使模拟轮试样和模拟轨试样以恒定转速旋转，控制加载电缸向轮轨试样之间加载恒定的力，待系统稳定后，控制加载电机转矩，使轮轨之间产生蠕滑，进行轮轨黏着蠕滑试验；利用扭矩传感器测量模拟轮试样、模拟轨试样之间的切向力，利用力传感器测量加载法向力大小，轮轨切向力除以轮轨法向力即为轮轨间黏着系数；利用编码器1、编码器2测量轮轨试样的转速，计算出轮轨试样转速差，根据转速差除以模拟轮试样转速得到蠕滑率，最后由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

当模拟停车制动试验时，制动器与齿轮Z8通过联轴器连接，转动惯量盘与齿轮Z6通过万向节连接，驱动电机以转速控制模式使整个系统以恒定转速运行，控制加载电缸向轮轨试样之间加载恒定的力，待系统稳定后，此时离合器1、离合器2脱开，驱动电机停止运转，同时制动器通电，输入一定的制动力矩，模拟停车制动过程，由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

当模拟长大下坡匀速制动试验时，将制动器与齿轮Z8轴通过联轴器连接，转动惯量盘与齿轮Z6通过万向节连接，驱动电机以转速控制模式使整个系统以恒定转速运行，控制加载电缸向轮轨试样之间加载恒定的力，待系统稳定后，此时离合器1脱开，离合器2闭合，驱动电机以力矩控制方式模拟列车沿坡道运行方向产生加速度，制动器输入一定的制动力矩，使列车匀速运行，模拟下坡匀速制动过程，由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

当模拟长大上坡匀速牵引试验时，制动器与齿轮Z5通过联轴器连接，转动惯量盘与齿轮Z6通过万向节连接，驱动电机以转速控制模式使整个系统以一定转速运行，控制加载电缸向轮轨试样之间加载恒定的力，待系统稳定后，此时离合器1闭合，离合器2脱开，驱动电机以力矩控制模式模拟列车上坡所需牵引力，制动器输入一定的制动力矩，模拟列车上坡过程所受阻力，使列车匀速运行，模拟列车匀速上坡牵引过程，由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

本发明的有益技术效果为：

1.本发明在多功能轮轨黏着蠕滑试验机上可进行轮轨黏着试验、停车制动、长大下坡匀速制动、长大上坡匀速牵引工况的模拟，对研究不同工况下轮轨界面黏着机理及黏着调控等具有重要意义。

2.本发明可以实时计算模拟不同坡道下坡时沿坡道方向产生加速度和上坡时所受阻力，进而调整电机力矩，从列车在坡道上受力的角度模拟列车在坡道上运行时轮轨黏着状态，相比于以往的通过设计夹具模拟坡道的方式，节省了设计成本。

3.本发明采用伺服加载电缸对轮轨试样进行垂向力加载，相比以往试验机利用弹簧加载的方式，具有加载精度高、响应速度快的优点。

附图说明

图1为本发明装置的原理示意图。

图2为本发明装置的总体结构示意图。

图3为本发明装置的垂向力加载装置结构示意图。

图4为本发明装置的垂向力加载装置原理示意图。

图5为本发明模拟试验控制方法和数据采集流程图。

图中：1-驱动电机、2-联轴器、3-齿轮组A、4-齿轮Z1、5-齿轮Z2、6-齿轮Z4、7-齿轮Z3、8-滑差调节装置、9-加载电机、10-太阳轮、11-行星架、12-离合器2、13-垂向力加载装置、14-齿轮组B、15-齿轮Z5、16-转动惯量盘、17-机架、18-齿轮Z6、19-编码器1、20-模拟轮试样、21-模拟轨试样、22-编码器2、23-扭矩传感器、24-制动器、25-齿轮组C、26-齿轮Z8、27-齿轮Z7、28-离合器1、1301-活动杆、1302-力传感器、1303-齿轮Z5轴、1304-模拟轮试样轴、1305-机架、1306-支撑平台、1307-加载电缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，多功能轮轨黏着蠕滑试验机驱动电机1与齿轮组A(3)通过联轴器2连接，其中齿轮组A(3)主要包括依次啮合的齿轮Z1(4)、齿轮Z2(5)、齿轮Z3(7)、齿轮Z4(6)，齿轮Z1(4)与Z2(5)传动比为3，齿轮Z2(5)与Z4(6)传动比为1，齿轮Z3(7)为换向轮，齿轮Z4(6)的轴与滑差调节装置8输入轴通过联轴器连接，滑差调节装置8包括行星齿轮差速器和加载电机9，滑差调节装置8输出轴与离合器2连接，齿轮组B(14)与离合器2(12)另一端连接，齿轮组B(14)主要包括相互啮合的齿轮Z5(15)、齿轮Z6(18)，齿轮Z5(15)与Z6(18)的传动比为1/3，齿轮Z6(18)一端与转动惯量盘16通过万向节连接，另一端与上试样20连接，模拟轮试样20左侧与编码器1(19)连接，垂向力加载装置13与齿轮Z5(15)、Z6(18)轴通过轴承连接，齿轮Z2(5)轴与离合器1(28)连接，离合器1(28)与扭矩传感器23通过联轴器连接，扭矩传感器23与模拟轨试样21连接，模拟轨试样21右侧与编码器2(12)连接，齿轮组C连接于离合器1(19)左侧，齿轮组C(25)包括相互啮合的齿轮Z7(27)、齿轮Z8(26)，齿轮Z8(26)主要包括齿轮Z7(27)、齿轮Z8(26)，齿轮Z7(27)、Z8(26)的传动比为1，齿轮组C(25)与制动器24通过联轴器连接。

垂向力加载装置结构及原理如图3、图4所示，活动杆1301与齿轮Z5轴、Z6轴通过轴承连接，加载电缸1307安装于机架17上，加载电缸伸缩杆顶部安装有力传感器1302，用于检测加载在模拟轮试样上的垂向力大小。

如图5模拟试验方法和数据采集流程图所示，当模拟黏着试验时，驱动电机1、齿轮组A(3)、滑差调节装置8、垂向力加载装置13、齿轮组B(14)、编码器1(19)、编码器2(12)、模拟轮20、模拟轨试样21、扭矩传感器23、离合器1(28)、离合器2(12)组成机械封闭系统。试验方法为：首先配置初始参数，然后启动驱动电机，待系统稳定后启动加载电缸加载，调节加载电机转矩，通过滑差调节装置可使轮轨之间产生蠕滑，进行轮轨黏着蠕滑试验，最后利用扭矩传感器23测量模拟轮试样20、模拟轨试样21之间的切向力，利用力传感器1302测量加载法向力大小，轮轨切向力除以轮轨法向力即为轮轨间黏着系数；利用编码器1、2测量轮轨试样的转速，计算出轮轨试样转速差，根据转速差除以模拟轮试样转速得到蠕滑率，最后由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

如图5模拟试验方法和数据采集流程图所示，当模拟停车制动试验时，制动器24与齿轮Z8(26)通过联轴器连接，转动惯量盘16与齿轮Z6(18)通过万向节连接。试验方法为：驱动电机1以转速控制模式使整个系统以恒定转速运行，控制加载电缸向轮轨试样间加载一定的力，待系统稳定后，此时离合器1、2脱开，驱动电机停止运转，同时制动器24通电，输入一定的制动力矩，模拟列车停车制动过程轮轨黏着状态，由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—特性曲线。

如图5模拟试验方法和数据采集流程图所示，当模拟长大下坡匀速制动试验时，制动器24与齿轮Z8(26)轴通过联轴器连接，转动惯量盘16与齿轮Z6(18)通过万向节连接，试验方法为：驱动电机以转速控制模式使整个系统以恒定转速运行，控制加载电缸向轮轨试样间加载一定的力，待系统稳定后，此时离合器1脱开，离合器2闭合，驱动电机1以转矩控制模式模拟列车沿坡道运行方向产生加速度，制动器24输入一定的制动力矩，使列车匀速运行，模拟下坡匀速制动过程，由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

如图5模拟试验方法和数据采集流程图所示，当模拟长大上坡匀速牵引试验时，制动器24与齿轮Z6(18)通过联轴器连接，转动惯量盘16与齿轮Z6(18)通过万向节连接，试验方法为：驱动电机以转速控制模式使整个系统以一定转速运行，控制加载电缸向轮轨试样间加载一定的力，待系统稳定后，此时离合器2闭合，离合器1脱开，驱动电机1以力矩控制模式模拟列车上坡所需牵引力，制动器24输入一定的制动力矩，模拟列车上坡过程所受阻力，使列车匀速运行，模拟列车匀速上坡牵引过程。

Claims (5)

1.一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机，其特征在于，驱动电机(1)与齿轮组A(3)通过联轴器(2)连接，其中齿轮组A(3)包括依次啮合的齿轮Z1(4)、齿轮Z2(5)、齿轮Z3(7)、齿轮Z4(6)，齿轮Z1(4)与Z2(5)传动比为3，齿轮Z2(5)与Z4(6)传动比为1，齿轮Z3(7)为换向轮，齿轮Z4(6)的轴与滑差调节装置(8)输入轴通过联轴器连接，滑差调节装置(8)输出轴与离合器2(12)连接，齿轮组B(14)与离合器2(12)另一端连接，齿轮组B(14)包括相互啮合的齿轮Z5(15)、齿轮Z6(18)，齿轮Z5(15)与Z6(18)的传动比为1/3，齿轮Z6(18)一端与转动惯量盘(16)通过万向节连接，另一端与模拟轮试样(20)连接，模拟轮试样(20)左侧与编码器1(19)连接，垂向力加载装置(13)与齿轮Z5(15)、齿轮Z6(18)轴通过轴承连接，齿轮Z2(5)轴与离合器1(28)连接，离合器1(28)与扭矩传感器(23)通过联轴器连接，扭矩传感器(23)与模拟轨试样(21)连接，模拟轨试样(21)右侧与编码器2(22)连接，齿轮组C(25)连接于离合器1(28)左侧，齿轮组C(25)包括相互啮合的齿轮Z7(27)、齿轮Z8(26)，齿轮Z8(26)与制动器(24)通过联轴器连接；滑差调节装置(8)包括行星齿轮差速器和加载电机(9)；垂向力加载装置(13)包括：活动杆(1301)与齿轮Z5(15)轴和齿轮Z6(18)轴通过轴承连接，加载电缸(1307)安装于机架(17)上，加载电缸伸缩杆顶部安装有力传感器(1302)，用于检测加载于模拟轮试样上的垂向力大小。

2.如权利要求1所述的一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机的模拟黏着试验方法，其特征在于，模拟黏着试验时，转动惯量盘(16)不连接，离合器1(28)和离合器2(12)闭合，驱动电机(1)、齿轮Z2(5)、齿轮Z3(7)、齿轮Z4(6)、滑差调节装置(8)、垂向力加载装置(13)、齿轮组B(14)、编码器1(19)、编码器2(22)、模拟轮(20)、模拟轨(21)、扭矩传感器(23)构成封闭系统，其中滑差调节装置(8)传动比为3，齿轮组B(14)传动比为1/3，整个机械封闭系统总传动比为1；试验开始时，采用转速控制驱动电机(1)，使模拟轮试样(20)和模拟轨试样(21)以恒定转速旋转，控制加载电缸(1307)向轮轨试样之间加载恒定的力，待系统稳定后，无级调节加载电机(9)转矩，使轮轨之间产生蠕滑，进行轮轨黏着试验；利用扭矩传感器(23)测量模拟轮试样(20)、模拟轨试样(21)之间的切向力，利用力传感器(1302)测量加载法向力大小，轮轨切向力除以轮轨法向力即为轮轨间黏着系数；利用编码器1(19)、编码器2(22)测量轮轨试样的转速，计算出轮轨试样转速差，根据转速差除以模拟轮试样转速得到蠕滑率，最后由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

3.如权利要求1所述的一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机的模拟停车制动试验方法，其特征在于，模拟停车制动试验时，制动器(24)与齿轮Z8(26)通过联轴器连接，转动惯量盘(16)与齿轮Z6(18)通过万向节连接，驱动电机(1)以转速控制模式使整个系统以恒定转速运行，控制加载电缸(1307)向轮轨试样之间加载恒定的力，待系统稳定后，此时离合器1(28)、离合器2(12)脱开，驱动电机(1)停止运转，同时制动器(24)通电，输入制动力矩，模拟停车制动过程，由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

4.如权利要求1所述的一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机的模拟长大下坡匀速制动试验方法，其特征在于，模拟长大下坡匀速制动试验时，将制动器(24)与齿轮Z8(26)轴通过联轴器连接，转动惯量盘(16)与齿轮Z6(18)通过万向节连接，驱动电机(1)以转速控制模式使整个系统以恒定转速运行，控制加载电缸(1307)向轮轨试样之间加载恒定的力，待系统稳定后，此时离合器1(28)脱开，离合器2(12)闭合，驱动电机(1)以力矩控制方式模拟列车沿坡道运行方向产生加速度，制动器(24)输入制动力矩，使列车匀速运行，模拟下坡匀速制动过程，由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

5.如权利要求1所述的一种多功能轮轨黏着蠕滑试验机的模拟长大上坡匀速牵引试验方法，其特征在于，模拟长大上坡匀速牵引试验时，制动器(24)与齿轮Z5(15)通过联轴器连接，转动惯量盘(16)与齿轮Z6(18)通过万向节连接，驱动电机(1)以转速控制模式使整个系统以一定转速运行，控制加载电缸(1307)向轮轨试样之间加载恒定的力，待系统稳定后，此时离合器1(28)闭合，离合器2(12)脱开，驱动电机(1)以力矩控制模式模拟列车上坡所需牵引力，制动器(24)输入制动力矩，模拟列车上坡过程所受阻力，使列车匀速运行，模拟列车匀速上坡牵引过程，由数据采集与处理系统显示轮轨黏着—蠕滑特性曲线。

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