CN115855707A - 静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静动载荷下钢轨轮‑轨接触疲劳损伤模拟试验装置及试验方法，包括底座，用于为车轮提供来回往复的动力进行轮轨接触冲击疲劳实验的丝杆传动模块，防撞垫块、导轨滑块和钢轨夹持模块；丝杆传动模块和钢轨夹持模块安装在底座上；所述丝杆传动模块包括通过螺栓固定安装在底座上的支撑座、螺杆、动力模块、通过螺栓固定安装在底座上的固定座、用于连接螺杆与伺服电机的联轴器、伺服电机，整个装置能够模拟不同轮轨材料之间复杂接触情况，用于研究钢轨磨损以及滚动接触疲劳损伤，为探究钢轨磨损以及轮轨滚动接触疲劳损伤与运行工况间的关系以及工程实际中钢轨探伤检测及损伤研判提供理论和实验支持。

Description

静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置及方法，特别涉及一种静/动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置，属于机械制造技术和钢轨铣-磨修复技术领域。

背景技术

钢轨作为铁路运输网络中的关键基础部件，它的服役性能优劣直接关乎列车运行的稳定性和安全性。对轨道交通不断增长的需求导致了更高的动态轴载荷、列车速度和交通量，对钢轨的承载能力提出了更高的要求。在轮轨接触的过程中，两者的接触表面由于存在滑动和滚动两种形式，加上轮轨界面间温度以及介质等，就使得轮轨接触表面处在一个相当复杂的环境中。这其中还包括了接触应力、弯曲应力、残余应力以及热应力等，如此复杂的环境和接触应力就很容易加速钢轨车轮的磨损以及损伤。由于轮轨接触的复杂工况，这使得轮轨材料在服役一段时间后就会产生不同程度的损伤，通常磨损和滚动接触疲劳占了主要的损伤形式。伴随着客运“高速化”以及货运“重载化”的发展趋势，轮轨损伤也变得愈加严重。在恶劣和复杂的服役条件下，钢轨在和车轮发生动态接触时更容易产生表面损伤和缺陷，例如：轨头核伤、波磨、剥落、暗伤、疲劳裂纹和麻坑，上述钢轨缺陷若不及时处理，将会使列车运行噪声增大并严重干扰住在轨道附近居民的正常生活同时，缺陷在轮/轨接触过程中随着时间推移将会扩展越来越严重，最终导致钢轨部分或完全失效，甚至会导致列车脱轨。因此，急需提出一种能够模拟不同轮轨材料之间复杂接触情况，用于研究钢轨磨损以及滚动接触疲劳的钢轨损伤模拟装置。

目前在钢轨损伤探测及分析领域有一些较为成熟的装置和方法，如申请专利号为CN202011354927.7的中国发明专利公开了一种钢轨伤损检测方法，提供了一种钢轨伤损检测方法,以解决现有钢轨识别伤损方式存在的网络输入直接采用物理图像或自定义图像,造成通道信息丢失或错误,增加机器学习难度和不准确性的技术问题。如申请专利号为CN202123374019.7的中国发明专利公开了一种基于微动特性的钢轨伤损识别装置，提供一种全自动运行、能精准获取多点锤击信号的基于微动特性的钢轨伤损识别装置，对早期裂纹和潜在的伤损隐患具有效识别能力,且可以探测处于传统探测盲区范围内的钢轨轨头下颚裂纹和轨底裂纹,在一定程度上了降低了断轨事故。如申请专利号为CN201810186643.8的中国发明专利公开了一种铁路钢轨伤损检测方法及装置，能够定量确定钢轨伤损的检出能力与检测速度、伤损尺寸、伤损角度等指标间的关系,在给定检测速度下,结合检测概率模型计算探伤车对各种伤损的检出能力,还可以根据建立检测概率模型得到有关变量间关系的直观展示,以促进伤损检测业务的决策﹐给钢轨探伤工作的计划、实施与监督控制提供支持。如申请专利号为CN201510016567.2的中国发明专利公开了一种高铁钢轨伤损分类方法，用于整个钢轨实时监测系统的不同阶段,而当钢轨出现伤损时利用所提出的非负张量分解和极限学习机的钢轨伤损分类方法在信息中心对钢轨出现何种伤损进行详细分析,取得良好速度和识别率且具有一定鲁棒性。

但是目前还没有出现针对模拟不同轮轨材料之间复杂接触情况的实验模拟装置，为探究钢轨磨损以及轮轨滚动接触疲劳损伤与运行工况间的关系以及工程实际中钢轨探伤检测及损伤研判提供理论和实验支持。

发明内容

为了克服现有研究的不足，本发明提供了能够模拟不同轮轨材料之间复杂接触情况，用于研究钢轨磨损以及滚动接触疲劳损伤，为探究钢轨磨损以及轮轨滚动接触疲劳损伤与运行工况间的关系以及工程实际中钢轨探伤检测及损伤研判提供理论和实验支持的的静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置及方法。

静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置，包括底座，用于为车轮提供来回往复的动力进行轮轨接触冲击疲劳实验的丝杆传动模块，防撞垫块、导轨滑块和钢轨夹持模块；丝杆传动模块和钢轨夹持模块安装在底座上；

所述丝杆传动模块包括通过螺栓固定安装在底座上的支撑座、螺杆、动力模块、通过螺栓固定安装在底座上的固定座、用于连接螺杆与伺服电机的联轴器、伺服电机；

所述动力模块包括与螺杆配合安装且在伺服电机与动力模块之间转递动力的螺纹座、通过螺栓与螺纹座固定连接的减速换向器、与减速换向器固定连接的伺服电机、轴承座、轴套、主轴、配重车轮。

所述支撑座、螺杆、固定座、联轴器、伺服电机以同一轴线安装于底座上台面。

所述减速换向器、轴承座、轴套、主轴与配重车轮以同一轴线安装于导轨滑块上。

所述钢轨夹持模块包括通过法兰盘与多个螺杆升降机连接且用于承载钢轨试样的底板、螺杆摇把、夹具支撑座、仿形夹具、安装于钢轨试样与底板之间且用于轮轨之间的接触判断的压力传感器、螺杆升降机、减速电机、三轴换向器、联轴器，螺杆摇把、夹具支撑座、仿形夹具组成用于固定钢轨试样的钢轨试样夹具，螺杆升降机、减速电机、三轴换向器、联轴器组成用于调节钢轨试样高度的升降机构。

一种静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤一、各模块运行测试，设备通电通过控制终端启动伺服电机、动力模块以及钢轨夹持模块，伺服电机、动力模块以及钢轨夹持模块是否能够正常运行；

步骤二、钢轨试样装夹，启动减速电机控制螺杆升降机，使底板下降到最低位置，摇动螺杆摇把将仿形夹具退到夹具支撑座边缘，将钢轨试样放置于压力传感器上，锁紧仿形夹具后推动钢轨试样，测试夹具是否完全锁紧；

步骤三、轮轨接触，启动伺服电机将动力模块调整到钢轨试样正上，启动减速电机控制螺杆升降机，控制钢轨试样上升与配重车轮接触，直至压力传感器显示接触压力，停止上升；

步骤四、疲劳接触实验，根据实际工况控制动力模块调节配重车轮转速，使车轮与钢轨同一位置进行疲劳接触实验。可以根据实际需求，控制配重车轮往复碾压钢轨试样，间歇时间可调。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明涉及的静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置及方法可以进行轮轨间静态载荷疲劳接触模拟试验，通过控制动力模块位置固定轮轨间相对位置，通过钢轨夹持模块中的螺杆升降机调整钢轨试样与配重车轮之间的接触力，根据钢轨夹持模块中安装的压力传感器判断轮轨之间的载荷，根据钢轨试样具体工作环境进行试验载荷的设定。轮轨间在实际运行过程中并不会完全贴合接触，车轮会对轨道进行间歇冲击作用，本发明装置还可以进行轮轨间动态载荷疲劳接触模拟试验，通过钢轨夹持模块中的螺杆升降机调整钢轨试样与配重车轮之间的接触力，根据钢轨夹持模块中安装的压力传感器判断轮轨之间正常接触载荷，通过控制动力模块对车轮的位置及移动速度进行调整，实现对冲击载荷大小及冲击间歇时间的设置，使配重车轮与钢轨试样进行反复动态接触模拟轮轨间的间歇冲击作用。本装置具体可调整试验参数包括车轮自身转速，车轮往复运动速度，轮轨固定接触载荷，轮轨间冲击接触载荷，通过对配重车轮装卸配重块与钢轨试验的搭配可以实现对不同类型轨道交通情况适配模拟，包括对轻载、重载、地铁、有轨电车不同接触特性的疲劳接触试验模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体装置结构示意图。

图2为本发明动力模块结构示意图。

图3为本发明钢轨夹持模块结构示意图。

图中：1-底座；2-支撑座；3-螺杆；400-动力模块；5-固定座；6-联轴器；7-伺服电机；8-防撞垫块；9-导轨滑块；1000-钢轨夹持模块；401-螺纹座；402-减速换向器；403-伺服电机；404-轴承座；405-轴套；406-主轴；407-配重车轮；1001-底板；1002-螺杆摇把；1003-夹具支撑座；1004-仿形夹具；1005-压力传感器；1006-螺杆升降机；1007-减速电机；1008-三轴换向器；1009-联轴器。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-图3，本发明提供了静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置及方法，所述装置用于模拟不同轮轨材料之间复杂接触情况，由底座1、支撑座2、螺杆3、动力模块400、固定座5、联轴器6、伺服电机7、防撞垫块8、导轨滑块9、钢轨夹持模块1000组成。底座1用于安装丝杆传动模块、动力模块400及钢轨夹持模块1000。

丝杆传动模块主要由支撑座2、螺杆3、动力模块400、固定座5、联轴器6、伺服电机7组成。支撑座2、螺杆3、固定座5、联轴器6、伺服电机7以同一轴线安装于底座1上台面，主要用于为车轮提供来回往复的动力进行轮轨接触冲击疲劳实验。

支撑座2、固定座5通过螺栓固定安装与底座1上，主要用于支撑丝杆3与固定伺服电机7。联轴器6用于连接螺杆3与伺服电机7。

所述动力模块400主要由螺纹座401、减速换向器402、伺服电机403、轴承座404、轴套405、主轴406、配重车轮407组成。

所述螺纹座401与螺杆3配合安装，通过螺栓与减速换向器402固定连接，主要为伺服电机7与动力模块400之间转递动力。减速换向器402与伺服电机403固定连接，主要为车轮旋转提供稳定的动力输出。减速换向器402、轴承座404、轴套405、主轴406与配重车轮407以同一轴线安装于导轨滑块9上，轴承座404与轴套405主要用于支撑主轴与紧固车轮位置。配重车轮407可根据实际需求增加或减少配重块，实现重或轻载的模拟，配重块一般成对成对称形式安装。所述钢轨夹持模块1000主要由底板1001、螺杆摇把1002、夹具支撑座1003、仿形夹具1004、压力传感器1005、螺杆升降机1006、减速电机1007、三轴换向器1008、联轴器1009，

整体安装底座1车轮轨迹正下方。底板1001通过法兰盘与多个螺杆升降机1006连接，主要用于承载钢轨试样。螺杆摇把1002、夹具支撑座1003、仿形夹具1004组成钢轨试样夹具，用于固定钢轨试样。压力传感器1005安装于钢轨试样与底板之间，主要用于轮轨之间的接触判断。螺杆升降机1006、减速电机1007、三轴换向器1008、联轴器1009组成升降机构，用于调节钢轨试样高度。

一种静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤一、各模块运行测试，设备通电通过控制终端启动伺服电机7、动力模块400以及钢轨夹持模块1000，伺服电机7、动力模块400以及钢轨夹持模块1000是否能够正常运行。

步骤二、钢轨试样装夹，启动减速电机1007控制螺杆升降机1006，使底板1001下降到最低位置，摇动螺杆摇把1002将仿形夹具1004退到夹具支撑座1003边缘，将钢轨试样放置于压力传感器1005上，锁紧仿形夹具1004后推动钢轨试样，测试夹具是否完全锁紧。

步骤三、轮轨接触，启动伺服电机7将动力模块400调整到钢轨试样正上，启动减速电机1007控制螺杆升降机1006，控制钢轨试样上升与配重车轮407接触，直至压力传感器1005显示接触压力，停止上升。

步骤四、疲劳接触实验，根据实际工况控制动力模块400调节配重车轮转速，使车轮与钢轨同一位置进行疲劳接触实验。可以根据实际需求，控制配重车轮407往复碾压钢轨试样，间歇时间可调。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置，其特征在于：包括底座，用于为车轮提供来回往复的动力进行轮轨接触冲击疲劳实验的丝杆传动模块，防撞垫块、导轨滑块和钢轨夹持模块；丝杆传动模块和钢轨夹持模块安装在底座上；

所述丝杆传动模块包括通过螺栓固定安装在底座上的支撑座、螺杆、动力模块、通过螺栓固定安装在底座上的固定座、用于连接螺杆与伺服电机的联轴器、伺服电机；

所述动力模块包括与螺杆配合安装且在伺服电机与动力模块之间转递动力的螺纹座、通过螺栓与螺纹座固定连接的减速换向器、与减速换向器固定连接的伺服电机、轴承座、轴套、主轴、配重车轮。

2.根据权利要求1所述的静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置，其特征在于：所述支撑座、螺杆、固定座、联轴器、伺服电机以同一轴线安装于底座上台面。

3.根据权利要求2所述的静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置，其特征在于：所述减速换向器、轴承座、轴套、主轴与配重车轮以同一轴线安装于导轨滑块上。

4.根据权利要求3所述的静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置，其特征在于：所述钢轨夹持模块包括通过法兰盘与多个螺杆升降机连接且用于承载钢轨试样的底板、螺杆摇把、夹具支撑座、仿形夹具、安装于钢轨试样与底板之间且用于轮轨之间的接触判断的压力传感器、螺杆升降机、减速电机、三轴换向器、联轴器，螺杆摇把、夹具支撑座、仿形夹具组成用于固定钢轨试样的钢轨试样夹具，螺杆升降机、减速电机、三轴换向器、联轴器组成用于调节钢轨试样高度的升降机构。

5.一种根据权利要求1-4所述的静动载荷下钢轨轮-轨接触疲劳损伤模拟试验装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、各模块运行测试，设备通电通过控制终端启动伺服电机、动力模块以及钢轨夹持模块，伺服电机、动力模块以及钢轨夹持模块是否能够正常运行；

步骤二、钢轨试样装夹，启动减速电机控制螺杆升降机，使底板下降到最低位置，摇动螺杆摇把将仿形夹具退到夹具支撑座边缘，将钢轨试样放置于压力传感器上，锁紧仿形夹具后推动钢轨试样，测试夹具是否完全锁紧；

步骤三、轮轨接触，启动伺服电机将动力模块调整到钢轨试样正上，启动减速电机控制螺杆升降机，控制钢轨试样上升与配重车轮接触，直至压力传感器显示接触压力，停止上升；

步骤四、疲劳接触实验，根据实际工况控制动力模块调节配重车轮转速，使车轮与钢轨同一位置进行疲劳接触实验。

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