CN208520708U - 铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微动摩擦损耗试验技术。本实用新型公开了一种铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，包括微动动力装置、平面试样夹持装置、温控装置、恒定流速水浴循环装置、球形试样夹持装置和数据采集系统；所述微动动力装置与平面试样夹持装置连接，用于提供模拟列车载荷的作用，所述平面试样夹持装置夹持的平面试样，与所述球形试样夹持装置夹持的球形试样接触；所述温控装置安装在平面试样夹持装置内部，用于设定试验温度；所述恒定流速水浴循环装置安装于所述平面试样夹持装置上，用于提供模拟道砟试样受到的恒定流速的水浴作用；所述数据采集系统，用于采集道砟试样受力和位移。本实用新型能够真实模拟列车对道砟颗粒的动荷载作用。

Description

铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置

技术领域

本实用新型涉及微动摩擦损耗试验技术领域，特别涉及在水流-温度-载荷耦合作用下铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置。

背景技术

微动是两接触表面极小振幅的相对运动，可造成接触表面摩擦磨损及疲劳裂纹的产生和扩展。

1924年Gillet首次发现了因微动导致机器紧固件疲劳寿命明显降低的现象，但由于当时试验设备及测试技术的限制，微动摩擦磨损研究进展相对缓慢。直至上世纪70年代以后，随着微观分析测试技术的发展，微动摩擦学也得到了迅猛发展，新的学术思想不断被引入到微动摩擦学研究中，丰富和发展了微动摩擦学理论，如大位移滑动磨损剥层理论的引入及微动三体摩擦磨损理论的提出等。

道砟颗粒通常是由石材加工而成的，是铺设有砟轨道道床的重要材料。工程上根据碎石道砟的材料性能及参数指标，将其分为特级道砟、一级道砟和二级道砟等。高速铁路为了增加道砟的稳定性，减小振动造成的磨损和粉化，防止高速行车时的道砟飞溅，通常采用特级道砟。特级道砟在反映道砟材质参数(抗磨耗、抗冲击、抗压碎、渗水、抗风化、抗大气腐蚀等材料指标)及反映道砟工作性能的质量参数(道砟粒径、级配、颗粒形状、表面状态、清洁度等加工指标)方面，均远高于其他等级道砟。也就是说，高速铁路道砟对于其颗粒间的磨损要求非常严格。

为了满足高速行车的动力学需求，对列车动力荷载循环作用下道床稳定性要求极其严苛。列车动力荷载作用下，道砟颗粒间相互作用属于高频微动摩擦磨损范畴。随着道砟颗粒间微动运行发展，道砟颗粒微观面理构造水平及分布特性发生改变，相邻颗粒间出现微动滑移区。在微动滑移区，当道砟颗粒表面微接触峰间的接触剪应力超过材料抗剪强度时，接触峰处产生断裂，相邻道砟颗粒接触面间形成磨粒；且道砟表面粗糙度和波纹度的存在，导致相邻颗粒间表面不连续接触，在重复高速的列车荷载作用下，道砟颗粒表面受到周期性微动荷载作用，其表面微接触峰产生疲劳断裂，也会在相邻道砟颗粒接触面间形成磨粒。

磨粒持续发展，形成和排除相邻道砟颗粒接触面间的磨粒达到动态平衡，道砟颗粒间微动摩擦磨损进入稳定阶段。在渗入道床水的作用下，极大程度上削弱了道砟颗粒接触面间微观接触作用，为道床累积变形的产生提供了必要条件。同时温度会一定程度影响道砟颗粒间结合水膜的润滑粘性。因此，为了提高有砟轨道道床服役过程中的变形稳定性，极有必要开展水流-温度-载荷耦合作用下的道砟颗粒间高频微动摩擦磨损试验研究。

目前在机械工程领域已有关于微动摩擦磨损方面的研究试验设备，机械领域的微动摩擦磨损，主要针对的是金属材料和有机物，针对铁路道砟颗粒间的微动摩擦磨损具有的高频及水流-温度-载荷耦合作用的特点，目前还没有相关试验测试设备。对于铁道工程用道砟颗粒这种石质无机物，至今还没见到相关研究。石材相对于金属和有机物来说，最大的特性就是脆性。材料的脆性导致道砟颗粒在微动摩擦磨损的过程中，表面容易掉落磨粒，而磨粒在水的作用下，易形成“流体包裹磨粒三体润滑效应”(轴承中的滚子润滑作用原理)，导致道砟颗粒间易产生相对位移，过大的颗粒间位移，进一步会引起道砟道床过大的宏观累积变形，对高速行车舒适性和行车安全造成危害。

因此，考虑水流-温度-载荷耦合作用的道砟颗粒间微动摩擦磨损，对于铁路道砟稳定性的保持，起到非常关键的作用。目前现有技术还没有关于铁路道砟颗粒间微动摩擦磨损方面试验研究的试验装置。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供铁路道砟颗粒间高频微动摩擦磨损试验测试装置，用以研究铁路道砟颗粒间高频微动摩擦磨损特性。

为了实现上述目的，根据本实用新型具体实施方式的一个方面，提供了一种铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其特征在于，包括微动动力装置、平面试样夹持装置、温控装置、恒定流速水浴循环装置、球形试样夹持装置和数据采集系统；所述微动动力装置与平面试样夹持装置连接，用于提供模拟列车载荷的作用，所述平面试样夹持装置夹持的平面试样，与所述球形试样夹持装置夹持的球形试样接触；所述温控装置安装在平面试样夹持装置内部，用于设定试验温度；所述恒定流速水浴循环装置安装于所述平面试样夹持装置上，用于提供模拟道砟试样受到的恒定流速的水浴作用；所述数据采集系统，用于采集道砟试样受力和位移。

进一步的，所述微动动力装置包括伺服电动机和变速器，所述伺服电动机与变速器连接，所述变速器与平面试样夹持装置连接。

进一步的，所述伺服电动机和变速器由计算机控制，为平面试样夹持装置提供微米级的高频纵横向循环平动及往复转动。

进一步的，所述平面试样夹持装置具有调节机构，用于对不同大小试样的稳固夹持。

进一步的，所述恒定流速水浴循环装置包括水流循环系统和恒定流速水浴槽。

进一步的，所述温控装置采用数字控制技术，用于控制恒定流速水浴槽中的水及试样保持在设定温度下。

进一步的，所述球形试样夹持装置用于稳固夹持不同粒径的道砟球形试样颗粒。

进一步的，所述数据采集系统用于获取高频纵横向循环平动时道砟试样受力及位移。

本实用新型的有益效果是，充分考虑水流-温度-载荷耦合作用的真实环境对道砟颗粒间微动摩擦磨损的作用，能够真实模拟列车对道砟颗粒的动荷载作用形式随时间变化的试验动荷载，试验收集的数据有利于研究铁路道砟稳定性保持技术，有利于实现铁路道砟的优化和改进。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是实施例的结构示意图；

图2是平面试样夹持装置的水平剖面图；

图3是平面试样夹持装置的竖直剖面图；

图4是平面试样夹持装置底座内部温控装置水平剖面图；

图5是高频微动动力装置的竖直剖面图；

图6是水流循环系统的竖直剖面图；

图7是球形试样夹持装置的竖直剖面图。

其中：

1为平面试样接触垫块；

2为平面试样夹持精调螺栓；

3为进水口；

4为出水口；

5为出入导线；

6为高精度数控式恒温管；

7为底座；

8为高频变速器；

9为高精度伺服电动机；

10为高精度流速水流循环泵；

11为恒温水箱；

12为温控管；

13为支座；

14为注水口；

15为平面试样；

16为球形试样；

17为6维力/力矩传感器；

18为球形试样夹持装置连接杆；

19为球形试样夹持精调螺栓；

20为球形试样接触垫块；

21为水流循环系统及恒定流速水浴槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本实用新型。

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型具体实施方式、实施例中的附图，对本实用新型具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，通过一个平面试样和一个球形试样这两个道砟试样之间的相互作用，模拟有砟轨道道床道砟颗粒之间的高频微动摩擦，进行道砟摩擦磨损数据采集。

如图1所示，本实用新型的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，包括微动动力装置、平面试样夹持装置、温控装置、恒定流速水浴循环装置、球形试样夹持装置和数据采集系统。

微动动力装置与平面试样夹持装置连接，其结构包括伺服电动机和变速器。伺服电动机与变速器连接，变速器与平面试样夹持装置连接。

伺服电动机和变速器都由计算进行机控制，能够为平面试样夹持装置及球形试样夹持装置提供微米级的高频纵横向循环平动及往复转动，模拟列车载荷的作用。

试验测试的时候，平面试样夹持装置夹持的平面道砟试样，通过与球形试样夹持装置夹持的球形道砟试样接触，将模拟列车载荷传递给球形试样。在计算机控制下伺服电动机和变速器产生的高频微动传递给两个道砟试样，其间的相互作用就会产生道砟试样的摩擦磨损。

温控装置安装在平面试样夹持装置内部，采用数字控制技术，可以精确控制恒定流速水浴槽中的水及试样，保持在设定温度下进行试验。

恒定流速水浴循环装置安装于平面试样夹持装置上，用于提供模拟道砟受到的恒定流速水浴的作用。

数据采集系统安装于球形试样夹持装置上，用于采集两个道砟试样的受力和位移。

实施例

参照图1、图2、图3及图5，本实用新型的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其试验过程中球形试样和平面试样道砟颗粒间微动摩擦磨损相互作用的动力，来源于安装于平面试样平台底座7下部的高精度伺服电动机9和高频变速器8。伺服电动机9结合前端安装的高频变速器8，可给平面试样夹持装置和球形试样夹持装置提供微米级的高频纵横向循环平动及往复转动。

平面试样夹持装置由底座7和水浴槽21构成。平面试样15通过平面试样夹持装置稳固于平面试样夹持装置上。该平面试样夹持装置，具有调节机构，用于对不同大小试样的稳固夹持。

平面试样夹持装置调节机构由平面试样精调螺栓2及平面试样接触垫块1构成。道砟试样随平面试样夹持装置和球形试样夹持装置一起微动，实现道砟试样颗粒间微米级的高频纵横向循环平动及往复转动。

参照图3、图4、图6，试验过程中，由水流循环系统及恒定流速水浴槽21构成的恒定流速水浴循环装置，可实现水浴槽内恒定流速的水流。

水从进水口3流入水流循环系统及恒定流速水浴槽21，然后从出水口4流出。该过程中，能够将水浴温度控制在设定温度的±2℃误差范围内。本例恒定流速水浴循环装置，由高精度流速水流循环泵10和外加数字控温水箱11构成。为了进一步精确控制水浴温度，在平面试样夹持装置底座7内部，设有高精度数控式恒温管6，其出入导线5与计算机连接，可精确控制恒定流速水浴槽内的水浴温度在设定温度的±0.5℃误差范围内。恒定流速水浴循环装置结合温控装置，可模拟水流-温度-载荷耦合作用下道砟颗粒间高频微动摩擦磨损试验测试研究。

参照图7，球形试样16被稳固于球形试样夹持装置上。该球形试样夹持装置由球形试样夹持精调螺栓19及球形试样接触垫块20构成，可稳固不同粒径大小的球形试样。测试过程中，球形试样和平面试样间的接触力及力矩随时间变化的时程数据，由安装在球形试样夹持装置连接杆18上的6维力/力矩传感器17采集。采集到的接触力/力矩时程数据，可导出到计算机，进行后期水流-温度-载荷耦合作用下的铁路道砟颗粒间高频微动摩擦磨损试验测试分析研究。

Claims (8)

1.铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其特征在于，包括微动动力装置、平面试样夹持装置、温控装置、恒定流速水浴循环装置、球形试样夹持装置和数据采集系统；所述微动动力装置与平面试样夹持装置连接，用于提供模拟列车载荷的作用，所述平面试样夹持装置夹持的平面试样，与所述球形试样夹持装置夹持的球形试样接触；所述温控装置安装在平面试样夹持装置内部，用于设定试验温度；所述恒定流速水浴循环装置安装于所述平面试样夹持装置上，用于提供模拟道砟试样受到的恒定流速的水浴作用；所述数据采集系统，用于采集道砟试样受力和位移。

2.根据权利要求1所述的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其特征在于，所述微动动力装置包括伺服电动机和变速器，所述伺服电动机与变速器连接，所述变速器与平面试样夹持装置连接。

3.根据权利要求2所述的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其特征在于，所述伺服电动机和变速器由计算机控制，为平面试样夹持装置提供微米级的高频纵横向循环平动及往复转动。

4.根据权利要求1所述的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其特征在于，所述平面试样夹持装置具有调节机构，用于对不同大小试样的稳固夹持。

5.根据权利要求1所述的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其特征在于，所述恒定流速水浴循环装置包括水流循环系统和恒定流速水浴槽。

6.根据权利要求1所述的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其特征在于，所述温控装置采用数字控制技术，用于控制恒定流速水浴槽中的水及试样保持在设定温度下。

7.根据权利要求1所述的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其特征在于，所述球形试样夹持装置用于稳固夹持不同粒径的道砟球形试样颗粒。

8.根据权利要求1所述的铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，其特征在于，所述数据采集系统用于获取高频纵横向循环平动时道砟试样受力及位移。