一种轮轨接触实验台 |
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| 申请号 | CN201710495951.4 | 申请日 | 2017-06-26 | 公开(公告)号 | CN107421759A | 公开(公告)日 | 2017-12-01 |
| 申请人 | 北京建筑大学; | 发明人 | 张军; 刘佳欢; 马贺; 唐伯雁; 周素霞; 臧泳霈; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 铁 路和城市轨道交通技术领域，尤其涉及一种轮轨 接触 实验台。其包括 基础 平台，基础平台上设有轮轨试 块 装置以及位于轮轨试块装置外围的垂向加载装置、纵向加载装置和横向加载装置；轮轨试块装置包括纵向固定于基础平台上的试块 导轨 副轨、与试块导轨副轨滑动配合的试块导轨主轨、固定于试块导轨主轨上的 钢 轨试块以及一端与钢轨试块滑动配合、另一端与垂向加载装置相连接的 车轮 试块；垂向加载装置用于对车轮试块施加垂向压 力 ；纵向加载装置用于对钢轨试块施加纵向压力；横向加载装置用于对车轮试块施加横向压力。本发明可对轮轨接触情况进行真实模拟，且利用试块代替车轮和钢轨，能够克服现有实验台尺寸大、成本高、维护 费用 大等缺点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种轮轨接触实验台，包括基础平台，其特征在于，所述基础平台上设有轮轨试块装置以及位于所述轮轨试块装置外围的垂向加载装置、纵向加载装置和横向加载装置； |
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| 说明书全文 | 一种轮轨接触实验台技术领域背景技术[0002] 在轨道车辆的运行过程中，车轮和钢轨之间力的作用是铁路系统最复杂的方面之一，所以轮轨之间接触力的评估显得尤为重要，这对于减缓轮轨磨耗，降低企业运营成本及充分提高车辆性能都起着十分关键的作用。 [0003] 为了能够高效准确地实现轮轨接触力学的研究，轮轨接触实验台的开发就是十分必要的。当前国内外专家学者对轮轨接触实验台的研究已十分广泛，1981年，美国伊利诺斯理工学院(Ilinois Institute of Technology)成功建造了在当时研究领域中具有领先水平的IIT-GMEMD轮轨模拟试验机；20世纪70年代，英国T.M.Beagely等创建了Amsler蠕滑-磨耗试验机，该试验机可模拟并观察轮轨磨耗率和轮轨蠕滑率与接触应力的关系；2003年，日本轮轨综合技术研究所的研究人员建造了双筒式滚动接触实验台，并运用该实验台进行了轮轨摩擦和磨耗试验等研究。1986年，我国西南交通大学研制成功国内第一台JD-1型轮轨摩擦学模拟试验机，该试验机能够完成各种工况下的轮轨磨损试验，并且能够完成不同轮轨几何型面和不同轮轨材料匹配的摩擦学试验。 [0004] 在实验台的研究过程中需考虑多种因素，已有实验台可进行滚动、黏着、蠕滑等实验，但大多采用轨轮代替钢轨进行实验，由于轨轮有一定曲率半径，这样会导致轮轨接触斑及接触力分布与实际钢轨不符，误差较大。 [0005] 因此，需要一种实验台能够真实模拟轨道车辆在钢轨上运行的轮轨接触情况，实验台需既能实现多种力学工况，又能建立机车车辆、高速列车、地铁、轻轨等多种类型轮轨接触关系的实验台。 发明内容[0006] (一)要解决的技术问题 [0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种轮轨接触实验台，以真实模拟现有轨道车辆在钢轨上运行时的轮轨接触情况。 [0008] (二)技术方案 [0010] 所述轮轨试块装置包括纵向固定于所述基础平台上的试块导轨副轨、与所述试块导轨副轨滑动配合的试块导轨主轨、固定于所述试块导轨主轨上的钢轨试块以及一端与所述钢轨试块滑动配合、另一端与所述垂向加载装置相连接的车轮试块； [0011] 所述垂向加载装置用于对所述车轮试块施加垂向压力，且设有用于感测所述垂向压力大小的垂向压力传感器；所述纵向加载装置用于对所述钢轨试块施加纵向压力，且设有用于感测所述纵向压力大小的纵向压力传感器；所述横向加载装置用于对所述车轮试块施加横向压力，且设有用于感测所述横向压力大小的横向压力传感器。 [0012] 需要说明的是，本发明所述横向、纵向和垂向分别类似于三维坐标系中的横轴、纵轴和垂轴；所述车轮试块用于模拟轨道车辆的车轮，所述钢轨试块用于模拟钢轨；所述垂向加载装置用于模拟轨道车辆在不同垂向载荷工况下的轮轨接触状态，所述纵向加载装置用于模拟轨道车辆牵引或者制动时的轮轨受力情况，所述横向加载装置用于模拟轨道车辆通过曲线轨道时轮缘贴靠钢轨的受力情况。 [0013] 进一步地，所述轮轨试块装置还包括车轮试块夹具，所述车轮试块通过所述车轮试块夹具与垂向加载装置的前端相连接，具体为：所述车轮试块夹具垂向上一端可拆卸地夹持所述车轮试块，垂向上另一端与所述垂向加载装置的前端相连接； [0014] 和/或，所述钢轨试块和试块导轨主轨之间水平设置有钢轨垫板，所述钢轨试块通过钢轨垫板与试块导轨主轨相连接；具体为：所述钢轨试块固定在钢轨垫板上，所述钢轨垫板与试块导轨主轨螺栓连接。 [0015] 需要说明的是，本发明所述“前端”均指相应施力部件朝向或靠近所述轮轨试块装置的一端。 [0016] 进一步地，所述垂向加载装置包括垂向液压油缸和位于所述垂向液压油缸前端的垂向压力传感器套筒，所述垂向压力传感器固定于所述垂向压力传感器套筒内，且与所述垂向液压油缸活塞杆的前端相连接，所述垂向压力传感器套筒前端与所述车轮试块相连接。 [0017] 进一步地，所述垂向加载装置还包括与所述垂向压力传感器套筒相垂直的第一挡板，所述垂向压力传感器套筒前端通过所述第一挡板与所述车轮试块相连接，具体为：所述第一挡板一面与所述垂向压力传感器套筒前端固定连接，另一面与所述车轮试块相连接。所述第一挡板用于对所述垂向压力传感器套筒进行限位和进行力的传递。 [0018] 进一步地，所述垂向加载装置还包括实验台顶板和多个光轴，所述光轴一端固定于所述实验台顶板，另一端滑动式穿过所述第一挡板且固定于所述基础平台。 [0019] 优选的，所述垂向加载装置还包括多个轴承法兰，所述光轴通过轴承法兰与第一挡板滑动连接，所述轴承法兰与第一挡板固定连接，且所述轴承法兰的法兰盘位于所述第一挡板的下方。所述轴承法兰为滑动轴承和法兰盘所构成的整体，所述轴承法兰优选为直线轴承法兰。 [0020] 进一步地，所述纵向加载装置包括固定于基础平台上的纵向液压油缸和位于所述纵向液压油缸前端的纵向压力传感器套筒，所述纵向压力传感器固定于所述纵向压力传感器套筒内，且与所述纵向液压油缸活塞杆的前端相连接，所述纵向压力传感器套筒前端设有用于对所述钢轨试块施加纵向压力的纵向推块。 [0021] 进一步地，所述纵向加载装置还包括纵向设置于基础平台上的纵向导板，所述纵向导板设有纵向导轨，所述纵向压力传感器套筒与所述纵向导轨滑动配合。 [0022] 优选的，所述纵向导轨的长度小于所述试块导轨副轨的长度，以避免所述纵向推块行程过大导致所述试块导轨主轨滑离试块导轨副轨。 [0023] 优选的，所述试块导轨副轨的长度大于所述试块导轨主轨的长度。 [0024] 进一步地，所述横向加载装置包括固定于所述基础平台上的第二挡板、螺旋穿过所述第二挡板的丝杆、位于所述丝杆前端的横向压力传感器套筒以及水平卡设于所述横向压力传感器套筒前端且用于对所述车轮试块施加横向压力的滚子轴承，所述横向压力传感器固定于所述横向压力传感器套筒内，且与所述丝杆的前端相连接。 [0025] 进一步地，所述横向加载装置还包括横向固定于所述基础平台上的横向导轨副轨以及与所述横向导轨副轨滑动配合的横向导轨主轨，所述横向压力传感器套筒与所述横向导轨主轨固定连接；优选的，所述横向加载装置还包括横向导轨底座，所述横向导轨副轨通过横向导轨底座固定于所述基础平台上。 [0027] 进一步地，所述轮轨接触实验台还包括用于对压力数据进行分析处理的记录仪，所述垂向压力传感器、纵向压力传感器和横向压力传感器均与所述记录仪电连接。 [0028] (三)有益效果 [0029] 本发明的上述技术方案具有以下有益效果： [0030] 本发明在所述轮轨试块装置的外围设有垂向加载装置、纵向加载装置和横向加载装置。所述垂向加载装置对所述车轮试块施加垂向压力，用于模拟轨道车辆在不同垂向载荷工况下的轮轨接触状态；所述纵向加载装置对所述钢轨试块施加纵向压力，用于模拟轨道车辆牵引或者制动时的轮轨受力情况；所述横向加载装置对所述车轮试块施加横向压力，用于模拟轨道车辆通过曲线轨道时轮缘贴靠钢轨的受力情况。 [0032] 图1为本发明实施例所述轮轨接触实验台的结构示意图； [0033] 图2为本发明实施例所述轮轨试块装置的结构示意图； [0034] 图3为本发明实施例所述纵向加载装置的结构示意图； [0035] 图4为本发明实施例所述横向加载装置的结构示意图； [0036] 其中，1-基础平台；2-第一挡板；3-轴承法兰；4-光轴；5-实验台顶板；6-垂向液压油缸；7-垂向压力传感器；8-垂向压力传感器套筒；9-丝杆；10-手摇杆；11-第二挡板；12-纵向导板；13-纵向压力传感器；14-纵向压力传感器套筒；15-纵向液压油缸；16-纵向推块；17-纵向导轨；18-法兰螺母；19-横向压力传感器；20-横向压力传感器套筒；21-滚子轴承； 22-横向导轨主轨；23-横向导轨副轨；24-横向导轨底座；25-车轮试块夹具；26-钢轨试块； 27-试块导轨副轨；28-试块导轨主轨；29-车轮试块；30-钢轨垫板。 具体实施方式[0037] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。 [0038] 在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0039] 需要说明的是，本发明所述“前端”均指朝向或靠近所述轮轨试块装置的一端。本发明所述横向、纵向和垂向分别类似于三维坐标系中的横轴、纵轴和垂轴。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0040] 如图1～图4所示，本实施例提供了一种轮轨接触实验台，包括基础平台1，基础平台1上设有轮轨试块装置以及位于轮轨试块装置外围的垂向加载装置、纵向加载装置和横向加载装置；轮轨试块装置包括纵向固定于基础平台1上的试块导轨副轨27、与试块导轨副轨27滑动配合的试块导轨主轨28、固定于试块导轨主轨28上的钢轨试块26以及一端与钢轨试块26滑动配合、另一端与垂向加载装置前端相连接的车轮试块29；垂向加载装置用于对车轮试块29施加垂向压力，且设有用于感测垂向压力大小的垂向压力传感器7；纵向加载装置用于对钢轨试块26施加纵向压力，且设有用于感测纵向压力大小的纵向压力传感器13；横向加载装置用于对车轮试块29施加横向压力，且设有用于感测横向压力大小的横向压力传感器19。 [0041] 参见图2，轮轨试块装置还包括车轮试块夹具25，车轮试块29通过车轮试块夹具25与垂向加载装置的前端相连接，具体为：车轮试块夹具25一端可拆卸地夹持车轮试块29，另一端与下述的第一挡板2相连接；本实施例的车轮试块夹具25可以为任何类型的夹具，只要确保其能够夹持住车轮试块29即可。另外，钢轨试块26和试块导轨主轨28之间水平设置有钢轨垫板30，钢轨试块26通过该钢轨垫板30与试块导轨主轨28相连接；具体为：钢轨试块26固定在钢轨垫板30上，钢轨垫板30与试块导轨主轨28螺栓连接。 [0042] 参见图1和图2，垂向加载装置包括垂向液压油缸6、位于垂向液压油缸6前端的垂向压力传感器套筒8以及与垂向压力传感器套筒8相垂直的第一挡板2，垂向压力传感器7固定于垂向压力传感器套筒8内，且与垂向液压油缸6活塞杆的前端相连接，垂向压力传感器套筒8前端通过第一挡板2与车轮试块29相连接，具体为：第一挡板2一面与垂向压力传感器套筒8前端固定连接，另一面与车轮试块夹具25相连接。第一挡板2用于对垂向压力传感器套筒8进行限位和进行力的传递。 [0043] 进一步地，垂向加载装置还包括实验台顶板5、四个光轴4和四个轴承法兰3。光轴4对整个垂向加载装置起到固定和支撑的作用，以20mm厚钢材为宜。光轴4一端通过螺母固定于实验台顶板5，光轴4另一端滑动穿过第一挡板2且固定于基础平台1。光轴4滑动穿过第一挡板2的方式具体为：光轴4通过轴承法兰3与第一挡板2滑动连接，轴承法兰3与第一挡板2固定连接，且轴承法兰3的法兰盘位于第一挡板2的下方。轴承法兰3为滑动轴承和法兰盘所构成的整体，本实施例轴承法兰3为直线轴承法兰3。 [0044] 参见图3，纵向加载装置包括固定于基础平台1上的纵向液压油缸15和位于纵向液压油缸15前端的纵向压力传感器套筒14，纵向压力传感器13固定于纵向压力传感器套筒14内，且与纵向液压油缸15活塞杆的前端相连接，纵向压力传感器套筒14前端设有用于对钢轨试块26施加纵向压力的纵向推块16。进一步地，纵向加载装置还包括纵向设置于基础平台1上的纵向导板12，纵向导板12设有纵向导轨17，纵向压力传感器套筒14与纵向导轨17滑动配合。 [0045] 本实施例中，纵向导轨17的长度小于试块导轨副轨27的长度，以避免纵向推块16行程过大导致试块导轨主轨28滑离试块导轨副轨27。同样的，试块导轨副轨27的长度大于试块导轨主轨28的长度，横向导轨副轨23的长度大于横向导轨主轨22的长度。 [0046] 参见图4，横向加载装置包括固定于基础平台1上的第二挡板11、螺旋穿过第二挡板11的丝杆9、位于丝杆9前端的横向压力传感器套筒20以及水平卡设于横向压力传感器套筒20前端且用于对车轮试块29施加横向压力的滚子轴承21，横向压力传感器19固定于横向压力传感器套筒20内，且与丝杆9的前端相连接。丝杆9螺旋穿过第二挡板11的方式具体为：第二挡板11上固定有法兰螺母18，丝杆9通过法兰螺母18与第二挡板11螺旋连接。本实施例中，丝杆9的后端穿设有手摇杆10，以便于丝杆9的旋转。 [0047] 进一步地，横向加载装置还包括横向固定于基础平台1上的横向导轨副轨23以及与横向导轨副轨23滑动配合的横向导轨主轨22，横向压力传感器套筒20与横向导轨主轨22固定连接；本实施例中，横向加载装置还包括横向导轨底座24，横向导轨副轨23通过横向导轨底座24固定于基础平台1上； [0048] 本实施例中，轮轨接触实验台还包括用于对压力数据进行分析处理的记录仪(图中未示出)，垂向压力传感器7、纵向压力传感器13和横向压力传感器19均与记录仪电连接，记录仪接收上述压力传感器传来的压力数据，通过分析处理后得出轮轨接触情况。 [0049] 工作中，本实施例所述的轮轨接触实验台可完成以下多种工况： [0050] (1)仅对车轮试块29施加垂向载荷(即压力，下同)，模拟轨道车辆在不同垂向载荷工况下的轮轨接触情况，得到不同轮轨型面匹配条件下的轮轨接触斑、变形量等。当对车轮试块29进行垂向加载时，启动垂向液压油缸6，使其向下运行产生垂向压力，垂向压力依次经过垂向压力传感器7、垂向压力传感器套筒8、第一挡板2和车轮试块夹具25，最终施加给车轮试块29。 [0051] (2)对车轮试块29施加垂向载荷，同时对钢轨试块26施加纵向载荷，模拟轨道车辆在不同载荷状态下通过直线轨道时的轮轨接触情况。当对钢轨试块26进行纵向加载时，启动纵向液压油缸15，使其向前运行，产生纵向压力，纵向压力依次经过纵向压力传感器13、纵向压力传感器套筒14和纵向推块16，最终施加给钢轨试块26。 [0052] (3)对车轮试块29施加垂向载荷，对钢轨试块26施加纵向载荷，同时对车轮试块29施加横向载荷，模拟轨道车辆在不同载荷状态下通过曲线轨道时的轮轨接触情况。该工况下实验台施加压力的顺序具体为：先施加一定垂向压力使车轮试块29与钢轨试块26接近，再手摇横向加载装置的手摇杆10螺旋进给产生横向位移，使滚子轴承21贴紧车轮试块29，以模拟车轮的横向位移，然后启动垂向加载装置，对车轮试块29进一步施加垂向压力，最后启动纵向加载装置，对钢轨试块26施加纵向压力，进而完成该工况下的加载过程。 [0053] (4)在车轮试块29和钢轨试块26之间的相接处添加不同介质，如增粘介质、水、油等，按照上述三种工况的加载方式，模拟轨道车辆在不同介质状态下的轮轨接触情况，进而研究不同介质对轮轨接触的影响。 [0054] 综上所述，本实施例的轮轨接触实验台可模拟轨道车辆在不同垂向载荷工况下的轮轨接触情况，也可模拟轨道车辆在不同载荷状态下通过直线轨道时的轮轨接触情况，也可模拟轨道车辆在不同载荷状态下通过曲线轨道时的轮轨接触情况，还可模拟轨道车辆在不同介质状态下的轮轨接触情况，因此，该实验台实现了对轮轨接触情况的真实模拟；而且利用车轮试块和钢轨试块分别代替整体车轮和钢轨，这样做能够克服现有实验台结构尺寸大、技术成本高、维护费用大等缺点，具有成本低、操作方便、准确性高、携带轻便等特点。 [0055] 本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。 |
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