高速重载列车轮轨型面摩擦磨损及滚动触疲劳试验装置
阅读说明：本技术 高速重载列车轮轨型面摩擦磨损及滚动触疲劳试验装置 (High-speed heavy-duty train wheel rail profile friction wear and rolling contact fatigue test device ) 是由 董永刚 潘恒志 张晋府 董文杰 尚虎城 张京城 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高速重载列车轮轨型面摩擦磨损及滚动触疲劳试验装置,其包括反力支架、液压加载装置、电源连接装置、载荷架、传动组件、钢轨、模拟弹条以及模拟轨枕,通过液压加载装置对载荷架施加模拟载荷,之后将模拟载荷由载荷架作用于车轮,电机驱动力经传动组件放大力矩后作用于车轮上,驱动车轮在环形轨道上滚动,实现轮对做圆周运动。本发明能对轮轨运行过程中的某些因素进行独立的控制,载荷由液压加载装置施加,液压加载系统能模拟较大的载荷,载荷力作用的位置为轴上的车轮外侧位置。本发明能获得较为准确的获得高速重载列车轮轨型面摩擦磨损及滚动触疲劳的相关数据,为轮轨设计、制造与维护和轮轨损伤预测提供更加可靠的数据。(The invention provides a high-speed heavy-load train wheel-rail profile friction wear and rolling contact fatigue test device which comprises a counterforce support, a hydraulic loading device, a power supply connecting device, a load frame, a transmission assembly, a steel rail, a simulation elastic strip and a simulation sleeper. The invention can independently control certain factors in the running process of the wheel rail, the load is applied by the hydraulic loading device, the hydraulic loading system can simulate larger load, and the position of the load applied is the outer side position of the wheel on the shaft. The invention can obtain the related data of the friction wear and the rolling contact fatigue of the wheel rail profile of the high-speed heavy-duty train more accurately, and provides more reliable data for the design, manufacture and maintenance of the wheel rail and the prediction of the wheel rail damage.)
技术领域
本发明涉及疲劳试验领域，具体地涉及一种高速重载列车轮轨型面摩擦磨损及滚动触疲劳试验装置。
背景技术
在我国高速发展的过程中，由于我国疆域辽阔，铁路运输担任了必不可少的角色。铁路货运、客运均以其低成本高效率获得了广泛好评，日益得到人们的青睐。列车牵引、运行和制动必须通过轮轨之间的滚动摩擦接触实现，轮轨系统是铁路运输的关键零部件，轮轨关系问题是铁路运输技术中的关键问题，世界各国尤其是铁路发达国家投入了大量的人力和财力开展了轮轨关系问题的研究。
轮对作为列车运行过程中的重要承载部件，承受着各种复杂的载荷，以及轮对的工作条件等的影响，这使得轮对和轨道之间的接触行为变得十分复杂。轮对相对钢轨的高速滚动和滑动、轮对与钢轨接触的微小变形、以及车速和载重等因素对轮对的接触力学行为均有影响。轴与轮毂的过盈配合面会在列车的运行过程中发生微动摩擦，从而产生裂纹，裂纹扩展再造成车轴断裂。在轮轨接触理论模型和数值方法中，全部将这些因素考虑进去，进而对轮轨接触力学行为做出全面、准确的分析和研究存在相当大的困难。通过试验法来完成轮轨接触力学行为的测试和分析则能避免这些困难。线路运行试验具有较高的可靠性，但是有的试验对持续时间的要求较长，因此费用消耗也大，而且对于铁路的正常运行也有较大的影响，同时铁路在正常运行中的工作条件随机性较大，运行过程中的各种参数随机性也大，难以控制变量。室内模拟试验则可以准确的控制运行条件，可以把复杂的影响因素独立出来进行控制，从而获得较为准确的试验数据，实现对轮轨接触力学行为。已有的室内模拟试验装置，大多采用将钢轨转化成钢轨轮，将轮轨接触转换成车轮和钢轨轮的接触，通过两个轮子的接触滚动来模拟轮轨的滚动行为，从而获得轮轨接触及车轴与轮毂之间的试验数据。且有的对于车轮以及轮毂的尺寸进行了尺寸变化。这样存在的问题：车轮、车轴、轮毂的尺寸进行了变化，与真实尺寸有了差别，可能会增大试验误差。且将轮轨载荷等效为车轮和钢轨轴轮的滚动接触，与真实的轮轨接触差距较大，在较大载荷下考虑微小变形时，两种接触方式的变形存在差异，这增大试验测出的轮轨接触力学行为、轮轨损伤的误差，可靠性较差。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种高速重载列车轮轨型面摩擦磨损及滚动触疲劳试验装置，本试验装置能对轮轨运行过程中的某些因素进行独立的控制，载荷由液压加载装置施加，液压加载系统能模拟较大的载荷，载荷力作用的位置为轴上的车轮外侧位置。故本发明装置能获得较为准确的获得高速重载列车轮轨型面摩擦磨损及滚动触疲劳的相关数据，为轮轨设计、制造与维护和轮轨损伤预测提供更加可靠的数据。
具体地，本发明提供一种高速重载列车轮轨型面摩擦磨损及滚动触疲劳试验装置，其包括反力支架、液压加载装置、电源连接装置、载荷架、两个对称设置的车轮、传动组件、钢轨、模拟弹条以及模拟轨枕；
所述液压加载装置包括液压杆、推力滚子轴承以及连接杆，所述传动组件包括上输入轴减速电机、输入轴联轴器、减速差速传动装置、输出轴联轴器、车轴以及下输入轴减速电机；
所述模拟枕轨设置在地面上，所述钢轨与所述模拟枕轨之间借助于模拟弹条连接，所述钢轨由多段弧形钢轨段拼接组成，
所述反力支架的底部固定在地面上，所述液压杆固定于反力支架上，液压杆顶端方向指向地面，所述液压杆通过固定在其顶端的连接件与所述载荷架相连，所述载荷架与连接件之间设置所述推力滚子轴承，所述连接件上设置有能旋转的电源连接装置，实现对随载荷架一起旋转的减速电机的供电，
所述减速差速传动装置两侧的输出轴通过联轴器与车轴相连，车轴采用过盈配合与车轮连接，载荷架与车轴之间设置有滚子轴承进行配合且配合位置为车轮外侧；减速差速传动装置的上输入轴和下输入轴分别通过联轴器连接至上输入轴减速电机和下输入轴减速电机上，上输入轴减速电机固定于载荷架上，下输入轴减速电机借助于固定基座固定于钢轨上，启动电机，电机驱动力经传动组件放大力矩后作用于车轮上，驱动两个车轮在钢轨上进行圆周运动，实现滚动模拟，并通过液压加载装置对车轮施加模拟载荷，从而模拟高速重载列车的运行。
优选地，所述载荷架的横梁为圆弧形结构，所述横梁下方设置有电机安装座以及用于保持载荷架动平衡的配重块，载荷架的下端与车轴连接，上输入轴减速电机借助于电机安装座进行固定。
优选地，所述连接件设置有安装孔，所述载荷架顶端穿过所述推力滚子轴承并配合到连接件的安装孔中，所述载荷架和所述连接件分别与所述推力滚子轴承的上表面和下表面接触。
优选地，所述电源连接装置包括连接件、四个绝缘橡胶环、四个导电环、导电弹性条以外部电源线，所述四个橡胶环由上到下等间距依次套在所述连接件上，所述四个导电环分别覆盖在所述绝缘橡胶环上，所述外部电源线通过在连接件上开槽到每个相线所在的导电环的位置，并穿过绝缘橡胶环连接到导电环上；四个导电弹性条的第一端固定于所述载荷架上，四个导电弹性条的第二端分别与所述导电环接触。
优选地，所述减速差速传动装置包括两个第一锥齿轮、两个第二锥齿轮、两根输入轴、两根输出轴、四个输入轴球轴承、四个输出轴滚子轴承、刚性外壳以及端盖；
所述第一锥齿轮与所述输入轴之间采用键连接实现周向定位，用轴肩与螺母实现对所述第一锥齿轮轴向的定位，所述第二锥齿轮与所述输出轴之间采用键连接，并用轴肩与螺母实现对所述第二锥齿轮的轴向定位；
所述四个输入轴球轴承分别安装在所述输入轴两端的轴颈上并与两端轴肩贴合，所述四个输出轴滚子轴承分别安装在所述输出轴两端轴颈上并与两端轴肩贴合，靠近齿轮端的轴承由各轴的轴肩对轴承的内圈进行定位，所述刚性外壳的挡肩对轴承的外圈进行定位，靠近输出端与输入端的轴承由各轴的轴肩对轴承内圈进行定位，所述端盖对轴承的外圈进行定位。
优选地，所述刚性外壳由能够承受较大的载荷的刚性材料制成。
优选地，根据需要对液压加载装置施加不同的液压力满足不同试验需要。
优选地，所述固定基座固定在钢轨附近的地面内部。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明使用液压加载，相较于使用重物加载更加安全高效，改变载荷时只需改变液压杆的压力则能实现载荷变化，而不用去搬动重物进行加载。且液压系统能够提供的载荷力能提供的力远大于设备能够安置的重物重量的极限。
(2)本发明采用能旋转的电源连接装置，使得电机能够随着轮子一块运动，解决了由于需要外部电线接入使得动力源不能运动的问题，这样不用将轮子固定起来只保留其自转运动，这不仅能让轮子实现自转，还能让轮子在获得动力的同时实现在静止的钢轨上的滚动，这更能贴近行进中的车轮的情况。
(3)本发明采用差速减速传动装置，将电机的安放位置垂直于车轴，减小了两个车轮间的轴向距离，进而在更接近轮对真实运行时的轮间距离。且采用的差速传动装置能输出方向相反的动力，让轮对实现在原地绕两轮间中点所在的垂直于地面的轴线做自转运动，使得实验装置即采用了轮对模拟，又能拥有尽可能小的尺寸。其拥有减速的功能，能对电机的扭矩进行放大，从而减小所需电机的相关参数。若不使用差动传动装置的话像采用轮对模拟则轨道半径将很大，或是进行往复运动。同时采用差速减速传送装置，使得驱动动力源为两个电机，增加试验设备的动力，也可根据需要只用一个电机进行动力输入，增大了试验的选择。
(4)本发明的设备采用全尺寸车轮、车轴以及钢轨，故得到的数据能更接近真实的轮轨运行。将钢轨固定于地基，且钢轨的固定方式与真实的钢轨相同，在钢轨与模拟轨枕之间有缓震橡胶，用模拟弹条将模拟钢轨固定于轨枕上，车轮在钢轨环形钢轨上进行滚动，车轮相对于地面是运动的，这也更接近于真实的轮轨运行。环形钢轨采用四段圆弧进行拼接安装而成，这能减小制作难度。当某段钢轨出现磨损后可以单独的对其进行拆卸，不必对整圈钢轨进行拆卸，减小了工作量，也能对拆卸下来的钢轨进行修复，能够多次利用，减小试验成本。
(5)本发明的车轴与差速减速器之间采用的是联轴器进行连接，联轴器为可拆卸部件，故能较为容易的实现对车轮及车轴拆卸与安装，进而能方便的得到试验后的试件，试件完成一次试验后，还能进行一定的修复，进行第二次试验，故能降低实验成本。并且由于整体车轴尺寸较大，故本设备的车轴截选了与轮毂配合的那段，长度合理，因此能够节省车轴材料，减小试验成本。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是载荷架结构示意图；
图3是本发明装置中的可旋转液压加载装置的结构示意图；
图4是本发明装置中的可旋转液压加载装置的爆炸图；
图5是本发明装置中的旋转电源连接装置的结构示意图；
图6a是本发明装置中链接件的俯视图；
图6b是本发明图6a的剖视图；
图6c是本发明图6b中A区域的局部放大图；
图7是本发明装置中的减速差速传动装置的结构示意图；
图8是本发明装置中的减速差速传动装置的爆炸图。
主要附图标记如下：
反力支架1，液压杆2，连接件3，绝缘橡胶环301，导电环302，推力滚子轴承4，导电弹性条5，载荷架6，车轮7，上输入轴减速电机8，输入轴联轴器9，车轴10，输出轴联轴器11，减速差速传动装置12，下输入轴减速电机13，钢轨段14，模拟弹条15，模拟轨枕16，外接电线17，连接件安装轴61，推力滚子轴承安装台62，平衡块63，电机安装架64，车轴轴承安装孔65，上输入轴1201，端盖1202，刚性外壳1203，输入轴滚珠轴承1204，输出轴1205，输出轴滚子轴承1206，第二锥齿轮1207，下输入轴1208，第一锥齿轮1209。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种高速重载列车轮轨型面摩擦磨损及滚动触疲劳试验装置，如图1所示。可旋转液压加载装置的反力支架1固定于地面，液压杆2固定于反力支架1上，液压杆方向指向地面；液压杆2通过固定在其顶端的连接件3与载荷架6相连，图2中的载荷架6上的推力滚子轴承安装台62装上推力滚子轴承4，再将载荷架上的连接件安装轴61配合入连接件3，由上到下依次为连接件3，推力滚子轴承4，载荷架6。通过旋转电源连接装置，实现对随载荷架6一起旋转的上输入轴减速电机8的供电。图7所示的减速差速传动装置12的左右输出轴1205通过输出轴联轴器11与车轴10相连，车轴10采用过盈配合与车轮7相连，车轴10在轴上配合上滚子轴承后配合于载荷架6上的车轴轴承安装孔65，且安装位置为车轮的外侧，左右为对称结构；图7所示的减速差速传动装置的上输入轴1201通过输入轴联轴器11连接到固定于载荷架6上电机安装架64的上输入轴减速电机8，下输入轴1208通过输入轴联轴器11连接到固定于地基上的下输入轴减速电机13。地面固定有一圈闭合的环形钢轨，环形钢轨由四个圆弧钢轨段14组成，钢轨的安装方式模拟了真实钢轨的安装情况，钢轨段14与模拟轨枕16之间有缓震橡胶，用模拟弹条15将钢轨段14固定于模拟轨枕16上，模拟轨枕16固定于地面。启动电机驱动车轮在钢轨上进行滚动模拟，并通过可旋转液压加载装置对轮对施加模拟载荷，从而模拟高速重载列车的运行。根据需要能够调整液压加载装置施加的液压力，从而满足不同的试验装置。
载荷架6的机构如图2所示，其横梁为圆弧形结构的零件，横梁下方设置有电机安装座62，以及为保持载荷架动平衡的配重块63，载荷架6的下端连接到车轴上，载荷架为传递载荷的零件。圆弧结构能减小受载后带来的形变，从而不改变施加于车轴上载荷力的方向。
可旋转的液压加载装置如图3所示，其包括液压杆2，连接件3，推力滚子轴承4，载荷架6。其装配示意图如图4爆炸图所示。反力支架1固定于地基上，液压杆2固定于所述反力支架1上，连接件3固定于所述液压杆2顶端，载荷架6的连接件安装轴61穿过推力滚子轴承4并配合到连接件3的孔中，连接件3和载荷架6两者分别与推力滚子轴承4上下面接触。
能旋转的电源连接装置如图5所示，其包括连接件3、外部电源线17以及导电弹性条5，所述连接件其剖视图如图6所示，其设置有四个绝缘橡胶环301和四个导电环302。四个绝缘橡胶环301由上到下等间距依次套在所述连接件3上，四个导电环302分别覆盖在绝缘橡胶环301上，外部电源线17通过在连接件3上开槽到每个相线所在的导电环302的位置，穿过绝缘橡胶环301连接到导电环302上；四个导电弹性条5一端固定于载荷架6上，另一端分别与导电环302接触。
减速差速传动装置的结构如图7所示，减速差速传动装置包括两个第一锥齿轮1209，两个第二锥齿轮1207，两根输入轴1201，两根输出轴1205，四个输入轴球轴承1204，四个输出轴滚子轴承1206，刚性外壳1207，端盖1202。其装配示意图如图8装爆炸图所示。第一锥齿轮1209与输入轴1201轴之间采用键连接实现周向定位，用轴肩与螺母实现对第一锥齿轮1201轴向的定位，第二锥齿轮1207与轴出轴1205之间采用键连接，并用轴肩与螺母实现对第二锥齿轮1207的轴向定位。四个输入轴球轴承1204分别安装在输入轴1201两端轴颈上，与两端轴肩贴合。四个输出轴滚子轴承1206分别安装在输出轴1205两端轴颈上，与两端轴肩贴合。靠近齿轮端的轴承由各轴的轴肩对轴承的内圈进行定位，由刚性外壳1203的挡肩对轴承的外圈进行定位。靠近输出端与输入端的轴承由各轴的轴肩对轴承内圈进行定位，由端盖1202对轴承的外圈进行定位。
刚性外壳1203为减速转动装置的外壳，即图8中所示，其刚性较强，能够承受较大的载荷，能用挡肩对轴及轴承进行轴向定位，通过每根轴上的两个轴承，承受来自轴上的由离心带来的轴向力，以及承受两轴因载荷带来的折弯力矩。同时作为刚性件起到了保持输入端锥齿轮和输出端的锥齿轮始终啮合的作用，不会因输入轴的转动而脱离啮合。
当电机驱动轮对在钢轨上进行滚动时，因车轮在钢轨上滚动时会联带车轴以及车轴所连输出轴及第二锥齿轮进行周向运动，故车轮在钢轨上滚动时两电机转速大小不同且方向相反。当轮轨运行平稳过后再通过调节液压杆对轮对施加载荷。
设备运行时采用的车轮7和车轴10均为全尺寸，且材料与真实车轮、车轴相同，且本试验装置采用的钢轨截面形状以及尺寸也与真实钢轨相同，并且安装方式也与真实安装方式类似：将模拟轨枕16固定于地面上，在模拟轨枕16与钢轨段14有一层缓震橡胶，再利用模拟弹条15将钢轨段14固定于模拟轨枕16上。以此来达到接近真实运行工况的目的，从而获得更接近真实情况得数据。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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