[發明專利]模擬往復滾動荷載的結構疲勞試驗方法

有效

• 申請號: 201410275766.0
• 申請日: 2014-06-19
• 公開（公告）號: CN104062134B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 趙坪銳;李自力;劉學毅;顏華;林紅松;郭利康;劉觀;胡佳;馮什
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙)11371
• 代理人: 吳開磊

技術領域

本發明涉及一種結構疲勞試驗方法，尤其涉及一種模擬往復滾動荷載的結構疲勞試驗方法。

背景技術

軌道結構和路面結構均為承受車輪滾動荷載的結構物，車輪的反復滾動作用將引起軌道結構和路面結構的疲勞損傷，如鋼軌表面的滾動接觸疲勞、公路路面接縫處的脫空等，鋼軌材料在車輪的反復碾壓下可能會產生塑性流動，從而造成剝離、掉塊等疲勞損傷，影響鋼軌的正常使用。混凝土路面由于接縫處不連續，車輪在其上滾動的過程中，路面接縫處的位移會高于其他部位，造成沖擊，再加上雨水侵入后引起的沖刷作用，從而造成脫空，影響行車平穩性。因而需對滾動荷載作用下軌道或路面結構的疲勞特性進行研究。

滾動疲勞與一般的定點疲勞不同，滾動接觸點區域存在較大的接觸應力，包括法向應力和切向應力，接觸應力超過材料的強度極限后，就會發生塑性變形，在具有一定速度的滾動荷載作用下，塑性變形在某個方向上累積，就會形成塑性流動，造成滾動接觸疲勞。鋼軌和車輪之間就存在著一種典型的滾動接觸疲勞。輪軌滾動接觸過程中,經過不同頻率動載荷反復作用,將導致輪軌接觸表面形成波浪形磨損、裂紋、剝落等疲勞破壞現象。這些疲勞破壞將會隨時導致輪軌失效,危及行車安全。由于滾動疲勞具有一定的方向性，而采用一般的定點疲勞無法模擬出這樣的效果。

在無砟軌道或公路路面各結構層之間，可能會出現一些層間損傷，主要包括層間粗糙界面上反復摩擦和擠壓造成的損傷，也包括層間水在封閉環境下的水壓力擴展損傷。該類傷損除與荷載大小、加載頻率等有關外，與荷載移動速度也有很大關系，同樣需要可模擬荷載移動效應的裝置進行試驗研究。

目前對于該類結構的疲勞特性可采用大型往復滾動試驗平臺或環向連續滾動試驗平臺進行。

鑒于此，在中國專利200920063519.9中提到一種變速變載變厚車轍試驗機，在機架上設置有測試平臺，測試平臺上設有試件夾板。通過改變升降臂桿的長度，則能調節測試車輪與測試平臺之間的高度；調速電動機運轉，在偏心軸和連桿的帶動下滑板在滑桿上做反復運動，帶動測試車輪在試件上來回運動，當需要增加試驗荷載時，只需要在荷載板上添加荷重，添加荷重的重量視試驗而定。該實用新型雖然能模擬真實車輪在路面運動的狀況，但是其結構結構復雜，成本高、加載頻率低，使用完整輪胎，增加了儀器設備的高度，另一方面，若所模擬的車輪過大，則會因超高限制而無法模擬。

在中國專利201320129629.7中提到一種室內車軸試驗儀，包括水平試驗臺、布設在水平試驗臺上的滾動支承裝置、供試件安裝且能帶動試件在滾動支承裝置上進行前后移動的水平滑移件、支撐高度可調的試驗輪支架、底部支撐于試件上的試驗輪和帶動試驗輪轉動驅動電機，水平滑移件水平放置于滾動支承裝置上；試驗輪支架上設置有供試驗輪的輪軸安裝的車輪架；驅動電機的動力輸出軸與輪軸之間通過傳動機構進行傳動連接，結構能模擬車輛驅動輪的真實行走狀態。該實用新型雖然也能模擬真實車輪在路面運動的狀況，但是其結構設計復雜，成本高、加載頻率低；使用完整輪胎，增加了儀器設備的高度，另一方面，若所模擬的車輪過大，則會因為超高限制而無法模擬；同時，在試驗時，車輪不能各個面均在路面碾壓，可能會造成車輪磨耗不均甚至偏心。

在另一中國專利200910308447.4中提到一種室內小尺寸環形瀝青路面結構車轍試驗裝置，試驗過程是：先將待試驗用的瀝青混合料填充在環槽中并鋪設于整個環槽內，并將位移計的錨頭埋在瀝青混合料內，同時保證試驗用瀝青路面與環槽的上端面齊平，將試驗車的車輪與試驗用瀝青路面接觸。通過電動機的輸出軸和連接框架將電動機產生的扭矩轉化為試驗車做圓周運動的驅動力，以此帶動整個裝置運行。最后通過位移計測算出整個試驗過程產生的絕對車轍，從而對路面的高溫穩定性能做初步的評價。該發明雖然能模擬真實車輪在路面運動的狀況，但其需要專用試驗裝置，這些試驗裝置結構復雜，成本高、加載頻率低；使用完整輪胎，增加了儀器設備的高度，另一方面，若所模擬的車輪過大，則會因為超高限制而無法模擬；同時，車輪不能各個面均在路面碾壓，可能會造成車輪磨耗不均甚至偏心，而室內小尺寸環形瀝青路面結構車轍試驗裝置尺寸較小，無法模擬大半徑或直行時的狀態。

現有試驗方法對無砟軌道的疲勞累積損傷研究具有積極的作用，可定量荷載大小和荷載作用次數的影響，卻無法研究行車速度對軌道傷損的影響。隨著我國高速鐵路的快速發展，行車速度的影響越來越明顯，列車行駛引起的彈性波在不同介質中的傳播速度不同，不同介質間傳播更是差別很大，對不同行駛速度列車的模擬顯得越來越有必要。