[發明專利]一種輪軌摩擦疲勞實驗裝置及其實驗方法

在審

• 申請號: 201710387745.1
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107314944A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 王文健;何成剛;師陸冰;朱文濤;趙相吉;劉啟躍;郭俊
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56
• 代理公司: 成都博通專利事務所51208
• 代理人: 陳樹明

技術領域

本發明涉及一種鐵路輪軌摩擦疲勞損傷的實驗裝置及其實驗方法。

背景技術

摩擦疲勞是關于機器和設備中荷載摩擦副系統磨損-疲勞損傷和失效的科學。由于摩擦疲勞影響因素眾多，接觸界面因摩擦、磨損、幾何特性和材料特性而不斷發生動態變化。車輪和鋼軌作為高速列車的重要部件，承受重量的同時還需傳遞輪軌界面的作用力。高速輪軌接觸由于其系統復雜、強非線性耦合作用，使輪軌關系處于強摩擦力、多環境耦合作用下運行，其運行工況十分惡劣，因此輪軌系統是一個復雜的摩擦疲勞部件。伴隨我國高速鐵路的快速發展，這在一定程度上加速了輪軌磨損和疲勞損傷的發生，而輪軌系統作為一個復雜的摩擦疲勞部件，表面摩擦疲勞損傷已嚴重影響鐵路運輸的安全性和可靠性。車輪踏面在強摩擦耦合作用下造成磨損-疲勞損傷，從而大大降低了車輪運行的可靠性和安全性。目前高速車輪仍完全依賴進口，其價格昂貴，大大增加了高速鐵路的運營和維護成本。

通過輪軌疲勞損傷實驗方法，探究高速輪軌表面疲勞損傷機理與規律，逐個分析各因素對磨損-疲勞損傷行為的影響，探究其形成機理，磨損-疲勞損傷與各因素的關系；能為高速車輪的抗磨損-疲勞的設計、制造和維護提供準確、可靠的實驗依據，進而有效降低高速車輪的磨損-疲勞，提高其壽命。

但現有的輪軌疲勞損傷實驗裝置，根據普通的磨損-疲勞機理設計，僅能模擬出不同垂直載荷、不同的車輪轉速、不同的車輪材料對磨損-疲勞損傷的影響。其實驗沒有考慮強摩擦耦合作用對磨損-疲勞損傷的影響，也不能設定和模擬出不同的輪軌間的切向摩擦力。其實驗工況及機理與高速輪軌的實際工況和磨損-疲勞損傷機理，差別較大。不能為高速車輪的抗磨損-疲勞的設計、制造和維護提供準確、可靠的實驗依據。

發明內容

本發明的第一目的是提供一種輪軌摩擦疲勞實驗裝置，該實驗裝置的實驗工況及機理與高速輪軌的實際工況和磨損-疲勞損傷機理更接近，能為高速車輪的抗磨損-疲勞的設計、制造和維護提供更準確、可靠的實驗依據，從而提升高速列車運行的安全性與經濟性。

本發明為實現其第一發明目的，所采用的技術方案是：一種輪軌摩擦疲勞實驗裝置，包括機座、機座上安裝的直流電機、直流電機的輸出軸與模擬鋼軌的大輪相連，液壓缸安裝于機座的橫梁上，液壓缸向下伸出的活塞桿的端部與小輪安裝座相連，模擬高速車輪的小輪通過軸承安裝于小輪安裝座上；其特征在于：

所述的小輪安裝座上安裝有磁粉制動器，小輪的軸的一端穿過軸承后與所述的磁粉制動器的輸出軸相連；

所述的小輪輪緣沿寬度方向呈弧形，大輪輪緣沿寬度方向平直。

本發明的第二目的是提供一種使用上述的輪軌摩擦疲勞實驗裝置進行輪軌摩擦疲勞實驗的方法，該方法能夠簡單、快速的完成考慮強摩擦耦合作用對磨損-疲勞損傷影響的輪軌摩擦疲勞實驗。

本發明為實現其第二發明目的，所采用的技術方案是：一種使用上述的輪軌摩擦疲勞實驗裝置，進行輪軌摩擦疲勞實驗的方法，其步驟是：

A、操作液壓缸使活塞桿向下驅動小輪安裝座及小輪，使小輪與大輪接觸，并向大輪施加設定的垂向力；

B、調節磁粉制動器的制動扭矩,使小輪-大輪之間獲得設定的切向摩擦力；

C、啟動直流電機、并使直流電機以設定的轉速勻速轉動；小輪與大輪的輪緣之間即以設定的垂向力、切向摩擦力和轉速，進行輪軌摩擦疲勞的模擬實驗。

與現有技術相比，本發明方法的有益效果是：

通過把車輪試樣的輪緣部位加工成弧形試樣，鋼軌試樣的軌頭部位為平試樣，輪軌試樣間采用點接觸方式，使接觸狀態更符合實際線路狀況。通過液壓缸及活塞桿使小輪與大輪接觸，并向大輪施加設定的垂向力，可以模擬出列車運行時的荷載；通過調節與車輪試樣轉動軸相連的磁粉制動器輸出功率，可以模擬出列車運行時，車輪與鋼軌間的切向摩擦力，使得實驗裝置能夠根據實際鐵路運行中輪軌間的黏著系數來設定輪軌間的切向摩擦力，更接近實際情況的輪軌材料在載荷及強摩擦耦合狀態下的摩擦疲勞損傷。從而探究出輪軌材料在強摩擦耦合作用下的摩擦疲勞損傷形成機理與演變規律，從而為高速車輪的抗磨損-疲勞的設計、制造和維護提供更準確、可靠的實驗依據，從而提升高速列車運行的安全性與經濟性。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的詳細說明。

附圖說明

圖1是本發明實施例的裝置的結構示意圖。

圖2是本發明實施例實驗后車輪試樣磨損率隨垂向力和切向摩擦力的變化圖。

圖3是本發明實施例實驗后車輪試樣表面磨損疲勞裂紋掃描電鏡照片。