一种轮轨摩擦疲劳实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及一种铁路轮轨摩擦疲劳损伤的实验装置及其实验方法。

背景技术：

摩擦疲劳是关于机器和设备中荷载摩擦副系统磨损-疲劳损伤和失效的科学。由于摩擦疲劳影响因素众多，接触界面因摩擦、磨损、几何特性和材料特性而不断发生动态变化。车轮和钢轨作为高速列车的重要部件，承受重量的同时还需传递轮轨界面的作用力。高速轮轨接触由于其系统复杂、强非线性耦合作用，使轮轨关系处于强摩擦力、多环境耦合作用下运行，其运行工况十分恶劣，因此轮轨系统是一个复杂的摩擦疲劳部件。伴随我国高速铁路的快速发展，这在一定程度上加速了轮轨磨损和疲劳损伤的发生，而轮轨系统作为一个复杂的摩擦疲劳部件，表面摩擦疲劳损伤已严重影响铁路运输的安全性和可靠性。车轮踏面在强摩擦耦合作用下造成磨损-疲劳损伤，从而大大降低了车轮运行的可靠性和安全性。目前高速车轮仍完全依赖进口，其价格昂贵，大大增加了高速铁路的运营和维护成本。

通过轮轨疲劳损伤实验方法，探究高速轮轨表面疲劳损伤机理与规律，逐个分析各因素对磨损-疲劳损伤行为的影响，探究其形成机理，磨损-疲劳损伤与各因素的关系；能为高速车轮的抗磨损-疲劳的设计、制造和维护提供准确、可靠的实验依据，进而有效降低高速车轮的磨损-疲劳，提高其寿命。

但现有的轮轨疲劳损伤实验装置，根据普通的磨损-疲劳机理设计，仅能模拟出不同垂直载荷、不同的车轮转速、不同的车轮材料对磨损-疲劳损伤的影响。其实验没有考虑强摩擦耦合作用对磨损-疲劳损伤的影响，也不能设定和模拟出不同的轮轨间的切向摩擦力。其实验工况及机理与高速轮轨的实际工况和磨损-疲劳损伤机理，差别较大。不能为高速车轮的抗磨损-疲劳的设计、制造和维护提供准确、可靠的实验依据。

技术实现要素：

本发明的第一目的是提供一种轮轨摩擦疲劳实验装置，该实验装置的实验工况及机理与高速轮轨的实际工况和磨损-疲劳损伤机理更接近，能为高速车轮的抗磨损-疲劳的设计、制造和维护提供更准确、可靠的实验依据，从而提升高速列车运行的安全性与经济性。

本发明为实现其第一发明目的，所采用的技术方案是：一种轮轨摩擦疲劳实验装置，包括机座、机座上安装的直流电机、直流电机的输出轴与模拟钢轨的大轮相连，液压缸安装于机座的横梁上，液压缸向下伸出的活塞杆的端部与小轮安装座相连，模拟高速车轮的小轮通过轴承安装于小轮安装座上；其特征在于：

所述的小轮安装座上安装有磁粉制动器，小轮的轴的一端穿过轴承后与所述的磁粉制动器的输出轴相连；

所述的小轮轮缘沿宽度方向呈弧形，大轮轮缘沿宽度方向平直。

本发明的第二目的是提供一种使用上述的轮轨摩擦疲劳实验装置进行轮轨摩擦疲劳实验的方法，该方法能够简单、快速的完成考虑强摩擦耦合作用对磨损-疲劳损伤影响的轮轨摩擦疲劳实验。

本发明为实现其第二发明目的，所采用的技术方案是：一种使用上述的轮轨摩擦疲劳实验装置，进行轮轨摩擦疲劳实验的方法，其步骤是：

a、操作液压缸使活塞杆向下驱动小轮安装座及小轮，使小轮与大轮接触，并向大轮施加设定的垂向力；

b、调节磁粉制动器的制动扭矩,使小轮-大轮之间获得设定的切向摩擦力；

c、启动直流电机、并使直流电机以设定的转速匀速转动；小轮与大轮的轮缘之间即以设定的垂向力、切向摩擦力和转速，进行轮轨摩擦疲劳的模拟实验。

与现有技术相比，本发明方法的有益效果是：

通过把车轮试样的轮缘部位加工成弧形试样，钢轨试样的轨头部位为平试样，轮轨试样间采用点接触方式，使接触状态更符合实际线路状况。通过液压缸及活塞杆使小轮与大轮接触，并向大轮施加设定的垂向力，可以模拟出列车运行时的荷载；通过调节与车轮试样转动轴相连的磁粉制动器输出功率，可以模拟出列车运行时，车轮与钢轨间的切向摩擦力，使得实验装置能够根据实际铁路运行中轮轨间的黏着系数来设定轮轨间的切向摩擦力，更接近实际情况的轮轨材料在载荷及强摩擦耦合状态下的摩擦疲劳损伤。从而探究出轮轨材料在强摩擦耦合作用下的摩擦疲劳损伤形成机理与演变规律，从而为高速车轮的抗磨损-疲劳的设计、制造和维护提供更准确、可靠的实验依据，从而提升高速列车运行的安全性与经济性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的装置的结构示意图。

图2是本发明实施例实验后车轮试样磨损率随垂向力和切向摩擦力的变化图。

图3是本发明实施例实验后车轮试样表面磨损疲劳裂纹扫描电镜照片。

图4是本发明实施例实验后车轮试样剖面疲劳裂纹的扫描电镜照片。

图5是本发明实施例实验后建立的车轮试样表面摩擦疲劳损伤图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明方法的一种具体实施方式为：一种轮轨摩擦疲劳实验装置，包括机座9、机座9上安装的直流电机10、直流电机10的输出轴与模拟钢轨的大轮7相连，液压缸1安装于机座9的横梁8上，液压缸1向下伸出的活塞杆3的端部与小轮安装座12相连，模拟高速车轮的小轮5通过轴承4安装于小轮安装座12上；其特征在于：

所述的小轮安装座12上安装有磁粉制动器11，小轮5的轴的一端穿过轴承4后与所述的磁粉制动器11的输出轴相连；

所述的小轮5轮缘沿宽度方向呈弧形，大轮7轮缘沿宽度方向平直。

一种使用本例的轮轨摩擦疲劳实验装置，进行轮轨摩擦疲劳实验的方法，其步骤是：

a、操作液压缸1使活塞杆3向下驱动小轮安装座12及小轮5，使小轮5与大轮7接触，并向大轮7施加设定的垂向力；

b、调节磁粉制动器11的制动扭矩,使小轮-大轮之间获得设定的切向摩擦力；

c、启动直流电机10、并使直流电机10以设定的转速匀速转动；小轮5与大轮7的轮缘之间即以设定的垂向力、切向摩擦力和转速，进行轮轨摩擦疲劳的模拟实验。

测试实验:

选取cl60车轮踏面处材料加工成小轮5，大轮7由u71mn钢轨材料加工而成。具体尺寸为：小轮5即车轮试样的直径为68mm，沿宽度方向半径为61mm，试样厚度16mm；大轮7即钢轨试样的直径为1030mm，沿宽度为直线平试样。对加工完成后的小轮5表面进行抛光等预处理，大轮7通过镟修装置将表层硬化层切削掉。

根据安定理论来确定实验所需要的接触应力。材料安定极限值为：

σ0.2是cl60车轮材料的屈服强度，σ0.2≥400mpa，故而得出cl60车轮材料的安定极限值为923mpa。在点接触方式作用下，要使车轮材料所承受的接触载荷超过其安定极限值，因此，所选实验接触应力分别为1000mpa、1200mpa、1400mpa和1600mpa，再根据赫兹接触理论和轮轨试样尺寸计算出对应的垂向力大小分别为750n、1300n、2060n和3070n。

根据实际铁路运行中轮轨黏着系数变化范围而设定实验所需切向摩擦力分别为40n、120n、220n和350n；其对应的蠕滑率分别为0.12％，0.76％，1.57％和3.34％。

实验时，通过数据采集系统实时监测实验中小轮5、大轮7间的垂向力、切向摩擦力和转速情况，出现较大波动时进行修正，直至实验循环次数达到设定值结束停机。钢轨试样转速为95r/min，每组实验总的循环次数为10⁶次。

图2为测试实验时，车轮试样磨损率随着垂向力和切向摩擦力变化图。由图2得知，小轮(车轮试样)磨损率随着垂向力和切向摩擦力的增大呈明显增长趋势，即在小垂向力和小切向摩擦力工况下磨损率最小，在大垂向力和大切向摩擦力的工况下磨损率最大。

图3为测试实验后，小轮(车轮试样)表面摩擦疲劳损伤形貌的sem照片(垂向力2060n，切向摩擦力120n)。由图3可见，在车轮试样表面出现了明显的疲劳裂纹和黏着磨损。

图4给出了测试实验后，小轮(车轮试样)剖面疲劳损伤形貌的sem照片(垂向力3070n，切向摩擦力120n)。由图4可知，小轮(车轮试样)表面萌生的疲劳裂纹在周期性循环载荷下与滚动方向成一定的角度向材料内部扩展。

图5为测试实验后，建立的小轮(车轮试样)表面摩擦疲劳损伤图。根据每组参数下不同垂向力和切向摩擦力的磨损率值及其相应的表面摩擦磨损疲劳损伤形貌，可将小轮(车轮试样)的摩擦疲劳损伤图分成三个部分：轻微磨损区、严重磨损区和破坏性磨损区。图中粗实线为三个区域的分界线。三个区域的分界线对应的车轮试样磨损率分别为5.0×10^-3g/mm和20.0×10^-3g/mm。

上述测试实验表明，通过控制实验垂向力和切向摩擦力参数进行实验能够很好地研究评价高速轮轨材料的抗摩擦磨损-疲劳损伤性能，这为高速轮轨的研制和设计提供了重要的实验方法和依据。