铁路扣件高频动刚度测试试验机的制作方法

本实用新型涉及机械工程及轨道交通领域，提出了一种铁路扣件高频动刚度测试试验机。

背景技术：

在轨道交通领域，扣件系统作为连接钢轨和轨枕最重要的部件，其作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动。城市轨道交通常用扣件为减振设计，扣件系统弹性垫板为两层设计，随着线路的运营时间增加，弹性垫板长期在潮湿阴暗或高架线路爆嗮条件下出现老化，扣件系统的刚度增大。同时，随着城市人口不断增加，地铁公司为进一步提升运能，其发车间隔及运行速度都有不同程度上提高，同时由于扣件系统刚度的变化，城市轨道交通的环保压力进一步提高。

国内现用高速铁路扣件常用为w300、wj-8、wj-7及sfc扣件等，设计都是带轨下垫及板下垫的结构形式。由于高速铁路列车轴载加大、速度高、运能密度高等特点，加上高速铁路扣件的露天使用环境，弹性层橡胶老化速率比较高，使得扣件刚度也有所增加，轮轨磨耗不断加剧，铁路沿线的振动噪声污染日益严重。

铁路扣件刚度的研究，国内外各生产厂家主要参考bsen13146-9:2009、tb/t3395-2015系列标准进行单块垫板及组装扣件系统的刚度测试，但是两者标准中对铁路扣件的动刚度测试要求低频，基本在3～10hz。

针对单件弹性垫板：

针对组装扣件系统动刚度：

但是，根据现有地铁或高铁振动噪声及轨道部件出现伤损的机理研究成果得到，出现铁路轮轨磨耗后产生的激励频率或共振伤损频率一般在400hz以上，甚至超过2000hz，轨道系统在此激励频率作用下扣件刚度的变化规律及趋势，国内外暂时还未见书面报道。轮轨高频激励特性下扣件刚度变化规律的探索及研究，对研究轮轨噪声及轨道系统部件伤损机理及控制有重大的参考意义。

国际标准iso10846-5是利用激励点测量法提出一套测试弹性元件测试计算方法，随着城市轨道交通扣件刚度的降低，标准中的方法有一定局限性。因为随着被测部件频率范围的提高，测试系统的等效参振质量惯性刚度ω²m1对测得的激励点动态刚度k11的贡献也增加，同时如果被测弹性单元的低刚度特性，测试系统等效支承刚度ki也不再是可以忽略的，且仅仅提出了一套测试模拟装置，实施性不高。

现有专利zl201710069046.2中的一种弹性单元动态刚度测量方法和装置，是对iso10846-5中激励点测量方法进行弹性单元动态刚度计算方法进行了修正，所以按式k21＝k11+ω²m1-ki计算得到修正后的弹性单元动态刚度k21，同时对iso10846-5测试装置进行了主动激励系统法的概念扩充。尽管该装置和方法一定程度上提高了测试精度，并将测试频率提高到了400hz，但是对于弹性元件400hz以上的激励频率无法测试，而且该专利主要是针对iso10846-5方法进行修正的，因此考虑的仅为激励频率的识别准确性，但是铁路轨道扣件安装及工作环境复杂，除列车运行经过带来的动态激励之外，还存在不同车辆不同轴载的影响，同时轨道结构弹性部件易受到环境温度、湿度等多环境耦合效应导致的特性改变，上述现有装置无法实现全方位的测试扣件并得到扣件高频动态的耦合特性，实施性不高。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可进行铁路扣件的垂向和横向动态刚度高频测试，动态试验频率范围可达0-2000hz的铁路扣件高频动刚度测试试验机。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种铁路扣件高频动刚度测试试验机，包括动态激励系统、弹簧隔离系统、被测扣件固定工装及动态采集系统，其特征在于，还包括静态预加载系统，为被测扣件系统提供预加载静态力，所述的动态激励系统为被测扣件系统提供0-3000n的动态激振力，所述动态采集系统采集被测扣件系统所受预加载静态力及振动量值。

试验机工作时静态预加载系统先加载到额定静态力值，动态激励系统将按照一定的动态激振力值及幅值进行动态激励，布置好的测试系统开始进行相关动态参数采集。此试验机可进行铁路扣件的垂向和横向动态刚度高频测试，动态试验频率范围可达0-2000hz。

所述的静态预加载系统包括支撑底座、下平台、加载上平台、上平台锁紧装置、导向柱，所述的支撑底座置于下平台下，所述的被测扣件固定工装安装在下平台上，所述的加载上平台可上下移动地设置在导向柱上，并通过上平台锁紧装置锁紧，所述的弹簧隔离系统安装在加载上平台下；

当加载上平台沿着导向柱接触弹簧隔离系统并达到预载设定力值时，上平台锁紧装置开始工作并抱紧加载上平台，使试验机的静态预载力值可调，调整范围0-150kn。

所述的上平台锁紧装置设置在加载上平台上，并通过液压伺服阀系统使得加载上平台锁紧或放开四根导向柱，中间连接液压缸驱动组件通过液压泵站驱动加载上平台沿导向柱上下移动，设定液压值从而对下方的弹簧隔离系统施加不同的静态预载力。

根据铁路扣件测试要求的不同，激振器的放置方式及方向可进行以下两种方案：

第一种：激振器系统垂向放置，通过在静态预加载系统的加载上平台上设置激振器固定座，主激振杆将对铁路扣件进行垂向高频激励。

第二种：激振器系统横向放置，通过在静态预加载系统的下平台上横向设置激振器固定座，主激振杆将对铁路扣件进行横向高频激励。

具体来说：所述的动态激励系统包括主激振杆、激振器、激振器固定座及信号控制及放大系统，所述的激振器安装在激振器固定座上，通过调整激振器固定座的位置及方向，使主激振杆对被测扣件系统提供横向或垂向动态激励。

进一步地，所述的主激振杆一端连接激振器，另一端穿过静态预加载系统后插入弹簧隔离系统，对被测扣件系统提供垂向动态激励；

或者，所述主激振杆从侧面横向推动弹簧隔离系统，从而对被测扣件系统提供横向动态激励。

所述的激振器，通过设置静态预压四导向柱及四导向柱稳定保持架，主激振杆激励力可调范围0-3000n，同时配合弹簧隔离系统的刚度及保持固定装置，激振器对被测扣件的激励频率可达0-2000hz。

所述的弹簧隔离系统包括弹簧下承板、弹簧及上定位板，所述的弹簧上端通过上定位板固定在加载上平台底部，下端固定在弹簧下承板上，弹簧下承板与被测扣件系统接触。

所述的被测扣件固定工装包括被测扣件固定底板、测力仪；

所述的被测扣件系统包括扣件轨枕和被测扣件，所述的扣件轨枕固定在被测扣件固定底板上，并在扣件轨枕下设置测力仪，被测扣件将钢轨固定在扣件轨枕上。扣件轨枕的结构可以适合现有高铁w300、wj-7、wj-8、sfc及地铁所用普通扣件、减振扣件系统。

所述的试验机还包括温控箱，所述的被测扣件固定工装和被测扣件系统置于温控箱内。

所述的动态采集系统采集被测扣件系统所受预加载静态力及振动量值，包含加速度信号及力信号、速度信号、位移信号，所述的动态采集系统为非接触式激光位移传感器、力传感器、放大器及数据采集系统的组合。

进一步地，通过对加装温控箱进行调节，被测扣件系统可以得到不同频率、不同预压压力及温度梯度下的横、垂向动刚度及动阻尼参数。

进一步地，工装为尽可能达到强度，并减轻被激励系统的重量。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型设计了一种铁路扣件高频动刚度测试试验机，由于设置了静态预压系统四导向柱及四导向柱稳定保持架结构，同时设置静态预压弹簧隔离系统及保持固定，从而试验机的动态激励频率可达0-2000hz，试验机集成专业系统多，可实施性高，结构设计层次分明，可靠性高。

(2)本实用新型利用增加的温控箱的设计，不仅在不同静态预压力可进行高频动刚度测试，还可以把铁路扣件所受静态预载力和温度梯度进行耦合，测试得到铁路扣件在不同温度、不同频率、不同预压压力及温度梯度下的横、垂向动刚度及动阻尼参数。

附图说明

图1为实施例1的垂向激励结构剖视图；

图2位实施例1的垂向激励的结构轴测图；

图3为实施例2的横向激励结构示意图；

图4为实施例2的横向激励的结构轴测图；

图中标号所示，1-动态激励系统，101-主激振杆，102-激振器，103-激振器固定座，2-静态预加载系统，201-支撑底座，202-下平台，203-加载上平台，204-上平台锁紧装置，205-导向柱，3-弹簧隔离系统，301-弹簧下承板，302-弹簧，303-上定位板(横向摩擦板)，4-被测扣件固定工装，401-被测扣件固定底板，402-测力仪，403-扣件轨枕，404-被测扣件，405-温控箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1

如图1-2所示，一种铁路扣件高频动刚度测试试验机，包括动态激励系统1、静态预加载系统2、弹簧隔离系统3、被测扣件固定工装4及动态采集系统5。

所述的动态激励系统1(选择德国tira-50350)为铁路扣件提供一定振幅的高频动态激振力，主要包含主激振杆101、激振器102、激振器固定座103及信号控制及放大系统104；

所述的静态预加载系统2为铁路扣件高频动刚度提供预加载静态力，主要包括支撑底座201、下平台202、加载上平台203、上平台锁紧装置204、导向柱205及弹簧隔离系统3；所述的支撑底座201置于下平台202下，所述的被测扣件固定工装4安装在下平台202上，所述的加载上平台203可上下移动地设置在导向柱205上，并通过上平台锁紧装置204锁紧，所述的弹簧隔离系统3安装在加载上平台203下；

所述的上平台锁紧装置204设置在加载上平台203上，并通过液压伺服阀系统使得加载上平台203锁紧或放开四根导向柱205，中间连接液压缸驱动组件通过液压泵站驱动加载上平台加载上平台203沿导向柱205上下移动，设定液压值从而对下方的弹簧隔离系统3施加不同的静态预载力。

所述的弹簧隔离系统3包括弹簧下承板301、弹簧302及上定位板303；所述的弹簧302上端通过上定位板303固定在加载上平台203底部，下端固定在弹簧下承板301上，弹簧下承板301与被测扣件系统接触。

所述的被测扣件固定工装4包括被测扣件固定底板401、测力仪402、扣件轨枕403、被测扣件404及温控箱405；所述的扣件轨枕403固定在被测扣件固定底板401上，并在扣件轨枕403下设置测力仪402(选择美国世铨psd-5tsjtt)，扣件系统404将钢轨固定在扣件轨枕403上。

所述的动态采集系统5将在静态预加载系统及动态激励系统作用下，采集被测扣件系统所受预载力及振动量值，主要包含加速度信号及力信号9。所述的动态采集系统为非接触式激光位移传感器(选择德国米铱ild1420位移传感器)、力传感器(选择选择美国世铨psd-5tsjtt)、放大器(德国tira-50350)及数据采集系统(杭州亿恒vt9002)的组合。试验机工作时静态预加载系统先加载到额定静态力值，动态激励系统将按照一定的动态激振力值及幅值进行动态激励，布置好的测试系统开始进行相关动态参数采集。

此试验机可进行铁路扣件的垂向和横向动态刚度高频测试，动态试验频率范围可达0-2000hz。

当进行垂向高频激励时，如图1-2所示，所述的激振器102安装在激振器固定座103上，所述的主激振杆101一端连接激振器102，另一端依次穿过静态预加载系统2的加载上平台203、上定位板303和弹簧302，对弹簧隔离系统3的弹簧下承板301施加高频激励，从而对其下方法兰连接的钢轨以及扣件轨枕403、被测扣件404进行高频激励。设置静态预加载系统2的预加载力值(力值0-150kn)，缓慢控制加载上平台203缓慢下降并与被测扣件系统的钢轨接触，给被测扣件系统设定到加载力值，此时锁定上平台锁紧装置204；开启激振器系统1，设置激振器102的激振力及频率，使得激振杆101接触弹簧隔离系统3的弹簧下承板301，并把激振器102的激振力及频率传递到钢轨上，被测件扣件404将产生高频的激励力和频率，通过公式k21＝k11+ω²m1-ki进行计算被测铁路扣件的动态特性。其中，k21为被测扣件系统的动态刚度，k11为激振杆101激振器点1的动态刚度，通过激励点的f1与激励接触点的位移u1求出(即k11＝f1/u1)，ω为振动频率，m1测试系统等效参振质量(可通过弹簧隔离系统测试系统连接件求出等效连接件质量m11和弹性单元本身的等效弹性单元质量m12)，ki为测试系统等效支承刚度，采用iso10846-5激励点测量方法测得静载加载隔振弹簧的等效动态刚度。

当进行横向高频激励时，所述的激振器102安装在激振器固定座103上，激振器固定座103安装在静态预加载系统2的下平台202，所述主激振杆101从侧面推动弹簧隔离系统3的横向摩擦板302，从而对被测扣件系统提供横向动态激励。如图3、4所示，设置被测扣件系统放置于静态预加载系统2的下平台202上；连接横向隔振弹簧系统3于加载上平台203下，设置静态预加载系统2的预加载力值(力值0-150kn)，缓慢控制加载上平台203缓慢下降并与被测扣件系统的钢轨接触，并给扣件设定到加载力值，此时通过上平台锁紧装置204锁紧；开启激振器系统1，设置激振器102的激振力及频率，使得激振杆101横向摩擦板302及通过横向弹簧(303)产生横向激振力，并通过设置横向摩擦板302下的法兰把激振器102的激振力及频率传递到钢轨上，被测件扣件将产生高频的激励力和频率，通过公式k21＝k11+ω²m1-ki进行计算被测铁路扣件的动态特性。其中其中，k21为被测扣件系统4的动态刚度，k11为激振杆101激振器点1的动态刚度，通过激励点的f1与激励接触点的位移u1求出(即k11＝f1/u1)，ω为振动频率，m1测试系统等效参振质量(可通过弹簧隔离系统测试系统连接件求出等效连接件质量m11和弹性单元本身的等效弹性单元质量m12)，ki为测试系统等效支承刚度，采用iso10846-5激励点测量方法测得静载加载隔振弹簧的等效动态刚度。