一种轮轨滚动滑动接触加载试验装置

1.本发明涉轨道交通测试分析技术领域，尤其是涉及一种轮轨滚动滑动接触加载试验装置。


背景技术：

2.我国的陆路交通发展不仅体现在建设规模上，同时也体现在其综合技术水平上，高速、重载已经逐渐成为陆路交通的主要发展方向。交通设施的研究从即时的力学性能走向长期的使用性能。例如，在轨道交通的运营中，高速度、高密度、大重量的列车荷载反复作用在轨道上，轨道结构和基础所承受的荷载特征向高频重载状态方向发展，容易造成轨道结构几何状态的恶化、钢轨损伤和磨耗、扣件的损坏、道床的弹性失效和横纵向阻力降低、轨道板的断裂或破坏、路基长期变形或不均匀变形过大等病害，使轨道无法保持稳定、平顺，影响乘车舒适度，严重时甚至危及行车安全。因此，近十年来，以美、英、日为代表的发达国家对运输设施长期使用性能的研究十分重视，通过建立先进、完整的设施结构长期使用性能测试分析系统，模拟真实运输条件下的荷载和作用频次，来分析这种荷载长时间作用下的基础结构的损伤、破坏的发生机理和发展规律。
3.为适应我国交通基础设施建设的形式以及相关学科发展的要求，就必须建立基于真实情况的道路与铁道工程高频重载试验系统。该系统能模拟高频重载条件下的轨道和道路随机荷载、模拟轮轨滚动接触关系及其伤损发生、发展变化情况，从而掌握高速度、高密度、大重量条件下的轮
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轨相互作用关系、荷载传递特征；分析钢轨伤损及其材质的成因及变化规律；测试并建立轨道状态检测和安全监控系统，为保证铁道高速度、高密度、重载条件下的安全、舒适运行提供全面的理论支撑。
4.为此，是要建立先进、完整的设施结构长期使用性能测试分析系统，模拟真实运输条件下的荷载和作用频次，来分析这种荷载长时间作用下的基础结构的损伤、破坏的发生机理和发展规律。该系统能模拟高频重载条件下的轨道和道路随机荷载、模拟轮轨滚动接触关系及其伤损发生、发展变化情况，从而掌握高速度、高密度、大重量条件下的车
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轨、轮
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轨相互作用关系、荷载传递特征；研究道路结构、轨道结构和下部基础的伤损发展规律、变形特点；分析钢轨伤损及其材质的成因及变化规律；测试并建立轨道状态检测和安全监控系统，为保证道路和铁道高速度、高密度、重载条件下的安全、舒适运行提供全面的理论支撑。
5.近似试验台包括：
6.(1)1：1轮轨滚动试验台(wheel
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rail test rig)(奥地利voestalpine公司)单轮
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单轨滚动接触；具体相关特性包括：
7.1)加载：垂直加载100t、横向加载10t、纵向加载3.5t，荷载通过液压系统加载到车轮上
8.2)钢轨试件长1.5m，其中两端长度共0.5m用于固定钢轨，为非试验区。中间约1m长度为轮轨接触试验区，又分为3个部分：前部约0.2m长度内，液压系统加压驱动钢轨支持装
置，使钢轨加速前进；中间约0.5m长度为车轮稳定速度和加载作用钢轨，所有的轮轨加载测试集中在这部分；后部约0.2m长度为减载区，使钢轨支持装置减速。
9.3)钢轨的轨底坡可调，轨底坡的调节通过更换钢轨下的垫板或楔子来实现；
10.4)可模拟曲线(车轮冲角范围为
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0.25～0.5度，同时调整横向力和垂直力的作用位置)
11.5)工况：除了可以使钢轨单方向运行来模拟单向运输条件，该试验台还可以模拟双向运输条件。单向运行时，当钢轨支持装置到达尽头时，车轮抬起，钢轨支持装置再返回另一端原位，车轮再轻轻放下，开始下一次滚动。钢轨支持装置在这种工况下的速度最大为0.5m/s～1m/s，每24小时运行通过30000～33000趟车轮。
12.(2)1：1轮轮滚动试验台(日本、德国、中国西南交大)组成：1、质量块；2、车体框架和支架；3、转向架；4、车辆轮对；5、钢轨轮对；6、驱动电机、驱动轴和轴箱；7、平衡系统；8、钢轨轨底坡设置装置；9、直线、曲线设置装置；10、摩擦控制装置(喷水、喷油)，主要用于模拟车辆运行、评价车辆状态。
13.(3)德国轮轨滚动试验台：单轮
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单轨系统。
14.(4)小比例轮轨滚动试验台：同样是单轮
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单轨系统，且为小比例。
15.现有技术缺点：
16.(1)奥地利1:1轮轨滚动试验台为单轮
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单轨试验装置，不能模拟轮对对左右两个车轮的刚性连接及牵制影响，不能接近真实的轮对在钢轨上运行的情况，所以只能用于研究材料磨耗。
17.(2)1:1轮轮滚动试验台为车轮
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钢轮试验装置，钢轨被简化成滚动的钢轮盘，但钢轨是平直铺设在线路上的，变成有半径的轮盘，其轮轨滚动
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滑动运动机理发生变化，不是真实的轮轨滚动情况，会产生因钢轨发生曲率变化影响轮轨接触状态，所以只是用于评价车轮、车辆的运行情况，不能研究钢轨。
18.(3)德国轮轨滚动试验台，通过曲轴驱动钢轨前后运行，机械装置比较复杂，效率低，因此，试验钢轨也较短(1m)。
19.(4)小比例轮轨滚动试验台，一般为1:5，虽然是轮
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轨方式，但是比例缩小，会因为相似定理的影响对试验结果产生影响，没有实尺的精确。


技术实现要素：

20.本发明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轮轨滚动滑动接触加载试验装置，包括以下目的：
21.(1)双轮(轮对)
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双钢轨滚动
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滑动运动试验装置；
22.(2)采用钢轨纵向运行来模拟轮轨运行状态；
23.(3)实尺1:1，没有缩比带来的误差；
24.(4)三向加载并在轮对上施加扭矩，再现滚动
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滑动的轮轨接触状态；
25.(5)平台加纵向驱动轴，使得钢轨可以前后纵向运动。
26.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
27.一种轮轨滚动滑动接触加载试验装置，包括设置于地面的基础底面和跨越设置于所述基础底面上方的反力架，所述基础底面上设有支撑台钢轨，所述支撑台钢轨上设有对
应的轨道滚轮，支撑台设有所述轨道滚轮上，所述支撑台上设有试验钢轨，所述试验钢轨上设有轮对，所述轮对外部设有用于固定的轮对固定框架，所述反力架上设有框架抬升装置，所述轮对固定框架经所述反力架与所述框架抬升装置相连接，所述反力架上还设有横向加载动作器和垂向加载动作器，并分别与所述支撑台和所述轮对对应连接，所述支撑台上还设有纵向加载动作器，所述纵向加载动作器还与平台纵移驱动相连接。
28.进一步地，所述的轮对包括通过轮轴相连接的两个车轮，所述轮轴端部设有轴箱，所述轴箱上设有悬挂装置，所述轮对通过所述悬挂装置与所述垂向加载动作器相连接。
29.进一步地，所述的反力架上还设有用于实现框架连同轮对的水平角度调整从而模拟车轮通过曲线的框架横向水平调节装置，并与所述轮对固定框架相连接。
30.进一步地，所述的轮对固定框架上设有扭矩装置，所述框架横向水平调节装置经所述扭矩装置与所述轮对固定框架相连接。
31.进一步地，所述的垂向加载动作器的可调动载荷的能力为50kn～500kn。
32.进一步地，所述的横向加载动作器的可调动载荷的能力为0～50kn。
33.进一步地，所述的纵向加载动作器的可调动载荷的能力为0～50kn。
34.进一步地，所述的车轮的滚动速度为0～0.5m/s，所述的车轮的冲角范围为
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0.5度～0.5度。
35.进一步地，所述的试验钢轨通过垫板或楔子设置于所述支撑台上，所述垫板或楔子能够按照需求设置对应坡度。
36.进一步地，所述的试验钢轨的长度为2m～3m，采用直线钢轨或曲线钢轨。
37.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
38.(1)真实车辆在轨道运行的情况下，无论是直线还是曲线运行，轮对均作为一个整体，起到传递荷载、转向的作用，同时因为荷载和轮轨动态运行，车轮和钢轨接触时形成滚动
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滑动接触，对轮轨材料产生疲劳破坏和磨耗破坏，因此，本装置建设为双轮
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双轨系统，通过驱动钢轨前后纵向运行，带动车轮形成单向(车轮从钢轨起点一端运行到另一端终点，抬起，回到钢轨起点端，在落下到钢轨上运行)或往复运动(钢轨纵向前后运行)，同时车轮在钢轨上运行时可以通过轮对上方的作动器施加垂向荷载、通过轮对周围的框架对轮对施加横向和纵向荷载以及扭矩，可以再现真实车辆单方向或双方向在钢轨上运行的情况。
39.(2)而1:1实尺轮轨滚动
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滑动接触加载才是真实轮对在钢轨上运行的情况，可以避免小比例因缩比带来的试验系统误差。
40.(3)同时，采用钢轨固定在平台上，平台通过滚轮实现前后纵向的运行，可以避免曲轴驱动钢轨前后运行的机械装置复杂、效率低等问题，同时也不会因为连杆机构因曲轴盘滚动带来上下运动，引起钢轨平台抬起等系统误差。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
42.图1为本发明装置的整体横断面结构图；
43.图2为本发明装置的整体纵断面结构图；
44.图3为本发明装置的整体横断面原理结构图；
45.图4为本发明装置的整体纵断面原理结构图；
46.图5为本发明装置试验过程的荷载作用示意图；
47.图6为本发明装置试验过程的轮轨滚动试验示意图；
48.图7为本发明装置试验过程的可调轨底坡示意图；
49.图8为本发明装置试验过程的车轮曲线通过示意图；
50.图中，1为基础底面，2为反力架，3为支撑台钢轨，4为轨道滚轮，5为支撑台，6为试验钢轨，7为轮对，8为轮对固定框架，9为框架抬升装置，10为横向加载动作器，11为垂向加载动作器，12为纵向加载动作器，13为平台纵移驱动，14为悬挂装置，15为框架横向水平调节装置，16为扭矩装置，17为轴箱。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
52.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
54.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
55.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
56.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
57.本发明提出了一个车轮轮对(即两个车轮加中间车轴一体)在钢轨(两股)上，发生滚动
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滑动运动时的实尺试验台，模拟实际轨道交通车辆车轮在钢轨上的运行情况以及由
此带来的车轮和钢轨的表面损伤。
58.实际情况下，尽管车轮和钢轨都是钢制材料，硬度很大，几乎不容易变形。但是，车轮加车轮上的荷载(车辆和载重)使得车轮在钢轨上停止和运动是都会发生很微小变形，这个变形就是轮轨接触斑，即车轮在钢轨上是面接触。那么当车轮运行时，在这个接触斑里就形成微小的滚动和微小的滑动，使得车轮在钢轨上不是纯滚动或纯滑动运动，而是一种滚动
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滑动相结合的运动，即蠕滑运动。这种蠕滑运动会随着直线还是曲线轨道表现出不同的程度，并直接引起车轮、钢轨表面材料的塑性变形、疲劳损伤、磨耗，由此引起车轮和钢轨表面材料发生滚动接触疲劳裂纹、剥离掉块、磨耗和型面变化，进而引起扣件松动、钢轨光带变化、钢轨波磨等。
59.所以，本试验装置就是(1)模拟车轮轮对在钢轨上滚动
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滑动运动时，进行垂向、横向方向的加载，产生尽量真实的轮轨接触情况；(2)还原和再现车轮和钢轨动态响应和表面损伤，如疲劳、磨耗，(3)更换车轮
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钢轨材料、修改钢轨表面平顺度、扣件参数等因素的参数，评价对轮轨动态和伤损的影响因素。
60.如图1和图2所示：本实验装置的组成：
61.(1)一个轮对，含两个车轮、轮轴端部的轴箱17、轴箱17上方的悬挂装置14，形成与真实条件相同的悬挂
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轴箱
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轮对
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钢轨系统；
62.(2)两根试验钢轨6，长度3m；
63.(3)三个方向的作动器加载：垂向、沿钢轨纵向、沿钢轨横向水平。其中垂向加载作动器11加载到悬挂装置14上、横向加载作动器10加载到钢轨轨头外侧、纵向加载作动器12通过平台纵移驱动13加载到支承台5上；
64.作动器施加给轮对悬挂装置和轴箱垂直方向的荷载
65.(4)轮对在钢轨上单向运动或者往复运动；
66.(5)轮对周围有框架固定，框架上有1)抬升装置，可以实现框架和轮对的抬升，使得轮对从钢轨一端滚动到另一端时抬起，再返回到起始端，从而实现单方向沿钢轨运行；框架上有2)横向水平调整装置，可以实现框架连同轮对的水平角度调整(绕垂直轴)，从而模拟车轮通过曲线(车轮和钢轨之间有冲角)；框架上还有3)扭矩装置，可对轮对加载扭矩，实现轮对在钢轨上滚动和滑动运动；
67.(6)反力架2：提供加载时的反力支撑
68.(7)支承台5：固定钢轨，并能调节钢轨纵向偏角，以模拟曲线和直线工况
69.(8)轨道滚轮或电磁驱动：通过连杆和驱动轴推动钢轨平台纵向运动，运动的实现可以是平台下方设置滚轮在轨道上运行，或者平台靠电磁驱动运行；
70.该实验装置可进行以下试验：
71.用于分析轮轨接触状态和材质损伤分析，研究内容可包括：
72.1、轮轨接触蠕滑理论验证和蠕滑系数研究；
73.2、轮轨粘着机理及钢轨磨损和控制研究；
74.3、钢轨打磨效果分析；
75.4、钢轨表面伤损萌生和扩展规律研究；
76.5、钢轨焊接接头强度及寿命分析。
77.本发明的实际目标：
78.模拟一个轮对在钢轨上的轮轨滚动，研究直线、曲线钢轨在车轮作用下的轮轨关系、钢轨伤损及磨耗发展变化情况、轮轨界面介质对钢轨伤损的影响、钢轨材质、轨道结构参数变化对伤损和轮轨关系的影响等。
79.能模拟一个轮对在两股钢轨上的滚动。钢轨可以是直线，也可以是曲线，如图3和图4所示。钢轨安装在平台上，由平台驱动装置驱动平台前后运动，带动车轮滚动。轮轨接触时，作用垂直荷载于轮对。当轨道结构安装装置到达尽头时，框架和轮对抬起，轨道结构安装装置再返回另一端原位，车轮再轻轻放下，开始下一次滚动。
80.系统的加载能力如下：
81.1、具有垂向加载50kn～500kn可调动荷载的能力(模拟一个轮对在钢轨上滚动时的垂直荷载作用)
82.2、具有横向水平和纵向水平加载0～50kn可调动荷载的能力，如图5所示，横向水平荷载q可根据实现的难易程度考虑作用在车轮上还是钢轨上；
83.3、钢轨长度2m
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3m；
84.4、车轮在钢轨上滚动方向是单一方向，如图6所示：
85.5、试验装置可通过更换钢轨下的垫板或楔子来调节钢轨的轨底坡，如图7所示。
86.6、可模拟车轮的曲线通过(车轮冲角范围为
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0.5～0.5度)，如图8所示，可通过将轮对绕垂直轴旋转一定角度来实现
87.7、车轮滚动速度0～0.5m/s。
88.滚动接触加载试验装置由反力架、垂向加载作动器、横向加载作动器、纵向加载作动器、试验轮对、轮对固定框架(含抬升装置、横向水平调整装置和扭矩装置)、试验钢轨、钢轨支承平台、平台驱动装置(轨道滚轮或电磁驱动)等组成。
89.试验台方案的话，本发明的技术方案是比较全的了。如果同样方案的话，就需要建设现场试验线，即按照实尺车辆
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轨道建设一条试验线，试验线包括直线、曲线，列车在上面前后或者环形运行，来检验车轮和钢轨的动态和损伤，但试验线建设需要较大的用地面积、成本高，且还需要车辆、车辆开行等其他附属试验装备，代价较大。
90.还有一种现场试验，就是在真实的线路上进行跟踪观测，但需要联系铁路部门，在天窗时间上线路测量，费时且只能检测一定时间点的钢轨状态，不能系统地考查各种影响因素的单独影响，如无法任意停止车辆运行，取下钢轨来做进一步分析。
91.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。