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        軌道車輛輪軌接觸疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)

        2020-02-03 07:23:04陳積云
        工程與試驗(yàn) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:輪軌油缸車輪

        聶 焱,李 健,陳積云,楊 飛

        (中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司,吉林 長春 130103)

        1 引 言

        隨著軌道車輛的高速發(fā)展,提高軌道車輛的運(yùn)行速度及運(yùn)載能力已成為軌道車輛發(fā)展的一種趨勢(shì)。其中,輪軌接觸疲勞是軌道車輛系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、最復(fù)雜的問題,在高速、重載的運(yùn)行條件下,輪軌的接觸疲勞損傷變得愈發(fā)嚴(yán)重,影響著軌道車輛行駛的安全性。雖然理論計(jì)算早已成型,但仍需要大量的試驗(yàn)作為基礎(chǔ)。本試驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)成功,可復(fù)現(xiàn)輪軌接觸疲勞現(xiàn)象,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)高速列車輪軌接觸疲勞進(jìn)行模擬研究。

        本試驗(yàn)系統(tǒng)主要模擬軌道車輛行駛中的輪軌關(guān)系,以研究接觸疲勞為目的進(jìn)行設(shè)計(jì),以縮比對(duì)車輛的車輪進(jìn)行制造,并以軌道輪的方式對(duì)軌道進(jìn)行復(fù)現(xiàn),模擬縮比后的車輪承載力,模擬與真實(shí)車輛相同的車軸旋轉(zhuǎn)速度,載荷頻率與車速相對(duì)應(yīng)。

        模擬動(dòng)車及拖車的輪軌接觸疲勞:動(dòng)車車輪的接觸疲勞,車輪主動(dòng)旋轉(zhuǎn),軌道輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn);拖車車輪的接觸疲勞,軌道輪主動(dòng)旋轉(zhuǎn),車輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

        本試驗(yàn)系統(tǒng)采用鑄鐵底板、四立柱框架結(jié)構(gòu),車輪及軌道輪分別以各自的伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為4500rpm,兩輪間徑向最大加載力為10kN,以靜壓油缸推力進(jìn)行加載,最大動(dòng)載頻率100Hz。記錄車輪軸與軌輪軸旋轉(zhuǎn)的周次、垂向力值,描繪車輪軸與軌輪軸的轉(zhuǎn)速、扭矩隨時(shí)間變化的曲線,并配有加速度傳感器記錄振動(dòng)值大小。

        2 主要技術(shù)指標(biāo)

        車輪徑向加載最大靜態(tài)試驗(yàn)力:10kN;負(fù)荷靜態(tài)測(cè)量精度:優(yōu)于0.5%F.S;位移測(cè)量精度:±1%;頻幅:100Hz,±0.2mm(作動(dòng)器位移);車輪驅(qū)動(dòng)額定扭矩:15.9N·m;車輪最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速:4500rpm。

        3 工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        3.1 工作原理

        本試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示,通過主機(jī)框架上方的加載油缸進(jìn)行加載,模擬車輛行駛過程中輪、軌間的負(fù)載。油缸上方安裝有力傳感器及位移傳感器,采集相應(yīng)力值、位移進(jìn)行閉環(huán)控制,保證加載力值大小。車輪、軌道輪分別安裝到相應(yīng)的軸承座上方,通過聯(lián)軸器分別與車輪電機(jī)、軌輪電機(jī)相連。電機(jī)上方安裝有扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器,采集相應(yīng)扭矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制,保證轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集徑向力、徑向位移、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度等參數(shù),并可通過軟件實(shí)時(shí)繪制成隨時(shí)間變化的曲線。

        圖1 工作原理

        當(dāng)進(jìn)行動(dòng)車車輪的接觸疲勞試驗(yàn)時(shí),軌道輪側(cè)聯(lián)軸器脫開,車輪電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),軌道輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)進(jìn)行拖車車輪的接觸疲勞試驗(yàn)時(shí),車輪側(cè)聯(lián)軸器脫開,軌輪電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),車輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)進(jìn)行滑差磨損試驗(yàn)時(shí),車輪電機(jī)、軌道輪電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng),按照線速度的滑差比進(jìn)行旋轉(zhuǎn),實(shí)時(shí)采集兩側(cè)的扭矩變化。

        3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        實(shí)物主機(jī)由主機(jī)框架、靜壓油缸、力傳感器、扭矩傳感器、配重砝碼、車輪電機(jī)、軌輪電機(jī)、工作臺(tái)、激光位移傳感器等組成,如圖2所示。

        圖2 主機(jī)結(jié)構(gòu)

        (1)靜壓油缸:采用靜壓油缸進(jìn)行徑向加載,標(biāo)準(zhǔn)靜壓油缸的活塞運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到3m/s,運(yùn)動(dòng)部位沒有磨損,且沒有普通橡膠密封發(fā)熱、磨損、阻尼、漏油等問題,所以具有很高的頻響,在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)有很好的反饋能力,可大大提高控制精度。

        (2)驅(qū)動(dòng)電機(jī):車輪、軌輪均采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),伺服電機(jī)具有多種控制模式,包括位置/速度/扭矩控制、混合模式切換控制等;具有整定時(shí)間短、速度響應(yīng)頻寬較寬、低速運(yùn)轉(zhuǎn)特性佳等特點(diǎn),在1rpm命令下,每轉(zhuǎn)實(shí)際速度變動(dòng)誤差小于0.5%。

        (3)工作臺(tái):采用灰鐵鑄造鐵地板,澆鑄成型后加工。此種結(jié)構(gòu)剛性好,穩(wěn)定可靠。采用鑄鐵地板具有一定的減振作用,可有效減弱試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)。

        (4)配重砝碼:為了保證較小徑向靜載荷試驗(yàn)時(shí)的加載精度,擬采用砝碼配重方式進(jìn)行加載,將油缸活塞與加載平臺(tái)斷開,采用砝碼進(jìn)行直接加載,單個(gè)砝碼精度<0.1%,砝碼可有多種組合。

        (5)激光位移傳感器:試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)被試車輪、軌道輪接觸疲勞損傷進(jìn)行測(cè)量,擬采用2個(gè)激光位移傳感器(如圖3所示)分別對(duì)車輪、軌道輪輪徑進(jìn)行測(cè)量。激光位移傳感器測(cè)定中心距離為30mm,測(cè)定范圍為±4mm,線性度<0.1%F.S,分辨率為0.5μm。

        圖3 激光位移傳感器

        4 樣件試驗(yàn)

        軌道輪、車輪試樣采用45號(hào)鋼進(jìn)行模擬,其泊松比和彈性模量取值分別為0.3和2.06×105N/mm2。將軌道輪、車輪安裝到試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn),徑向力控加載參數(shù)設(shè)定為1000N,旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為2000rpm,試驗(yàn)中實(shí)時(shí)采集軌道輪轉(zhuǎn)矩、車輪轉(zhuǎn)矩、垂直加載位移、垂向加載力,試驗(yàn)曲線如圖4所示。

        圖4 試驗(yàn)過程曲線

        試驗(yàn)進(jìn)行1h后,通過激光位移傳感器對(duì)車輪表面進(jìn)行檢測(cè),獲得位移-角度變化曲線(如圖5所示),可以看出,所選車輪表面已經(jīng)產(chǎn)生了滾動(dòng)接觸疲勞損傷。

        圖5 位移-角度變化曲線

        5 結(jié) 論

        本文研發(fā)了一套軌道車輛輪軌接觸疲勞試驗(yàn)系統(tǒng),其采用伺服控制,可保證試驗(yàn)加載力值的穩(wěn)定,并利用激光位移傳感器對(duì)試樣表面接觸疲勞損傷進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。本試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄徑向力、徑向位移、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度等參數(shù)變化,并通過軟件實(shí)時(shí)繪制成隨時(shí)間變化的曲線。相關(guān)試驗(yàn)表明,本試驗(yàn)系統(tǒng)滿足軌道車輛輪軌接觸疲勞試驗(yàn)的要求,為研究輪軌滾動(dòng)接觸疲勞提供了新的技術(shù)手段。

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