侯傳倫 戚 援 王 慎 寧 燁

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

1 車輪疲勞試驗方法介紹

彈性車輪是在車輪的輪箍與輪心之間嵌裝減振橡膠，依靠橡膠的減振阻尼作用，降低輪軌噪聲，緩和輪軌沖擊振動[1]的軌道車輛走行部件，能夠提高車輛運行平穩(wěn)性和乘客乘坐舒適性，在城市軌道交通車輛上得到了廣泛應(yīng)用。彈性車輪作為一種分體式車輪(見圖1)，組成零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時作為車輛的關(guān)鍵走行部件，其安全可靠性直接關(guān)系到車輛的運行安全，因此需要對彈性車輪的疲勞性能進行全面的驗證考核。

圖1 一種典型的彈性車輪結(jié)構(gòu)

一般來說，傳統(tǒng)車輪的疲勞試驗方法主要有靜態(tài)定點加載和輪對滾動加載兩種。

車輪的靜態(tài)定點加載試驗是將車輪固定安裝在試驗機架上，通過液壓作動器對車輪踏面的固定位置進行循環(huán)加載(見圖2)，考核車輪在規(guī)定載荷下的疲勞可靠性。這種試驗方式只能對車輪在靜止?fàn)顟B(tài)的性能進行考核，無法模擬車輪在實際運行過程中的輪軌滾動接觸狀態(tài)。

圖2 車輪靜態(tài)定點加載試驗

輪對滾動加載試驗是將輪對放置在模擬軌道的兩個軌道輪上，通過在一系懸掛座施加規(guī)定的載荷，考核輪對的強度及疲勞性能(見圖3)。該方法能夠較真實地模擬車輪滾動狀態(tài)和輪軌接觸關(guān)系，但試驗機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，同時也無法實現(xiàn)單個彈性車輪的剛度性能測試和單個車輪載荷的精確加載。

圖3 輪對滾動加載試驗

為了能夠更準(zhǔn)確全面地模擬考核彈性車輪的受力受載狀態(tài)，確保產(chǎn)品運行的安全可靠性，研制一種能夠適應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和試驗需求的試驗設(shè)備成為迫切需要解決的問題。

2 試驗機主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)彈性車輪的結(jié)構(gòu)特點、試驗需求和運用工況，試驗機的主要技術(shù)參數(shù)為：工作環(huán)境溫度為-10 ℃～45 ℃；安裝條件為室內(nèi)；最高運行速度為120 km/h；試驗輪直徑為480 mm～900 mm；驅(qū)動輪直徑：1 260 mm；徑向載荷為靜態(tài)160 kN，動態(tài)120 kN；軸向載荷為靜態(tài)100 kN，動態(tài)80 kN；作動器最大行程為100 mm；控制波形為正弦波、三角波、方波、梯形波、保持波、斜波、周期波和隨機波等；液壓油源流量為125 L/min；液壓油源壓力為28 MPa。

3 試驗機原理及主要結(jié)構(gòu)

彈性車輪滾動疲勞綜合試驗機主要由臺架系統(tǒng)、軌道輪及驅(qū)動系統(tǒng)、試驗輪系統(tǒng)、伺服作動器系統(tǒng)和測量及控制系統(tǒng)等組成(見圖4)。

1—臺架系統(tǒng)；2—伺服作動器系統(tǒng)；3—試驗輪系統(tǒng)；4—測量及控制系統(tǒng)；5—軌道輪及驅(qū)動系統(tǒng)。圖4 彈性車輪滾動疲勞綜合試驗機

軌道輪和試驗輪安裝在臺架工作臺上，試驗輪相對于工作臺架能夠沿徑向力和軸向力的加載方向自由移動，軌道輪由驅(qū)動電機驅(qū)動并帶動試驗輪按照一定的速度旋轉(zhuǎn)，同時在試驗過程中通過伺服作動系統(tǒng)對被試車輪進行加載，模擬車輪在實際運行條件下的受載狀態(tài)，并通過測量及控制系統(tǒng)完成對規(guī)定試驗條件的加載和試驗數(shù)據(jù)的采集處理。

3.1 臺架系統(tǒng)

臺架系統(tǒng)為整個試驗機的基礎(chǔ)支撐部件，用于安裝軌道輪及驅(qū)動系統(tǒng)、試驗輪系統(tǒng)、伺服作動器系統(tǒng)等，能夠承受試驗過程中施加的載荷，是整個試驗機的基礎(chǔ)部件。臺架基礎(chǔ)平板為鑄鐵平臺，平臺上部設(shè)置燕尾槽結(jié)構(gòu)，用來安裝試驗機其他部分結(jié)構(gòu)。臺架底部采用阻尼彈簧支撐(見圖5)，固有頻率為3 Hz，以隔離緩和試驗過程中的振動沖擊，確保試驗過程平穩(wěn)可靠。

圖5 阻尼支撐彈簧

3.2 軌道輪及驅(qū)動系統(tǒng)

軌道輪及驅(qū)動系統(tǒng)主要包括軌道輪、支撐座及驅(qū)動電機等部件。軌道輪是用有限半徑的滾輪代替鋼軌線路，軌道輪直徑為1 260 mm，輪廓型面與真實鋼軌型面相同，用以模擬真實軌道。軌道輪動不平衡量符合ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)G6.3等級的要求。軌道輪通過法蘭螺栓安裝在支撐座上，在軌道輪磨耗到限或需要鏇修時可以進行快速拆卸更換。驅(qū)動電機為交流伺服電機，最大功率80 kW，通過帶傳動與軌道輪系統(tǒng)連接，驅(qū)動軌道輪旋轉(zhuǎn)。

3.3 試驗輪系統(tǒng)

試驗輪系統(tǒng)主要由試驗輪、滑動平臺和制動裝置組成。試驗輪通過法蘭螺栓固定安裝在滑動平臺的旋轉(zhuǎn)軸上，且能夠滿足不同輪軸接口尺寸的試驗車輪的安裝需求，實現(xiàn)被試樣機的快速更換。滑動平臺由低摩擦力的線性導(dǎo)軌支撐(見圖6)，使試驗輪能夠沿工作臺平面自由移動，同時由雙向作動器控制平臺移動位置，完成輪軌激擾力的加載。旋轉(zhuǎn)軸另一側(cè)末端安裝制動裝置，模擬車輪在啟動制動工況下的扭矩負載。

圖6 滑動平臺

3.4 伺服作動器系統(tǒng)

伺服作動器系統(tǒng)由徑向加載作動器和軸向加載作動器組成(見圖7)，端部通過球鉸方式與滑動平臺連接，模擬施加車輪承受的徑向力和軸向力載荷。伺服作動器采用液體靜壓導(dǎo)向支撐，可承受較高的側(cè)向載荷，達到低磨損、低摩擦阻力和免維護的效果。作動器配置蓄能器，起到穩(wěn)定液壓油路的壓力和流量，實現(xiàn)高頻動態(tài)響應(yīng)的功能，同時采用高精度力傳感器和位移傳感器，精確控制加載載荷。

圖7 伺服作動器

3.5 測量及控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)測量與控制系統(tǒng)實現(xiàn)試驗輸入和結(jié)果數(shù)據(jù)的控制、采集、處理和存儲?？刂葡到y(tǒng)采用全數(shù)字式控制系統(tǒng)EU3000RTC，可實現(xiàn)力、位移兩種控制方式，可控制產(chǎn)生正弦波、三角波、齒形波、矩形波、隨機波等多種波形，并可完成信號輸入/輸出設(shè)置、數(shù)據(jù)采集設(shè)置，同時進行各種組合循環(huán)試驗命令信號的設(shè)置。試驗控制軟件在標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下運行，不需要特殊的硬件配置。試驗控制軟件可以滿足絕大多數(shù)日常試驗的需求，具有時間歷程信號重放、高級峰值控制、試驗運行的動作判定和觸發(fā)等功能。該控制系統(tǒng)具有高精度控制及控制補償功能，技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定，在動態(tài)試驗機行業(yè)中應(yīng)用廣泛，是保證試驗機性能與精度的重要組成部分之一。

由于彈性車輪的剛度大，變形較小，同時車輪大多處于滾動狀態(tài)，因此試驗機配置了高精度非接觸式激光位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等，對試驗過程中車輪的各項性能狀態(tài)進行監(jiān)測測量。

4 主要功能及試驗方法

試驗機(見圖8)主要用于單個彈性車輪的性能試驗、可靠性試驗以及相關(guān)的研究性試驗。主要進行靜、動態(tài)剛度性能試驗及滾動疲勞試驗。

圖8 彈性車輪滾動疲勞綜合性能試驗機

4.1 靜態(tài)剛度試驗

在車輪靜止(不旋轉(zhuǎn))狀態(tài)下，對彈性車輪緩慢施加相應(yīng)的徑向和軸向靜態(tài)載荷，由激光傳感器測量輪箍與輪心之間產(chǎn)生的相對位移值，進而測試車輪的靜態(tài)剛度性能。

4.2 動態(tài)剛度試驗

在車輪靜止(不旋轉(zhuǎn))狀態(tài)下，對彈性車輪施加一定頻率的徑向及軸向動態(tài)載荷，測量輪箍與輪心間產(chǎn)生一定的相對位移值，進而測試車輪在規(guī)定頻率載荷下的動態(tài)剛度特性。

4.3 滾動疲勞試驗

由軌道輪驅(qū)動試驗車輪按照規(guī)定速度滾動，同時在車輪上施加規(guī)定的動態(tài)徑向載荷、軸向載荷及負載扭矩(見圖9)，考核彈性車輪在規(guī)定的運行里程后其整體狀態(tài)及性能是否滿足技術(shù)要求。根據(jù)EN 13979及UIC 510-5等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在該試驗機完成彈性車輪直線運行、曲線通過、道岔通過等工況下的滾動疲勞試驗，對彈性車輪的綜合疲勞性能進行考核。

圖9 彈性車輪滾動疲勞試驗加載示意圖

5 結(jié)論

本文介紹了一種可以完成彈性車輪剛度性能和滾動疲勞性能試驗的綜合性能試驗機，該試驗機結(jié)構(gòu)合理，操作方便，測量及控制精度高，能夠模擬彈性車輪的實際運行狀態(tài)和載荷工況，并可完成多項試驗內(nèi)容的測試，為我國彈性車輪技術(shù)水平的提升和運用安全性提供了可靠有效的試驗驗證手段。