軌道車輛輪軌接觸疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)

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。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)，以縮比對車輛的車輪進(jìn)行制造，并以軌道輪的方式對軌道進(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應(yīng)。

模擬動車及拖車的輪軌接觸疲勞：動車車輪的接觸疲勞，車輪主動旋轉(zhuǎn)，軌道輪被動旋轉(zhuǎn)；拖車車輪的接觸疲勞，軌道輪主動旋轉(zhuǎn)，車輪被動旋轉(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，最大驅(qū)動轉(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、扭矩隨時間變化的曲線，并配有加速度傳感器記錄振動值大小。

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)測量精度：優(yōu)于0.5%F.S；位移測量精度：±1%；頻幅：100Hz,±0.2mm(作動器位移)；車輪驅(qū)動額定扭矩：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)時采集徑向力、徑向位移、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動、溫度等參數(shù)，并可通過軟件實(shí)時繪制成隨時間變化的曲線。

圖1 工作原理

當(dāng)進(jìn)行動車車輪的接觸疲勞試驗(yàn)時，軌道輪側(cè)聯(lián)軸器脫開，車輪電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，軌道輪被動旋轉(zhuǎn)。當(dāng)進(jìn)行拖車車輪的接觸疲勞試驗(yàn)時，車輪側(cè)聯(lián)軸器脫開，軌輪電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，車輪被動旋轉(zhuǎn)。當(dāng)進(jìn)行滑差磨損試驗(yàn)時，車輪電機(jī)、軌道輪電機(jī)同時驅(qū)動，按照線速度的滑差比進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)時采集兩側(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、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)動速度可以達(dá)到3m/s,運(yùn)動部位沒有磨損，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，在動態(tài)試驗(yàn)時有很好的反饋能力，可大大提高控制精度。

(2)驅(qū)動電機(jī)：車輪、軌輪均采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，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)際速度變動誤差小于0.5%。

(3)工作臺：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)時的振動。

(4)配重砝碼：為了保證較小徑向靜載荷試驗(yàn)時的加載精度，擬采用砝碼配重方式進(jìn)行加載，將油缸活塞與加載平臺斷開，采用砝碼進(jìn)行直接加載，單個砝碼精度<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，對被試車輪、軌道輪接觸疲勞損傷進(jìn)行測量，擬采用2個激光位移傳感器(如圖3所示)分別對車輪、軌道輪輪徑進(jìn)行測量。激光位移傳感器測定中心距離為30mm，測定范圍為±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車輪表面進(jìn)行檢測，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試樣表面接觸疲勞損傷進(jìn)行準(zhǔn)確測量。本試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)時記錄徑向力、徑向位移、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動、溫度等參數(shù)變化，并通過軟件實(shí)時繪制成隨時間變化的曲線。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，為研究輪軌滾動接觸疲勞提供了新的技術(shù)手段。