220kw新型高速轮轨疲劳试验机研制

220kw新型高速轮轨疲劳试验机研制

车轮系统是高速车辆的重要部件。列车的牵引、刹车、稳定、分离安全、磨损和疲劳与安装的滚动接触密切相关。据欧盟统计,欧洲每年因接触疲劳产生裂纹而失效的钢轨数目最多,换轨和维修的费用高达几百万欧元,已成为许多国家铁路工业中老大难的问题。对轮轨接触疲劳的研究一般需要借助于高速接触疲劳试验机,研究高速条件下轮轨滚动接触的疲劳失效机制,确定各种工况因素对接触疲劳产生的影响,以及评价各种材料的疲劳特性。常用的轮轨接触疲劳试验机受转速低的影响,摩擦副相对速度较低,设备适应能力、测试结果的准确性和完整性等都已经无法满足现代科研活动的需要。1980年日本前川试验机研制所成功研制的轮轨环形疲劳试验台能准确地模拟真实工况。因而研制高性能的滚动接触疲劳试验机对于轮轨材料的滚动接触疲劳研究就显得尤为重要。1车轮加载装置图1为新型220kW高速轮轨接触疲劳试验机实物图。该实验设备安装有高精度的力传感器、位移传感器、速度传感器等,可实时精确测量轮轨相互作用的力和速度等参数。试验机上安装有模拟车轮加载装置,可以模拟真实工况下车轮的横向、垂向加载。试验机冲角平台上还安装有电机,可带动车轮绕垂直轴线按一定频率摆动,从而模拟车轮的蛇形运动。(1)模拟高速列车时速300km/h时车轮与轨道接触疲劳试验实验。通过高速调频电机带动车轮和钢轨轮的对滚,施加扭矩、滑移率、垂向和横向力,模拟垂向振动和横向蛇行运动及轮道磨损后的斜坡。在设定冲角和接触角等条件下,近似再现高速列车轮轨运行时接触条件,达到仿真并测定疲劳条件下的实验数据。(2)进行轨道车辆轮轨新材料的开发、轮轨摩擦、磨损、粘着及滚动接触疲劳性能和机理的研究。2主要测试技术表13蛇形运动机构成根据设计要求和设计精度,本试验台的构成(图2)为:底座和床身,传动装置,冲角调整机构,轮架机构,蛇形运动机构,测控系统,加载和激振装置等。3.1刚度大、变形小试验台底座和床身采用灰口铸铁铸造,通过机械加工制成,减震性好,刚度大,变形小。由于试验台将承受多方向静载荷、垂向激振载荷、水平方向蛇形运动及调整冲角,载荷状况尤为复杂,设计时充分考虑上述因素并进行严格的强度、刚度及抗振性能验算,提出对基础制作的严格要求。3.2运动、冲角调整传动系统是试验台的关键部分,决定了试验台如最高模拟速度、蛇行运动、冲角调整等功能的实现。本试验台采用2台220kW交流变频电机驱动,由变频器实现无极调速,变频电机带动模拟车轮和模拟轨轮进行对转,轮轨相对转速由控制台操作面板分别进行调节。3.3杆机结构设计冲角调整装置的设计思路为:通过蜗轮蜗杆回转机构(图3),实现最大冲角±3°的调整,即冲角平台±3°的旋转。蜗轮蜗杆机构实现制动电机和冲角平台的连接,设计时将电机和减速箱固定于安装基础,轨系和配置有旋转轴承的涡轮安装座则固定在可沿一定角度旋转的冲角平台上。调整过程为:通过控制台操作面板调节电机转速,电机带动蜗杆、涡轮旋转,通过涡轮和旋转轴承使冲角平台在外力作用下绕其垂直中心线相对于试验台安装基础转动,冲角平台最大旋转角度为±3°,从而实现最大冲角±3°的调整过程。3.4电机输出转速控制蛇形运动的实现是借助于由偏心轮、连杆、模拟轨轮和机座等组成的机械式四杆机构,运动原理如图4所示。变频电机驱动齿轮减速箱,带动安装在输出端的偏心轮旋转,偏心轮旋转一周,连杆推动安装模拟轨轮的支架座左右运动完成一个回程,变频电机实现0~3Hz的无极调速,从而使电机输出转速控制在0~180r/min范围内,借助此机构的设计,就能模拟车轮运行于钢轨上0~3Hz(振幅为±2.5mm)的蛇形运动。3.5车辆轮对控制原理试验台的横向、垂向加载依靠安装于水平、垂直方向上的采用模拟PID伺服控制器进行油缸加载控制的加载作动器,其控制原理见图5。可精确实现横向、垂向0~10kN的加载,来模拟车辆轮对的摇动、横移和蛇行运动等。轮架上部和垂向载荷伺服液压缸之间,配置有HEV-1000激振器,其最大激振载荷0~1kN、最高激振频率0~1000Hz,可调。通过在垂向载荷上叠加激振载荷,可有效模拟车辆运行于钢轨接头处受到的激烈冲击作用。3.6调节控制器试验台测控系统主要由高精度传感器、液压控制系统和控制台等组成,主要进行轮轨转速、作动器各向加载、轮轨滚动接触作用力(横向、垂向、纵向)等的调节控制。各项试验参数的设定和控制可通过控制台操作面板上的旋钮进行调节。测量与数据采集系统软件平台是采用美国NI公司产品LABVIEW开发而成,该软件界面友好、操作使用方便、便于维护。压力传感器输出信号经变送器将压力信号转换成0~10V标准信号送入计算机采集系统,通过工业计算机实现垂向力、横向力、切向力、模拟轨转速、模拟轮转速及转速比等参数的采集、处理和存储。3.7根导轴和滑动片测量原理试验台轮架机构上部装有三维力传感器,可测量来自法向、切向及垂直方向的受力。该机构的上下运动依靠四根导轴实现,水平面力(切向、法向)分别由安装在水平面两个方向的两个拉压传感器进行测量,安装传感器的支座上用高精度的滚动导轨副进行约束,用于测量法向力、切向力以及确保测量的精度。轮架输入动力通过变频电机、滚动花键副、球笼式联轴器,满足调整过程和传动过程中