专利名称：一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比例试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其是涉及一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比例试
验装置。
背景技术：
疲劳现象广泛存在于航空、航天、机械、交通、电力等领域，它是金属构件断裂的主 要形式之一。最早引起人们关注的疲劳问题可追溯到19世纪20年代发生于铁路机车、路 轨、金属桥梁的破坏现象。随着科学技术的发展，疲劳强度问题的重要性也表现的越来越突 出。一系列灾难性的飞机空难事故、列车脱轨事故、核电站爆炸事故，很多经调查发现都是 由疲劳破坏造成的。时至今日，疲劳失效问题始终是困扰许多工程领域中关系到安全性与 经济性的一个重要因素，而疲劳分析也成为人们所关注的一个重要课题。旋转弯曲疲劳是多种单一模式(如弯曲疲劳、拉扭疲劳等)相耦合的复杂疲劳，它 广泛存在于交通运输设备、机械装备和器械等旋转体零部件中，形成重大的安全隐患。火车 轮轴是铁道机车车辆的关键部件之一，它直接关系到列车运行安全。轮轴在运行中承受复 杂的交变载荷和轴颈端部的对称弯曲应力，在与车轮成过盈配合的轴颈表面上或其它过盈 配合的部位会产生疲劳损伤。长期危及行车安全的车轴端部的冷切断裂，其实质就是疲劳 破坏。疲劳试验机是测试金属或非金属材料疲劳寿命和疲劳强度的一种测试设备。目 前，国内外大多数疲劳试验机均为轴向拉压式、平面弯曲式或固定频率的简单旋转弯曲式 标准式设备。而可以调频的旋转弯曲疲劳试验机尤其是能模拟火车轮轴实际工况的疲劳试 验机十分少见。因此，有效地针对火车轮轴进行旋转弯曲疲劳的模拟，研制更加接近实际工 况的试验设备，对进一步揭示轮轴的疲劳特性和损伤机制，为有效的提高轮轴的抗疲劳损 伤性能，更好地进行轮轴防护，提高高速列车轮轴使用寿命和车辆运行的安全性提供试验 依据，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有疲劳试验机无法模拟火车轮轴的实际工况，进行疲劳 损伤试验的不足，提供一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比例试验装置，该试验装置能方便地 模拟火车轮轴在承受复杂交变载荷作用下的旋转弯曲疲劳损伤，得到火车轮轴在旋转弯曲 作用下的疲劳寿命、疲劳强度；从而为提高轮轴的抗疲劳损伤性能，更好地进行轮轴防护， 提高高速列车轮轴使用寿命和车辆运行的安全性，提供更可靠更准确的试验依据。本发明通过如下技术方案实现，一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比例试验装置，其 组成是本发明的工作过程和原理是机座、机座上安装有受数据采集与控制系统控制的 电主轴、电主轴经联轴器与充有冷却油的轴箱的输入端相连，轴箱的输出端连接弹簧夹头； 弹簧夹头夹持轮轴试样的轴；
联轴器的旁边安装有转速传感器和转数传感器；轮轴试样的轮与下方的从动轮接触，从动轮的轴通过双排轴承安装在从动轮支架 上，从动轮支架的底板四角下方固定有导套，导套内套有导柱，导柱的下部固定在传感器座 上，传感器座固定在机座上；传感器座的中部上表面安装有和数据采集与控制系统相连的压力传感器，压力传 感器的螺纹孔与调节立柱相连，调节立柱上端部与从动轮支架的底板下表面接触，调节立 柱的中部设有自锁螺纹环。本发明的工作过程和原理是将与实际轮轴过盈配合应力相同的轮轴试样夹持在弹簧夹头上，并使轮轴试样与 模拟轨道的从动轮对中；调节调节立柱，使轮轴试样的轮与从动轮接触并使传感器到达预 定的载荷Ptl后，锁紧自锁螺纹环；开启无级调速的电主轴并经数据采集与控制系统的控制 使轮轴试样以预定的转速ω旋转运行，然后通过轮轴试样的轴端上方的加载设备以设定 的加载波形、载荷峰峰值F-F、应力比R、频率f向轮轴试样的轴端加载，进行模拟火车实际 工况下的旋转弯曲疲劳试验。在轮轴试样进行旋转弯曲疲劳试验的同时，通过分别安装在加载设备和传感器座 上的压力传感器，及联轴器旁的转速传感器和转数传感器，采集数据并传入数据采集与控 制系统存储。试验完成后，读出存储的数据，分析即可得到火车轮轴在不同工况下的旋转弯 曲疲劳寿命、疲劳强度。与现有技术相比，本发明的有益效果是一、电主轴驱动轮轴试样转动，模拟火车轮轴的旋转，无级调速的电主轴由电主 轴调速变频器控制，调速范围约为60 3600r/min，与列车的实际转速接近(以高速列车 ^OKm/h运行为例，轮轴转动角速度约为1850r/min)；加载设备从轮轴轴端进行垂向加载， 模拟轮轴的实际载重，并通过从动轮模拟轨道。从而本发明模拟的工况与火车轮轴的实际 工况接近，能方便地更真实的模拟火车轮轴在承受复杂交变载荷作用下的旋转弯曲疲劳损 伤，更真实地得到火车轮轴在旋转弯曲作用下的疲劳寿命、疲劳强度，表面损伤和疲劳裂纹 扩展速率等；从而为提高轮轴的抗疲劳损伤性能，更好地进行轮轴防护，提高高速列车轮轴 使用寿命和车辆运行的安全性，提供更可、靠更准确的试验依据。二、试验时，由数据采集与控制系统控制电主轴的转速及载荷的施加，并由其自动 读取转速、转数、压力等相关数据，操作简单方便，自动化程度高，试验的认为误差小，试验 结果精确、可靠。三、弹簧夹头可夹持多种尺寸和形状的轮轴比例试样，能对不同的轮轴试样进行 试验，从而可以模拟不同尺寸和规格的火车轮轴，适用范围广。上述的从动轮支架调节立柱上端部与从动轮支架底板下表面接触的具体结构为 调节立柱上端部的凹槽内设有顶出钢球，顶出钢球的上部与从动轮支架的底板下表面的凹 槽配合。这样，保证了上部受力均勻且受力方向始终竖直向上，避免面受力可能产生的倾 斜。上述的从动轮支架在轮轴试样的轴端部下方的部位安装有限位器，限位器与数据 采集与控制系统相连。
这样，当轮轴试样断裂或绕度达到预设值时，轮轴的轴端接触到限位器，限位器触 发、控制系统控制电主轴停止运转，确保整个装置与试验的安全。上述的冷却油的油路由油箱、冷却油泵、进油管、轴箱、回油管和油箱依次相连构 成。这样，采用循环油冷却效果良好，使得设备在高速运行状态下能保证良好的散热， 不会导致轴箱内的机械轴和滚动轴承处因局部温度过高而损坏设备，另外采用油冷却在保 证散热良好的同时，还能起到润滑机械轴的双重功效。下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的描述。
图1是本发明实施例的试验装置的结构示意图。图2是本发明实施例试验装置的传感器底座及其上方所有零部件的放大结构示 意图。
具体实施例方式实施例图1、图2示出，本发明的一种具体实施方式
是，一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比 例试验装置，其组成是机座1、机座1上安装有受数据采集与控制系统20控制的电主轴2、电主轴2经联 轴器3与充有冷却油18的轴箱4的输入端相连，轴箱4的输出端连接弹簧夹头8 ；弹簧夹 头8夹持轮轴试样的轴6 ；联轴器3的旁边安装有转速传感器14和转数传感器15 ；轮轴试样的轮7与下方的从动轮10接触，从动轮10的轴11通过双排轴承22安 装在从动轮支架21上，从动轮支架21的底板23四角下方固定有导套四，导套四内套有导 柱M，导柱M的下部固定在传感器座沈上，传感器座沈固定在机座1上；传感器座沈的中部上表面安装有和数据采集与控制系统20相连的压力传感器 13，压力传感器13的螺纹孔与调节立柱27相连，调节立柱27上端部与从动轮支架21的底 板23下表面接触，调节立柱27的中部设有自锁螺纹环观。图2示出，本例的调节立柱27上端部与从动轮支架底板23下表面接触的具体结 构为调节立柱27上端部的凹槽内设有顶出钢球25，顶出钢球25的上部与从动轮支架21 的底板23下表面的凹槽配合。图1示出，本例的从动轮支架21在轮轴试样的轴6端部下方的部位安装有限位器 9，限位器9与数据采集与控制系统20电连接。图1还示出，本例的冷却油18的油路由油箱19、冷却油泵17、进油管16、轴箱4、 回油管12和油箱19依次相连构成。显然，本发明的轮轴试样是轮7与轴6的过盈装配体，其过盈量可根据火车的实际 工况确定轮轴试样与实际火车轮轴的尺寸比例可做到不大于1 4。轮轴装配后接触应力 与它们之间过盈量的关系可由Lame应力公式(1)计算得到
权利要求
1.一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比例试验装置，其组成是机座(1)、机座(1)上安装有受数据采集与控制系统00)控制的电主轴O)、电主轴 (2)经联轴器( 与充有冷却油(18)的轴箱的输入端相连，轴箱的输出端连接弹 簧夹头(8)；弹簧夹头(8)夹持轮轴试样的轴(6)；联轴器(3)的旁边安装有转速传感器(14)和转数传感器(15)；轮轴试样的轮(7)与下方的从动轮(10)接触，从动轮(10)的轴(11)通过双排轴承 (22)安装在从动轮支架上，从动轮支架的底板四角下方固定有导套(四)， 导套09)内套有导柱(M)，导柱04)的下部固定在传感器座06)上，传感器座06)固定 在机座⑴上；传感器座06)的中部上表面安装有和数据采集与控制系统OO)相连的压力传感器 (13)，压力传感器(1 的螺纹孔与调节立柱(XT)相连，调节立柱(XT)上端部与从动轮支 架的底板下表面接触，调节立柱(XT)的中部设有自锁螺纹环08)。
2.根据权利要求1所述的一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比例试验装置，其特征在于 所述的调节立柱(XT)上端部与从动轮支架的底板下表面接触的具体结构为调 节立柱(XT)上端部的凹槽内设有顶出钢球(25)，顶出钢球0 的上部与从动轮支架 的底板下表面的凹槽配合。
3.根据权利要求1所述的一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比例试验装置，其特征在于 所述的从动轮支架在轮轴试样的轴(6)端部下方的部位安装有限位器(9)，限位器 (9)与数据采集与控制系统00)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比例试验装置，其特征在于， 所述的冷却油(18)的油路由油箱(19)、冷却油泵(17)、进油管(16)、轴箱(4)、回油管(12) 和油箱(19)依次相连构成。
全文摘要
一种火车轮轴旋转弯曲疲劳的比例试验装置，其组成是机座上安装有受数据采集与控制系统控制的电主轴、电主轴经联轴器、充有冷却油的轴箱与弹簧夹头相连；弹簧夹头夹持轮轴试样的轴；联轴器旁有转速传感器和转数传感器；轮轴试样的轮与下方的从动轮接触，从动轮的轴安装在从动轮支架上，从动轮支架的导套套合在传感器座的导柱上；传感器座的压力传感器的螺纹孔与调节立柱相连，调节立柱上端部与从动轮支架的底板下表面接触，调节立柱的中部设有自锁螺纹环。该试验装置能方便地模拟火车轮轴在承受复杂交变载荷作用下的旋转弯曲疲劳损伤，从而为提高轮轴的抗疲劳损伤性能，更好地进行轮轴防护，提供更可靠更准确的试验依据。
文档编号G01N3/34GK102103056SQ201110065980
公开日2011年6月22日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者周仲荣, 宋川, 彭金方, 朱旻昊, 沈明学, 莫继良, 蔡振兵 申请人:西南交通大学