摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备的制作方法

本发明涉及一种疲劳试验设备，更具体地，涉及一种摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备。

背景技术：

轨头内部裂纹是钢轨母材和焊接接头常见的滚动接触疲劳失效类型。目前我国对钢轨母材疲劳性能的考核方法为取轨头材料的小试样进行轴向疲劳实验，对焊接接头疲劳性能的考核方法为对实物进行三点弯曲作用力下的疲劳实验，这两种实验方法不能模拟列车实际通过时车轮和钢轨的滚动接触受力情况，由于没有合适的实物轮轨滚动接触疲劳试验设备，导致大量经检验满足标准的全部要求的钢轨及焊接接头上线后出现轨头内部裂纹等严重问题。

目前国内的滚动接触疲劳试验设备均采用轮-轮滚动接触的方法进行模拟实验，即将钢轨材料加工成轮状，采用车轮和钢轨轮对滚的方式模拟轮轨滚动接触疲劳状态。这种试验方法存在的技术问题主要是：(1)所用的钢轨轮采用钢轨材料加工而成，需要将原本为直线状的钢轨材料加工成轮状，成本高昂；(2)适合于对车轮性能进行测试与试验，不能对实物钢轨进行直接试验，现场应用中通常想要考核一个探伤有疑似缺陷的钢轨的抗疲劳性能，这种情况采用上述轮-轮接触的试验设备根本无法实现；(3)不能准确模拟钢轨的实际工况，轮-轮滚动接触的受力状态与车轮在钢轨上滚动时钢轨的受力状态存在差异，不适合对钢轨性能的深入研究。例如：西南交通大学研制的jd-1型和jd-2型轮轨摩擦学模拟试验机中，需要将钢轨材料加工成轮状，而且试验用的车轮是缩小比例的模拟轮而非实物车轮。中国铁道科学研究院2010年4月从德国rank公司订购了比例为1：1、最高速度为500km/h的高速轮轨关系试验台，试验采用全尺寸的轮对，最大试验轴重50t，能够对高速、重载轮轨关系中蠕滑、黏着、轮轨磨耗、接触疲劳等进行试验，其试验轮为实物车轮，但是轨道仍需要加工成轮状，其轨道轮的直径为3000mm。

国外德国、日本、奥地利、英国等均研制了采用实物钢轨和实物车轮进行滚动接触疲劳实验的设备，其原理通常为液压油缸带动钢轨在滑台上往复水平移动，车轮在钢轨上方固定跟随钢轨往复转动，通过车轮加载垂向载荷给钢轨。这种方法存在的技术问题主要是：(1)这些设备均采用车轮或钢轨单独驱动的方式——这种驱动方式实际模拟的是车轮在钢轨上反复滚动的走行方式，该走行方式对于单线铁路(双方向行车)是合适的，但是我国目前绝大多数线路均为复线铁路(每条线路单向行车)，对于单驱动模式的试验机，若想模拟复线钢轨的受力情况，需要在车轮向另一个方向滚动时，减小加载力，即钢轨往复一次只能实现一次加载，加载效率很低；(2)上述所有设备都没有考虑温度应力对钢轨使用寿命的影响——由于目前我国大部分线路均铺设无缝线路，由于冬天和夏天的气温变化以及每天的昼夜温度变化，钢轨在使用过程中会受到因自身热胀冷缩而产生的巨大温度应力，这种温度应力对于钢轨使用寿命的影响非常显著，而前述试验设备都没有考虑到这种受力状态的问题，也都没有模拟钢轨受到的温度应力的加载装置。

另外，由于钢轨与车轮驱动均需消耗大量能量，因此还需要解决传统的疲劳试验设备在能量消耗方面的缺陷。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出了一种摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备，该疲劳试验设备包括：

支撑架；

中心轴，中心轴水平设置在支撑架上，且中心轴穿过车轮以将车轮支撑在支撑架上；

钢轨驱动部，钢轨驱动部设置在支撑架的底部，用于放置试验钢轨并驱动试验钢轨做直线往复运动，并且车轮能够与试验钢轨彼此接触并相对滚动；和

第一驱动装置，第一驱动装置设置在支撑架上并与中心轴相连接，以驱动中心轴带动车轮转动。

在一个实施例中，钢轨驱动部包括：

移动小车，移动小车设置在支撑架的底部；

扣件系统，扣件系统设置在移动小车上，以将钢轨固定到移动小车的上侧；和

第二驱动装置，第二驱动装置与移动小车相连接，以驱动移动小车运动。

在一个实施例中：

第一驱动装置包括摆锤，摆锤连接到中心轴的一端；以及

第二驱动装置包括驱动弹簧，驱动弹簧的一端连接到移动小车、另一端与设置在支撑架的底部的固定架相连接。

在一个实施例中，疲劳试验设备还包括补能机构，补能机构与第一驱动装置或第二驱动装置相连接，以向第一驱动装置或第二驱动装置补充能量。

在一个实施例中，补能机构为：

曲柄-连杆机构，曲柄连杆机构设置在移动小车的一端并与摆锤同频运动，以通过打击的方式向移动小车补充能量；

凸轮机构，凸轮机构与移动小车的一端摩擦接触或锁定连接，以通过凸轮机构的凸轮向移动小车补充能量；

液压缸，液压缸设置在移动小车的一侧，液压缸的活塞部以摆锤的摆动频率运动，以通过打击的方式向移动小车补充能量；或者

液压马达，液压马达靠近车轮设置，以在车轮顺时针或逆时针转动时通过向车轮加载扭矩的方式向车轮补充能量。

在一个实施例中，移动小车包括：

多个导辊，多个导辊设置在支撑架的底板上；和

滑板，滑板水平放置在多个导辊上，并且滑板的上表面设置有扣件系统以将钢轨连接到滑板的上侧。

在一个实施例中，疲劳试验设备还包括温度力加载系统，温度力加载系统包括：

加载反力架，加载反力架设置在移动小车上；和

第三驱动装置，第三驱动装置设置在加载反力架上且分别与控制器和移动小车上的钢轨相连接，以根据控制器的指令向钢轨施加沿着钢轨长度方向的力。

在一个实施例中，第三驱动装置包括：

第三液压作动器，第三液压作动器设置在加载反力架上且与控制器相连接，第三液压作动器的活塞部与钢轨相连接，以根据控制器的指令向钢轨施加温度力；和

温度力传感器，温度力传感器设置在钢轨上且与控制器相连接，以实时检测温度力并将其传送至控制器。

在一个实施例中，该疲劳试验设备还包括：

横向力加载系统，横向力加载系统包括第四驱动装置，第四驱动装置设置在支撑架上且与中心轴相连接，以向中心轴施加垂直于钢轨的长度方向的横向力。

在一个实施例中，第四驱动装置包括：

第四液压作动器，第四液压作动器设置在支撑架上且与控制器相连接，第四液压作动器的活塞部与中心轴的一端相连接，以根据控制器的指令向中心轴施加横向力；和

横向力传感器，横向力传感器设置在第四液压作动器和中心轴之间并与控制器相连接，以实时检测中心轴受到的横向力数据并将该横向力数据传送至控制器。

在一个实施例中，支撑架包括多个立柱、支撑在多个立柱上的上横梁、底板和嵌套在多个立柱上的滑动横梁，其中中心轴与滑动横梁相连接以使中心轴能够沿着立柱滑动。

在一个实施例中，疲劳试验设备还包括垂向力加载系统，垂向力加载系统包括：

加载框架，加载框架通过轴承与中心轴相连接；和

第五驱动装置，第五驱动装置分别与上横梁、加载框架以及控制器相连接，以根据控制器的指令通过加载框架向中心轴施加垂向力使中心轴沿着立柱滑动。

在一个实施例中，第五驱动装置包括：

第五液压作动器，第五液压作动器设置在上横梁上且分别加载框架和控制器相连接，以根据控制器的指令向加载框架施加垂向力；和

垂向力传感器，垂向力传感器设置在第五液压作动器和加载框架之间并与控制器相连接，以实时检测加载框架受到的垂向力数据并将该垂向力数据传送至控制器。

本发明公开的双驱实物轮轨滚动接触疲劳试验设备能够准确模拟钢轨应用中的实际受力状态，从而获得钢轨母材疲劳性能的真实数据：采用车轮与钢轨的双驱动模式能够成倍提高试验效率、缩短试验周期、降低试验成本，并且可以模拟钢轨实际的滚动接触疲劳受力状态，从而确保模拟出真实的轨头内部裂纹形貌和失效状态。同时，通过在被测钢轨上加载纵向疲劳交变载荷，从而实现模拟钢轨受到的温度应力。

附图说明

图1为根据本发明的一个示例性实施例的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备的主视图；

图2为图1中所示的疲劳试验设备的侧视图；

图3a为使用图1和2中所示的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备进行疲劳试验中车轮驱动模式中的钢轨受力状态图；和

图3b为使用图1和2中所示的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备进行疲劳试验中钢轨驱动模式中的钢轨受力状态图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的说明性、非限制性实施例，对根据本发明的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备进行进一步说明。

参照图1和2，本发明公开的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备包括支撑架、中心轴33、钢轨驱动部、第一驱动装置6，其中用于试验的车轮1通过中心轴33设置在支撑架上并与设置在钢轨驱动部上的试验钢轨2接触，试验钢轨2可以在钢轨驱动部的驱动下做直线往复运动、车轮1可以在第一驱动装置6的驱动下转动。

支撑架为该疲劳试验设备的框架结构，可以将试验车轮1支撑在适当的高度以进行试验。支撑架的尺寸、制作材料以及具体结构等可以根据不同工况进行选择，在此不做具体限制。中心轴33水平设置在支撑架上，并且以可拆卸的方式穿过车轮1的中心，从而将车轮悬挂在支撑架上可以在多种驱动装置的驱动下带动车轮1转动。这样，通过设置在支撑架上的驱动装置向中心轴33加载不同方向的驱动力，进而向车轮1加载不同方向和强度的驱动力。钢轨驱动部设置在支撑架的底部，用于放置试验钢轨2并承载试验钢轨2做直线往复运动。其中，试验钢轨2以可拆卸的方式放置在钢轨驱动部的上侧，并使车轮1与钢轨2彼此接触，从而在来自钢轨驱动部或第一驱动装置6的驱动力作用下相对滚动。第一驱动装置6设置在支撑架上并与中心轴33相连接，以驱动中心轴33转动，进而带动车轮1转动，车轮1转动产生的摩擦力进一步驱动装载有试验钢轨2的钢轨驱动部移动。在一个实施例中，第一驱动装置6摆锤，该摆锤的线端与中心轴33的一端相连接。这样，当摆锤从最高点下落时，可以带动中心轴转动，进而驱动车轮转动，即，利用摆锤的简谐振动实现对车轮的驱动，相较于其它车轮驱动方案能够大幅降低能量消耗。同时，考虑到摆锤运动过程中的能量损失，本发明公开的疲劳试验设备的第一驱动装置还包括补能机构，该补能机构与摆锤相连接以补充摆锤丢失的能量。

参照图1和2，在本发明的一个实施例中，钢轨驱动部包括移动小车、扣件系统和第二驱动装置。移动小车设置在支撑架的底部，用以装载钢轨并带动钢轨移动。在移动小车上安装扣件系统，该扣件系统包括多个扣件53，以通过多个扣件53将试验钢轨2稳定装载在移动小车上。优选地，移动小车包括多个导辊54和滑板55：多个导辊54设置在支撑架的底板14上，可以在第二驱动装置的驱动下平稳滚动；滑板55水平放置在多个导辊54上，并且在滑板55的上表面设置有扣件系统53以将钢轨2连接到滑板55上。第二驱动装置与移动小车相连接，以驱动移动小车移动。优选地，第二驱动装置包括驱动弹簧52，驱动弹簧52的一端连接到移动小车、另一端与设置在支撑架的底部的固定架相连接，从而可以由驱动弹簧52的弹力为移动小车提供驱动力。下面结合图1、2、3a和3b对本发明公开的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备的试验过程进行说明。首先，分别将试验钢轨2和车轮1安装到钢轨驱动部和中心轴33上，并调整车轮1的高度以使车轮1与钢轨2的轨头接触；然后，将摆锤拉动至最高点并放下，使摆锤带动中心轴转动，进而带动车轮转动；车轮转动过程中与钢轨之间产生摩擦力，该摩擦力驱动钢轨带动移动小车运动，移动小车进一步压缩驱动弹簧52；当摆锤的到达最低点时对车轮的驱动力为零，而驱动弹簧52被压缩到最大量并反向驱动移动小车运动，此时钢轨与车轮之间的摩擦力称为车轮转动的驱动力，使车轮反向运动，同时摆锤反向摆动至最高点。

由上述说明可以知道，本发明公开的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备分别使用钢轨驱动部和第一驱动装置6驱动试验钢轨2和车轮1运动，实现车轮驱动和钢轨驱动的双驱动模式：图3a示出了车轮驱动模式的受力图，即，驱动弹簧52的弹性恢复力为零、摆锤6通过中心轴33驱动车轮1转动并带动钢轨2向左侧水平移动，此时车轮1与钢轨2之间的摩擦力即为钢轨2运动的驱动力，其方向如图中黑色实心箭头所示；图3b示出了钢轨驱动模式的受力图，即，摆锤6的驱动力为零、驱动弹簧52的弹性恢复力驱动钢轨2向右侧水平运动并带动车轮1转动，此时车轮1与钢轨2之间的摩擦力为阻碍钢轨2移动的阻力，其方向如图中黑色实心箭头所示，依然向左。这样，在钢轨2双向运动过程中，轮轨接触面上的摩擦力方向始终不变，符合复线线路列车单向通过的走行方式，从而在钢轨一次往复运动中实现两次加载，成倍提高试验效率，还可以减轻设备受到的振动冲击。车轮驱动模式模拟的是机车车轮(驱动轮)通过时的受力状态，钢轨驱动时模拟的是货车和客车车轮(从动轮)通过时的受力状态，这样可以完美模拟钢轨实际的滚动接触疲劳受力状态，从而确保模拟出真实的轨头内部裂纹形貌和失效状态。补能机构可以通过本领域常用的能量补充方式实现，下面以列举方式说明进行说明，但本发明公开的补能机构不限于以下方式。

在一个实施例中，补能机构为曲柄连杆机构，该曲柄连杆机构被设置在移动小车的一端并与摆锤同频运动。这样，当移动小车运行至设置有该曲柄连杆机构的一端时，可以通过打击的方式向移动小车补充能量，以使移动小车往复运动的位移在规定的阈值之内。

在一个实施例中，补能机构为凸轮机构，该凸轮机构与移动小车的一端摩擦接触或锁定连接，当移动小车朝向设置有该凸轮机构的方向运动时，移动小车与凸轮机构的凸轮部分接触，从而为移动小车补充能量。

在一个实施例中，补能机构为液压缸，该液压缸设置在移动小车的一侧，并且液压缸的活塞部以摆锤的摆动频率运动。这样，当移动小车移动至设置有液压缸的一侧时，通过活塞打击移动小车的方式向移动小车补充能量。

在一个实施例中，补能机构为液压马达，该液压马达靠近车轮设置，以在车轮顺时针或逆时针转动时通过向车轮加载扭矩的方式向车轮补充能量。

在一个实施例中，钢轨驱动部还包括固定架51。固定架51设置在支撑架的底板14上，用于安装第二驱动装置并保证试验过程稳定、所得数据精确。

参照图1和2，在本发明的一个实施例中，该疲劳试验设备还包括温度力加载系统，该温度力加载系统包括加载反力架43和第三驱动装置。加载反力架43设置在移动小车上，以随着小车移动。第三驱动装置被保持在加载反力架43上，可以随着小车移动，并且分别与控制器和移动小车上的钢轨2相连接，以根据控制器的指令向钢轨2加载沿着钢轨2长度方向的力。在一个优选实施例中，第三驱动装置包括第三液压作动器41和温度力传感器42，其中第三液压作动器41设置在加载反力架43上且与控制器相连接，第三液压作动器41的活塞部与钢轨2相连接，以根据控制器的指令向钢轨2加载交变载荷；温度力传感器42设置在钢轨2上且与控制器相连接，以实时检测温度力并将其传送至控制器。这样，可以通过第三液压作动器41向钢轨2加载疲劳交变载荷，从而实现对钢轨2使用中受到的因环境的温度变化而产生的应力的模拟，使疲劳试验的结果更加真实。

在本发明的一个实施例中，该摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备还包括横向力加载系统。该横向力加载系统包括设置在支撑架上且与中心轴33相连接第四驱动装置，以向中心轴33加载垂直于钢轨2的长度方向的横向力，该横向力进一步作用在车轮1上，使车轮1的轮缘相对于钢轨2产生垂直于钢轨2的长度方向的加载力，从而实现对机车转弯时车轮1与钢轨2之间的受力状态的模拟。

在一个实施例中，第四驱动装置包括第四液压作动器31和横向力传感器32。第四液压作动器31设置在支撑架上且与控制器相连接，并且第四液压作动器31的活塞部与中心轴33的一端相连接。这样，第四液压作动器31可以根据控制器的指令向中心轴33加载横向力。横向力传感器32设置在第四液压作动器31与中心轴33之间并与控制器相连接，以实时检测中心轴33受到的横向力的数据，同时将检测到的横向力数据传送至控制器，以使控制器根据收到的横向力数据调整第四液压作动器31的动作。

下面参照图1和2说明根据本发明的一个示例性实施例的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备中的支撑架的结构做详细说明。支撑架包括多个立柱11、支撑在多个立柱11上的上横梁12、底板14和嵌套在多个立柱11上的滑动横梁13。多个立柱11限定了支撑架的高度，并且在一个优选实施例中多个立柱11的数量为4个。但是，本领域技术人员可以理解的是立柱11的数量还可以是5个、6个或者更多个。上横梁12为支撑架的顶部结构，可以用于支撑其上安装的驱动装置。底板14为该疲劳试验设备的底部结构，钢轨驱动部中的移动小车和固定架51均可设置在底板14上。中心轴33与滑动横梁13相连接以使中心轴33可以沿着立柱11滑动，从而调整车轮1与钢轨2之间的垂向压力。

在一个实施例中，根据本发明的一个示例性实施例的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备还包括垂向力加载系统，该垂向力加载系统包括加载框架23和第五驱动装置。加载框架23通过轴承24与中心轴33相连接，以便于第五驱动装置的驱动力加载到中心轴33。第五驱动装置分别与上横梁12、加载框架23以及控制器相连接，从而根据控制器的指令通过加载框架23向中心轴33加载垂向力使中心轴33沿着立柱11滑动。这样，通过第五驱动装置向中心轴33加载一定的垂向载荷，从而模拟不同载荷情况下的钢轨2受力情况。

在一个优选实施例中，第五驱动装置包括第五液压作动器21和垂向力传感器22。第五液压作动器21设置在上横梁12上且分别加载框架23和控制器相连接，以根据控制器的指令向加载框架23加载垂向力。垂向力传感器22设置在第五液压作动器21和加载框架23之间并与控制器相连接，从而实时检测加载框架23处的垂向力数据并将该垂向力数据传送至控制器，使控制器可以根据垂向力数据调整第五液压作动器21的动作。这样，该摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备可以模拟不同载荷下钢轨2的受力情况。

下面结合附图对本发明公开的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备的工作流程进行详细说明。分别将试验钢轨2和试验车轮1安装在钢轨驱动部和中心轴33上，并通过第五液压作动器21向加载框架23加载向下的垂向力，以使中心轴33沿着立柱11向下滑动、调整车轮1的高度，以模拟钢轨2受到的垂向载荷。将摆锤拉动至最高点并放下，使摆锤带动中心轴转动，进入车轮驱动模式(如图3a所示)此时摆锤6通过中心轴33驱动车轮1转动并带动钢轨2向左侧水平移动；当摆锤的到达最低点时对车轮的驱动力为零，而驱动弹簧52被压缩到最大量并反向驱动移动小车运动，进入钢轨驱动模式(如图3b所示)，此时钢轨与车轮之间的摩擦力为车轮转动的驱动力，该摩擦力的方向如图中黑色实心箭头所示，依然向左。同时，根据试验需要可以通过第三驱动装置向钢轨2加载沿着钢轨2长度方向的纵向疲劳交变载荷，以模拟钢轨2受到的温度应力，检测温度应力对无缝线路钢轨2轨头内部裂纹萌生和扩展的影响；根据试验需要还可以通过第四驱动装置向中心轴33加载垂直于钢轨2的长度方向的横向载荷，以模拟机车转弯时钢轨2受到的横向力。

由上述说明可以知道，本发明公开的摆锤弹簧驱动钢轨及焊接接头疲劳试验设备能够准确模拟钢轨应用中的实际受力状态，从而获得钢轨母材疲劳性能的真实数据，同时采用了简谐振动原理实现车轮和钢轨的驱动，降低了试验过程中的能量消耗。其中，采用车轮与钢轨的双驱动模式能够成倍提高试验效率，缩短试验周期，降低试验成本，并且可以模拟钢轨实际的滚动接触疲劳受力状态，从而确保模拟出真实的轨头内部裂纹形貌和失效状态；同时，通过在被测钢轨上加载纵向疲劳交变载荷，从而实现模拟钢轨受到的温度应力；分别使用摆锤和驱动弹簧52驱动车轮和钢轨的运动，抛弃原有的液压式驱动，大幅降低试验过程中的能量消耗，降低了试验成本。