轨道车辆轮轨接触疲劳试验系统研发

聂 焱，李 健，陈积云，杨 飞

(中机试验装备股份有限公司，吉林 长春 130103)

1 引 言

随着轨道车辆的高速发展，提高轨道车辆的运行速度及运载能力已成为轨道车辆发展的一种趋势。其中，轮轨接触疲劳是轨道车辆系统中最基础、最复杂的问题，在高速、重载的运行条件下，轮轨的接触疲劳损伤变得愈发严重，影响着轨道车辆行驶的安全性。虽然理论计算早已成型，但仍需要大量的试验作为基础。本试验系统的研发成功，可复现轮轨接触疲劳现象，在实验室内对高速列车轮轨接触疲劳进行模拟研究。

本试验系统主要模拟轨道车辆行驶中的轮轨关系，以研究接触疲劳为目的进行设计，以缩比对车辆的车轮进行制造，并以轨道轮的方式对轨道进行复现，模拟缩比后的车轮承载力，模拟与真实车辆相同的车轴旋转速度，载荷频率与车速相对应。

模拟动车及拖车的轮轨接触疲劳：动车车轮的接触疲劳，车轮主动旋转，轨道轮被动旋转；拖车车轮的接触疲劳，轨道轮主动旋转，车轮被动旋转。

本试验系统采用铸铁底板、四立柱框架结构，车轮及轨道轮分别以各自的伺服电机进行驱动，最大驱动转速为4500rpm，两轮间径向最大加载力为10kN，以静压油缸推力进行加载，最大动载频率100Hz。记录车轮轴与轨轮轴旋转的周次、垂向力值，描绘车轮轴与轨轮轴的转速、扭矩随时间变化的曲线，并配有加速度传感器记录振动值大小。

2 主要技术指标

车轮径向加载最大静态试验力：10kN；负荷静态测量精度：优于0.5%F.S；位移测量精度：±1%；频幅：100Hz,±0.2mm(作动器位移)；车轮驱动额定扭矩：15.9N·m；车轮最高试验转速：4500rpm。

3 工作原理和系统结构

3.1 工作原理

本试验系统的工作原理如图1所示，通过主机框架上方的加载油缸进行加载，模拟车辆行驶过程中轮、轨间的负载。油缸上方安装有力传感器及位移传感器，采集相应力值、位移进行闭环控制，保证加载力值大小。车轮、轨道轮分别安装到相应的轴承座上方，通过联轴器分别与车轮电机、轨轮电机相连。电机上方安装有扭矩、转速传感器，采集相应扭矩、转速进行闭环控制，保证转速的稳定。试验过程中实时采集径向力、径向位移、扭矩、转速、振动、温度等参数，并可通过软件实时绘制成随时间变化的曲线。

图1 工作原理

当进行动车车轮的接触疲劳试验时，轨道轮侧联轴器脱开，车轮电机进行驱动，轨道轮被动旋转。当进行拖车车轮的接触疲劳试验时，车轮侧联轴器脱开，轨轮电机进行驱动，车轮被动旋转。当进行滑差磨损试验时，车轮电机、轨道轮电机同时驱动，按照线速度的滑差比进行旋转，实时采集两侧的扭矩变化。

3.2 系统结构

实物主机由主机框架、静压油缸、力传感器、扭矩传感器、配重砝码、车轮电机、轨轮电机、工作台、激光位移传感器等组成，如图2所示。

图2 主机结构

(1)静压油缸：采用静压油缸进行径向加载，标准静压油缸的活塞运动速度可以达到3m/s,运动部位没有磨损，且没有普通橡胶密封发热、磨损、阻尼、漏油等问题，所以具有很高的频响，在动态试验时有很好的反馈能力，可大大提高控制精度。

(2)驱动电机：车轮、轨轮均采用伺服电机进行驱动，伺服电机具有多种控制模式，包括位置/速度/扭矩控制、混合模式切换控制等；具有整定时间短、速度响应频宽较宽、低速运转特性佳等特点，在1rpm命令下，每转实际速度变动误差小于0.5%。

(3)工作台：采用灰铁铸造铁地板，浇铸成型后加工。此种结构刚性好，稳定可靠。采用铸铁地板具有一定的减振作用，可有效减弱试验时的振动。

(4)配重砝码：为了保证较小径向静载荷试验时的加载精度，拟采用砝码配重方式进行加载，将油缸活塞与加载平台断开，采用砝码进行直接加载，单个砝码精度<0.1%，砝码可有多种组合。

(5)激光位移传感器：试验结束后，对被试车轮、轨道轮接触疲劳损伤进行测量，拟采用2个激光位移传感器(如图3所示)分别对车轮、轨道轮轮径进行测量。激光位移传感器测定中心距离为30mm，测定范围为±4mm，线性度<0.1%F.S，分辨率为0.5μm。

图3 激光位移传感器

4 样件试验

轨道轮、车轮试样采用45号钢进行模拟，其泊松比和弹性模量取值分别为0.3和2.06×105N/mm2。将轨道轮、车轮安装到试验台上进行试验，径向力控加载参数设定为1000N，旋转速度设置为2000rpm，试验中实时采集轨道轮转矩、车轮转矩、垂直加载位移、垂向加载力，试验曲线如图4所示。

图4 试验过程曲线

试验进行1h后，通过激光位移传感器对车轮表面进行检测，获得位移-角度变化曲线(如图5所示)，可以看出，所选车轮表面已经产生了滚动接触疲劳损伤。

图5 位移-角度变化曲线

5 结 论

本文研发了一套轨道车辆轮轨接触疲劳试验系统，其采用伺服控制，可保证试验加载力值的稳定，并利用激光位移传感器对试样表面接触疲劳损伤进行准确测量。本试验系统可实时记录径向力、径向位移、扭矩、转速、振动、温度等参数变化，并通过软件实时绘制成随时间变化的曲线。相关试验表明，本试验系统满足轨道车辆轮轨接触疲劳试验的要求，为研究轮轨滚动接触疲劳提供了新的技术手段。