本發(fā)明涉及鐵路領(lǐng)域的一種室內(nèi)試驗(yàn)裝置，具體的說(shuō)是一種輪軌熱摩擦系數(shù)測(cè)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛沿軌道運(yùn)行時(shí)，摩擦系數(shù)直接影響著列車(chē)的制動(dòng)和牽引力，特別是高速重載列車(chē)長(zhǎng)大坡運(yùn)行急剎車(chē)時(shí)，車(chē)輪會(huì)沿鋼軌產(chǎn)生純滑動(dòng)，大量的摩擦熱使輪軌接觸溫度急劇升高。而溫度的變化直接影響著輪軌的摩擦系數(shù)，從而影響列車(chē)的牽引力和制動(dòng)力，對(duì)列車(chē)安全造成影響，如何研究高溫條件下的輪軌摩擦性能就顯得尤為重要。因此，研究高溫下的輪軌摩擦系數(shù)，對(duì)于保證輪軌的穩(wěn)定性、安全性以及延長(zhǎng)其使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義。

測(cè)量摩擦系數(shù)的方法比較多，一般可分為靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)兩種測(cè)量方法，而對(duì)輪軌主要測(cè)定動(dòng)摩擦系數(shù)。動(dòng)摩擦系數(shù)是通過(guò)測(cè)定摩擦副中一連續(xù)運(yùn)動(dòng)試樣帶動(dòng)對(duì)偶件的摩擦力或摩擦力矩，然后經(jīng)換算求出動(dòng)摩擦系數(shù)。測(cè)量摩擦力矩一般采用電測(cè)法，利用應(yīng)力或應(yīng)變傳感器將摩擦產(chǎn)生的摩擦力或力矩作用到傳感器上，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)量?jī)x器和記錄儀器上。

目前，針對(duì)輪軌動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)定主要采用室內(nèi)試驗(yàn)，大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)條件為常溫，關(guān)于高溫條件下的摩擦系數(shù)測(cè)定裝置還很少見(jiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種輪軌熱摩擦系數(shù)測(cè)定裝置及方法，具有加熱溫度高、機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低、維護(hù)費(fèi)用小和花費(fèi)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種輪軌熱摩擦系數(shù)測(cè)定裝置及方法，其特征在于，包括基礎(chǔ)平臺(tái)、擺式結(jié)構(gòu)、車(chē)輪試件加熱固定機(jī)構(gòu)、鋼軌加熱固定機(jī)構(gòu)、溫度控制系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)和超聲波測(cè)速儀，所述擺式結(jié)構(gòu)、鋼軌加熱固定機(jī)構(gòu)和溫度控制系統(tǒng)分別固定于基礎(chǔ)平臺(tái)上，所述超聲波測(cè)速儀焊接在所述擺式結(jié)構(gòu)的立桿下部，測(cè)速探頭對(duì)稱(chēng)分布于立桿兩側(cè)，所述擺式結(jié)構(gòu)包括擺桿，所述車(chē)輪試件加熱固定機(jī)構(gòu)固定在擺桿的下部，所述擺桿的上部與擺式結(jié)構(gòu)立桿的上部栓接，擺桿可繞連接部轉(zhuǎn)動(dòng)，所述動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)固定于擺桿上，所述超聲波測(cè)速儀焊接于擺式結(jié)構(gòu)的立桿下部。

進(jìn)一步，所述基礎(chǔ)平臺(tái)包括一整塊厚3cm的鋼板。

進(jìn)一步，所述擺式結(jié)構(gòu)包括三組底座調(diào)平裝置、基礎(chǔ)底座、高度調(diào)節(jié)器、釋放裝置，三組所述底座調(diào)平裝置內(nèi)部都含有底座調(diào)平氣泡，三組所述底座調(diào)平裝置均勻安裝在所述基礎(chǔ)底座的邊緣，所述高度調(diào)節(jié)器安裝在所述擺式結(jié)構(gòu)的立桿上。

進(jìn)一步，所述車(chē)輪試件加熱固定機(jī)構(gòu)包括加熱固定箱體、加熱臺(tái)、溫度傳感器、石棉隔熱層和可調(diào)壓力彈簧，所述加熱固定箱體通過(guò)可調(diào)壓力彈簧與所述擺桿連接，所述加熱臺(tái)固定在加熱固定箱體下部，所述溫度傳感器焊接在所述加熱固定箱體內(nèi)部，所述石棉隔熱層固定在所述加熱固定箱體與梯形加熱臺(tái)之間。

進(jìn)一步，所述鋼軌加熱固定機(jī)構(gòu)包括鋼軌加熱固定箱體、箱體固定螺栓、試件限位螺栓、耐高溫陶瓷墊片、橡膠墊片、渦管加熱絲和溫度傳感器，所述箱體通過(guò)所述箱體固定螺栓加橡膠減震墊片固定在所述基礎(chǔ)平臺(tái)上，所述鋼軌加熱固定箱體與所述基礎(chǔ)平臺(tái)之間安裝有耐高溫陶瓷墊片和橡膠墊片，所述耐高溫陶瓷墊片安裝于橡膠墊片上，所述渦管加熱絲安裝于試件上部，所述溫度傳感器焊接鋼軌加熱固定箱體內(nèi)部。

進(jìn)一步，所述溫度控制系統(tǒng)包括溫控儀，所述溫控儀通過(guò)螺栓加橡膠減震墊片固定在所述基礎(chǔ)平臺(tái)上，所述溫控儀包括溫度顯示器、電源開(kāi)關(guān)和功率調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)。

進(jìn)一步，所述動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)包括應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集裝置、計(jì)算機(jī)和屏蔽線，所述應(yīng)變片固定在所述擺桿上，所述應(yīng)變片通過(guò)屏蔽線連接數(shù)據(jù)采集裝置，所述數(shù)據(jù)采集裝置還于計(jì)算機(jī)連接。

進(jìn)一步，所述加熱臺(tái)為外梯形內(nèi)半圓形鋼制的。

進(jìn)一步，車(chē)輪試件軸接于加熱固定箱體底部，所述試件上部還安裝有兩顆限位螺栓。

進(jìn)一步，所述限位螺栓與鋼軌接觸面裝有高摩擦性壓電陶瓷墊片。

一種輪軌熱摩擦系數(shù)測(cè)定方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）根據(jù)相似性原理，分別采用與實(shí)際鋼軌、車(chē)輪相同材料等比例縮小制成鋼軌、車(chē)輪試件；

2）對(duì)車(chē)輪、鋼軌試件進(jìn)行雙向溫控加熱，測(cè)定不同溫度條件下的摩擦系數(shù)；

3）改變實(shí)驗(yàn)車(chē)輪的弧度以及鋼軌試件的斷面形狀，進(jìn)行輪軌不同幾何型面下的摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)；

4) 改變車(chē)輪、鋼軌試件的材質(zhì)，進(jìn)行不同輪軌材料的熱摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)利用加熱臺(tái)和渦管加熱器分別對(duì)車(chē)輪、鋼軌試件加熱并溫控，可測(cè)定輪軌試件高溫條件下的摩擦系數(shù)。

(2) 利用超聲測(cè)速裝置準(zhǔn)確測(cè)得試件摩擦前后擺桿的速度，利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)獲得接觸正壓力和時(shí)間滑動(dòng)時(shí)間，根據(jù)動(dòng)量定理劃算求得摩擦系數(shù)。

(3) 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加熱溫度高，造價(jià)低廉，養(yǎng)護(hù)維修方便。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的輪軌熱摩擦系數(shù)測(cè)定裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明中輪軌熱摩擦系數(shù)測(cè)定儀底座的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3為本發(fā)明中基礎(chǔ)平臺(tái)示意圖；

圖4為本發(fā)明中車(chē)輪加熱固定機(jī)構(gòu)局部示意圖；

圖5為本發(fā)明中鋼軌加熱固定機(jī)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明中溫度控制系統(tǒng)示意圖；

圖7為本發(fā)明中釋放裝置示意圖；

圖8為本發(fā)明中底座調(diào)平裝置示意圖；

圖9為本發(fā)明中擺桿軸承示意圖；

圖10為本發(fā)明中立桿高度調(diào)節(jié)裝置示意圖。

結(jié)合附圖，本發(fā)明實(shí)施例中附圖標(biāo)記如下：

1-基礎(chǔ)平臺(tái)，2-測(cè)定儀底座，3-車(chē)輪加熱固定箱，4-鋼軌加熱固定箱，5-溫控儀6-動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試裝置，7-高度調(diào)節(jié)器8-底座調(diào)平裝置9-超聲波測(cè)速儀，10-釋放裝置,11-擺桿；

1001-鋼軌加熱固定箱固定螺孔，1002-溫控儀固定螺孔，2001-底座調(diào)平氣泡，2002-底座調(diào)平裝置3001-梯形加熱臺(tái)，3002-溫度傳感器，3003-加熱固定箱體，3004-石棉隔熱層，3005-彈簧，3006-彈簧調(diào)節(jié)螺母，3007-車(chē)輪限位螺母，4001-鋼軌加熱固定箱體，4002-箱體固定螺栓，4003-底部帶有高摩擦陶瓷墊片的試件限位螺栓，4004-耐高溫陶瓷墊片，4005-橡膠墊片，4006-渦管加熱絲，4007-溫度傳感器，5001-溫控儀箱體，5002-箱體固定螺栓，5003-溫度顯示器，5004-功率調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，5005-電源開(kāi)關(guān)6001-應(yīng)變片，6002-數(shù)據(jù)采集儀，6003-計(jì)算機(jī)，6004-抗干屏蔽線，7001-限位齒輪，7002-限位槽，7003-調(diào)節(jié)扳手，8001-限位螺母，100-鋼軌試件，200-車(chē)輪試件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明一種輪軌熱摩擦系數(shù)測(cè)定裝置及方法，具體是一種運(yùn)用恒溫加熱盤(pán)、渦管加熱器對(duì)試件進(jìn)行精確加熱，車(chē)輪試件隨擺桿自由端釋放利用重力做工使車(chē)輪、鋼軌試件發(fā)生滑動(dòng)摩擦，利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定接觸正壓力并記錄摩擦?xí)r間，根據(jù)動(dòng)量定理?yè)Q算求得輪軌材料熱摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置。

摩擦系數(shù)換算公式如下：

根據(jù)剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量定理，擺的角動(dòng)量L的增量等于合外力矩M在該段時(shí)間內(nèi)沖量矩，即

（1）

（2）

式中：J為擺的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω₁為擺在車(chē)輪試件與鋼軌鋼軌試件剛接觸t₁時(shí)刻的角速度；ω₂為擺在車(chē)輪試件與鋼軌試件剛分離t₂時(shí)刻的角速度；t_1、t₂通過(guò)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集裝置讀??；l₁為鋼軌摩擦面到擺的定軸O的距離；F_N車(chē)輪試件在鋼軌試件上滑動(dòng)過(guò)程中的正壓力；μ為摩擦系數(shù)。分別將車(chē)輪試件和鋼軌試件加熱到指定溫度并進(jìn)行溫控，車(chē)輪試件由水平端自由釋放，下落過(guò)程中車(chē)輪試件會(huì)與鋼軌試件發(fā)生動(dòng)摩擦，通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定正壓力和滑動(dòng)時(shí)間，通過(guò)超聲測(cè)速儀器測(cè)得擺桿摩擦前后的角速，根據(jù)公式（2）得出輪軌試件的摩擦系數(shù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案中的一種輪軌熱摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要由基礎(chǔ)平臺(tái)、擺式結(jié)構(gòu)、車(chē)輪試件加熱固定機(jī)構(gòu)、鋼軌試件加熱固定機(jī)構(gòu)、溫控儀、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)、超聲波測(cè)速儀7部分組成。

其中，基礎(chǔ)平臺(tái)1的功能是對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置起固定和支撐作用，尺寸依賴于擺式結(jié)構(gòu)和溫控儀的尺寸，及鋼軌加熱固定裝置的尺寸，厚度以3 cm左右為宜，材料為鋼材，與地面固定處加有防震墊片。

擺式結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)底座2，高度調(diào)節(jié)器7，釋放裝置10，下部安裝有車(chē)輪試件加熱器的擺桿11，底座調(diào)平氣泡2001，底座調(diào)平裝置8。底座調(diào)平后調(diào)節(jié)高度限位器，從水平位置處釋放的車(chē)輪試件100，擺桿帶動(dòng)車(chē)輪試件在軌跡底部與鋼軌試件100發(fā)生滑動(dòng)摩擦，有效的模擬了列車(chē)剎車(chē)時(shí)車(chē)輪沿鋼軌的純滑動(dòng)。

車(chē)輪加熱固定機(jī)構(gòu)包括梯形加熱臺(tái)3001，焊接于箱體的溫度傳感器3002，加熱固定箱體3003，石棉隔熱層3004，彈簧3005，彈簧調(diào)節(jié)螺母3007車(chē)輪限位螺栓3008，車(chē)輪試件與梯形加熱臺(tái)密切接觸，軸接于箱體下部。

鋼軌加熱固定機(jī)構(gòu)由鋼軌加熱固定箱體4001，箱體固定螺栓4002，底部帶有高摩擦陶瓷墊片的試件限位螺栓4003，耐高溫陶瓷墊片4004，橡膠墊片4005，渦管加熱絲4006，焊接于箱體的溫度傳感器4007

箱體通過(guò)帶有減震墊片的螺栓4002固定于基礎(chǔ)平臺(tái)1，并可通過(guò)調(diào)節(jié)底部橡膠墊片4005的厚度模擬不同地基剛度。

溫控儀包括溫控儀箱體5001，箱體固定螺栓5002，溫度顯示器5003，功率調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)5004，電源開(kāi)關(guān)5005。箱體通過(guò)四個(gè)帶有減震墊片的螺栓5002固定于基礎(chǔ)平臺(tái)1，盒上表面裝有可顯示由溫度傳感器傳來(lái)的試件溫度的溫度顯示器5003，功率調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)5004及電源開(kāi)關(guān)可分別對(duì)車(chē)輪試件200、鋼軌試件100精確溫控。

應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)包括粘貼于擺桿上的應(yīng)變片6001、數(shù)據(jù)采集裝置6002、計(jì)算機(jī)6003，屏蔽線6004?？蓽?zhǔn)確檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中擺桿的的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值。

超聲波測(cè)速儀9，固定于擺式結(jié)構(gòu)立桿的下端，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布有超聲波速度探頭，用來(lái)測(cè)定試件摩擦前后擺桿的的速度，并可通過(guò)自帶表顯系統(tǒng)準(zhǔn)確讀數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定輪軌熱摩擦系數(shù)的方法為：

根據(jù)相似性原理，采用鋼軌材料制成鋼軌試件，鋼軌試件的截面幾何形狀按60 kg/m鋼軌的截面尺寸等比例縮小；采用車(chē)輪材料等比例縮小制成車(chē)輪試件，并精確保證車(chē)輪曲率，模擬車(chē)輪沿鋼軌純滑動(dòng)工況。

分別對(duì)車(chē)輪、鋼軌試件精確溫控，可模擬輪軌不同溫度下的滑動(dòng)摩擦。

通過(guò)不同材料的輪軌試件，可以研究不同輪軌材料的摩擦系數(shù)；

制作踏面形狀不同的車(chē)輪試件和斷面形狀不同的鋼軌試件，可以研究不同輪軌幾何型面的摩擦系數(shù)。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本申請(qǐng)型的保護(hù)范圍之中。