本發(fā)明屬于試驗(yàn)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

鐵路軌枕是鐵路的重要組成部分。參見(jiàn)附圖1，目前軌枕基本上為鋼筋混凝土構(gòu)件。中國(guó)鐵路自1957年起也大量采用預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，截至1983年底已鋪設(shè)約6445萬(wàn)根。1983年年產(chǎn)量400萬(wàn)根以上，約占世界預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕年產(chǎn)量約為1500萬(wàn)根的四分之一。混凝土軌枕已經(jīng)應(yīng)用在我國(guó)所有的鐵路干線上，應(yīng)用范圍極其廣泛。

為試驗(yàn)鐵路軌枕的力學(xué)性能，鐵路行業(yè)制定軌枕了試驗(yàn)規(guī)則——《預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗(yàn)方法TB/T 1878－2002》。其中的疲勞性能試驗(yàn)大多采用脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)技術(shù)。但是限于上世紀(jì)50-60年代的試驗(yàn)機(jī)制造能力，軌枕的疲勞試驗(yàn)一直延續(xù)著低效率，高成本，并且試驗(yàn)操作繁瑣的現(xiàn)狀。傳統(tǒng)的脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)振頻為2-5Hz，疲勞試驗(yàn)次數(shù)為200-300萬(wàn)次，試驗(yàn)周期為18-27天；大秦鐵路建設(shè)軌枕疲勞試驗(yàn)，要求試驗(yàn)次數(shù)為2000萬(wàn)次，試驗(yàn)周期高達(dá)180天。因此現(xiàn)今的軌枕疲勞試驗(yàn)效率是十分低下的，嚴(yán)重影響了鐵路軌道的發(fā)展，有必要對(duì)軌枕疲勞試驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)革新，采用新技術(shù)，通過(guò)提高試驗(yàn)機(jī)的振動(dòng)頻率，縮短試驗(yàn)周期，從而降低試驗(yàn)成本，大幅度提高軌枕疲勞試驗(yàn)的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的效率低、高成本、并且試驗(yàn)操作繁瑣的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)包括：

基座；

對(duì)稱設(shè)置在基座上端面上的兩個(gè)側(cè)立柱，兩個(gè)側(cè)立柱上端面均依次設(shè)置有測(cè)力傳感器、支撐塊和支撐小板A，對(duì)被試驗(yàn)的軌枕進(jìn)行支撐；

設(shè)置在兩個(gè)側(cè)立柱之間的激振器，所述激振器下端通過(guò)恒力液壓加載機(jī)構(gòu)支撐在所述基座的上端面，所述激振器上端通過(guò)緊固支撐機(jī)構(gòu)和被試驗(yàn)的軌枕緊固連接，所述激振器施加的載荷作用在被試驗(yàn)的軌枕加載位置處；

以及恒定力液壓加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述恒定力液壓加載系統(tǒng)對(duì)激振器的位置進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，同時(shí)，通過(guò)激振器對(duì)被試驗(yàn)的軌枕進(jìn)行加載，進(jìn)而對(duì)被試驗(yàn)的軌枕在加載位置處施加向下的恒定力Po，控制系統(tǒng)控制恒定力液壓加載系統(tǒng)和激振器工作；

所述激振器施加頻率可控、振幅可控的交變激振力，激振器的激振力方向線和恒定力Po的方向線重合。

所述緊固支撐機(jī)構(gòu)包括偏心軸、加載支撐圓柱、支撐小板B和緊固螺栓；所述加載支撐圓柱設(shè)置在軌枕上方和軌枕上端面接觸，接觸處設(shè)置有一個(gè)支撐小板B，支撐小板B與加載支撐圓柱緊固在一起，所述加載支撐圓柱兩端和激振器連接，被試驗(yàn)的軌枕的下平面通過(guò)一個(gè)偏心軸與激振器的殼體緊固在一起，偏心軸的兩端穿過(guò)激振器的殼體，旋轉(zhuǎn)偏心軸使其與軌枕接觸，并通過(guò)緊固螺栓緊固；所述偏心軸一端端部伸出激振器的殼體，斷面設(shè)置成六角形用于旋轉(zhuǎn)偏心軸，另一端不伸出殼體，便于緊固螺栓緊固。

所述恒力液壓加載機(jī)構(gòu)包括恒力油缸、油缸支座、球鉸A和球鉸B；所述恒力油缸安裝在油缸支座上，油缸支座下端通過(guò)球鉸A和所述基座連接，所述恒力油缸上端通過(guò)球鉸B和激振器殼體下端面連接，安裝后，恒力油缸的幾何中心線和被試驗(yàn)的軌枕的施力面垂直。

所述恒力油缸施加的恒定拉力作用線和激振器施加的慣性力的合力作用線在同一直線上。

所述試驗(yàn)機(jī)還包括輔助安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)輔助安裝導(dǎo)論機(jī)構(gòu)對(duì)激振器進(jìn)行安裝定位；

所述激振器的側(cè)面開(kāi)有兩個(gè)沿激振力方向的導(dǎo)軌槽，兩個(gè)輔助安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)對(duì)稱設(shè)置在兩個(gè)側(cè)立柱上，并與激振器側(cè)面的導(dǎo)軌槽配合做相對(duì)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)；所述輔助安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)向輪、輪軸、安裝支架和調(diào)整軸；所述導(dǎo)向輪通過(guò)輪軸安裝在安裝支架靠近激振器的一端，安裝支架另一端在偏心位置開(kāi)孔，所述的調(diào)整軸和安裝支架的一端偏心位置開(kāi)有的孔裝配安裝，伸出側(cè)立柱，伸出側(cè)立柱一端斷面設(shè)置成六角形用于旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)帶有偏心孔的安裝支架在橫向方向的位移；

所述側(cè)立柱較厚的筋板處開(kāi)有螺紋孔，所述安裝支架軸端攻有外螺紋，和側(cè)立柱的螺紋孔配合安裝。

所述恒定力液壓加載系統(tǒng)包括油箱、伺服電機(jī)、伺服泵、電磁換向閥、壓力傳感器、蓄能器和位移傳感器；

恒力油缸的兩個(gè)油腔通過(guò)油管和管接頭經(jīng)過(guò)電磁換向閥與伺服泵連接，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所述伺服泵另一端和油箱連接，所述恒力油缸的輸出位移由安裝在其上的位移傳感器測(cè)量，恒力油缸的有桿腔經(jīng)油管連接蓄能器，且并聯(lián)一壓力傳感器；

蓄能器容積與激振器的振幅符合下述關(guān)系：

$V_0=\frac{{\mathrm{HA}}_0}{0.00691}$

其中：H為激振器的振幅，A₀為油缸的面積，V₀為蓄能器容積。

所述恒力油缸是一個(gè)在缸筒、端蓋與活塞和活塞桿有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的地方采用間隙密封的油缸。

所述軌枕的兩端固定有配重質(zhì)量塊。

所述的試驗(yàn)機(jī)還可以用于汽車車橋和建筑橫梁的的彎曲疲勞試驗(yàn)。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用的激振力施加裝置采用激振器，高性能的激振器可以保證疲勞試驗(yàn)的正常實(shí)施，這就要求所采用的激振器自身夠準(zhǔn)確，精密的調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率、激振力的幅值。同時(shí)，激振器自身在高頻工作時(shí)不應(yīng)發(fā)生次生干擾振動(dòng)。

本發(fā)明通過(guò)緊固支撐機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)軌枕的緊固和支撐，軌枕安裝后，預(yù)緊力施加完畢，調(diào)節(jié)偏心軸，使激振器和軌枕直接緊密連接為一體，無(wú)相對(duì)振動(dòng)，保證激振力施加的準(zhǔn)確性。

為了解決現(xiàn)有的鐵路軌枕疲勞試驗(yàn)機(jī)耗能嚴(yán)重，操作繁瑣，試驗(yàn)周期長(zhǎng)的問(wèn)題，這種基于共振原理的疲勞試驗(yàn)機(jī)提高了試驗(yàn)頻率，縮短了試驗(yàn)周期，從而大大節(jié)約了試驗(yàn)成本。

共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用，不需要上橫梁和立柱，只需要在設(shè)備的基座上設(shè)置兩個(gè)支撐座和施力伺服助動(dòng)器，裝卸試件極為方便，設(shè)施設(shè)備占地面積小，整機(jī)結(jié)構(gòu)小于現(xiàn)在所有的同類試驗(yàn)裝置，并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作。假如沒(méi)有機(jī)械損耗，激振器不需要消耗能量，而機(jī)械損耗基本上都是軸承摩擦引起的，其值很小。所以該共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用的節(jié)能效果是非常好的。

傳統(tǒng)的軌枕疲勞試驗(yàn)機(jī)多為電液伺服脈動(dòng)式疲勞試驗(yàn)機(jī)，其試驗(yàn)方法為對(duì)軌枕進(jìn)行兩端支撐，然后在軌枕的待試驗(yàn)位置施加低頻的脈動(dòng)激振力，其工作周期長(zhǎng)，耗能嚴(yán)重，操作繁瑣。本發(fā)明共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，工作頻率接近試件的某一階固有頻率，工作周期短，工作效果和傳統(tǒng)的軌枕疲勞試驗(yàn)機(jī)相同。

附圖說(shuō)明

圖1為被試驗(yàn)的軌枕的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為軌枕的力學(xué)原理簡(jiǎn)化圖和一階陣型圖；

圖3為本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用的軌枕緊固支撐機(jī)構(gòu)放大圖；

圖5為本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用中球鉸A結(jié)構(gòu)放大圖；

圖6為本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用中球鉸B結(jié)構(gòu)放大圖；

圖7為本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用的激振器輔助安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)放大圖；

圖8為本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用的激振力的加載波形圖；

圖9為本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用的蓄能器加載恒定力的原理圖；

圖10為本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)及其應(yīng)用的液壓系統(tǒng)原理圖；

其中：1、基座，2、側(cè)立柱，3、導(dǎo)向輪，4、輪軸，5、安裝支架，6、調(diào)整軸，7、測(cè)力傳感器，8、支撐塊，9、支撐小板A，10、軌枕，11、緊固螺栓，12、支撐小板B，13、加載支撐圓柱，14、偏心軸，15、配重質(zhì)量塊，16、激振器，17、球鉸軸B，18、恒力油缸，19、油缸支座，20、地腳螺栓安裝孔，21、球鉸固定柱，22、球體A，23、球鉸軸A，24、球體B，25、油箱，26、伺服電機(jī)，27、伺服泵，28、電磁換向閥，29、壓力傳感器，30、蓄能器，31、位移傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明提出了一種以梁的彎曲振動(dòng)力學(xué)原理為理論基礎(chǔ)，基于共振原理的鐵路軌枕疲勞試驗(yàn)技術(shù)與裝置。它以梁型試件為核心，以梁的簡(jiǎn)支形式為約束條件，運(yùn)用專門的慣性激振器和恒力施加裝置對(duì)試件施加脈動(dòng)的交變激振力，使得經(jīng)過(guò)計(jì)算、加工處理的試件產(chǎn)生和維持共振狀態(tài)，以最小的能量輸入和最高的效率、盡可能快的速度完成脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)。共振的幅值、頻率以及恒定力的大小根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)力水平需要由控制器控制，檢測(cè)裝置檢測(cè)。

本發(fā)明的技術(shù)原理是基于連續(xù)梁的彎曲振動(dòng)理論基礎(chǔ)上的。把軌枕10簡(jiǎn)化為一直梁構(gòu)件，其力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為兩點(diǎn)支撐的簡(jiǎn)支梁。在梁上施加激振力，對(duì)試驗(yàn)截面施加載荷。梁在彎曲振動(dòng)時(shí)，如果激振器16激振頻率接近于梁的某一階固有頻率，則梁的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)對(duì)激振力產(chǎn)生放大作用，從而實(shí)現(xiàn)較小的激振力實(shí)現(xiàn)較大的彎矩效果。

參見(jiàn)附圖2，簡(jiǎn)支梁的彎曲自由振動(dòng)的力學(xué)原理圖和一階振型，由梁的自由振動(dòng)可知簡(jiǎn)支梁的固有頻率ω_n為

${\mathrm{\ω}}_n={\left(\mathrm{\π}\right)}^2\sqrt{\frac{EI}{{\mathrm{\ρAl}}^4}}---\left(1\right)$

其中：ω_n為簡(jiǎn)支梁頻率，E為彈性模量，I為慣性矩，為試件的密度，A試件的橫截面積，l為試件的長(zhǎng)度；

假設(shè)在軌枕10的中心位置施加簡(jiǎn)諧式激振力，則實(shí)際作用力F為：

F＝F₀sinωt (2)

其中：F₀為施加的激振力，ω為激振頻率，t為施加激振力的時(shí)間；

由振動(dòng)力學(xué)得軌枕10的響應(yīng)函數(shù)為：

$y(x,t)=\frac{2F_0}{\mathrm{\ρ}Al}\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_n}^2-{\mathrm{\ω}}^2}\sin \frac{x}{l}\mathrm{\π}\sin \mathrm{\ω}t---\left(3\right)$

其中：ω_n為簡(jiǎn)支梁頻率，E為彈性模量，I為慣性矩，ρ為試件的密度，A試件的橫截面積，l為試件的長(zhǎng)度，F(xiàn)₀為施加的激振力，ω為激振頻率，t為施加激振力的時(shí)間；

梁的理論彎矩為：

$M(x,t)=EI\frac{{\∂}^{2}w(x,t)}{\∂x^2}=-EI\frac{2F_0{\mathrm{\π}}^2}{{\mathrm{\ρAl}}^3}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_n^2-{\mathrm{\ω}}^2}\sin \frac{x}{l}\mathrm{\π}\·\sin \mathrm{\ω}t---\left(4\right)$

設(shè)ω<<ω_n，帶入公式(4)，現(xiàn)有技術(shù)中試驗(yàn)裝置中，梁在中點(diǎn)處的彎矩為：

$M(x,t){|}_{\mathrm{\&omega;}\&ap;0}\&ap;-EI\frac{2F_0{\mathrm{\&pi;}}^2}{{\mathrm{\&rho;Al}}^3}\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}_n^2}\&CenterDot;sin\mathrm{\&omega;}t---\left(3\right)$

設(shè)激振頻率ω＝0.99ω_n，接近于共振狀態(tài)，本發(fā)明的試驗(yàn)裝置中，梁的在中點(diǎn)處的彎矩為：

$M(x,t){|}_{\mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_n}\&ap;-EI\frac{2F_0{\mathrm{\&pi;}}^2}{{\mathrm{\&rho;Al}}^3}\frac{1}{0.02{\mathrm{\&omega;}}_n^2}\&CenterDot;sin\mathrm{\&omega;}t---\left(6\right)$

由于共振原因，力矩放大倍數(shù)為現(xiàn)有技術(shù)中的彎矩與本發(fā)明的彎矩作比：

$\mathrm{\&beta;}\&ap;\frac{1}{0.02}=50---\left(7\right)$

即激振頻率為固有頻率的99％時(shí)，相當(dāng)于激振力放大了50倍，也就是低頻工作時(shí)需要50噸載荷，則此時(shí)僅需要1噸的激振力。

通過(guò)有限元分析軟件對(duì)軌枕10進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗(yàn)方法TB/T 1878－2002》對(duì)軌枕10試件進(jìn)行有限元模態(tài)分析，獲得其軌枕10中間截面的一階模態(tài)為75.009Hz，軌枕10下的截面試驗(yàn)一階模態(tài)為31.1187Hz。軌枕10中間截面固有頻率較高，當(dāng)對(duì)中間截面進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)其固有頻率進(jìn)行降低處理，所采用的方法是在軌枕10兩個(gè)端面加裝質(zhì)量塊，增加了局部集中質(zhì)量的梁的固有頻率會(huì)降低，可以通過(guò)調(diào)整端部質(zhì)量塊的大小調(diào)節(jié)軌枕10的固有頻率，使其符合疲勞試驗(yàn)加載值。由有限元分析的知識(shí)可以計(jì)算出所加質(zhì)量塊的大小，不同類型的軌枕10所加質(zhì)量塊的大小不同，把質(zhì)量塊固連在軌枕10兩端，當(dāng)檢測(cè)某一型號(hào)的軌枕10時(shí)，只需把標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量塊固連在軌枕10兩端即可，無(wú)需改變。

參見(jiàn)附圖3，本發(fā)明的共振式軌枕10疲勞試驗(yàn)機(jī)包括：

基座1；所述基座1上設(shè)置有地腳螺栓安裝孔20，基座1通過(guò)地腳螺栓安裝孔20和地面固定；

對(duì)稱設(shè)置在基座1上端面上的兩個(gè)側(cè)立柱2，兩個(gè)側(cè)立柱2上端面均依次設(shè)置有測(cè)力傳感器7、支撐塊8和支撐小板A9，對(duì)被試驗(yàn)的軌枕10進(jìn)行支撐；兩個(gè)側(cè)立柱2為筋板結(jié)構(gòu)連接而成，其中由上而下第二層筋板要保持一定的厚度值，用來(lái)安裝輔助導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)，側(cè)立柱2之間的距離要軌枕10疲勞試驗(yàn)的技術(shù)要求，本實(shí)施例中的試驗(yàn)機(jī)兩個(gè)側(cè)立柱2之間的距離為600mm；支撐小板A9為軌枕10疲勞試驗(yàn)國(guó)標(biāo)規(guī)定的100*15的木板，支撐小板A9作為軌枕10的支撐點(diǎn)；

設(shè)置在兩個(gè)側(cè)立柱2之間的激振器16，所述激振器16下端通過(guò)恒力液壓加載機(jī)構(gòu)支撐在所述基座1的上端面，所述激振器16上端通過(guò)緊固支撐機(jī)構(gòu)和被試驗(yàn)的軌枕10緊固連接，所述激振器16施加的載荷作用在被試驗(yàn)的軌枕10加載位置處；

以及恒定力液壓加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述恒定力液壓加載系統(tǒng)對(duì)激振器16的位置進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，同時(shí)，通過(guò)激振器16對(duì)被試驗(yàn)的軌枕10進(jìn)行加載，進(jìn)而對(duì)被試驗(yàn)的軌枕10在加載位置處施加向下的恒定力Po，控制系統(tǒng)控制恒定力液壓加載系統(tǒng)和激振器16工作；

激振器16施加頻率可控、振幅可控的交變激振力，激振器的激振力方向線和恒定力Po的方向線重合。激振器激起被試驗(yàn)的軌枕10的彎曲共振振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的彎曲疲勞試驗(yàn)。所施加的恒定力Po用于使得試件受到的激振力為脈動(dòng)的。

參見(jiàn)附圖4，所述緊固支撐機(jī)構(gòu)包括帶有膠套的偏心軸14、加載支撐圓柱13、支撐小板B12和緊固螺栓11；所述加載支撐圓柱13設(shè)置在軌枕10上方和軌枕10上端面接觸，接觸處設(shè)置有一個(gè)支撐小板B12，加載支撐圓柱13開(kāi)有和支撐小板B12寬度一樣的鍵槽，用來(lái)安裝支撐小板B12，支撐小板B12與加載支撐圓柱13緊固在一起，支撐小板B12和軌枕10上端面接觸；所述加載支撐圓柱13兩端和激振器16連接，被試驗(yàn)的軌枕10的下平面通過(guò)一個(gè)偏心軸14與激振器16的殼體緊固在一起，偏心軸14的兩端穿過(guò)激振器16的殼體，偏心軸14外側(cè)設(shè)置有膠墊，旋轉(zhuǎn)偏心軸14使其與軌枕10接觸，并通過(guò)緊固螺栓11緊固；所述偏心軸14一端端部伸出激振器16的殼體，斷面設(shè)置成六角形用于旋轉(zhuǎn)偏心軸14，另一端不伸出殼體，便于緊固螺栓11緊固。

軌枕10安裝后，預(yù)緊力施加完畢，調(diào)節(jié)偏心軸14，使激振器16和軌枕10直接緊密連接為一體，無(wú)相對(duì)振動(dòng)，保證激振力施加的準(zhǔn)確性。

參見(jiàn)附圖5和附圖6，所述恒力液壓加載機(jī)構(gòu)包括恒力油缸18、油缸支座20、球鉸A和球鉸B；所述恒力油缸18安裝在油缸支座20上，油缸支座20下端通過(guò)球鉸A和所述基座1連接，所述恒力油缸18上端通過(guò)球鉸B和激振器16下端面連接，安裝后，恒力油缸18的幾何中心線和被試驗(yàn)的軌枕10的施力面垂直。

所述球鉸A包括球體A22、球鉸軸A23和球鉸固定柱21；所述球鉸固定柱21設(shè)置在所述基座1上端面，球體A22和球鉸軸A23同心安裝，所述球體A22連接在所述球鉸固定柱21上，球鉸軸A23穿過(guò)球體A22，兩端和恒力油缸18連接；所述球鉸B包括球體B24和球鉸軸B17，所述球體B24連接在所述恒力油缸18上，球鉸軸B17穿過(guò)球體B24，兩端和激振器16連接。

參見(jiàn)附圖7，所述試驗(yàn)機(jī)還包括輔助安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)輔助安裝導(dǎo)論機(jī)構(gòu)對(duì)激振器16進(jìn)行安裝定位，并通過(guò)輔助安裝導(dǎo)論機(jī)構(gòu)保證激振器16的激振力大小、方向以及作用位置；

所述激振器16的側(cè)面開(kāi)有兩個(gè)沿激振力方向的導(dǎo)軌槽，兩個(gè)輔助安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)對(duì)稱設(shè)置在兩個(gè)側(cè)立柱2上，并與激振器16側(cè)面的導(dǎo)軌槽配合做相對(duì)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)；所述輔助安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)向輪3、輪軸4、安裝支架5和調(diào)整軸6；所述導(dǎo)向輪3通過(guò)輪軸4安裝在安裝支架5靠近激振器的一端，安裝支架5另一端在偏心位置開(kāi)孔，所述的調(diào)整軸6和安裝支架5的一端偏心位置開(kāi)有的孔裝配安裝，一端伸出側(cè)立柱2，伸出側(cè)立柱2一端斷面設(shè)置成六角形用于旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸6，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)帶有偏心孔的安裝支架5在橫向方向的位移；輔助安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)在安裝試件和激振器16的時(shí)候推出側(cè)立柱，當(dāng)試件和激振器16安裝后，恒力施加完畢后，就把輔助安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)撤回側(cè)立柱內(nèi)，目的是為了防止試驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)向輪3和激振器16的導(dǎo)軌槽發(fā)生邊緣摩擦。

所述側(cè)立柱較厚的筋板處開(kāi)有螺紋孔，所述安裝支架5和軸端攻有外螺紋，和側(cè)立柱2的螺紋孔配合安裝。

安裝激振器16時(shí)，推出導(dǎo)向輪3，使激振器16殼體上的導(dǎo)軌槽與導(dǎo)向輪3配合，限制激振器16只能做上下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)通過(guò)六角扳手進(jìn)行橫向調(diào)節(jié)，以此來(lái)調(diào)節(jié)激振器16在水平方向的位置。

參見(jiàn)附圖10，所述恒定力液壓加載系統(tǒng)包括油箱25、伺服電機(jī)26、伺服泵27、電磁換向閥28、壓力傳感器29、蓄能器30和位移傳感器31；

恒力油缸18的兩個(gè)油腔通過(guò)油管和管接頭經(jīng)過(guò)電磁換向閥28與伺服泵27連接，通過(guò)伺服電機(jī)26驅(qū)動(dòng)，所述伺服泵27另一端和油箱25連接，所述恒力油缸18的輸出位移由安裝在其上的位移傳感器31測(cè)量，恒力油缸18的有桿腔經(jīng)油管連接蓄能器30，且并聯(lián)一壓力傳感器29；

蓄能器30容積與激振器16的振幅符合下述關(guān)系：

$V_0=\frac{{\mathrm{HA}}_0}{0.00691}$

其中：H為激振器16的振幅，A₀為油缸的面積，V₀為蓄能器31容積。

電磁換向閥用以接通或者斷開(kāi)伺服泵27輸出的壓力油與恒力油缸的連接通路。蓄能器30是容量足夠大的充氣式液壓油儲(chǔ)存裝置，它必須安裝在距離油缸19工作油腔盡可能近的位置。

其中恒定力通過(guò)充氣式液壓蓄能器30進(jìn)行加載，利用壓力傳感器29的示數(shù)確定恒定力的加載；液壓系統(tǒng)加載存在泄露現(xiàn)象，利用液壓伺服泵27進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程的泄露補(bǔ)償，通過(guò)液壓伺服電機(jī)26控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制伺服泵27的輸出，它與蓄能器30并聯(lián)。根據(jù)壓力傳感器29的示數(shù)進(jìn)而通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)液壓伺服泵27進(jìn)行控制。

伺服液壓泵28用以給蓄能器充油并通過(guò)壓力傳感器29檢測(cè)保持蓄能器的充油壓力基本不變。

恒定不變的壓力p與液壓油作用面積A_o的乘積即為恒定力Po。

所述軌枕10的兩端固定有配重質(zhì)量塊15。

本發(fā)明共振式軌枕10疲勞試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)由控制臺(tái)組成，控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置包括激振器16的主電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、恒力液壓系統(tǒng)伺服電機(jī)26、電磁換向閥28等。疲勞試驗(yàn)過(guò)程需要控制試驗(yàn)參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)，只需要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，無(wú)需繁瑣的液壓控制系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)行可靠性高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

本發(fā)明中，固定在基座1上的球鉸A的軸線，油缸支座20的中心，油缸的活塞桿軸線，與活塞桿相連的球鉸B的軸線，保持在一條直線上；活塞桿的軸線的延長(zhǎng)線要在激振器16的豎直面內(nèi)激振合力的作用平面內(nèi)，即過(guò)作用平面內(nèi)兩偏心軸14連線的中點(diǎn)，激振器16的緊固機(jī)構(gòu)與軌枕10的接觸面，以及激振器16的加載支撐結(jié)構(gòu)與軌枕10接觸面，要保持在同一平面內(nèi)，且過(guò)活塞桿的延長(zhǎng)線，同時(shí)加載的激振載荷要作用在軌枕10的中心截面上，即使油缸施加的恒力和激振器16的激振力，要保持在同一平面內(nèi)的同一條作用線上，即活塞桿的軸線上。其中位移傳感器31的一端安裝在激振器16上，通過(guò)位移傳感器31檢測(cè)軌枕10在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中的形變。

參見(jiàn)附圖8，本發(fā)明共振式軌枕10疲勞試驗(yàn)機(jī)的載荷規(guī)律為單向脈動(dòng)振動(dòng)波形。P為當(dāng)量激振力，因此需要事先預(yù)加恒定作用力P₀。恒定力P₀的加載要符合脈動(dòng)加載規(guī)律要求，且P₀的值要大于激振器16引起的反向作用力，即最小作用力也要大于0。恒定力P₀的施加不應(yīng)有質(zhì)量存在，即不能影響疲勞試驗(yàn)過(guò)程中所施加的慣性力，同時(shí)P₀的值不能受到軌枕10變形的影響，即P₀的值要足夠大，大于激振力幅值的一半以上。當(dāng)施加恒定力裝置的剛度K值足夠小的時(shí)候，軌枕10在試驗(yàn)過(guò)程中由于振動(dòng)所產(chǎn)生的有限變形將不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的作用力造成較大的影響，此時(shí)可以認(rèn)為力是恒定的。

本發(fā)明中恒力液壓施加系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)小剛度的方法是利用充氣式液壓蓄能器30加載，參見(jiàn)附圖9，本發(fā)明中采用的氣囊式的液壓蓄能器30。采用氣囊式液壓蓄能器30加載恒定載荷力P₀，此時(shí)氣囊式液壓蓄能器30相當(dāng)于空氣彈簧，其剛度值極小，當(dāng)激振器16工作時(shí)，試件在振動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的微小形變所產(chǎn)生的力將不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的作用力產(chǎn)生較大的影響，此時(shí)可以認(rèn)為激振力使恒定的。本發(fā)明所采用的氣囊式液壓蓄能器30的體積要足夠的大，由于激振器16加載的載荷為單向的脈動(dòng)激振力，因此恒定力P₀值也會(huì)發(fā)生微小的脈動(dòng)變化，當(dāng)氣囊式蓄能器30的體積足夠大時(shí)，P₀的變化對(duì)蓄能器30的加載造成影響可以忽略。蓄能器30加載原理如附圖6，其中蓄能器30的壓力為P₀，液壓系統(tǒng)的最高壓力為P₁，最低壓力為P₂，由蓄能器30計(jì)算容量公式可得蓄能器30容量為：

$V_0=\frac{\mathrm{\&Delta;}V}{p_0^{1/n}\&lsqb;{(1/p_2)}^{1/n}-{(1/p_1)}^{1/n}\&rsqb;}---\left(8\right)$

ΔV為容積變化量，n為指數(shù)，取為1.2。又取p₀＝0.8p₂，且設(shè)p₂＝0.995p₁，即允許力值誤差為0.5％則蓄能器容量：

$V_0\&ap;\frac{\mathrm{\&Delta;}V}{0.83\&lsqb;1-{\left(0.995\right)}^{1/2}\&rsqb;}\&ap;\frac{\mathrm{\&Delta;}V}{0.00346}.---\left(9\right)$

若ΔV為容積變化量，其中H為振幅，A₀為油缸的面積，即：

$V_0\&ap;\frac{{\mathrm{HA}}_0}{0.00691}---\left(10\right)$

本發(fā)明中液壓加載系統(tǒng)，為了減少摩擦和磨損，恒力油缸18需要采用間隙密封，所以油缸會(huì)存在泄漏現(xiàn)象，泄漏一般出現(xiàn)在油缸缸蓋與活塞桿、活塞與油缸內(nèi)壁之間。其中采用液壓伺服電機(jī)26控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制液壓伺服泵27的輸出，根據(jù)不同的工作需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。油缸缸蓋和活塞桿之間的泄漏量為Q_L1，活塞與油缸內(nèi)壁的泄漏量為Q_L2，由泄漏補(bǔ)償原理，補(bǔ)償?shù)男孤┝縌_L應(yīng)符合下列方程式：

Q_L＝Q_L1+Q_L2 (11)

油缸與活塞或者活塞桿的配合為偏心圓，工作壓力為p，偏心距為e，同心環(huán)間隙為h₀，密封長(zhǎng)度為l₀，缸徑為d，油的動(dòng)力粘度μ，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為v₀，最大泄漏量：

$Q_{L0}\&ap;2.5\frac{{{\mathrm{\&pi;dh}}_0}^3}{12{\mathrm{\&mu;l}}_0}p\&PlusMinus;\frac{{\mathrm{\&pi;dh}}_0}{2}{v}_0---\left(12\right)$

取兩處的泄漏量相同，有

Q_L＝2Q_L0 (13)

液壓系統(tǒng)設(shè)置了伺服伺服泵27，它與蓄能器30并聯(lián)。工作時(shí)，按照P₀的設(shè)置要求由該伺服泵27向蓄能器30和油缸供油達(dá)到預(yù)加恒定力的要求，伺服泵27在整個(gè)工作期間始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，維持系統(tǒng)的預(yù)置壓力P₀。

本發(fā)明的試驗(yàn)過(guò)程中激振力的大小根據(jù)上述關(guān)于彎矩的計(jì)算關(guān)系，在確定了試驗(yàn)彎矩水平以后，即可以確定激振力水平。盡管如此，試驗(yàn)時(shí)，彎矩仍需要進(jìn)行由小到大的調(diào)整。初步調(diào)整應(yīng)該在激振力水平很小的條件下，首先進(jìn)行激振頻率的調(diào)整，在接近激振力水平時(shí)，然后調(diào)整激振器16的偏心距達(dá)到激振力水平需要。只要激振器16的偏心距調(diào)整范圍能夠達(dá)到激振力水平，則盡可能將激振頻率遠(yuǎn)離固有頻率。以避免頻率調(diào)整失誤或者控制波動(dòng)造成試件過(guò)載。

試驗(yàn)機(jī)對(duì)軌枕10的中間截面進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，把試件軌枕10放置在兩個(gè)支撐木板上，兩個(gè)支撐木板之間的距離符合軌枕10疲勞試驗(yàn)的要求；激振器16安裝時(shí)把輔助導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)推出，使導(dǎo)輪和激振器16殼體上的凹槽接觸配合，激振器16橫向的位置可由輔助導(dǎo)輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，使激振器16處于只能做上下移動(dòng)的狀態(tài)；然后通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)恒力油缸18，經(jīng)過(guò)恒力油缸18對(duì)激振器16的位置進(jìn)行上下調(diào)節(jié)；到達(dá)適合位置后，利用激振器16的緊固支撐機(jī)構(gòu)與激振器16進(jìn)行緊固，緊固支撐機(jī)構(gòu)把軌枕10和激振器16緊固為一體；然后按照試驗(yàn)所需的壓力，利用液壓系統(tǒng)給恒力液壓缸進(jìn)行充液壓油，給軌枕10施加預(yù)定的恒定載荷；然后把附加質(zhì)量塊固定在試件兩端；其次對(duì)試件彎矩進(jìn)行由小到大的調(diào)整，初次調(diào)整要在激振力水平較小的條件進(jìn)行，先對(duì)激振頻率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整激振器16的轉(zhuǎn)速，使其施加的頻率逐漸接近激振力水平，然后通過(guò)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)激振器16的偏心距，獲得相應(yīng)的激振力；同時(shí)控制相應(yīng)的主電機(jī)轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)激振器16給軌枕10施加相應(yīng)的交變載荷。激振器16、液壓系統(tǒng)、試件受力變形情況均由控制系統(tǒng)實(shí)施控制。

液壓系統(tǒng)的具體實(shí)施過(guò)程，確定恒定力P₀的大小之后，通過(guò)控制伺服電機(jī)26的轉(zhuǎn)速給伺服泵27輸送液壓油，此時(shí)伺服泵27通過(guò)二位四通電磁換向閥28的閥芯，伺服泵27的液壓油通過(guò)電磁換向閥28進(jìn)入液壓缸的有桿腔，此時(shí)液壓缸的無(wú)桿腔通過(guò)電磁換向閥28和油箱25相連；蓄能器30和壓力傳感器29連接在恒力油缸18的有桿腔回路上，試驗(yàn)過(guò)程中，伺服泵27和蓄能器30是并聯(lián)的，伺服泵27向蓄能器30和液壓缸供油，對(duì)試件施加恒定的作用力P₀，通過(guò)壓力傳感器29的示數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，供油量要符合公式10。同時(shí)伺服泵27在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中要始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，維持系統(tǒng)的預(yù)置壓力P₀，同時(shí)按照公式(12)進(jìn)行液壓油泄漏補(bǔ)償。

當(dāng)共振式軌枕10疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)軌下的截面進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，試件的安裝方式如附圖，此時(shí)試驗(yàn)截面為軌下截面，試件的支撐位置符合軌枕10疲勞試驗(yàn)的要求，激振器16安裝、調(diào)節(jié)，液壓系統(tǒng)的控制，恒定力的施加，激振器16激振力的調(diào)節(jié)，激振頻率的調(diào)節(jié)和控制等，符合給軌枕10中間截面疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的操作要求。

本發(fā)明的共振式軌枕彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)還可以用于汽車車橋的彎曲疲勞試驗(yàn)。

本發(fā)明除了軌枕和汽車車橋的彎曲疲勞試驗(yàn)，還可以應(yīng)用到其他形式的直梁構(gòu)件的彎曲疲勞試驗(yàn)。