專利名稱：火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備。
背景技術(shù)：
疲勞現(xiàn)象廣泛存在于航空、航天、機(jī)械、交通、電力等領(lǐng)域，它是金屬構(gòu)件斷裂的主要形式之一。最早引起人們關(guān)注的疲勞問題可追溯到19世紀(jì)20年代發(fā)生于鐵路機(jī)車、路軌、金屬橋梁的破壞現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，疲勞強(qiáng)度問題的重要性也表現(xiàn)的越來越突出。一系列災(zāi)難性的飛機(jī)空難事故、列車脫軌事故、核電站爆炸事故，很多經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)都是由疲勞破壞造成的。時至今日，疲勞失效問題始終是困擾許多工程領(lǐng)域中關(guān)系到安全性與經(jīng)濟(jì)性的一個重要因素，而疲勞分析也成為人們所關(guān)注的一個重要課題。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞是多種單一模式(如彎曲疲勞、拉扭疲勞等)相耦合的復(fù)雜疲勞，它廣泛存在于交通運(yùn)輸設(shè)備、機(jī)械裝備和器械等旋轉(zhuǎn)體零部件中，形成重大的安全隱患?；疖囕嗇S是鐵道機(jī)車車輛的關(guān)鍵部件之一，它直接關(guān)系到列車運(yùn)行安全。輪軸在運(yùn)行中承受復(fù)雜的交變載荷和軸頸端部的對稱彎曲應(yīng)力，在與車輪成過盈配合的軸頸表面上或其它過盈配合的部位會產(chǎn)生疲勞損傷。長期危及行車安全的車軸端部的冷切斷裂，其實(shí)質(zhì)就是疲勞破壞。疲勞試驗(yàn)機(jī)是測試金屬或非金屬材料疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度的一種測試設(shè)備。目前，國內(nèi)外大多數(shù)疲勞試驗(yàn)機(jī)均為軸向拉壓式、平面彎曲式或固定頻率的簡單旋轉(zhuǎn)彎曲式標(biāo)準(zhǔn)式設(shè)備。而可以調(diào)頻的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)尤其是能模擬火車輪軸實(shí)際工況的疲勞試驗(yàn)機(jī)十分少見。因此，有效地針對火車輪軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的模擬，研制更加接近實(shí)際工況的試驗(yàn)設(shè)備，對進(jìn)一步揭示輪軸的疲勞特性和損傷機(jī)制，為有效的提高輪軸的抗疲勞損傷性能，更好地進(jìn)行輪軸防護(hù)，提高高速列車輪軸使用壽命和車輛運(yùn)行的安全性提供試驗(yàn)依據(jù)，具有十分重要的意義。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有疲勞試驗(yàn)機(jī)無法模擬火車輪軸的實(shí)際工況，進(jìn)行疲勞損傷試驗(yàn)的不足，提供一種火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備，該試驗(yàn)設(shè)備能方便地模擬火車輪軸在承受復(fù)雜交變載荷作用下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞損傷，得到火車輪軸在旋轉(zhuǎn)彎曲作用下的疲勞壽命、疲勞強(qiáng)度；從而為提高輪軸的抗疲勞損傷性能，更好地進(jìn)行輪軸防護(hù)， 提高高速列車輪軸使用壽命和車輛運(yùn)行的安全性，提供更可靠更準(zhǔn)確的試驗(yàn)依據(jù)。本實(shí)用新型通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，一種火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備，其組成是本實(shí)用新型的工作過程和原理是機(jī)座、機(jī)座上安裝有受數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)控制的電主軸、電主軸經(jīng)聯(lián)軸器與充有冷卻油的軸箱的輸入端相連，軸箱的輸出端連接彈簧夾頭；彈簧夾頭夾持輪軸試樣的軸；[0008]聯(lián)軸器的旁邊安裝有轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器；輪軸試樣的輪與下方的從動輪接觸，從動輪的軸通過雙排軸承安裝在從動輪支架上，從動輪支架的底板四角下方固定有導(dǎo)套，導(dǎo)套內(nèi)套有導(dǎo)柱，導(dǎo)柱的下部固定在傳感器座上，傳感器座固定在機(jī)座上；傳感器座的中部上表面安裝有和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)相連的壓力傳感器，壓力傳感器的螺紋孔與調(diào)節(jié)立柱相連，調(diào)節(jié)立柱上端部與從動輪支架的底板下表面接觸，調(diào)節(jié)立柱的中部設(shè)有自鎖螺紋環(huán)。本實(shí)用新型的工作過程和原理是將與實(shí)際輪軸過盈配合應(yīng)力相同的輪軸試樣夾持在彈簧夾頭上，并使輪軸試樣與模擬軌道的從動輪對中；調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)立柱，使輪軸試樣的輪與從動輪接觸并使傳感器到達(dá)預(yù)定的載荷Ptl后鎖緊自鎖螺紋環(huán)，開啟無級調(diào)速的電主軸并經(jīng)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的控制使輪軸試樣以預(yù)定的轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，然后通過輪軸試樣的軸端上方的加載設(shè)備以設(shè)定的加載波形、載荷峰峰值F-F、應(yīng)力比R、頻率f向輪軸試樣的軸端加載，進(jìn)行模擬火車實(shí)際工況下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。在輪軸試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的同時，通過分別安裝在加載設(shè)備和傳感器座上的壓力傳感器，及聯(lián)軸器旁的轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器，采集數(shù)據(jù)并傳入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)存儲。試驗(yàn)完成后，讀出存儲的數(shù)據(jù)，分析即可得到火車輪軸在不同工況下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命、疲勞強(qiáng)度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是一、電主軸驅(qū)動輪軸試樣轉(zhuǎn)動，模擬火車輪軸的旋轉(zhuǎn)，無級調(diào)速的電主軸由調(diào)速變頻器控制，調(diào)速范圍約為60 3600r/min，與列車的實(shí)際轉(zhuǎn)速接近(以高速列車^OKm/h 運(yùn)行為例，輪軸轉(zhuǎn)動角速度約為1850r/min)；加載設(shè)備從輪軸的軸端進(jìn)行垂向加載，模擬輪軸的實(shí)際載重，并通過從動輪模擬軌道。從而本實(shí)用新型模擬的工況與火車輪軸的實(shí)際工況接近，能方便地更真實(shí)的模擬火車輪軸在承受復(fù)雜交變載荷作用下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞損傷，更真實(shí)地得到火車輪軸在旋轉(zhuǎn)彎曲作用下的疲勞壽命、疲勞強(qiáng)度，表面損傷和疲勞裂紋擴(kuò)展速率等；從而為提高輪軸的抗疲勞損傷性能，更好地進(jìn)行輪軸防護(hù)，提高高速列車輪軸使用壽命和車輛運(yùn)行的安全性，提供更可、靠更準(zhǔn)確的試驗(yàn)依據(jù)。二、試驗(yàn)時，由數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)控制電主軸的轉(zhuǎn)速及載荷的施加，并由其自動讀取轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)、壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)，操作簡單方便，自動化程度高，試驗(yàn)的認(rèn)為誤差小，試驗(yàn)結(jié)果精確、可靠。三、彈簧夾頭可夾持多種尺寸和形狀的輪軸比例試樣，能對不同的輪軸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，從而可以模擬不同尺寸和規(guī)格的火車輪軸，適用范圍廣。上述的從動輪支架調(diào)節(jié)立柱上端部與從動輪支架底板下表面接觸的具體結(jié)構(gòu)為 調(diào)節(jié)立柱上端部的凹槽內(nèi)設(shè)有頂出鋼球，頂出鋼球的上部與從動輪支架的底板下表面的凹槽配合。這樣，保證了上部受力均勻且受力方向始終豎直向上，避免面受力可能產(chǎn)生的傾斜。上述的從動輪支架在輪軸試樣的軸端部下方的部位安裝有限位器，限位器與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)相連。[0021]這樣，當(dāng)輪軸試樣斷裂或繞度達(dá)到預(yù)設(shè)值時，輪軸的軸端接觸到限位器，限位器觸發(fā)、控制系統(tǒng)控制電主軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)，確保整個設(shè)備與試驗(yàn)的安全。上述的冷卻油的油路由油箱、冷卻油泵、進(jìn)油管、軸箱、回油管和油箱依次相連構(gòu)成。這樣，采用循環(huán)油冷卻效果良好，使得設(shè)備在高速運(yùn)行狀態(tài)下能保證良好的散熱， 不會導(dǎo)致軸箱內(nèi)的機(jī)械軸和滾動軸承處因局部溫度過高而損壞設(shè)備，另外采用油冷卻在保證散熱良好的同時，還能起到潤滑機(jī)械軸的雙重功效。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的試驗(yàn)設(shè)備的示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例試驗(yàn)設(shè)備的傳感器底座及其上方所有零部件的放大結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施方式
實(shí)施例圖1、圖2示出，本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
是，一種火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備，其組成是機(jī)座1、機(jī)座1上安裝有受數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)20控制的電主軸2、電主軸2經(jīng)聯(lián)軸器3與充有冷卻油18的軸箱4的輸入端相連，軸箱4的輸出端連接彈簧夾頭8 ；彈簧夾頭8夾持輪軸試樣的軸6 ；聯(lián)軸器3的旁邊安裝有轉(zhuǎn)速傳感器14和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器15 ；輪軸試樣的輪7與下方的從動輪10接觸，從動輪10的軸11通過雙排軸承22安裝在從動輪支架21上，從動輪支架21的底板23四角下方固定有導(dǎo)套四，導(dǎo)套四內(nèi)套有導(dǎo)柱M，導(dǎo)柱M的下部固定在傳感器座沈上，傳感器座沈固定在機(jī)座1上；傳感器座沈的中部上表面安裝有和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)20相連的壓力傳感器 13，壓力傳感器13的螺紋孔與調(diào)節(jié)立柱27相連，調(diào)節(jié)立柱27上端部與從動輪支架21的底板23下表面接觸，調(diào)節(jié)立柱27的中部設(shè)有自鎖螺紋環(huán)觀。圖2示出，本例的調(diào)節(jié)立柱27上端部與從動輪支架底板23下表面接觸的具體結(jié)構(gòu)為調(diào)節(jié)立柱27上端部的凹槽內(nèi)設(shè)有頂出鋼球25，頂出鋼球25的上部與從動輪支架21 的底板23下表面的凹槽配合。圖1示出，本例的從動輪支架21在輪軸試樣的軸6端部下方的部位安裝有限位器 9，限位器9與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)20電連接。圖1還示出，本例的冷卻油18的油路由油箱19、冷卻油泵17、進(jìn)油管16、軸箱4、 回油管12和油箱19依次相連構(gòu)成。顯然，本實(shí)用新型的輪軸試樣是輪7與軸6的過盈裝配體，其過盈量可根據(jù)火車的實(shí)際工況確定輪軸試樣與實(shí)際火車輪軸的尺寸比例可做到不大于1 4。輪軸裝配后接觸應(yīng)力與它們之間過盈量的關(guān)系可由Lame應(yīng)力公式(1)計算得到[0038]
編=嘗卜6) j..........................................(ι)式中E-彈性模量；Δ -實(shí)際過盈量；r-軸試樣直徑；R-輪試樣外徑；為避免冷裝配帶來的表面損傷，輪軸試樣也可以通過熱裝配完成，通過下面的公式(2)可計算溫度與尺寸變化間的關(guān)系A(chǔ)T = -............................................................(2)
ra這樣，可以完成不同比例輪軸試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，可以根據(jù)所需的接觸應(yīng)力推出理想過盈量的大小，然后輪軸試樣配合面間的接觸壓應(yīng)力可以根據(jù)輪與軸的最終加工尺寸，配對選擇合適的實(shí)際過盈量進(jìn)行裝配，以滿足不同要求的火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)。
權(quán)利要求1.一種火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備，其組成是機(jī)座(1)、機(jī)座(1)上安裝有受數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)00)控制的電主軸O)、電主軸 (2)經(jīng)聯(lián)軸器( 與充有冷卻油(18)的軸箱的輸入端相連，軸箱的輸出端連接彈簧夾頭(8)；彈簧夾頭(8)夾持輪軸試樣的軸(6)；聯(lián)軸器(3)的旁邊安裝有轉(zhuǎn)速傳感器(14)和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器(15)；輪軸試樣的輪(7)與下方的從動輪(10)接觸，從動輪(10)的軸(11)通過雙排軸承 (22)安裝在從動輪支架上，從動輪支架的底板四角下方固定有導(dǎo)套(四)， 導(dǎo)套09)內(nèi)套有導(dǎo)柱(M)，導(dǎo)柱04)的下部固定在傳感器座06)上，傳感器座06)固定在機(jī)座⑴上；傳感器座06)的中部上表面安裝有和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)00)相連的壓力傳感器 (13)，壓力傳感器(1 的螺紋孔與調(diào)節(jié)立柱(XT)相連，調(diào)節(jié)立柱(XT)上端部與從動輪支架的底板下表面接觸，調(diào)節(jié)立柱(XT)的中部設(shè)有自鎖螺紋環(huán)08)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于所述的調(diào)節(jié)立柱(XT)上端部與從動輪支架的底板下表面接觸的具體結(jié)構(gòu)為調(diào)節(jié)立柱(XT)上端部的凹槽內(nèi)設(shè)有頂出鋼球(25)，頂出鋼球05)的上部與從動輪支架的底板下表面的凹槽配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于所述的從動輪支架在輪軸試樣的軸(6)端部下方的部位安裝有限位器(9)，限位器(9)與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)00)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，所述的冷卻油(18)的油路由油箱(19)、冷卻油泵(17)、進(jìn)油管(16)、軸箱(4)、回油管(12)和油箱(19)依次相連構(gòu)成。
專利摘要一種火車輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的試驗(yàn)設(shè)備，其組成是機(jī)座上安裝有受數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)控制的電主軸、電主軸經(jīng)聯(lián)軸器、充有冷卻油的軸箱與彈簧夾頭相連；彈簧夾頭夾持輪軸試樣的軸；聯(lián)軸器旁有轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器；輪軸試樣的輪與下方的從動輪接觸，從動輪的軸安裝在從動輪支架上，從動輪支架的導(dǎo)套套合在傳感器座的導(dǎo)柱上；傳感器座的壓力傳感器的螺紋孔與調(diào)節(jié)立柱相連，調(diào)節(jié)立柱上端部與從動輪支架的底板下表面接觸，調(diào)節(jié)立柱的中部設(shè)有自鎖螺紋環(huán)。該試驗(yàn)設(shè)備能方便地模擬火車輪軸在承受復(fù)雜交變載荷作用下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞損傷，從而為提高輪軸的抗疲勞損傷性能，更好地進(jìn)行輪軸防護(hù)，提供更可靠更準(zhǔn)確的試驗(yàn)依據(jù)。
文檔編號G01N3/34GK201974342SQ20112007289
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者周仲榮, 宋川, 彭金方, 朱旻昊, 沈明學(xué), 莫繼良, 蔡振兵 申請人:西南交通大學(xué)