本發明屬于滾動接觸剛度和阻尼系數試驗技術領域，具體涉及一種高速滾動接觸剛度和阻尼系數測試的新方法。

背景技術：

隨著鐵路列車不斷提速及向高速化方向發展，列車在運行過程中的振動將不可避免地增大，與此同時，人們對列車乘坐的舒適性的要求也越來越高。如何化解或緩和這一矛盾，已成為當今鐵路研究人員的一項課題。鐵路運輸向科學研究提出一系列挑戰，許多關鍵科學技術問題急需解決，其中輪軌滾動接觸剛度和阻尼的研究就是最復雜問題之一，它的解決對列車安全運營和降低振動以及發展高速列車具有重要的意義。眾所周知，軌道幾何不平順是導致機車車輛振動的直接根源，國內外均對此進行了大量卓有成效的研究。然而輪軌滾動接觸剛度和阻尼對列車運行的影響尚未得到深入研究，其影響規律還未被認識清楚，由于缺少理想的實驗設備，故沒有得到系統性的研究。本發明在現有的測試剛度和阻尼系數試驗方法上進行改進，提供出一種高速滾動接觸剛度和阻尼系數測試的新方法，以實時模擬檢測出高速列車輪軌滾動接觸剛度和阻尼系數特性。

該方法解決以下幾個問題：

（1）工作原理簡單、可靠性高，可實時檢測試件高速滾動接觸剛度和阻尼系數；

（2）操縱方便，避免傳感器長電纜繞線問題；

（3）維修保養費用低，采用高速伺服電機，可以模擬高速列車輪軌滾動接觸。

技術實現要素：

為了克服現有的技術不足，本發明提供了一種高速滾動接觸剛度和阻尼系數測試的新方法，該方法主要由高速滾動接觸剛度和阻尼系數試驗機實現，該試驗機能實時檢測高速滾動接觸剛度和阻尼系數特性。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：為了克服現有的剛度和阻尼系數測試設備不能實時檢測高速滾動接觸工況下的滾動接觸剛度和阻尼系數，并為研究輪軌滾動接觸剛度和阻尼特性提供實驗依據。本發明依據的原理是主動軸運動部分臥式安裝于主機工作臺[7]之上，主動軸[15]通過彈性聯軸器[20]與無線加速度傳感器[25]串聯，由交流伺服電機1[5]驅動，下試環[19]裝于主動軸[15]前端，并由固定螺母[17]和擋圈[18]緊固，可隨主動軸[15]以一定的轉速旋轉，主動帶輪[24]通過同步圓弧齒型帶和從動帶輪[23]傳遞帶動傳動軸[22]旋轉，同時通過帶輪[21]傳遞帶動陪試主軸[12]同步旋轉，傳動軸組件通過左、右軸支撐座[2]固定于工作臺[7]上，陪試主軸[12]安裝于杠桿保持架[26]一端，杠桿保持架[26]可以傳動軸[22]為支點做杠桿運動以傳遞試驗力，以車輪材料為主試件[14]，鋼軌材料為陪試件[13]，使得主試件[14]與陪試件[13]可以實現高速滾動接觸。無線渦流傳感器[16]獲取掃頻和同步兩種信號，測試掃頻信號就是根據要求測量的頻率點周期性給出各頻率點的正弦信號，此信號由LabVIEW 產生，通過采集卡模擬輸出通道輸出，加載在功率放大器[10]的輸入端，功率放大器[10]的輸入接口與信號發生器[11]連接，將其掃頻信號放大，輸出端口與非接觸激振器[27]連接，由固定在激振盒[8]中的非接觸激振器[27]持續給激勵式樣的受迫振動作為主要激勵，同步信號是產生與掃頻信號同步的方波信號，用于位移響應信號的同步采集，無線渦流傳感器[16]的輸出電壓信號作為系統的響應信號再由NI DAQ數據采集卡的一路模擬輸入通道采集到計算機[9]，由系統應用程序進行數據的存儲和數據分析，模擬檢測出高速列車滾動接觸剛度和阻尼特性。

該高速滾動接觸剛度和阻尼系數測試試驗機主要由五部分構成：機架、主動運動機構、陪試運動機構、自動測試裝置和微機控制裝置，其中機架主要由工作臺[7]、支架[3]、底板[4]組成；主動運動機構主要由主動運動部分高速伺服電機1 [1]、支撐座[2]、主動軸[15]、主試件[14]、彈性聯軸器[20]、下試環[19]組成；陪試運動機構主要由陪試運動部分高速伺服電機2 [5]、陪試主軸[12]、陪試件[13]、試驗力加載器[6]、主動帶輪[24]、從動帶輪[23]、傳動軸[22]組成；自動測試裝置主要由功率放大器[10]、非接觸式激振器[27]、無線渦流傳感器[16]、信號接收器[11]組成；微機控制機構主要由電器測控系統、軟件部分、計算機[9]及輔助件組成。

現有技術相比，本發明的有益效果是：

（1）本發明與現有測試剛度和阻尼系數的設備最大不同之處在于可以實現避免長電纜繞線，實時檢測出高速滾動接觸剛度和阻尼系數特性，為研究輪軌滾動接觸剛度和阻尼模型的科研工作提供依據。

（2）改進了現有測試剛度和阻尼的設備不能進行高速工況下的滾動接觸，主動運動機構、陪試運動機構均運用了高速伺服電機，可仿真高速滾動接觸工況下試件滾動接觸現象。

（3）自動測試裝置能夠通過無線渦流傳感器獲取的信號自動得到試樣的剛度和阻尼系數。

（4）工作原理簡單、檢測精度高、易于安裝、維修費用低，界面直觀易用。

附圖說明

圖1為高速滾動接觸剛度和阻尼系數測試試驗機外觀示意圖。

圖2為高速滾動接觸剛度和阻尼系數測試試驗機零件示意圖。

圖3為主動運動機構示意圖。

圖4為陪試運動機構示意圖。

附圖標記：主動運動部分高速伺服電機1[1]、支撐座[2]、支架[3]、底板[4]、陪試運動部分高速伺服電機2[5]、試驗力加載器[6]、工作臺[7]、激振盒[8]、計算機[9]、功率放大器[10]、信號接收器[11]、陪試主軸[12]、陪試件[13]、主試件[14]、主動軸[15]、無線渦流傳感器[16]、螺母[17]、擋圈[18]、下試環[19]、彈性聯軸器[20]、帶輪[21]、傳動軸[22]、從動帶輪[23]、帶輪[24]、無線加速度傳感器[25]、杠桿保持架[26]、非接觸激振器[27]。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明：

如附圖1、附圖2所示，本發明的組成包括機架、主動運動機構、陪試運動機構、自動測試裝置和微機控制機構。

實施例1、一種高速滾動接觸剛度和阻尼系數測試的新方法，其中：主動運動機構主要由主動動運動部分高速伺服電機1[1]、支撐座[2]、主動軸[15]、主試件[14]、彈性聯軸器[20]、下試環[19]組成。主動軸運動部分臥式安裝于主機工作臺[7]之上，下試環[19]安裝于主動軸[15]前端，并由固定螺母[17]和擋圈[18]緊固，可隨主動軸[15]以一定的轉速旋轉，主動軸[15]通過彈性聯軸器[20]與無線加速度傳感器[25]串聯，主動運動部分高速伺服電機1[1]通過主動軸[15]與主試件[14]連接，可實現主動運動部分高速伺服電機1[1]帶動主試件[14]的自由滾動。

實施例2、一種高速滾動接觸剛度和阻尼測試系數的新方法，其中：陪試運動機構主要由陪試運動部分高速伺服電機2[5]、試驗力加載器[6]、陪試主軸[12]、陪試件[13]、主動帶輪[24]、從動帶輪[23]、傳動軸[22]、帶輪[21]組成。高速伺服電機1[5]驅動主動帶輪[24]通過同步圓弧齒型帶和從動帶輪[23]傳遞帶動傳動軸[22]旋轉，同時通過帶輪[21]傳遞帶動陪試主軸[12]同步旋轉，上試環通過固定螺母[17]和擋圈[18]緊固于陪試主軸[12]端部，高速伺服電機2[5]通過陪試主軸[12]與陪試件[13]連接形成轉動副，可實現陪試運動部分高速伺服電機2[5]帶動陪試件[13]的自由滾動。驗力加載器[6]通過螺釘擰緊固定在工作臺上，采用液壓作動器加載機構，使得主、陪試件之間可產生最大試驗力30KN。

實施例3、一種高速滾動接觸剛度和阻尼測試的新方法，其中：自動測試裝置主要由功率放大器[10]、非接觸式激振器[27]、無線渦流傳感器[16]、信號接收器[11]組成。無線渦流傳感器[16]獲取掃頻和同步兩種信號，測試掃頻信號就是根據要求測量的頻率點周期性給出各頻率點的正弦信號，此信號由LabVIEW 產生，同步信號是產生與掃頻信號同步的方波信號，用于位移響應信號的同步采集(為位移剛度系數)。

實施例4、一種高速滾動接觸剛度和阻尼測試的新方法，其中：無線渦流傳感器[16]獲取掃頻信號通過采集卡模擬輸出通道輸出，加載在功率放大器[10]( 為功率放大電路傳遞函數)的輸入端，功率放大器[10]的輸入接口與信號發生器[11]連接，將其掃頻信號放大，輸出端口與非接觸激振器[27]連接，由固定在激振盒[8]中的非接觸激振器[27]持續給激勵式樣的受迫振動作為主要激勵。

實施例5、一種高速滾動接觸剛度和阻尼測試的新方法，其中：無線渦流傳感器[16] (傳感器電路的傳遞函數)的輸出電壓信號作為系統的響應信號再由NI DAQ數據采集卡的一路模擬輸入通道采集到計算機[9]，通過對各種信號的處理可以得到剛度和阻尼系數分別為：和,其中，和 分別表示的實部和虛部，為電流剛度系數。由系統應用程序進行數據的存儲和數據分析，即可完成高速滾動接觸剛度和阻尼系數的測試。

本發明的工作方法如下：

本發明設計意在研究高速列車輪軌滾動接觸剛度和阻尼系數特性，在實驗前，實驗人員先檢查主動運動部分高速伺服電機1[1]、陪試運動部分高速伺服電機2[5]是否能正常工作，然后打開伺服電機開關，以車輪材料為主試件[14]、鋼軌材料為陪試件[13]，調試好主試件[14]和陪試件[13]的相對位置，調整轉速，主、陪試件均以25000轉/分轉速轉動，實現主試件[14]和陪試件[13]高速滾動接觸。通過微機控制機構把需要施加的應力輸入試驗力加載器[6]，給主試件[14]和陪試件[13]之間輸入15KN的應力，模擬高速列車輪軌滾動接觸間應力狀態。無線渦流傳感器[16]獲取掃頻和同步兩種信號，測試掃頻信號就是根據要求測量的頻率點周期性給出各頻率點的正弦信號，此信號由LabVIEW 產生，通過采集卡模擬輸出通道輸出，加載在功率放大器[10]的輸入端，功率放大器[10]的輸入接口與信號發生器[11]連接，將其掃頻信號放大，輸出端口與非接觸激振器[27]連接，由固定在激振盒[8]中的非接觸激振器[27]持續給激勵式樣的受迫振動作為主要激勵，同步信號是產生與掃頻信號同步的方波信號，用于位移響應信號的同步采集，無線渦流傳感器[16]的輸出電壓信號作為系統的響應信號再由NI DAQ數據采集卡的一路模擬輸入通道采集到計算機[9]，由系統應用程序進行數據的存儲和數據分析，計算機界面能夠進行控制、實時動態監視、測量、記錄試驗過程中的試驗力、阻尼和剛度系數等，通過得出的數據分析得出高速列車輪軌滾動接觸剛度和阻尼系數特性。

本高速滾動接觸剛度和阻尼系數測試試驗方法在三相四線制380V電壓、室溫10-35℃范圍內下正常工作，適宜安裝在地面平整的一樓，工作原理簡單，檢測過程快速精確，工作安全可靠，可實時檢測高速滾動接觸剛度和阻尼系數特性。

上面結合附圖對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現并不受上述方式的限制，只要采用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種改造，或未經改進直接應用于其它場合的，均在本發明的保護范圍之內。