輪軌間蠕滑力試驗(yàn)研究

輪軌間蠕滑力試驗(yàn)研究

1新型試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)車輪之間的交叉滑動(dòng)能力是決定車輛動(dòng)態(tài)性能的基本要素。許多研究人員在理論和試驗(yàn)方面使用了驅(qū)動(dòng)圈函數(shù)的曲線來研究驅(qū)動(dòng)圈的特性。通常,利用雙盤(雙圓柱)滾動(dòng)接觸試驗(yàn)臺(tái)或輪對(duì)滾動(dòng)臺(tái)對(duì)輪軌間蠕滑力進(jìn)行試驗(yàn)研究,這些試驗(yàn)臺(tái)在接觸點(diǎn)處可以用多種方法控制圓盤(滾輪)的轉(zhuǎn)速及滑動(dòng)(蠕滑),而轉(zhuǎn)速和滑動(dòng)(蠕滑)直接決定了蠕滑力的大小。然而,上述試驗(yàn)臺(tái)只能在實(shí)驗(yàn)室而不能在既有線路軌道上進(jìn)行試驗(yàn)。既有軌道的表面狀況(影響蠕滑力)在干燥狀態(tài)、潤(rùn)滑狀態(tài)及污染情況下變化極大,在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)定與現(xiàn)場(chǎng)軌道相當(dāng)?shù)谋砻鏍顩r是很難的。此外,實(shí)際軌道和滾動(dòng)臺(tái)滾輪也有很大差別:用來模擬軌道的滾輪,其曲率比實(shí)際軌頭要大得多。如果在測(cè)試時(shí)不變換輪-輪接觸位置,那么滾動(dòng)過程就會(huì)加速磨損滾輪,造成滾輪外形發(fā)生變化比軌道外形發(fā)生變化早。有的研究者利用全尺車輛在既有軌道進(jìn)行了一些試驗(yàn),但由于下列原因而難以確定適當(dāng)?shù)娜浠?從小到大控制蠕滑率是相當(dāng)困難的,確定輪軌之間接觸點(diǎn)的位置也是很難的,而輪軌接觸點(diǎn)位置對(duì)確定蠕滑力是至關(guān)重要的。鑒于以上原因,作者研制出圖1所示的新型蠕滑試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)直接測(cè)試試驗(yàn)車輪和既有軌道之間的蠕滑力和蠕滑率。其特點(diǎn)之一是在試驗(yàn)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,可以利用機(jī)構(gòu)變換縱向蠕滑率。此外,該試驗(yàn)臺(tái)還可以通過產(chǎn)生橫向蠕滑率的方式,產(chǎn)生輪緣爬軌方向的橫向蠕滑力。在低于10s的單次測(cè)量作業(yè)時(shí)間內(nèi),該試驗(yàn)臺(tái)還可用于繪出蠕滑力/蠕滑率曲線。本文將介紹該裝置的機(jī)構(gòu)和利用該機(jī)構(gòu)在干燥及潤(rùn)滑情況下所取得的一些試驗(yàn)結(jié)果。2應(yīng)變式載荷傳感器的使用圖1為置于1m長(zhǎng)實(shí)際軌道(日本50N型鋼軌)上的蠕滑試驗(yàn)臺(tái),表1為具體的技術(shù)參數(shù)。蠕滑試驗(yàn)臺(tái)是一種裝有手柄的輕便裝置,總重約為26kg,最長(zhǎng)可達(dá)780mm。在研究蠕滑力特性時(shí),蠕滑試驗(yàn)臺(tái)同時(shí)測(cè)試下列試驗(yàn)值:縱向蠕滑力Fx、橫向蠕滑力Fy、法向力N、試驗(yàn)車輪轉(zhuǎn)速Vw和承載車輪的轉(zhuǎn)向架運(yùn)行速度Vt。使用圖2所示位置的應(yīng)變式載荷傳感器測(cè)試作用力,利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖,通過一個(gè)轉(zhuǎn)速操作系統(tǒng)測(cè)試轉(zhuǎn)速。這兩個(gè)編碼器中,其中一個(gè)裝在試驗(yàn)車輪的車軸上,另一個(gè)裝在滾珠絲杠軸的端部。轉(zhuǎn)向架由法向力機(jī)構(gòu)、軸箱和試驗(yàn)車輪組成,被連接到滾珠絲杠上,電機(jī)置于滾珠絲杠軸的端部,使轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生縱向運(yùn)動(dòng)。2.1縱向平滑力檢測(cè)試驗(yàn)蠕滑試驗(yàn)臺(tái)的一大特點(diǎn)是利用簡(jiǎn)單的測(cè)試程序就可以產(chǎn)生大范圍的縱向蠕滑力/率。該機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖見圖3。如圖2和圖3所示,縱向蠕滑力機(jī)構(gòu)由彈簧、附在試驗(yàn)車輪上的滾筒、鋼繩和皮帶輪組成。蠕滑試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試程序和縱向蠕滑力機(jī)構(gòu)具體闡述如下。首先,設(shè)定試驗(yàn)車輪的搖頭角(沖角)以產(chǎn)生橫向蠕滑率,然后利用圖2(b)所示的法向力機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)車輪和鋼軌間施加標(biāo)稱載荷。進(jìn)行上述設(shè)定后,電機(jī)借助于滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架,試驗(yàn)車輪同時(shí)在鋼軌上產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。剛開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于縱向蠕滑力機(jī)構(gòu)的彈簧幾乎沒有施加任何力,所以,試驗(yàn)車輪自由滾動(dòng)而極少滑動(dòng)。隨著試驗(yàn)車輪向前滾動(dòng),纏繞在試驗(yàn)車輪輪緣滾筒上的鋼繩在縱向拉動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈簧。這種作用力與纏繞滾筒鋼繩的長(zhǎng)度成正比,可以逐漸增加彈簧力Fs。假設(shè)試驗(yàn)車輪半徑為rw,滾筒半徑為rd,則施加在試驗(yàn)車輪和軌道接觸面間的縱向蠕滑力Fx可以表示為Fx=(rd/rw)Fs。這意味著縱向蠕滑力機(jī)構(gòu)增加了試驗(yàn)車輪和軌道間的縱向蠕滑力。同時(shí),由于彈簧力會(huì)干擾試驗(yàn)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng),所以,試驗(yàn)車輪和轉(zhuǎn)向架之間存在速度差,于是,該機(jī)構(gòu)的作用力會(huì)逐漸增加縱向蠕滑率。結(jié)果,試驗(yàn)車輪的轉(zhuǎn)速逐步降低。在最后的測(cè)試時(shí)刻,彈簧力變得很大以至于試驗(yàn)車輪無法保持滾動(dòng),最后開始在軌道上產(chǎn)生滑動(dòng)。這時(shí),外部信號(hào)停止驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架。蠕滑測(cè)試儀可以在幾秒鐘之內(nèi)完成一次測(cè)試,可在較大的縱向蠕滑率范圍內(nèi)獲得縱向蠕滑力和橫向蠕滑力的測(cè)試數(shù)據(jù)。如上所述,在施加搖頭角的前提下,蠕滑測(cè)試儀可產(chǎn)生橫向蠕滑率?？砂讶浠瑴y(cè)試儀的軸箱旋成標(biāo)準(zhǔn)車軸的尺寸,以便給試驗(yàn)車輪施加相對(duì)于軌道的搖頭角。測(cè)試過程中,固定搖頭角,4個(gè)搖頭角裝置可按表1所示的搖頭角數(shù)值進(jìn)行設(shè)定。由縱向蠕滑力機(jī)構(gòu)和搖頭角設(shè)定裝置組成的蠕滑測(cè)試儀,能同時(shí)測(cè)試縱向蠕滑力和橫向蠕滑力,從而能夠研究它們之間的相對(duì)關(guān)系。2.2vt-vw之間的差別在研究蠕滑力特性時(shí),精確地測(cè)試蠕滑率特別是小蠕滑率的值是必不可少的?？v向蠕滑率記為sx,試驗(yàn)車輪速度為Vw,轉(zhuǎn)向架速度為Vt,當(dāng)搖頭角為0時(shí),sx可表示為sx=2(Vt-Vw)/(Vt+Vw)。因此,很有必要測(cè)出Vt-Vw之間的微小差別,以便測(cè)出非常小的蠕滑率數(shù)值。蠕滑測(cè)試儀用一種頻率高達(dá)20MHz的基頻時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器一起組成的“脈沖比較器”來測(cè)試速度。當(dāng)蠕滑測(cè)試儀的電機(jī)開始驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架和試驗(yàn)車輪時(shí),兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器隨著滾珠絲杠或輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生脈沖信號(hào)。與脈沖對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)車輪所滾過的距離以及轉(zhuǎn)向架的運(yùn)動(dòng)距離可以用表1所示的一些參數(shù),如旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率、滾珠絲杠螺距和試驗(yàn)車輪輪徑來計(jì)算。所以,為確定各個(gè)速度所需要保留的參數(shù)就是脈沖所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。編碼器脈沖的計(jì)時(shí)可用編碼器高頻(20MHz)脈沖的基頻時(shí)鐘脈沖數(shù)計(jì)算。測(cè)速的精確度取決于轉(zhuǎn)向架的設(shè)定速度。對(duì)10mm/s的速度而言,其誤差在±0.002%以內(nèi)。應(yīng)用這種系統(tǒng),可以高精度地得出極小的蠕滑率值。2.3彈簧模擬動(dòng)力學(xué)模型法向力機(jī)構(gòu)是一種在試驗(yàn)車輪和軌道之間施加法向力的裝置(見圖2(b))。用表1中的彈簧模擬在實(shí)際運(yùn)行中車輪和軌道間產(chǎn)生的最大赫茲壓力,其法向力最大可調(diào)至300N。法向力的測(cè)試值由轉(zhuǎn)向架部件的質(zhì)量之和以及圖2(b)所示位置的測(cè)力傳感器共同決定。2.4滾動(dòng)軸承品密度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)車輪為半徑30mm的球面,通過淬火硬化處理(見表1)以降低滾動(dòng)接觸所產(chǎn)生的磨耗。試驗(yàn)車輪表面標(biāo)準(zhǔn)粗糙度(算術(shù)平均粗糙度Ra)約為0.3μm。蠕滑測(cè)試儀的試驗(yàn)車輪可以根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌鼡Q,不同的試驗(yàn)車輪在型面、材料及表面粗糙度等級(jí)方面各不相同。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概況蠕滑測(cè)試儀利用專用系統(tǒng)來控制和監(jiān)視測(cè)試裝置并采集測(cè)試數(shù)據(jù)。圖4為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概況。蠕滑測(cè)試儀根據(jù)圖4中所列的控制、監(jiān)視和測(cè)試數(shù)據(jù)的流程,對(duì)蠕滑力特性進(jìn)行測(cè)試。3.1試驗(yàn)車輪及轉(zhuǎn)向架的脈沖流量計(jì)及控制脈沖計(jì)數(shù)器是由2.2節(jié)所述的高頻基頻時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器元件組成的。利用安裝在試驗(yàn)車輪或轉(zhuǎn)向架滾珠絲杠上的旋轉(zhuǎn)編碼器基頻時(shí)鐘的脈沖數(shù),脈沖計(jì)數(shù)器就可以測(cè)出繞試驗(yàn)車輪或沿滾珠絲杠所走過的距離所用的時(shí)間。用裝有專為蠕滑測(cè)試儀開發(fā)的軟件的個(gè)人電腦(PC)從脈沖計(jì)數(shù)器獲取計(jì)數(shù)值,再利用車輪半徑和滾珠絲杠螺距等參數(shù),就可以算出試驗(yàn)車輪及轉(zhuǎn)向架的速度。階段控制器在PC指令下,控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架。階段控制器還用于監(jiān)視轉(zhuǎn)向架位置和電機(jī)狀況。直接操作階段控制器,可實(shí)施緊急停車,使轉(zhuǎn)向架回到測(cè)試開始時(shí)的位置。3.2壓縮優(yōu)化程序用PCWindows程序控制和監(jiān)視蠕滑測(cè)試儀系統(tǒng),以及采集測(cè)試數(shù)據(jù)。程序可以計(jì)算縱向蠕滑率和試驗(yàn)車輪及轉(zhuǎn)向架的速度,利用若干參數(shù)可以從電壓數(shù)據(jù)中得出所需的物理量。圖5給出了該程序的用戶界面(GUI)。用戶通過GUI輸入用于計(jì)算速度、蠕滑力、蠕滑率所需要的參數(shù)。GUI還實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的狀況和各物理量的電流值。此外,所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過一些計(jì)算后,軟件以圖形的方式顯示測(cè)試結(jié)果。圖5中右側(cè)為用于時(shí)間序列分析的測(cè)試數(shù)據(jù)。拖動(dòng)圖中的光標(biāo)可使用戶在所選定的時(shí)間范圍內(nèi)繪出蠕滑力特性以及蠕滑力/蠕滑率曲線(見圖5左側(cè))。上述功能可使用戶在現(xiàn)場(chǎng)立即檢驗(yàn)蠕滑力特性。程序還能以ASCII碼的格式輸出數(shù)據(jù)文件。4使用滑動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行基本測(cè)試4.1試驗(yàn)軌道和法向力設(shè)置利用蠕滑測(cè)試儀進(jìn)行了一些基本試驗(yàn),其中試驗(yàn)車輪特征參數(shù)見表1。首先,研究了設(shè)備的測(cè)試運(yùn)算和以時(shí)間序列形式表達(dá)的測(cè)試數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。其次,針對(duì)其在不同摩擦系數(shù)的軌道(干燥或潤(rùn)滑)上進(jìn)行檢測(cè)的基本能力進(jìn)行了試驗(yàn)。最后,利用試驗(yàn)研究了由車輪搖頭角(設(shè)為0.3°和0.6°)引起的橫向蠕滑率對(duì)縱向蠕滑力及橫向蠕滑力的影響。在下面所介紹的試驗(yàn)中,將影響蠕滑力的幾個(gè)參數(shù)均設(shè)為固定不變的值。試驗(yàn)軌道為平整表面,以避免各類軌道外形引起的復(fù)雜接觸情況。軌道表面用80#砂紙縱向打磨。打磨后,軌道的表面粗糙度Ra縱向約為0.2μm,橫向約為0.5μm。由于軌道表面平整,而試驗(yàn)車輪表面為球形,所以,試驗(yàn)車輪和軌道間的接觸面呈圓形。法向力機(jī)構(gòu)施加的法向力設(shè)定為200N,此時(shí)接觸區(qū)的赫茲壓力約為820MPa。該赫茲壓力值幾乎等于在約40kN的垂向載荷下,日本改進(jìn)型弧形車輪踏面和日本50N型鋼軌在軌道頂面間產(chǎn)生的赫茲壓力值。通過在軌面涂刷一些日常用的潤(rùn)滑脂來改變輪軌間的潤(rùn)滑狀態(tài)。轉(zhuǎn)向架的速度設(shè)定為20mm/s。所有試驗(yàn)都在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。4.2縱向園內(nèi)傳感器摩擦圖6(a)給出了搖頭角Ψw為0.6°時(shí),由蠕滑測(cè)試儀測(cè)出的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)一直到試驗(yàn)車輪在軌道開始發(fā)生滑動(dòng)為止。圖6(a)中Fx和Fy分別代表縱向蠕滑力分量和橫向蠕滑力分量。從圖6(a)可以看出縱向蠕滑力機(jī)構(gòu)是如何產(chǎn)生縱向蠕滑力、試驗(yàn)車輪速度Vw以及縱向蠕滑率sx的。開始測(cè)試時(shí)幾乎沒有產(chǎn)生縱向蠕滑力,但是,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),縱向蠕滑力數(shù)值逐步增加。在剛開始滾動(dòng)時(shí),試驗(yàn)車輪幾乎以轉(zhuǎn)向架同樣的速度滾動(dòng)。由于縱向蠕滑力上升,致使車輪的速度稍稍低于轉(zhuǎn)向架速度。因此,縱向蠕滑率隨試驗(yàn)車輪速度的降低而急劇增加。由于在準(zhǔn)備測(cè)試時(shí),軸箱沒有和檢測(cè)橫向蠕滑力的測(cè)力傳感器接觸,所以沒有測(cè)試初始運(yùn)動(dòng)時(shí)的橫向蠕滑力。試驗(yàn)車輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)以后,搖頭角自然地引起橫向蠕滑率和橫向蠕滑力。將搖頭角設(shè)定成可造成較大橫向蠕滑率的足夠大值,此時(shí),橫向蠕滑力急劇增大。在橫向蠕滑率達(dá)到最大值后便開始逐漸降低。圖6(a)表明,在測(cè)試過程中法向力N幾乎保持穩(wěn)定值。當(dāng)橫向蠕滑力達(dá)到最大值時(shí),從圖6(a)選取數(shù)據(jù)生成的蠕滑力/蠕滑率曲線見圖6(b)。圖6(b)中縱坐標(biāo)為縱向蠕滑力、橫向蠕滑力分別與法向力的比值,即Fx/N和Fy/N,橫坐標(biāo)為縱向蠕滑率?？v向蠕滑力與法向力的比值Fx/N會(huì)隨著縱向蠕滑率的增大而增大到一定程度。與此相反,橫向蠕滑力與法向力的比值Fy/N卻隨著縱向蠕滑率的增大而減小。在測(cè)試過程中,由于搖頭角保持不變,故橫向蠕滑率變化很小。因此,試驗(yàn)結(jié)果表明,縱向蠕滑率不僅影響縱向蠕滑力,而且也影響橫向蠕滑力?？梢栽O(shè)想,在Fx/N和Fy/N均達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),接觸區(qū)內(nèi)縱向蠕滑率和橫向蠕滑率之比決定了縱向蠕滑力幅值和橫向蠕滑力幅值的比例關(guān)系。4.3測(cè)試結(jié)果與分析在潤(rùn)滑和干燥狀況下,當(dāng)搖頭角為0時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果見圖7。由于沒有橫向蠕滑率,也就沒有產(chǎn)生Fy。為保證測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性,在潤(rùn)滑和干燥狀況下各進(jìn)行20次試驗(yàn)。圖7給出的數(shù)據(jù)是用某種方法對(duì)20次測(cè)試數(shù)據(jù)算出的平均值。無論軌道潤(rùn)滑還是軌道干燥,當(dāng)縱向蠕滑力與法向力之比(見圖7(a)和圖7(b))很小時(shí),縱向蠕滑力與法向力之比與蠕滑率成正比例地急劇增加。當(dāng)蠕滑率達(dá)到一定程度,上述比值均呈飽和狀態(tài)。在潤(rùn)滑情況下,Fx/N的飽和值約為0.12,而在干燥情況下飽和值約為0.4?？梢娫趦煞N狀況下,Fx/N的飽和值彼此差異很大。圖7表明,蠕滑測(cè)試儀是可以測(cè)試污染物對(duì)蠕滑力的影響的。4.4縱向園壁模糊性測(cè)試與橫向?；Φ年P(guān)系使用潤(rùn)滑劑對(duì)軌面進(jìn)行潤(rùn)滑后,當(dāng)搖頭角分別為0.3°和0.6°時(shí),對(duì)20次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后的結(jié)果見圖8。對(duì)比圖7(b)和圖7(a)可知,當(dāng)縱向蠕滑較大時(shí),干燥狀況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比潤(rùn)滑狀況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布要更分散些。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)指出,某些參數(shù)如接觸面溫度、環(huán)境溫度和濕度等,對(duì)蠕滑力都有直接影響。在20次測(cè)試過程中,上述參數(shù)并不穩(wěn)定,并且在干燥情況下比在潤(rùn)滑情況下對(duì)蠕滑力影響更大。所以,圖8給出在更穩(wěn)定情況下所測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果(審校者注:即圖8只給出軌面潤(rùn)滑情況下的試驗(yàn)結(jié)果)。由圖8可知,蠕滑測(cè)試儀所測(cè)得的結(jié)果表明,Fx/N在搖頭角為0.3°時(shí)的初始斜率與在搖頭角為0.6°時(shí)的初始斜率有很大的差別。當(dāng)縱向蠕滑率sx大到一定數(shù)值以后,雖然兩種搖頭角工況對(duì)應(yīng)的絕對(duì)蠕滑力與法向力F/N的比,幾乎都達(dá)到約0.13的相同飽和值,但大搖頭角工況對(duì)應(yīng)的初始斜率比小搖頭角工況對(duì)應(yīng)的初始斜率要小。因?yàn)榇蟮膿u頭角產(chǎn)生大的橫向蠕滑率,所以,Fx/N在搖頭角為0.6°時(shí)的初始斜率比搖頭角為0.3°時(shí)的初始斜率要小。圖8還給出了縱向蠕滑力與橫向蠕滑力之間的關(guān)系。由圖8可知,Fy/N隨縱向蠕滑率的增大而減小,而Fx/N則隨縱向蠕滑率的增大而增大。由于圖8(b)的橫向蠕滑率更大些,故圖8(b)中的Fy/N比圖8(a)中的Fy/N在降低速度方面要更緩慢些。用Kalker的FASTSIM程序所計(jì)算得出的理論曲線以實(shí)線或虛線方式一并繪于圖8中,計(jì)算過程中摩擦系數(shù)取0.13。橫向蠕滑率sy計(jì)算公式為sy=VwsinΨw/Vmean。其中Vmean=(